КАК УДОВЛЕТВОРИТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД? Юрий Ревич
КАК УДОВЛЕТВОРИТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД? Юрий Ревич
Американская энергетическая компания Pacific Gas amp;Electric совместно с фирмой Solaren намерены воплотить в жизнь один из самых фантастических проектов альтернативной энергетики: получать электроэнергию на орбите и передавать ее на землю по микроволновому лучу. Называются даже конкретные цифры: Solaren обещает с 2016 года обеспечить подачу в энергосети штата Калифорния 850 ГВт-час в первый год и по 1700 ГВт-час в год в течение следующих пятнадцати лет.
В сравнении с другими альтернативными технологиями проект тихоокеанских компаний привлекает в первую очередь тем, что он, если можно так выразиться, абсолютно экологичен: ему не нужны массивы ветряков, уродующие пейзаж и представляющие опасность для птиц, или необозримые поля солнечных батарей, он не вносит возмущений в прибрежные течения, как приливные электростанции. К тому же благодаря отсутствию атмосферы и возможности практически круглосуточного слежения за солнцем орбитальная электростанция гораздо эффективнее наземной, Во всей этой красивой и заманчивой идее смущает только тот самый луч: представляете себе микроволновую печку мощностью в четверть
гигаватта, протянутую от поверхности земли до орбиты?
А вот стоимость проекта, учитывая низкие эксплуатационные затраты, отнюдь не смущает: она оценивается всего в миллиард долларов (точнее, столько денег организаторы рассчитывают собрать с инвесторов)1. В конце концов, куда более сомнительная с экологической точки зрения Богучанская ГЭС, которую никак не достроят на Ангаре, обойдется на круг впятеро дороже? при всего лишь десятикратно большей проектной мощности (17600 ГВт-час в год). Согласитесь, что если считать не стоимость чистой энергии, а потери в целом (в том числе утрату полутора сотен тысяч квадратных километров девственной тайги, значительную часть которой даже вырубить не удастся,
затопление исторических памятников, уничтожение ценных видов рыб из-за всплывания торфяников, потерянные сельхозугодья, переселение жителей), не так уж и дорого получается.
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
А в чем, собственно, принципиальная проблема солнечной энергетики? Солнечной энергии до Земли доходит довольно много: через сечение земного шара проходит поток солнечного тепла в 42250 ТВт, что примерно в 20 тысяч раз больше, чем потребляет сегодня человечество (2,1 ТВт). Казалось бы - неисчерпаемый источник!
1 Есть, правда, сомнения как в реалистичности этой суммы. так и в технологической реализуемости проекта Solaren вообще - Прим. ред.
2 Из расчета, что в 2004 году завершение строительства Богу-чансксй ГЭС. готовой на 60%. оценивалось в $2 млрдОднако эта энергия, как говорят физики, низкопотенциальная: если за пределами атмосферы поток солнечного излучения составляет 1353 Вт/м2 (так называемая солнечная постоянная), то на земной поверхности при нахождении солнца в зените он составит уже 925 Вт/мг, а при высоте солнца в 45° над горизонтом поток снижается до 845 Вт/м2. Так что с учетом смены дня и ночи средняя величина составит лишь 300-500 Вт/мг в солнечный день в южных широтах, а в Европе облачным днем может быть и гораздо меньше: 100-150 Вт/м2.
Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую служат кремниевые солнечные элементы. Есть и другие типы элементов (Википедия насчитывает их десятка полтора), причем теоретически самые эффективные должны получаться на арсениде галлия (GaAs), но на практике такие элементы дороги, а эффективность их гораздо меньше теоретической из-за трудностей получения качественной монокристаллической пленки полупроводника. Поэтому около 90% солнечных фотоэлементов делаются на основе монокристаллического или поликристаллического кремния,
Первый солнечный элемент был создан в 1954 году в Bell Labs на основе кремния и имел КПД около 6%. Устройство типового современного элемента (их еще называют полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями или фотовопьтаиче-скими элементами) показано на рис. 1. Как видно из рисунка, он состоит из защитного стекла с просветляющим покрытием, полупроводниковой зоны с л-проводимостью, покрытой тонкой прозрачной пленкой одного из контактов (отрицательного), и зоны с р-проводимостью, которая расположена на подложке, обычно являющейся одновременно и вторым (положительным)
контактом. Ранее солнечные батареи делались и без стекла с просветляющим покрытием, но их эффективность значительно ниже из-за потерь на отражение.
