Меню

Электрические токи в солнечной системе

Устройство и принцип работы солнечной батареи: схема и комплектующие, история создания

Уже почти два века человечество напряжённо думает, где и как достать необходимое количество электрической энергии для своих многочисленных изобретений и возрастающих потребностей.

За это время появились могучие электростанции, масштабные ГЭС, сила расщеплённого атома и мощь бурных рек пришла на помощь человечеству.

Особенно стремительно развиваются в различных регионах Земли в последние десятилетия такие альтернативные источники энергии, как ветровые станции и солнечные батареи.

Учитывая, что угасание Солнца ожидается лишь через 4-5 млрд. лет, такой источник энергии, как солнечные батареи можно считать неисчерпаемым. Поговорим о нём. Что это такое, откуда взялось и как устроено.

Изобретение

Древний инсолятор

Первым, кто смог экспериментально обнаружить взаимодействие между светом и электрической энергией, был знаменитый немецкий физик Генрих Герц. Также известно, что явление, аналогичное открытому позднее фотоэффекту наблюдал и исследовал в 1839 г. Эдмон Беккерель.

Он сумел выяснить, что ультрафиолет значительно способствует возникновению и прохождению разряда между двумя проводниками электрической энергии. Однако, проведя ряд экспериментов, Герц не стал больше развивать эту тему.

Первую в мире, работоспособную схему по выработке и передаче электрической энергии с применением лучей света произвёл русский учёный из Москвы Александр Столетов. Он создал прообраз первого в мире фотоэлемента.

Француз Огюст Мушо в конце позапрошлого столетия сумел создать систему, при которой сфокусированные и преобразованные солнечные лучи приводили в движение печатную машину.

Развитие исследований по преобразованию солнечной энергии в электрическую в 20 веке ознаменовалось работой А. Эйнштейна по открытию фотоэффекта (явление отрывания заряженных частиц от поверхности некоторого вещества, находящегося под действием другого вещества или света).

Это привело к появлению первых фотоэлементов на основе селена (Se – 34), а затем и таллия (Tl – 81). В 1930 гг. учёными-физиками Академии наук СССР был создан медно-таллиевый (Cu-Tl) фотоэлемент с наибольшим для тех времён КПД в 1%.

Появившиеся позднее фотоэлементы на основе Кремния (Si-14) имели в 6 раз больший КПД. В 1953 г. была разработана первая в мире солнечная батарея. Спустя всего 5 лет учёные СССР установили первые солнечные батареи на искусственный спутник Земли №3.

Спутник с СБ

В 1970-х гг. прошлого века учёные выяснили, что полупроводники лучше многих металлов образуют электрический ток из света. С тех пор появилось множество новых видов и материалов для производства солнечных батарей.

Именно открытие фотоэффекта, произведённое А. Эйнштейном, и привело к возникновению и развитию индустрии солнечных батарей.

Как устроена

Схема получения энергии СБ

Итак, солнечная батарея – система взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет, используя принцип фотоэффекта, преобразовывать попадающий на них под определённым углом солнечный свет в электрический ток.

Система, преобразующая солнечный свет в электрическую энергию состоит из следующих комплектующих элементов:

    Материал-полупроводник (плотно совмещённые два слоя материалов с разной проводимостью). Это может быть, например, монокристаллический или поликристаллический кремний с добавлением других химических соединений, позволяющих получить нужные для возникновения фотоэффекта свойства.

Для возникновения перехода электронов из одного материала в другой необходимо, чтобы один из слоёв имел избыток электронов, а другой – их недостаток. Переход электронов в область с их недостатком называют p-n переходом.

  • Тончайший слой элемента, противостоящего переходу электронов (размещается между этими слоями).
  • Источник электропитания (если его подключить к противостоящему слою, электроны смогут легко преодолевать эту запорную зону). Так возникнет упорядоченное движение зараженных частиц, именуемое электрическим током.
  • Аккумулятор (накапливает и сохраняет энергию).
  • Контроллер заряда.
  • Инвертор-преобразователь (преобразование получаемого от солнечной батареи постоянного электрического тока в переменный ток).
  • Стабилизатор напряжения (предназначен для создания напряжения нужного диапазона в системе солнечной батареи).
  • Схематическое изображение СБ

    Фотоны света (солнечный свет), попадающие на поверхность полупроводника при столкновении с его поверхностью передают свою энергию электронам полупроводника. Выбитые вследствие удара из полупроводника электроны преодолевают защитный слой, имея дополнительную энергию.

