10 солнечных лет

1 0 С О Л Н Е Ч Н Ы Х Л Е Т

УДК 621.472 ББК 31.27-01  Г707

10 СОЛНЕЧНЫХ ЛЕТ. Екатеринбург, TATLIN, 2018. — 128 с.

ISBN 978-5-00075-153-4

Книга посвящена новой отрасли российской энергетики — солнечной. Для страны, которая славится своими суровыми зимами и огромными запасами углеводородов, кажется не самым очевидным необходимость развития возобновляемых источников энергии. Однако несколько заводов и десятки построенных электростанций опровергают это — солнечная энергетика в России уже есть. Читатель узнает из книги о долгом пути развития мировой солнечной энергетики и вкладе российской науки в её развитие. На примере компании «Хевел» в книге показаны сложности первых шагов на пути к созданию отечественного производства солнечных фотоэлементов и строительству первых солнечных электростанций в нашей стране. Книга будет полезна широкому кругу читателей, интересующихся перспективами развития возобновляемых источников энергии.

фото предоставлены пресс-службой группы компаний «Хевел», 2018 фото производственного процесса и текст © Д. Горчаков, 2018 дизайн и вёрстка © KUKUDESIGN: Т. Кубенская, 2018 издание © TATLIN, 2018

CОДЕРЖАНИЕ

6

10 СОЛНЕЧНЫХ ЛЕТ. Игорь Шахрай

8

НАУКА

26

МИР И РОССИЯ

40

ОТ ИДЕИ К РЕАЛИЗАЦИИ

46

ПРОИЗВОДСТВО

122

ПЛАНЫ

10 СОЛНЕЧНЫХ ЛЕТ

Дорогой читатель,

Вы держите в руках необычное издание, название ко- торого ещё 10 лет назад вызвало бы только улыбку. Сегодня отрасль, которой посвящена эта книга, обре- ла ореол уважения во всем мире. Мы хотели бы запе- чатлеть на страницах издания каждый виток в станов- лении и развитии целой индустрии и уделить больше внимания тому, как протекало её восстановление в на- шей стране. Несмотря на то, что в научной плоско- сти советская фотовольтаика начала развиваться ещё в 60-е годы прошлого века, доступные для простых людей и одновременно эффективные технологии по- явились в современной России сравнительно недав- но. Хотя глагол «появились» далеко уводит от пред- ставления о том технологическом переломе, который произошёл за последние годы. Российская солнеч- ная энергетика была буквально создана «с нуля». Речь идёт и о создании новых высокотехнологичных производств, и о перезапуске научно-исследователь- ской деятельности и её ориентации на прикладные ре- зультаты, и, конечно же, о строительстве солнечной ге- нерации в России. Все эти события имеют очень точную точку отсчёта — это 2009 год, год основания компании «Хевел», что в пе- реводе с чувашского значит «солнце».

не верил даже в потенциальную вероятность успеш- ного развития солнечной энергетики в стране, бога- той, как принято говорить, углеводородами, то сегод- ня за нами, как к солнцу, потянулись другие компании, создавая свои заводы. Тем временем и традиционные отрасли стали активно инвестировать в строительство собственных солнечных электростанций и научные раз- работки. Технологии в мире в эти 10 лет не стояли на месте — средний КПД солнечных элементов удвоился, себесто- имость, наоборот, сократилась как минимум втрое, сде- лав продукцию солнечной индустрии доступной каж- дому. России тоже есть чем гордиться — мы не только раз- работали, но и внедрили в серийное производство одну из наиболее эффективных в масштабном использо- вании технологий на основе гетероперехода, доказав возможность максимально гибко и быстро адаптиро- ваться к глобальным переменам на рынке. Страницы этой книги познакомят вас с современной историей развития солнечной энергетики в России. Каким будет её продолжение — зависит от всех нас.

За 10 лет не только мы, но и вся отрасль проделала огромный путь. Если начинали мы одни, когда никто

Игорь Шахрай, генеральный директор группы компаний «Хевел»

6

7

НАУКА

Солнце — необходимый элемент жизни. Жизнь на на- шей планете возникла не только благодаря наличию воды, суши и важных химических веществ. Скорее она стала возможна благодаря удачному расположению на- шей планеты от ближайшей звезды — Солнца. Ему мы обязаны самим своим происхождением, тем, какие мы есть и из чего мы состоим. Генетическая информация всех живых организмов записана в длинные белковые молекулы, устойчивые к солнечному ультрафиолету. Весь наш суточный ритм подчинён Солнцу и его неиз- менному появлению над горизонтом. Растения тянутся к свету, чтобы создавать необходимые органические со- единения в процессе фотосинтеза — преобразования энергии солнечного света в энергию химических свя- зей. Солнечное тепло и свет определяют погоду на Зем- ле, благодаря ему дуют ветра и происходит круговорот воды. В конце концов, солнечный свет просто поднима- ет настроение, радует глаз, позволяет любоваться все- ми красотами этого мира. Энергия, которая попадает на Землю от Солнца, огром- на. На каждый квадратный метр площади планеты на уровне моря падает солнечная энергия, эквивалент- ная 1000 Вт. И это с учётом потерь в атмосфере. Ис- пользование всего лишь одной сотой процента энергии Солнца, падающей на Землю, могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а пол- процента способны полностью покрыть такие потреб- ности на сотни лет вперед.

Жорес Алфёров, нобелевский лауреат по физике, о солнечной энергетике: «За 60 лет занятий в области электроники я не нашел альтернатив солнечной энер- гетике. Энергии Солнца достаточно для потребностей человечества на тысячелетия вперед. То, что солнеч- ная энергетика станет основной к концу столетия и бу- дет давать до 60% общего количества, я в этом не со- мневаюсь». Михаэль Гретцель, лауреат престижной российской премии «Глобальная энергия» 2017 года за выдающи- еся заслуги в разработке экономичных и эффектив- ных фотоэлементов, известных как «ячейки Гретцеля»: «Ежегодный объём солнечной энергии, поступающей на Землю, в 100 раз превышает энергию всех миро- вых запасов — и углеводородов, и возобновляемых источников. Использование всего лишь одной сотой процента этой энергии могло бы обеспечить все се- годняшние потребности мировой энергетики, а пол- процента способны полностью покрыть такие потреб- ности на сотни лет вперед. Грех не научиться таким добром пользоваться. Я в своих презентациях всегда привожу высказывание Томаса Эдисона: “Я бы вложил свои деньги в Солнце и солнечную энергию. Какой ис- точник энергии! Я думаю, нам не следует ждать, ког- да запасы нефти и угля иссякнут, чтобы осознать это”. Представьте, великий изобретатель сказал это в 1931 году. Правда, до исчерпания запасов углеводородов ещё далеко».

