Енергетика Сонця. Космічні сонячні електростанції

     Невдовзі  розпочалася переможна хода сонячних фотоперетворювачів і по Землі. Нікого сьогодні не дивує побутова електроніка, що «працює» чи підзаряджається від Сонця. Ще на початку 80-х «сонячний автомобіль» перетнув Австралію, а «сонячний літак» перелетів Ла-Манш. Чимало будинків (особливо — заможних садиб, розташованих у віддалених регіонах), виблискують кремнієвими дахами, роблячи їхніх власників незалежними від примх і пертурбацій зовнішнього світу. 

Проте, попри  реальну загрозу загальнопланетної  екологічної катастрофи, сонячна енергетика досі лишається «нішевим проектом» для небагатьох. Так, у США сьогодні фотоперетворювачі генерують лишень 0,02% від усієї електроенергії — решту продукують переважно теплові (на вугіллі та газі) й атомні електростанції.

На те існує  низка причин. По- перше, це відносно низька концентрація сонячної енергії. Та й коефіцієнт корисної дії (ККД) наявних перетворювачів сьогодні не надто високий (максимум 10—25%). Отже, треба вкривати сонячними елементами достатньо значну поверхню. Причому головною складністю є аж ніяк не площі, потрібні для цього (для задоволення сьогоднішніх енергетичних потреб людства досить було б укрити фотоелементами з ККД 10% лише 0,16% земної поверхні — площа пустелі Сахара значно більша; а енергетичні потреби України з лишком задовольнила б ділянка розміром із Чорнобильську зону).

     Головне — те, що поки вартість напівпровідникових перетворювачів достатньо велика. З  урахуванням реальних значень інсоляції  та інших технічних параметрів («сонячну»  електрику треба накопичувати, бо вночі батареї не працюють; перетворювати з низьковольтної на зручну для транспортування високовольтну) вартість кіловат-години електроенергії, виробленої сонячними батареями, складає сьогодні близько 0,42 євро. Для порівняння: вартість цієї ж кіловат-години, виробленої на звичайній тепловій електростанції Європи, — 0,04 євро. Приблизно стільки ж (24,36 коп.) звикли платити й ми, українці. І перспектива раптом платити за кіловат-годину 2,60 грн. нам аж ніяк не всміхається... 

СВІТЛО В КІНЦІ ТУНЕЛЮ?

     І водночас людство не має виходу. Щоб уникнути катастрофи, слід переходити саме на сонячну енергію — не як на допоміжну для екзотичних випадків, а як на одне з головних джерел енергопостачання. Але зрозуміло: така трансформація потребуватиме великої політичної волі відповідальних лідерів. Програма дій, яка за цим повинна стояти, зрозуміла. Це — фінансування державою промисловості сонячних перетворювачів. Це — дотації на споживання екологічно чистої енергії (що вже є практикою окремих країн Європи, зокрема, Німеччини). Нарешті, це масштабне розширення фінансування наукових розробок.

     Адже  упродовж минулих десятиліть науковці й технологи зробили надзвичайно  багато, рухаючись у двох напрямках: підвищення ККД сонячних перетворювачів і їхнє здешевлення.

     Річ у тому, що нобелівський лауреат Вільям Шоклі (премія 1956 року за відкриття транзистора, який воістину змінив обличчя світу) разом з Гансом Квейсером іще 1961 року вирахував гранично можливе значення ККД сонячного елементу, виходячи з обмежень, що їх накладає квантова фізика. Адже не всі народжені світлом пари «електрон-дірка» створюють струм: деякі негайно рекомбінують. Не всі кванти світла народжують електрон-діркові пари: енергія частини з них недостатня для цього. Нарешті, електрони й дірки, народжені дуже високоенергетичними квантами, віддають більшу частину своєї енергії коливанням кристалічної гратки, «гріючи» напівпровідник замість того, щоб створювати корисний струм. З урахуванням усього цього найпростіший перетворювач на кремнієвому p-n-переході не може мати ККД, вищий від 31%. Але, застосовуючи складніші конструкції, комбінації різних напівпровідників, фокусуючи сонячне світло, теоретично можна «обійти» цю межу.

