FAQ МИР ВЕЩЕЙ 
Как преобразовывать солнечную энергию в электрический ток? Можно ли ездить на солнечном электричестве? Физик Евгений Кац рассказывает о том, что позволяет солнечная энергетика сегодня. В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
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
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).
. 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 в провинции Ганьсу в Китае. Фото Е. Каца
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.
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[4 ]A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka.
Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society, 131, 6050 (2009)., 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[5 ]M. V.
Khenkin, K.M. Anoop, E. A. Katz and I. Visoly-Fisher. Bias Dependent Degradation of Various Solar Cells: Lessons for Stability of Perovskite Photovoltaics. Energy & Environmental Science, 12, 550 (2019)..
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[6 ]M. V. Khenkin, K. M. Anoop, I. Visoly-Fisher, Y. Galagan, F. Di Giacomo, B. R. Patil, G. Sherafatipour, V. Turkovic, H.-G.
Rubahn, M. Madsen, T. Merckx, G. Uytterhoeven, J. P. A. Bastos, T. Aernouts, F. Brunetti, M. Lira-Cantu and E. A. Katz. Reconsidering Figures of Merit for the Performance and Stability of Perovskite Photovoltaics. Energy & Environmental Science, 11, 739 (2018)..
На мой взгляд, именно работы именно в этом направлении могут привести к революции в широкомасштабном производстве солнечного электричества [7 ]M. A. Green and A. Ho-Baillie. Perovskite Solar Cells: The Birth of a New Era in Photovoltaics. ACS Energy Letters, 2, 822 (2017).. 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.
Энергия солнца
Энергия солнца. Солнечные батареи и солнечные коллекторы
Солнечное излучение — один из наиболее перспективных источников энергии будущего. В ясную погоду на 1м² земной поверхности в среднем падает 1000 Ватт световой энергии солнца.
Солнечная энергия поступает на Землю неравномерно: в одной местности солнце светит 320-350 дней в году, в другой солнечные дни — редкость.
Исходя из этого, прежде чем ставить солнечные батареи с целью выработки электричества, необходимо рассчитать эффективность применения данного метода в конкретных климатических условиях.
Преобразование солнечной энергии осуществляется двумя способами:
- фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую);
- фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем, при необходимости, в электрическую).
По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии (EPIA) в 2011 г. в мире подключено около 28 ГВт новых солнечных станций, их суммарная установленная мощность составила 67,4 ГВт. На сегодняшний день солнечный кВТ·ч дороже традиционного.
Однако планируется, что уже в 2012 г. в некоторых районах мира будет достигнуто равенство стоимости «солнечного» и «традиционного» киловатта. Доля «солнечного» электричества в общей выработке электроэнергии в России к 2020 г.
составит 4-7%, а в Европе — 12%.
Преимущества СФЭУ:
- экологичность
- простота в обслуживании
- автономность работы
- бесшумность работы (достигается отсутствием движущихся частей)
- значительный срок службы
Солнечные батареи сохраняют работоспособность при:
- диапазоне температур от –50 до +75 °С
- атмосферном давлении 84-106,7 кПа;
- относительной влажности до 100%;
- интенсивности дождя до 5мм/мин;
- снеговой, ветровой нагрузке до 2000 Па.
Типы фотоэлектрических преобразователей Автономные фотоэлектрические преобразователи предназначены для автономного энергоснабжения объекта — объектов, удаленных от основных линий электропередачи (в труднодоступных местах, куда затруднена или экономически невыгодна прокладка линий). Их мощность колеблется в пределах 0,01-100 кВт. Фотоэлектрические станции, подключенные к электрическим сетям, отдают выработанную энергию в сеть, откуда она распределяется потребителям. Такие системы, установленные в городе, могут обеспечивать электричеством здание и компенсировать энергодефицит при пиковом энергопотреблении в полуденное время. Их мощность достигает нескольких МВт. Резервные фотоэлектрические преобразователи подключается к сетям централизованного электроснабжения и в случае отключения электроэнергии.