8

Солнце — одна из звёзд нашей

галактики Млечный Путь и единственная звезда Солнечной системы. Возраст: 4,5 млрд лет. Оставшееся время жизни: 5 млрд лет. Расстояние до Земли: 150 млн км. Время прохождения света до Земли: 8 минут 20 секунд. Температура поверхности: 5 778 К. Радиус: 695 700 км. Состав: водород — 73%, гелий — 25%, прочие элементы — 2%. Источник энергии и света: термоядерные реакции синтеза гелия из водорода.

Энергия, которая попадает на Землю от Солнца, огромна. На каждый квадратный метр площади планеты на уровне моря падает около 1000 Вт солнечной энергии. И это с учётом поглощения в атмосфере. Использование всего лишь одной сотой процента энергии Солнца, падающей на Землю, могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а полпроцента способны полностью покрыть такие потребности на сотни лет вперед.

9

ИСТОРИЯ ОСВОЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

История фотовольтаики, науки о преобразовании сол- нечного света в электрическую энергию, началась почти полтора века назад. Путь к пониманию явления фотоэффекта, при котором под действием света раз- личные вещества начинают испускать заряженные ча- стицы, был длинным. В 1839 году 19-летний французский учёный Алек- сандр Беккерель, отец будущего нобелевского лауре- ата по физике Анри Беккереля, занимался изучением солнечного спектра и наблюдал явление фотоэффек- та в электролите. Созданная им на основе хлорида серебра и кислотного раствора ячейка генерирова- ла электроэнергию под воздействием солнечных лучей. В 1873 году английский инженер-электрик Смит Уил- лоуби открыл фотопроводимость селена, обнаружив, что он меняет свою электропроводимость под действи- ем света. Это открытие в 1876 году позволило лондон- скому профессору Уильяму Гриллс Адамсу и его ученику Ричарду Эвансу понять, что при воздействии света се- лен производит электричество. Они доказали возмож- ность выработки электроэнергии твердыми элементами под воздействием солнца. Так возникла идея создания фотогальванической ячейки. Первые эксперименты с твердотельными фотоэлектри- ческими элементами на основе селена проводились английскими учеными В. Адамсом и Р. Деем в Лондоне

Статья Адамса и Дея о воздействии света на селен 1877 год

в 1876-м. В 1877 году вышла их публикация о воздей- ствии света на селен.

В 1883-м американский изобретатель Чарльз Фриттс создал первый функционирующий солнечный эле- мент на основе селена, покрытого тонким слоем зо- лота. И пусть КПД элементов был всего 1%, первые в мире солнечные модули на базе этих элементов были установлены на крыше одного из зданий в Нью-Йорке в 1884 году. Но высокая стоимость таких фотоэлементов закрывала дорогу их широкому применению. В 1887 году немецкий физик-экспериментатор Генрих Герц открыл внешний фотоэффект, которым называют явление выбивания электронов из вещества под дей-

10

Смит Уиллоуби (1828–1891), английский инженер- электрик

Александр Григорьевич Столетов (1839–1896), российский физик

Александр Эдмон Беккерель (1820–1891), французский

Генрих Рудольф Герц (1857–1894), немецкий физик

физик, наблюдавший фотоэффект в 1839 году

Нобелевскую премию за объяснение теории фотоэф- фекта с Альбертом Эйнштейном.

В 1905 году Альберт Эйнштейн написал статью, в ко- торой теоретически объяснил явление фотоэффек- та. Опираясь на гипотезу Макса Планка о квантовании света, Эйнштейн описал основные закономерности ис- пускания энергии светом в виде отдельных пакетов —

Чарльз Фриттс и его солнечные элементы

ствием падающего на него света. Проводя опыты по ис- следованию электромагнитных волн, он заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо бы- стрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением. Выдающийся русский физик Александр Столетов в 1888–1890-х годах проводил экспериментальные ис- следования внешнего фотоэффекта, открытого за год до этого Генрихом Герцем. Эти исследования позво- лили построить количественную теорию фотоэффек- та и принесли Столетову мировую известность. Он от- крыл первый закон фотоэффекта, согласно которому сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Теперь этот закон носит имя Столето- ва. Кроме того, Столетов указал на возможность приме- нения фотоэффекта для фотометрии и создал первый сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий яв- ление внешнего фотоэффекта. Кто знает, если бы Сто- летов не умер в 1896 году, он вполне мог бы разделить

Альберт Эйнштейн, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года

11

Макс Планк, лауреат Нобелевской премии по физике 1918 года

Рассел Ол

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн (слева направо) в Лаборатории Бэлла

«квантов света». Сегодня эти «кванты» мы называем фотонами. Теория Эйнштейна помогла объяснить, как фотоны могут генерировать электроэнергию. В 1921 году за объяснение фотоэффекта Альберт Эйнштейн по- лучил Нобелевскую премию по физике. В 1930-х годах в Физико-техническом институте под ру- ководством академика Абрама Фёдоровича Иоффе созданы серно-таллиевые фотоэлементы с эффектив- ностью чуть больше 1%. В 1938 году Иоффе впервые внес на рассмотрение правительства СССР програм- му энергетического использования солнечных фото- электрических крыш. Однако для реализации проекта требовались существенно более высокие показатели КПД фотоэлементов. В 1940 году Рассел Ол, сотрудник Лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе, имеющими различные химические составы. Во время работ Ол обнаружил в бракованном образце крем- ния, подключенном к электрической цепи и освещае- мом светом, изменения тока и напряжения. Оказалось, что брак при производстве кремниевой пластины при- вел к образованию стыка кремния с разными приме- сями и разными свойствами — в одном был избыток электронов, а в другой недостаток. Так был обнаружен и назван p-n переход (p — positive, для области с поло- жительным зарядом и n — negative, для области с отри- цательным зарядом). Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер.