    Таким образом, отрицательные электроны покидают p-проводник, переходя в проводник n, положительные – наоборот. Такому переходу способствуют существующие в проводниках на тот момент электрические поля, которые в последствие увеличивают силу и разность зарядов (до 0.5 В в небольшом проводнике).

    Намереваясь приобрести солнечную батарею или изготовить её, тщательно просчитайте:

    • стоимость такой батареи и необходимого оборудования;
    • необходимое вам количество электрической энергии;
    • количество необходимых вам батарей;
    • число солнечных дней в году в вашем регионе;
    • необходимую вам площадь для установки солнечных батарей.

    Сила тока

    Сила электрического тока в солнечном элементе зависит от таких факторов, как:

    • количество света, попавшего на поверхность элемента;
    • интенсивность излучения источника света;
    • площадь принимающего фотоны элемента;
    • угол падения света на принимающий элемент;
    • время эксплуатации элемента;
    • КПД системы (в настоящее время у самых передовых аналогов он составляет не более 24%. О КПД солнечных батарей Вы можете прочитать в этой статье.);
    • температура окружающего воздуха (чем выше она, тем больше у элемента сопротивление).

    Элементы для улучшения работы

    Солнечный трекер

    Для организации более эффективной работы фотоэлементов в конструкции солнечной батареи используют диод Шоттки.

    Он представляет собой диод полупроводникового типа, который имеет меньше по сравнению с другими конструкциями падение напряжения при включении напрямую.

    Он работает на основе использования перехода p-n типа в среде “металл-проводник”. Сравнение с кремниевыми диодами показывает, что прямое напряжение снижается в среднем с 0,65 В до 0,35 В, что способствует росту КПД системы.

    Для более эффективного попадания солнечного света на поверхность батареи разработано и используется специальное устройство – солнечный трекер. Данное устройство предназначено для слежения за движением Солнца и поворота солнечной панели (батареи) таким образом, чтобы на её поверхность попадало как можно больше солнечных лучей (оптимизация угла падения лучей).

    Для более рационального соединения двух и более панелей солнечных батарей и получения нужного сопротивления в такой системе используются специальные сертифицированные коннекторы, например МС4 Т (male+female).

    Преимущества и недостатки

    Положительными чертами данного вида выработки энергии являются:

    • экологичность (не загрязняет окружающую среду);
    • долговечность (при бережном использовании фотоэлементы прослужат несколько десятков лет);
    • достаточно простой принцип работы.

    Минусами системы являются:

    • сложность сборки самой системы и наладки её работы;
    • низкий КПД (требуется очень большая площадь солнечных батарей для обеспечения нужд даже небольшой семьи. Для 3-4 чел, потребляющих 200 Кв в месяц, нужно 12-15 кв. метров батарей);
    • достаточно высокая стоимость и низкая окупаемость системы.

    Использование солнечной энергии в мире

    Немецкий комплекс СБ

    Многие государства всерьёз задумались о масштабном производстве и использовании солнечной энергии.

    Лидерами по производству энергии с помощью солнечных батарей являются США, Япония и Германия.

    Производство солнечной энергии получает своё развитие и в России.

    В настоящее время в РФ уже построено следующее количество установок по производству солнечной энергии:

    • Краснодарский край – 46 ед.;
    • Дагестан – 8 ед.;
    • Ставропольский край – 2 ед.;
    • Бурятия, Хабаровский край, Костромская область – по 1 ед.

    Бурное развитие данной отрасли во всем мире оставляет надежду на то, что в будущем этот неисчерпаемый источник экологичной энергии станет основным для населения планеты.

    Смотрите видео, в котором подробно рассказывается об устройстве и производстве солнечных панелей:

    Источник

    Электрические токи в солнечной системе

    Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина . Подробнее

    Б.И. Горбачёв, старший научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук, участник ЛПА на ЧАЭС

    «Платон мне друг, но истина дороже»

    Засекреченность материалов уголовного дела по Чернобыльской аварии породила много разных версий её причин. Так в конце ХХ века пошла мода на геотектонические версии.

    Мы сидели с первым заместителем директора Курчатовского института В.А.Легасовым на партийно-хозяйственном активе в Министерстве среднего машиностроения. Было утро выходного дня 26 апреля 1986 года. Тогда подобные мероприятия в нерабочий день как раз входили в моду. Министр Е.П.Славский долго рассказывал об успехах отрасли и вскользь упомянул об инциденте на Чернобыльской АЭС. Вскоре Валерия Алексеевича позвали к руководству. Через какое-то время он вернулся и сказал: «Езжай в институт один, я улетаю в Чернобыль».

