ИЭАУ

Солнечная энергетика в России: история, современное состояние, перспективы

Гвоздкова И.А.

канд. физ.-мат. наук, доц.

(ИЭАУ, г. Москва)

Солнечная энергетика в России: история, современное состояние, перспективы

Энергия Солнца относится к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ). НВИЭ популярны в мире с 1970-1980-х гг. Стимулом для их развития стали нефтяные кризисы и опасения, что дешевое топливо заканчивается. Однако энергия, получаемая из нетрадиционных источников, оказалась достаточно дорогой.

Основной недостаток большинства нетрадиционных возобновляемых источников энергии – непостоянство их энергии. Поэтому устройство, преобразующее такую энергию, должно иметь или аккумуляторы, или дублирующую установку, использующую традиционный источник энергии.

Несмотря на указанные недостатки, доля нетрадиционных возобновляемых источников энергии в общей выработке энергии в мире постепенно увеличивается и составляет сейчас около 5%.

Каждый год на Землю поступает около 3•10²⁴ Дж солнечной энергии, что примерно в 10000 раз выше нынешней глобальной потребности в энергии, соответствующей мощности 10¹³ Вт. А на 1 кв. м земной поверхности в ясный день падает примерно 1 кВт энергии Солнца, т.е. примерно столько, сколько надо сейчас в среднем каждому человеку на Земле. Около 34% поступающей на Землю солнечной энергии расходуется в процессе фотосинтеза, а остальная энергия рассеивается, и ее можно использовать для преобразования в тепло или электричество.

Устройства, преобразующие энергию Солнца в тепло, называют солнечными коллекторами. Они обычно состоят из хорошо изолированных внизу зачерненных металлических листов с трубками, по которым течет теплоноситель. Сверху такая конструкция прикрывается стеклом или пластмассой, пропускающими солнечный свет и не выпускающими инфракрасное тепловое излучение. Средний КПД таких коллекторов – 25-30%.

Мощность и площадь солнечных коллекторов в мире

Источник: Безруких П.П., 2006 г.

В России с помощью солнечных коллекторов сейчас производится менее 0.01% тепла, что составляет примерно 40 тыс. Гкал тепловой энергии в год (1 калория = 4,19 Дж). А их суммарная установленная мощность в несколько десятков тысяч раз меньше мощности солнечных коллекторов в мире (глобальная потребность в энергии в РФ лишь в 10 раз меньше мировой). Дома, использующие солнечные коллекторы, построены в нашей стране, например, в Москве и Владивостоке.

Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью солнечных термодинамических электростанций и фотоэлектрических элементов (солнечных батарей).

На солнечных термодинамических электростанциях тепловая энергия Солнца используется для производства водяного пара, вращающего вырабатывающий электричество турбогенератор. В солнечных батареях излучение Солнца непосредственно преобразуется в электрический ток за счет фотоэффекта.

      Наиболее перспективным способом получения электроэнергии из энергии Солнца является фотоэлектрический метод ее преобразования с помощью полупроводниковых солнечных батарей. Фотоэффект заключается в возникновении электрического тока в веществе при поглощении солнечной энергии. Законы фотоэффекта были открыты русским физиком А.Г.Столетовым в 80-х годах ХIХ века. А в 30-х годах ХХ века в Физико-техническом институте (г. Ленинград) под руководством академика А.Ф.Иоффе были изготовлены экспериментальные образцы сернисто - таллиевых солнечных батарей. Их КПД был тогда еще очень низким (около 1%), но это создало предпосылки для разработки у нас в стране солнечных фотоэлементов, которые, начиная с 1958 г., устанавливают на искусственных спутниках Земли. Первые солнечные батареи были испытаны в космосе в 1958 г. на советском и американском искусственных спутниках. Они были изготовлены из кремния и имели КПД около 5%.

