Энергетика есть и будет основой современной цивилизации и про­мышленного производства Для создания и поддержания ее топливной и материально-технической баз работают многие отрасли промышлен­ности. В результате традиционная топливная энергетика является од­ним из основных нарушителей теплового и — экологического баланса планеты с точки зрения как расходования невосстанавливаемых топ­ливных ресурсов, так и воздействия на людей и окружающую среду. По данным [1], традиционная топливная (большая!) энергетика пока имеет относительно наихудшие экологические показатели (рис. 1). В связи с этим и нарастанием других симптомов экологического кризиса Земли задача экологически чистого получения энергии из возобновляющихся или возобновляемых ресурсов становится все более актуальной. Выбор новых источников энергии уже сейчас необходимо вести с учетом их экологической стоимости. К сожалению, она пока не включается в цену энергии, получаемой от традиционных источников. Когда это будет возможно, нетрадиционные источники энергии станут значительно бо­лее конкурентоспособными.

Однако и среди нетрадиционных источников есть наиболее выгод­ные в плане экологической безопасности и природного равновесия — это энергия биомассы, ветра, геотермальная и солнечная. Исходя из оценок относительной экологической стоимости (рис. 1) можно сделать вывод о наибольшей перспективности использования прямого солнеч­ного излучения, о развитии солнечной энергетики, не требующей топли­ва, и создания систем его добычи, доставки и хранения. На это указыва­ют и рекомендации Мирового энергетического совета (МИРЭС) [2,3].

Проблема наземной солнечной энергетики была поставлена в на­чале 70-х годов, а к началу 90-х стали возможны рекомендации в пла­нетном масштабе. Основные научные и научно-технические вопросы

Рис. 1. Экологическая стоимость различных видов энергии (по данным [1]). Виды и источники энергии: У — уголь, Н — нефть, Г — природный газ, ЯЭ — ядерная энергия, ЭБ — энергия биомассы, ГЭ — гидроэнергия, ЭП — энергия приливов, ВЭ — энер­гия ветра, ІТР — геотермальная энергия, ЭВ — энергия волн, ФЭ — фотоэлектричество. Экологические характеристики: ЗБ — здоровье и безопасность человека; П — пыль, час­тицы; ТМ — тяжелые металлы; К — катастрофы; О — отходы; ВОС — вторжение в окру­жающую среду; Ш — шум; ТП — требуемая территория; СН4 — выбросы метана, глобаль­ное потепление; СО2 — выбросы углекислого газа, глобальное потепление; КЗ — кислот­ные загрязнения (дожди).

были рассмотрены уже в середине 70-х годов [4, 5]. С тех пор им по­священо огромное число обзоров и специальных статей. Только не­большая часть из них отражена в списке литературы [6-102], на основе которого построен краткий анализ фотоэлектроэнергетики, не претен­дующий на совершенную полноту. Однако именно рекомендации МИРЭС [2] и определенные региональные предпосылки [6, 7] были основой необходимости еще раз кратко оценить перспективы фото­электроэнергетики в свете достигнутого и достоинств, в частности ре­сурсов, особенно материальных.

Считается, что солнечная энергия обладает исключительно боль­шим объемом ресурсов, хотя и не очень равномерно распределенным на земной поверхности (табл. 1). Недостатками являются, конечно, ши­ротная, сезонная, суточная, климатическая и погодная зависимости. Однако и при этом, согласно прогнозным оценкам МИРЭС, в ближай­шие 25 лет заинтересованность в развитии солнечной энергетики будет очень высокой [2, 3, 8], в том числе и в России. Измерения и расчеты [5,9] показывают, что приходы солнечного излучения в весенне-летние месяцы, наиболее активные в деловом плане, для средних широт Рос­сии отклоняются от максимальных не более чем на 50%.

Главным направлением развития солнечной энергетики является расширение применения фотоэлектрических систем (ФЭС) — систем прямого преобразования световой энергии солнечного излучения в электричество. Преимущества ФЭС прямого преобразования состоят в том, что они ие имеют движущихся механических частей, ие нуждают­ся в воде или другом теплоносителе и поэтому требуют минимального обслуживания. Фотоэлектрические системы структурно и конструктив­но однородны: любая требуемая мощность набирается из однотипных солнечных элементов, солнечных модулей, солнечных батарей и пане­лей, объединяемых электрически для получения нужного напряжения и мощности.

