Энергетика завтрашнего дня

Сообщение Форума – еще одно свидетельство бурного роста солнечной энергетики. Еще недавно стоимость одного мегаватт-часа электроэнергии, полученной за счет Солнца, была в шесть раз больше стоимости энергии «угольной». Но технология угольной энергетики в основном стояла на месте, и цена на угольную энергию оставалась поэтому постоянной - в пределах 100 долларов за мегаватт-час. А технология солнечной энергетики непрерывно совершенствовалась. И вот результат: мало того, что цена «солнечного» мегаватт–часа в 2016 году упала (в среднем по миру) ниже 100 долларов, но в очень «солнечных» странах она стала намного ниже: в Мексике – 36 долларов, в Объединенных арабских эмиратах – 30, в Чили - 29. Даже в США, этой богатой другими видами энергий стране, стоимость мегаватт-часа солнечной электроэнергии вскоре составит, по оценкам, 46 долларов против 48 за газовый мегаватт-час и 60 – за угольный.

Но солнечная энергетика обещает стать не только самой дешевой, но и самой удобной для человека. В самом деле, что может быть удобней, чем производство энергии «на дому», в соответствии со своими индивидуальными нуждами и индивидуальными возможностями? Гидротурбину дома не установишь, уголь или нефть сжигать не будешь, газом лампочки не накормишь, ветряк «на одного» тоже громоздкая затея, а вот солнечная панель на крыше открывает широкие перспективы. Особенно в сочетании с комплектом достаточно емких батарей в подвале. И с электромобилем в гараже. Солнце в умеренных широтах посылает, в среднем, 100-250 ватт энергии в секунду на каждый кв.метр (разумеется, эта цифра меняется ото дня ко дню и зависит также от наклона освещаемой поверхности и некоторых других факторов). А дневная потребность средней семьи из 4 человек (для примера в Германии) составляет 10-12 квт-часов. Даже при кпд солнечных панелей порядка 20% средняя семья может обеспечить свои нужды, покрыв панелями 7-10 кв.метров домовой крыши. С учетом пасмурных и зимних дней потребуется, понятно, больше площади, но и тут у солнечной энергетики есть свое преимущество: ее можно легко перераспределять, заряжая батареи в солнечные дни и подпитывая от них дом в дни пасмурные.

Однако, и это не все. Голь, как известно, на выдумки хитра, и в последние годы в западных странах получила небывалое распространение система т.н. «микросетей». Так называют объединение нескольких локальных производителей (нескольких соседних, домов, зданий и т.п.) потребителей в единую энергетическую сеть, внутри которой участники могут обмениваться друг с другом излишками полученной от солнечных панелей электроэнергии. При таком объединении весь этот блок производителей не зависит от централизованной энергосети (неполадки в которой порой оставляют без электричества большие городские районы или даже город в целом) и могут надежно обеспечивать энергией всех своих участников. Более того – такая микросеть может поставлять излишек своей энергии в централизованную сеть. (Возможность таких обменов уже породила специальные «блокчейны» - общие расчетные сети, в которых потребители сами производят такие операции и проверяют их, минуя дорогостоящие услуги банку и пользуясь, как разменной монетой, т.н. «сан-койнами», «солнечными монетами», наподобие известных бит-койнов).

Так что не случайно солнечные панели пользуются все возрастающим спросом. По тем же данным Экономического форума, в 2016 году каждый день в мире устанавливали по полмиллиона новых солнечных панелей.

Но эта «индивидуально-коллективная» разновидность солнечной энергетики тоже еще не исчерпывает ее возможности. Еще одним и не менее важным ее направлением является централизованное производство энергии, или т.н. гелиотермальная энергетика — нагревание огромных площадей, покрытых солнечными ячейками, с последующим использованием тепла для нагрева рабочей жидкости, которая либо хранит это тепло, либо расходует его на вращение турбин. На таких «солнечных фермах» считают уже не в киловаттах, а в сотнях мегаватт. Рекорд здесь принадлежит калифорнийской солнечной ферме в Айвонпа мощностью 392 мегаватта. Еще более мощная солнечная энергостанция - в китайском ущелье Луньянса на реке Хуахнэ - является комбинированной: здесь солнечные панели, покрывающие площадь 23 кв. километра, вырабатывают 850 мегаватт электричества, которое расходуется на вращение одной из турбин распложенной в том же ущелье гидростанции.

Темпы развития этого вида солнечной энергетики даже выше, чем темпы роста энергетики ветряной, не говоря уже о нефтяной, угольной и газовой. (Первое место здесь занимают Китай, Германия, Япония и США; Россия в этом отношении отстает и по общему объему солнечной энергетики находится на уровне крохотного Кипра).  

Энтузиасты солнечной энергетики прогнозируют ей солнечное будущее (прошу прощения за тавтологию – Р.Н.). По оценкам Энергетического форума, к 2050 году она составит до 85% всей электроэнергии, производимой в Африке, 40-50% электроэнергии, производимой на Ближнем Востоке и 20-25% того, что будет производиться к тому времени в умеренных широтах планеты. Все эти перспективы (равно как и успехи последних лет) связаны с непрерывным совершенствованием того базового элемента, который лежит в основе всей солнечной энергетики. Этим элементом является солнечная ячейка.

