Некоторые этапы в производстве солнечных батарей на «Кванте» требуют ручного труда. Но для выпуска таких систем в мире существуют технологии, автоматизированные почти полностью. Могут заработать они и в России. Только для этого продажи солнечных установок должны стать массовыми (фото НПП «Квант»)

О проблемах, перспективах и успехах фотовольтаики в нашей стране и в мире редактору «Мембраны» рассказал Сергей Плеханов – генеральный директор и главный конструктор московского предприятия «Квант», имеющего полувековой опыт проектирования и производства солнечных элементов.

НПП «Квант» известно в первую очередь благодаря своим фотоэлектрическим преобразователям (ФЭП) и солнечным батареям (СБ) для космической техники. Его модули питали или питают значительную часть отечественных спутников, межпланетные станции «Венера» и «Марс», орбитальные станции «Салют» и «Мир», наконец – российский сегмент МКС.

Но и СБ наземного применения для «Кванта» не в диковинку: в арсенале предприятия можно найти панели для коттеджа или офиса. Выпускают здесь и небольшие модули, пригодные для питания палаток, бытовок строителей или нефтяников, зарядки автомобильных аккумуляторов или батарей электронных устройств в поле.

Российская компактная солнечная электростанция – экспонат выставки. Для подавляющего большинства наших соотечественников это ещё экзотика, хотя в Европе или США подобным дополнением к частному дому трудно кого-то удивить (фото НПП «Квант»).

Наш собеседник – Сергей Иванович Плеханов, инженер по образованию, всю свою трудовую биографию занимался созданием космических аппаратов на разных предприятиях. НПП «Квант» возглавил в феврале 2010 года.

 

Конёк «Кванта» — солнечные батареи космического назначения. Их можно охарактеризовать как «эффективно, но дорого». Другое направление вашей работы, СБ для наземных систем, – «менее эффективно, зато дешевле». Как вы считаете, возможно ли сочетание очень высокого КПД с низкой стоимостью преобразователей?

Работы над этим ведутся. Делаются устройства с концентраторами, совершенствуются технологии. Но сегодня цены космических и наземных батарей различаются на два порядка. Поэтому говорить об их сближении в ближайшем будущем не имеет смысла.

О новых проектах станций на основе СБ в тех или иных странах объявляют чуть ли не еженедельно. Отрасль ждёт скорый триумф? Или это излишне оптимистичный взгляд?

Развитие этого рынка носит волнообразный характер. И часто это связано не с экономикой отдельных стран, а с мировыми трендами. Недавний финансовый кризис обвалил рынок солнечных батарей, затормозил развитие почти всех проектов таких электростанций. По мере общего оживления экономики и в данной области процесс тоже пошёл по нарастающей. При этом важную роль сыграли не только экономические, но и политические факторы.

События в Фукусиме и отказ от атомных станций (в частности, в Германии) дали мощный толчок развитию «солнечных проектов», особенно в Европе. Бизнес активно пошёл в эту сферу. Это потащило за собой вверх производство кремния, ФЭП, модулей и так далее.

Но я не исключаю, что возможен и небольшой откат. Люди ведь стремятся к разумным решениям, оценивают «выгодно – невыгодно». Так что некоторая временная корректировка возможна.

Модули типа КСМ предприятие «Квант» выпускает в нескольких версиях. Отличаются они технологией (моно- или мультикристаллический кремний), размерами (от 0,5 х 1,2 до 0,8 х 1,6 м) и мощностью (от 80 до 180 ватт). КПД — 17% (фотографии НПП «Квант»).

Стоимость «солнечного ватта», выработанного с помощью ФЭП, пока ещё высока. Чтобы соперничать с другими источниками энергии, этим устройствам необходимо подешеветь. Стоит ли ждать падения цен? Сможет ли когда-нибудь фотовольтаика сравниться по выгодности с газом и углём?

Вопрос неоднозначный. Мир уже подошёл к тому, что солнечные энергетические технологии могут быть внедрены очень широко. В Западной Европе, к примеру, стоимость одного киловатт-часа, полученного на СБ, и киловатт-часа от традиционных источников ещё не равны, но уже соразмерны.