     Ще  вагоміші напрацювання й досягнення в другому напрямкові. Більшість  на ринку поки складають так звані перетворювачі першого покоління. Їх роблять на основі монокристалічного кремнію із середнім ККД у 18% (науковці з Австралії сконструювали дослідні зразки з ККД у майже 25%). Але проблемою залишається висока ціна — до 300—420 євро за м 2 поверхні. Адже чистий монокристалічний кремній виготовляти складно й дорого. Натомість перетворювачі другого покоління використовують тонкі напівпровідникові плівки (кремнієві або зі складних сполук кадмію-ртуті- телуру чи інших) на скляній підкладці. Вони в кілька разів дешевші, але й ККД тут лежить у межах 10%.

     У вдосконаленні елементів обох типів  значну роль відіграли українські учені. Серед них не можна не згадати  покійного професора Віталія  Стріху, фундатора відомої наукової школи з фізики контакту метал-напівпровідник, лауреата Державної премії України, засновника й першого президента Академії наук вищої школи. Він ще 1983 року видав піонерську працю «Сонячна енергетика і проблеми її розвитку» (прикметно: українською мовою — в час тотальної русифікації!), де кинув виклик панівному на той час в СРСР курсові на безальтернативність атомної і теплової енергетики.

     Вагомі  результати отримано в Інституті  фізики напівпровідників НАН України, у Київському, Одеському, Ужгородському  та Чернівецькому університетах, на деяких промислових підприємствах («Піллар», «Квазар»), в інших українських лабораторіях. Унаслідок зусиль науковців (зокрема, й наших) вартість сонячних елементів вдалося довести до 0,5— 1,1 євро за ват потужності. Отже, за минулу чверть століття вона зменшилася в 20 разів (а порівняно з першими зразками 1950-х — у 1000!). В принципі, вона вже не така далека від характеристик газових і бензинових двигунів: 0,1—0,15 євро за ват.

     Нині  українські науковці пропонують низку  конструктивних вирішень для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії. Серед них: використання рельєфної поверхні батарей, формування батарей з двосторонніми колекторами, використання антивідбиваючих пасивуючих та зміцнюючих покриттів, оптичних концентраторів сонячних потоків (лінзи Френеля, фасеточна призмово- поворотна оптика тощо), широке використання каскадних сонячних батарей тощо.

     Чимало  можуть дати технологічні вдосконалення  й нові матеріали, зокрема, широке використання тонких плівок кремнію (що дає економію напівпровідникового матеріалу в понад 10 разів) на органічних, металічних, склоподібних підкладках (виробництво таких елементів уже в 2007 році перевищило сумарну потужність у 100 MВт!). Перспективними є багатошарові (виготовлені методом молекулярно-променевої епітаксії) структури напівпровідників зі змінною шириною забороненої зони. Нарешті, сонячні елементи з використанням органічних матеріалів уже зараз дають ККД до 7—10%.

     Проте найважливішою й найцікавішою для  дослідників є перспектива масової  появи сонячних батарей третього покоління, які використовують принципово нові фізичні принципи роботи. Це — батареї на основі квантових надграток (вони вже зараз успішно використовуються в космосі). Це — використання квантових точок, вбудованих в напівдіелектричні матриці, та застосування багатодолинних напівпровідників для генерації гарячих фотоелектронів (що дасть можливість далеко перейти межу в 31% ККД).

     Ці  елементи третього покоління, за оцінками експертів, уже в 30-річній перспективі  дозволять виробити батареї з  надзвичайно високим ККД (до 80%) і з помірною ціною в 100 євро за кв. м. А це вже дасть змогу отримувати промислову електроенергію за ціною в 0,03 євро за кіловат- годину — меншою, аніж на традиційних теплових чи атомних електростанціях. Звичайно, так станеться, якщо буде надано масштабну державну підтримку на промислове виробництво та наукові пошуки. Але, усвідомлюючи сьогоднішню ситуацію, Євросоюз уже в цьому році виділяє на ці потреби понад 5 мільярдів євро. І європейці щиро (й небезпідставно) вірять: у 2050 році сонячна енергетика покриватиме щонайменше чверть енергетичних потреб людства, а відтак змальована на початку статті апокаліптична перспектива відступить.

