Из приведённого небольшого обзора способов использования и преобразования солнечной энергии видно, что этот источник энергии не остаётся без внимания человека. Освоение солнечной энергии является одним из приоритетных направлений деятельности учёных, инженеров, конструкторов. Правительства некоторых стран и частные компании инвестируют порой дерзкие проекты, призванные покорить солнечный луч.
Вместе с тем эта новая по историческим меркам отрасль деятельности человека ещё не выработала окончательных механизмов идеального способа преобразования и хранения солнечной энергии. В этом главная проблема солнечных электростанций и она остаётся не решённой.
Низкий КПД преобразования солнечной энергии, и как следствие отсутствие конкурентоспособности с традиционными способами получения электроэнергии делает уязвимой солнечную энергетику.
К этому можно добавить появление неожиданных экологических проблем. Так, повышенная температура в местах расположения отражательных зеркал негативно сказывается на флоре и фауне.
Обслуживание гелиостатов, очищение от пыли отражательных поверхностей зеркал невозможно производить в дневные часы, и связано с дополнительными расходами на обслуживающий персонал и потребление воды.
Использование в качестве теплоносителя расплавленных солей на электростанциях башенного типа позволило решить вопрос аккумулирования тепловой энергии, но вместе с тем хранение и подача расплавленной соли к вершине башни связано с определёнными трудностями и затратами, которые ещё в недостаточной степени проанализированы и освещены.
Хранение преобразованной электроэнергии в традиционных аккумуляторах экономически не выгодно в связи с ограниченным количеством циклов зарядки – разрядки аккумулятора.
Использование солнечной энергии коллекторным способом связано с выбором подходящего для этих целей места. Крыши домов не всегда пригодны для этих целей, а установка коллекторов вдали от домостроения связана с дополнительными расходами на подвод и отвод воды. В зимний период вода в трубах может замёрзнуть, летом листья и крона деревьев препятствуют полноценной освещённости коллекторов.
Если мы попытаемся детальней проанализировать достоинства и недостатки каждого способа использования и преобразования солнечной энергии, то обнаружим характерные для каждого способа отличительные особенности. Мы их анализировать не будем.
Остановимся на более существенной проблеме, от решения которой зависит рациональное, экономически выгодное использование энергии излучение в целом. Проблема заключается не в способе преобразования или использования энергии излучения, а в том, что эта энергия используется в том виде, в каком она достигает земной поверхности, - и в виде световой, и в виде тепловой энергии.
Представьте на минуту, что двигатель внутреннего сгорания мы вместо бензина или дизельного топлива запитали чистой нефтью. Если бы двигатель заработал, это было бы великолепно, - не нужно строить нефтеперерабатывающие заводы, строить заправочные станции, развозить по ним топливо разных сортов. Достаточно было бы расфасовать нефть по бутылям, вроде бутылей для воды, и продавать в любом хозяйственном магазине. Но нет, человек очищает нефть, изобретает ректификационные колонны, разгоняет по фракциям, использует каждую фракцию отдельно, в зависимости от того, для чего она предназначена. А в чём основное физическое различие фракций? - у них различная плотность. Но ведь и у квантов излучения так же различная плотность, так почему мы их используем вместе, так, будто пытаемся заставить карбюраторный двигатель работать на смеси, состоящей из керосина, бензина, солярки, мазута и целого ряда масел одновременно? Или представьте себя на минуту шеф – поваром. Для приготовления того или иного блюда вы обычно используете специальные приборы и принадлежности, выдерживаете определённый температурный режим. Но вы вдруг посчитали, что варить сможете при температуре 50 градусов, жарить – при температуре 60 градусов, и печь пирожки в духовке при температуре 70 градусов. Экономия энергии была бы несомненной, но природу не обманешь, для каждого блюда вы выдерживаете характерный температурный режим.
У каждого вещества, каждого химического элемента есть своя температура кипения, плавления, испарения. А чем отличаются одни тепловые кванты от других? - различной плотностью, и, разумеется, характерными для данной плотности остальными физическими параметрами.
