Сонячна енергетика

Сонячна енергетика

Під сонячною енергетикою розуміється процес перетворення сонячного світла на електрику. Є два способи перетворити світло на електрику. Перший спосіб — сконцентрувати світло високої концентрації, наприклад, на воді або на якійсь іншій рідині, перетворити на пару, і далі пара обертає генератор, звичайну турбіну (схожий процес у звичайної електростанції). Другий спосіб — це пряме перетворення світла на електрику, де нічого не гріється, нічого не крутиться, немає ніяких механічних генераторів, а є напівпровідниковий перетворювач, який поглинає фотони, при поглинанні фотонів народжуються електронно-діркові пари — електрони і дірки, носії зарядів, які розділяються, таким чином генерується струм, напруга, генерується електрична потужність, виробництво якої і є завданням будь-якої енергетики. Ефективність таких елементів досить висока. І вона може бути більшою. Сьогодні світовий рекорд ефективності, ККД, порядку 45%. Це дуже висока цифра. Про таку цифру 20 років тому і не мріяли.

Приблизна дата народження цього напрямку — друга половина 1950-х років. Перший сонячний елемент був винайдений і виготовлений в американській лабораторії Bell Labs. Де його застосувати, тоді не дуже розуміли. Але в 1957 році полетів перший радянський супутник, а в 1959 році вже і американський, і радянський супутники літали з сонячними батареями. Так народився цей напрямок використання прямих перетворювачів, сонячних елементів, сонячних батарей для космосу. Звичайно, завжди існувала мрія використати це відкриття для наземної енергетики в масштабних кількостях. Для цього ціна вата електрики, виробленої за допомогою перетворення сонячного світла, повинна бути зіставною з ціною звичайної електрики, яку ми отримуємо, спалюючи корисні копалини. Така ситуація (англійською вона називається grid parity) сьогодні практично досягнута. Що це означає? Що в різних точках Землі різна кількість сонячного світла, різна ціна електрики, але в принципі існує велика кількість місць і країн, які або дуже близькі до досягнення цієї мети, або вже досягли її. Це говорить про те, що найближчим часом впровадження сонячної енергетики в реальне життя буде дуже швидким і наступальним.

Що для цього робилось? Протягом усіх цих років велись роботи в двох напрямках. Щоб знизити ціну, треба або збільшити ефективність перетворення, тобто виробляти за ті ж гроші більше електрики, або зменшити вартість: та ж електрика, та ж ефективність, але менша вартість. Перші сонячні елементи були з дорогих кристалічних напівпровідників: кремнію, арсеніду галію і так далі. Маса робіт проводилась в напрямку застосування тонких плівок, органічних сонячних елементів, сонячних елементів на основі різних видів вуглецю.

Що сьогодні обмежує цей оптимізм? Обмежує не перетворення світла на електрику, не генерація електроенергії, а її зберігання. Наразі не існує хороших, стабільних і дешевих акумуляторів, таких дешевих, щоб вони задовольняли принцип grid parity. А це дуже важливо. Тобто сьогодні застосування сонячної енергії обмежене. У більшості промислових країн пік споживання вдень, коли працюють заводи, коли працює промисловість. Якщо сонця багато, можна зрізати цей пік. Але як тільки ви застосовуєте більше сонячної електрики, виходить, що у вас вже немає вигоди. Ви повинні вміти запасати електрику: вона потрібна вночі, потрібна в дні, коли немає сонця. Це технічна проблема, яка нас сьогодні стримує.

Другий напрямок роботи, де наука повинна зробити прорив, — це виробництво палива. Щоб машини їздили не на бензині і не на газі, а на чомусь іншому. Тобто на газі, наприклад, на водні. Те, що називається solar fuel — сонячне паливо. Справжні великі літаки і машини не будуть літати і їздити на сонячних елементах просто тому, що треба возити з собою гігантську площу. Але можна розкладати, наприклад, воду на водень і кисень в одному приладі. Це можна зробити і в двох різних приладах: поставити звичайну сонячну батарею, генерувати електрику, цю напругу прикладати до електролізера і отримувати водень і кисень. Але величезна кількість лабораторій працює над тим, щоб робити це в одному приладі. Фактично це artificial photosynthesis, тобто це спроба повторити те, що робить природа. Природа робить це з дивовижною елегантністю. Хоча загальний ККД фотосинтезу не такий високий. Але ККД першого етапу, поділ заряду, natural photosynthesis, практично стовідсотковий. Тобто спроби зробити solar fuel і спробувати якось навчитись у природи — це теж дуже цікавий напрямок.

Пряме перетворення за допомогою сонячних батарей можна робити двома різними способами. Один спосіб — покласти плоскі сонячні батареї на дах. І тоді ви повинні виробляти велику площу. Власне, сонячне світло має, грубо кажучи, три недоліки. Перший недолік — це те, що це біле світло, суміш різних довжин хвиль. Якби воно було як лазер, якби це була одна довжина хвилі, то і ККД можна було б зробити набагато більшим. Другий недолік, його вирішує концентрування випромінювання, — це те, що світло дуже розбавлене. На квадратний метр падає всього тисяча ват сонця. Грубо кажучи, якщо ваш ККД 10%, ви з квадратного метра виробляєте всього 100 ват. Це дуже мало. Тому ви повинні закласти великі площі.