В 1948–1950-х годах Уильям Шокли разработал тео­ ретическую модель p-n перехода, которая не толь- ко заложила основу современных солнечных модулей, но и привела к созданию транзистора. В 1956 году Уи- льям Шокли и его коллеги по Лаборатории Белла Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили за эту работу Но- белевскую премию по физике.

Кельвин Фуллер

12

25 апреля 1954 года на большой пресс-конференции во время ежегодного съезда Национальной Академии наук США трое изобретателей из Лаборатории Белла — электрик Дэрил Чепин, физик Джеральд Пирсон и химик Кельвин Фуллер — продемонстрировали кремниевые фотоэлементы с невиданным до этого КПД в 6%. На следующий день изобретение попало на первые полосы газет. Как отмечалось в The New York Times, создание эффективных фотоэлементов «означает начало новой эпохи, которая приведёт к осуществлению одного из заветных желаний человечества — получить от солнца практически неограниченное количество энергии для нужд цивилизации».

чества — получить от солнца практически неограни- ченное количество энергии для нужд цивилизации». Направление преобразования солнечного света на- прямую в электроэнергию получило также название фотовольтаика (PV). В СССР развитие технологий солнечных модулей продолжалось в Физико-техническом институте на основе фотодиодов с p-n переходами в герма- нии (Ж. И. Алферов, С.М. Рывкин, 1955 год) и крем- нии (В.М. Тучкевич, В. Е. Челноков, 1957 год). В кремниевых солнечных элементах был достигнут КПД = 8%. Уже через несколько лет солнечные модули стали ис- пользоваться на космических аппаратах. Так, в 1958 году были запущены искусственные спутники Земли, оснащённые такими модулями — советский «Спут- ник-3» и американский «Авангард-1». Последний был оснащён шестью солнечными модулями мощностью около 1 Вт. Однако в 1960-е солнечные модули ещё оставались очень дорогими, что сдерживало их широ- кое применение в наземной энергетике. В конце 1950-х годов в ФТИ были созданы и первые фотоэлементы на основе арсенида галлия, имеющие значительно лучшую температурную стабильность па- раметров по сравнению с кремниевыми фотоэлемен- тами. Такие солнечные фотоэлементы использовались на советских луноходах.

Кельвин Фуллер (1902–1994), Джеральд Пирсон (1905–1987), Дэрил Чапин (1906–1995)

25 апреля 1954 года на большой пресс-конференции во время ежегодного съезда Национальной Акаде- мии наук США трое изобретателей из Лаборатории Белла — электрик Дэрил Чепин, физик Джеральд Пирсон и химик Кельвин Фуллер — продемонстри- ровали кремниевые фотоэлементы с невиданным до этого КПД в 6%. На следующий день изобретение попало на первые полосы газет. Как отмечалось в The New York Times, создание эффективных фотоэлемен- тов «означает начало новой эпохи, которая приведёт к осуществлению одного из заветных желаний челове-

13

Серийные солнечные элементы Sharp, 1963 год

Первый морской буй, работающий на солнечных модулях компании Sharp, Йокогама, 1963 год

Американский спутник «Авангард-1»

В 1963 году компания Sharp первой начинает массовое промышленное производство кремниевых солнечных элементов, что делает их доступными для обычных по- требителей, а не только для космической области. Пер- вые кремниевые элементы Sharp были использова- ны в буях на фарватере Цуруми возле порта Йокогама в мае 1963 года. На сегодняшний день данная техноло- гия применяется в 500 автоматических маяках в Япо- нии. С конца 1960-х в Физико-техническом институте груп- пой под руководством Жореса Алфёрова проводились исследования полупроводниковых гетероструктур — рукотворных кристаллов, созданных методом послой- ного напыления различных полупроводников. Уже к 1970 году его группой были созданы преобра- зователи солнечной энергии с применением галлия и мышьяка с КПД 10–11% и повышенной температур- ной стойкостью. Позже были созданы преобразова- тели с КПД около 20%. Солнечные модули на основе гетероструктур были применены на орбитальной стан- ции «Мир». Однако широкого применения в «назем- ной» энергетике в СССР не получили. В 2000 году Жо- ресу Алфёрову совместно с американскими учёными Гербертом Кремером и Джеком Килби была присужде- на Нобелевская премия по физике «за исследование полупроводниковых гетероструктур, лазерные диоды и сверхбыстрые транзисторы».

Жорес Алфёров на вручении Нобелевской премии

В 1969 году англичанин Читтик с коллегами опубли- ковал результаты исследований по осаждению гидро- генизированного аморфного кремния. Это были пер- вые работы по использованию аморфного кремния в фотоэлектрических преобразователях энергии, этот материал привлёк внимание исследователей всего мира. После его работы интерес к возможности при- менения аморфного кремния в тонкоплёночных фото- электрических преобразователях энергии как теорети- чески более дешёвого способа их производства только возрастал. Нефтяной кризис 1973 года заставляет людей вкла- дывать деньги в исследования солнечной энер- гии. В 1970-х доктор Эллиот Берман, финансируе­

14

Множество лабораторий и ученых по всему миру работают над новыми технологиями и материалами. Если кремниевые элементы шли к достижению КПД в 20% около 60 лет, то перовскиты достигли этих величин меньше, чем за 10 лет. Редкая область промышленности сейчас развивается так бурно как фотовольтаика. Какие технологии станут доминирующими в новых солнечных электростанциях через 10 и 20 лет, остается только догадываться.

