«Утро солнечной энергетики» , ж. «Практика», №1(9)-2004 г..
В начале ноября в Петербурге состоялись сразу две международные конференции: «Эффективное использование солнечного спектра в фотоэнергетике», организованная лауреатом Нобелевской премии Жоресом Алферовым, и «Возобновляемая энергетика — 2003: состояние, проблемы, перспективы» В работе первой конференции участвовали специалисты всего мира, а на вторую собрались главным образом ученые из стран бывшего СССР. О будущем солнечной энергетики читателям журнала рассказывает участник обеих конференций, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей Физико технического института им. А. Ф. Иоффе Владимир Грилихес.
— Владимир Александрович! Как известно, уже в течение нескольких лет за рубежом внедряются системы использования солнечной энергии, в частности программы «Сто тысяч крыш» в Германии и «Миллион крыш» в США. Солнечные батареи на крышах зданий по сути представляют собой мини электростанции. В какой стадии сейчас находится реализация этих программ и каковы ее результаты? — Такие программы действуют уже достаточно давно. Кроме на званных вами, есть еще несколько: в Японии — «Семьдесят тысяч солнечных крыш» и даже в Монголии — «Сорок тысяч солнечных юрт». В России, пока, к сожалению, такой программы нет.
Потребности возрастают. Рынок расширяется. Можно сказать, что в области фотоэлектрической энергетики он уже сложился. Количество фирм, производящих солнечные электроустановки, увеличивается Активный рост выпуска солнечных батарей с кремниевыми панелями во всем мире свидетельствует о том, что, по видимому, такие программы осуществляются с опережением всех прогнозов. Считалось, например, что в 2003 году этот рост, по сравнению с 2002 годом, составит 30%. Однако сейчас он равен 56%. Выход на уровень мощности 1 миллион мегаватт планировался на 2006 —2007 годы. Можно с уверенностью сказать, что это произойдет уже в следующем году, потому что сегодня мощность составляет уже более 900 тысяч мегаватт.
Характерно, что ведущими среди них являются крупнейшие нефтяные компании. Второе место в мире уже несколько лет занимает «Бритиш Петролеум», точнее, ее подразделение «Солар», а четвертое — «Шеллсэлл». Их руководители объясняют это просто — они не хотят остаться не у дел, когда кончится нефть. К сожалению, нельзя сказать, что российские нефтяные компании вышли на этот рынок.
— По словам, Жореса Алферова, мощность солнечных батарей, ежегодно производимых в мире, приближается к уровню одного гигаватта, а самые высокоэффективные солнечные батареи на основе полупроводниковых материалов активно используются для оснащения космических аппаратов. Что можно сказать о перспективах развития солнечной энергетики в России? Насколько всерьез российские власти воспринимают идею создания солнечных электростанций (СЭС)?
Правительственная поддержка развития российской солнечной энергетики невелика. Есть целевая программа, в которой на много лет вперед предусмотрено развитие работ по возобновляемым источникам энергии, но уровень инвестиций там пока в 10 —15 раз меньше требуемого: вместо нужных 270 млн рублей выделено лишь около 20 млн. Конечно, на эту ситуацию влияет тот факт, что у страны еще есть огромные запасы полезных ископаемых — нефти и газа. Но наступит время, и в России тоже произойдет перелом. Во всяком случае сейчас этот процесс происходит в умах многих правительственных чиновников. Например, в Минэнерго РФ к этой идее уже поворачиваются лицом. РАО «ЕЭС», судя по результатам прошедших конференций, намерено финансировать программу развития ветроэнергетики.
В XXI веке неизбежно начнется переход к эпохе использования источников возобновляемой энергии. В 2002 году вышел русский перевод книги депутата бундестага, президента «Евросолара» Германа Шеера «Восход солнца в мировой экономике». В ней он четко доказывает, что у человечества нет иного пути, причем это будет революцией также в экономике и в международных отношениях, ведь по сути не останется стран, которые держат руку на вентиле нефтяной трубы.
Солнце светит везде. Кардинально изменится геополитическая ситуация в мире, и, несомненно, процессы мировой глобализации в новых условиях станут значительно более совместимыми с жесткими требованиями экологов, этикой, наконец, если хотите.
— Вы не раз заявляли, что арсенид галлия является наиболее перспективным материалом для производства солнечных батарей, КПД которых в 2 —3 раза выше, чем у кремниевых. В каком направлении идут сейчас поиски новых материалов и можно ли говорить о том, что эти поиски уже себя исчерпали?