Если говорить о стоимости одного ватта выходной мощности в составе солнечного модуля, то в Европе и США достигнут уровень примерно в 1,2-1,3 евро и есть тенденция к удешевлению. Я думаю, в ближайшем будущем цена снизится примерно до одного евро. Это при условии массового автоматизированного производства как ФЭП, так и модулей на их основе.

Китай, к слову, может обеспечить и более низкие цены, но к его массовой продукции есть вопросы по качеству и ресурсу.

Для роста привлекательности СБ не менее важен КПД массовых ФЭП. Ваш прогноз изменения этого параметра? Имеет ли смысл ожидать прорыва?

Основную долю рынка сейчас занимают ФЭП на основе монокристаллического и мультикристаллического кремния. Достигнут КПД в 18-20%. И тут ещё возможен небольшой рост, процента на три.

Но дело в том, что даже показатель в 20% — это уже хорошая цифра, обеспечивающая развитие традиционной фотовольтаики.

Ещё одно направление, развиваемое «Квантом», – переносные складные электростанции серий ЭПС и ЭМС, зарядные устройства СЗУ-БСА. Они состоят из солнечных модулей и буферных аккумуляторов. Модели пиковой мощностью от 8 до 140 ватт предназначены для силовых ведомств, охотников и рыболовов, туристов, геологов, чабанов… (фотографии НПП «Квант» и Виктора Боярского)

А более свежие направления — аморфный кремний, теллурид кадмия, применяемые в тонкоплёночных ФЭП? Такие батареи ведь дешевле «традиционного кремния». Могут они в силу этого фактора оказать влияние на распространение солнечных электростанций, в частности, в России?

У таких батарей КПД существенно ниже, 8-12%. Потенциал к повышению эффективности там есть, но незначительный. Кроме того, по экологическим параметрам эти батареи проигрывают обычному кремнию.

Получается, дешёвые батареи требуют при равной мощности вдвое большей площади, а это означает рост стоимости участка, длины кабельных сетей, более высокие эксплуатационные расходы.

К тому же подтверждённый практикой ресурс систем на основе аморфного кремния – это ещё большой вопрос, в то время как панели из монокремния уже продемонстрировали 25-летний ресурс с ухудшением характеристик всего на 15-20% и продолжают работать.

Значит, многочисленные поиски других материалов и вариантов СБ не приведут к вытеснению обычного кремния?

Я думаю, ещё ближайшие лет 5-7 традиционный кремний будет занимать основную долю рынка. Кроме того, в мире сейчас развёрнуты большое производство кремния, массовый выпуск ФЭП, сборка модулей. Туда вложены большие деньги, и с точки зрения бизнеса неразумно было бы вдруг всё менять.

Хотя, конечно, исследования по новым поколениям СБ ведутся, и во что они выльются через лет пять – сейчас сказать трудно.

Тем временем кремниевые ФЭП ещё не настолько «насытили» мировую энергетику, чтобы перестать считаться перспективными для использования в солнечных электростанциях.

В свою очередь, для ситуаций, когда есть потребность в мобильной батарее, в использовании её в сложных условиях окружающей среды вполне подходят элементы на основе аморфного кремния.

Панель из аморфного кремния – один из вариантов космических солнечных батарей. С квадратного метра они дают всего 90-100 ватт мощности, но зато эти панели в несколько раз легче кремниевых монокристаллических СБ или ячеек из арсенида галлия. Кроме того, деградация (падение рабочего тока) у аморфной батареи за 10 лет пребывания в космосе составляет 7%, против 15-30% (в зависимости от орбиты) у монокристаллических и «галлиевых» преобразователей (фото НПП «Квант»).

В связи с выбором материалов стоит вспомнить трёхпереходные ФЭП со множеством слоёв различных полупроводников. Они способны захватывать больший спектр излучения и очень эффективны. На ваш взгляд, смогут они стать основой крупных солнечных электростанций?

Действительно, с наногетероструктурами, в частности на базе арсенида галлия, достигнут КПД до 30% и немного выше. Но получение таких структур сложно, оно включает десятки технологических процессов, сопряжённых с большими издержками как по материалам, так и по технологиям.

В результате цена квадратного метра у таких ФЭП гораздо выше, чем у обычных кремниевых, что ограничивает их применение.

В то же время, используя концентрацию света линзами (в 100-500 раз), можно найти компромисс, когда сам ФЭП будет дорогой, но зато небольшой по площади.