Следующим отечественным достижением в области солнечной фотоэнергетики стало изготовление солнечных батарей на основе полупроводниковых гетеропереходов (гетеропереход образуется при контакте двух разных полупроводников и может быть использован в фотоэлементе для разделения и сбора на электродах носителей тока разных знаков). Такие солнечные батареи впервые получила группа ученых под руководством Ж.И.Алферова в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе. За создание гетеропереходов и их исследования Ж.И.Алферову в 2000 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

В настоящее время солнечные батареи используют не только в космосе, но и на Земле. Уже появились оснащенные фотоэлементами автомобили и самолеты; куртки, сумки и рюкзаки с аккумулятором, который заряжается от солнечных батарей и другие аналогичные устройства. Крыши и стены зданий все чаще покрывают солнечными фотоэлементами. Даже в России, где удельный вес гелиоэнергетики в общем производстве энергии очень низкий, в жилищно-коммунальном хозяйстве используют солнечные батареи (например, в Краснодарском крае есть «солнечная» деревня», в которой 40 домов оборудованы солнечными фотоэлементами; солнечные батареи установлены на крыше здания Российской Академии наук в Москве). Ученые из Швейцарии разработали прозрачные солнечные батареи, которые могут быть одновременно и окнами. Самая крупная в настоящее время в мире солнечная фотоэлектрическая станция, введенная в эксплуатацию в 2004 г. в Германии около г. Лейпцига, состоит из 33.5 тысяч фотоэлектрических модулей общей мощностью более 5 МВт. Сейчас мощность солнечных батарей в мире составляет около 7 ГВт.

Темп роста потребления электроэнергии, произведенной фотоэлектрическим способом, в настоящее время равен примерно 25-30% в год и является одним из самых высоких в энергетике.

Мощность солнечной электроэнергетики в мире

Источник: Безруких П.П., 2006 г.

В России сейчас нет ни одной солнечной электростанции (СЭС). Высокая стоимость электроэнергии, полученной путем преобразования энергии Солнца, а также резкое сокращение в РФ финансирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в 90-х годах ХХ века затормозили развитие отечественной солнечной электроэнергетики, которая еще в 1980-х годах занимала одно из лидирующих мест в мире. Именно в то время в мире стали появляться первые СЭС. Они имели мощность несколько мегаватт и использовали солнечную энергию для производства пара, необходимого для выработки электроэнергии на паровых турбоэлектрогенераторах. Одна из таких электростанций (экспериментальная) мощностью 5 МВт появилась в 1985 г. в Крыму на Керченском полуострове.

Солнечные термодинамические электростанции мощностью до 10 МВт были построены в Италии, США, Франции, Испании и в других странах. Некоторые из таких электростанций еще функционируют, однако, по мнению экспертов, они не могут конкурировать с солнечными фотоэлектрическими установками, в которых происходит преобразование энергии источника теплового излучения с температурой 5800 К (это температура излучающей поверхности Солнца). Поэтому максимальный теоретический КПД таких устройств, рассчитанный с использованием 2-го закона термодинамики, около 93%, а реальный – примерно 87%. Достигнутые значения КПД каскадных гетероструктурных полупроводниковых преобразователей солнечной энергии около 40%, а прогнозируемые – 50-55%. В солнечных термодинамических установках рабочее тело сейчас можно нагреть лишь до температуры 1000 К (средние значения температуры нагрева в таких устройствах составляют около 500^оК). Поэтому их максимальный теоретический КПД, равный КПД цикла Карно, – примерно 40%, а реальный – не превосходит 20-25%. Кроме этого, солнечные термодинамические станции используют вращающиеся агрегаты, системы подготовки воды, градирни для отвода тепла и многие другие громоздкие устройства, что делает их менее перспективными по сравнению с простыми, мобильными и надежными в эксплуатации солнечными фотоэлектрическими элементами.

Мощность современных промышленных солнечных батарей площадью 1 м² на ярком солнечном свете составляет 120–150 Вт (КПД преобразования энергии Солнца в электричество 12-15%). Поэтому для того чтобы удовлетворить все мировые потребности в энергии, достаточно покрыть такими фотоэлементами поверхность Земли, площадь которой около 100000 кв.км. Для России такая площадь будет примерно в 10 раз меньше.