Я начну издалека. Температура на Солнце 6000 градусов по Цельсию, мы можем ее использовать. Пока никто не представляет себе, как получить такую температуру на Земле, в термоядерном реакторе, и как заставить ее работать. В то же время на нас льется поток солнечной энергии, соответствующей этой температуре. Предельный коэффициент полезного использования энергии солнца составляет 93%. В реальных условиях, по мнению многих экспертов, мы можем достигнуть КПД 50 —60%. По последним данным, в США не нашли материала с КПД преобразования электроэнергии больше 56%. Дело в том, что солнечный спектр весьма широк — от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Особенность полупроводников с одним рn переходом состоит в том, что им нужна энергия фотонов лишь с определенной длиной волны в данном спектре. Все остальное практически пропадает.
На нашем симпозиуме «Эффективное использование солнечного спектра в фотоэнергетике» шла речь о создании фотоэлементов 3-го поколения — перспективных гетероструктурных элементов с несколькими р-n переходами. Если говорить проще, то в них свет проходит через несколько слоев и в каждом преобразуется.
Гетеропереходные солнечные элементы впервые начали разрабатываться у нас, в Физико техническом институте, еще в конце 60-х годов. Элементы из арсенида галлия можно эффективно использовать в солнечной энергетике. Это то, за что Жорес Алферов получил Нобелевскую премию. Сейчас в мире уже освоен выпуск гетеропереходных элементов, КПД которых подходит к 40%, то есть превышает КПД кремниевых панелей промышленного выпуска в 2 —3 раза. Это очень важно для будущего. До тех пор, пока солнечным батареям хватает места на крышах, это не имеет особого значения, но площади, них, станет недостаточно, возникнет вопрос о повышении эффективности.
Наша работа в этом направлении продолжается. Стоимость элементов из арсенида галлия в несколько раз выше, чем кремниевых панелей. Поэтому необходима разработка так называемых концентраторов солнечной энергии. Простое увеличительное стекло, повышающее концентрацию солнечной энергии в 500 тысяч раз, позволяет настолько же уменьшить площадь элемента. Расход полупроводниковых структур при этом уменьшится в том же объеме, и соответственно снизится их стоимость. Линзы стоят дешево. Это в конечном счете позволит с приемлемыми затратами строить большие солнечные электростанции на земле, а не на крышах. Разумеется, нельзя не учитывать, что солнечные энергоустановки абсолютно безвредны и для человека, и для природы и не требуют социальных затрат на компенсацию вредных воздействий, тогда как при работе обычных электростанций доля этих затрат в мировых ценах на топливо и электроэнергию доходит почти до 75%.
— Были на конференциях доклады, которые вас поразили?
Да. В одном из докладов по проблемам возобновляемой энергии и спутниковой информации были представлены данные о том, сколько солнечной энергии приходится на территорию России. Оказывается, значительно больше, чем мы думали. Причем если раньше мы считали, что за 60 й параллелью с солнцем делать уже нечего, то оказалось, что это не так. Там достаточно приемлемый уровень «прихода». В Восточной Сибири, в Забайкалье, в Приморье уровень приходящей солнечной энергии особенно велик. Линии электропередачи дотягиваются там не до всех уголков, и часто происходят энергетические кризисы. Вот где надо развивать солнечную энергетику!
В Санкт Петербурге солнца мало, поэтому нужны комбинированные энергосистемы, использующие энергию солнца, ветра и воды. В то же время северная столица перспективна именно как производитель солнечных энергоустановок нового поколения. В этом городе, как и вообще в Северо- Западном регионе, развита наукоемкая промышленность, которая позволяет организовать производство таких энергоустановок не только для России, но и для стран СНГ, Европы, даже Африки.
Итак, подведем итоги: сейчас у нас первый этап — солнечная энергетика на крышах, за ним — создание крупных СЭС на элементах 3 го, а затем и 4 го поколения, КПД которых будет приближаться к 50 —60%. А в дальнейшем будут построены солнечные космические станции.
Впервые идея солнечной космической электростанции (СКЭС) была сформулирована в США П. Е. Глезером в 1968 году. Предлагалось разместить на геосинхронной орбите солнечные батареи большой мощности, снабженные преобразователями постоянного тока в сверхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение. Геосинхронная орбита, на которой находится СКЭС, обеспечит зависание станции над определенной точкой земной поверхности, а направленный пучок электромагнитного излучения позволит передать со станции на землю энергию, где она может быть преобразована в электрический ток промышленной частоты.
В 1975 году Лабораторией реактивного движения совместно с НАСА (США)была успешно выполнена наземная трансляция 30 кВт СВЧ мощности на расстояние в 1 милю (1, 6 км).
Мощность солнечных космических электростанций достигнет 1 гигаватта, т. е. будет сопоставима с мощностью Братской или Красноярской ГЭС. При таких масштабах СЭС, чтобы добиться более высокого КПД, необходим высокоэффективный концентратор солнечной энергии, так как вывод грузов в космос и строительство на околоземной орбите обходятся дорого. Эти космические станции будут передавать электроэнергию в СВЧ диапазоне, кстати сказать, на частоте 2, 45 гигагерца — той самой, на которой работают наши микроволновые печи.
