История развития солнечной фотоэлектрической энергетики в России

Фотоэлектричество как отрасль науки возникла в 1839 году, когда в возрасте 19 лет французский физик Александр Эдмон Беккерель, работая с электролитами, обнаружил фотоэлектрический эффект. В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обратил внимание на тот факт, что селен проявляет фотопроводящие свойства. Позднее, примерно через 14 лет, работая с открытым резонатором, немецкий физик Генрих Герц наблюдал интересную закономерность. Он заметил, что если на цинковые разрядники направить поток ультрафиолетового излучения, то прохождение искры облегчается. Позднее было показано, что энергия вылетающего с поверхности электрона строго зависит от частоты поступающего излучения, в то время как от интенсивности облучения не зависит. Это противоречило положениям господствующей в то время классической электродинамики. Позднее фотоэффект детально изучал русский физик А. Г. Столетов, который в результате сделал несколько интересных открытий и сформулировал первый закон внешнего фотоэффекта. Однако первый фотоэлемент был создан только в 1883 году Чарльзом Фриттсом на селене, покрытом тонким слоем золота. КПД такого фотоэлемента не превышал 1 %. Объяснить фотоэффект удалось Альберту Эйнштейну в 1905 году на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света [1, 2].

Термин «фотовольтаический» происходит от греческого «фотос», что означает «свет», и «вольтовый», то есть электрический, по имени итальянского физика Алессандро Вольта, в честь которого называется единица электродвижущей силы — вольт.

Именно внутренний фотоэффект, а точнее процесс разделения генерируемых квантами света электронно-дырочных пар на р-р-переходе, лежит в основе процесса генерации электрического тока в фотоэлементах.

Кремний является основным материалом при производстве солнечных элементов. Кремний в чистом виде был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром. В элементарном виде кремний был получен в 1825 году шведским химиком Берцелиусом путём воздействия металлическим калием на фтористый кремний SiF₄. Новый элемент получил название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Г. И. Гессом (от древнегреческого «кремнос» — утёс, гора). Нужно отметить, что способ получения кремния из кварцитов в чистом виде разработан русским учёным Н. Н. Бекетовым.

«Фотоэлектричество» как отрасль науки возникла в 1839 году, когда французский физик Александр Беккерель обнаружил фотоэлектрический эффект. Позднее было показано, что энергия вылетающего с поверхности электрона зависит строго от частоты поступающего излучения и не зависит от интенсивности облучения

Первые солнечные элементы

Первое описание фотоэлектрического эффекта в р-n-переходе в кристалле кремния относится к 1941 году. У первых солнечных элементов (СЭ) плоскость р-n-перехода была перпендикулярна рабочей поверхности, а р-n-переходы изготавливались в процессе выращивания монокристаллов. Чувствительность элемента составляла 10 мА/лм при освещении лампой накаливания с цветовой температурой 2900 К (Рассел Оль, патент США №2402662).

В 1952 году был разработан полупромышленный образец СЭ с р-n-переходом, перпендикулярным рабочей поверхности. Монокристалл германия с р-n-переходом помещался в герметичный корпус из прозрачного пластика с размером 6 X 4, 5 X 2,25 мм (рис. 1). Фототок элемента составлял 30 мА/лм при освещении лампой накаливания с цветовой температурой 2400 К [3].

Быстрое развитие фотоэлектрического метода преобразования энергии связано с планарной конструкцией СЭ, в которой p-п-переход расположен параллельно рабочей поверхности (рис. 2). Интерес к этой конструкции появился после того, как в 1954 году Пирсон с сотрудниками из компании Bell обнаружил, что кремниевые СЭ с p-п-переходом, параллельным рабочей поверхности, имеют в пять раз больший КПД (около 5 %), чем ранее рассмотренная конструкция СЭ с вертикальным р-n-переходом.

То есть современный солнечный элемент был создан спустя 115 лет после открытия фотоэлектрического эффекта [3].

В СССР первые работы по созданию фотоэлектрических преобразователей проводились в Физико-техническом институте Академии Наук (город Ленинград). Руководил этими работами академик А. Ф. Иоффе.