    Читайте также:  Гэт 4 91 государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока

    Дополнительные доказательства

    Б.И. Горбачёв, старший научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук, участник ЛПА на ЧАЭС

    26 апреля 2021 года исполняется 35 лет со дня Чернобыльской аварии. Но дискуссии о её причинах и обстоятельствах всё ещё продолжаются. Это, в частности, подтверждают жаркие дискуссии об авторе «двойного приказа», которые разгорелись на сайте ПРоАТОМ в 2020.

    Б.И.Нигматулин, д.т.н., профессор

    Неудовлетворительная подготовка командиров всех уровней, слабая оснащенность военной техникой и боеприпасами, низкое качество разведки и связи, плохая работа штабов – обо всем этом шла речь на том совещании. Приведу часть диалога между Сталиным и командующим 9-й армией Чуйковым во время выступления последнего:

    Олег Фиговский, Департамент Науки, Технологий и Образования Альянса Народов Мира

    На прошлой неделе был опубликован доклад World Happiness Report, цель которого — выяснить, жители какой страны чувствуют себя наиболее счастливыми. Доклад был составлен под эгидой ООН. Авторы доклада рассчитывали индекс счастья как разницу между теми, кто считает себя счастливыми, и теми, кто считает себя несчастливыми.

    Взгляд на Чернобыль с иной стороны

    М.В.Шавлов, лауреат Госпремии СССР и Премии Совета министров СССР

    Тридцать пять лет уже отделяют нас от катастрофы на Чернобыльской АЭС. Своего рода юбилей. Мы досконально осведомлены о том, что персонал станции нарушил при реализации запланированной программы. Но… у него, как говорится, за «спиной» была защита, то есть кнопка АЗ-5 на останов самого реактора. Однако персоналу было абсолютно неизвестно, что данное состояние самого реактора по физике, его конструктивные недостатки стержней СУЗ превратили защиту в запал (в команду на взрыв), что и произошло при обращении персонала к этой кнопке.

    Попытки представить себе более-менее отдалённое будущее обречены на неудачу, так как невозможно предусмотреть всю сумму обстоятельств, при которых оно наступит. Об этом гласит и древняя мудрость: «Хочешь насмешить Господа – расскажи Ему о своих планах». Так что любые предсказания, прогнозы и стратегии делаются не столько для их исполнения, а скорее становятся точкой отсчёта для периодической корректировки курса, учитывающей новые условия.

    Потребность изотопного разделения воды по протию (обычному водороду), дейтерию и тритию возникает в различных отраслях: получение тяжёлой (D2O) воды для атомной отрасли; очистка воды от трития (например, ликвидация последствий на АЭС «Фукусима»); снижение природной концентрации тяжёлых изотопов водорода в воде для биологических и медицинских целей и т.д.

    С.В.Коровкин, Главный специалист АО «Атомэнергопроект»

    Переход к шестому технологическому укладу, предполагающий полную цифровизацию и роботизацию всех сторон жизни, тормозится проблемой трудоустройства высвобождающейся рабочей силы. ГК «Росатом», как флагман цифровизации в РФ, не мог остаться в стороне от решения этой острейшей проблемы. Новейшей разработкой, позволяющей в значительной степени решить вышеуказанную проблему, является технология «эксплуатация без генерации».

    Например, возможное их применение при производстве сжиженного метана и водорода, атомарного углерода для технических алмазов и углеродных нитей

    Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов

    В части 1 статьи приведены перспективы развития атомной электроэнергетики в условиях капитализма, лоббирования ложных тезисов о «зеленой энергетике», о парниковом эффекте, о прорыве в отрасли и др.

    Н.А.Кузьмин, зампредседателя Постоянной комиссии по экологии и природным ресурсам Заксобрания Ленобласти; О.В.Бодров, гендиректор ООО «Декомиссия», председатель ОС южного берега Финского залива; А.А.Талевлин, к.ю.н., доцент кафедры Атомного права УрГУ

    24 марта 2021 г. большинство депутатов-единороссов в Законодательном Собрании Ленинградской области заблокировало законопроект [1] Н.А.Кузьмина (КПРФ, на фото справа), позволяющий Законодательному Собранию публично обсуждать и участвовать в принятии решений при размещении атомных объектов на территории области.

