Более полувека солнечная энергетика больше радовала исследователей своими сказочными перспективами, чем конкретным электричеством, текущим в энергосеть. Сегодня солнечные электростанции становятся серьезным источником энергии

Пустыня Нью-Мексико неподалеку от Альбукерка. Шесть установок единой экспериментальной солнечной электростанции, построенной Национальными лабораториями Сандиа, немного напоминают тарелки спутниковой связи, только размером они побольше и блестят посильнее. Каждый отражатель представляет собой мозаику из 82 зеркал, выклеенных на параболической тарелке диаметром 13 м. Идеально рассчитанная кривизна тарелки концентрирует лучи в пятно диаметром 18 см. Здесь, в самой горячей точке, тепловыделение эквивалентно 13 000 солнц, а тепловой поток в 13 раз превышает тот, которому подвергается космический челнок, возвращающийся в плотные слои атмосферы. «Здесь можно расплавить почти всякое вещество, известное человеку», — говорит инженер Чак Андрака.

Получаемое здесь тепло используют для питания «машины Стирлинга» — изящного устройства 192 лет от роду. В этой машине механическую энергию получают за счет внешнего источника тепла, что принципиально отличается от действия двигателей внутреннего сгорания, работающих под капотами большинства автомобилей. Внутри четырех цилиндров объемом по 95 см³ содержится газообразный водород — при нагревании и охлаждении он расширяется и сжимается, поршни в цилиндрах движутся туда-сюда, а от них вращается небольшой электрогенератор. И параболическая тарелка, и данный двигатель — плоды целого десятилетия упорной работы, которая проводилась в сотрудничестве с аризонской компанией Stirling Energy Systems.

В прошлом январе Андрака с коллегами запустил энергоустановку при тарелке № 3. В пустыне стоял морозец около нуля, а небо было на 8% прозрачнее, чем обычно. Чем больше разница между холодным воздухом и жарким солнцем, тем эффективнее работает эта машина. И вот 25-киловаттная система начала выдавать электроэнергию. Коэффициент преобразования оказался самым высоким из всех, когда-либо достигнутых в коммерческих солнечных установках: 31,25% солнечной энергии, падающей на зеркальную тарелку, отдавалось в виде тока в электросеть.

Брюс Осборн, президент компании Stirling Energy, считает этот результат просто дополнительным подтверждением тому, что он давно уже знал: система SunCatcher достаточно созрела, чтобы выйти из стен лаборатории. «Этап, который можно назвать интеллектуальным прорывом, позади, — говорит президент. — Нам остается только взять полученные прототипы и сделать из них недорогие конструкции для массового производства. Слово за инженерами». Для этой цели компания Stirling Energy заключила крупномасштабные контракты с двумя предприятиями из Южной Калифорнии. Те обещают построить 70 000 установок, которые дадут энергию для миллионов жилищ. Производство будет запущено в будущем году.

После изобретения в 1954 году кремниевого фотоэлемента компания AT&T крутила рекламно-пропагандистский фильм, в котором говорилось: «Наша магистральная цель — погрузить руку прямо в солнечные глубины и зачерпнуть оттуда искру бессмертного огня, который согреет людские души. В наш продвинутый век людям удалось взнуздать само солнце».

Можно, конечно, сказать и так. Солнечная батарея Белла, как ее тогда называли, имела некоторый успех — в частности, давала энергию для первого спутника связи, который запустили в 1962 году. Но надежда на бездонный источник недорогой энергии так и не воплотилась в жизнь.

С тех пор в развитии двух главных направлений солнечной энергетики произошли значительные сдвиги. Это полупроводниковые солнечные батареи и установки для концентрации солнечного тепла. Правда, рост стоимости кремния и два десятилетия низких цен на рынке ископаемых видов топлива привели к тому, что общий объем солнечной энергетики остался в пределах 0,08% общего энергопотребления в стране. Кроме того, целый ряд новых технологических решений, которые выглядели многообещающими в лабораторных условиях, при выходе на рынок продемонстрировали свою непрактичность. В результате эпоха солнечной энергетики все время как-то незаметно отодвигалась за следующий поворот.