Солнечный коллектор
Солнечный коллектор – установка, использующая энергию солнечной радиации для нужд отопления и горячего водоснабжения. Различают несколько типов солнечных коллекторов: плоские, с концентраторами, промышленные, вакуумные и комбинированные. Для использования солнечного коллектора в условиях отрицательных температур перспективным является вакуумный коллектор, имеющий высокий КПД.
Поглощает радиацию в солнечном коллекторе специальная поверхность, соединенная с медными трубками, по которым циркулирует теплоноситель.
Теплоноситель, проходя по всей площади коллектора, нагревается и попадает в резервуар, где отдает тепло через теплообменник в бак — аккумулятор тепла. Коллекторы и трубопроводы имеют хорошую теплоизоляцию, уменьшающие потери энергии.
Вся эта конструкция находится в стеклянных вакуумированных трубках. Стекло обладает высокой степенью химической стойкости, теплостойкости и ударной прочности. В кольцеобразном пространстве между внутренней и наружной трубами создается вакуум для эффективного уменьшения потери тепла.
Такие трубки функционируют в пасмурную погоду и при отрицательной температуре, они преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Благодаря этому коллектор сохраняет до 95% тепловой энергии.
Солнечный коллектор позволяет поддерживать положительную температуру в здании зимой и удовлетворять потребности в горячей воде летом, а кроме того экономить электроэнергию.
Однако минимальная мощность гелиосистемы должна быть не ниже 100 Вт/м2. В зависимости от солнечной радиации и температуры окружающей среды КПД солнечного коллектора может быть от 20 до 65%.
При ярком солнце — до 650 Вт/м2, а в пасмурную погоду – порядка 10 Вт/м2.
Применение такой системы поможет сократить затраты на отопление на 30%, на горячее водоснабжение – на 70%.
В климатических условиях средней полосы России солнечные водонагревательные установки могут эффективно использоваться в течение 6-7 месяцев в году (с марта по сентябрь) — в частных домах, мини-отелях, на базах отдыха, а также как резервный источник горячей воды в больницах, детских садах, на автомойках, АЗС и т.д. В летнее время солнечная установка из 2-3 м2 солнечных коллекторов будет обеспечивать ежедневный нагрев 100 л воды до температуры не менее 45 0С с вероятностью 70-80%.
В Белгородской области среднегодовая продолжительность солнечного сияния составляет 2300 часов в год. Использование солнечной энергетики в регионе целесообразно в сочетании с другими способами получения энергии.
Солнечная энергия — NENCOM
Жёлтый карлик по имени Солнце питает энергией всю нашу планету, определяя её климат, обеспечивая фотосинтез и поддерживая жизнь на Земле. Мощность солнечного излучения составляет 383 иоттоватта или 3.83·1020 МВт. Каждый квадратный метр поверхности нашей звезды выдает около 63 МВт, что соизмеримо с мощностью небольшой электростанции.
Вся эта энергия устремляется в космос, облегчая Солнце на 4.26 миллиона тонн каждую секунду, но лишь крохотная её часть, проделав путь в 150 миллионов километров, достигает нашей планеты. Несмотря на то, что Земля получает менее одной двухмиллиардной доли солнечного излучения, это в тысячи раз превышает все потребности человечества в энергии.
Снимок Солнца в рентгеновских лучах
Часть этой энергии теряется в атмосфере Земли, но в ясный полдень во многих регионах планеты вполне можно получить инсоляцию мощностью 1 кВт/м2 и преобразовать её в тепло или электричество.
Преобразование солнечной энергии
Существуют различные способы применения энергии солнца для нужд человека. Наиболее простой — преобразование солнечного излучения в тепловую энергию для горячего водоснабжения и отопления. В этом случае используют солнечные коллекторы различных конструкций.
В самых солнечных регионах планеты работают гелиотермальные электростанции. Концентрируя солнечные лучи, они нагревают теплоноситель до очень высоких температур и через теплообменник производят водяной пар, который используют для вращения турбогенератора, как на обычных тепловых электростанциях.
Но самым перспективным способом является прямое преобразование солнечного света в электричество с помощью фотоэлектрических модулей.
Эти устройства весьма надёжны и работают десятилетиями как в микро-инсталляциях, так и в масштабах огромных электростанций.