В 1938 году два его аспиранта (Ю. Маслоковец и Б. Коломиец) создали первый фотоэлемент. КПД получаемых тогда сернисто-таллиевых элементов не превышал 1 %о. Академик А. Ф. Иоффе, бессменный руководитель института, ученик знаменитого немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена, сразу же осознал значение полученных результатов. Уже тогда он предложил разработать государственную программу по «выстиланию» такими фотоэлементами крыш зданий. Тогда это предложение смотрелось как утопия и поддержки не получило. Однако сегодня мы знаем об успешной реализации в разных странах проектов под названием «1000 солнечных крыш» (Германия), «70000 солнечных крыш» (Япония), «Миллион крыш» (США) и т.д. [1, 3].

В 1938 году в Физико-техническом институте Академии Наук два аспиранта академика А. Ф. Иоффе (Ю. Маслоковец и Б. Коломиец) создали первый фотоэлемент. КПД получаемых тогда сернисто-таллиевых элементов не превышал 1 %

Космическая солнечная энергетика

С 1955 года работы по разработке и выпуску фотоэлектрических преобразователей в СССР получили интенсивное развитие во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока (ВНИИТ, город Москва), который решал задачи по обеспечению энергией всех космических объектов, запускаемых в Советском Союзе [4]. Здесь необходимо отметить огромную роль в развитии этого направления науки и техники в СССР Н. С. Лидоренко (1916-2009), д.т.н., профессора, члена-корреспондента Академии Наук СССР (впоследствии Российской Академии Наук, РАН). Его имя неразрывно связано с развитием советской космической фотоэнергетики, равно как и с развитием ВНИИТ, позднее переименованного в НПО «Квант», где он работал с 1950 по 1986 годы в должности генерального директора и главного конструктора.

В 1958 году солнечные батареи на кремниевых фотоэлементах впервые были установлены на третьем советском спутнике (а также и на американском спутнике «Авангард»). С тех пор солнечные элементы стали основным источником энергии на всех космических аппаратах на околоземной орбите [3, 4].

Шестидесятые годы были годами стремительного развития солнечной фотоэлектрической энергетики для нужд космонавтики. Во ВНИИТ использовали разработки академика РАН Г. Г. Девятых по особо чистым моносиланам для получения эпитаксиальных плёночных солнечных элементов на подложках из кремния (к.т.н. Г. А. Четверикова, д.т.н. П. А. Арсеньев), а также аморфных и поликристаллических солнечных элементов на фольге из молибдена, ниобия, подложках из графита и керамики. В 1965 году была создана многокамерная установка непрерывного перемещения молибденовой фольги с рулона на рулон с резистивным подогревом и непрерывным осаждением тонких плёнок и p-i-п-структур из аморфного кремния для солнечных элементов. Ввиду низкого КПД (2-3 %о) эти работы не получили дальнейшего развития.

Обычный планарный солнечный элемент освещается с рабочей плоской стороны, солнечный элемент с вертикальными переходами можно представить как множество скоммутированных в одной плоскости планарных солнечных элементов, освещаемых с торца параллельно плоскости р-n-перехода. Конечно, сразу возникает идея направить солнечное излучение на тыльную поверхность солнечного элемента и обеспечить его работу при освещении с двух или четырёх сторон. Так, в 1970 году были созданы двухсторонние солнечные элементы с n⁺-р-р⁺-структурой, которые на низкоорбитальных спутниках увеличивали мощность на 30 % за счёт отражённого от Земли солнечного излучения.

Для повышения КПД были предложены каскадные конструкции СЭ из полупроводников с различной шириной запрещённой зоны и тонкий СЭ с тыльным барьером, созданным с помощью гетероперехода или изотипного перехода в базе (рис. 3). В первом случае КПД увеличивается за счёт более полного использования спектра излучения, во втором случае — за счёт уменьшения рекомбинации на контакте к базе и увеличения коэффициента собирания.