Напряжение такого элемента под нагрузкой составляет 0,45-0,47 В и, что интересно, мало зависит от освещенности. А вот вырабатываемый ток как раз напрямую определяется освещенностью. Мак-
КПД элемента падает с ростом температуры (примерно на 10% от начальной величины при повышении температуры с 25 до 60 °С), и в настоящее время для самых распространенных типов солнечных батарей остается удручающе мал в среднем 16%, с перспективой роста до 17,5% к 2010 году (по данным фирмы Nitol Solar). Состав полупроводника и па-
КПД ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ТИПОВ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ОСТАЕТСЯ УДРУЧАЮЩЕ МАЛ: В СРЕДНЕМ 16%
симальная эффективность однослойного преобразователя равна 31-37% (большая величина - при использовании концентраторов, увеличивающих освещенность). В многослойных элементах теоретическая эффективность растет (в пределе - до 72%), но от такого пути отказались из-за технологических трудностей. Более перспективными оказались эксперименты с полупроводниковыми структурами (например, построенными на базе переходов Шоттки - полупроводник-металл), но пока доля нетрадиционных структур в производстве мала.
ЛАБОРАТОРИИ
|ельзя не упомянуть и о последних достихенинх в области солнечных элементов. К примеру I ученые из Дубны довели КПД кремниевых элементов до 55%, заодно научив батарею питаться инфракрасными лучами (то есть работа возможна и ночью), правда, в очень сложной и дорогой гетероструктуре, включающей наночастицы золота и серебра.
Интереснейшее альтернативное решение предлагает группа американских исследователей из Национальной лаборатории Айдахо, Университета Миссури и компании MicroContinuum. Поскольку свет представляет собой электромагнитные колебания, значит, по закону индукции, он может возбуждать колебания во вторичном контуре - подобно тому, как это происходит в трансформаторах или радиоантеннах. Только в случае света размер контура должен быть 2-4 мкм. На керамической подложке ученые вырастили решетку из золотых спиралей нужного диаметра, которая при облучении инфракрасным светом генерирует сверх высокочастотное напряжение. Чтобы превратить его в постоянное, видимо, придется рядом выращивать структуры из выпрямительных сверхбыстродействующих диодов и миниатюрных конденсаторов. Вся эта работа, возможно, представляла бы чисто академический интерес, если б не теоретический КПД такого преобразования, достигающий 80%. Представляете себе батарею, которая днем работает от солнца, а ночью использует энергию инфракрасного излучения, накопленную за день нагретой землей! ¦
раметры перехода делают такими, чтобы обеспечить максимум эффективности в зелено-голубой области спектра (0,45-0,5 мкм), на которую приходится максимум солнечного излучения (при нахождении солнца не ниже 30° над горизонтом).
Но эффективностью как таковой технологические проблемы далеко не исчерпываются. Для фотоэлектрических преобразователей требуется особо чистый кремний (примеси резко снижают эффективность). Кроме того, если для болыиин-I ства микросхем или транзисторов разброс параметров в несколько раз в ту или иную сторону большой роли не играет, то для солнечной панели это критичный фак-I тор: элементы приходится отбирать по I параметрам. Слишком большой разброс в одном модуле заставит элементы работать друг на друга, что снизит и без того невысокий КПД.
Впрочем, технологи сражаются не столько за КПД, сколько за снижение себестоимости элементов при сохранении тех же параметров. Себестоимость можно снизить, например, путем уменьшения толщины пленки кремния: так, применение аморфного кремния позволяет делать пленки толщиной 0,5-1,0 мкм вместо 300 мкм для кристаллических. Кроме того, выращивать пленки аморфного кремния большой площади значительно проще технологически. Элементы получаются дешевыми, но увы, достигнутый
ПЕРИФЕРИЯ
технологии
на аморфном кремнии КПД не превышает 10% в лабораторных условиях (реально около 6%), и, кроме того, такие элементы быстрее деградируют. Тем не менее будущее связывают именно с аморфным кремнием: считается, что тонкопленочная технология позволит через пять-десять лет снизить стоимость батарей вдвое.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Низкая эффективность батарей приводит к тому, что солнечные электростанции требуют больших площадей. Так, рядовая солнечная электростанция мощностью 1 ГВт (примерно столько потре-
днику, что еще больше повышает стоимость батарей.