Благодаря усилиям учёных, эффективность pv-модулей повышается каждый год, а с ростом масштабов производства снижается их стоимость.
Солнечное излучение является исключительно чистым видом энергии, не загрязняет окружающую среду и не нарушает тепловой баланс нашей планеты. Кроме того, солнечная энергия бесплатна и практически неисчерпаема. Запасов водорода на Солнце достаточно для поддержания термоядерного синтеза в течение ещё нескольких миллиардов лет.
Подходящие регионы
Производство «солнечного» электричества зачастую оправдано даже в северных широтах при достаточном количестве ясных дней в году и оптимальном угле наклона солнечных панелей. Низкая инсоляция в этом случае частично компенсируется более высоким фактическим КПД модулей за счет их естественного охлаждения.
Но на планете много солнечных территорий с общей годовой инсоляцией более 2000 кВт·ч/м2. При таких исходных данных солнечная энергетика — вне конкуренции.
Общая инсоляция на горизонтальной поверхности (GHI)
Хватит ли места?
Мощные солнечные электростанции занимают достаточно большую площадь, поэтому бытует мнение, что, по мере развития солнечной энергетики, возникнет дефицит территорий. Но расчёты показывают, что достаточно, например, занять солнечными электростанциями лишь 1% площади пустыни Сахара, чтобы обеспечить весь мир электричеством.
Естественно, нет никакого смысла строить одну гигантскую солнечную электростанцию, ведь у нас имеется множество никак не используемых поверхностей рядом с потребителями, в том числе — крыши домов.
Кроме того, существуют и другие экологически чистые способы производства электроэнергии.
Факт заключается в том, что даже при полном обеспечении энергетических нужд человечества с помощью Солнца, дефицита земли не возникнет.
Солнечный концентратор Ripasso — самый эффективный способ преобразования солнечной энергии?
Когда дело касается вопросов генерации солнечной энергии, эффективность процесса является ключевым моментом. Новый южноафриканский «солнечный» проект в пустыне Калахари, возможно, является наиболее эффективной системой в мире на сегодняшний день. Шведская энергокомпания Ripasso, пользуясь выгодами яркого африканского солнца, намерена испытать свой солнечный концентратор, сочетающий в себе современные военные технологии и идеи инженера-священника из Шотландии 19 века. В результате технического «симбиоза» система способна конвертировать 34% солнечной энергии в электричество, отправляемого прямо в сеть. Такое КПД почти в два раза превышает эффективность традиционных солнечных батарей.
На данный момент существует единственный рабочий экземпляр Ripasso солнечного концентратора с подобными характеристиками, но его создатели надеются, что система войдет в число самых востребованных возобновляемых источников на планете. Устройство оснащено зеркальным отражателем с общей площадью 100 м2, гигантский диск вращается вслед за движением солнца и постоянно подстраивается для извлечения максимума солнечной энергии.
Независимые тестирования проекта показали, что один такой отражатель может сгенерировать 75-85 мегаватт часов «зеленой» энергии в год — достаточно, чтобы обеспечить электричеством на год десять среднестатистических домохозяйств. Для сравнения: при производстве такого-же количества электроэнергии, от сожженного угля на теплоэлектростанциях, в атмосферу будет выброшена 81 тонна CO2.
Статья по теме: Солненые панели станут более эффективными, изобретено супергидрофобное стекло
Солнечная электростанция Ripasso работает за счет зеркал, фокусирующих, как гигантские линзы, солнечный свет в маленькой точке. Энергия тепла приводит в действие Двигатель Стирлинга, запатентованный шотландским инженером Робертом Стирлингом в 1816 году.
В то время он стал первой альтернативой паровому двигателю. Работа устройства основана на попеременном нагревании и охлаждении газа в замкнутом пространстве, который приводит в движение поршень, вращающий маховик.
Из-за недостатка подходящих материалов в те годы двигатель массово не производился. Коммерческий выпуск изобретения стартовал лишь в 1988 году, когда шведское минобороны стало производить их для подводных лодок.
Прежде чем найти применение двигателю в возобновляемой энергетике, менеджер проекта Гуннар Ларсон (Gunnar Larsson) проработал 20 лет на оборонных предприятиях Швеции.