Правда, тут возникает масса дополнительных деталей, повышающих цену. Нужно фокусировать свет, надо обеспечивать хороший теплоотвод от ФЭП, аппарату с концентратором необходима система поворота батареи вслед за солнцем…

Поэтому такие системы пока будут занимать узкую нишу. Но они имеют хорошие перспективы в районах, где высока солнечная активность, где солнце стоит высоко над горизонтом (экваториальная зона).

По информации Technology Review, нынешним летом один из крупнейших производителей СБ, китайская компания Suntech Power, показала модули, каждая ячейка которых представляет собой хаотичную смесь моно- (тёмные участки на снимке) и поликристаллического (пёстрые участки) кремния.

Разработчики смешанного техпроцесса ожидают, что он поможет снизить стоимость СБ на 10-20% при относительно высоком КПД. Ещё несколько западных фирм тоже работают над внедрением этой комбинированной технологии (фото Suntech Power).

Недавно производители СБ начали осваивать промежуточный технологический процесс, при котором в единой ванне и одновременно из расплава выращивается смесь монокристаллического и поликристаллического кремния. Расход электроэнергии оказывается не очень высок, и цена пластин выходит промежуточной между моно- и поликремнием, как и КПД.

Данный подход поможет сделать солнечные электростанции более распространёнными? Работает ли «Квант» над такими технологиями?

Подобные поиски, связанные с кремнием, на «Кванте» велись на протяжении нескольких десятилетий применительно к решению космических задач. Но и у нас, и за рубежом такие работы носят в основном опытно-экспериментальный характер.

Насколько я знаю, в проектах крупных электростанций такой комбинированный кремний ещё не применялся. Но сам подход интересный.

Тут нужно вспомнить, что есть ещё мультикремний, содержащий крупные зёрна с монокристаллической решёткой.

Он дешевле, чем просто монокристаллический кремний. И хотя КПД ячеек на его основе несколько ниже, чем у монокремния, зато мультикремниевые пластины выпускаются прямоугольными и занимают всю площадь панели, что отчасти компенсирует недостачу в эффективности.

Пластины монокремния вырезаются из прутка, после чего у такого круга обрезают края. В результате пластины-многоугольники не закрывают всю доступную площадь солнечного модуля.

Модули на основе монокристаллических (вверху) и мультикристаллических (внизу) солнечных элементов. Хорошо видно, что последние лучше закрывают площадь батареи (фотографии НПП «Квант»).

В нашей стране работают несколько предприятий, занятых выпуском солнечных батарей. В сравнении с лидерами в данной сфере – заводами в Западной Европе, Китае и США – мощности их линий невелики. Но всё же в сумме это более 50 мегаватт солнечных модулей в год. Львиная доля этой продукции уходит сейчас на экспорт.

И если в мире действует немало солнечных электростанций на основе СБ мощностью по 10-15 мегаватт каждая, плюс ещё порядка десятка солнечных ферм на 50-80 МВт, то у нас, скажем, о пуске солнечной установки на 100 киловатт в Белгородской области в сентябре 2010 года СМИ говорили как о выдающемся событии. В чём, на ваш взгляд, причина такого отставания?

Что касается России, то полноценного рынка СБ здесь до сих пор нет. Главная причина – в отсутствии в данном вопросе целенаправленной государственной политики, поддержки с точки зрения экономики, законодательства.

В России пока киловатт-час из розетки в несколько раз дешевле киловатт-часа от фотовольтаики. В таких условиях трудно рассчитывать, что российский потребитель начнёт массово покупать эти станции.

100-киловаттный комплекс СБ, питающий одну из ферм компании "Агро-Белогорье" — пионер более-менее крупной солнечной энергетики в России. Но по мировым меркам это очень скромная солнечная электростанция (фото Алла Солодова/Infox.ru).

Значит, нашим законодателям стоит посмотреть на опыт Запада? Как там решается вопрос с поддержкой данного направления энергетики?

Когда мы говорим о Западе, нужно иметь в виду, что там очень большое значение придают вопросам экологии. Эта тема серьёзно воспринимается и общественностью, и политиками. Потому проекты, помогающие снизить выбросы в атмосферу, поддерживаются на законодательном уровне, в том числе экономически.