     Чи  станеться так насправді? Хочеться вірити, адже розвиток сонячної енергетики в світі йде величезними темпами — 40% на рік. Це — чи не найбільші темпи зростання в cфері виробництва. А що ж Україна, яка все ще зберігає високий потенціал у сфері напівпровідникової науки? Поки що ці дослідження (широко підтримувані в часи СРСР) є в нас справою ентузіастів, які зуміли стати партнерами в міжнародних проектах.

     Проте, виходячи зі значущості проблеми, ми переконані: розвиток сонячної енергетики в Україні  має бути підтриманий національною програмою з фінансовим забезпеченням  того ж порядку (бодай у відносних  величинах!), що виділяють європейські країни. І це стане важливішим для нашого майбутнього, аніж пошуки чергових мільярдів на виконання відверто популістських обіцянок, даних під час позачергових виборів. 
 

Цікаві  дані про сонячну  енергію

     Пошук фірм у The Europen Business Directory, які займаються проектуванням і розробкою устаткування і технологій по використанню і перетворенню енергії сонця, дав наступні результати: 
 

Таблиця 1

Географічний  добір

Таблиця 2

 

     Як  видно, у списку майже не представлені фірми із СНД, не представлена в ньому  і Україна. Така ситуація вимагає  змін. Україна може і повинна зробити свій внесок у вирішення глобальних проблем зміни клімату.

Діти, за допомогою  енергії сонця готують їжу

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Висновок

     Використання  енергії сонця найбільш широко впроваджено  для здійснення гарячого водопостачання, опалення та охолодження будинків, опріснення води, нагріву парників, сушіння сільськогосподарської сировини.

Одним з різновидів сонячних установок являються установки  з застосуванням фото енергетичних елементів, фотоелектричні станції.

В Івано-Франківській області в м. Коломиї приватним підприємцем для власних потреб використовується сонячна фотоелектрична станція потужністю 8,8 кВт. За допомогою станції власник отримує щодобово 300 літрів води підігрітої до температури 60 градусів Цельсію. Установка оснащена автоматизованою системою орієнтації фотоелементів відносно сонця, при відсутності сонця в схему включено електробойлер, який живиться від загальної електромережі.

Власник за рахунок  використання установки отримує  близько 3,5 тис. грн. на рік економії коштів по оплаті за електроенергію.

В загальному по Україні використання сонячних систем не набуло широкого впровадження, хоча є яскраві приклади їх застосування в Криму, Дніпропетровську та на Закарпатті. 

     Основні потужності (більше 60%), а за деякими  оцінками більше 80%, у колишньому СРСР по виробництву кремнію були і залишаються в Україні. В Україні зосереджено 10% (десять відсотків!) світових! потужностей, відсоток завантаження яких на сьогоднішній день незначний. Це такі підприємства як: Донецький хіміко-металургійний завод; Запорізький титано-магнієвий комбінат; Світловодський завод чистих металів. Проте, багато тон кремнію щомісяця експортується, що не може не позначитися на рівні цін на цей матеріал, а як результат - практична відсутність економічної вигоди від експорту сировини по своїй природі енергоємкої, наукомісткої і дорогої.

Отже, Сьогодні світова спільнота переживає  енергетичну кризу. За підрахунками вчених запасів нафти на Землі  при тих темпах використання, які  є зараз, вистачить до 2020 року, газу - до 2040, вугілля - до 2090. В Україні 8 років тому прийняті Комплексна державна програма енергозбереження та Програма державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії і малої гідро- та теплоенергетики, згідно з якими до 2010 року необхідно забезпечити в державі економію традиційних паливно-енергетичних ресурсів в обсязі 12-15% від загального їх споживання. Можливо, це й не так багато, однак у переводі на абсолютні цифри статистика виходить досить переконливою. Оцінки засвідчують, що використання наявного потенціалу енергозбереження в Україні, який становить приблизно 86 млн. тонн умовного палива, дасть змогу подвоїти забезпеченість країни власними енергетичними ресурсами. Гадаю, ми не настільки багаті, щоб залишати поза увагою таку кількість енергії.