Между тем разработчики не теряли времени, оттачивая технологические решения по наиболее перспективным направлениям. Так появились солнечные батареи, в которых вообще не используется кремний. Они оказались вдвое дешевле традиционных, и на их производстве аризонская компания First Solar стремительно выдвинулась в лидеры среди всех производителей солнечных батарей. Параллельно компания Stirling Energy развивала свою идею SunCatcher. Новые конструкции в семействе CST (Concentrated Solar Thermal, солнечных концентраторов) будут способны преобразовывать солнечное тепло в непрерывный поток электроэнергии, не прерывающийся даже в ночное время.

Солнечное тепло

Крупным энергокомпаниям нынешние принципы CST нравятся по двум причинам: во‑первых, установки имеют достаточно крупный масштаб, а во-вторых, они, как правило, работают с паром, то есть технические решения не слишком отличаются от давно привычных турбогенераторов на газе и угле. Таково мнение Риса Тисдейла, старшего аналитика исследовательской группы, занимающейся в Кембридже, штат Массачусетс, новыми направлениями в энергетике. Эта идея не так уж и нова — девять электростанций на основе концентраторов с общей энергоотдачей в 354 мегаватта уже работают в пустыне Мохаве, а построены они были с 1984 по 1991 год. Они обеспечивают энергией 500 000 индивидуальных жилых домов и успели подтвердить надежность и эффективность новой конструкции (для сравнения: стандартная теплоэлектростанция, работающая на угле, выдает примерно 670 МВт). Светоконцентратор на этих электростанциях устроен по схеме «параболического желоба»: 900 000 зеркал установлены на внутренней поверхности полуцилиндра, напоминающей скейтбордистский «халф-пайп». Длинные ряды таких желобов занимают в пустыне площадь 600 га. Зеркальные конструкции поворачиваются вокруг оси, отслеживая движение солнца по небу. Солнечные лучи, отражаясь, концентрируются на проходящей по оси трубе с циркулирующей внутри жидкостью. Горячая жидкость (в данном случае это минеральное масло) отдает тепло воде, которая закипает, а полученный таким образом пар крутит турбину.

В 1990-е годы после резкого падения цен на природный газ работы были сокращены вдвое. Очередная из запланированных в США солнечных электростанций была запущена только в прошлом году — это 64-мегаваттная система типа «параболического желоба», смонтированная в Баулдер-Сити, штат Невада. Она построена силами испанской компании Acciona и получила название Nevada Solar One. Сейчас ускоренно проектируется еще 13 подобных электростанций суммарной мощностью 5100 МВт. Они будут строиться во Флориде, Аризоне и Калифорнии, и по большей части это будут конструкции типа «параболического желоба». Компания Stirling Energy продвигает другую систему, которая сулит большую гибкость и энергоотдачу.

Уже спроектированная 900-мегаваттная электростанция Stirling Solar Two состоит из 36 000 одинаковых тарелок-отражателей, каждая из которых содержит 82 зеркальные панели всего двух разновидностей. Такое решение, чуть-чуть снижая общую энергоотдачу, позволяет реализовать преимущества массового производства.

Модульная структура станции имеет и другое важное достоинство. Поскольку каждый 25-киловаттный SunCatcher работает на собственную машину Стирлинга и вырабатывает электроэнергию совершенно автономно, система не имеет таких узлов, которые в случае отказа угрожали бы работоспособности всей системы. В альтернативной конструкции с параболическим желобом все эти тысячи зеркал работают на одну центральную турбину, так что при остановке турбины хотя бы для профилактики подача электроэнергии сразу должна прекратиться. И еще один момент: вариант SunCatcher позволяет начать отпуск энергии задолго до того, как строительство электростанции будет закончено. Достаточно будет собрать первые 40 тарелок — «солнечную группу» — и станция начнет давать ток, для начала хотя бы 1 МВт.