мый корпорацией Exxon, разрабатывает дешёвый солнечный модуль, цена которого снижается со $100 до $20 за 1 Вт мощности. Компания Exxon исполь- зовала солнечные модули на морских нефтяных и газовых буровых установках. Берман обнаружил, что использование в производстве солнечных мо- дулей поликристаллов обходится гораздо дешев- ле, чем монокристаллов. Однако при этом страдает и эффективность. Даже сейчас поликристалличе- ские солнечные модули дешевле, но и менее эф- фективны, чем монокристаллические. В 1991 году группой под руководством швейцарско- го химика Михаэля Гретцеля был создан новый класс фотоэлементов, получивший впоследствии назва- ние по имени изобретателя — ячейки Гретцеля. Новые элементы работают на принципах, схожих с биохимическим процессом фотосинтеза, с помо- щью которого растения преобразуют энергию све- та в глюкозу. По сравнению с кремниевыми модулями ячейки Гретцеля относительно простые в устрой- стве и выполнены из недорогих материалов — по- ристого слоя наночастиц оксида титана, покрытых органическим красителем. В 2009 году органиче- ский краситель был заменён современным мате- риалом — перовскитом. Авторитетный научный журнал Science уже включил перовскит в топ- 10 прорывов 2013 года, подразумевая возмож- ность использования его в солнечной энергетике.

Михаэль Гретцель со своим изобретением

Подавляющее большинство действующих станций ис- пользуют фотоэлектрические модули на основе крем- ния. Их средний КПД около 15–16%. Однако несмотря на резкие скачки цен на кремний в последние де- сятилетия, кремниевая фотовольтаика по-прежнему остаётся одной из самых распространённых техно- логий. Множество лабораторий и учёных по всему миру работают над новыми технологиями и матери- алами. Если кремниевые элементы шли к дости- жению КПД в 20% около 60 лет, то перовскиты до- стигли этих величин меньше, чем за 10 лет. Редкая область промышленности сейчас развивается так бур- но, как фотовольтаика. Какие технологии станут до- минирующими в новых солнечных электростанци- ях через 10 и 20 лет, остаётся только догадываться.

15

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

По принципу, используемому для преобразования сол- нечной энергии в электрическую, современные элек- тростанции можно разделить на два типа: концентра- торные (CSP) и фотоэлектрические (PV). В первом случае преобразование солнечной энергии происходит в результате концентрации солнечного из- лучения с помощью оптических зеркал и дальнейшее его преобразование в электричество. Чаще всего та- ким образом нагревают жидкость, получают пар и на- правляют его на турбину с генератором, как на обычной тепловой электростанции. В настоящее время КПД по- добных систем не превышает 20%. Однако доля кон- центраторной солнечной энергетики не превышает не- скольких процентов. Основное количество солнечной электроэнергии полу- чают с помощью прямого преобразования света в элек- троэнергию. Полупроводник — это материал, в котором под воздействием света возникают носители отрица- тельного (n-тип, от слова negative) или положительно- го (p-тип, от слова positive) заряда. При этом к разному типу полупроводников может относиться один и тот же материал в зависимости от типа легирования. Простей- ший полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух совмещённых слоев с разным типом проводимости, ко- торые образуют так называемый p-n–переход.

в том, что падающий на вещество свет генерирует в ма- териале электрические «дырки», разделение которых происходит на p-n–переходе, и в цепи появляется элек- трический ток. Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фото- элементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (в электроэнергию преобразовы- валось менее 1% от энергии падающего света), селену сразу же начали искать замену. В 1954 году специалисты компании Белл разработали фотоэлемент на основе кремния с КПД 6%. Это позво- лило в кратчайшие сроки создать производство фото- элементов для космических аппаратов и побудить мас- су исследователей по всему миру заняться улучшением технологии и поиском новых материалов для фотоэле- ментов. Были предложены различные альтернативы в виде соединений мышьяка, галлия, индия и других, но кремний до сих пор остается самым распространен- ным материалом в производстве солнечных модулей. При этом наиболее популярны два направления при- менения кремния — использование кристаллического кремния и аморфного в виде тонких плёнок. На рынке фотовольтаики доля солнечных элементов и модулей, произведенных на основе кристаллическо- го кремния, сейчас превышает 80%, из которых при-

Явление фотоэффекта, история открытия и изучения которого описана в предыдущих главах, заключается

16

солнечный свет

отрицательный электрод антибликовое покрытие n-слой граничный слой p-слой положительный электрод

Испанская солнечная электростанция башенного типа PS20 мощность 20 МВт. Более 1200 зеркал направляют свет на башню, преобразуя воду в пар, идущий затем на турбину и генератор.

Схема p-n–перехода

17

Гетероструктурные солнечные модули производства «Хевел», установленные перед заводом

18

Гетероструктурный элемент

Монокристаллический элемент

Поликристаллический элемент

мерно половина приходится на поликристаллический (состоящий из мелких кристаллов) кремний и полови- на — на монокристаллический. Столь широкое приме- нение кристаллического кремния в фотовольтаике об- условлено развитой кремниевой технологией вообще и возможностью изготовления на его основе солнечных элементов наземного использования с наиболее при- емлемым соотношением эффективность / стоимость. Как правило, пластины из чистого монокристалличе- ского кремния имеют толщину до 200 мкм. Они харак- теризуются высоким КПД (17–22 %) и высокой себесто- имостью. Внешне его можно отличить по характерному тёмному цвету.

Производство поликристаллического кремния проис- ходит при медленном охлаждении кремниевого рас- плава. Элементы на его основе характеризуются эф- фективностью в диапазоне 14–18%. Остальная часть рынка фотовольтаики приходится на плёночные элементы на основе других материалов, в том числе, более 5% составляют солнечные элемен- ты на основе тонких плёнок аморфного гидрогенизиро- ванного кремния. Фотоэлементы из аморфного кремния представляют собой тончайшие слои кремния, полу- ченные путем напыления в вакууме на стекло, пластик или фольгу из высококачественного металла. Эта технология позволяет делать гибкие и прозрачные солнечные элементы. Такие элементы характеризуются низкой эффективностью в диапазоне 6–10% и значи- тельно более низкой ценой. Кроме того, солнечные элементы можно разделить на элементы без концентрации солнечного излуче- ния и с концентрацией излучения на малой площади с помощью оптических систем. Обычный уровень из- лучения, падающий на поверхность Земли, составля- ет 1000 Вт/м 2 . Применение концентраторов в виде раз- личных линз и отражателей позволяет в разы повысить преобразование энергии. Дополнительные расходы на системы слежения за солнцем и охлаждения в сол- нечных модулях также могут быть оправданы повыше- нием КПД на 50%.