Система проходила испытания в суровых условиях пустыни более 4 лет, а до этого были годы успешных тестов на военно-морском флоте .
Создатели солнечного коллектора отмечают, что для достижения коммерческого успеха, определяющим фактором, помимо эффективности, станет невысокая стоимость технологии — она должна на равных конкурировать с фотогальватическими системами, цены на которые с каждым годом опускаются все ниже. К недостаткам нового концентратора можно отнести нецелесообразность его применения в районах, где отсутствует постоянное солнечное излучение.
Источник theguardian.com
А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в х!
Жорес Алферов — солнечная энергия не имеет альтернатив
Жорес Алферов – о том, когда и почему закончится век нефти
Организация Объединенных Наций объявила 2015 год Годом света и световых технологий.
На церемонии открытия в Париже многие докладчики вспоминали 1905 год, когда Альберт Эйнштейн опубликовал пять статей о роли света, говорили о том, какой вклад эти работы сделали в развитие всей современной науки.
Я же буду говорить только об одной проблеме в этой области – об эффективной генерации и преобразовании световой энергии.
Президент Лондонского королевского общества Джордж Портер как-то сказал замечательную фразу: «Вся наука – прикладная. Разница только в том, что в одних случаях приложение возникает очень быстро, а в других – через столетия».
Фундаментальная наука пытается найти решения двух основных проблем – происхождения Вселенной и происхождения жизни. Им посвящено огромное количество исследований, и из этих исследований возникла масса приложений.
В XX столетии у людей появилась возможность создать источник бесконечной энергии, зажечь Солнце на Земле. Это удалось сделать, когда люди создали и взорвали водородную бомбу.
С моей точки зрения, наибольший вклад в решение проблемы создания рукотворного Солнца внесли Эдвард Теллер, Станислав Улам, Виталий Гинзбург и Борис Константинов.
Идея использования термоядерного синтеза родилась достаточно быстро, но классический проект водородной бомбы мог быть реализован только после того, как первые шаги к его осуществлению сделал Станислав Улам, а затем идея получила развитие у Эдварда Теллера.
Была создана система, которая была опробована в ноябре 1952 года на испытании «Майк» – энергия атомной бомбы с помощью специальных кранов концентрировалась на дейтерид-тритиевой взрывчатке. Ей требовалась гигантская система охлаждения, и хотя взрыв составил 10 мегатонн, это была не бомба, а термоядерное устройство.
Бомбой ее сделал Виталий Лазаревич Гинзбург, который предложил использовать для реакции не дейтерид трития, а дейтерийд лития. Это твердое вещество, при комнатной температуре напоминает мел, и с его использованием бомбу можно сделать транспортабельной. Практический же метод получения лития-6 реализовал Борис Павлович Константинов, и этот подход, без использования методов Улама-Теллера, был реализован в сахаровской «Слойке».
Потом Солнце на Земле зажигали слишком много раз, и никакого счастья человечеству это не принесло. В 1951 году академики Тамм и Сахаров предложили магнитную изоляцию плазмы и основу того, что впоследствии получило название «токамак».
Научное сообщество мира, советские, американские, британские ученые и представители многих других стран истратили сотни миллиардов долларов на различного сорта установки, в которых можно было бы вести реакции управляемого термоядерного синтеза.
В итоге это вылилось в международный проект ITER, значительный вклад в который внесла и наша страна, и во Франции уже началось строительство.
Если вы сегодня спросите специалистов, когда эти технологии получат широкое индустриальное применение, то получите ответ, что к 2020 году будут первые экспериментальные работы, может быть, в начале второй половины XXI века их начнут активно использовать. Я отношусь к этому весьма скептически, потому что одна магнитная изоляция плазмы сама по себе проблем не решает.
Есть еще другое направление термоядерных исследований – лазерный термоядерный синтез. В этой области есть определенный прогресс, добились его прежде всего в Ливерморской лаборатории.
На установке National Ignition Facility 192 лазерных пучка были сконцентрированы на термоядерной взрывчатке в очень малом объеме, и количество полученной энергии оказалось больше энергии, переданной топливу.
