Без собственных современных электронных технологий любые наши другие (те же космические) быстро перейдут во второстепенные. Сейчас у нас два пути: либо становиться страной третьего мира, живущей за счет ресурсов, либо развивать наукоемкие отрасли». Покажем его правоту на примере состояния и перспективы развития в мире и России одного из важнейших направлений использования электронных технологий – экологически чистых (без вредных выбросов в атмосферу) неисчерпаемых источников электроэнергии – солнечных электростанций, экономящих миллиарды тонн углеводородных энергоресурсов?
Невозобновляемые энергоресурсы (газ, нефть, уголь, урановая руда) не бесконечны в земле. По прогнозам ученых, уже в текущем столетии газ, нефть и урановая руда исчезнут или станут весьма дефицитными, а значит, и дорогими, а через лет 500 завершится и эра каменного угля. И что тогда? Человечество вернется к возобновляемым энергоресурсам, в первую очередь к родимым дровам для обогрева жилища и приготовления пищи? Такой вопрос для горожан, особенно молодых, может показаться виртуальным или праздным. Между тем газ в квартиры москвичей начали подавать в 30-е годы минувшего века, а Россия газифицирована и сегодня лишь на 68% (официально). Так что старшее поколение нынешних россиян еще помнит, когда дома отапливались дровами (и углем), а более 30% населенных пунктов РФ и сегодня живет этим.
Лес и зелень не должны, «не имеют права» исчезнуть, поскольку без них, по современным представлениям о жизни на Земле, не смогут жить люди и животные, ибо первые «вдыхают» углекислый газ и «выдыхают» кислород, необходимый вторым для жизнедеятельности, а зелень дает пищу для животных и людей. Поэтому уничтожать варварски лес и зелень в таких и еще больших масштабах со временем, как это делается с газом и нефтью сегодня, чтобы получить тепло, а также электрическую, механическую и другие виды энергии, это все равно что всему будущему человечеству стать на старт к бегу с матушки Земли в кромешный ад. Итак, если исчезнут невозобновляемые энергоресурсы и нецелесообразно будет рубить лес в больших масштабах, то откуда тогда взять энергию? Об этом мало кто задумывается сегодня, в том числе, увы, из числа руководителей и высокопоставленных политиков все уменьшающейся населением и ресурсами России, живущих по принципу «после нас хоть потоп», из которого выплывут лишь немногие, как Ной и его соковчегники в прошлом.
Между тем не все так жили, были и такие, которые задумывались над будущим человечества и основами его жизнедеятельности, как, например, незабвенный Ж.И. Алферов. Более того, люди научились использовать энергию возобновляемых энергоресурсов (океанов, морей, рек, геотермальных вод, ветра и др.), одним из которых является Солнце. Имеется несколько направлений использования солнечной энергии, в том числе для прямого преобразования ее в электрическую, с помощью так называемых полупроводниковых фотопреобразователей. Об этом направлении в науке и практике и пойдет речь ниже.
***
История фотоэлектричества или фотоэффекта начинается с 1839 г., когда французский физик А. Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и электролита, известные еще из школьной физики. Эта дата считается началом открытия фотоэффекта, который в 1887 г. повторил немецкий ученый Генрих Герц в лабораторных условиях. Огромный вклад в изучение фотоэффекта внес русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по его изучению в 1888–1890 гг.
