Новая энергетика

На пути к солнечным крышам

Новости - Новости солнечых технологий

Не рискну сказать, что главная, но, безусловно, одна из самых главных человеческих трагедий состоит в том, что природа, наделив человека мозгом, не только познающим, но и преобразующим материю, не дала ему в руки по-настоящему серьезного, удобного и безопасного источника энергии. Правда, рядом с нами находится целая звезда по имени Солнце, которая генерирует столько энергии, что нам бы ее хватало, если бы мы умели ее взять. Но мы до сих пор этому по-настоящему не научились, можно сказать, только делаем первые шаги к освоению этого гигантского энергетического резервуара.

Благодаря солнечным лучам на Земле произрастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для удовлетворения потребности в энергоресурсах людям требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива - 7.000 Ккал/кг.) Разведанных мировых запасов угля человечеству хватит на 200 лет, нефти и природного газа - на 36 лет, ядерного топлива - на 40 лет. А дальше начинаются проблемы, которые надо решать уже сегодня. И даже вчера.

Искусственный фотосинтез

Основной процесс, посредством которого для жизни на Земле, в том числе и для нашей жизни, становится доступной солнечная энергия - это процесс фотосинтеза, идущий в зеленой массе растений. Основной момент этого процесса - расщепление воды на водород и кислород при поглощении солнечного света. Дальше процесс идет уже независимо от солнечного света, но с участием углекислого газа и воды. И вот этим первым, на первый взгляд, таким простым этапом человеку пока никак не удается овладеть. Впрочем, и со вторым дело обстоит ненамного лучше: как вода, так и углекислый газ принадлежат к числу чрезвычайно стабильных химических соединений. Химические катализаторы для разрушения связей в их молекулах до сих пор неизвестны, хотя они, безусловно, существуют. Доказательство тому - реакции фотосинтеза в живой природе.

Правда, в марте этого года появились сообщения, что химикам под руководством д-ра Маркуса Антониетти из института Макса Планка удалось сделать важный шаг на пути к искусственному фотосинтезу. Сообщалось, что им удалось успешно активировать углекислый газ для использования в химических реакциях с помощью неметаллического катализатора нового типа - графитистого нитрида углерода.

Однако есть и другие, гораздо более простые способы превращения энергии солнечного света в формы, доступные для использования человеком. Пусть это будет и не красная икра, а «всего лишь» источники электрического тока. Их создание и развитие стало возможным в ХХ веке благодаря успехам квантовой теории твердого тела.

Электричество из света

Успехи этой теории позволили физикам создать поистине чудо-материалы - полупроводники, сделавшие возможными абсолютно все микроэлектронные устройства. Но не только их. Они позволяют сделать и устройства, преобразующие энергию солнечного света в электрическую энергию.

Не будем останавливаться на подробностях, понятных далеко не каждому, отметим только самое необходимое для того, чтобы «быть в теме». С помощью достаточно сложной технологии можно получить полупроводники двух типов - n-полупроводники, в которых свободными носителями заряда являются отрицательные электроны, и p-полупроводники, в которых носителями являются так называемые «дырки», в электрическом отношении эквивалентные положительным зарядам. Если мы приведем в контакт полупроводниковые кристаллы p - и n-типа, мы получим простейшее полупроводниковое устройство - p-n-переход. Уже это простейшее устройство обладает замечательными свойствами.

В обеих частях p-n-перехода после приведения их в контакт устанавливается тепловое равновесие, характеризующееся равновесными концентрациями электронов проводимости в n-полупроводнике и дырок - в p-полупроводнике. Но! Если мы осветим p-n-переход светом с достаточно энергичными фотонами, в n-полупроводнике появятся дополнительные электроны, а в p-полупроводнике образуются дополнительные дырки. Тепловое равновесие нарушится!

Если мы теперь соединим проводником p - и n-кристаллы, возникнут стремящиеся восстановить тепловое равновесие потоки: электроны начнут переходить из n-кристалла в p-кристалл, а дырки двинутся в обратном направлении. Через проводник пойдет электрический ток. Так устроен и так работает светопреобразующий элемент в простейшем случае.

Но теперь возникают практические вопросы использования таких источников. И тут же оказывается, что стоимость киловатт-часа добытой таким способом электроэнергии настолько велика, что пользоваться ею целесообразно только там, где других источников просто нет. Например, в Космосе. Потому что солнечные источники, для того чтобы иметь промышленную перспективу, должны быть конкурентоспособными в ряду других.

Что сказал Жорес Алферов

Большой интерес к солнечным батареям возник в 50-е годы именно в связи с возможностью их использования на космических кораблях и орбитальных станциях, где альтернативу им найти невозможно. Но к концу 60-х американец Петер Глезер предложил детально проработанный проект большой космической электростанции для использования энергии на Земле. Проект был технически реализуем уже тогда, но экономическая сторона затеи оказалась неподъемной по тем временам. Однако технологии не стоят на месте, а вместе с их совершенствованием меняются и экономические оценки. Поэтому проект не забылся, и сегодня Япония возлагает на него большие надежды и вкладывает большие деньги.

Японский сценарий предполагает поэтапную реализацию проекта. В 2007-2010 гг. в Космосе должна быть произведена и передана на Землю мощность в 50 КВт, в 2012-2015 гг. - 10МВт. 2020-2025 - это годы реализации пилотного проекта мощностью 250 МВт, а в период с 2030 по 2040 гг. должна быть сооружена уже коммерческая система мощностью 1 ГВт. Успех проекта и его эффективность в значительной степени зависят от повышения КПД преобразования энергии света в электрическую энергию.