Но зачем все это изучать?
Нам, безусловно, нужны новые источники энергии. Причем успешный термоядерный реактор есть у нас под рукой. Это звезда класса G2, очень средняя по космическим меркам – наше Солнце.
Оно надежно функционирует уже многие миллиарды лет, и еще долго будет продолжать работать без перебоев.
Наверное, наилучшим вариантом для нас было бы научиться эффективному преобразованию солнечной энергии и эффективной генерации света.
Благодаря появлению полупроводниковых светодиодов и лазеров в этой области произошли значительные изменения.
Той основой, на которой можно проводить и преобразование, и генерацию, стали гетероструктуры, которые сегодня нашли массу применений и в некоторых областях стали незаменимыми.
К примеру, для космических исследований солнечные батареи являются не просто наиболее эффективным источником энергии, а фактически единственным решением энергетических проблем.
Очень важным моментом в повышении эффективности энергопотребления становится работа над источниками освещения: если мы повышаем их коэффициент полезного действия (КПД), то начинаем заметно экономить электричество. В свое время меня поразила статистика использования источников света в Великобритании.
Практически до середины XX века там превалировали газовые и керосиновые источники света, и только во второй половине столетия начали повсеместно использовать электрические лампочки.
В прошлом году трое выдающихся японских ученых, Исама Акасаки, Хироши Амано и Судзи Накамура, получили Нобелевскую премию за создание синего светодиода, с помощью которого люминесцентным образом можно получить белое освещение.
Со временем основным типом светодиода станет такой, в котором вы будете регулировать все основные цвета, интенсивность освещения, задавать параметры на компьютере. Прогноз в той же Великобритании показывает, что с середины 2020-х годов практически все освещение перейдет на светодиоды.
Каменный век закончился не потому, что наступил дефицит камня, и век нефти закончится не из-за дефицита нефти. Во всех случаях основу развития цивилизации составляют новые технологии, которые создаются на основе научного исследования.
Если мы посмотрим, как меняются различные типы солнечных батарей, самыми часто используемыми были и остаются устройства на кремниевой технологии. Но заметную часть в общей мощности производства стали занимать солнечные батареи на основе концентраторных каскадных фотоэлементов на гетероструктурах.
Кроме того, в 2000 году вместе с нами Нобелевскую премию по химии получили Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава – они доказали возможность получения проводящих и изоляционных полимерных материалов, а также перспективы использования этого нового класса материалов в том числе для светодиодов и солнечных батарей.
Основное преимущество полимерного подхода в том, что с его помощью приборы можно печатать типографским способом.
К сожалению, там пока масса проблем – рекордный КПД составляет всего 13%, низкая надежность, но перспектива печати открывает новые горизонты: пленку можно будет наклеивать на окна, и они будут одновременно пропускать световое излучение и генерировать электричество. Эти полимерные материалы определенно займут свою нишу, и частота их применения будет расти.
Первая государственная программа использования солнечной энергии появилась в США в 1974 году во время первого крупного энергетического кризиса, аналогичная программа была принята у нас в СССР.
Стоимость пикового ватта установленной мощности на основе фотовольтаического эффекта в ней составляла $100 за ватт, и мы тогда прогнозировали, что за 25-30 лет этот показатель упадет до 25-30 центов за ватт.
В первые годы мы успешно шли к результату, потом процессы затормозились, но, тем не менее, сегодня эта величина составляет полдоллара за ватт. Если сравнить этот показатель с аналогичной величиной для атомной электростанции – там стоимость составит четыре-пять тысяч долларов за киловатт.
Если даже учесть дополнительные моменты, что там пиковый киловатт является одновременно средним (или очень близок к этому значению), что для солнечных батарей другие величины, требования к безопасности, все равно получаемые мощности стоят меньше.
Суммарная мощность всех солнечных батарей, установленных в мире в 2014 году, составила 47 ГВт. Для сравнения, пиковая мощность всех электростанций России составляет примерно 200 ГВт, а суммарная мощность всех установленных в мире солнечных батарей сегодня составляет 187 ГВт. Согласно прогнозам, к 2020 году она составит 500-540 ГВт.
