1 стр. из 1

Миллионы лет флора Земли аккумулировала солнечную энергию, не предполагая, что появится такое существо, как Homo sapiens, которое для собственных нужд попытается извлечь ее практически мгновенно — за какие-то 100-150 веков!

Каждый год сжигаются миллиарды тонн топлива (эквивалентного количеству нефти, образующейся в природных условиях за 2 млн. лет!), и этот процесс идет по нарастающей, в первую очередь за счет развивающихся стран, стремящихся обеспечить своим жителям такие же условия, как в высокоразвитых странах (в США на человека в среднем расходуется 10 кВтч электроэнергии в день). По оценкам экспертов, общие потребности в энергии вырастут в 3–4 раза. Последствия этого процесса могут быть катастрофическими! Сжигание углеводородного топлива органического происхождения (угля, нефти, газа, древесины, горючих сланцев и др.) сопровождается выбросом в атмосферу планеты паразитного тепла и прежде связанного в топливе углерода. Но разве нельзя использовать энергию Солнца напрямую, без сжигания топлива?

Можно, и тому есть достаточно много доводов. Полная светимость Солнца — 4х1023 кВт! Величина просто фантастическая, равная мощности ста тысяч триллионов (1017) крупных атомных электростанций. Но на орбите Земли плотность солнечной радиации (перпендикулярно потоку) составляет всего 1,4кВт/м², а за год на Землю приходит 1018 кВтч солнечной энергии, из которых могут быть использованы без ущерба для окружающей среды (пустыни, горы, тундра) 2% (что эквивалентно энергии, получаемой от сжигания 2х1012 ТУТ; мировые топливные ресурсы — 6х1012 ТУТ; тонна условного топлива эквивалентна 7х103 кВтч). Земля получает от Солнца сущие крохи энергии, но их достаточно для жизни всей планеты. Поток энергии Солнца в тысячи раз меньше, чем при сжигании химического топлива, к тому же имеет прерывистый характер, зависимость от времени суток, сезона и погоды. На поверхности планеты средний поток солнечной радиации составляет 0,3 кВт/м² (примерно на широте Баку, Мадрида, Пекина и Нью-Йорка) — почти в пять раз меньше того, что падает на границу атмосферы. Конечно, для ускорителя элементарных частиц маловато, но для бытовых нужд хватит.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрический ток возможно благодаря явлению фотоэффекта, открытого в 1887г. Генрихом Герцем. Фундаментальные исследования фотоэффекта, выполненные А.Г. Столетовым ­(1888г.) и Ф. Ленардом (1899г.) показали, что носители фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, — это электроны, «выбиваемые» фотонами с поверхности металла, а сила фототока пропорциональна интенсивности света. Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал Альберт Эйнштейн, получивший в 1921г. за эту работу Нобелевскую премию по физике.

Большой вклад в теорию внесли наши соотечественники И.Е. Тамм, С.П. Шубин, А.Ф. Иоффе, П.И. Лукирский и С.С. Прилежаев. А практические работы, выполненные американскими учеными Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным в середине 1950х гг., позволили создать уже готовые к применению полупроводниковые солнечные элементы, правда, с низким коэффициентом полезного действия (чуть более 5%). Дальнейшие исследования В.С. Вавилова, А.П. Ландсмана, Н.С. Лидоренко, В.К. Субашиева (СССР); М. Вольфа, Дж.Лоферского, М. Принса и П. Рапопорта (США) привели к тому, что промышленное изготовление полупроводниковых солнечных элементов уже не за горами. Сегодня в большинстве случаев применяются фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния, арсенида галлия (GaAs), соединений кадмия, КПД которых при определенных условиях может достигать 18–20%!

Кремний — один из самых распространенных элементов земной коры, его больше, чем алюминия, например, в три раза и в сотни тысяч раз больше, чем урана. Но в промышленном производстве кремния существуют проблемы, которые серьезно удорожают стоимость готового продукта.

Так, солнечный кремний производится по хлорсилановой технологии, разработанной больше 30 лет назад и до сих пор практически не изменившейся. Из тонны кремнезема (в виде кварцита или кварцевого песка) путем электрохимического восстановления и дальнейшей химической очистки получают в среднем около 50–90кг сравнительно чистого кремния. При этом суммарные энергозатраты на получение 1кг кремния превышают 250 кВтч!