Концентрування сонячного світла пов'язане з тим, що вам не треба закладати великі площі. Ви з великих площ збираєте світло, наприклад, дзеркалами або лінзами, і при цьому на сонячний елемент у вас падає 100 сонць, 500 сонць, 1000 сонць. Це означає, що навіть якби ефективність була однаковою, вам треба як мінімум в 100, 500 і 1000 разів менше площі дорогого напівпровідникового матеріалу. Але ефективність може бути й більшою. За рахунок того, що в цій системі сам напівпровідниковий елемент не визначальний. Основна ціна — це ціна лінз, дзеркал, систем стеження за Сонцем, щоб сфокусувати. ККД більше 40% — це багатоперехідні сонячні елементи, які працюють на дуже великій концентрації сонячного світла.

Існує ще один недолік сонячного світла. Є два види сонячного випромінювання: наприклад, на нас пряме сонячне світло не падає, на вулиці хмари, але при цьому ми з вами бачимо один одного. Це так зване дифузне випромінювання — випромінювання, яке йде від атмосфери. Це випромінювання не можна сконцентрувати. Основне випромінювання — це так зване пряме випромінювання. Воно надходить під дуже вузьким кутом. А випромінює елемент у всі сторони. Ця термодинамічна проблема пов'язана з тим, що при цьому перетворенні відбувається збільшення ентропії за рахунок того, що є відношення між кутом падіння світла і кутом випромінювання напівпровідника, сонячного елемента. Концентрування світла — це спроба збільшити цей кут падіння: чим більший у вас концентратор, тим під більшим кутом воно падає, воно надходить не від Сонця, а під великим кутом. Другий напрямок, по якому опубліковано кілька дуже цікавих робіт, пов'язаний з можливістю обмежити кут фотолюмінесценції від елемента, кут випромінювання, з тією ж метою.

Нарешті, третій напрямок — це дослідження сонячних елементів: і фотоелектричних матеріалів, і фотоелектричних приладів в сонячних елементах, виготовлених з нетрадиційних напівпровідників. Це фулерени, вуглецеві нанотрубки, провідні полімери. У всій цій науці відбулась справжня революція. З'явився новий матеріал — перовскіт. Це навіть не матеріал, це структура, термін відноситься до кристалічної структури. Це сонячні елементи, суміш органічних і неорганічних. Їх ККД сьогодні вже досягло 20%. Для порівняння: рекордний ККД органічних сонячних елементів знаходиться на планці 10%.

Але основний інтерес пов'язаний навіть не зі збільшенням ККД, а зі спробою збільшення стабільності. Термін служби неорганічних сонячних елементів на основі кремнію, арсеніду галію — 25 років. Тобто практично «завжди». А термін служби органічних сонячних елементів або на основі перовскіту, коли вчені починали цим займатись, був практично нуль, тобто на кілька секунд. Навіть у темряві падав ККД. Завдання — збільшити його до двох, п'яти, а в ідеалі, звичайно, хоча б до десяти років. Тоді ці сонячні елементи, якщо у них буде висока ефективність, досить довгий термін служби, безумовно, будуть дешевими, оскільки виробляються вони з розчинів. Це елементи, які вже сьогодні друкуються на принтері. Це сонячні батареї, які повністю друкуються на принтері. Не потрібні ніякі вакуумні технології: стоїть багато різних принтерів, те, що називається row to row, які друкують різні шари цього багатошарового сонячного елемента.

Розвиток сонячної енергетики, масштабне застосування сонячної енергії для перетворення електрики, безумовно, повинні призвести до потужних змін соціального, політичного характеру в житті на нашій планеті. Тому що сонячна енергія розподілена досить рівномірно по планеті і передбачає розвиток технологій навіть таких країн, як, наприклад, ОАЕ, Саудівська Аравія, які мають величезні гроші з нафти і вкладаються в розвиток технологій. Розвиток технологій — це найпотужніший соціальний імпульс для розвитку суспільства. І, безумовно, це відбудеться в якийсь момент. Сьогодні ми стоїмо на порозі потужного застосування в різних країнах сонячної енергії. Звичайно, у випадку якщо буде знайдено спосіб запасати електроенергію.

Хоча є маса технологій, де запас не потрібен. Наприклад, опріснення морської води. Величезна проблема на планеті — відсутність прісної води. Основна вартість опріснення сьогодні — це вартість електроенергії. І тут не потрібні запаси. У вас є сонце — ви робите опріснення. Це не системи, які повинні працювати 24 години на добу. Вже сьогодні сонячна енергетика, перетворення світла на електрику, безумовно, стоїть на порозі нової індустріальної революції.

X

Вхід

Завантажую...