Вечная термоядерная «грелка»

Панели кремниевых солнечных батарей на крышах зданий – это мини-электростанции. Уже сейчас «крышная энергетика» дает около 365 МВт в год.
Фото из журнала «Аспекты»

При его массе около 2х1027 тонн за 5 млрд. лет протекания непрерывных термоядерных реакций «выгорело» всего лишь чуть более 3% массы нашего родного светила – Солнца. По оценкам астрофизиков, временной ресурс Солнца в сохраняющемся режиме излучений составляет еще около 10 млрд. лет, так что у землян есть время для того, чтобы научиться эффективно использовать этот грандиозный световой поток. Именно этой проблеме – состояние и перспективы развития солнечной энергетики – был посвящен доклад на недавно состоявшемся научно-техническом совете «Новые энергетические технологии и управляемый термоядерный синтез» Росатома. Перед атомщиками выступал один из ведущих ученых страны в области фотоэлектрических систем, профессор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе доктор технических наук Владимир Грилихес.

Из общей мощности излучения Солнца, величина порядка 4х1023 кВт, на Землю поступает 1,7х1014 кВт, или около 4х1021 кДж в год. С точки зрения уже разработанных технологий можно в принципе утилизировать до 1,5% этой энергии, что в десятки раз превосходит достигнутый ныне уровень мирового энергопотребления. Главное условие на этом пути – добиться повышения КПД фотоэлектрических преобразователей до величин порядка 50% и более. Этим и занимаются и в мировой гелиоэлектроэнергетике, и в России.

В частности, в ФТИ им. Иоффе под руководством академика Жореса Алферова ведутся работы над наиболее перспективными типами фотоэлементов, КПД которых должен быть достаточно высоким, а с широким использованием концентраторов солнечного излучения (собирающих линз) будет достигнута и экономия полупроводниковых материалов. Вообще работы по целевому применению фотоэлектрических преобразователей начались более 25 лет назад для задач освоения космоса. Сейчас же, можно сказать, эти технологии «вернулись на землю». Так, на протяжении 1995–2003 гг. мировое производство фотоэлементов возрастало приблизительно на 30% в год, обеспечив рост выработки энергии с 77 МВт до 740 МВт, и уже скоро будет перейден принципиально важный рубеж в один гВт (гектоватт). Это при том, что наибольшие по мощности бортовые батареи космических аппаратов работают в диапазоне единиц-десятков киловатт.

Наиболее активно производство фотоэлементов развивается в Японии, где сосредоточено до половины мирового производства фотоэлементов, а тон задает корпорация Sharp. Что характерно, растет активность участия в этом процессе ряда глобальных нефтяных компаний, две из которых уже входят по инвестициям в производство фотоэлементов в первую мировую «пятерку».

Позиции России на этом мировом рынке значительно более скромные, два предприятия (в Краснодаре и Рязани) в сумме выходят на показатель около 2 МВт в год. Тем не менее их продукция вполне конкурентоспособна и поставляется в основном на западный рынок, где достаточно успешно развивается бытовая, так называемая «крышная» фотоэлектрическая энергетика.

Так, в течение нескольких лет ведутся работы по программам «Сто тысяч крыш» в Германии и Японии, «Миллион крыш» в США, даже в Монголии – «Сорок тысяч солнечных юрт». Панели кремниевых солнечных батарей на крышах зданий – это мини-электростанции, обеспечивающие все энергетические потребности жильцов этих зданий. Уже сейчас «крышная энергетика» дает около 365 МВт в год, в то время как специализированные «большие» гелиоэлектростанции в сумме едва дотягивают до 100 МВт в год. Крупнейшая из них, мощностью до 5 МВт, построена в 2004 г. близ Лейпцига (ФРГ), причем было использовано свыше 33,5 тыс. солнечных элементов, которые установлены на общей площади в 16 гектаров.

Именно поэтому особенно злободневным становится вопрос повышения КПД фотоэлементов, который достигается на путях перехода на арсенид-галлиевые композиции и применение концентраторов. Исследования в этом направлении ведутся и в ФТИ им. Иоффе, где освоена технология выращивания арсенид-галлиевых многопереходных фотоэлементов. Учитывая потребности заказчика, ФТИ делает энергетические модули для космоса с высокой радиационной стойкостью – в течение 5 лет эксплуатации потери не превышают 2%. Это показатель высокого мирового уровня.

В перспективе, считает Владимир Грилихес, когда запасы ископаемого топлива подойдут уж совсем к концу, начнется создание международных проектов по космическим гелиоэлектростанциям (речь идет, естественно, о «ближнем» космосе). Такие станции смогут производить значительные количества электроэнергии и передавать ее на Землю – наиболее подходящими представляются такие проекты в СВЧ-диапазоне излучения. По мнению Грилихеса, строительство космических гелиоэлектростанций стартует с началом второй половины нашего века.

Нельзя не отметить, что вся прозвучавшая информация с неожиданной стороны высветила непреходящую важность работ по развитию техники и технологий собственно атомной энергетики. Перспективы ее развития на Земле и в космосе никак не проигрывают в сравнении с отечественной гелиоэнергетикой, а что касается реального вклада «атома» в энергобаланс страны – он сейчас неизмеримо выше. Важно лишь не останавливаться на этом пути.