Преимущества фотоэлектрического способа производства энергии заключаются прежде всего в мобильности и долговечности солнечных батарей: в них нет движущихся частей, и использовать их можно в среднем 30 лет.

Основным материалом для изготовления современных фотоэлементов является кремний. Себестоимость производимых полупроводниковых солнечных батарей достаточно высокая из-за особенностей современной полупроводниковой технологии, требующей высоких температур и вакуума. Поэтому электроэнергия, полученная фотоэлектрическим способом из энергии Солнца, стоит дороже электрической энергии, произведенной другими способами. 1 кВт·ч электроэнергии, произведенной на термодинамических солнечных электростанциях, стоит 8-11 центов США; 1 кВт·ч электроэнергии, произведенной с помощью солнечных батарей, – около 20 центов США; средняя цена электроэнергии в мире – 7-8 цент/кВт·ч.

Стоимость одного ватта устанавливаемой мощности современных полупроводниковых фотоэлементов сейчас составляет примерно несколько долларов США. В течение последних 10 лет цены на солнечные батареи снижались в среднем на 4% в год. В России ведутся разработки по снижению стоимости ватта мощности кремниевых солнечных батарей до 2–2.5 $. Следует отметить, что рынок устройств, преобразующих солнечную энергию, в ближайшие 10 лет, по прогнозам специалистов, должен увеличиться в несколько раз (к 2015 г. объем этого рынка должен превысить 50 млрд. $).

Ученые и технологи в различных странах мира (в том числе и в России) осуществляют поиск и проводят исследования новых недорогих органических и неорганических материалов для солнечных фотоэлементов. Производство органических солнечных батарей обходится значительно дешевле изготовления неорганических фотоэлементов.

Для изготовления экспериментальных образцов органических фотоэлементов ученые используют, например, смеси проводящих углеводородных полимеров и фуллеренов (С₆₀). В России такие работы проводятся в МГУ им. М.В.Ломоносова на физическом факультете, в Институте элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова РАН и в некоторых других организациях.

Максимальный КПД солнечных элементов на основе органики – около 4-5% (КПД лучших образцов солнечных батарей из кремния, установленных на Земле, – примерно 25%). Кроме этого, существенным недостатком органических фотоэлементов является их недолговечность из-за воздействия на них кислорода и водяных паров. Поэтому чтобы увеличить срок службы солнечных батарей на основе органики, следует наносить на них специальное изолирующее покрытие, что увеличивает стоимость таких фотоэлементов.

Сейчас мощность солнечной энергетики в мире составляет несколько десятков ГВт; к 2030 г. она может увеличиться в десятки раз, т.е. доля гелиоэнергетики в выработке энергии в мире через 20 лет может составить около 10%. Ее перспективы зависят, прежде всего, от наличия или отсутствия технологий производства дешевых и эффективных материалов для солнечных элементов.

Гелиоэнергетические программы организованы в настоящее время более чем в 70-и странах мира. Их реализация способствует сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу Земли, что приводит к снижению негативного воздействия мирового топливно-энергетического комплекса на окружающую среду. Если заменить солнечной фотоэлектрической станцией мощностью 0.5 МВт, вырабатывающей в среднем 1 млн. кВт-ч электроэнергии в год, производство такого же количества электроэнергии на тепловой электростанции на угле, то вредные выбросы сократятся в следующих объемах: углекислого газа – примерно на тысячи т, двуокиси серы – на десятки т, оксидов азота – на десятки т, золы – на десятки т, пыли – на сотни кг. Лидерами в развитии солнечной энергетикиявляются Германия, Япония, США и другие страны.

