Современные солнечные панели

На протяжении многих тысячелетий человечество использовало природные ресурсы для получения энергии. Начиная с дров, которые сжигали, чтобы согреться и приготовить пищу, и заканчивая атомной энергетикой. Земные запасы оказались невечными, а потребности современного общества несопоставимо высокими, по сравнению с процессами возобновления. Самым перспективным направлением в поисках альтернативных источников энергии стали новые технологии солнечных панелей.

Гениальное изобретение

Уже в конце XIX ст. ученые стали задумываться над использованием энергии Солнца. Поводом послужила работа известного французского физика А. Беккереля – «Электрические явления, происходящие от освещения тел». В ней он описал фотовольтаический эффект – возникновения напряжения или электрического тока в веществах под воздействием света. Неоценимый вклад в 1873 г. сделал английский инженер-электрик У. Смит, открывший фотопроводимость селена. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл внешний фотоэффект, изучив выход электронов из вещества при воздействии на него светом.

Еще более полувека ученые трудились над созданием прямого преобразователя света в электроэнергию. В 1950-х гг. специалистами компании Bell Laboratories была создана первая полноценная солнечная панель. Новые технологии сразу вызвали огромный интерес в космической сфере и, спустя всего 4 года, в космос были запущены американский и советский спутники, оснащенные солнечными батареями.

Солнечная энергия сегодня

Казалось бы, зачем строить ядерные реакторы, когда чуть более чем в 8 световых минутах от нас находится термоядерный источник колоссальной энергии – Солнце. Если представить мощность фотонного потока в Ваттах, то в среднем с учетом полюс-экватор, день-ночь и лето-зима, получится 325 Вт на 1 м². Учитывая площадь поверхности земли – 510,1 млн. км², выходит, что наша планета постоянно принимает 165,7 триллионов кВт в час. 

За одни сутки от Солнца на Землю поступает столько энергии, сколько не смогут выработать за год все электростанции мира.

Преобразование световой энергии

В настоящее время использование энергии Солнца стало актуальной задачей. Ведь это самый дешевый и экологически чистый способ получения электроэнергии и тепла. По сравнению с ТЭС, конечная цена электроэнергии для потребителя обходится на 80% дешевле. Потребность в альтернативных источниках недорогой электроэнергии повысила спрос на солнечные батареи, а конкуренция между производителями дала стимул научным разработкам новых технологий.

Существует 3 способа преобразования световой энергии, которые уже широко применяются по всему миру.

Солнечные коллекторы

Это самый простой способ с применением недорогого оборудования. Принцип действия заключается в нагревании воды Солнцем. Такие установки до недавнего времени применялись в основном только в жарких странах для горячего водоснабжения. Современные коллекторы, произведенные в России, рассчитаны для эксплуатации в северных регионах. При температуре на улице — 10°C в ясную погоду они нагревают воду до 80-90°C.

Солнечные реакторы

Сравнительно новая технология, которая активно внедряется в Германии. Изначально установка была задумана для получения дешевого водорода без причинения вреда окружающей среде. Сам водород ‒ это самое экологическое топливо. В отличие от углеводородов, продукт его сгорания ‒ обыкновенный водяной пар (H₂ + 0,5 O₂ → H₂O). В ходе разработок был получен целый энергетический комплекс, способный обеспечить частное хозяйство электроэнергией, горячим водоснабжением и отоплением. В хорошую погоду электроэнергию вырабатывают батареи, а излишки энергии расходуются на получение водорода. При недостатке генерированного электричества, в ход пускается накопленный водород. Ведущие производители таких комплексных систем ‒ это компании HPS Home Power Solutions GmbH и CNX Construction.     

Солнечные панели

Прямое преобразование энергии Солнца в электрическую постоянно совершенствуется и расширяется. Стремительный рост внедрения СЭС подтверждается статистикой. В 2005 общая мощность солярных проектов составляла всего 5 ГВт, а уже в 2014 – 150 ГВт. Сегодня в мире существует множество таких электростанций, самые крупные из которых:

• «Топаз», Калифорния – 1096 МВт;
• «Agua Caliente», Аризона – 626 МВт;
• «Mesquite», Аризона – 413 МВт;
• «Solar Ranch», Калифорния – 399 МВт;
• «Хуанхэ», Цинхай – 317 МВт;
• «Каталина», Калифорния – 204 МВт;
• «Xitieshan», Цинхай – 150 МВт;
• «Нинся Qingyang», Нинся – 150 МВт;
• «Перово», Крым – 133 МВт;
• «Серебро», Невада – 122 МВт.

