ЭкоПодмосковье

Ученые Брауншвейгского университета создали и опробовали на практике новейшую систему, позволяющую более эффективно использовать солнечную энергию. Они смогли увеличить КПД солнечных батарей за счет включения в их конструкцию устройств, названных световыми воронками. Теперь батареи могут улавливать солнечные лучи, падающие под любым углом, и фокусировать их точно на фотогальванических элементах.

Правильная ориентация световых воронок позволяет преобразовывать в электрический ток максимальное количество энергии солнечных лучей.

Новый люминесцентный концентратор покрыт полимером, который способен перенаправлять энергию солнечных лучей к принимающим акцепторам, имеющим одинаковую ориентацию. От них излучение поступает на высокоэффективные фотоэлементы. Такое техническое решение обеспечивает резкое снижение потерь энергии в сравнении с этим же показателем у ныне действующих моделей солнечных батарей.

Китайцы доказали, что с юмором можно относиться ко многим вещам и даже к столь серьезным, как энергетика. Так посчитали многие, впервые увидевшие построенную около города Датун, расположенного на севере провинции Шаньси, солнечную электростанцию. При взгляде на нее с высоты видна расположившаяся на земле панда гигантского размера. Инженеры, спроектировавшие и построившие солнечную электростанцию такой оригинальной формы, назвали ее Panda Power Plant.

Рисунок большущей панды образуют тонкопленочные батареи белого цвета и черные монокристаллы кремния. Первая очередь электростанции уже введена в эксплуатации и вырабатывает 50 мегаватт электричества. После окончания строительства второй очереди солнечная энергия, перерабатываемая этой электростанцией, позволит поставлять в энергетическую систему Китая 100 мегаватт электрической энергии. Весь комплекс сооружений займет площадь в 6000 квадратных километров.

В отечественной и зарубежной печати все чаще появляются публикации о солнечных батареях, для изготовления которых используется не традиционный кремний, а относительно недавно открытый минерал, названный перовскитом. Достоинством новых солнечных батарей является их сравнительная дешевизна, но использование тормозится из-за низкого КПД. Работы по повышению эффективности батарей из перовскита в нашей стране ведет НИТУ «МИСиС». Финансирование этой программы осуществляется на основе мегагранта Министерства образования и науки России.

Процесс изготовления из перовскита фотоэлементов

Перовскит, являющийся природным минералом титаната кальция (CaTiO3), открыли в районе Уральских гор в 1839 году, но его подлинные возможности были выявлены совсем недавно, в связи с чем в 2013 году он был назван «прорывным материалом». Кристаллическая структура этого минерала напоминает куб неправильной формы, что характерно для соединений со свойствами полупроводников. Для изготовления фотоэлемента нужен очень тонкий слой перовскита. В процессе изготовления используются также свинец и растворенный в диметилформамиде металлоорганический иодид. Все составляющие наносятся на подложку, в качестве которой, как правило, используется органический полимер. Процесс изготовления завершается их обжигом при температуре от 90 до 110 градусов по Цельсию. При этом из молекул перовскита образуется поликристаллическая пленка, превращающаяся в гибкие полупрозрачные панели. Из кремния такие панели получить невозможно. Работы по созданию из перовскита солнечных батарей начинались с использования жидкого электролита, в результате чего фотоэлементы получались недолговечными. Замена жидкой фракции электролита на твердую увеличила КПД таких фотоэлементов до 15%.

