Компьютерра - Журнал "Компьютерра" N782
И России, пока есть золотовалютные резервы, оснастить бы свою армию достаточным количеством БПЛА… ¦
1 www. guardian.со, uk/world/2009/a рг/06/ robert-gales-deience-budget-cuts,
2 search.airforcelimes.com/sp?aff=i ЮО amp;ке ywords=Predator amp;Search=Search.
КАК УДОВЛЕТВОРИТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД? Юрий Ревич
Американская энергетическая компания Pacific Gas amp;Electric совместно с фирмой Solaren намерены воплотить в жизнь один из самых фантастических проектов альтернативной энергетики: получать электроэнергию на орбите и передавать ее на землю по микроволновому лучу. Называются даже конкретные цифры: Solaren обещает с 2016 года обеспечить подачу в энергосети штата Калифорния 850 ГВт-час в первый год и по 1700 ГВт-час в год в течение следующих пятнадцати лет.
В сравнении с другими альтернативными технологиями проект тихоокеанских компаний привлекает в первую очередь тем, что он, если можно так выразиться, абсолютно экологичен: ему не нужны массивы ветряков, уродующие пейзаж и представляющие опасность для птиц, или необозримые поля солнечных батарей, он не вносит возмущений в прибрежные течения, как приливные электростанции. К тому же благодаря отсутствию атмосферы и возможности практически круглосуточного слежения за солнцем орбитальная электростанция гораздо эффективнее наземной, Во всей этой красивой и заманчивой идее смущает только тот самый луч: представляете себе микроволновую печку мощностью в четверть
гигаватта, протянутую от поверхности земли до орбиты?
А вот стоимость проекта, учитывая низкие эксплуатационные затраты, отнюдь не смущает: она оценивается всего в миллиард долларов (точнее, столько денег организаторы рассчитывают собрать с инвесторов)1. В конце концов, куда более сомнительная с экологической точки зрения Богучанская ГЭС, которую никак не достроят на Ангаре, обойдется на круг впятеро дороже? при всего лишь десятикратно большей проектной мощности (17600 ГВт-час в год). Согласитесь, что если считать не стоимость чистой энергии, а потери в целом (в том числе утрату полутора сотен тысяч квадратных километров девственной тайги, значительную часть которой даже вырубить не удастся,
затопление исторических памятников, уничтожение ценных видов рыб из-за всплывания торфяников, потерянные сельхозугодья, переселение жителей), не так уж и дорого получается.
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
А в чем, собственно, принципиальная проблема солнечной энергетики? Солнечной энергии до Земли доходит довольно много: через сечение земного шара проходит поток солнечного тепла в 42250 ТВт, что примерно в 20 тысяч раз больше, чем потребляет сегодня человечество (2,1 ТВт). Казалось бы - неисчерпаемый источник!
1 Есть, правда, сомнения как вреалистичности этой суммы. так и втехнологической реализуемости проекта Solaren вообще - Прим. ред.
2 Из расчета, что в 2004 году завершение строительства Богу-чансксй ГЭС. готовой на 60%. оценивалось в $2 млрдОднако эта энергия, как говорят физики, низкопотенциальная: если за пределами атмосферы поток солнечного излучения составляет 1353 Вт/м2 (так называемая солнечная постоянная), то на земной поверхности при нахождении солнца в зените он составит уже 925 Вт/мг, а при высоте солнца в 45° над горизонтом поток снижается до 845 Вт/м2. Так что с учетом смены дня и ночи средняя величина составит лишь 300-500 Вт/мг в солнечный день в южных широтах, а в Европе облачным днем может быть и гораздо меньше: 100-150 Вт/м2.
Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую служат кремниевые солнечные элементы. Есть и другие типы элементов (Википедия насчитывает их десятка полтора), причем теоретически самые эффективные должны получаться на арсениде галлия (GaAs), но на практике такие элементы дороги, а эффективность их гораздо меньше теоретической из-за трудностей получения качественной монокристаллической пленки полупроводника. Поэтому около 90% солнечных фотоэлементов делаются на основе монокристаллического или поликристаллического кремния,
Первый солнечный элемент был создан в 1954 году в Bell Labs на основе кремния и имел КПД около 6%. Устройство типового современного элемента (их еще называют полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями или фотовопьтаиче-скими элементами) показано на рис. 1. Как видно из рисунка, он состоит из защитного стекла с просветляющим покрытием, полупроводниковой зоны с л-проводимостью, покрытой тонкой прозрачной пленкой одного из контактов (отрицательного), и зоны с р-проводимостью, которая расположена на подложке, обычно являющейся одновременно и вторым (положительным)
контактом. Ранее солнечные батареи делались и без стекла с просветляющим покрытием, но их эффективность значительно ниже из-за потерь на отражение.