Прогресс в технологии СЭ был достигнут за счёт совершенствования способа выращивания более чистых монокристаллов и применения диффузионных и ионных методов получения p-n-перехода. КПД современных СЭ из кремния составляет 14-24 %. На рис. 4 представлены спектральные и вольтамперные характеристики СЭ из кремния и арсенида галлия. Из характеристик видно, что СЭ имеют низкую ЭДС (0,60,9 В) и низкий коэффициент собирания носителей заряда у края основной полосы поглощения (не более 0,1-0,25).

Работы по созданию новых конструкций и технологий солнечных элементов продвигались очень быстро благодаря поддержке члена-корреспондента РАН Н. С. Лидоренко, д.т.н. С. Н. Рябикова, д.т.н. А. П. Ландсмана, к.т.н. А. К. Зайцевой. Была использована технология ионного легирования (к.т.н. В.В. Заддэ) и установки ионной имплантации ИЛУ-3, ИЛУ-4, созданные в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова.

Большой вклад в развитие планарных СЭ из кремния в 1950-1980 годах внесли российские учёные В. С. Вавилов, А. П. Ландсман, А. М. Васильев, Н.М. Бордина, В. К. Субашиев, А. К. Зайцева, А. Я. Глиберман, В. В. Заддэ, С. М. Рывкин, Г. М. Галкин, М. М. Колтун, В. М. Евдокимов, Ю. Д. Арбузов, Г. С. Далецкий, Н.Н. Гибадулин, В. М. Кузнецов, А. И. Козлов, В. И. Летин и др. [4-6].

Низкая ЭДС при небольшой плотности тока до 35 мА/см², соответствующей стандартной интенсивности солнечного излучения 0,1 Вт/см², не является существенным недостатком при общем напряжении солнечной батареи до 20-30 В, поскольку коммутационные потери при такой плотности тока незначительны. Однако при напряжении выше 100 В низкая ЭДС солнечного элемента является серьёзным недостатком, ухудшающим эксплуатационные характеристики энергетических установок из-за низкой надёжности последовательной коммутации большого числа элементов.

Обычный планарный солнечный элемент освещается с рабочей плоской стороны, солнечный элемент с вертикальными переходами можно представить как множество скоммутированных в одной плоскости планарных солнечных элементов, освещаемых с торца параллельно плоскости р-n-перехода

В 1967 году авторами была предложена конструкция высоковольтного матричного СЭ с р-n-переходами, перпендикулярными рабочей поверхности. Эта конструкция имеет преимущества перед планерными СЭ, поскольку линейные размеры микроэлементов могут быть сколь угодно малы. Сопротивление растекания также отсутствует, так как р-n-переход закрыт сплошным металлическим контактом. Легко заметить, что каждый микроэлемент с р-n-переходом в этой конструкции полностью аналогичен по своему устройству первому СЭ (рис. 1). В 1967 году во ВНИИТ был проведён расчёт КПД этой конструкции и исследованы её основные характеристики. Независимо от нас технология и изготовление высоковольтного СЭ были разработаны в США. В 1969 году появилась работа, в которой описан способ изготовления высоковольтных СЭ путём спайки пластин с р-n-переходами в столбик с последующей резкой столбика на матрицы, и приведена конструкция получаемого этим способом высоковольтного CЭ с р-n-переходами, перпендикулярными рабочей поверхности.

Анализ конструкций СЭ показывает, что они могут иметь самую разнообразную конфигурацию р-n-переходов, причём для увеличения коэффициента собирания необходимо увеличивать число граней с р-n-переходами и уменьшать их линейные размеры. Уменьшение линейных размеров усложняет технологию изготовления и сборки солнечных элементов, поэтому необходим групповой метод изготовления, при котором все микроэлементы одновременно проходят полный технологический цикл обработки и контроля параметров.

Наиболее просто такая технология реализуется для известных планарных матриц, которые изготовляются методом фотолитографии, и для матричных СЭ с р-n-переходами, перпендикулярными рабочей поверхности.