Один квадратный метр крыши, покрытой солнечными элементами, в среднеевропейских условиях может отдать мощность около 100 Вт. Обойдется такой квадратный метр долларов в пятьсот, то есть начальные вложения на каждый ватт составят примерно пять долларов, К цене самих солнечных модулей следует приплюсовать цену аккумуляторов и стабилизирующей системы, чтобы обеспечить круглосуточную работу, что добавит к цене каждого ватта еще как минимум доллар. Итого, пятикиловаттная система
В ГЕРМАНИИ ГОСУДАРСТВО НЕ ТОЛЬКО КОМПЕНСИРУЕТ ДО ДВУХ ТРЕТЕЙ ЗАТРАТ НА УСТАНОВКУ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ, НО И КУПИТ У ВАС ЛИШНЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ДНЕМ
бляет московский микрорайон не слишком холодной зимой) покроет своими батареями несколько десятков квадратных километров (что сравнимо с площадью самого же микрорайона), причем этот расчет справедлив при размещении электростанции отнюдь не в московском регионе, а где-нибудь в пустыне Аризона с тремястами шестьюдесятью солнечными днями в году. К тому же за батареями надо ухаживать: как минимум своевременно очищать от пыли и грязи (что на таких площадях представляет собой немалую проблему) и периодически заменять дефектные элементы. В космосе грязи нет, зато есть другая напасть: там элементы быстрее выходят из строя из-за повышенной радиации, и, чтобы увеличить долговечность, приходится делать специальные присадки к полупрово-
солнечного электроснабжения, смонтированная на даче, обойдется вам тысяч в шестьдесят - не считая собственно монтажа и, конечно, резервного бензогенератора, без которого в наших широтах не обойтись, особенно зимой.
Кстати, при доставке энергии из космоса с помощью микроволнового луча часть преимуществ орбитального размещения потеряется по дороге. Нет, атмосфера как раз помешать не должна: если использовать излучение с длиной волны около 1 мм, то, по словампрофессора американского Института космических систем Дэвида Крисвелла (недавно предложившего строить электростанции на Луне), потери не превысят 2%. Зато половину энергии съедят промежуточные преобразования: у СВЧ-генератороа и приемников тоже есть свой КПД. Так что если полуфантастиче-
ский проект Solaren и будет осуществлен. все же вряд ли можно говорить, что солнечная энергия в ближайшем будущем займет важное место в мировой энергетике
Единственный, видимо, путь, на котором солнечная энергия может стать заметной альтернативой сжиганию углеводородов, - заместить хотя бы часть электро- и тепловой энергии на солнечную там, где это действительно выгодно. И такие приложения есть, что доказывают многочисленные проекты «экологичных жилищ» или, скажем, судов на солнечных батареях.
Как пример одного из самых масштабных начинаний последнего времени, можно привести проект целого города во Флориде под названием Babcock Ranch, в котором 20 тысяч домов вместе со всей инфраструктурой должны снабжаться только за счет солнечной энергии, причем, по расчетам проектировщиков, ее должно хватить еще и на продажу. А бум «зеленых« домов в Европе в немалой степени обусловлен государственной поддержкой: так, в Германии государство не только компенсирует до двух третей затрат на установку солнечных батарей, но и купит у вас лишнее электричество днем, причем по завышенным ценам, а потом продаст его же вам ночью, но со скидкой. Благодаря этой программе в стране кроют крыши солнечными батареями по полмиллиона квадратных метров в год, и такой подход оказывается хоть и более затратным, но и более экологичным, нежели выстилание кремнием квадратные километры. Ведь крупная солнечная станция, снижая температуру почвы, вполне может привести к локальному изменению климата. ¦
Демократия или свобода
ВЖЖ моего коллеги - те же обвинения против меня. Одно из его занятий по методологии науки проходит так: студент зачитывает вслух мою колонку из «КТ» а преподаватель объясняет, почему я - не демократ.
Зачем я вытаскиваю на поверхность частный спор? Он отражает более общие причины. Коллеге нужно доказать, что он - Демократ, чтобы запретить другим высказывать взгля-
либерализма - Джон Локк, Бенджамен Франклин, Томас Джефферсон - не были демократами! Первая редакция американской Конституции была либеральной, а не демократической и защищала свободы граждан от воли народных масс. Этому служили и косвенные выборы (избиратели голосовали за выборщиков, которые и избирали должностных лиц), и имущественный ценз для избирателей. По
посягательств, И я говорю не только о перекосах, известных нам из истории советской науки, - лысенковских чистках, борьбе с кибернетикой и «низкопоклонством перед иностранщиной». Сейчас актуальна защита академических свобод от демократических перекосов - вроде запретов на «неполиткорректные» исследования в США или наездов на теорию эволюции «научных креационистов», апеллирующих к профанам.