    Владимир Долгих, ветеран атомной энергетики и промышленности, журналист

    Грядущее общественное обсуждение проекта экотехнопарка «Западная Сибирь» в исполнении одной из структур Росатома вызвало немалый интерес в социальных сетях. Запомнилось «соло» депутата думы Северска Владимира Петрова. К своему выступлению он приложил невесть где разысканный клип песни «Мы желаем счастья вам». «Счастья желало» начальство с Большой Ордынки. Мне же, честно говоря, не сразу удалось понять, что же за «парк» хотят разбить в окрестностях Северска?

    Блок № 2 ЛАЭС-2 введен в промышленную эксплуатацию

    Блок № 2 ЛАЭС-2 (блок № 6 Ленинградской АЭС) — четвертый блок с реактором ВВЭР-1200 в России, введен в промышленную эксплуатацию 22 марта. Опытно-промышленная эксплуатация блока началась в конце октября и завершилась 15-суточными комплексными испытаниями; в процессе ее было убедительно доказано, что энергоблок готов работать в полном соответствии с проектом.

    Б.И.Нигматулин, д.т.н., профессор

    На войне невозможно выдать поражение за победу. Сегодня в мирное время очевидные неудачи в экономике и социальное политике нередко замалчиваются, критические замечания игнорируются. В итоге стараниями провластных СМИ создается благостная картина, противоречащая действительности. Однако даже из уст Сталина звучали призывы к свободной дискуссии, вовлечению в «работу головой» среднего и младшего комсостава.

    «…Три порядка нестыковка…»
    Книга ЭБЯЭ – действительно достойная книга, но с точки зрения физики реакторов, и с целым рядом гипотетических допущений. Критика существующего парка АЭС, критика БН с МОКС совершенно справедливы, и за это стоит прочитать эту книгу. Вообще, подход, разработанный авторами книги правильный. И если бы свой подход они хотя бы немного соотнесли с реальностью достижений радиохимии, то получилось бы неплохо. Можно сказать, что последние 10 лет я только тем и занимался, что добавлял эту книгу данными по реальной радиохимической переработке ОЯТ, и сравнивал, как изменяются цифры, приведенные в расчетах.

    Согласно самым первым публикациям, посвященным выделению металлов платиной группы (МПГ) из отработавшего топлива АЭС, и проведенным в те годы расчетам, к 2025- 2030 г. количество МПГ в отработанном топливе должно сравняется с их запасами в прогнозируемых рудных источниках. Действительно, отработавшее топливо АЭС, в отличие от природных руд платиновых металлов, является возобновляемым ресурсом. Оценку накопления платиноидов не трудно сделать на основании анализа имеющихся программ развития ядерной энергетики, (количеству выгружаемого топлива) и данных по содержанию в нем МПГ. И, казалось бы, при наличии экономически приемлемых технологий извлечения платиновых металлов из ОЯТ, нет оснований опасаться истощения сырьевых источников платиноидов (Pd, Rh, Ru) [1, 2]

    Дементий Башкиров

    Статья для «ПРоАтом» в ответ на статью «Приемлемость замыкания топливного цикла ядерной энергетики». Е.П. Велихов, А.О. Гольцев, В.Д. Давиденко, А.А. Ковалишин, Е.В. Родионова, В.Ф. Цибульский, НИЦ «Курчатовский институт», Москва. А.В. Ельшин, ФГУП НИТИ им. А.П. Александрова, Сосновый Бор, Ленинградская обл.. Приведенный в статье «Приемлемость…» (далее – Статья) метод расчета накопления в ОС (окружающей среде) на примере тридцатилетних радионуклидов — один из простых способов критики «Прорыва»

    В статье обсуждается проблема топливообеспечения перспективной крупномасштабной ядерной энергетики. В силу ограниченности ресурса природного урана топливом для будущего должны стать искусственные делящиеся изотопы. Эта задача предполагает замыкание топливного цикла, переработку всего объёма отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с целью выделения из него новых делящихся изотопов. Однако, как показано в статье, безвозвратные потери, присущие процессу переработки ОЯТ, накапливаясь, создают радиационную нагрузку на окружающую среду, которая в сотни раз превышает существующий уровень. Это обстоятельство затрудняет экстракцию делящихся изотопов из ОЯТ реакторов деления и мотивирует использование других источников нейтронов, чтобы наработать требуемое количество делящихся изотопов, сохранив при этом низкий уровень радиационной нагрузки. Таким источником нейтронов могут стать гибридные термоядерные реакторы, в бланкете которых из ториевого сырья накапливается 233 U.