Кристаллы поликремния на заводе «Хевел»

19

КОСМОС И АВИАЦИЯ

перспективы солнечной энергетики, открывающиеся для космической техники. Он в кратчайшие сроки орга- низовал в нашей стране первое массовое производство солнечных элементов. Уже в 1958 году в качестве до- полнительного источника питания третьего советского искусственного спутника Земли аппарата «Спутник-3» массой более 1300 кг впервые были использованы солнечные модули, от которых работал небольшой ра- диомаяк. Всего на нём было установлено 9 модулей на основе радиационно-стойкого кремния. При этом на спутниках США такие радиационно-стойкие фото- преобразователи начали устанавливаться только с 1961 года. В том же 1958 году свой первый спутник с солнечными модулями запустили США. Аппарат «Авангард-1» был массой всего около 1,5 килограмма и был оснащён ше- стью солнечными модулями мощностью 1 Вт. В конце 1950-х годов в ФТИ были созданы и первые фотоэлементы на основе арсенида галлия, имевшие большую температурную стабильность по сравнению с кремниевыми фотоэлементами. Первая арсенид-гал- лиевая солнечная батарея была установлена на совет- скую межпланетную станцию «Венера-4» (1967) и са- моходные аппараты «Луноход-1» (1970) и «Луноход-2» (1973). Температура солнечных модулей на поверхности Луны достигала 140–150 º С, но арсенид-галлиевые ба- тареи обеспечили достаточно высокую удельную мощ- ность — до 100 Вт/м 2 .

Современные солнечные модули, в лучшем случае, не уступают по эффективности другим наземным источ- никам электроэнергии по стоимости и мощности произ- водимой энергии. Однако в середине XX века показате- ли эффективности солнечных модулей были в десятки раз ниже, а стоимость запредельной. Но с началом кос- мической эры даже такие показатели солнечных моду- лей оказались вполне приемлемыми для питания кос- мических аппаратов в силу отсутствия альтернативы. Производить электроэнергию в космосе иными спо- собами было невозможно, поэтому до появления сол- нечных модулей срок жизни и работы космических ап- паратов определялся мощностью аккумуляторов на их борту. Например, первый в мире искусственный спутник, за- пущенный СССР в 1957 году, имел на борту аккумуля- торную батарею, которая составляла около 60% от его массы и содержала около 10 кг серебра. Её энергии хватило лишь на 21 день работы радиопередатчиков мощностью 14 Вт с их знаменитым «БИП-БИП-БИП». Созданием источников питания для космических ап- паратов в СССР занимался Всесоюзный научно-ис- следовательский институт источников тока (ВНИИТ), ныне преобразованный в НПП «Квант». Научной базой для создания отечественных солнечных модулей ста- ли разработки ученых Физико-технического институ- та. Руководитель НПП «Квант», выдающийся учёный и инженер Николай Степанович Лидоренко понимал

20

«Спутник-3» — первый советский космический аппарат с солнечными модулями

Первый американский спутник с солнечными модулями «Авангард-1»

Межпланетная станция «Венера-4»

Первая арсенид-галлиевая солнечная батарея была установлена на советскую межпланетную станцию «Венера-4» (1967) и самоходные аппараты «Луноход-1» (1970) и «Луноход-2» (1973).

Аппарат «Луноход-2»

21

Международная космическая станция в начале строительства в 2000 году. Солнечные элементы лишь на российских моду- лях «Заря» и «Звезда»

Космическая станция «Мир»

Корабль «Союз» с мощностью солнечных модулей около 1000 Вт

22

Станция «Салют-6»

Пилотируемые космические корабли серии «Союз», на которых с конца 1960-х и по наши дни отправляют- ся на орбиту космонавты и астронавты, тоже оснащены солнечными модулями. Первые модели «Союзов» вы- рабатывали до 500 Вт электроэнергии. Современные модификации корабля оснащены модулями размахом 10 метров, площадью 10 м 2 и средней мощностью око- ло 1000 Вт. Их мощности хватает для обеспечения не- скольких дней автономного полёта для трёх человек на борту. В 1973 году на орбиту была выведена первая советская орбитальная станция «Салют». В дальнейшем были выведены ещё более 10 подобных станций с солнечны- ми модулями площадью от 28 до 60 м 2 на борту. Успехи группы физиков под руководством Жореса Ал- фёрова привели к созданию гетероструктурных фото- элементов с КПД около 18%, заметно превышающим КПД кремниевых элементов. В 1986 году командный модуль советской орбитальной станции «Мир» был ос- нащён гетероструктурным солнечным модулем площа- дью 70 м 2 , изготовленным в НПО «Квант». Мощность солнечных модулей станции была более 30 кВт. В настоящее время на Международной космической станции, совместно эксплуатируемой четырнадца- тью странами с 1998 года, работают несколько сол- нечных установок на российских и американских мо- дулях. На российском модуле «Заря» установлены

два солнечных модуля, габариты которых составля- ют 10,7 × 3,3 метров, мощность 3 кВт. «Звезда» имеет модули размахом 30 метров и суммарной мощностью до 13,8 кВт.

Международная космическая станция в наши дни с большими крыльями солнечных модулей на американском сегменте

23

Солнечные модули современного российского спутника «Экспресс-АМ8»

Помимо космоса, солнечные модули пытались ис- пользовать и на транспортных средствах, перемещаю- щихся в атмосфере Земли. Способность подниматься выше облаков, не затеняющих солнце, и теоретиче- ская перспектива получать энергию постоянно позво- ляют надеяться на создание лёгких электросамолётов и беспилотников с практически неограниченной дли- тельностью и дальностью полёта. Например, электро- самолёт Solar Challenger на солнечных модулях уже в 1981 году смог перелететь через пролив Ла-Манш. В 2016 году швейцарский электросамолёт Solar Impulse SI2, использующий исключительно энергию солнца, за- вершил кругосветный перелёт, занявший у него более года. В 2016 совершил первый полёт экспериментальный беспилотный самолёт Aquila от компании Facebook. С помощью подобных дронов Facebook в будущем пла- нирует организовать целую сеть по раздаче интернета в развивающихся странах. Подобные самолёты, спо- собные благодаря энергии солнца находиться в воздухе до 90 дней, будут покрывать необходимую территорию и выступать в роли низколетающих спутников, раздаю- щих интернет в радиусе 80 км.

