Количество солнечной энергии, падающей на Землю за месяц, больше, чем могут дать планетарные запасы нефти, газа и угля. При этом почему-то распространено мнение, что ее широкое применение — дело отдаленного будущего, тогда как во многих государствах приняты программы, предполагающие задействование солнечного ресурса в энергетике уже сейчас. Почти во всех странах Евросоюза, Юго-Восточной Азии, Латинской Америки, а также в США, Японии, Китае, Австралии проводятся мероприятия по внедрению фотоэлектрических систем (ФЭС). Народнохозяйственную целевую программу создания и развития солнечной энергетики планируется принять и в Беларуси. Председателем рабочей группы по подготовке ее концепции является директор Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси доктор физико-математических наук Владимир Кабанов.
Один из мировых лидеров в деле освоения альтернативных источников энергии — американский штат Калифорния. Предполагается, что к 2010 г. 20% его потребности в электричестве будут обеспечиваться за счет возобновляемых ресурсов. Солнцу при этом отводится одна из ведущих ролей. В южной части региона солнечные панели покроют более пяти квадратных километров крыш домов, выдавая мощность, эквивалентную четверти объема производства атомного энергоблока. Любопытно, что светило в первую очередь будет охлаждать нагреваемое им же. «Электрокрыши» помогут энергетикам справиться с наибольшими нагрузками на сеть в жаркие дни, когда все жители включают на максимум свои кондиционеры.
В более северной Беларуси проблемы жары нет. Однако считать, что у нас слишком облачно и пасмурно для развития гелеоэнергетики, неверно. У ученых и практиков в результате опытно-промышленной эксплуатации ФЭС уже не осталось сомнений, что производить электроэнергию за счет солнца в странах, сравнимых по освещенности с нашей республикой, вполне целесообразно. Яркий пример — Германия, которая к 2020 г. намерена вложить в это направление существенные средства.
Территория нашей страны расположена между 56-м и 51-м градусами северной широты, что определяет угол падения солнечных лучей, продолжительность дня и солнечного сияния, с чем связано количество поступающей солнечной радиации. В течение года угол падения солнечных лучей в полдень изменяется на 47°, продолжительность дня — более чем на 10 часов. Годовой приход суммарной солнечной радиации увеличивается от северных к южным районам — от 3500 до 4050 МДж/м2 (84—97 ккал/см2). Пасмурных дней насчитывается от 175 на северо-западе до 135 на юго-востоке, ясных — от 30—35 за год на северо-западе до 40—42 на юго-востоке. На большей части территории максимум безоблачных дней приходится на март — апрель, и только на юго-востоке — на июль — сентябрь. Продолжительность солнечного сияния составляет в среднем за год 1730—1950 часов, возрастая к юго-востоку. Она минимальна в осенне-зимний период (когда бывает до 20 дней в месяц без яркого солнца), а в остальные дни насчитывает в среднем по 3 часа. В мае — июле солнце не показывается только 1—3 дня в месяц, при этом в отдельные продолжительность сияния достигает 16 часов. Май, июнь и июль вместе дают примерно 48% годового прихода суммарной солнечной радиации, а ноябрь, декабрь и январь — только 5%.
Таким образом, в Беларуси уровень освещенности выше, чем в Германии. В то же время, по данным Европейского межакадемического совета (Амстердам, Голландия), годовое производство электроэнергии с обычной ФЭС мощностью 1 кВт на конец 2005 г. в этой стране составило 900 кВт•ч. Стационарная солнечная электростанция с рекордным КПД 20% и пиковой мощностью 1 кВт вырабатывает там за год 2 тыс. кВт•ч. Для сравнения: в пустыне Сахара этот показатель выше отнюдь не в разы — до 3,5 тыс. кВт•ч. При установке системы слежения за солнцем выход электроэнергии при тех же условиях возрастает до 2,8 тыс. кВт•ч/кВт в Германии и до 5 тыс. кВт•ч/кВт в Сахаре.
