ПоделитьсяЕсли покрасить крыши нашего города окислом меди, можно обойтись без электростанций. Солнечной энергии хватит на освещение и отопление Санкт-Петербурга. Эту схему предложил еще в 1938 году академик Абрам Федорович Иоффе, тогда она не была реализована из-за войны.
Сегодня в Германии действует программа «Сто тысяч солнечных крыш», в США мыслят масштабнее, у них она называется «Миллион солнечных крыш». Но нельзя забывать, что речь идет о батареях, с полезным действием до 40%, во времена Иоффе КПД не превышал одного процента. И даже тогда покраска крыш Ленинграда окислом меди имела бы смысл. Разумеется, если бы их набралось не меньше ста тысяч.
Дели на три
План с крышами – не единственное и не последнее достижение наших физиков. Одной из самых перспективных разработок называют преобразователь солнечного света в электричество, разработанный в петербургском Физико-техническом институте имени Иоффе.
«Речь идет о каскадных преобразователях, которые обеспечивают КПД более 40% при тысячекратном концентрировании солнечного излучения. Прочие преобразователи имеют меньший КПД – рекорд для кремниевых 25%, тонкопленочные элементы дают максимум 13%. Дело в том, что каскадные элементы расщепляют спектр на несколько участков и преобразуют их более эффективно, чем другие типы элементов», – напоминает заведующий лабораторией фотоэлектрических преобразователей Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе доктор технических наук, профессор Вячеслав Андреев.
«Вся история с преобразованием солнечной энергии в электрическую разыгрывается на толщине в семь микронов. Остальные части структуры нужны для того, чтобы устройство можно было держать в руках, куда-то припаять, тепло отводить», – объясняет главный научный сотрудник лаборатории доктор физико-математических наук, профессор Валерий Румянцев.
Чтобы стало понятно, о чем идет речь: семь микрон – это семь тысячных миллиметра, рабочая поверхность целого преобразователя в пятнадцать раз тоньше человеческого волоса. И работа в лаборатории идет на уровне атомов.
Обеспечить необходимый результат позволяет сложная оптика и элементы третьей и пятой групп таблицы Менделеева – материалы, изготовленные из них, называются A3B5.
«Все толщины и составы рассчитываются определенным образом, а ход расчетов продиктован замыслом Создателя: вот Солнце, вот спектр излучения, мы его делим на три части так, чтобы после преобразования из каждой получался один и тот же ток», – описывает процесс Валерий Румянцев.
За каждую из трех, используемых преобразователем, частей солнечного спектра отвечает свой слой. Например, для работы в желтой области подходит соединение индия-галлия-фосфора, образующее так называемый «твердый раствор» – кристалл, в котором один материал может смешиваться с другим. Полноценные твердые растворы образуют только элементы, близкие друг другу по атомным радиусам. Иногда их соединение называют солнечным раствором.
На крючке у «Роснано»
Петербургские физики объясняют сегодняшние успехи тем, что работы ведутся больше сорока лет, со времени создания Жоресом Алферовым так называемых идеальных гетеропереходов. На их основе в Физтехе сделали первые солнечные элементы, потом приступили к созданию установок.
«В стране мы единственные, кто умеет их делать. По этой части у нас большой задел, – заявляет Вячеслав Андреев. – Естественно, и сегодня прогресс имеется, несмотря на ограниченное финансирование».
Румянцев настроен не так оптимистично:
«Несмотря на все научные заделы, к сожалению, в России солнечной энергетики не существует. Есть 2-3 фирмы, которые изготавливают солнечные батареи на основе кремния, но это тысячные доли процента от того, что делается в Европе, США и КНР».
Кстати, мировой рекордсмен по выработке солнечной энергии сегодня именно Китай.
Почему мы отстаем? Возможно, потому, что государство не вмешивается в энергетическую политику. В Европе солнечная энергетика получила широкое распространение только после того, как правительство установило «подкармливающие» тарифы – дотацию на каждый произведенный киловатт-час.
«Наши суперэффективные разработки в течение нескольких лет находились в списках ОАО «Роснано» в числе проектов, перспективных для финансирования. Но, к сожалению, по условиям «Роснано» часть денег должна прийти от частного инвестора. Опыт общения с несколькими частными инвесторами был негативный – как только приходило время вкладывать деньги, инвестор куда-то исчезал. Хотя, возможно, у нас был лучший бизнес-проект от Академии наук. Четыре года мы провели «на крючке» «Роснано», не имея возможности договариваться о сотрудничестве с другими организациями. Теперь везде кризис, денег на развитие солнечной энергетики нет», – констатирует Валерий Румянцев.