Существенные недостатки такого способа — чрезвычайно высокая энергоемкость, низкий выход кремния, серьезная экологическая опасность процесса, — сохранились еще с 50х гг., поэтому в конце прошлого века велись интенсивные работы по поиску новых технологий получения чистого кремния.

Наибольшего успеха добились фирмы Siemens (Германия), Elkem (Норвегия), Dow Corning и Exxon (США), разработавшие технологии получения солнечного кремния карботермическим восстановлением чистых кварцитов с КПД солнечных элементов до 12–14%. Этот способ получения кремния на порядок менее энергоемок, а выход кремния повышается до 80–85%! Даже с учетом сравнительной новизны метода уже сегодня возможно получать солнечные элементы с удельной стоимостью до $2/Вт, а цену электроэнергии, получаемой от Солнца, довести до 10–12 центов за 1 кВтч. Килограмм кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 тыс. кВтч электроэнергии, что эквивалентно сжиганию 25т нефти, а с учетом КПД тепловой электростанции, работающей на мазуте (33%), — 75т органического топлива!

Объединяя тысячи кремниевых элементов в плоские панели, защищенные прозрачными покрытиями, мы получаем солнечную батарею, способную ­вырабатывать десятки киловатт «чистой» электроэнергии. Впервые массовое применение солнечные батареи нашли в космонавтике, где они занимают доминирующее положение среди других источников автономного энергопитания.

Еще бы: установить на борту практически «вечный» источник питания, в котором нет движущихся и изнашивающихся механических частей! Но если в «космических гонках» с затратами не считаются, то для земных нужд недавняя дороговизна солнечных элементов была серьезным препятствием. И только в последние десятилетия минувшего века развитие технологий производства «солнечного элемента», совершенствование процессов производства фотоэлектрических компонентов, наконец, нужда в недорогих источниках питания для многочисленных электронных «штучек» открыли дорогу к серьезному росту гелиоэнергетики. Уже сегодня мировое производство солнечных элементов приближается к 1000 МВт в год и увеличивается ежегодно на 50%.

Одной из мировых тенденций, активно подталкивающих производство солнечных элементов, стало строительство «солнечных домов» — жилищ, которые часть (а порой и полностью) своих энергетических потребностей удовлетворяют за счет гелиоустановок. Например, в Швейцарии в рамках программы «За энергонезависимую Швейцарию» построено более 2,5 тыс. энергоустановок на фотопреобразователях мощностью от одного до тысячи киловатт.

В Израиле в сентябре 2000г. вступила в строй Solel Solar System, самая передовая система с использованием солнечной энергии. Расположенная на склонах Бейт-Шемеша (Дом Солнца), она занимает площадь в 860м2 и использует паровую турбину в сочетании с передовой технологией и компьютерным обеспечением. Интересный проект — «2000 солнечных крыш» — осуществляется в Германии, а в США солнечные водонагреватели (не только фотоэлектрических, но и коллекторных) общей мощностью 1400 МВт уже установлены в 1,5 млн. домов.

Японская компания ­Sanyo решила сделать технологический рывок и построила самую большую солнечную батарею в мире! Приверженность перспективным энергетическим технологиям для этой компании традиционна.

Так, в 1990г. самолет на солнечных батареях Sanyo стал первым летательным аппаратом, пересекшим Америку, используя энергию Солнца. Амбициозный проект компании воплощен в Гифу (Япония) в декабре 2001г. и называется Solar Ark («Солнечный ковчег»).

Огромная фотогальваническая система длиной свыше 300м, высотой более 30м и массой в 3тыс.т строилась 2 года. Число фотогальванических элементов превышает 5 тыс. «Ковчег» объединен с научно-познавательным центром, в котором, кроме экскурсий, проводятся и вполне серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Но и это еще не все! Вечерами на фасаде включается около 80тыс. разно­цветных светодиодов, контролируемых компьютером, и вокруг установки, в специальном аквапарке разворачивается настоящее световое представление.