В 1967-1971 годах были созданы солнечные элементы из монокристаллического кремния с вертикальными р-n-переходами и на их основе возник новый класс матричных многопереходных солнечных элементов, на которые ВНИИТ во главе с Н. С. Лидоренко получил 14 патентов в США, Великобритании, Японии,

Германии, Франции и других странах. Отличительной чертой Н.С. Лидоренко было умение быстро оценивать перспективы развития новых направлений и технологий [6].

Дальнейшие исследования показали, что матричные солнечные элементы с последовательной коммутацией микроэлементов с вертикальными р-n -переходами имеют плотность напряжения 10-100 В/ см² рабочей поверхности и обладают линейными зависимостями тока и мощности в любом возможном диапазоне мощности оптического излучения, который ограничен сверху испарением кремния при сверхмощных импульсах излучения. Этот предел соответствует освещённости 10 кВт/см² (100 тыс. «солнц»), а полученная при этом электрическая мощность составила 3,6 кВт/см² при КПД 36 %. Это было сделано в 1985 году, и никто не смог повторить эти показатели до сих пор.

Анализ конструкций СЭ показывает, что они могут иметь самую разнообразную конфигурацию р-n-переходов, причём для увеличения коэффициента собирания необходимо увеличивать число граней с р-n-переходами и уменьшать их линейные размеры. Уменьшение линейных размеров усложняет технологию изготовления и сборки СЭ

На рис. 5-6 приведены выдержки из опубликованной в 1970 году в журнале «Изобретатель и рационализатор» статьи «Фотовольт — изобретение глобальных последствий». Внешнеторговое объединение «Лицензинторг» реализовало опционное соглашение с японской фирмой Sharp на $70 тыс. о передаче технической информации и образцов МСЭ.

Солнечная космическая энергетика в XX веке использовала в основном солнечные батареи из кремния, а в наземной фотоэлектрической энергетике кремний всегда доминировал с долей 85-95 %, поэтому представленный обзор посвящён в основном работам по солнечным элементам, модулям и станциям из полупроводникового кремния. Из других полупроводниковых материалов необходимо отметить каскадные гетероструктурные солнечные элементы и модули на основе полупроводников A_IIIB_V с рекордным КПД в лаборатории на уровне 42-44 % и в промышленности 30 %, достигнутыми в XXI веке.

Д. И. Наследов (1903-1975) разработал технологию роста монокристаллов GaAs, InAs и солнечных элементов на их основе. В 1970 году в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе был создан фотоэлемент на основе арсенида галлия, который имел высокий КПД. Здесь под руководством Ж. И. Алфёрова и В. М. Андреева сформировался коллектив талантливых учёных, плодотворно работающих в области получения и исследования полупроводниковых многослойных гетероструктур. В дальнейшем Ж. И. Алфёровым, академиком РАН, лауреатом Нобелевской премии, была создана научная школа и сформировано новое направление, связанное с созданием теории и практики получения, исследования и применения в различных отраслях науки и техники многослойных, так называемых «каскадных» структур на основе соединений АщВ-у. Эти устройства нашли широкое применение в различных отраслях науки и техники. Одна из таких отраслей — фотоэнергетика, где эти структуры открывают широкие возможно сти для существенного повышения КПД фотоэлементов за счёт более полного использования всего спектра солнечного излучения и повышения эффективности работы солнечных элементов при использовании концентрированного солнечного излучения (за счёт концентраторов солнечной радиации). Профессор В. Д. Румянцев из ФТИ имени А.Ф. Иоффе разработал термоэлектрический преобразователь на основе узкозонного полупроводника GaSb.

Научные разработки ФТИ имени А.Ф. Иоффе во ВНИИТ внедрялись д.т.н., профессором М. Б. Каганом, к.т.н. Б. А. Холевым на СБ из арсенида галлия для изделия «Луноход» и на ряде космических аппаратов, включая космическую станцию «Мир».