Цена имеет значение
Еще одну причину невостребованности каскадных преобразователей называет заместитель генерального директора по научным вопросам ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им.А. Ф. Иоффе» доктор технических наук, профессор Евгений Теруков:
«Арсенид-галлиевые технологии упираются в недостаток материалов – необходимые элементы активно используются в оптоэлектронике. A3B5 – дорогой материал, галлия, необходимого для его производства, во всей России около 60 тонн».
«НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике» внедряет свои разработки на заводе «Хевел» в Новочебоксарске, с чувашского название предприятия переводится как «Солнце». Но работают там не с перспективными технологиями A3B5, а с тонкопленочными солнечными модулями – их эффективность составляет 10%.
«Это немного, – соглашается Теруков, – но эти модули вышли на рынок, когда была важна цена, они были одними из самых дешевых».
В последнее время упали цены на кристаллический кремний, модули на его основе могут конкурировать с тонкопленочными. Теперь чебоксарский завод при участии петербургских ученых модернизируют под новые технологии – позволяющие использовать до 20% солнечного света.
Суперэффективная технология A3B5 на рынке пока не представлена.
«Теоретически она позволяет получить до 80% КПД, лабораторные результаты демонстрируют эффективность 44,7%, – утверждает Евгений Теруков, – но по окончательной стоимости кремний – реальный конкурент всем этим концентраторным солнечным элементам, ближайшие 10 лет за ним».
1:1 в пользу Солнца
Обеспечат ли новые технологии достаточное количество солнечной энергии в нашем северном климате, вопрос паритета.
«Паритет» – это не только «равенство». Это еще и специальный термин, обозначающий, что цена энергии из альтернативного источника меньше или хотя бы равна цене электричества, которое вырабатывает местная ТЭС, ГЭС и АЭС. С традиционными электростанциями пока могут конкурировать только два типа новой энергетики: ветряная и, конечно, солнечная.
Расчеты ведутся примерно так, описывает Румянцев:
«Сколько стоит киловатт-час из солнечного преобразователя, сколько из розетки? Если одинаково, стоит изучать другие аспекты. Если разница составляет 4-5 раз, люди скажут: нет уж, мы без вас из розетки будем электричество брать».
Пока из розетки получается выгоднее. Но в некоторых регионах, например в Южной Европе, паритет уже складывается в пользу Солнца.
А главное, на то, выгодно ли нам пользоваться солнечной энергией, влияет не только ее цена, но и стоимость газа и нефти. Она неизбежно будет расти с исчерпанием месторождений. В отличие от углеводородов, солнечная энергия никогда не кончится – время работает на нее.
20 лет спустя
Прогнозируют, что к 2030 году сетевой паритет распространится и на северные регионы Европы, а главное, на Россию. Впрочем, разные регионы нашей страны требуют отдельного рассмотрения. И по количеству солнечных дней Ленинградскую область невозможно сравнить с Краснодарским краем.
«У нас в Питере средняя мощность солнечного излучения примерно в два раза меньше, чем в южном течении Волги или на Северном Кавказе, соответственно, стоимость киловатт-часа в два раза больше. Вот и считайте: наш киловатт-час солнечной энергии получится раза в четыре дороже, чем тот, что идет из розетки», – резюмирует Вячеслав Михайлович Андреев.
«В Ленинградской области тяжело достичь паритета. На крыше нашего здания стоит станция из тонкопленочных солнечных модулей на 6 киловатт, мы за год наработали порядка 8 мегаватт. Если считать, что киловатт стоит 4 рубля, получилось, мы за год заработали 32 тысячи рублей. Окупится станция примерно за 20 лет, и после этого будет работать еще 20 лет. Но все-таки Питер не лучший регион для внедрения солнечной энергетики», – признается Теруков.
Тем не менее точка невозврата уже пройдена. В Северной Африке и Южной Европе стоимость солнечной энергии преодолела черту паритета, там она дешевле, чем в энергосети. Возможно, и нам не придется ждать 20 лет, чтобы окупилась солнечная батарея, установленная на крышу дачи. Даже если она будет сделана из дорогого, но, безусловно, перспективного материала A3B5.
Александр Яцуренко, для "Фонтанки.ру"
