СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА:
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ
Чл.-корр. РАН А. Асеев.
В начале своего выступления А. Асеев отметил, что по теме доклада
выполнено два интеграционных проекта Сибирского отделения РАН. В
результате этой работы сложилось содружество научных коллективов
нескольких Институтов Сибирского отделения в этой области.
Руководители этих коллективов являются соавторами доклада. В их
числе О. Семенова — заведующая лабораторией и
О. Пчеляков — заведующий отделом из Института физики полупроводников,
А. Непомнящих — заместитель директора Института геохимии (Иркутск)
и Р. Шарафутдинов — заведующий лабораторией Института
теплофизики.
Докладчик привел основные положения, которыми руководствуются
энтузиасты развития солнечной энергетики: полное количество
солнечной энергии, поступающей на поверхность земли за неделю,
превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана
вместе взятых; валовый потенциал солнечной энергии в России
составляет более 2 трлн тонн условного топлива; при среднем
значении КПД солнечной станции — 12 % (т.е. небольшом по
современным достижениям) все потребности России в электроэнергии
могут быть удовлетворены, если солнечными элементами покрыть
территорию площадью около 4 тыс. кв. км (соответственно для
мира — 40 тыс. кв. км); цена кремния солнечного качества равна в
настоящее время цене урана для атомных электростанций, но его
содержание в земной коре в сто тыс. раз больше; нефтяной
эквивалент одного килограмма кремния в составе солнечных
элементов по различным оценкам составляет от 25 до 75 тонн нефти.
Современное состояние солнечной энергетики по данным на 2003 г.
характеризуется установленной мощностью солнечных электростанций
около 3 ГВт. (С. Алексеенко в своем докладе приводил данные
2000 г. — 0,4 гигаватта). В настоящее время, это составляет всего
0,1 % установленных мощностей всей энергетики мира. Объем
производства и продаж модулей солнечной энергетики составляет
около 5 млрд долл. США, т.е. объем бизнеса в этой области уже
заметен. С 2003 г. мировое производство солнечных элементов
превысило 500 МВт установленной мощности в год.
В настоящее время стоимость солнечных элементов составляет
2,5-3 долл. США за ватт установленной мощности при стоимости
вырабатываемой электроэнергии от четверти до полдоллара за
кВт/ч, что, конечно, неприемлемо по современным требованиям.
Для массового производства и обеспечения быстрого развития
солнечной энергетики необходимо снизить стоимость установленной
мощности в 2-3 раза и во столько же раз стоимость
электроэнергии. Главным препятствием для развития солнечной
энергетики является высокая стоимость основного материала для
солнечных элементов — кремния солнечного качества, которая
составляет в настоящее время от 40 до 100 долл. за кг.
Докладчик подчеркнул, что в России ситуация с производством и
использованием кремниевых солнечных элементов не так безнадежна,
как принято думать. В России имеются успешно работающие
предприятия, которые выпускают солнечные элементы на основе
кремния, в том числе ОАО «Солнечный ветер» в Краснодаре, а также
созданное в советское время для обеспечения солнечными элементами
космической программы СССР НПО «Квант» вместе с ООО «Совлакс»
(Москва) и другие предприятия. Общий объем производства
составляет около 2 МВт установленной мощности и почти вся эта
мощность продается за рубеж, так что потребление солнечных
элементов в современной России крайне мало. В мире массовое
потребление солнечных элементов связано с поддерживаемыми на
государственном уровне программами создания «солнечных» крыш в
США, Японии и Германии.
Принято считать, что развитие солнечной энергетики — это удел
солнечных стран. Но и в России продолжительность солнечного
времени и степень инсоляции велики в ее южных районах, в том
числе в южной Сибири, и что очень важно — в малодоступных для
централизованного энергоснабжения районах юга Восточной Сибири,
Приморья, Якутии и Магаданской области.
Основное внимание в докладе было уделено проблемам получения
дешевых материалов для солнечной энергетики на основе кремния.