Наземная солнечная энергетика

С 1964 года начали развиваться работы по наземному применению кремниевых солнечных элементов. В 1967 году была испытана первая в мире солнечная фотоэлектрическая установка с концентраторами мощностью 250 Вт для подъёма воды в Каракумах (д.т.н. Б.В. Тарнижевский) [7]. Была разработана упрощённая технология изготовления наземных солнечных элементов (к.т.н. В. В. Заддэ, Т. И. Сурьянинова). Предложены новые модели солнечных элементов с предельным КПД до 93 %, разработаны основы теории и физические принципы работы с СЭ в условиях сильного освещения (д.ф.-м.н. В. М. Евдокимов, к.ф.-м.н. А. Ф. Милованов, к.ф.-м.н. Ю. Д. Арбузов). Созданы филиалы НПО «Квант» в Ереване (к.т.н. А. В. Вартанян) и Ашхабаде (к.ф.-м.н. Б. А. Базаров). В 1986 году создана солнечная электростанция мощностью 10 кВт с параболоцилиндрическими концентраторами в посёлке Бикрова около Ашхабада (к.т.н. С. Н. Трушевский, к.ф.-м.н. Б. А. Базаров), солнечная установка с концентраторами на основе фоконов во Владикавказе (к.ф.-м.н. А. Б. Пинов, к.т.н. Э. В. Тверьянович), солнечная станция с линзами Френеля мощностью 1 кВт в Ташкенте (к.ф.-м.н. А. И. Кулагин, к.т.н. Э. В. Тверьянович), солнечная печь с гелиостатом в Ереване (к.т.н. А. В. Вартанян, к.т.н. Э. В. Тверьянович) [8]. На солнечной печи в Ашхабаде были разработаны основы технологии легирования пластин кремния для получения солнечных элементов (к.ф.-м.н. М. Н. Остроушенко). В Ереване был создан новый класс голографических концентраторов солнечной энергии (к.т.н. В. В. Афян). Разработана технология герметизации солнечных элементов в стеклянных трубках, заполненных водородом (к.т.н. Н. В. Пульманов, к.т.н. В. Н. Потапов). Созданы новые типы высоковольтных солнечных элементов из германия (к.т.н. Г. Н. Федосова), карбида кремния (к.т.н. В. А. Тихомирова) и термофотогенераторов (к.т.н. В. А. Унишков, В. И. Поляков, к.т.н. А. А. Дормидонтов, к.т.н. В. М. Жучков, к.т.н. В. Н. Майоров, к.т.н. Л. Л. Журавлёва).

В 1990 году при поддержке директора Фраунгоферовского института солнечной энергии профессора А. Гетцербергера, председателя германской секции Международного общества солнечной энергии (ISES), была создана российская секция (ISES-Russia), секретариат которой до настоящего времени размещается в ВИЭСХ [9]

В 1987-1988 годах в ВИЭСХ перешла работать большая группа учёных из НПО «Квант». Были созданы филиалы ВИЭСХ с основными направлениями работ: в городе Чарджоу (Туркмения) — по солнечным установкам для пастбищного животноводства (к.т.н. Г. Курбанов), в Ташкенте (Узбекистан) — по солнечному опреснению воды (к.т.н. К. Д. Потаенко), в Армении — по использованию солнечной энергии в горных условиях, в городе Улан-Удэ — по использованию солнечных энергетических технологий в Восточно-Сибирском регионе (д.т.н. В.Т. Тайсаева).

Были проведены совместные работы с Московским архитектурным институтом по созданию опорных пространственных конструкций солнечных батарей (к.т.н. В. Н. Потапов, к.арх. В. Г. Никифоров), по классификации солнечных электростанций (к.арх. В. В. Дубовицкий).

В ВИЭСХ научная школа по использованию солнечной энергии в сельском хозяйстве начиналась с работ д.т.н. А. В. Дёмина — по солнечной сушке сена, к.т.н. В. П. Муругова, к.т.н. А. Т. Беленова, д.т.н. В. М. Усаковского, Г. Н. Метлова — по солнечным водоподъёмным установкам. В 1980-е годы эти исследования получили дальнейшее развитие. Была создана солнечная батарея «Фрегат» для дождевальных машин (к.т.н. Б. Я. Родичев), солнечная батарея для электроизгороди. В 1989 году началось производство солнечных элементов и модулей в ЦОПКБ ВИЭСХ (к.т.н. В. В. Заддэ, к.т.н. А. З. Шавернев, В. Н. Пузаков). В 1990 году это производство было передано в ВИЭСХ (А.И. Антоненко, В. И. Поляков, Ю. К. Кидяшев). Развивались исследования по использованию низкопотенциальной энергии Солнца и ветра (к.т.н. Н. Д. Абрамов, к.т.н. В. П. Харитонов), по солнечным коллекторам из пластмассы и с использованием стеклянных линз Френеля (к.т.н. С. Н. Трушевский), по солнечным коллекторам с вакуумными стеклопакетами (к.т.н. И. В. Митина).