В России в настоящий момент работает 23 СЭС общей мощностью 250,318 МВт. К тому же применяемое оборудование постоянно модернизируется, а мощности наращиваются.

В настоящее время в стадии проектирования и строительства на территории РФ находится 31 СЭС.

Кроме крупномасштабных энергетических проектов, солнечные батареи все больше применяются в быту и в различного рода устройствах. Их устанавливают на крышах частных домов, на опорах уличного освещения, встраивают в портативные зарядные устройства, вычислительную технику и автономные приборы освещения для придомовой территории.

Среди самых необычных решений можно отметить велодорожку в Нидерландах и километровый участок автодороги во Франции, выполненные с покрытием из фотоэлементов, а в Корее разработали батарею-имплантат. Он в 15 раз тоньше волоса, предназначен для вживления под кожу и способен питать имплантированные приборы.

Принцип действия

Светоприёмная панель состоит из ячеек (модулей), которые выполняются из двуслойного полупроводникового материала, обладающего свойством фотопроводимости. Верхний слой полупроводника типа «n» имеет отрицательный потенциал, а нижний типа «p» ‒ положительный. При попадании на верхний слой лучей света происходит внешний фотоэффект. Другими словами, полупроводник «n» начинает отдавать электроны. В это же время нижний слой «p», наоборот, способен захватывать электроны. Таким образом, если замкнуть цепь, подсоединив нагрузку к слоям, электроны, покинувшие верхний слой, устремятся через нагрузку к нижнему слою. Затем через p-n переход опять возвращаются в верхний слой.

Реальные достижения

Для создания модулей применяется множество материалов, самыми эффективными по лабораторным исследованиям оказались многослойные фотоэлементы типа GaInP/GaAs/Ge, показавшие коэффициент фотоэлектрического преобразования 32%. При этом в реальности были установлены значительно большие рекордные показатели.  

Компания Sharp в 2013 г. создала трехслойный фотоэлемент на индиево-галлий-арсенидной основе, который показал результат КПД 44,4%. Их рекорд в этом же году превзошли ученые Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера. В конструкции своего фотоэлемента они применили линзы Френеля, чем добились показателя в 44,7%. Через год они превзошли сами себя и, благодаря особой фокусировке, линзы смогли достичь КПД 46%.

Современные разработки

Одно из перспективных направлений ‒ преобразование в электроэнергию всех спектров излучения. Разработки в этом направлении ведутся многими компаниями, институтами, научными центрами и результаты уже есть.

Теория наноантенн

Идея преобразования излучения Солнца в электрический ток по принципу выпрямляющей антенны, работающей в диапазоне оптических волн 0,4-1,6 мкм, появилась еще в 1972 г. и принадлежит Р. Бейли. Потенциальный КПД таких антенн в теории составит 85%. Первая попытка создать солярный преобразователь на наноантеннах была предпринята в 2002 г. компанией ITN Energy Systems, которая не увенчалась успехом. Несмотря на это, данная методика рассматривается как наиболее перспективная и исследования продолжаются.

Фотоэлементы на основе перовскита

Сегодня этот материал, как альтернатива кремнию, наиболее популярный среди производителей. Его стоимость намного дешевле, что в конечном итоге положительно влияет на цену продукта. При этом в его состав входит токсичный свинец, который долгое время пытались заменить. Группа нидерландских ученых, работая над этим вопросом, случайно совершила открытие.

Свинец заменили оловом и при тестовых исследованиях заметили странное явление. «Горячие электроны», то есть электроны с повышенной энергией, отдавали ее через несколько наносекунд, вместо нескольких сотен фемтосекунд, что значительно дольше. В обычных панелях такие электроны преобразовываются в тепло, а не в электричество. В данном случае за счет медлительности электронов появляется возможность преобразовать их в электроэнергию, до того, как они станут теплом.

Пока ученые выясняют, почему горячие электроны замедляют свое рассеивание и как можно заставить их рассеиваться еще медленнее. По словам профессора фотофизики и оптоэлектроники М. Лои, теоретические прогнозы КПД такой батареи составят 66%.

Идеальное излучение

Чтобы решить проблему поглощения светоэлементом всего спектра излучения Солнца, команда исследователей из Хайфа (Израиль) предложили нестандартное решение. В опытах они решили преобразовать солнечный свет в идеальное излучение. Для этого они разработали и применили уникальный фотолюминесцентный материал. Подобная технология используется в светодиодных лампах, где диодное свечение поглощается люминофором и преобразовывается в свечение, оптимальное для восприятия человеком. В случае с элементом, материал преобразует весь спектр излучения в свет, идеально поглощающийся панелью. По утверждению молодых ученых, преобразование света позволит увеличить конверсию в электричество до 50%.