Давайте рассмотрим примеры, как мы используем энергию солнечного излучения. Зимой мы стараемся не закрывать оконные шторы, нам не мешает тепловое излучение, а видимый свет нам не только не мешает, - нам хотелось бы ещё больше впустить его в комнаты, особенно в дальние уголки, в коридор, в подсобные помещения. Летом в солнечный день, когда окна выходят на южную сторону мы, напротив, даже если видимого света будет не хватать, стараемся задёрнуть шторы, дабы воспрепятствовать поступлению излишнего тепла в комнату. Мы радуемся, когда ранней весной в нашу теплицу льётся поток солнечного излучения, эти живительные лучи одновременно и нагревают почву и освещают листья растений. Но собрав один – два урожая, мы уже стараемся всеми силами оградить наши растения от избыточного потока тепла. Мы белим стёкла теплицы, орошаем их водой, но это мало помогает, - летом урожай в буквальном смысле сгорает от переизбытка тепла. Эта характерная особенность квантов излучения, - быть в одних случаях полезными, а в других – вредными обнаруживается повсеместно.
Даже, если ваши растения растут в открытом грунте, летом в жаркий период вам не избежать негативного действия теплового излучения. На это обстоятельство указывал ещё К. А. Тимирязев. Своими опытами Климентий Аркадьевич показал, что растения из всего потока солнечного излучения поглощают порядка 25% энергии, но связывают и запасают в виде химических соединений лишь один - три процента этой энергии. Остальная, неусвоенная часть энергии излучения расходуется преимущество на нагрев листьев и связанную с этим транспирацию и испарение воды. Таким образом, растение вынуждено добывать из почвы лишнюю влагу и тратить энергию на охлаждение листовой поверхности. Это противоречие, возникающее в природе из-за невозможности оградить растение от ненужного и вредного теплового излучения, Тимирязев назвал «неизбежным злом». И именно в ликвидации этого противоречия Тимирязев видел основную задачу земледельца.
С другой стороны, Тимирязев устанавливает прямую пропорциональность между количеством поглощённых лучей и интенсивностью фотосинтеза, и что растения поглощают свет только в красном и синем диапазоне излучения. Из этого следует прямая задача земледельца – рассортировать поток солнечного излучения по спектрам и подать растениям на листовую поверхность только те лучи, которые растение использует непосредственно на фотосинтез, - лучи красного и синего цвета. Есть немало опытных фактов, когда растения освещали красным светом. Урожайность от этого повышалась, как минимум, в два раза. Другие данные свидетельствуют, что «фотосинтез, протекающий при насыщающем красном свете, увеличивается более чем в два раза при добавлении к нему всего 2% синего света». Создать искусственное освещение красным светом посредством красных фильтров проще, но нельзя растение лишать и синего света, поскольку он стимулирует биосинтез белка и участвует в других биохимических реакциях.
Если на открытом грунте решение задачи Тимирязева по сортировке солнечного излучения практически невыполнимо, то в теплице, а точней в устройстве для культивирования растений, разрешить все противоречия Тимирязева вполне возможно.
Такие же противоречия возникают во время преобразования энергии излучения в электрическую энергию посредством полупроводниковых фотоэлементов. С одной стороны мы можем сконцентрировать в 100 – 1000 раз солнечное излучение и направить его на дорогостоящий фотоэлемент, сэкономив тем самым деньги и увеличив КПД полупроводника. Но с другой стороны, вместе с тем спектром, который может преобразовать полупроводник, в зависимости от его химического состава, мы подаём на него не подлежащие преобразованию спектры, в первую очередь тепловое излучение, в связи, с чем вынуждены принимать меры к охлаждению полупроводника, трудно достигаемые на практике. Мы могли бы увеличить КПД фотоэлемента, направив на него сконцентрированный монохроматический свет определённого спектра, характерный для поглощения данным полупроводником, свет, подобный лучу лазера, но для этого, опять-таки, необходимо рассортировать поток солнечного излучения по спектрам.
Аналогичная ситуация с нерациональным преобразованием солнечного света складывается и в тех случаях, когда мы пытаемся преобразовать излучение в электричество посредством парогенераторов. В этих случаях энергия видимых лучей практически не используется, а доля тепловых лучей, участвующих непосредственно в процессе преобразования, далеко не достигает своего максимума.