Время собирать солнце?

Американский стартапSempriusобещает в ближайшие три-четыре года представить недорогие концентрирующие фотоэлектрические модули с КПД в 50%, и уже сегодня демонстрирует КПД в 44,1% – показатель, близкий к рекордному. Ее руководство обещает сделать "солнечное" электричество дешевле газового, но насколько реальна такая амбициозная цель?

Сегодня стандартные однослойные кристаллические солнечные батареи имеют КПД в 20%, и это, разумеется, не слишком хорошо. Чем ниже КПД, тем большее количество модулей надо развернуть для получения нужной мощности, и установка многочисленных панелей на металлических рамах уже сегодня составляет примерно половину стоимости стандартной солнечной электростанции. И как бы не дешевели кремниевые фотоэлементы в будущем, эти 50% стоимости, связанные с установкой, изжить не получится.

Sempriusпредлагает покончить с проблемой просто: в ее концентрирующих фотоэлектрических модулях свет многократно усиливается с помощью миниатюрных линз Френеля. А чтобы эффективно преобразовать такой мощный пучок сконцентрированного солнечного излучения, сам фотоэлемент состоит из нескольких слоев. Последний четырехслойный вариант, представленный этой компанией летом 2014 года, показал КПД в 44,1% – примерно вдвое лучше, чем передовые однослойные батареи.

Конечно, такой фотоэлементной панели нужно устройство, постоянно поворачивающее ее под прямым углом к солнечным лучам, как это делает обычный подсолнух, но в итоге и выработка  у нее намного больше, чем у неподвижной кремниевой, плохо работающей под косыми вечерними и утренними лучами, парируют в Semprius.

Ключевым преимуществом ее технологииСкотт Берроуз(Scott Burroughs), вице-президент отвечающий за технологическое развитие, считает новый метод соединения разнородных слоев фотоэлементов в одну ячейку. Вместо стандартного наращивания одних кристаллических материалов поверх других (эпитаксии), не позволяющего соединять некоторые разновидности полупроводников в одном устройстве, в стартапе разработали собственный недорогой технический процесс, дающий возможность решить данную проблему и одновременно снизить стоимость создания многослойного фотоэлемента. А ведь именно высокая цена всегда была самым слабым местом концентрирующих фотоэлектрических модулей.

В ближайшие три-пять лет, заявляет Скотт Берроуз,Sempriusпредставит пятислойный фотоэлемент собираемый по той же технологии, но КПД его будет превышать 50%, и именно в этот момент стартап считает целесообразным переходить к массовому производству продукции. По мнению его разработчиков, подобная технология позволить строить солнечные электростанции так дешево, что стоимость электричества, вырабатываемого ими, упадет до 5 центов за киловатт-час, в то время как стоимость энергии, генерируемой газовыми ТЭС в США сегодня близка к 6,4 центам за киловатт-час. Цель, заявленная компанией, крайне амбициозна: сейчас «солнечное» электричество в Штатах в среднем вдвое-втрое дороже «газового». Но насколько реально "похоронить" тепловую энергетику именно концентрирующими солнечными батареями?

В своем комментарии РБК Инновациям генеральный директор Научно-технического центра тонкопленочных технологий при Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН (учредитель – российская компания "Хевел")Дмитрий Орехов, отметил, что планы и обещания Semprius при всей их амбициозности надо воспринимать с некоторой осторожностью. Практически все попытки разработать экономически рентабельные солнечные батареи, работающие от концентрированного солнечного света, пока не приводили к успеху. Более того, добавляет он, сама обстановка высокой конкуренции за венчурный капитал, в которой существуют "зеленые" стартапы в США, иногда вынуждает их делать громкие заявления, которые, как это уже было с американской Nanosolar, часто заканчиваются скорее успешным привлечением денег инвесторов, нежели серийным производством новых типов солнечных батарей.

Так что, вопреки многочисленным заявлениям о прорыве в области концентрирующих фотоэлементных модулей, до сих пор подавляющая масса сегодняшней фотоэлементной энергетики — по-прежнему кремний, поликристаллический или монокристаллический. Едва ли  не единственное альтернативное решение, успешно конкурирующее с ним на сегодня — это производимые тем же "Хевелом" солнечные батареи на аморфном и микроморфном кремнии, который успешнее кристаллического работает в пасмурные дни и при Солнце, низко стоящем над горизонтом (то есть зимой в высоких широтах).