Многослойные панели для установки на крыше

Ранее ученые из университета Нового Южного Уэльса предложили концентрировать излучение Солнца с помощью зеркал. Такая методика позволила значительно увеличить эффективность работы элементов. Сегодня эта технология применяется на множестве СЭС, однако для батарей, устанавливаемых на крышах частных домов, такая конструкция невозможна. Увеличить эффективность преобразования неконцентрированного света до 53% предложили разработчики германского научного центра Agora Energiewende.

В основе их изобретения лежит многослойная панель способная поглощать 4 диапазона света. Специальный преломляющий слой отражает инфракрасный спектр к кремниевой части и пропускает остальной свет к трехслойной панели. Первый слой ‒ индий-галлий-фосфид, второй – индий-галлий-арсенид и третий ‒ германий. Каждый поглощает свет в определенном диапазоне, и в результате получается «выжать» максимум энергии.

Теоретически конструкция идеальна, но на практике для применения на крыше возникли проблемы со сложностью обслуживания. Пока разрабатываемая для частного сектора батарея больше подходит для электростанций, но работы по ее усовершенствованию продолжаются.

Энергия днем и ночью

Особое внимание многих научных изданий привлекли разработки китайских ученых. Это не удивительно, ведь Китай в этой области держит первенство и является крупнейшим поставщиком солнечных панелей, пользующихся спросом по всему миру.

Китайские разработчики предложили панель, работающую не только в светлое время суток, но и ночью. Секрет заключается в слое люминофора с длительным послесвечением. Днем непоглощённый фотоэлементом свет задерживается люминофором, который светится ночью, отдавая энергию фотоэлементам. Хотя ночное КПД составляет всего 25%, такие батареи смогут значительно повысить эффективность солнечной энергетики.

Инженерные решения

С ростом СЭС по всему миру появляется новая проблема, особо актуальная для европейских стран. Для строительства таких электростанций необходимо большое пространство. В некотором плане эту проблему решают интеграцией фотоэлементов в дорожное покрытие и установкой светоприёмников на крышах. Но часто приходится модернизировать кровельные конструкции, а в некоторых случаях установка противоречит архитектурным особенностям. Актуальность повышения интеграционных возможностей солнечных батарей приобрела критическую отметку, поэтому над этим сегодня работают ведущие инженеры и архитекторы.

Кровля из фотоэлементов

Интересную конструкцию на конференции Solar Power International 2017 в Лас-Вегасе представила компания Hanergy. Кровельная плитка Hantiles представляет собой волнообразную черепицу со встроенными фотоэлементами. Совместив кровельный материал и фотоэлементы, сохраняется эстетический вид постройки, а кровельная конструкция не требует дополнений. К тому же по стоимости получается дешевле, чем приобретать отдельно кровлю и панели.

Облицовка стен солнечными панелями

Швейцарский центр микротехники и электроники «CSEM» предложил новую технологию по производству наружных стеновых облицовочных панелей, которые одновременно являются еще и солнечными. Особенность заключается в сохранении качеств облицовочного материала. Панели выглядят монотонно и обладают высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Пока были представлены только белые варианты, но разработчики говорят, что возможен любой цвет.

Окна с фотоэлементами

Скоро вместо энергосберегающих окон можно будет устанавливать энергогенерирующие. Инновационное окно от разработчиков национальной лаборатории Лос-Аламоса визуально ничем не отличается от простых окон. При этом в них применен однокамерный стеклопакет со встроенными квантовыми точками на основе марганца на внешнем стекле и на основе селенид меди-индия на внутреннем. Стекла выступают в роли люминесцентного концентратора и, поглощая свет, перенаправляют его к краям рамы, где он преобразуется в электроэнергию встроенными фотоэлементами.

Еще дальше пошли немецкие инженеры из Йенского университета. Они предложили смарт-окна. Идея «умных» окон не новая. Раньше другими разработчиками предлагались стекла, изменяющие светопрозрачность и вырабатывающие электроэнергию за счет заламинированных фотоэлементов. В этот раз применена принципиально новая технология LaWin. Теперь к функциям окон добавилась способность работать как освещение и отопление.

Подзарядка на ходу

Японские разработчики из института RIKEN и Токийского университета изобрели ультратонкий гибкий фотоэлемент, который не боится воды и растягивающих нагрузок. При интеграции такой батареи в текстиль можно создавать одежду с возможностью подключения мобильных устройств или любой другой электроники.