Принцип работы перовскитных фотоэлементов

Фотопроводящий слой из перовскита в фотоэлементе оказывается зажатым двумя полупроводниками, предназначенными для переноски электрического заряда. Энергия электронов в этих полупроводниках различная, поэтому их разделяют по уровням. Ученые исследовали три верхних уровня, где наблюдается перемещение носителей заряда. На нижнем уровне (в валентной зоне) электроны практически не способны передвигаться. Законы природы не позволяют им перескакивать на следующий уровень, а для прыжка через уровень электронам нужна энергия. Такая энергия есть в солнечном свете, который как бы подталкивает электроны. Электроны, прыгая в зону проводимости, оставляют на своем месте положительный заряд, названный дыркой. Через полупроводниковый слой электроны перемещаются к катоду, а через другой полупроводник двигаются к аноду дырки. В конструкции фотоэлементов из перовскита полупроводниковые слои являются как бы приемщиками носителей электрического заряда, доставляя их к электродам фотоэлемента.

Перспективы повышения КПД у перовскитных солнечных батарей

Максимальное значение КПД у современных батарей на кремниевой основе равняется 26,6%. У батарей из перовскита наибольшее значение КПД - 22,7%. Однако увеличение эффективности солнечных батарей из перовскита, по общему убеждению, лишь вопрос времени. И вскоре мы наверняка станем свидетелями замены кремниевых солнечных батарей на более дешевые и эффективные - перовскитные.

Ученые США разработали технологию создания термохромных оконных стекол. Для этого они использовали нанотрубки из углерода и кристаллы перовскита (титаната кальция). Новый материал превращает солнечные лучи в электрический ток с эффективностью, значительно большей, чем у существующих солнечных батарей, изготовленных из поликристалла кремния. КПД вновь созданного материала превышает 11%.

В отсутствии света термохромные стекла прозрачные, но при попадании на них солнечных лучей молекулы метиламина нагреваются и высвобождаются, тонируя стекло. Процесс превращения прозрачного стекла в солнечную батарею длится около трех минут. Пока что после 20 циклов использования производительность материала снижается. Но после увеличения эффективности работы термохромные стекла предполагается использовать для установки на автомашинах и в окнах домов, а также для зарядки мобильных телефонов и другой электронной техники.

Разработчик — коллектив молодых ученых «Polytech Solar Team» (С.-Петербург). Проект стартовал весной позапрошлого года. Пока о будущем детище отечественного солнечного автопрома известно мало. Корпус планируется изготовить из редких композитных материалов, применяемых в космических технологиях, ракетостроении. За счет этого номинальный вес автомобиля не превысит 2 центнера.

Команда пошла по пути импортозамещения, где уровень использования российского сырья достигает 80%, что является беспрецедентным показателем для научного проекта. Солнечные панели площадью 4 м2 будут располагаться на лицевой стороне корпуса. Дополнительно предусмотрена система рекуперации при торможении, характерная для электрокаров и гибридов. Кинетическая энергия, возникаемая в момент торможения, перенаправляется в аккумулятор для других целей, например, последующего разгона.Одноместный автомобиль на солнечных батареях будет развивать скорость почти 150 км\ч.

Мощности используемых до настоящего времени в автомашинах свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АКБ) уже недостаточно для обеспечения работы все большего количества устанавливаемых в кабинах автомобилей энергоемких приборов и систем (кондиционеров, холодильников, компьютеров, навигаторов, мультимедиа центров, предпусковых подогревателей, радар-детекторов и пр.). Участились случаи выхода аккумуляторов из строя из-за недозаряда и сульфатации.

Решение руководителей компании Volvo Trucks о замене традиционных аккумуляторов на гелевые с двумя независимыми электроконтурами позволит улучшить условия труда для водителей грузовиков. Устанавливаемая на автотягачах Volvo сдвоенная система гелевых аккумуляторов состоит из двух независимых комплектов, один из которых предназначен только для запуска двигателя, а второй обеспечит электропитание оборудования, находящегося непосредственно в кабине.

Технологии выработки солнечной энергии развиваются несколькими путями, но простому потребителю известны чаще всего выносные солнечные батареи и панели для крыш. Знаменитый проект Илона Маска, рассчитанный на обеспечение электроэнергией жилых домов без затрат на топливо уже приобрел популярность благодаря простоте задумке и относительной выгоде при планировании на ближайшие 30 лет. Именно столько времени по обещаниям Маска будут работать разрабатываемые им «солнечные крыши». Отличие этих крыш от обычной черепицы состоит в том, что солнечные элементы с кварцевым покрытием похожи на обычное кровельное покрытие, но при этом полностью функциональны и занимают всю доступную полезную площадь.

