Мировая энергетическая революция

Сегодня мы уже научились использовать этот потенциал с достаточно высокой эффективностью и умеренными затратами. Для этого применяются два основных типа генерирующих устройств, преобразующие солнечную энергию в электричество.

Первый, наиболее распространенный и доминирующий в мировой генерации, тип устройств использует фотоэлектрический эффект, он представлен широко известными солнечными модулями (панелями или батареями) – фотоэлектрическими преобразователями. Сфера деятельности, в которой применяется данный способ электрической генерации, обобщенно называется фотоэлектрикой или фотовольтаикой (англ. photovoltaic – PV).

В устройствах второго типа применяются зеркала или линзы, для того чтобы уловить солнечное излучение с больших площадей и сконцентрировать его на небольшой площади. При этом электрическая энергия производится, когда сконцентрированное солнечное излучение преобразуется в тепло, запускающее тепловой двигатель (паровую турбину), связанный с электрогенератором. Данная система носит название «концентрированная солнечная энергия» (англ. concentrated solar power – CSP), а производимая ею электроэнергия – «солнечным тепловым электричеством» (англ. solar thermal electricity – STE). Данные аббревиатуры зачастую используются как синонимы. В русском языке также используется термин «гелиотермальная электроэнергетика».

Существует также и «гибридная» система производства солнечного электричества, называемая «концентрированной фотоэлектрикой» (англ. concentrated photovoltaics – CPV). В ней также используются зеркала и линзы, но для фокусирования, концентрации солнечного излучения в высокомощных фотоэлектрических элементах (англ. multi-junction solar cells).

Фотоэффект

Фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, благодаря которому световая энергия преобразуется в электрическую, был открыт еще в 1839 г. французским физиком Александром Беккерелем, а в 1905 г. объяснен Альбертом Эйнштейном, который в 1921 г. получил Нобелевскую премию именно за теорию фотоэлектрического эффекта. В 1954 г. американские исследователи разработали солнечный элемент на основе кремния, позволяющий преобразовывать солнечный свет в электричество с 6 %-ной эффективностью[43]. На основе данной разработки в 1955 г. была создана первая солнечная батарея. С конца 50-х гг. прошлого столетия солнечные батареи использовались в космической отрасли, пока наконец не стали доступными для применения и в других сферах.

В развитии технологий солнечной энергетики самое деятельное участие принимали и российские ученые, в частности упомянутый выше академик Алферов получил премию «Чистая энергия» за «фундаментальные исследования и значительный практический вклад в создание полупроводниковых преобразователей энергии, применяемых в солнечной и электроэнергетике».

Львиную долю мирового рынка фотоэлектрики, примерно 90 %, занимают сегодня солнечные модули на основе кристаллического кремния. Около 10 % приходится на тонкопленочные технологии разных видов, а на быстрорастущий сегмент концентрированной фотоэлектрики (CPV) пока менее 1 %.

Интригой дальнейшего развития солнечной энергетики является эффективность солнечных (фотоэлектрических) модулей и динамика их стоимости, а также прогресс в производстве иных составляющих солнечных электростанций. В принципе, солнечная энергетика бурно растет уже и при нынешнем уровне производительности модулей, а дальнейший рост эффективности приведет к еще большему повышению ее конкурентоспособности на энергетическом рынке. При этом очевидно, что эффективности есть куда расти. Чуть ли не ежемесячно приходят новости об очередном технологическом прорыве в том или ином исследовательском центре, позволяющем добиться повышения эффективности разных типов модулей.

В настоящее время в лабораторных условиях установлены следующие рекорды эффективности солнечных ячеек: 25 % – для монокристаллических (sc-Si), 20,4 % – для поликристаллических (mc-Si). В сфере тонкопленочной технологии лучшие результаты составляют 19,8 % для пленок на основе диселенида меди индия галлия (CIGS) и 21 % для пленок на основе теллурида кадмия (CdTe)[44]. Последний из указанных типов модулей имеет, по-видимому, все шансы потеснить кремниевые технологии в связи с ростом эффективности, сочетающимся с меньшей энергоемкостью и низкими удельными затратами на производство 1 Вт.

За последнее десятилетие средняя эффективность находящихся в продаже модулей на основе кристаллического кремния увеличилась с 12 до 16 %, а лучшие коммерческие модели имеют эффективность 21 %. У тонкопленочных модулей (CdTe) за то же десятилетие средняя эффективность выросла с 9 до 13 %, а рекордный показатель составляет 17 %[45].