По современным представлениям, фотоэффект делят на внешний и внутренний. Сущность внешнего фотоэффекта, максимально упрощенно, заключается в том, что при нагревании металла он эмитирует (излучает) электроны (термоэлектронная эмиссия). Этот эффект использовался в электронных лампах, на основе которых практически строилась вся радиоэлектроника до 60-х годов минувшего века. Внутренний фотоэффект проявляется в полупроводниковых материалах (чистые кремний, германий, арсенид галлия и др.). При нагревании их, в том числе облучении солнечными лучами, электроны отрываются от атомов и становятся свободными в полупроводниках, вследствие чего в них появляются так называемые дырки – места, откуда оторвались электроны, т.е. в полупроводнике образуются отрицательно (электроны) и положительно (дырки) заряженные элементарные частицы, могущие свободно перемещаться (дрейфовать) в полупроводнике, благодаря которым он становится источником электрического тока. Появление свободных зарядов в полупроводнике объясняется тем, что им сообщается энергия фотонов достаточной мощности, из которых состоит солнечное излучение. В 1905 г. знаменитый физик Альберт Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта как частный случай закона сохранения и превращения энергии, за что получил Нобелевскую премию, хотя он более известен как «отец» теории относительности.
Между тем солнечный век начался по прошествии более 100 лет после открытия фотоэффекта, а именно: в 1954 г. специалисты из компании Bell Laboratories (США) во главе с американским ученым, лауреатом Нобелевской премии Уильямом Шокли изготовили первую солнечную батарею для получения электроэнергии. КПД этой батареи равнялся 5%, стоимость 1 Вт мощности (чтобы иметь представление об этой величине, напомним, что мощность светодиодных ламп, которыми мы пользуемся сегодня, обычно равна 10–15 Вт, или мощность Саяно-Шушенской ГЭС – 6 410 000 000 Вт) порядка $1000, а электроэнергия от такой батареи была в 400 раз дороже электроэнергии от обычной ТЭЦ или ТЭС, сжигающей уголь, мазут, газ. Тем не менее такие батареи использовались в первых советских и американских спутниках Земли.
Однако научно-исследовательские работы и технологии производства совершенствовались со временем, в результате сегодня КПД солнечных батарей увеличился в 4 раза, цена 1 Вт мощности снизилась в 2000 раз, стоимость 1 кВт•ч доведена до 2–3-кратной стоимости 1 кВт•ч электроэнергии в ГЭС. Поэтому они используются на практике и весьма перспективны в будущем.
***
Электронные компоненты и устройства, использующие фотоэффект, называются солнечными элементами (СЭ), производство которых на основе кремния является в настоящее время приоритетным в мире, и позволяют получать КПД порядка 20%. Однако технологические процессы их получения сложные и дорогие. Поэтому во всем мире ведется активный поиск альтернативных вариантов получения СЭ, в том числе на основе аморфного («гибкого») кремния, который более дешевый, чем кристаллический кремний. Первые СЭ на его основе были созданы совсем недавно – в 1975 г. Оптическое поглощение его в 20 раз выше, чем кристаллического. Есть и другие достоинства аморфного кремния. Однако до настоящего времени максимальный КПД самых лучших экспериментальных образцов на их основе не превышает 12% (на практике 8–9%).
Есть и другие СЭ, например, создаваемые в виде каскадных преобразователей, в которых фотоэлементы различного типа располагаются последовательно один за другим (как в многослойном бутерброде или торте «Наполеон»). Институт Fraunhofer и Берлинский центр Гельмгольца объявили, что достигли нового мирового рекорда, использовав СЭ с четырьмя каскадами с КПД 44,7% в лаборатории, в промышленности – 25–30%. Однако стоимость таких СЭ в 1000 раз превышает стоимость кремниевых. Поэтому они используются лишь в космической отрасли. Но наука не стоит на месте, поэтому в недалеком будущем следует ожидать, что цены на каскадные СЭ будут существенно снижены, создадутся и новые.
Для использования в практических целях изготовляют так называемые солнечные панели (СП) различных размеров и мощностей, состоящие из множества ячеек СЭ, которые являются первичными источниками электроэнергии, генерирующие постоянный ток при облучении их солнечными лучами. На основе их создают солнечные электростанции (СЭС).