Напряжение такого элемента под нагрузкой составляет 0,45-0,47 В и, что интересно, мало зависит от освещенности. А вот вырабатываемый ток как раз напрямую определяется освещенностью. Мак-
КПД элемента падает с ростом температуры (примерно на 10% от начальной величины при повышении температуры с 25 до 60 °С), и в настоящее время для самых распространенных типов солнечных батарей остается удручающе мал в среднем 16%, с перспективой роста до 17,5% к 2010 году (по данным фирмы Nitol Solar). Состав полупроводника и па-
КПДЭЛЕМЕНТАДЛЯРАСПРОСТРАНЕННЫХТИПОВСОЛНЕЧНЫХБАТАРЕЙОСТАЕТСЯУДРУЧАЮЩЕМАЛ: ВСРЕДНЕМ 16%
симальная эффективность однослойного преобразователя равна 31-37% (большая величина - при использовании концентраторов, увеличивающих освещенность). В многослойных элементах теоретическая эффективность растет (в пределе - до 72%), но от такого пути отказались из-за технологических трудностей. Более перспективными оказались эксперименты с полупроводниковыми структурами (например, построенными на базе переходов Шоттки - полупроводник-металл), но пока доля нетрадиционных структур в производстве мала.
ЛАБОРАТОРИИ
|ельзя не упомянуть и о последних достихенинх в области солнечных элементов. К примеру Iученые из Дубны довели КПД кремниевых элементов до 55%, заодно научив батарею питаться инфракрасными лучами (то есть работа возможна и ночью), правда, в очень сложной и дорогой гетероструктуре, включающей наночастицы золота и серебра.
Интереснейшее альтернативное решение предлагает группа американских исследователей из Национальной лаборатории Айдахо, Университета Миссури и компании MicroContinuum. Поскольку свет представляет собой электромагнитные колебания, значит, по закону индукции, он может возбуждать колебания во вторичном контуре - подобно тому, как это происходит в трансформаторах или радиоантеннах. Только в случае света размер контура должен быть 2-4 мкм. На керамической подложке ученые вырастили решетку из золотых спиралей нужного диаметра, которая при облучении инфракрасным светом генерирует сверх высокочастотное напряжение. Чтобы превратить его в постоянное, видимо, придется рядом выращивать структуры из выпрямительных сверхбыстродействующих диодов и миниатюрных конденсаторов. Вся эта работа, возможно, представляла бы чисто академический интерес, если б не теоретический КПД такого преобразования, достигающий 80%. Представляете себе батарею, которая днем работает от солнца, а ночью использует энергию инфракрасного излучения, накопленную за день нагретой землей! ¦
раметры перехода делают такими, чтобы обеспечить максимум эффективности в зелено-голубой области спектра (0,45-0,5 мкм), на которую приходится максимум солнечного излучения (при нахождении солнца не ниже 30° над горизонтом).
Но эффективностью как таковой технологические проблемы далеко не исчерпываются. Для фотоэлектрических преобразователей требуется особо чистый кремний (примеси резко снижают эффективность). Кроме того, если для болыиин-I ства микросхем или транзисторов разброс параметров в несколько раз в ту или иную сторону большой роли не играет, то для солнечной панели это критичный фак-I тор: элементы приходится отбирать по I параметрам. Слишком большой разброс в одном модуле заставит элементы работать друг на друга, что снизит и без того невысокий КПД.
Впрочем, технологи сражаются не столько за КПД, сколько за снижение себестоимости элементов при сохранении тех же параметров. Себестоимость можно снизить, например, путем уменьшения толщины пленки кремния: так, применение аморфного кремния позволяет делать пленки толщиной 0,5-1,0 мкм вместо 300 мкм для кристаллических. Кроме того, выращивать пленки аморфного кремния большой площади значительно проще технологически. Элементы получаются дешевыми, но увы, достигнутый
ПЕРИФЕРИЯ
технологии