    Проблема радиоактивных отходов вызывает живой интерес у людей как причастных к атомной энергетике, так и непричастных. У последних, может быть даже больше, чем у первых, так как радиофобия на фоне глобальных катастроф в Чернобыле и на Фукусиме вполне объяснимое и оправданное чувство. К сожалению, работа ядерных реакторов деления на уране неизбежно сопровождается производством и накоплением очень опасных для человека радионуклидов. И хотя некоторые из производимых радионуклидов могут приносить людям ощутимую пользу в медицине, науке и технике, с подавляющим большинством этих радионуклидов, которые называют радиоактивными отходами (РАО), человеку лучше никогда не сталкиваться

    Читайте также:  Защита при токов удар

    Великое северо-восточное землетрясение» 11 марта 2011 года привело к огромным разрушениям и гибели около 20 тыс. человек. Реакция на японскую катастрофу оказалась, увы, предсказуемой. Жертвы и разрушения стали быстро забываться, оставаясь в памяти лишь японцев, в мире же сохранилась лишь «страшная ядерная авария», последствия которой отчётливо прослеживаются и через десять лет после события. Мир снова ярко продемонстрировал многополярность ядерно-энергетической политики. Спектр деклараций был предельно широк: от «ничего не изменится» до «немедленно отказаться».

    Источник

    Что такое солнечное электричество?

    Что такое солнечное электричество

    Энергия Солнца является доступным видом возобновляемых энергетических источников для промышленности. Многие предприятия устанавливают солнечные фотоэлектрические системы для того, чтобы получать собственную электроэнергию, компенсировать часть выбросов двуокиси углерода в атмосферу, уменьшив углеродный след.

    Компоненты солнечной энергетической системы

    Каждая автономная установка начинается с фотоэлектрических панелей, захватывающих энергию Солнца и превращающие её в энергию постоянного тока. Эти панели, устанавливают на крышах или на специальных креплениях. Устройство, которое объединяет отдельные панели солнечных батарей называется объединитель. Он пропускает через себя электрические токи, генерируемые панелями, и отправляет их на инвертор. Это устройство, который принимает энергию постоянного тока, вырабатываемую фотоэлементами, и превращает её в переменный ток, соответствующий электрическому стандарту большинства коммерческих объектов.

    В установках, работающих на солнечной энергии, необходим контроллер заряда, который при необходимости разъединяет систему здания от аккумуляторов автономной энергоустановки. Требуется подключение к преобразователю напряжения электрической панели, чтобы сделать доступным для электроприборов здания напряжение питания переменного тока от аппарата инвертора.

    Счётчик учёта потребления имеет важное значение для измерения электрической мощности, создаваемым солнечной установкой и электроэнергии, потребляемой зданием. Необходимо заметить, что экономически обосновано подключение альтернативных фотоэлектрических установок к местной электросети. Такая связь гарантирует достаточное количество электроэнергии для поддержания производства, когда солнечные батареи начинают не справляться.

    Удачным выбором для использования солнечной установки на производстве является подключение системы удалённого мониторинга. Она позволяет обслуживающему персоналу отслеживать изменения, измерять электроэнергию, вырабатываемую альтернативным способом. Эта система мониторинга также посылает сигналы тревоги, когда система начинает работать со сбоями или когда уровень производства снижается из-за внешних факторов.

    Как работают инверторы в солнечных установках?

    Большинство солнечных фотоэлектрических систем не могут функционировать без инвертора. Но чем аппарат инвертор является на самом деле? По существу, это крупный элемент солнечной электроустановки, который преобразует электричество постоянного тока (DC) в электроэнергию переменного тока (AC). Инвертор также обеспечивает в режиме реального времени чистое измерение, передаёт информацию в систему дистанционного контроля и регулирует электропитание здания от энергии солнечных батарей или местной энергетической компании.

    Работа инвертора для промышленного предприятия

    Большинство коммерческих установок солнечных панелей являются связанными с централизованными линиями электропередач. То есть здание остаётся подключённым к местной электрической сети, а инвертор работает как механизм отключения во время перебоев в подаче электроэнергии, при этом используется альтернативный источник света.
    По мере того как солнечная установка производит электричество, инвертор гарантирует, что его поглощают все системы предприятия. Но когда количество электроэнергии превышает потребности, инвертор возвращает энергию обратно в сеть. Аналогичным образом, когда электричества от солнечных панелей не хватает для нужд завода, инвертор контролирует поступление электрической энергии от местной сети.
    У большинства инверторов КПД около 95%. Это может оказать отрицательное воздействие, если используется слишком маленькое или слишком большое количество солнечных панелей. Необходимо сбалансировать их число с возможностями преобразователя.

    Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

    Источник

    

    Фотовольтаика: солнечная электроэнергия

    Как преобразовывать солнечную энергию в электрический ток? Можно ли ездить на солнечном электричестве? Рассказываем о том, что позволяет солнечная энергетика сегодня.

    Более тридцати лет я занимаюсь разработкой новых материалов и приборов для преобразования света в электричество, последние двадцать лет — в Национальном центре солнечной энергии в Университете Бен-Гуриона в Израиле. При этом основная часть моих научных интересов находится в области прямого преобразования с помощью полупроводниковых солнечных батарей, или так называемых фотоэлектрических модулей (photovoltaics). В таких приборах слой полупроводника поглощает свет, в результате чего рождаются свободные электронно-дырочные пары и разделяются, если есть встроенное электрическое поле. Таким образом можно генерировать электрический ток, только в данном случае не переменный, а постоянный. И поскольку мы используем преимущественно переменный ток и в промышленности, и в быту, то ставится дополнительный прибор — инвертор, который преобразует переменный ток в постоянный.


    Термосолнечная электростанция башенного типа в пустыне Негев в Израиле. Множество плоских зеркал вокруг башни (каждое из которых управляется по своей программе) концентрируют солнечный свет на приемник на вершине башни высотой 260 метров. Снимок сделан в момент, когда еще не все зеркала настроены на фокус-приемник. Поэтому виден второй фокус рядом с башней. Частицы влаги в воздухе испаряются, делая видимым конус концентрированного света

    Альтернативой такому подходу может служить последовательное преобразование солнечного света сначала в тепло, а затем в электричество (thermo-solar generation). Концентрируемый до высокой интенсивности свет (с помощью так называемых солнечных концентраторов — зеркал или линз особой конструкции) испаряет жидкость, например воду. Полученный таким образом пар вращает турбину и создает переменный ток. Последний этап такого преобразования качественно не отличается от того, как работают электрогенераторы на обычных электростанциях, сжигающих для этого топливо (уголь, газ, нефтепродукты).

    Сегодня фотовольтаика имеет гораздо более высокий КПД, что обеспечивает меньшую стоимость солнечного электричества (по сравнению с последовательной термосолнечной генерацией). Однако у этого способа есть недостаток: пока не разработаны способы эффективно и дешево запасать электричество в промышленных масштабах. У термосолнечных систем эффективность меньше, но зато есть возможность запасать полученное тепло в течение ночи. Последние несколько лет мы пытаемся разработать гибридную систему (photovoltaic-thermosolar), совмещающую высокий КПД фотоэлектрических панелей и возможность запасать тепло в гелиотермальной части такой системы. Сделать это не так просто, потому как эффективная работа термосолнечных систем требует нагрева пара до высоких температур — как минимум 300-400 °C. В то же время КПД большинства фотоэлектрических модулей падает с ростом температуры. Однако мы выяснили, что негативный температурный коэффициент КПД фотоэлектрических элементов падает с увеличением интенсивности света. Существует стандарт интенсивности доходящего до поверхности Земли солнечного излучения — одно «солнце». Это 1000 Вт/м2. Так вот, если мы концентрируем свет до тысячи солнц, то фотоэлектрические приборы становятся достаточно толерантны к увеличению температуры. Таким образом мы можем сделать высокоэффективный гибридный прибор с фотоэлектрической панелью. Свет, который не поглощен в ней, будет проходить дальше, приниматься нагревателем воды и создавать пар. При этом будет возможность запаса энергии.


    Схема гибридной фотоэлектрическо-термосолнечной установки. Концентрированный свет фокусируется на поверхности высокоэффективного солнечного элемента, прямо под которым размещается гелиотермальный приемник

    Гибридные установки

    Электростанции, использующие одновременно солнечную энергию и энергию ветра, сегодня достаточно распространены. Но это не совсем гибрид. Дело в том, что ветровые установки нельзя поставить близко друг к другу: они просто не будут работать. Таким образом большое количество площади остается неиспользованным. Ее можно занять фотоэлектрическими батареями. С точки зрения использования площади такая станция может называться гибридом, но нужно понимать, что это два типа независимо работающих приборов.