В завершение я хочу подчеркнуть, что лучшим типом преобразования солнечной энергии сегодня является фотовольтаический эффект в полупроводниковых солнечных батареях.
Теоретическая эффективность преобразования солнечной энергии на основе системы гетероструктур с большим количеством p-n переходов может достигать 86%. В системе всего с тремя p-n переходами сегодня реально достигнуть КПД в 46%, при крупномасштабном производстве этот показатель составит 40%.
Чаще всего сегодня используются кремниевые солнечные батареи, у которых рекорд КПД составляет 25% в лаборатории и 18% в массовом производстве, но это уже очень выгодно.
Нам необходимо двигаться дальше по этой дороге, выбирая наиболее эффективные материалы, и, с моей точки зрения, для этого требуется решить две чрезвычайно важных проблемы. Первая – повышение КПД кремниевых солнечных батарей благодаря использованию второго каскада, причем важно, чтобы он не был слишком дорогим.
Решение это непростое, но с его помощью можно увеличить КПД примерно в полтора раза – до 30%, это было доказано и у нас в Академическом университете, и другими организациями.
Вторая – развитие каскадных солнечных концентраторных батарей, где при массовом производстве сегодня можно добиться КПД в 40%, а значит, возможно заметное увеличение прироста мощности при снижении стоимости одного киловатта.
Я бы сказал, что сегодня этот способ преобразования солнечной энергии достиг того уровня, когда он начинает экономически конкурировать с существующими типами производства электроэнергии.
С моей точки зрения, к середине столетия он будет составлять заметную часть, десятки процентов производства электроэнергии в мире.
Наука интернациональна по своей природе и не знает границ, и я надеюсь, что в решении столь важных задач мы не изменим своим принципам, будем делиться результатами исследований и работать вместе для решения общих проблем.
Солнечная энергия
Оглавление
Прежде всего, стоит отметить, что ресурсом для солнечной энергетики служит энергия солнечного света (солнечная энергия). Преобразовать которую можно либо в электрическую или же в тепловую энергию. Делается это при помощи специальных установок.
Исходя из расчётов учёных, можно сделать вывод, что за неделю на поверхность земли с солнца попадает такое количество энергии, которое в несколько раз превышает количество энергии вырабатываемой различными источниками на земле.
Несомненно, солнечная энергетика, это отрасль подающие большие надежды, но всё-таки она имеет две стороны медали.
С плюсами более или мене всё ясно. Это всеобщая доступность и неисчерпаемость ресурса. То к минусам стоит отнести такие аспекты как:
- относительная зависимость от условий погоды и времени суток;
- необходимость использовать аккумуляторы при получении солнечной энергии;
- дороговизна оборудования при эксплуатации;
- перепады температур в сторону повышения на поверхности установок для сбора энергии солнечного света.
Ни раз, задавая себе вопрос: «откуда берётся солнечная энергия?», учёные разных стран и в разное время пытались ответить на него, применяя различные гипотезы и теории. Но, уже начиная с 19 века, подобный интерес приобрёл иной характер.
И на сегодняшний день обозначились более конкретные и чёткие постулаты в отношении солнечных источников энергии.
Удалось установить, что в ходе процесса взаимодействия четырёх атомов водорода с последующим переходом в состоянии ядра гелия и происходит это превращение с выделением большого количества энергии.
Рассмотрим для наглядности энергию, выделяемую при формировании одного грамма водорода. Соотнести её можно с энергией полученной при сжигании пятнадцати тонн бензина. Цифры говорят сами за себя.
Само собой после получения подобной энергии от солнца, её требуется перевести в определённое состояние.
Происходит это потому, что в настоящее время технологии не способны удовлетворить потребности и нужды людей в потреблении больших количеств солнечной энергии. В виду этих факторов и были изобретены различные солнечные батареи и солнечный коллектор.
Применяя первые, можно генерировать и получать электрическую энергию. Если же рассматривать коллекторы, то они предназначены для тепловой энергии.
Рассмотри наиболее востребованные способы преобразования энергии солнечного света:
- фотовольтаика;
- термовоздушная энергетика;
- гелиотермальная энергетика;
- с применением солнечных аэростатных электростанций.