Были разработаны новые технологии изготовления высокоэффективных солнечных элементов большой площади (100 см²) и двухсторонних солнечных элементов (к.т.н. В. В. Заддэ, к.т.н. И. П. Старшинов, В. И. Поляков, к.т.н. B. C. Вершинин, к.т.н. О. В. Шеповалова), плоских солнечных модулей со сроком службы 20-25 лет (Ю. К. Кидяшев, О. Ю. Берестнев), солнечных модулей с увеличенным до 40 лет сроком службы (к.т.н. В. Н. Потапов, к.т.н. И. С. Персиц), бесполимерной герметизации солнечных модулей (к.т.н. В. В. Заддэ, А. С. Нога). Разработаны основы теории солнечных концентраторов с жалюзийными гелиостатами (д.т.н. Д. И. Тепляков, к.т.н. Э. В. Тверьянович, академик РАН Д. С. Стребков, к.т.н. Е. Г. Базарова). Продолжились работы по созданию новых технологий и конструкций высоковольтных солнечных элементов с вертикальными ^-«-переходами (к.т.н. В. В. Заддэ, к.т.н. И. И. Тюхов, В. В. Симакин, В.И. Поляков, к.т.н. О. В. Шеповалова), многослойных солнечных элементов (д.ф.-м.н. В. М. Евдокимов, к.ф.-м.н. Ю. Д. Арбузов, к.т.н. Б. А. Никитин).

Проведены исследования по созданию новых бесхлорных технологий получения солнечного кремния (к.т.н. В. В. Заддэ, к.т.н. Е. Н. Белов, к.т.н. Б. А. Никитин), новых типов солнечных концентраторов (к.т.н. Э.В. Тверьянович, к.т.н. С. Н. Кивалов), современных методов проектирования и расчета солнечных энергоустановок (к.т.н. В.П. Тарасов, к.т.н. А. Е. Иродионов). Созданы гибридные ветрофотоэлектрические установки электрической мощностью 300-1000 Вт (к.т.н. А. К. Сокольский, С. А. Болотов), солнечные фотоэлектрические установки для пастбищ (к.т.н. Р. А. Алиев).

В 1990 году при поддержке директора Фраунгоферовского института солнечной энергии (ISE, город Фрайбург) профессора А. Гетцербергера, председателя германской секции Международного общества солнечной энергии (ISES), была создана российская секция (ISES-Russia), секретариат которой до настоящего времени размещается в ВИЭСХ [9].

В 1997 году при поддержке директора департамента ЮНЕСКО профессора Б. М. Берковского и генерального директора ЮНЕСКО Фредерика Майора в ВИЭСХ была создана международная кафедра ЮНЕСКО «Возобновляемая энергетика и сельская электрификация». В 2006 году решением Европейского бюро ЮНЕСКО ВИЭСХ был определён головной организацией по образованию в области солнечной энергии в Европейской сети по образованию в области возобновляемой энергетики (Euronetres).