Мировая структура выработки электроэнергии по типам электростанций, согласно публикации REN21 (всемирная сеть по энергетической политике в области возобновляемой энергетики) 2017, таковы: ТЭС и АЭС – 75,5%, ГЭС – 16,6%, ВИЭ (возобновляемые источники энергии) – 7,9%, в том числе СЭС – 1,5%. Таким образом, в мировом электроэнергобалансе (мощность всех электростанций мира – более 2 ТВт = 2000 ГВт = 2 000 000 МВт = 2 млрд кВт) мощность СЭС сегодня порядка 0,03 ТВт. Между тем в различных странах производством СП и других составляющих СЭС занимаются интенсивно. Список компаний-лидеров по объему производимых таких изделий возглавляют компании КНР, общая доля которой на рынке составляет около 60%. За Китаем идут европейские производители (13%), Япония (12%), США (9%) и др.
Если в 1954 г. цена 1 Вт мощности солнечной батареи Шокли достигала $1000, то в настоящее время она составляет порядка $0,5. Цена 1 киловатт-часа в районах с большим количеством солнца (Северная Африка, Южная Калифорния) составляет 10–15 евроцентов, т.е. примерно в 2–3 раза дороже электроэнергии от ГЭС. Такая динамика снижения цены солнечной электроэнергетики стимулирует строительство СЭС в мире. По данным REN21 2017, общая мощность СЭС в 2017 году составила более 400 ГВт., в том числе в КНР – порядка 58 ГВт, что составляет около 14%. Таким образом, Китай в строительстве СЭС также значительно опережает другие страны. Между тем самая мощная СЭС построена в США. Это Топаз (Калифорния) –1096 МВт. ≈ 1,1 ГВт.
***
В России развитие солнечной энергетики остается весьма скромным, страна многократно отстает от уровня генерации мировых стран, если не считать крымских СЭС (суммарная мощность 5 СЭС – 297,1 МВт., общая площадь, занимаемая СП в степи, – 550 га), построенных до 2014 г. Между тем в последние годы введены в строй в Оренбургской области 8 СЭС суммарной мощностью 210 МВт (590 га) с использованием новейших технологий и СП с КПД до 22%. Кроме этого, в Республике Алтай работают две СЭС общей мощностью 10 МВт (13 га). Есть мелкие установки и в других регионах. Все это вместе составляет порядка 0,09% в общем энергобалансе страны (общая мощность всех электростанций РФ составляет порядка 250 000 МВт), а с крымскими – 0,2%. Россия по площади самая большая страна в мире, и хотя в целом она северная, ее отдельные регионы вполне благоприятны для построения СЭС, которые, как показано выше, используются недостаточно эффективно.
Международное энергетическое агентство опубликовало технологическую дорожную карту «Солнечная фотоэлектрическая энергетика». Установленная мощность СЭС в мире достигнет в 2020 г. 400–500 ГВт, в 2050 г. – 4600 ГВт, производство солнечного электричества – 6300 ТВт/ч. СЭС будут обеспечивать 16%, а солнечные тепловые станции – 10% мирового производства электроэнергии, которое составит 40 000 ТВт/ч в 2050 г. Солнечная энергетика при этом будет генерировать в 2050 г. 10 300 ТВт/ч, или более 40% от современного мирового производства электроэнергии в 2016 году (25 000 ТВт/ч).
В РФ также ведутся разработки и имеются реальные результаты в производстве основных составляющих СЭС в Москве, Зеленограде, Рязани, Краснодаре, Новочебоксарске (Республика Чувашия) и др. К примеру, во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ, который в настоящее время входит в ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ») (начиная с 1990 г.) под руководством академика Д.С. Стребкова разработаны оригинальные фотопреобразователи, предназначенные для использования при электрификации сельского хозяйства. При этом институт не стал повторять традиционную технологию их изготовления с использованием небезопасного для людей хлора, а разработал бесхлорную технологию, что не только повысило безопасность, а значительно удешевило производство СЭ из кристаллического кремния, поскольку упростился производственный процесс, уменьшил расход электроэнергии и др.