Наибольшее распространение получил метод фотовольтаики. Данный метод состоит в использовании различных фотоэлектрических солнечных панелей. В простонародье получивших название солнечные батареи.
При помощи них и происходит то самое преобразование солнечной в электроэнергию. Материалом, который используют при изготовлении подобных панелей, является кремний.
Рабочая поверхность с толщиной не более одно милемметра.
Такие панели можно размещать где угодно. Важно учитывать лишь большое количество солнечного света, которое должно без преград попадать на поверхность солнечной панели. Хорошим вариантом будут солнечные батареи для дома. Говоря попросту, это фото-пластины, которые устанавливаются либо на крыши загородных или многоквартирных домов.
Так же успешно применяются тонкоплёночные панели для преобразования солнечных лучей. Их разительным отличаем, является толщина, это даёт возможность размещать подобные панели практически в любом месте.
Но коэффициент полезного действия у них на порядок ниже, чем у фото-пластин.
Поэтому использование тонкоплёночных панелей будет целесообразно исключительно при небольшой поверхности для установки, например на балконе обычного многоэтажного дома или на крышке портативного компьютера.
Преобразование солнечной энергии в термовоздушной энергии происходит постепенно. Первый этап — это преобразование в энергию потока воздуха. Далее он направляется в турбогенератор.
Так же часто применяются аэростатные солнечные электростанции. Здесь генерирование пара воды происходит внутри самого аэростатного баллона.
Подобный эффект доступен для достижения посредством нагревания поверхности аэростата от солнечного света. На поверхность которого нанесено специальное покрытие обладающее селективно-поглощающим свойством.
Основным преимуществом подобного способа является концентрация довольно внушительно объёма пара. Это позволяет работать станции в те моменты, когда по разным причинам генерация солнечной энергии не возможна.
В ночное время или же когда не позволяют погодные условия.
Рассматривая принцип геотермальной энергии, нужно сразу отметить, что сам процесс так же крайне незамысловат. При попадании солнечных лучей на поверхность установки, происходит нагрев с дальнейшей фокусировкой и преображением принятого тепла в энергию.
Для понимания, приводим наиболее наглядный пример. Вода нагревается, а затем её можно подавать либо в отопительные батареи различных зданий, канализацию. Такой метод позволяет существенно снизить затраты газа и электроэнергии на подобные нужды. А в более крупных промышленных масштабах такой алгоритм уместен для получения электрической энергии, которую дают внушительные тепловые машины.
Спектр применения энергии солнца крайне широк. Уже сейчас её используют на заводах, при строительстве, успешно применяют в химической промышленности, реализуют проекты отопительных установок воды для зданий и это лишь не многие примеры.
Многие считаю, что применение солнечной энергетики — это процесс сравнительно недавний. Но, уже начиная с 1955 года, эти методы успешно применялись в строительстве автомобилей.
Тогда и был выпущен первый прародитель нынешних электрокаров, которые успешно производят такие авто-гиганты как Honda, Toyota, Mitsubishi и другие.
Уже сегодня по всему миру в обиход входят установки при помощи, которых можно нагревать воду дома, готовить пищу и освещать жилые помещения.
Ярким примером могут служить солнечные печи, состоящие из фольгированного картона, которые по инициативе ООН были предоставлены беженцам в разных странах переживающих сложную политическую обстановку.
А на территории Узбекистана, например находится крупнейшая печь, успешно используемая при плавке различных металлов и термической обработке, но это уже совсем иные масштабы в отличие от бытовых.
Самыми необычными примерами где использовалась энергия, полученная от солнца являются:
- Футляр с фотоэлементом для телефона, который одновременно является и зарядкой;
- Сумка для похода (рюкзак), на задней стороне которой прикреплена солнечная панель, при помощи неё можно зарядить планшет, телефон, да и вообще любое устройство средних размеров;
- Одежда с применением специального материала, который генерирует энергию от солнечного света, а затем при помощи специальных устройств направляет её в подключенные устройства.
Способы преобразования солнечной энергии
Использование солнечной энергии для обогрева закладывается в проектах современных экодомов. Все чаще можно встретить дома с тепловыми коллекторами, установленными на крышах домов (см. рисунок вверху справа).