В год Solar Ark вырабатывает свыше 500тыс. кВт•ч, что, в общем, не очень много для такого сооружения. Но главная цель компании, построившей «ковчег», — не в получении максимально возможной мощности, а в том, чтобы наглядно продемонстрировать возможности солнечной энергии. Недаром рядом с количеством выработанного электричества Sanyo упоминает топливный эквивалент, который пришлось бы сжечь — 130 тыс. л!

Не остаются в стороне и другие промышленные гиганты. Так, транснациональная нефтяная корпорация British Petroleum купила завод по производству полупроводников компании Agee Systems в Мадриде (Испания). Инвестиции в новое производство составили более $100 млн. Новый завод с численностью персонала 600 человек в перспективе ежегодно будет выпускать солнечные элементы, способные генерировать 60 МВт электроэнергии.

Главный исполнительный директор проекта Гарри Шимп утверждает: «Мадридский проект позволит BP сохранить за собой место европейского лидера по производству солнечной энергии». Концерн обеспечивает более 20% всего объема производства солнечной энергии на мировом рынке, и руководство компании стремится увеличить эту долю, прежде всего за счет пуска новых предприятий по выпуску солнечных элементов и модулей.

150метровый гелиевый дирижабль High Altitude Airship (HAA), создаваемый корпорацией Lockheed Martin в рамках программы Агентства противоракетной обороны США, будет оснащен фотоэлектрическими генераторами мощностью 10 кВт. Полностью автономный аппарат объемом 1,5 млн. м3 предназначен для мониторинга воздушного пространства в радиусе свыше 500км.

Дирижабль грузоподъемностью около 2т будет развивать скорость около 130 км/час и сможет «зависать» на высоте 20км, следя за всеми летящими объектами, включая крылатые ракеты вероятного противника. По оценкам экспертов, дирижабль будет способен летать не менее полугода, выполняя все команды с наземного пункта управления. Флот из 10 таких аппаратов будет контролировать ключевые области на границе США.

И все же, несмотря на неплохие перспективы, мощные солнечные электростанции, предназначенные для решения задач общенационального или хотя бы регионального масштаба, пока не строятся — слишком высока себестоимость получаемой электроэнергии, в 6–8 раз выше, чем на традиционных тепловых электростанциях.

Например, для постройки станции мощностью в 10 ГВт при нынешнем уровне технологии понадобится свыше 10 тыс. т солнечных батарей общей площадью 50км² (квадрат 7х7км!). Строить такие электростанции возможно только в пустынях, а это значит, что нужно тянуть линии электропередач, обустраивать городки для персонала станции, что еще больше повысит себестоимость энергии.

А где можно размещать такие гигантские батареи, не выводя из оборота огромные площади? Ответ известен — в космосе! Идею солнечной космической электростанции (СКЭС) предложил американец П. Глезер еще в 1968г. — на искусственном спутнике, вращающемся на геостационарной орбите и «висящем» над определенной точкой Земли, надо развернуть солнечные батареи, непосредственно вырабатывающие электрический ток.

В невесомости механических ограничений на размер нет, поэтому в принципе возможно установить достаточно большие элементы. Постоянная коррекция положения спутника обеспечит постоянную освещенность панелей. Ток преобразуется в СВЧ-излучение и передается направленным пучком на наземную приемную антенну. Идея прекрасная, но на пути ее воплощения возникает множество проблем. Как, например, сфокусировать до 1-й угловой минуты пучок излучения, который с высоты 36 тыс. км (радиус геостационарной орбиты) должен расходиться не больше чем на 10км (предельный размер наземной антенны)? И это только одна из проблем, которые, впрочем, будут решены, хотя и не так быстро, как этого бы хотелось всем нам. Но то, что они будут решены, в этом сомневаться не приходится, слишком уж велик соблазн получить «чистую» энергию Солнца в больших количествах, не уничтожая при этом собственную планету.

По мнению ведущего научного сотрудника лаборатории фотоэлектрических преобразователей МФТИ им. А.Ф. Иоффе, профессора Владимира Грилихеса, в XXI в. неизбежно начнется переход к эпохе использования источников возобновляемой энергии. В ­2002г. вышел русский перевод книги президента немецкой компании Eurosolar, одного из мировых лидеров по производству солнечных элементов, 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.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!