Таблица 1 Качественные характеристики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (солнечная энергия) [2] Показатели Солнечная энергия Ресурсы Объем ресурсов Исключительно большой Распределение по земной Равномерное поверхности Изменение плотности Суточное, сезонное, зависимое от погоды потока энергии Интенсивность потока Низкая (пиковое значение 1000 Вт/м2) энергии Технологии Основные направления Низко- и высокотемпературные термоди­ развития намические системы, фотоэлектричество, пассивные системы, биоконверсия Состояние Развитие, немного коммерческих устано­вок Коэффициент полезного Меньше 25% действия Пути совершенствования Материалы, стоимость, кпд, определение ресурсов Экологические показатели Очень чистые технологии получения энер­гии, отрицательное воздействие на зрение, отрицательное экологическое воздействие при изготовлении PV-ячеек, влияние иа локальный климат

Фотоэлектрические источники энерпш успешно применяются в качестве:

1

1) автономных источников питания индивидуальных микроэлек­тронных устройств — с мощностями от милливатт до ватт;

2) удаленных от централизованных сетей электроснабжения объ­ектов и коммуникаций систем управления, связи и передачи информа­ции — с мощностями от десятков до сотен ватт;

3) офисов, частных домов и хозяйственных объектов — от сотен ватт до десятка киловатт и более.

Все большее распространение за рубежом получают мощные фо­тоэлектрические станции (до 3-5 МВт [8, 10-12]), включаемые в цен­трализованные электрические сети и системы. Такая вариабельность размеров и экологическая чистота делают возможным размещение ФЭС непосредственно около потребителей или на его объектах (на сте­нах и крышах), где получаемая электроэнергия приобретает большую ценность, чем вблизи центральных станций. Малые ФЭС являются по­тенциально экономически выгодными даже в высоких широтах и в от­носительно облачных регионах [5, 6, 13], тем более — в отдаленных районах. Такими районами "богаты" Сибирь, Дальний Восток и север Европейской и Азиатской частей России. При этом в южной части Си­бири приходы солнечной энергии в весенне-летние месяцы по некото­рым данным не ниже, чем в северной части Каспия, в Ставропольском крае и даже в южных странах Европы [5, 9]. Известные данные указы­вают, что в летние месяцы приход солнечной радиации в Северной Си­бири не меньше, чем в Южной, а весной и осенью всего в 1,5-2 раза ниже [5], как и в Канаде, где испытания ФЭС проводились даже на ши­роте 84° [99]. В частности поэтому развитие солнечной энергетики счи­тается перспективным и в Сибири [6, 7]. Основную роль, конечно, иг­рают абсолютный дефицит топлива и сложности эксплуатации машин­ных энергетических установок в отдаленных районах. В отличие от теп­ловых систем фотоэлектрические работоспособны и при отрицатель­ных климатических температурах.

ДОСТИЖЕНИЯ

По данным американских исследователей, применение автонои- ной ФЭС для освещения стоимостью 3 тыс. дол. исключает необходи­мость расширения электросети с затратами 35 тыс. дол. [13]. В 1982 г. солнечные ФЭС считались приемлемыми для электроснабжения объек­тов, отстоящих от линий электропередач на расстояние более 16 км; к 1992 г. это расстояние сократилось до 1,6 км [14], а к 1994 г. — уже до
0,5-1 км [99]. В настоящее время срок службы фотоэлектрических ус­тановок в среднем рассчитывается на 25-40 лет с гарантированной мощностью в течение 10 лет [15, 16] и сроком возврата энергии, затра­ченной на производство, — 3,5 года [17]. (Такие характеристики вполне должны удовлетворять, например, запросы и возможности сельского хозяйства, судя по данным [18, 19].) Оценки 10-летнего опыта эксплуа­тации показывают высокую надежность ФЭС и выгодность строитель­ства крупных ФЭС, не требующих дежурства операторов и постоянно­го обслуживания [20].