Однако основную электроэнергию вырабатывает аме- риканский модуль МКС, на котором установлены четы- ре пары «крыльев», каждое из которых состоит из 33000 солнечных ячеек, имеет длину 35 метров и ширину 11,6 метров, а его полезная площадь составляет 298 м 2 . Сум- марная мощность всех модулей составляет 84–120 кВт. Для дальнего космоса использовать солнечные модули сложнее из-за ослабевающего солнечного излучения. Там чаще используются другие источники энергии, на- пример, радиоизотопные. Однако на околоземной ор- бите солнечные модули как источник питания космиче- ских аппаратов незаменимы. Кроме этого, разработки ФТИ в области космических модулей нашли широкое применение и в наземной солнечной фотоэнергетике. Были созданы высокоэф- фективные солнечные фотоэнергоустановки на осно- ве каскадных солнечных элементов с КПД более 40% (в наземных условиях), концентраторов (до 1000 крат) солнечного излучения и систем слежения за Солнцем, основные преимущества которых — снижение расхо- да полупроводниковых материалов для фотоэлемен- тов в 1000 раз (пропорционально кратности концентри- рования солнечного излучения), увеличение в 2 раза (в сравнении с солнечными элементами на основе кри- сталлического кремния) количества электроэнергии, вырабатываемой концентраторными солнечными мо- дулями с единицы площади за счёт большей эффектив- ности и слежения за Солнцем.

24

Электросамолёт Solar Impulse SI2

Самолёт Aquila для раздачи интернета от компании Facebook

25

МИР И РОССИЯ

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В МИРЕ

Рост интереса к солнечной энергетике в последние десятилетия обусловлен двумя основными причи- нами. Во-первых, с развитием технологий и ростом масштабов производства существенно снизилась стоимость удельных капитальных затрат при строи­ тельстве солнечных электростанций. Во-вторых, на фоне проблемы глобального потепления и необ- ходимости сокращения выбросов парниковых газов большинство стран мира взяло на себя обязатель- ства по декарбонизации экономики и энергетики. Од- ним из основных инструментов сокращения выбросов парниковых газов является развитие возобновляемых источников энергии. Но к такому состоянию мир при- шёл не сразу. После создания в США первых кремниевых солнечных модулей в 1954 году с эффективностью около 6% они были востребованы в космической сфере, где не было альтернативы. До сих пор ближнее исследование кос- моса происходит на аппаратах, работающих практиче- ски исключительно на энергии солнца. Путь же сол- нечной энергетики на земле оказался более долгим из-за наличия более дешёвых альтернатив. Однако ряд изменений, таких как нефтяной кризис 1970-х, за- ставили людей задуматься над альтернативными ис- точниками энергии. Не зря тогда же министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани ска- зал: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть».

Поиск дешёвых источников энергии, попытка снизить политическую и экономическую зависимость стран- импортёров нефти от стран-производителей, зарож- дение движений в защиту окружающей среды и поиск технологических перспектив для крупных корпора- ций постепенно привели мир в нынешнее состояние, где солнечная энергетика уже переходит из разряда альтернативных в один из вполне сопоставимых с тра- диционными источников энергии. Нефтяной кризис 1973 года сподвиг западных нефтя- ных гигантов вкладываться в новые разработки. Од- ной их первых стала компания Exxon, инвестировав- шая в технологии производства солнечных модулей и добившаяся снижения стоимости 1 Ватт со 100 долла- ров до 20‑ти. Однако такое снижение все равно не по- зволило солнечной энергетике быть конкурентной по сравнению с традиционной энергетикой на сжи- гаемом топливе. Правительство США сделало выво- ды из нефтяного кризиса и приняло меры по развитию альтернатив. В 1977 году Министерство энергетики США создаёт Ис- следовательский институт солнечной энергии, который позже становится известен как Национальная лабора- тория возобновляемой энергии (NREL). Каждый год го- сударственная лаборатория получает от Конгресса фи- нансирование, которое должно применяться к проектам исследований и разработок. В том же году мировое про- изводство всех солнечных модулей превысило 500 кВт.

26

Нефтяной кризис 1973-го года привел к росту цен на нефть и дефициту бензина в западных странах

Ряд изменений, таких как нефтяной кризис 1970-х, заставили людей задуматься над альтернативными источниками энергии. Не зря тогда же министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани сказал: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть».

Правительства разных стран с 1990-х годов разрабо- тали и предложили различные программы для стиму- лирования развития альтернативной энергетики во- обще и фотовольтаики в частности. Число солнечных электростанций начинает стремительно расти по все- му миру, а их экономическая привлекательность повы- шается не только за счёт субсидий. В последние годы наметилась закономерность — каждое удвоение уста- новленной мощности солнечных электростанций при- водило к снижению удельной стоимости модулей более чем на 26%. По данным Международного агентства возобновляемой энергетики (IRENA), стоимость модулей упадёт до ди- апазона USD 0.30–0.41 /Ватт к 2025 году. В регионах с благоприятными солнечными ресурсами это открыва- ет перспективу производства электроэнергии по ценам в районе USD 0,03 / кВт*ч, что ниже, чем у любого дру- гого источника. Важным фактором дальнейшего улучшения экономи- ки фотоэлектрической генерации является рост эф- фективности солнечных модулей, который происходит практически непрерывно. Отмечается также посто- янное снижение затрат и на другие компоненты сол- нечных электростанций, в первую очередь, инверторы и монтажные системы. Например, стоимость инверто- ров снизилась с 1990-го по 2014-й год в 10 раз, а удель- ная материалоёмкость сократилась более, чем в 10 раз в период с 1995-го по 2014-й год.