Основным элементом всех установках, преобразующих солнечное излучение в тепло, являетсяколлектор, в котором происходит нагрев теплоносителя. В качестве теплоносителя могут использоваться как жидкости, так и газы. Наиболее распространенными теплоносителями являются воздух и вода.
На вход коллектора теплоноситель поступает с температурой Твх, к потребителю он поступает с температурой Твых > Твх. Чем выше разность Твых — Твх, тем выше эффективность преобразования энергии.
Для КПД преобразования можно записать: КПД = Q / (HA), где Q — тепловая мощность в нагрузке, H — суммарная плотность падающего энергетического потока, A — площадь коллектора.
На приведенной диаграмме показано, как связаны потери коллектора с его КПД (чем меньше наклон линии, тем выше качество коллектора). Системы солнечного теплоснабжения используются для сушки, горячего водоснабжения, отопления.
По продолжительности работы они могут быть круглогодичными и сезонными.
Стоимость установок горячего водоснабжения может составлять 15-35% от стоимости объекта.
По техническому решению установки могут быть: прямоточными, одноконтурными, двухконтурными, многоконтурными. Некоторые из схем горячего теплоснабжения приведены на рисунках.
В установках, работающих по прямоточной схеме, теплоноситель подается в солнечные коллекторы или в теплообменник гелиоконтура, где он нагревается и поступает либо непосредственно потребителю, либо в бак аккумулятора. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель дополнительно нагревается в дублирующем источнике тепла.
В контурных схемах передача тепла от солнечного коллектора осуществляется либо через бак аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей, либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака, так и вне него. Площадь солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления, обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего водоснабжения.
К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а так же установки, работающие в режиме теплового насоса для целей теплохладоснабжения.
Биоконверсия солнечной энергии
В биомассе, образующейся в процессе фотосинтеза, солнечная энергия запасается в виде химической энергии. Этот способ преобразования солнечной энергии используется всеми растениями. Все современное биотопливо было накоплено в результате биоконверсии энергии достигающего Земли солнечного излучения.
Растительный покров земли составляет 1800 миллиардов тонн сухого вещества, этому соответствует энергетический эквивалент 31022 Дж. Ежегодно с Земле помощью на фотосинтеза производится 173 миллиарда вещества тонн сухого.
Примерно двадцатая часть используется этого количества в энергетике и одна двухсотая пищу часть в употребляется.
Термодинамическое преобразование солнечной термодинамическом
энергии Для высокой температуры в солнечных преобразованием с электростанциях термодинамическим основным элементом являются энергии концентраторы солнечной. Степень концентрации до 1000 использовании получается при фокусирующих зеркальных гелиостатов (управляемых верхний), рисунок по двум вращательным степеням электростанции. В свободы солнечной башенного типа преобразование так энергии по осуществляется называемому открытому циклу схеме, Брайтона на представленному справа. В этом цикле заменяется камера сгорания приемником сконцентрированного излучения, вход на расположенном. На башне компрессора воздух поступает выходе Т = при К, на 299 приемника температура воздуха Т = воздух К. 1023 Этот поступает на турбину. На выходе имеет турбины воздух температуру 529 К. Соответственно цикла КПД идеального Брайтона составляет 1‑Tвх/Твых = станции.
Внешний вид солнечной машинного зала электростанции типа «Луз» справа на показан рисунке. Было построено несколько типа станций подобного с общей установленной мощностью в МВт несколько сотен. Величина выработанной ими Существует энергии 1010 Втч.
превышает два подхода к солнечных созданию работающих, станций по термодинамическому циклу. использование — Первый централизованных небольших станций для районов отдаленных. создание — Второй крупных солнечных установок энергетических несколько в мощностью десятков МВт, работу на рассчитанных в сети централизованной.
Солнечные электростанции типа параболического более оказались дешевыми, чем башенного электростанции Был. типа создан ряд проектированию по их фирм и что, установке позволило осуществлять их совершенствование постепенное и начальных снижение затрат и соответственно произведенной стоимость прогноз (см. энергии на рисунке выше).