Приблизительная стоимость кровельного комплекта от Tesla выше, чем стоимость большинства стандартных покрытий, но меньше, чем кровля с креплениями для полноценных солнечных батарей, которые могут испортить внешний вид дома. При этом цена достаточно высока даже для американского потребителя (на которого и рассчитана), особенно с учетом стоимости системы Powerwall 2, которая необходима для правильного преобразования, хранения и распределения накопленной энергии. Окупаемость проекта с точки зрения конечного потребителя остается неопределенной. При стоимости полноценного солнечного покрытия с защитным и декоративным слоем, равной 50 000 долларов, суммарная экономия по счетам в следующие 30 лет составит едва ли больше 70 000 долларов.

А что кроме кровли можно превратить в источник энергии?

Сотрудники Тесла постоянно улучшают конструкцию кровельных панелей для выработки энергии, и обещают сделать электроэнергию доступной и, в каком-то смысле, бесплатной. Но не только крыша дома может участвовать в выработке электричества для бытовых нужд. Сотрудники Национальной лаборатории возобновляемой энергии Минэнерго США предлагают решить сразу несколько задач, связанных с окнами в частных домах. Первая задача связана с поиском альтернатив кровельным встроенным и выносным солнечным панелям, вторая – с излишним световым потоком, для защиты от которого жители солнечных регионов вынуждены прибегать к различным хитростям. Новая технология, разрабатываемая в стенах лаборатории, может решить обе задачи за счет превращения стандартных оконных стекол в термохромные солнечные панели с изменяемой прозрачностью.

Стекло, которое может быть прозрачным или тонированным в зависимости от времени суток и интенсивности светового потока, создано на базе однослойных углеродных трубок и перовскита. Молекулы метиламина, содержащиеся между слоями стекла, реагируют на свет и высвобождаются при достаточно высокой его интенсивности, делая стекло более темным. Затеняющий слой пока не удается сделать долговечными, уже через 20 циклов затемнения-осветления производительность такой переменной батареи значительно снижается. Когда ученым Национальной лаборатории возобновляемой энергии удастся решить эту проблему, новые стекла можно будет адаптировать для использования не только в недвижимости, но и в автомобилестроении. Интересна степень затемнения – под воздействием солнечного света стекло пропускает всего 3% видимого спектра лучей.

Уже сейчас КПД такой батареи составляет 11,3%. Будущие усилия авторов проекта будут направлены как на повышение эффективности светочувствительного слоя, так и на повышение срока его службы в стандартных условиях суточного светового цикла. Приблизительная стоимость одного квадратного метра "энергетического" стекла пока называется.

Голландские ученые смогли повысить эффективность солнечных батарей на целых 66%. Они создали новый вид солнечных батарей гибридного типа. Такие конструкции отличаются высоким КПД. Стандартные батареи, которые используют во всем мире, быстро разряжаются и неэффективно расходуют накопленный заряд. Новинки отличаются тем, что долгое время обеспечивают оборудование энергией.

Гибриды были созданы на основе первокситов в Гронингенском университете. В новых установках решены сразу две проблемы. Обычно при малом количестве энергии в батарее фотоны просто проскальзывают сквозь модуль. При появлении избытков энергия утрачивается. Новые модули имеют не свинцовые, а оловянные элементы.

Благодаря особенностям конструкции напряжение установок может быть повышено на целых 66%. Разработка будет полезна в частных домах и на предприятиях. Универсальные мощные солнечные панели помогут всем быстрее перейти на "зеленую" энергию.