Анализ многолетних исследований показывает, что с рядовых ФЭС мощностью 1 кВт почти на 70% территории нашей страны можно было бы получать более 900 кВт•ч, на 25% — 975 кВт•ч и на 5% — 1050 кВт•ч. Это означает, что потенциальная эффективность использования ФЭС у нас только за счет благоприятных условий инсоляции на 10% выше, чем в Польше, Нидерландах, и более чем на 17% — чем в ФРГ, Бельгии, Дании, Ирландии, Великобритании, не говоря уже о странах, находящихся севернее. Словом, расположение республики, ее географическая широта, высота над уровнем моря, а также метеорологические условия не являются сдерживающими факторами для развития солнечной электроэнергетики. Главный ограничитель — цена. К сожалению, солнечные элементы все еще довольно дороги и при этом недостаточно эффективны. Правда, эксперты прогнозируют, что массовое производство батарей приведет к позитивным переменам. К примеру, в упомянутой выше Калифорнии крупные инвестиции и масштабность проекта позволили снизить стоимость одной панели вдвое.
Более 90% мирового рынка сегодня занимают солнечные элементы на кремнии: 43,4% — на монокристаллическом, 46,5% — на поликристаллическом и 4,7% — на тонкопленочном. Хотя по своим электрофизическим параметрам Si не является идеальным материалом для солнечных элементов, но он имеет преимущество перед другими за счет использования технологий, хорошо отработанных на изделиях микроэлектроники.
В нашей стране накоплен 50-летний опыт производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на монокристаллическом кремнии. На УП «Завод полупроводниковых приборов», УП «Завод «Транзистор», УП «Завод «Цветотрон» НПО «Интеграл» и РПУП «Завод «Измеритель» серийно выпускались фотоэлектрические модули малой и средней мощности. На этих предприятиях есть технологическая база, инженерная инфраструктура и квалифицированный персонал. Достижения последних лет существенно продвинули промышленную технологию в деле снижения затрат на производство подложек моно-, поли- и мультикремния для изготовления фотоэлектрических преобразователей. Прежде всего это относится к поликристаллическому кремнию, который удовлетворяет требованиям по объему производства и соответствует нужным технико-экономическим характеристикам. При этом рост выпуска солнечных элементов привел к дефициту подложек и, соответственно, увеличению цены на кремний в 3 раза. Поэтому одним из важнейших направлений является снижение его расхода за счет совершенствования процесса разрезания слитка на пластины. В Беларуси в рамках инвестиционного проекта «Субмикрон-П», выполняемого в соответствии с Указом Президента Республики Беларусь №249 от 07.07.2007 г., в 2008 г. на заводе «Камертон» (Пинск) будет введена в эксплуатацию производственная линия по изготовлению пластин кремния толщиной до 130 микрометров, пригодных для фотоэлектрических преобразователей.
В качестве альтернативы кремнию в мире разрабатываются тонкопленочные солнечные элементы на полупроводниковых соединениях: CdTe (КПД 8—10%), ? Si (КПД 6—7%), Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) (КПД 14—15%, рекорд — 19,8%), тандемных элементов ? Si m Si (КПД 8%), многослойные структуры на основе арсенида галлия (КПД ~37%).
При этом CIGS солнечные элементы считаются наиболее перспективными не только с точки зрения повышения эффективности, но и понижения цены производимой электроэнергии. Кстати, в институтах НАН Беларуси и БГУ в период с 1999-го по 2007 г. в рамках программ «Космос-РБ», «Энергобезопасность» и «Кристаллические материалы и структуры», а также проектов МНТЦ, профинансированных ЕС и Канадой, проводились научно-исследовательские работы по созданию технологии и изучению свойств солнечных элементов на CIGS на подложках из стекла и фольги из нержавеющей стали. В Академии наук отработаны основные технологические процессы, исследованы взаимосвязи между технологическими режимами и параметрами солнечных элементов и экспериментально реализованы образцы с КПД 9,6%. Одновременно с постановкой лабораторной технологии их производства с целью метрологического обеспечения в рамках двух проектов ГНТП в период с 1999-го по 2005 г. были созданы имитатор солнечного излучения и автоматизированный комплекс для измерения и расчета фотоэлектрических параметров, а также разработаны новые методы диагностики солнечных элементов. Следующий этап развития этого направления предполагает появление пилотной линии по отработке конструкторско-технологических решений и организации мелкосерийного производства.