В ЕС если человек или компания создаёт генерирующие мощности на основе солнечных батарей, госбюджет возмещает владельцу такой станции до 50-70% её стоимости.

Далее, если такая станция передаёт электричество в сеть общего пользования, энергетическая компания закупает эти «солнечные» киловатт-часы по цене существенно большей, чем сам человек получает электричество из розетки. То есть владелец, к примеру, 10-киловаттной системы на крыше коттеджа, продавая энергию в сеть, может быстро окупить первоначальные затраты и получить доход.

В середине июля 2011 года компания Conergy ввела в строй солнечную электростанциюHawton Project (на снимках) в общине Hawton, в Ноттингемшире. Новичок интересен не только рекордной для Великобритании мощностью (4,86 МВт), но и феноменальным временем строительства такого колосса — с момента получения разрешения оно заняло всего шесть недель. За это время в чистом поле на площади 14,6 га рабочие смонтировали 21 600 солнечных панелей и 300 трёхфазных инверторов.

Причина спешки, однако, не слишком радостная. Власти страны решили резко сократитьгосподдержку крупных солнечных электростанций (в виде льготных тарифов на выкупаемую энергию), опасаясь перерасхода бюджетных средств. Изменения в законодательстве вступили в силу 31 июля, так что только солнечные фермы, введённые в строй до этой даты, могли далее рассчитывать на поддержку по прежним правилам. Интересно, это первый звонок для всей отрасли? (фотографии Conergy)

Внедряя солнечные электростанции, государства ныне сознательно идут на повышенные расходы ради будущего?

Ради будущего и ради экологии. И также ради своей энергетической безопасности, независимости от нефти и газа.

Каковы же должны быть шаги России, чтобы у нас тоже появилось много солнечных электростанций?

Властные структуры должны ясно продемонстрировать, что Россия заинтересована в этом виде энергетики. Пока мы имеем ряд не очень активных высказываний политиков, что, мол, неплохо бы этой темой заниматься, но нет корректировки законодательной базы. В то же время у нас много нефти, газа и сравнительно недорогая электроэнергия.

В Японии наблюдается избыток рисовых плантаций. Часть из них закрывается, фермеры теряют работу. С другой стороны, авария в Фукусиме заставила японцев (и не только их) под новым углом взглянуть на АЭС и альтернативную энергетику. Сложите два и два, и вы придёте к выводу, который сделал в нынешнем месяце президент Softbank Corporation Масаёси Сон (Masayoshi Son).

Он предложил соотечественникам превратить 5000 км² ненужных рисовых полей в солнечные фермы. Они могли бы генерировать десятки миллионов киловатт энергии, замещая атомные станции и давая фермерам новую работу. 35 префектур Японии уже заинтересовались идеей. Но для её реализации необходимо внести в законодательство поправки, которые обязывали бы энергокомпании выкупать электричество от таких «зелёных» станций по льготным тарифам (фотографии с сайта inhabitat.com).

Получается, опять уповаем на господдержку? А сам бизнес разве не заинтересован в развитии перспективных технологий, они ведь, в конечном счёте, могут окупиться.

Бизнес постепенно идёт в эту сферу. В России созданы производства поликристаллического кремния (тут можно упомянуть компанию "Нитол" в Иркутской области) с перспективой выхода на монокремний.

Но в условиях, когда рынка практически не создано, свежие проекты «подвисают», сроки запуска массового производства сдвигаются, а те, что работают, во многом ориентируются на зарубежного покупателя.

Всё просто, и частные лица и бизнес считают выгоду: если в России я строю у себя солнечную электростанцию, то при существующих ценах на электроэнергию и на солнечные модули я окуплю затраты лет через 25-30. На такой срок мало кто решается загадывать.

Кстати, а каков ныне срок службы типичных солнечных преобразователей для наземного применения? Как падает их КПД со временем?

Изготавливаемые у нас модули КСМ за 15 лет эксплуатации сохраняют 90% мощности, а за 25-летний срок – 80%.

От отдельных солнечных элементов до готовых электростанций с преобразователями напряжения и аккумуляторами – на «Кванте» отлажен полный цикл производства таких систем (фотографии НПП «Квант»).