Революционное преимущество новой технологии состоит в том, что солнечные лучи концентрируются в одном очень небольшом пятне. Это позволяет достичь средней температуры 800 °C (сравните с 400 °C, которые достигаются в рабочем режиме установки на базе параболического желоба). Кроме того, кривая, отражающая коэффициент полезного действия машины Стирлинга, имеет относительно длинное плоское плато. Иначе говоря, энергоотдача будет близка к максимуму, даже если солнце склоняется к закату или его прикрывают облачка. Рекордный показатель коэффициента полезного действия, достигнутый в этом году (его удерживали в течение часа) на установке SunCatcher, составил 31,25%. При этом усредненный коэффициент по всему времени от рассвета до заката, причем рассчитанный за год эксплуатации, все равно достигает вполне благопристойных 24−25%. Это примерно вдвое больше, чем в системах с параболическими желобами.

И еще одна проблема, которая изрядно обесценивает все варианты солнечной энергетики: солнышко село — рабочий день закончен. А ведь в Аризоне летом жарко, как в пекле, так что кондиционеры у людей крутятся до 9−10 часов вечера. Зато горячую жидкость хранить гораздо проще, чем электроэнергию. Как сказал один из промышленников, в пятидолларовом термосе с горячей водой хранится столько же энергии, сколько в 150-дол-ларовой батарее ноутбука. Только в одном случае это тепловая энергия, а в другом — электрическая, переведенная в электрохимические связи. Принцип хранения тепловой энергии будет реализован в двух 50-мегаваттных электростанциях, которые к концу этого года должны быть построены в Испании. При них будут гигантские термосы, заполненные расплавленной солью. В США один такой тепловой энергоаккумулятор планируется ввести в эксплуатацию к 2011 году. Его построят в Джила-Бенд, штат Аризона. 280-мегаваттная электростанция Solana, которую строит испанская компания Albengoa Solar, тоже спроектирована по схеме параболического желоба. При ней также предполагается установить термос-теплохранилище, который позволит электростанции работать без всякого солнца в течение шести часов. «Мы можем построить станцию, которая будет работать круглые сутки, — говорит Фред Морзе, консультант из Albengoa Solar, — но только в этом нет никакого коммерческого смысла». Ведь электростанция должна удовлетворять потребность в электроэнергии в те часы, когда эта потребность существует и когда цена на электричество наиболее высока.

К вопросу о масштабах

Грандиозные масштабы электростанций Albengoa и Stirling Energy должны убедить скептиков, которые обоснованно сомневаются, что солнечные батареи, раскиданные там и сям по крышам жилых домов, могут играть хоть сколько-нибудь заметную роль в мировом энергетическом балансе. Правда, такая гигантомания рождает свои проблемы. С одной стороны, электроэнергию нужно доставить туда, где она необходима. С другой — бескрайние пустыни, подходящие для постройки солнечных электростанций, располагаются обычно «на отшибе». Электростанция, которую компания Stirling Energy должна построить для потребителей из Сан-Диего, уже обладает линиями электропередачи на 300 МВт, то есть способна распорядиться энергией от 12 000 тарелок. Остальные 24 000 тарелок будут смонтированы только в том случае, если компания San Diego Gas & Electric сможет провести обещанную 250-километровую линию электропередачи между электростанцией и городом.

Еще одна проблема — потребность в воде. Солнечные электростанции на паровых турбинах требуют миллионов тонн воды для охлаждения своих конденсаторов, а в пустынных районах такую проблему решить непросто. В этом отношении водородная система компании Stirling Energy имеет явное преимущество, поскольку на этой станции вода требуется только для того, чтобы раз в несколько недель ополаскивать зеркала.