Джимми Картер на церемонии открытия солнечной энергоустановки на Белом Доме

В 1979 году в виде демонстративного шага на- встречу новым технологиям президент США Джим- ми Картер распорядился установить на крыше Бело- го Дома солнечную установку. Она не вырабатывала электричество, а лишь нагревала воду, но это был сим- вол перемен. В 1980 году компания ARCO Solar из Калифорнии ста- новится первой компанией, начавшей производство более 1 МВт фотоэлектрических модулей в год. В 1982 году японская компания Kyocera запускает массо- вое производство поликремниевых солнечных моду- лей, ставших в настоящее время отраслевым стандар- том. Множество лабораторий по всему миру работают над повышением эффективности солнечных модулей, а сама технология становится понятной и интересной для промышленных гигантов.

27

Bloomberg New Energy Finance: ВИЭ будут доминировать в энергобалансе к 2040 году

Уголь

Газ

32%

5%

Нефть

13,9 ТВт

Атом

6,7 ТВт

Гидро

ВЭС

СЭС

Прочие

2016

2040

Прирост мощностей солнечной энергетики в мире идёт невероятными темпами. До 2/3 новых вводимых мощностей в области возобновляемой энергетики за последние годы приходятся на фотовольтаику. Такие масштабы приводят и к снижению стоимости солнечных элементов.

Таким образом, крупнейший мировой научно-исследо- вательский институт Fraunhofer ISE прогнозирует сни- жение средних удельных капитальных затрат в солнеч- ной генерации до уровня $761/кВт к 2030 году. C 1990-х годов и до настоящего времени рост миро- вых мощностей фотовольтаики движется по экспонен- циальному закону. Соединенные Штаты были лидером по числу установленных фотоэлектрических систем на протяжении многих лет, а их общая мощность в 1996 году составляла 77 МВт, что больше, чем у любой дру- гой страны в мире в то время. В 1999 году мощности всех солнечных электростанций в мире превысили 1 ГВт. С 2000-го по 2017-й год количество производимо- го на солнечных станциях электричества в США вы- росло в 100 раз. К концу 2017 года в США суммарная мощность установленных фотоэлектрических стан- ций составила около 50 ГВт, что позволило выра- батывать около 1,5% электроэнергии в стране. Ещё около 25 ГВт солнечных мощностей в США установ- лены в виде распределённых источников, например, в виде солнечных модулей на крышах зданий и част- ных домов. С 1997 года лидирующие позиции по суммарной мощ- ности солнечных электростанций занимала Япония, хотя с 2005-го по 2016-й её опережала Германия. К кон- цу 2016 года обе страны имели чуть больше 40 ГВт сол-

нечных мощностей. Однако темпы прироста мощности в Японии сейчас в разы больше, чем в Германии.

В 2011 году развитие возобновляемых источников энергии было включено в пятилетний план разви- тия энергетики в Китае. В 2015 году Китай стал круп- нейшим в мире производителем фотоэлектрической энергии, а в 2017 году стал первой страной, которая имела более 100 ГВт совокупной установленной мощ- ности солнечных электростанций. Более половины но- вых вводимых мощностей фотовольтаики за последние два года приходятся на Китай. В одном 2017 году Китай ввёл более 50 ГВт новых мощностей, что больше, чем все мощности солнечных электростанций Германии, Японии или США в 2016 году. Прирост мощностей солнечной энергетики в мире идёт невероятными темпами. До 2/3 новых вводимых мощ- ностей в области возобновляемой энергетики за по- следние годы приходятся на фотовольтаику. Такие мас- штабы приводят и к снижению стоимости солнечных элементов. Глобальный объём инвестиций в солнечную энергети- ку в 2017 году превысил $160 млрд, показав 18% рост по отношению к 2016 году. Бурный рост спроса на по- ликремний закономерно приводил к росту его цены бо- лее чем вдвое — с 200 до 450 долларов за килограмм с 2006-го по 2008-й годы. Однако с 2009 года из-за раз- вёртывания кремниевой промышленности в Китае

28

Планы / прогнозы по вводу СЭС и ВЭС до 2024 года*

245 ГВт

315 ГВт

Китай

265 ГВт

США

125 ГВт

160 ГВт

Индия

12 ГВт

Страны-экспортёры нефти планируют активно внедрять ВИЭ

9 ГВт

СА

6 ГВт

Россия

5 ГВт

ОАЭ

4 ГВт

Алжир

1,5 ГВт

Иран

0

50

200

250

300 ГВт

в эксплуатации

в планах

цены на кремний резко упали до $20 за кг. Это карди- нально изменило рынок и технологические тренды. Стоит учитывать и наметившуюся тенденцию, соглас- но которой каждое удвоение объёма производства сол- нечных модулей приводит к снижению их стоимости минимум на 20%. С 2005-го по 2016-й год установленная мощность сол- нечных электростанций по всему миру выросла бо- лее чем в 70 раз, превысив к концу 2016 года 300 ГВт. За один только 2017 год было введено дополнительно ещё 100 ГВт. При этом солнечная энергетика даёт чуть более 1% от мирового производства электроэнергии. Ожидается, что Китай вместе с Индией и США станут лидерами по производству солнечной энергии в пред- стоящие десятилетия.

В 2017 году в мировую солнечную энергетику было при- влечено около $160 млрд инвестиций, что по предва- рительным оценкам больше, чем в атомную, угольную и газовую генерации вместе взятые. По прогнозам, к 2050 году солнечная энергия ста- нет крупнейшим источником электроэнергии в мире, а доля фотовольтаики составит 16% в мировом энер- гобалансе. Это потребует увеличения солнечных мощ- ностей до 4600 ГВт, из которых более половины будет приходиться на Китай и Индию. Но всего десять лет назад Международное энергетическое агентство про- гнозировало, что годовой прирост фотоэлектрической солнечной энергетики к 2017 году составит примерно 5 ГВт. Фактически он оказался в 20 раз больше. К на- стоящему времени практически все лидирующие в этой области страны значительно опережают собственные же прогнозы по развитию солнечной энергии.