Кроме того, панели из аморфного кремния дешевле солнечных батарей на кристаллическом кремнии и имеют меньший вес, что позволяет использовать их в безрамном варианте. Наконец, даже один такой модуль дает на выходе сравнительно высокое напряжение, в то время как обычные фотоэлементы для этого требуется последовательно соединить в цепь.

Впрочем, по словам начальника отдела внешних связей компании "Хевел"Антона Усачева, батареи, работающие с концентрированным солнечным светом, все же имеют собственную рыночную нишу – в условиях круглогодичной высокой освещенности, сухого и прозрачного воздуха над пустынями типа тех, что лежат на юге США (Мохаве) или в Северной Африке. Там же где только солнечные лучи хотя бы умеренно рассеиваются облаками, выработка таких фотоэлементов молниеносно падает едва ли не до нуля, поэтому их применение в умеренном климате, вроде российского или среднеевропейского, экономически нецелесообразно.

Зато, продолжает он, аморфные и микроморфные солнечные батареи в российский условиях показывают себя лучше конкурентов — собственно, именно поэтому "Хевел" (группа компаний Ренова иРоснано) и выбрал их как свой основной продукт. Да, их КПД сегодня составляет около 10%, в то время как серийные устройства на кристаллическом кремнии дают 20% (рекордные — 24-25%). Зато они продолжают вырабатывать существенное количество энергии даже вечером и при облачной погоде, когда обычные солнечные батареи производят в 4-5 раз меньше электричества, чем в полдень. Это делает их выработку в течение дня гораздо более стабильной и менее подверженной скачкам эффективности. Именно поэтому, отмечает Антон Усачев, аморфный и микроморфный кремний в российских условиях не только эффективнее, чем концентрирующих фотоэлементных модулей, но и выгодно смотрится на фоне традиционных солнечных батарей из кристаллического кремния.

Впрочем, не отрицает он и того, что повышение КПД для солнечных батарей на микроморфном кремнии также является задачей первоочередной важности. По словам Антона Усачева, у компании уже как минимум год реализуется масштабная программа НИОКР, целью которой является доведение КПД ее тонкопленочных батарей до 12-15%. Параллельно ведутся разработки с чуть более дальним прицелом, по четырехпереходным фотоэлементам, в которых слои микроморфного кремния размещаются поверх подложки из кристаллического кремния. Такие солнечные батареи должны сохранить способность эффективно работать в пасмурную погоду и при зимнем невысоком Солнце, и вместе с тем достигнут КПД в 18-20%.

Ну а сейчас компания развертывает массовое производство тонкопленочных фотоэлементов на аморфном кремнии на собственном заводе «Хевел» в Чувашии, рассчитанное на 125 МВт в год (миллион солнечных батарей ежегодно). Выход на проектную мощность должен завершиться к декабрю 2014 г. Возникает естественный вопрос: кому новый российский производитель намерен продавать свою продукцию в таких значительных для отечественного рынка объемах?

Спецификой бизнес-модели,  которую избрал "Хевел", является то, что компания рассчитывает в основном не на продажу своих солнечных батарей сторонним потребителям, а на их использование для строительства собственных солнечных электростанций. Кроме производственного подразделения ею, с использование опыта российской компании Avelar, создано еще одно, которое займется установкой гелиогенерирующих мощностей. После их ввода в строй "Хевел" будет самостоятельно эксплуатировать такие электростанции, продавая их энергию в сеть.

На сегодня планы компании предусматривают развертывание целого ряда гелиоэлектростанций мощностью от 5 до 25 МВт в различных регионах России, в частности в Оренбургской области, Башкортастане, Саратовской области и ряде других регионов, отличающихся высокой инсоляцией. Как отмечает Антон Усачев, сходные планы по самостоятельному выходу на российский рынок энергогенерации с помощью солнечных батарей есть и у ряда других отечественных компаний, включая "ЕвроСибЭнерго" и "МРЦ Энергохолдинг"  (компания, родственная "Русэнергоинвест").

Общий объем мощностей солнечных электростанций, которые "Хевел" планирует ввести в строй к 2020 г. — 500 МВт. Отметим, что это чрезвычайно большая цифра, многократно превосходящая все гелиоэнергетические мощности, существующие в России на сегодня. По сути, основная часть продукции чувашского завода "Хевел" (более 100 МВт тонкопленочных панелей в год) будет уходить на покрытие собственных нужд компании.

Александр Березин