    Гибридная солнечно-ветровая электростанция

    Разновидности фотоэлектрических устройств

    Прямое преобразование энергии можно осуществлять разными способами — например, с помощью плоских солнечных батарей большой площади (flat panels), зафиксированных на поверхности земли, крышах домов и так далее. А можно собирать свет не фотоэлектрическими панелями, а уже упомянутыми солнечными концентраторами (solar concentrators) — зеркалами или линзами. Таким образом резко усиливается интенсивность света и уменьшается площадь дорогостоящих полупроводниковых преобразователей. Это так называемая концентраторная фотовольтаика (concentrator photovoltaics, CPV). Сегодня этот способ проигрывает из-за того, что стоимость плоских панелей на основе кристаллического кремния резко уменьшилась за последние несколько лет. И если говорить о масштабном производстве электроэнергии, то, безусловно, в выигрыше способ, преобразующий энергию за счет кремниевых батарей, которые лежат на крыше, в поле или где-то еще. Эта тенденция сохранится, видимо, и в ближайшем будущем.

    Читайте также:  Щит постоянного тока аккумуляторные батареи

    Продолжаются попытки производить солнечные батареи не из дорогостоящих неорганических полупроводников, таких как кремний или арсенид галлия, а из чего-то совсем дешевого, например из органических материалов (проводящих полимеров, фуллеренов и тому подобного). Действительно, чтобы сделать солнечный кремниевый элемент, нужно получить очень чистый кремний, после чего вырастить дорогостоящий кристалл. Температура плавления и кристаллизации кремния — 1400 °C, то есть необходимо также потратить много энергии на нагревание. Полученный кристалл затем режется на пластины, из которых изготавливаются приборы, в то время как органический солнечный элемент можно просто напечатать на принтере при комнатной температуре. Несложно понять, что для этого требуется гораздо меньше энергии. Более того, органические солнечные элементы легко гнутся и принимают любую необходимую форму. Однако главным тормозом такого направления является то, что эти приборы очень нестабильны. Под действием света, воздуха и температуры их эффективность сильно падает. Для сравнения: кремниевые солнечные элементы сегодня имеют срок службы более 20 лет. Сейчас производство электричества с помощью кремниевых полупроводниковых солнечных батарей — это не мечта, а реальность на уровне производства терраватт электрической мощности с КПД порядка 20%.

    Кремниевое направление победило за счет стабильности и высоких КПД. Рекордные значения КПД кремниевых солнечных элементов превышают 26% и практически подошли к теоретическому пределу. Что же дальше?

    Солнечные элементы на основе перовскитов

    Недавно было открыто семейство новых гибридных органическо-неорганических полупроводников на основе металл-галогенных перовскитов, а затем появились солнечные элементы на их основе. Так же, как и органические солнечные элементы, они могут быть получены из растворов, то есть напечатаны на принтере — в перспективе. При этом такие приборы уже сегодня демонстрируют гораздо более высокую эффективность, чем «органика». Первые солнечные элементы на основе перовскита, полученные в группе японского профессора Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) в 2009 году, имели КПД меньше 4%, а сегодня он достиг 24%.

    Перовскитные приборы можно также совместить с кремниевыми. У каждого полупроводникового материала есть так называемая ширина запрещенной зоны. Фотоны поглощаются только с энергией, которая больше этой ширины запрещенной зоны. Скажем, у кремния ширина запрещенной зоны — 1,1 эВ (электронвольт). Это означает, что кремниевые элементы поглощают только часть солнечного спектра, что ограничивает КПД. Кремниевый солнечный элемент активен в инфракрасной области спектра, а перовскитный — в ультрафиолетовой. Сегодня задача сотен, а может быть, и тысяч лабораторий по всему миру — создать так называемые тандемные (tandem) кремниево-перовскитные солнечные элементы, эффективно поглощающие солнечный свет в широком спектральном диапазоне. Если эта задача будет выполнена, реальны значения КПД преобразования в промышленном масштабе, превышающие 30%.

    Главный недостаток этого материала в том, что он крайне нестабилен и быстро начинает деградировать. Чтобы разрешить данную проблему, нужно понять, почему происходит деградация. Один из механизмов нестабильности таких структур связан с ионным характером химических связей в этих материалах. Такую структуру достаточно легко разрушить — светом, теплом, взаимодействием с водой или кислородом воздуха.