Кроме того, не исключено, что снизить цену установленного киловатта гелиоустановок нашей стране поможет организация соб¬ственного промышленного выпуска солнечных элементов. Речь идет о возможности строительства предприятия, выпускающего фотоэлектрические системы мощностью 50 МВт/год. По оценочным расчетам специалистов НПО «Интеграл», в течение первых 10 лет работы при реализации продукции исключительно на внутреннем рынке такой завод сделает возможной ситуацию, когда солнечная энергетика сможет покрывать 6% потребностей республики в электроэнергии, а к 2030 г. — более 10%. Эксплуатационная надежность современных ФЭС гарантирует 20—25 лет непрерывной работы. Это означает, что после 2030 г. завод будет ориентирован на воспроизвод¬ство и замену энергетических установок.
Если же говорить о совсем отдаленном будущем гелиоэнергетики, то не исключено, что солнечным панелям кроме электричества доведется вырабатывать и водород, который будут использовать в качестве экологически чистого топлива. Сейчас для получения промышленных объемов этого газа применяется обычный электролиз, но фотоэлектрохимический метод обещает стать не менее выгодным. Опытная установка площадью около 65 см2 в лаборатории британской компании «Hydrogen Solar» вырабатывает несколько килограммов водорода в день. По данным ученых, если КПД системы довести до 10% и покрыть такими панелями крышу гаража, можно будет получать количество водорода, достаточное для годового пробега автомобиля на топливных элементах в 17 тыс. км.

Ситуацию комментирует заведующий кафедрой энергофизики БГУ доктор физико-математических наук, профессор Александр ФЕДОТОВ:
— В результате 10-летних исследований американскими спутниками Земли получена полная карта ее инсоляции. Распределение плотности солнечного потока показывает любопытную вещь: начиная с границы 100 км западнее Минска и дальше на восток, вплоть до России, белорусская территория получает больше солнечной энергии, чем западноевропейские площади, расположенные на той же широте. Последнее связано с сильным влиянием Атлантики и Балтики. Поскольку Беларусь от них дальше, у нас в течение года меньше облаков, туманов и т.д.
— Противники развития гелиоэнергетики ссылаются на высокую стоимость солнечных элементов.
— Действительно, в настоящий момент 1 кВт•ч, выработанный солнечными батареями, стоит дороже, чем полученный от обычной теплоэлектростанции. Но при этом, как правило, не учитывается необходимость ликвидации экологических последствий использования традиционной энергетики. Я думаю, если подсчитать все затраты, то вовсе не факт, что сжигание органического топлива окажется выгоднее. Киотский протокол и разрабатываемый сейчас мировым сообществом новый соответствующий документ будут буквально заставлять все страны снизить вредное влияние на Землю. Так что будущее в любом случае именно за «чистыми» видами энергии. И здесь солнечная энергетика имеет ряд преимуществ. Солнце — бесплатный источник, который работает всегда. Современные батареи не требуют прямого света и спокойно действуют на рассеянном. Уже сейчас интерес к данному направлению настолько велик, что огромные мировые инвестиции позволяют надеяться на серьезные технологические прорывы, способные значительно снизить цены. К тому же западные государства стимулируют такие исследования, принимая специальные законы, поощряющие использование солнечной энергии и даже напрямую дотирующие его.
— Какую долю потребления электроэнергии способна обеспечить за счет солнца наша страна?
— К 2020 г. эта цифра может достигнуть 10%.
— Не так уж много…
— Для начала это немало. Потом опыт подскажет, как действовать дальше. Вообще же, в перспективе всю энергию, потребляемую Беларусью, даже если применять солнечные батареи с КПД не более 10%, можно вырабатывать на площади 200 км2. Напомню, вся территория республики составляет 207,6 тыс. км2, то есть речь идет о тысячной части.
— Достаточно ли у нас квалифицированных специалистов, чтобы развивать направление альтернативной энергетики?
— После распада СССР остро встал вопрос обеспечения нашей страны энергоресурсами. Тем более одна из проблем Беларуси в том, что в наследство осталось много энергоемких производств. В то же время кадры, которые специализировались бы на энергосбережении, ранее не готовили. А ведь энергоэффективности нужно учить. Люди должны знать и понимать, как и за счет чего можно сэкономить потребление энергии. Этому стали уделять внимание только с середины 1990-х гг., когда в вузах начали появляться соответствующие кафедры, в том числе в 1997 г. в БГУ была создана наша кафедра энергофизики. Сегодня специалисты по энергосбережению, альтернативной энергетике востребованы везде, ощущается их значительная нехватка. У нас не бывает такого, чтобы выпускник не получил рабочего места.