Стоимость фотоэлектроэнергии в настоящее время, по данным [14, 21-22], находится в пределах 0,085-0,35 дол./(кВт-ч). В 37 городах США стоимость электроэнергии в пиковые часы достигает 0,2 дол./(кВт-ч) [14], т. е. в экстремальных условиях ФЭС вполне могут конкурировать с угольными и атомными электростанциями, особенно учитывая, что на лучших ФЭС стоимость отпускаемой электроэнергии уже в 1990 г. бы­ла меньше 0,12 дол./(кВт-ч) [23]. Изготовители солнечных модулей (СМ) считают, что в течение 10 лет они смогут еще снизить удельную стоимость электроэнергии от ФЭС до 0,06 дол./(кВт-ч) и конкурировать с самыми дешевыми источниками [14]. (Обычная стоимость "тради­ционной" электроэнергии составляет 0,05 дол./(кВт ч) [13].) Учет эко­логической стоимости должен сократить разрыв в стоимости энергии между традиционными и фотоэлектрическими источниками.

Социально-приемлемая цена солнечных электробатарей на сегодня составляет 1-2 дол./Втп [8, 10, 11, 24, 101]. (1Втп — 1 "пиковый" Вт — 1 Вт при стандартных условиях: 1 кВт/м2, 25 °С, АМ1,5 [75].) Сравнительно низкая цена на отечественном рынке США объясняется мощной госу­дарственной поддержкой, начиная с первой программы развития в США солнечной фотоэлектроэнергетики [26, 27], хотя создание ФЭС в настоящее время перешло в "коммерческую" стадию развития. В 1994 г. на развитие и создание новых ФЭС по программе "Технология произ­водства солнечных элементов" (PVMat) в бюджете США планирова­лось истратить 94,4 млн дол. [28], на 21 % больше, чем в 1993 г. и на 57% больше, чем в 1992 г. Реально израсходовано около 73,5 млн дол. [8], но и это очень много по сравнению с программами других стран. Доля США в мировом производстве ФЭС составляет более 30%, около 35 МВт/год [8, 24, 29-31]. В 1997 г. мировое производство ФЭС соста­вило 112-120 МВт, однако ожидаемого снижения цен на кремниевые СМ не произошло из-за нехватки n/n-Si [8, 31, 32]. В 1999 г. мощность смонтированных в мире ФЭС составила 270 МВт, что даже опережает прогноз рынка [101].

Производственные мощности России на 1995 г. оценивались в 4-5 МВт/год [7, 33-35], причем примерно 25% из них появилось в 1992 г. [35] и приблизительно 50% — в 1994 г. Реально в 1993 г. были задейст­вованы мощности порядка 700 кВт/год, в основном — для обеспечения космических объектов [34]. В настоящее время в России наибольшими мощностями по производству СМ на основе аморфного кремния обла­дает фирма "Совлакс" — около 2 МВт/год [36]. Из-за сравнительно ма­лых мощностей солнечная фотоэлектроэнергетика России все еще на­ходится в стадии "демонстрации возможностей" (по терминологии про­граммы ERDA [26, 27]). Проблему ускоренного развития нетрадицион­ной энергетики России, в частности наземной фотоэлектроэнергетики, стало возможным четко поставить только в 1989 г. [7, 37-39]. Главным препятствием существенного развития фотоэлектроэнергетики считал­ся дефицит кремния — основного материала солнечных элементов клас­сического типа [37, 38], но не менее важной была и высокая цена фото­электрических систем — высокая по сравнению с традиционной топ­ливной энергетикой: и по капитальным затратам на 1 кВт установлен­ной мощности, и по стоимости 1 кВт-ч [7, 37].