В 2003 году созданы солнечные фотоэлектрические модули со стационарными концентраторами (д.т.н. П. П. Безруких, к.т.н. Э. В. Тверьянович, А. И. Антоненко, М. В. Ерхов, к.т.н. А. Е. Иродионов, к.т.н. Б. Д. Мамедсахатов, к.т.н. Б. И. Содномов, к.т.н. П. П. Литвинов). Существенное влияние на развитие солнечной энергетики в России оказали работы д.т.н. П.П. Безруких, д.ф.-м.н. В. М. Евдокимова, к.ф.-м.н. Ю. Д. Арбузова и В. Н. Пузакова по определению потенциалов возобновляемых источников энергии и созданию каталога оборудования по возобновляемой энергетике, выпускаемого российскими предприятиями. В 2000 году издан тематический сборник научных трудов ВИЭСХ «Возобновляемая энергетика для сельского хозяйства» (том 87), в 2005 году — монография П. П. Безруких, Д. С. Стребкова «Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии», в 2007 году монография Д. С. Стребкова, Э. В. Тверьяновича «Концентраторы солнечного излучения». По контракту с Европейским бюро ЮНЕСКО подготовлена и издана монография Ю. Д. Арбузова, В. М. Евдокимова «Основы фотоэлектричества» на русском и английском языке. В 2015 году к 85-летнему юбилею института ВИЭСХ выпустил шестое издание каталога инновационных и инвестиционных проектов, включающего 20 проектов по солнечной энергетике.

В 2003-2005 годах в ВИЭСХ была предложена глобальная солнечная энергетическая система с круглосуточным и круглогодичным производством электрической энергии. Компьютерное моделирование системы проведено к.т.н.

A. Е. Иродионовым и к.т.н. Е. Г. Базаровой. Для передачи тераваттных потоков электрической мощности в солнечной энергосистеме и для местных энергосистем в ГНУ ВИЭСХ разработаны резонансные методы передачи электрической энергии, которые продолжают работы Никола Тесла.

В 2009 году Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам отобрала из 42 тыс. изобретений РФ и включила в перечень 100 лучших изобретений патент на полупроводниковый фотоэлектрический генератор. Создано новое поколение матричных солнечных элементов с КПД преобразования концентрированного солнечного излучения 24-28 %.

Большой вклад в технологию создания и исследования характеристик нового поколения МСЭ, кроме авторов патента академика РАН Д. С. Стребкова, к.т.н. B. В. Заддэ, к.т.н. О. В. Шеповаловой, внесли бывшие сотрудники НПО «Квант», работающие в ВИЭСХ: В. И. Поляков, к.ф.-м.н. В. С. Вершинин, к.т.н. Б. А. Никитин, д.ф.-м.н. В. М. Евдокимов, к.ф.-м.н. Ю. Д. Арбузов, к.ф.-м.н. Л. Д. Сагинов, к.т.н. И. С. Персиц, к.т.н. Э. В. Тверьянович, к.т.н. В. Н. Майоров, к.т.н. В. А. Панченко.

Современные технологии полупроводниковой электроники и нанотехнологии открывают новые перспективы развития и создания в ближайшие годы кремниевых солнечных элементов с КПД до 30 % при преобразовании концентрированного солнечного излучения.

Российские учёные занимали ведущие позиции в создании технологий солнечной энергетики. В XXI веке были разработаны не имеющие аналогов в мире технологии матричных солнечных элементов из кремния с КПД = 24-28 % при преобразовании концентрированного излучения, методы удвоения срока службы солнечных модулей, предложен супер-проект по созданию глобальной солнечной энергосистемы с круглосуточным производством электроэнергии. В табл. 1 представлены основные этапы развития фотоэлектрической энергетики в России. После ухода Н. С. Лидоренко с поста генерального директора НПО «Квант» в 1986 году и перехода автора директором ГНУ ВИЭСХ в 1987 году мы продолжали встречаться по нескольку раз в год в НПО «Квант» и в ГНУ ВИЭСХ. Н. С. Лидоренко и С. В. Рябиков работали в диссертационном докторском Совете ГНУ ВИЭСХ по специальности 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии». Обсуждались планы новых работ, новые научные идеи, перспективы развития новых видов техники. До последних дней Н. С. Лидоренко был активен, продолжал сотрудничество с многочисленным отрядом своих учеников и сподвижников, оказывал поддержку молодым учёным, работающим в самых разных организациях. Последняя встреча состоялась 26 ноября 2008 году в кабинете Н.С. Лидоренко в НПП «Квант» (рис. 7).