Основой всей солнечной энергетики является солнечная ячейка, или фотоэлемент. Его работа основана на том, что при освещении некоторых веществ солнечным светом они начинают проводить ток (это явление фотоэффекта, было открыто в 1837 г. Беккерелем, а теоретически объяснено в 1905 г. Эйнштейном). В современных солнечных ячейках используются две специальным образом обработанные пластинки кремния: верхняя, грубо говоря, содержит чуть больше электронов, чем нижняя. Плоскость соприкосновения между ними является барьером для электронов (они не могут пройти снизу наверх, потому что их отталкивают «верхние» электроны), и чтобы преодолеть его, им нужна дополнительная энергия. Ее как раз и дает Солнце: частицы его энергии, т.н. фотоны, проникают сквозь верхний слой в нижний и отдают свою энергию тамошним электронам, те проходят через барьер наверх и идут дальше по проводу, присоединенному к ячейке, - так возникает электрический ток.

На практике такие ячейки (они называются ячейками первого поколения) делаются из кристаллов кремния, выращиваемых в специальных идеально чистых цехах в течение месяцев. При этом в одни кристаллы добавляются атомы веществ, делающих эти кристаллы положительно заряженными (от них потом отрезаются нижние пластинки для ячеек), а в другие – атомы, добавляющие электроны (для верхних пластинок). Сами пластинки имеют толщину порядка 0.2 мм. Именно такие ячейки составляют сегодня 90% всей мировой продукции.

Теоретические расчеты показывают, что такая кремниевая ячейка может превратить в электроэнергию не более 33.16 % падающей на нее солнечной энергии (Солнце посылает, в среднем 100-250 ватт на каждый кв.метр поверхности Земли в умеренных широтах). На практике, однако, их кпд составляет 10-20%, потому что в спектре солнечного света есть фотоны таких длин волн, которые не проходят сквозь кремний. Рекорд был поставлен в 2014 году фирмой Панасоник, ячейки которой имели кпд 25.6% (самые первые ячейки, созданные в 1954 г. в лабораториях фирмы Белл, имели кпд всего 8%). Впрочем, при собирании ячеек в крупноблочные панели происходят дополнительные потери (на отражение света, нагревание ячейки и т.д.) что уменьшает долю солнечной энергии, проходящей первую пластинку, и потому ведет к дополнительному снижению кпд.

Все это побудило ученых к поиску новых технологий. Вскоре появились т.н. ячейки второго поколения. Толщина пластинок в них была в 100 раз меньше и потому потери на нагревание ниже. Такая тонкость достигается благодаря тому, что пластинки изготовляются методом напыления. Оба слоя вещества в такой ячейке были настолько тонкими, что панели из многих ячеек могли плотно прилегать к поверхности любой искривленной формы. В этих ячейках впервые были опробованы также заменители кремния – комбинация кадмия с теллуридом и галлия с мышьяком.

И наконец, был найден новый метод повышения мощности и кпд – концентрация солнечных лучей на поверхности ячейки с помощью специальных линз и зеркал. Подобная концентрация позволяет преодолеть теоретический предел, и в 2015 году на ячейках такого типа был получен кпд в 46% – правда, только в лабораторных условиях и при мощности сконцентрированного луча в 312 Солнц (!).

А в самые последние годы уже вышли на сцену – пока тоже, в основном, в лабораториях – ячейки третьего поколения. В них используется еще одна изящная научная придумка – многослойность. Это как бы несколько ячеек, лежащих друг на друге. Каждая из них рассчитана так, чтобы поглощать фотоны определенной частоты, поэтому такой «многослойный бутерброд» более эффективно использует фотоны разных частот, содержащиеся в солнечном свете. Первые эксперименты с такими ячейками уже дали кпд в 30.2%. Новые возможности открывает также использование в качестве вещества ячеек минерала перовскит в сочетании с некоторыми органическими материалами. Еще в 2010 г. такие ячейки имели кпд всего 8%, а в 2016 г. – уже 22%.

Исследования продолжаются, то и дело рождаются новые идеи, возникают новые возможности, и технология солнечной энергетики меняется на глазах, расширяя ее перспективы, повышая эффективность и снижая цену. Может быть, это и впрямь энергетика будущего? Не зря же реклама одной из фирм напоминает: «Поток солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, в 10 тысяч раз больше всех энергетических потребностей современного человечества».

Уголок бесполезных новостей

• Как сообщает журнал Social Psychological and Personality Science, группа ученых из Нидерландов. Великобритании, США и Гонконга обнаружила, что люди, широко употребляющие непристойные выражения, реже лгут и обманывают других людей.
• Международная группа астрономов во главе с профессором Конселиче из университета в Нотингэме обнаружила, что вселенная содержит по меньшей мере 2 триллиона галактик, что в 10 раз больше, чем считалось ранее.
• Ученые Копенгагенского университета, сравнив крылья  782-х видов птиц, установили, что птичьи крылья тем короче и хуже приспособлены к дальнему перелету, чем ближе к экватору живет данная птица.
• Названы восемь человек, совокупное состояние которых равно суммарному состоянию всех остальных людей на планете. Среди них 6 американцев, 1 мексиканец и один европеец. Некоторые из них обещают завещать все свои деньги филантропическим организациям.

Рафаил Нудельман

"Окна", 18.5.2017