С 1988 г. многие проблемы становления нетрадиционной энерге­тики России решались в рамках Государственной программы "Эколо­гически чистая энергетика" [40], однако в ней предусматривались, главным образом, работы по созданию устройств с использованием солнечных фотоэлектрических источников энергообеспечения — солнеч­ных батарей [18, 19, 39], но не самих солнечных элементов. При этом в 1992-1993 гг. Россия осталась без собственного производства моно* кристаллического кремния. В настоящее время оно возрождается, но очень медленными темпами. То, что делается сейчас в производстве солнечных элементов, делается либо за счет старых запасов полупро­водникового кремния или высокочистых силанов, либо за счет отходов и закупок за рубежом. Развитие фотоэлектрической промышленности в России продолжается в различных направлениях; имеется несколько фирм, занимающихся как разработкой новых материалов, созданием технологий солнечных элементов, так и производством фотоэлектри­ческих модулей [41].

ПЕРСПЕКТИВЫ

Мировой энергетический совет считает целесообразным, чтобы государства стремились развивать свою энергетику по "экологическим сценариям", в которых существенная роль отводится использованию нетрадиционных источников энергии, в том числе солнечных фото­электрических систем [2, 3]. Для России и других стран СНГ рекомен­довалось к 2000-му году повысить долю использования солнечной энергии в 2 раза по сравнению с 1990 г., в 6 раз — к 2010-му и в 20 раз — к 2020-му [2]. Это все примерно в 3 раза больше, чем по "текущему сценарию", в качестве которого фигурируют, вероятно, проекты обще­государственных программ типа [34]. В программе [34] и в дальнейших разработках [42, 43] развитие российской солнечной энергетики в ос­новном связывается с развитием фотоэлектроэнергетики. Однако пла­ны развития пока не определены в цифрах, подобно более ранним [38], поэтому не вполне ясно, на какой базе были основаны рекомендации МИРЭС. Тем не менее, отмеченный рост мощностей для производства ФЭС уже превзошел эти рекомендации.

За рубежом потребности СССР в развитии ФЭС определялись не­большой цифрой — 550 МВт, вероятно потому, что только около 2% на­селения считалось не обеспеченным централизованным электроснабже­нием [8]. (Для сравнения: потребности Индии исчислялись в 42 000 МВт, поскольку около 78% населения живет без электроснабжения.) Однако ситуация сильно изменилась.

Резкое сокращение (в России) числа крупных потребителей элек­троэнергии, стремительный рост числа мелких потребителей, индиви­дуализация производств в сельском хозяйстве и в промышленности, старение источников и распределительных систем "большой" энергети­ки, рост цен на топливо и многие другие факторы предопределяют расширение использования нетрадиционных видов энергии. Особенно важны также специфические российские факторы: значительная цен­трализация традиционных источников, суровые климатические условия и большие расстояния между источниками и потребителями. При этом постоянно важны: развитие инфраструктуры, повышение комфортно­сти жизни и общего жизненного уровня населения. Все это требует и увеличения потребления энергии, а значит, развития использования и традиционных, и возобновляемых источников энергии, и увеличения экономии в потребляющих сферах [42, 43]. Энергосбережение будет "основой новой энергетической политики России" [42, 43], но без соз­дания новых мощностей не обойтись. Экологичность и другие достоин­ства солнечной фотоэлектроэнергетики рано или поздно обязательно сыграют свою роль [44-47]. Для развития отечественного производства ФЭС большое значение имеют также потребности внешнего рынка, так как до 75% производимых в России ФЭС продавались за рубеж [8, 41, 44].

Темпы развития фотоэлектроэнергетики, рекомендованные МИРЭС, могут быть достигнуты, как отмечается в табл. 1 [2], если будут исполь­зованы следующие "пути усовершенствования средств" использования солнечной энергии: материалы, цены, кпд, ресурсы. После ввода новых производственных мощностей ~3 МВт/год (или более) самым слабым звеном в цепи проблем развития отечественной солнечной фотоэлек­троэнергетики является ограниченность сырьевой базы, которая в на­стоящее время более остра, чем отмечалось ранее в [33, 37, 38]. Доми­нирующий полупроводниковый материал для массового производства солнечных элементов и ФЭС — кремний [48-50]. Характеристики эф­фективности солнечных элементов на основе кремния сравнительно высоки, сырье для получения кремния (диоксид кремния Si02: кварц, кварцевые руды, кварцевые пески) достаточно распространено и дос­тупно; имеются мощные производства кремния "металлургического" качества. Проблемой является отечественное производство высокочис­того "полупроводникового" кремния, который в основном нужен для производства микроэлектронной техники, а его отходы полностью при­годны для использования в солнечной электроэнергетике, а также в производстве кремния "солнечного качества".