КПД первых фотоэдс в начале 50-х годов был крайне невелик. Его быстро удалось поднять до нескольких процентов, достаточных для космических кораблей и орбитальных станций, и на этом уровне он замер на многие годы. Один килограмм чистого кремния, необходимого для производства фотоэдс, стоил тогда $100, т.е. безумно дорого по сравнению с углеводородами. Поэтому большинство исследований по разработке новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено.

Однако уже в 1990 году нынешний лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики было потрачено хотя бы 15% из средств, вложенных в энергетику атомную, то АЭС сейчас вообще были бы не нужны.

Стоит сказать, что в современном мире научно-технический прогресс сильно зависит от финансирования, а финансирование определяется прогнозированием. В данном случае налицо ошибка прогнозирования, причем она была допущена одновременно во всех странах мира. Будущее науки, к сожалению, плохо предсказуемо.

Бурный прогресс

Выступление Алферова было как «сон в руку»: сразу после него на ничтожном финансировании тех времен КПД фотопреобразователей начал «набор высоты». К началу ХХI века фотоэнергетика подошла с типичными КПД преобразования 13-22%.

А ХХI век принес новые походы. Один из них использует так называемые гетеропереходы - слоеные полупроводники, представляющие собой плоскопараллельные наборы p-n-переходов, каждый из которых преобразует в электричество свой участок солнечного спектра, а в совокупности - куда более широкую полосу, чем любой отдельный его слой. Идея неплохая, но реализовать ее чрезвычайно трудно. Дело в том, что контакт между слоями нужен такой, которого невозможно добиться путем простого механического их соприкосновения. Нужен контакт, в котором кристаллические решетки соседних слоев согласованы друг с другом, «подогнаны» друг к другу. Добиться такого согласования очень трудно.

Тем не менее в декабре 2006 года американское министерство энергетики распространило пресс-релиз, в котором сообщалось о создании компанией Boeing-Spectrolab солнечных батарей на основе гетеропереходов с рекордным на тот момент КПД=40,7%! В пресс-релизе утверждается, что на этой основе стоимость солнечной электроэнергии можно довести до 8-10 центов за киловатт-час. Это уже вполне конкурентоспособная цена. Рекорд, однако, продержался недолго. В этом году он был перекрыт фотоэлектрическими преобразователями, созданными Кристианой Хонсберг и Алленом Барнеттом из университета Делавэра, так что на сегодняшний день рекордный КПД равен 42,8%. В этой батарее применена расщепляющая спектр и концентрирующая его оптика, которая разделяет свет на три части: с высокой, средней и низкой энергией лучей, и направляет их на три участка солнечной батареи, покрытые тремя разными светочувствительными составами.

Новая панель создавалась в рамках программы «Солнечные батареи чрезвычайно высокой эффективности» научно-исследовательского агентства Пентагона (DARPA). Ее цель - создание солнечной батареи с КПД в 50%.

Университетский консорциум еще в 2005 году получил от DARPA на этот проект $13 миллионов, а теперь финансирование будет продолжено. Хонсберг и Барнетт намерены довести разработку до целевого КПД, запрашиваемого военными. Причем в 2010-м такие суперэффективные батареи уже должны попасть в серийное производство.

Но еще интереснее идеи, о реализации которых в марте 2004 года сообщили американские физики Кин Ман Ю и Владек Валюкевич из лаборатории Беркли. Им удалось создать совершенно необычный полупроводниковый материал, воспользовавшись настолько изощренной технологией, что совершенно непонятно, как ее можно реализовать в заводских условиях.

Дело в том, что еще в 1999 году Валюкевич и его коллеги случайно получили экзотический материал, обладавший так называемым «феноменом мультизоны».

У этого материала спектр преобразуемых в электроэнергию частот очень широк. Вот только для его получения примеси нужны такие, которые никак «не хотят лезть» в кристаллическую решетку основного материала. Не хотят уживаться с «хозяином». Такие соединения назвали высоко несогласованными сплавами.

Но оказалось все же совсем как у Блока - «невозможное возможно». «Было важно, чтобы атомы кислорода были распределены равномерно по материалу. Чтобы заманивать в ловушку достаточно много ионов кислорода, вы должны сделать это с материалом в жидком состоянии и очень быстро. Вы не можете нагревать материал медленно, потому что кислород быстро улетучится, - объяснил Кин Ман Ю. - Мы сделали это в два шага: использовали ионные лучи, чтобы внедрить кислород, а потом мощный импульсный лазер, чтобы мгновенно расплавить ZnMnTe и сразу же повторно кристаллизовать сплав. Весь лазерный процесс занимает только несколько сотен наносекунд».

Расчетный КПД солнечных батарей на основе нового материала достигает 57%! Но, повторимся, радоваться рано - пока непонятно, как такой процесс реализовать в промышленных масштабах. Но перспективы (57%) воодушевляют.

Еще более изощренна идея предварительного преобразования всего спектра солнечного света в монохроматическое излучение как раз той частоты, к которой наиболее восприимчивы солнечные батареи. Если за таким преобразователем поставить солнечную батарею, то получится система с очень высоким КПД. Добиться такого преобразования очень сложно, но никаких принципиальных препятствий для этого нет.

Новые идеи произвели революцию в возможностях фотоэнергетики, и скорее всего не за горами время, когда значительную часть своих потребностей в электроэнергии человек будет покрывать за счет «солнечной» электроэнергии, располагая солнечные батареи, скажем, на крышах домов.