В России многие считают, что развивать солнечную энергетику целесообразно лишь в жарких странах и в тех государствах, которые импортируют энергоресурсы. В связи с этим следует напомнить, что запасы традиционного углеводородного топлива на Земле заканчиваются. Темп прироста ископаемого органического топлива на Земле (10⁷ т/год) сейчас в 1000 раз меньше его расхода. Поэтому при существующих в настоящее время темпах роста потребления традиционных энергоносителей, которые составляют 1-2% в год, доступных запасов угля (примерно 10¹³ т) людям хватит на несколько сотен лет, а доступных запасов нефти (около 10¹² т) и природного газа (примерно 10¹² т) – максимум на 100 лет. Причем в РФ, как бы наша страна не была богата природными ресурсами, нефть и природный газ закончатся раньше, чем в других странах. Поэтому, если мы хотим быть независимым государством, нам придется развивать экономику, основанную на высоких технологиях, к которым, в частности, относится и преобразование энергии Солнца с помощью солнечных батарей.

Как показали последние исследования ученых, развитие солнечной энергетики в России экономически выгодно. По заявлению сотрудника Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе В.Андреева, многие территории России получают солнечной энергии больше, чем самые «солнечные» европейские страны. Например, среднегодовое поступление энергии Солнца в Забайкалье выше, чем в Испании. В ходе исследований, проведенных в Институте высоких температур РАН, в которых были использованы данные спутников NASA, было установлено, что на большей части российской территории (60%), включая многие районы Севера, на 1 кв. м. в среднем в день поступает 3,5 – 4,5 кВт-ч солнечной энергии (на Дальнем Востоке и в Южной Сибири – от 4,5 до 5,0 кВт-ч/м² в день; на большей части Сибири, на Северном Кавказе и в Сочи – от 4,0 до 4,5 кВт-ч/м² в день).

Технический потенциал солнечной энергетики в России не менее 2 ТВт, что примерно в два раза выше нынешнего потребления энергии в стране. Прогнозируется, что к концу XXI века 2/3 всей электроэнергии, вырабатываемой в мире, будет производиться за счет энергии Солнца. А установленная мощность солнечных электростанций в мире в 2020-х годах может составить около 150 ГВт.

В настоящее время в России не развит рынок потребителей устройств, преобразующих солнечную энергию. Производство солнечных батарей характеризуется небольшими масштабами. Однако, например, ООО «Солнечная энергетика» обещает в 2008-2009 гг. приступить к выпуску основных элементов для производства солнечных батарей суммарной мощностью до 30-40 МВт в год. Инвестиции в данный проект до 2009 г. должны составить 114 млн. $.

Законов, поддерживающих развитие солнечной энергетики, в РФ до сих пор нет. В будущем планируется принятие федерального закона «О государственной поддержке солнечной электроэнергетики». Разработка такого закона обязательно должна учитывать опыт зарубежных стран, в которых гелиоэнергетике оказывается государственная поддержка в виде:

– государственной закупки энергии, полученной за счет преобразования энергии Солнца;

– системы государственных доплат за выработанную таким способом энергию;

– выдачи льготных кредитов на строительство объектов солнечной энергетики;

– освобождения производителей устройств для преобразования солнечной энергии и поставщиков энергии, выработанной из энергии Солнца, от уплаты некоторых налогов;

– введения требований обязательной закупки энергокомпаниями энергии, выработанной из солнечной энергии;

– финансирования фундаментальных и прикладных научных исследований, направленных на уменьшение стоимости электроэнергии, выработанной из солнечной энергии, и т.д.

Литература

1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. // Физика и техника полупроводников. – 2004. Т.38. № 8. С.937-947.

2. Гвоздкова И.А., Паращук Д.Ю. Управление преобразованием солнечной энергии с помощью проводящих полимеров. // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления – 2002». ГУУ. Москва. Вып.6. С.154-157.

3. Гвоздкова И.А., Паращук Д.Ю. Солнечная энергетика: аутсайдер или лидер будущей энергетики? // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления – 2006». ГУУ. Москва. Вып.7. С.81-85.

4. Гвоздкова И.А., Паращук Д.Ю. Солнечная энергетика: подрастающий игрок. // Химия и жизнь. – 2007. №3 С.6-9.

5. ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_энергетика.