Солнечные энергоустановки промышленного масштаба требуют огромных капиталовложений, так что еще долго останутся недоступными в развивающихся странах, где именно такие решения насущно необходимы. Для удовлетворения этих запросов одно подразделение Массачусетского технологического института разработало систему RawSolar. В этой системе тарелка имеет диаметр всего 4 м, а весь механизм дешев и прост, так что его можно использовать в автономном режиме. Еще одно детище Массачусетского технологического, некоммерческая организация Solar Turbine Group, прошлым летом в Лесото построила еще более примитивную мини-электростанцию. Ее тепловая машина сконструирована из автозапчастей.

Впрочем, наиболее естественным вариантом для мелкомасштабных установок солнечной энергетики остается, конечно же, старая добрая полупроводниковая солнечная батарея. Она принимает солнечный свет, отдает электрический ток и не имеет при этом никаких движущихся частей, не нуждается в воде и может располагаться в любом месте — прямо там, где требуется ее электроэнергия. Солнечные батареи способны вырабатывать вполне весомые количества энергии даже в условиях слабого солнечного света северных широт, где устанавливать крупномасштабные солнечные электростанции просто нерентабельно.

Тонкопленочные фотоэлементы

Компания коммунальных услуг Edison, действующая в Южной Калифорнии, в июле начала покрывать крыши своих зданий солнечными батареями. По завершении этой работы компания планирует получить источник энергии мощностью 250 МВт прямо на собственной территории. Новизна здесь в том, что вместо фотоэлементов на кремниевой основе использовалась тонкая пленка из теллурида кадмия (для краткости ее называют Cad-Tel — «кад-тел»). Разработчики уже давно экспериментируют с пленочными фотоэлементами, пытаясь создать замену традиционным полупроводниковым элементам на кремниевой основе. «Технология ‘кад-тел' полностью изменила наши представления о том, чего можно добиться от пленочных материалов», — говорит Лари Казмерски, руководитель Национального центра по разработке фотоэлементов при Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо.

Выпуском солнечных батарей на пленочной основе занялась компания First Solar. Себестоимость их продукции составляет $1,14 в пересчете на один ватт, то есть вдвое меньше, чем стоимость аналогичных батарей на кремниевой основе, причем этот показатель продолжает снижаться. В результате, как утверждает Казмерски, «мы присутствуем при настоящем перевороте». С 2006 по 2007 год First Solar увеличила объемы производства в четыре раза. Сейчас суммарная мощность выпускаемых за год батарей составляет 396 МВт, а в будущем году должна достигнуть 1000 МВт. Компания вышла на биржу всего два года назад, но теперь ее капитализация составляет свыше $20 млрд, то есть вдвое больше, чем у General Motors. «Кад-тел» — не единственное перспективное предложение на этом рынке. У новых батарей, изготовленных на основе полупроводника CIGS (селенид меди, индия, галлия), энергоотдача почти на 30% выше, чем у батарей, которые изготавливает First Solar по технологии «кад-тел». Вокруг этой перспективной идеи сейчас клубится целый рой перспективных молодых компаний.

Кто же первым сумеет довести до практических результатов технологию CIGS? Калифорнийская компания Nanosolar тоже участвует в этой гонке. Как и First Solar, она в основном сбывает свою продукцию в такие европейские государства, как Германия и Испания, поскольку там действует долгосрочная политика, нацеленная на стабильные, гарантированные цены в области солнечной энергетики.

В конце концов, пусть солнечная энергетика сама платит за себя и самостоятельно доказывает свое право на жизнь. В случае ее успеха рынок охотно пойдет ей навстречу. В министерстве энергетики США предсказывают, что уже к 2015 году электроэнергия от солнечных установок станет дешевле, чем электричество, получаемое просто из сети. Более того, цены на природный газ за последние пять лет выросли вдвое, на уголь — втрое, а новые атомные электростанции не начнут вступать в строй еще по крайней мере семь лет. На этом фоне долгосрочная ставка на солнечные электростанции, у которых топливо не кончится никогда, — вернейший залог энергетической безопасности. «Относительно солнечной энергии можно не сомневаться, — говорит Морзе, — цена на нее расти не будет».

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2008).