Саудовская Аравия планирует инвестировать до 7 млрд. долларов в проекты, направленные на развитие возобновляемой энергетики. Для реализации таких проектов необходимы качественные панели в большом количестве. В Министерстве энергетики России сообщили, что РФ уже ведет переговоры о таких поставках. Кроме того, Российский фонд прямых инвестиций готов тоже вложить средства в аналогичные проекты.

Сообщается, что несколько миллиаров долларов фонда будут вложены в проект Neom. Это проект города в Саудовской Аравии, где будут развивать только экологически чистую энергетику, робототехнику, биотехнологии и цифровые технологии. Конкретная сумма не называется, как и сроки инвестирования средств.

Вложения в технологии будущего окупятся. Мир стремительно меняется, и новые источники энергии становятся более востребованы, чем традиционные нефть и газ. И компании, которые пока этого не понимают, в будущем останутся ни с чем.

По всей вероятности, известная автомобильная корпорация Nissan решила составить серьезную конкуренцию американской Tesla. Пока не известно, собираются ли японцы проектировать и выпускать другие машины на электрической тяге, помимо уже производящегося Nissan LEAF, но что касается солнечных батарей и систем хранения энергии, предназначенных для использования в домашних хозяйствах, то на этом рынке они уже начали действовать, причем достаточно активно.

Недавно Nissan представила на суд специалистов и широкой публики свою новейшую разработку: систему Nissan Energy Solar. По словам представителей компании, ее предполагается продвигать на рынке Великобритании, предлагая английским домовладельцам в качестве дополнения к централизованным, стационарным системам электроснабжения. Если на Туманном Альбионе продажи этой системы пойдут успешно, то ее будут выводить и на рынки других европейских стран (каких именно — это пока не уточняется).

В стандартный комплект Nissan Energy Solar входит шесть солнечных панелей и аккумуляторная батарея xStorageHome. Она предназначена для того, чтобы запасать электрическую энергию в течение того времени суток, пока светит солнце, и отдавать ее ночью или же в пасмурные дни. Компания Nissan уже полностью готова начать продажи таких «солнечных комплектов», причем она уже определилась с ценой на их компоненты. Объявлено, что набор из шести солнечных панелей будет обходиться покупателям в 5393 доллара США, а сто касается аккумуляторной батареи, то ее цена определена в 10611 долларов США.

Эксперты в области электроэнергетики Великобритании пока воздерживаются от оценки того, каковы коммерческие перспективы нового проекта автомобильного концерна Nissan. Некоторые из них, правда, осторожно отмечают, что основания для того, чтобы он оказался действительно успешным, у японцев все же есть. Дело в том, что в Великобритании в последние годы альтернативная энергетика (в том числе и солнечная) становится все более популярной. Согласно последним обнародованным статистическим данным, на сегодняшний день в этой стране солнечными батареями оборудовано уже более 880 000 домохозяйств, причем с каждым днем эта цифра постоянно растет.

«Собственное» электричество, выработанное благодаря энергии Солнца, не покрывает полностью потребности в энергии, однако благодаря его использованию суммы в счетах, приходящих из электроэнергетических компаний, очень существенно сокращаются. Кроме того, как утверждают риэлторы, дома, оборудованные солнечными панелями, более привлекательны для потенциальных покупателей. Причина тому проста: приобретая такое жилье, рачительные англичане точно знают, что их эксплуатация обойдется дешевле, чем тех, на крышах которых этих устройств пока нет.

Франсиско Карранса, занимающий ныне пост исполнительного директора подразделения Nissan Energy, в интервью средствам массовой информации, данном им по поводу старта проекта Nissan Energy Solar в Великобритании, отметил, что на сегодняшний день именно солнечные панели являются тем источником энергии, продажи которого растут наиболее стремительными темпами. Он также отметил, что вырабатываемое именно этими системами электричество даст возможность британским владельцам автомобилей Nissan LEAF не полагаться полностью на общедоступные зарядные станции, а пополнять запасы электричества в этих машинах дома.