Из-за низкой экологичности, ввиду высокой токсичности химсое — динений, малости ресурсов и чрезвычайной дороговизны сырья, весьма мала вероятность организации масштабного производства солнечных элементов (СЭ) на базе других полупроводниковых веществ, таких как GaAs, CdS, CdTe, CuInSe2, InP и др. [51]. Высокоэффективные СЭ на основе этих соединений тоже разрабатываются и применяются, но пер­спективны, видимо, только в энергетике космических аппаратов и в некоторых ФЭС с концентраторами солнечного излучения [8, 52-54]. Поэтому для целей массового применения солнечных элементов и сол­нечных ФЭС в наземной электроэнергетике целесообразно рассматри­вать только кремний.

Существуют несколько кремниевых материалов, на основе кото­рых производится подавляющее количество солнечных элементов [25-27, 53-57]. Основные из них:

— монокристаллический кремний (мк-Si) в виде круглых пластин толщиной 200-500 мкм, которые получают резкой слитков, выращи­ваемых способами Чохральского или бестигельной зонной плавки;

— поликристаллический кремний (пк-Si) в виде прямоугольных пластин, получаемых резкой крупных литых блоков кремния;

— поликристаллический кремний в виде прямоугольных пластин, получаемых непосредственно из расплава путем машинного литья лент или листов (л-Si);

— аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H), осаждаемый из газовой фазы в виде тонких (~1 мкм) пленок на подложку в процессе разложения моносилана SiHL*;

— тонкопленочный микрокристаллический кремний (цк-Si), полу­чаемый осаждением из газовой фазы.

Доли использования a-Si:H, мк-Si, пк-Si вместе с л-Si в общемиро­вом производстве солнечных элементов в 1990-1993 гг. были прибли­зительно одинаковыми (рис. 2) [29, 58-61]. Такая структура производ­ства сложилась в последнее десятилетие за счет стремительного роста выпуска тонкопленочных солнечных элементов на базе a-Si:H (a-Si:H/C3). Вся солнечная фотоэлектроэнергетика начиналась с пла­стин монокристаллического кремния — наиболее готового и наиболее изученного материала как для микроэлектронной, так и для фотоэлек — троэнергетической техники [26, 48, 49, 53]. Однако очень существен­ным недостатком использования мк-Si является низкий коэффициент использования массы монокристаллических слитков дорогостоящего высокочистого кремния: всего около 10% превращается в микроэлек­тронные приборы, еще около 20-30% может быть использовано для солнечных элементов. Поэтому, когда в результате первого энергети­ческого кризиса в 1973 г. в США остро встал вопрос об использовании альтернативных источников энергии, в частности солнечного излучения,

Европа, 1990 г. Весь мир, 1990 г.

21,0

’9.5 35,4

США, 1990 г. 58,0

30,0

-1

12,0

Весь мир, 1993 г. 49,0

Япония, 1990 г. 28,0

18,0

Рис. 2. Доли моно — (1), поликристаллического (2) и аморфного кремния (3) в производстве солнечных элементов по странам и годам (в %).

и была разработана ERDA — первая ’’солнечная" энергетическая про­грамма массового производства СЭ и массового наземного применения ФЭС [27]. В качестве основного материала для ее реализации рассмат­ривался только поликристаллический ленточный кремний, и было пре­дусмотрено создание новых технологий и оборудования для его непре­рывного производства [26]. (Программа ERDA [26, 27] рассчитывалась на увеличение производства с 1976 до 1995 г. тонкой литой кремниевой ленты до 200 км /год (!) со снижением стоимости СЭ до 1-2 дол./Втп при затратах до 20 млрд дол.!) Главная корректива в эту программу бы­ла внесена в начале 80-х годов появлением солнечных элементов на аморфном кремнии, в которых кремния требовалось в 100-500 раз меньше, чем в мк-, nK-Si/СЭ.