В ряде стран одинаково хорошо идёт установка как тысяч небольших солнечных батарей на крышах частных домов, так и монтаж промышленных электростанций, занимающих гектары.

В первом случае ток от панели идёт потребителю по кратчайшему пути, значит, нет потерь при передаче. Но во втором варианте солнечная энергия получается дешевле за счёт эффекта масштаба. Как вы полагаете, какой подход выгоднее и перспективнее?

Оба подхода имеют смысл. Приоритетность какого-либо из них следует определять на основе всеобъемлющего анализа, где должны быть учтены параметры места установки, наличие инфраструктуры и прочее.

Индивидуальному хозяину может быть выгодно поставить небольшую систему. А с точки зрения энергетической безопасности страны, улучшения в ней экологии выгоднее развивать большие станции. На них к тому же киловатт-час получается дешевле. И на них проще решать вопрос подключения к энергетической сети, регулирования.

В России интерес к частным солнечным электростанциям пока не так велик, как на Западе. Вашему предприятию удаётся продавать такие наземные системы?

Интерес со стороны покупателей есть, но многие разочаровываются, когда узнают цены. Наше производство по наземным модулям было создано во многом как опытно-экспериментальное. Объём выпуска продукции не очень большой, а потому и себестоимость её выше, чем у западных производителей.

К тому же у нас ряд компонентов (скажем, стекло высокой прозрачности) закупаются за рубежом, а это означает НДС, таможенные платежи и так далее. В результате цена наземных модулей СБ от «Кванта» $2,5-3 за ватт. Сейчас мы выпускаем такую продукцию по отдельным заказам.

Добавлю, что на других российских предприятиях, производящих ФЭП и солнечные модули, ситуация примерно похожа, хотя точные цены зависят от масштаба выпуска.

Галий-арсенидная солнечная батарея казахского телекоммуникационного спутникаKazSat — один из примеров продукции космической ветви «Кванта» (фото НПП «Квант»).

Получается, именно высокая себестоимость изделий сдерживает рост интереса к ним? А низкий интерес, в свою очередь, не позволяет развернуть крупномасштабный выпуск, который бы дал снижение цены. Это тупик?

Цена не всегда является определяющим фактором. Бывают удалённые какие-то населённые пункты, базовые лагеря строителей или геологов и тому подобное, куда слишком дорого или неразумно тянуть ЛЭП от единой энергосистемы и куда не менее дорого регулярно завозить топливо для дизель-электростанций.

В таких глухих уголках фактическая стоимость электричества может быть столь высокой, что установка солнечных батарей окупит себя очень быстро. И такие заказы на «Квант» понемногу поступают.

Кроме того, для некоторых частных клиентов высокая стоимость солнечного ватта не играет большой роли, когда они рассматривают солнечную электростанцию как фактор независимости собственного дома.

Установив на крыше фотоэлектрические панели, вкупе с буферными батареями в подвале, хозяин такого коттеджа может быть уверен, что при любом отключении тока извне он без электричества не останется.

В плане энергетической самостоятельности частных домов некоторые считают, что выгоднее ставить ветряки, хотя и их срок окупаемости велик. И в мире ветровые фермы пока солируют в сфере «альтернативы».

Выдержит ли солнечная энергетика конкуренцию с ветровой? За ней ныне уже целых 2,5% мировой выработки электричества. А крупные солнечные установки дают планете менее 1%. На ваш взгляд, солнечная энергетика ещё отыграет свою долю пирога?

Человечество использует ветер тысячи лет – в мельницах, парусах. А солнце по-настоящему «применяет» лишь несколько десятилетий. Поэтому сегодняшнее соотношение носит в какой-то степени исторический характер, к тому же сильно зависящий от места и времени выработки энергии.

Современные крупные ветряки развиты пока сильнее потому, что их технология (лопасти, роторы, генераторы) известна десятки лет. И с точки зрения эффективности здесь практически достигнут потолок. В то время как наземная солнечная фотовольтаика – вещь сравнительно новая. У неё ещё есть перспективы для роста.

Ну и с точки зрения районов установки СБ значительно более универсальны, чем ветровые станции.

В ноябре 2010 года в рамках проекта "Солнечная крыша Москва" несколько немецких компаний в кооперации с НПП «Квант» установили демонстрационную солнечную электростанцию мощностью 5,5 кВт на территории Мемориального музея космонавтикив Москве.