    С другой стороны, среди исследователей пока даже нет согласия, как количественно оценивать деградацию и стабильность таких приборов.

    На мой взгляд, именно работы именно в этом направлении могут привести к революции в широкомасштабном производстве солнечного электричества. Если, конечно, они увенчаются успехом.

    Солнечная энергия для транспорта

    У солнечного излучения есть несколько недостатков с точки зрения его преобразования в электричество. На Землю падает свет достаточно малой мощности — как уже упоминалось, всего 1000 Вт/м2. Грубо говоря, если КПД солнечной батареи — 20%, то с квадратного метра такой панели можно произвести всего лишь 200 Вт. Вырабатываемая мощность прямо пропорциональна площади. Поэтому, скажем, делать автомобили или самолеты на солнечных элементах достаточно тяжело. Мощности, полученной от панелей, не хватит на нормальную работу двигателей. Такие машины должны обладать непомерно большими крыльями, чтобы собирать необходимое количество света.

    Поскольку мы пришли к тому, что площади самолета или машины недостаточно для их функционирования, то возникает потребность производства топлива с помощью энергии солнца (solar fuels). Исследования в этом направлении, безусловно, перспективны. В то же время сейчас есть большой интерес к электромобилям. Мы не хотим, чтобы машины сжигали бензин и производили CO2, поскольку это вредно с точки зрения экологии. Стоит, однако, задуматься, откуда мы возьмем столько электроэнергии, чтобы подзаряжать батареи, если все машины будут ездить на электродвигателях. Для этого нужно построить новые станции и сжигать больше угля, газа, нефти. Поэтому, безусловно, широкомасштабное внедрение электромобилей должно идти нога в ногу с расширением солнечной энергетики.

    О транспортировке энергии

    У южных стран больше солнечной радиации, а у северных — меньше. Но при этом все-таки разделение солнечного излучения на Земле гораздо более демократично, чем разделение, например, источников углеводородов. Могу поделиться интересным примером международного сотрудничества в этой области. С 2012 года я являюсь членом Международного экспертного совета при Национальной комиссии по науке и технологическому развитию Чили (Panel of experts for National Commission of Scientific and Technological Research in Chile, CONICYT). На севере Чили есть высокогорная пустыня Атакама, где уровень солнечной радиации один из самых высоких на нашей планете. При этом там производят медь, которая является одним из главных экономических источников страны, а население живет чрезвычайно бедно: еще недавно там практически не было чистой воды. И они стали внедрять солнечное фотоэлектричество, стали мировым лидером по скорости внедрения таких систем. В определенный момент чилийцы достигли перепроизводства электроэнергии. Тогда появилась идея продавать ее за границу. Наиболее удобны в этом отношении соседние Аргентина и Перу. Но с Аргентиной у них есть политические разногласия, исторические обиды друг на друга, а в Перу, оказывается, самое дешевое производство электричества. Тогда была реализована интересная идея: чилийцы днем продают солнечное электричество в Перу, а ночью покупают дешевую перуанскую электроэнергию.

    Если когда-нибудь будут открыты высокотемпературные сверхпроводники, эффективно функционирующие при комнатной температуре, то можно будет передавать электроэнергию без потерь. Пока же транспортировка электричества на большие расстояния ограничена. Одно из возможных технологических решений связано с вышеупомянутой возможностью запаса и транспортировки солнечного топлива, например водорода, получаемого электролизом или фотоэлектролизом воды. В последнем случае мы приближаемся к возможности искусственного фотосинтеза (artificial photosynthesis).

    Существует также идея создать на геостационарных орбитах солнечную станцию и производить солнечное электричество в космосе. Чем это хорошо? Во-первых, мощность солнечного света там на 30% больше, чем на Земле, потому как немалое количество солнечного света поглощается нашей атмосферой. Во-вторых, там постоянный по времени спектр солнечного света. Электричество, произведенное в космосе с помощью фотоэлектрических батарей, может питать, например, лазер или генератор микроволнового излучения, которые будут посылать монохроматический свет или микроволновое излучение в любую точку Земли. Здесь, на Земле, их будут принимать солнечные батареи или антенны для преобразования микроволнового излучения. КПД преобразования монохроматического света может быть чрезвычайно высоким — до 80%. Такие проекты хотя и продолжают финансироваться рядом государственных космических агентств и частных компаний, но до сих пор остаются скорее в области фантастики — прежде всего из-за высокой стоимости транспортировки грузов на орбиту.

    Источник