Солнечная энергетика в мире (ГВт)

2017 [8]

2018 (прогноз)

на конец года

2012 2013 2014 2015 2016 [7]

установленная мощность

100.5 138.9 178.4 229.3 306.5 401.5 ~508

ежегодный ввод мощности

30.0 38.4 40.1 50.9 76.8 95

106[9]

прирост

43% 38% 28% 29% 32% 31% 27%

29

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ

Российские планы развития возобновляемой энерге- тики, и в частности солнечной энергетики, на фоне ми- ровых трендов достаточно скромны. Развитие этой вы- сокотехнологичной отрасли стало одним из основных направлений государственной политики в сфере повы- шения энергетической эффективности электроэнерге- тики в 2009 году, когда было подписано Распоряжение Правительства РФ №1-р «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энерге- тической эффективности электроэнергетики на осно- ве использования возобновляемых источников энергии на период до 2024 года». Оно предопределило появле- ние в 2013 году нормативных правовых актов, устано- вивших целевые показатели развития ВИЭ и механиз- мы стимулирования новой отрасли. Предполагается, что к концу 2024 года в России будут построены солнечные электростанции установленной мощностью 1,76 ГВт. Ключевой особенностью программы поддержки стала возможность для инвесторов, вкладывающих в строи- тельство новой генерации на основе ВИЭ, обеспечить возврат своих вложений за счёт механизмов оптово- го рынка электроэнергии и мощности. При этом глав- ным условием стали требования по локализации, при- званные обеспечить появление в России собственных производств энергооборудования и комплектующих для новой энергетики.

ложило основы для формирования новой отрасли, которой в стране не существовало — солнечной энер- гетики. За несколько лет в России появились крупные игро- ки, проявившие интерес к развитию отрасли. Сразу по- сле принятия правительством в 2013 году механизмов поддержки инвесторами были построены заводы в По- дольске, Саранске и Новочебоксарске, выпускающие солнечные модули и элементы. Сегодня на российском рынке работают компании «Хелиос-Ресурс» (мощности производства модулей 100 МВт/год, степень локализации 70%), «Солар Си- стемс» (объём производства модулей 150 МВт/год, сте- пень локализации 70%), а также единственный завод полного цикла компании «Хевел» по выпуску модулей, обеспечивающих 100%-ную локализацию при строи- тельстве солнечных электростанций. В планах компа- нии «Хевел» увеличить с первого квартала 2019 года объём выпуска гетероструктурных солнечных модулей со 170 до 250 МВт. Российские высокотехнологичные производства сегод- ня более чем на 80% обеспечивают потребности в сол- нечных модулях и комплектующих для строительства солнечных электростанций — после принятия програм- мы поддержки ВИЭ в России было построено более 250 МВт новой солнечной генерации, из них 189 МВт введены в эксплуатацию группой компаний «Хевел».

На деле законодательство простимулировало созда- ние серии высокотехнологичных производств и за-

30

Развитие этой высокотехнологичной отрасли стало одним из основных направлений государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики в 2009 году, когда было подписано Распоряжение Правительства РФ №1-р «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2024 года». Оно предопределило появление в 2013 году нормативных правовых актов, установивших целевые показатели развития ВИЭ и механизмы стимулирования новой отрасли. Предполагается, что к концу 2024 года в России будут построены солнечные электростанции установленной мощностью 1,76 ГВт.

Кош-Агачская СЭС — первая в России солнечная электростанция мощностью 5 МВт

31

Российские высокотехнологичные производства сегодня более чем на 80% обеспечивают потребности в солнечных модулях и комплектующих для строительства солнечных электростанций — после принятия программы поддержки ВИЭ в России было построено более 250 МВт новой солнечной генерации, из них 189 МВт введены в эксплуатацию группой компаний «Хевел».

В планах «Хевел» построить 914 МВт солнечной гене- рации к 2022 году.

перебойное энергоснабжение таких районов. У это- го сегмента огромный потенциал в Сибири, на Даль- нем Востоке, а также, с учётом проведённых испытаний солнечных модулей при экстремально низких темпе- ратурах — в северных и арктических районах. Добыча полезных ископаемых, научные исследования и туризм невозможны без стабильного обеспечения этих терри- торий электрической энергией. По мере снижения стоимости технологий и роста се- тевых тарифов солнечная энергетика в России бу- дет занимать всё большую долю и в частном секторе. Уже сегодня формируется новое законодательство, ко- торое позволит домохозяйствам продавать излишки электроэнергии со своих установок малой мощности (до 15 кВт). География потребителя постепенно расши- ряется — если раньше покупателями солнечных систем были жители Московской области и некоторых регио- нов юга России, то сегодня спрос появляется в Сиби- ри, на Дальнем Востоке. Как только государство вве- дет механизмы поддержки такой микрогенерации, то и ежегодный объём розничного рынка превзойдёт сегодняшние 10 МВт в год.

После завершения действующей программы поддерж- ки ВИЭ к 2024 году доля выработки солнечной генера- ции в общем энергобалансе страны не превысит 1% от общего потребления. При этом по совокупности при- родно-климатических факторов потенциал развития современного вида генерации в разы превышает дей- ствующие сегодня в стране целевые показатели. Цен- тральная часть России по уровню инсоляции ничем не уступает Германии — одному из лидеров солнеч- ной энергетики в Европе, а огромные территории Ура- ла, Сибири и Дальнего Востока по данному показателю превосходят южные европейские регионы. Кроме того, нельзя забывать про юг России: Волгоградская, Ро- стовская, Астраханская области, Краснодарский край, Кавказ привлекательны для развития солнечной энер- гетики — в этих регионах количество солнечных дней в году доходит до 300. По уровню себестоимости выработки электроэнергии в России наибольший потенциал сегодня у солнеч- ной энергетики именно в изолированных районах — дизельная генерация, обеспечивающая энергоснаб- жение труднодоступных мест, уже обходится дороже солнечной. В России разработаны и успешно внедря- ются инженерные решения, которые позволяют вдвое сократить расход топлива за счёт солнечной выработки и, что ещё важнее, — обеспечить круглосуточное и бес-

32

Прогноз динамики снижения средней расчётной себестоимости производства электроэнергии (LCOE) ВИЭ в РФ

16,00

14,00

12,00

10,00

8,00

6,00

4,00

2,00

-

2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030

Солнечная генерация Среднее по традиционной генерации

Санкт-Петербург

Норильск

Москва

Чебоксары

Якутск

Ростов-на-Дону

Екатеринбург

Красноярск

Новосибирск

Иркутск

Владивосток

Инсоляция российских регионов

33