Система содержит микроморфные и кристаллические СБ. Они поставляют энергию зданию и буферным аккумуляторам, которые питают музей ночью и в непогоду. Цель проекта заключается не столько в обеспечении музея экологически чистой энергией, сколько в пропаганде таких установок (фото НПП «Квант»).

Значит, в ближайшие годы солнечная энергетика по доле в общем балансе планеты перегонит ветер?

Я думаю, да. Фотовольтаика достаточно быстро прогрессирует. Кроме того, она сопряжена с меньшими экологическими издержками, чем ветряки. Последние тем эффективнее, чем крупнее. А это рост не только стоимости единичной установки, но и шума от неё. А ещё ветряки мешают птицам, создают помехи авиационным радарам.

Вообще же солнечные и ветряные электростанции не соперники, а дополняющие друг друга способы получения энергии. Это нашло отражение и в создании у нас на предприятии комбинированных электростанций, использующих для производства энергии как солнце, так и ветер.

Комбинированные установки от «Кванта» производятся под ключ (фото НПП «Квант»).

Во дворе «Кванта» как раз стоит одна такая установка. Она пока слишком дорога для массовых потребителей?

Это опытная установка КЭУ-3. Мы сделали её, чтобы показать силовым структурам и МЧС саму возможность производства. Так что о цене в данном случае говорить не приходится.

КЭУ-3 обладает солнечной панелью примерно на два киловатта и ветряком мощностью около 3 кВт. Электростанция оборудована аккумуляторами. Поддерживая и сменяя друг друга в зависимости от ситуации, солнечная батарея и ветряк дают около 3 кВт выходной мощности.

Сейчас мы используем эту систему как полигон для некоторых опытов и измерений реальной эффективности в наших условиях.

Установка КЭУ-3 занимает места примерно как ларёк с мороженым и способна питать энергией загородный дом, временный лагерь военных или газовиков, небольшую стройплощадку (фото MEMBRANA).

Как раз об условиях работы станций хочется поговорить отдельно. Зимой с солнечных батарей нужно счищать снег. Летом – пыль и песок. В случае больших установок на сотни тысяч квадратных метров это заметная проблема. Может, именно загрязнение батарей, особо заметное в некоторых регионах, сдерживает их распространение?

Обслуживание солнечных батарей не намного сложнее, чем обслуживание тех же антенн спутникового телевидения и кондиционеров. Опыт эксплуатации больших станций в Европе и Турции показывает, что серьёзных затруднений в этом плане нет.

У нас есть опытные солнечные модули (в Москве, а также в нашей лаборатории на юге), которые годами работают без особого внимания со стороны людей.

Да, пыль и песок чуть снижают светопропускание покрытия СБ, причём большую опасность тут представляет не загрязнение, а эрозия поверхности стекла. Но это лишь несущественно снижает эффективность модуля. Да и на его очистку нужно не так уж много времени и сил.

Карта инсоляции России (иллюстрация с сайта newpolus.ru).

И ещё об условиях. По числу солнечных дней в году Россия не числится в лидерах, но всё же на юге страны и ещё в Сибири инсоляция очень солидная. Стало быть, списывать отсутствие у нас крупных солнечных установок на климатические особенности страны не вполне разумно?

Я уже говорил, что дело не в нехватке солнца, а в отсутствии государственной политики.

Существуют экологические проблемы, связанные с производством солнечных батарей и их утилизацией после окончания срока службы? Некоторые типы СБ содержат токсичные элементы. Да и выпуск кремния для ФЭП сопровождается загрязнениями, затратами энергии, химреактивов. Опасность этой стороны процесса преувеличена? Или здесь есть ещё над чем поработать?

Экологические проблемы при производстве солнечных батарей во многом аналогичны проблемам, характерным для любых химических и металлургических производств, скажем, нефтехимии или выпуска пластмасс. Существуют и достаточно эффективные способы их минимизации.

Аналогичным образом дело обстоит и с утилизацией старых солнечных батарей. В налаживании этого процесса при обеспечении выполнения всех экологических нормативов нет никаких сложностей.

Несмотря на неразвитый ещё рынок солнечных батарей в России, компания "Хевел"(совместное предп