Заключение

30 апреля 2015 года в ВИЭСХ пришло коммерческое предложение из Китая на поставку кремниевых солнечных элементов 156 X 156 мм по цене в зависимости от КПД 0,28-0,32 $/Вт и солнечных модулей из кремния электрической мощностью 30-250 Вт по цене 0,38-0,43 $/Вт. Цены в Европе и США в полтора-два раза выше. В 1960 году, когда автор этих строк пришёл во ВНИИТ, солнечные космические батареи стоили 1000 $/Вт. Таким образом, цена солнечных модулей за 55 лет снизилась в 2500 раз.

Современная цена 100-киловаттного инвертора в Китае составляет $7000, а одноосной следящей системы — 150 $/ кВт. При цене домашнего аккумулятора в $3000 все дома в мире смогут перейти на автономное солнечное электроснабжение с ценой на электроэнергию менее 0,1 $/кВт-ч, при этом существующие электрические сети будут сохранены для поставки излишков солнечного электричества в энергосистему и в качестве дублёра при длительной ненастной погоде.

В 2014 году Международное энергетическое агентство (МЭА) опубликовало технологическую дорожную карту «Солнечная фотоэлектрическая энергетика» (издание 2014 года). Установленная мощность фотоэлектрических станций в мире достигнет в 2020 году 400500 ГВт, в 2050 году — 4,6 ТВт, производство солнечного электричества составит 6300 ТВт-ч. Солнечные фотоэлектрические станции будут обеспечивать 16 %, а солнечные тепловые станции — 10 % мирового производства электроэнергии 400 тыс. ТВт-ч в 2050 году (данные интернет-ресурса www.ieg.org).

При мировом потреблении электроэнергии 20 тыс. ТВт-ч в год и доли солнечной энергетики 87,5 % необходимая общая установленная мощность СЭС составит 7 ТВт с годовой выработкой электроэнергии 2500 кВт-ч/кВт. При сроке службы СЭС 50 лет годовое производство СЭС должно составить 140 ГВт/год, что может быть достигнуто к 2030 году.

Современная цена 100-киловаттного инвертора в Китае составляет $7000, а одноосной следящей системы — 150 $/кВт. При цене домашнего аккумулятора в $3000 все дома в мире смогут перейти на автономное солнечное электроснабжение с ценой менее 0,1 $/кВт-ч, при этом существующие электрические сети будут сохранены для поставки излишков солнечного электричества в энергосистему и в качестве дублёра при длительной ненастной погоде

Таким образом, XXI век на наших глазах становится веком солнечной энергии, но история человечества сохранит память об учёных и инженерах, которые заложили физические и технологические основы развития солнечной фотоэлектрической энергетики в России.

Выводы

1. В статье были рассмотрены этапы развития солнечной фотоэлектрической энергетики в России с 1958 по 2015 годы, включая создание солнечных элементов, космических солнечных батарей, наземную фотоэлектрическую энергетику. Показана ведущая роль российских учёных в развитии кремниевой технологии солнечных элементов и модулей. Первая в мире солнечная водоподъёмная установка для подъёма воды на пастбища была разработана и испытана в пустыне Каракумы в Туркменистане в 1967 году. В России были разработаны не имеющие аналогов в мире технологии матричных солнечных элементов из кремния с коэффициентом полезного действия, равным 24-28 % при преобразовании концентрированного излучения, новые типы солнечных концентраторов, методы удвоения срока службы солнечных модулей, а также предложен супер-проект по созданию глобальной солнечной энергосистемы с круглосуточным производством электроэнергии.

2. Российские учёные из НПО «Квант» первыми в мире разработали и испытали на космических аппаратах двусторонние солнечные батареи, высоковольтные солнечные модули, солнечные батареи из арсенида галлия, рулонные солнечные батареи.

3. В области теории предложены новые модели солнечных элементов, определён предельный термодинамический коэффициент полезного действия фотоэлектрического преобразования солнечной энергии, исследованы характеристики солнечных элементов в условиях сильного освещения при работе с концентраторами солнечного излучения.