Это обусловлено тем, что, начиная с этого года, намечается быстро
увеличивающийся дефицит кремния — основного материала для
производства солнечных элементов. Наибольшие успехи в развитии
научных основ массового производства для солнечной энергетики
мультикремния (кремния блочной структуры с размерами
ориентированных блоков от миллиметра до нескольких сантиметров)
достигнуты в Институте геохимии СО РАН (г.Иркутск). Главный
результат работы сотрудников этого института состоит в
обосновании возможности получения мультикремния солнечного
качества при карботермическом восстановлении особо чистых
кварцитов из месторождений Восточных Саян, минуя сложную и
дорогостоящую стадию хлорсиланового передела при производстве
полупроводникового кремния (эта стадия уменьшает содержание
примесей в кремнии в миллиард и более раз).
Освоение разработанной технологии производителями так называемого
«металлургического» (т.е. содержащего большое количество
примесей), кремния в кремниевых цехах Братского и Иркутского
алюминиевых заводов явилось бы громадным вкладом в развитие
солнечной энергетики в целом и в развитие высоких технологий в
Сибирском регионе. В настоящее время данные производства
выпускают около 70 тыс. тонн металлургического кремния в год в
основном для зарубежных производителей более чистых кремниевых
продуктов.
В докладе были представлены также работы Института теплофизики по
созданию высокопроизводительной технологии получения слоев
аморфного кремния на дешевых подложках (ленты из нержавеющей
стали и др.). В основе этой технологии находятся результаты
развития оригинального метода газоструйного химического осаждения
кремния из моносилана с активацией электронно-пучковой плазмой.
В Институте физики полупроводников ведутся работы по получению
высокоэффективных солнечных элементов на основе эпитаксиальных
слоев соединений арсенида галлия, получаемых методом
молекулярно-лучевой эпитаксии. Несмотря на относительную
дороговизну данной технологии, ее применение оправдано при
использовании концентраторов солнечного излучения. Перспектива
данной работы состоит в использовании нанотехнологий для
получения элементов на основе материалов с так называемой
промежуточной запрещенной зоной в энергетическом спектре
полупроводника. Промежуточная запрещенная зона может быть
сформирована, например, при использовании хорошо отработанной в
Институте технологии получения «квантовых точек».
При демонстрации конструкции солнечных элементов на основе
наноструктур с квантовыми точками, А. Асеев обратил внимание на
очень важное направление работ, по которым физики сотрудничают с
Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН. Коротко
говоря, эта работа связана с решением задачи преобразования
излучения различного рода пламенных источников, например,
попутного газа на нефтяных промыслах, который в настоящее время
безвозвратно теряется при сжигании в факелах. Кроме того, можно
получать биогаз в больших количествах и частично превращать его в
электроэнергию при сжигании с помощью эффективных
полупроводниковых преобразователей.
Подводя итоги, А. Асеев выделил основные тенденции в развитии
солнечной энергетики. Происходит непрерывное увеличение
производства солнечных элементов, которое сопровождается
снижением цены солнечных элементов, разработкой новых технологий
получения полупроводниковых материалов для солнечных элементов и
разработкой новых конструкций полупроводниковых преобразователей.
В настоящее время материалы на основе кремния являются основными
при преобразовании солнечного излучения в децентрализованных
системах выработки электроэнергии. Для крупномасштабных наземных
систем и систем солнечной энергетики космического базирования
обоснованным представляется применение концентраторных
фотоэлектрических модулей на основе гетероэпитаксиальных структур
соединений А3В5.
В Сибирском отделении РАН накоплен значительный потенциал для
решения проблемы массового производства кремниевых материалов для
солнечной фотоэнергетики. Это создает основу для развития новых и
переориентации имеющихся производственных мощностей на массовый
выпуск конкурентоспособных востребованных материалов для
солнечной фотоэнергетики. Имеется научная и технологическая база
для разработки технологии получения новых типов элементов
солнечной энергетики и солнечных модулей на кремнии и кристаллах
А3В5.
Последний кадр иллюстраций к докладу А. Асеев прокомментировал с
особым воодушевлением. На снимке, сделанном в одном из помещений
ракетно-космической корпорации «Энергия» в подмосковном Королеве,
демонстрируется панель солнечных элементов, снятая со станции
«Мир» незадолго до прекращения ее работы. Эти панели, сказал
А. Асеев, проработали в космических условиях свыше 12 лет и при этом
большая часть элементов (свыше 80 %) сохранила полную
работоспособность. Это говорит о высоком уровне работ по
солнечной энергетике в СССР и дает надежду на эффективную работу
в области солнечной энергетики и в условиях современной России.
стр. 12
| 