***
Электростанции по мощности условно делятся на микро (до 1 МВт), малые (до 30 МВт), средние (до 100 МВт) и др. Если такую классификацию распространить на СЭС, то практический смысл имеет рассмотреть микро-СЭС, которые активно рекламируются сегодня в стране по интернету. К примеру, разработана программа «Один миллион солнечных крыш», которая успешно реализуются в Германии, Японии, США и др. Она включает субсидии государства на установку солнечных модулей на крышах зданий общей мощностью до 3,5 кВт на одну семью и присоединение к электрической сети через транзисторный (тиристорный) инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный) и трансформатор (повышающий или понижающий переменное напряжение). При этом разработаны и серийно выпускаются основные составляющие и готовые к эксплуатации микро-СЭС.
В 2015–2016 годах в ВИЭСХ разработана гибридная кровельная – «солнечная черепица» СЧ, в которой совмещены функции крыши и солнечного модуля. Опустив детали, постулируем, что СЧ ВИЭСХ суммарной мощностью 3,5 кВт занимает порядка 40 м2 крыши. В качестве примера на рисунках 2 и 3 представлены «солнечная черепица» и «солнечный дом» в г. Анапе жилой площадью 150 м2 с крышей, состоящей из СЧ ВИЭСХ общей мощностью 2 кВт.
Программа «Один миллион солнечных крыш» в сочетании с когенерацией (одновременное производство электроэнергии и теплоэнергии) даст экономию на электроэнергию и горячее водоснабжение порядка 17,8 млрд кВт•ч в год в южных районах России и 11,55 – в средней полосе. Все это в том случае, если будет реализована программа на практике. С этой целью 06.02.2019 г. Госдумой принят закон о микрогенерации в первом чтении. Закон предусматривает возможность физическим и юридическим лицам продавать электроэнергию государству по специальному «Зеленому тарифу». Микро-СЭС при этом подключается к сети через двунаправленный электрический счетчик. Днем она вырабатывает электроэнергию, потребляемую самим собственником, а излишек – сетью, ночью собственник потребляет электроэнергию из сети. По итогу месяца и показанию счетчика производится взаиморасчет между собственником микро-СЭС и сетевой компанией. При всем этом максимальная генерируемая мощность в сети не может превышать 15 кВт. Будут, очевидно, и другие ограничения в законе. Но важно, что сделан первый шаг к развитию микро-СЭС в РФ, которая применяется другими странами порядка 20 лет.
Используя закон о микрогенерации, можно создавать микро-СЭС для автономного электроснабжения жилых домов, животноводческих помещений, теплиц, приусадебных участков, фермерских хозяйств, отгонных пастбищ на Кавказе и др.
В заключение отметим, что СЭС могут конкурировать с гидро- и тепловой электроэнергетикой при соблюдении следующих условий:
– КПД должен быть не менее 25%.
– Срок службы должен составлять порядка 50 лет.
– Стоимость установленного киловатта пиковой мощности не должна превышать $1000.
– Объем производства должен быть 240 ГВт в год.
– Производство полупроводникового материала не должно превышать 1 млн т в год при цене не более $25/кг.
– Круглосуточное производство электрической энергии солнечной энергосистемой.
– Материалы и технологии производства СП и СЧ должны быть экологически чистыми и безопасными.
Динамично развивающаяся солнечная энергетика, основанная на инновационных технологиях, успешно решит указанные показатели в середине текущего века и явится альтернативой топливной энергетике и будет доминировать на рынке энергетически чистых технологий, а к концу XXI века обеспечит 75–90% всех потребностей Земли в электрической энергии. Таковы мнения ведущих специалистов в сфере солнечного фотоэлектричества.
Более подробные сведения по электронике и электронным технологиям для интересующихся можно получить из книги: А.Х. Шогенов, Д.С. Стребков, Ю.Х. Шогенов. Аналоговая, цифровая и силовая электроника. Учебник для студентов вузов. М.: Физматлит, 2017 и др.
Москва–Нальчик
академик РАН, доктор технических наук; доктор технических наук