Солнечная энергетика: отрасль на пороге бурного развития

Со времени своего появления в середине 1960-х годов солнечная энергетика прошла огромный путь. Разработка промышленных энергетических систем на солнечных фотоэлектрических элементах долго считалась делом будущего. Сегодня это будущее настало: технологические прорывы на разных направлениях создали предпосылки для бурного роста отрасли.

Повышение КПД солнечных батарей

Главная задача исследователей – поиск путей повышения эффективности солнечных батарей – основы солнечной энергетики. Солнечная электростанция – это массив из сотен, иногда тысяч, фотоэлементов, каждый из которых преобразует лучистую энергию Солнца в электрический ток. К сожалению, в среднем КПД солнечной батареи составляет около 15%, т.е., 85% энергии солнечного света теряется и не преобразуется в полезную электрическую энергию. Для сравнения: КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 40%, КПД электрогенератора – 85%. Поэтому ученые постоянно экспериментирует с новыми технологиями, чтобы повысить эффективность поглощения и преобразования энергии Солнца.

Светочувствительные наночастицы. Недавно группа исследователей из Университета в Торонто представила новый тип светочувствительных наночастиц, названных ими «коллоидные квантовые точки», которые могут стать основой для разработки более дешевых и универсальных солнечных батарей. Новые материалы будут использовать уже привычные для нас полупроводники n-типа и р-типа – но с одним существенным отличием: возможностью функционировать не в помещении, а под открытым небом. Это уникальное открытие для рынка солнечной энергетики. Оказалось, что полупроводники n-типа при реакции с кислородом образуют материал из «коллоидных квантовых точек», который уже не реагирует с воздухом и, следовательно, может оставаться стабильным при эксплуатации вне помещений. Применение таких фотоэлементов увеличивает коэффициент поглощения лучистой энергии: экспериментальные панели, разработанные на основе данной технологии, показали увеличение КПД на 8%.

Арсенид галлия. Ученые из Университета Имперского колледжа в Лондоне разработали новый материал на основе арсенида галлия, повышающий эффективность солнечных фотоэлектрических систем почти в три раза. Полученные солнечные фотоэлементы названы элементами «тройного сочленения», их эффективность связана с химическими превращениями, которые оптимизируют процесс поглощения и преобразования энергии излучения: свет поступает в систему по своеобразным отражающим «световым трубкам».

Таким образом, КПД экспериментальных установок приближается к КПД двигателей внутреннего сгорания. Учитывая доступность энергии Солнца, это означает, что в ближайшее десятилетие – буквально, на наших глазах – ископаемые уголь и нефть как источники энергии уйдут в прошлое.

Разработка аккумуляторов солнечной энергии

Солнце — хоть и даровой источник энергии — но не светит двадцать четыре часа в сутки. Значит, без систем аккумулирования солнечные электростанции способны обеспечить питание потребителей только днем. А электричество, по большому счету, остается ресурсом, который «если не использовал – то потерял». Несмотря на то, что рынок предлагает разнообразные аккумуляторы, даже самые высокотехнологичные из них имеют низкий КПД; кроме того, они недешевы и имеют короткий срок эксплуатации, что лишает их экономической привлекательности для коммунальных предприятий и потребителей. Поэтому еще одним важным направлением исследований является разработка новых аккумулирующих систем, способных накапливать электрическую энергию и отдавать её по необходимости.

Аккумуляторы на расплавленной соли. Компания Novatec Solar разработала многообещающую технологию хранения энергии солнечных электростанций с использованием аккумуляторов на расплавленной соли. Процесс использует в качестве теплоносителя расплавленную неорганическую соль, а не масло, как в существующих аккумулирующих системах. Такие установки могут работать при температурах свыше 500 градусов по Цельсию, что обеспечивает повышение выходной мощности и снижение затрат на хранение энергии. В результате, для коммунальных предприятий процесс становится эффективным настолько, что солнечные электростанции можно использовать не только в качестве дополнительного ресурса в часы пикового спроса, но и постепенно превращать их в базовые источники электроснабжения потребителей.

Солнечные панели со встроенным аккумулятором. В рамках проекта, финансируемого Министерством энергетики США, исследователи Университета штата Огайо недавно объявили, что создали батарею, которая на 20% эффективнее и на 25% дешевле, чем любое предложение на рынке сегодня. Секрет конструкции в том, что аккумуляторная батарея встроена в саму солнечную панель, а не работает как автономная система. Объединение двух узлов позволило заметно повысить КПД и снизить затраты на изготовление.

Удешевление производства

Еще одним направлением, благодаря которому использование солнечной энергии станет общедоступным, является удешевление материалов и процесса производства.

Хлорид магния. Более 90% солнечных панелей, предлагаемых сегодня на рынке, работают на кремниевых полупроводниках — ключевом компоненте фотоэлементов, преобразующих солнечный свет в электричество. По мнению специалистов, следующее поколение солнечных панелей будет разработано на основе тонких пленок из теллурида кадмия — эта технология обещает быть намного дешевле, а соответствующие фотоэлектрические процессы — намного эффективней. Пока что основным препятствием для внедрения тонких пленок из теллурида кадмия является их нестабильность в процессе производства из-за взаимодействия с хлоридом кадмия. Поэтому была предложена новая, безопасная и дешевая, технология с использованием хлорида магния вместо хлорида кадмия. Хлорид магния получают из морской воды, что обеспечивает ему широкую доступность и низкую стоимость; кроме того, он нетоксичен. Переход на новую технологию не только увеличит эффективность производства, но и повысит КПД солнечных батарей.

Новые направления развития отрасли

У большинства из нас преобразование энергии Солнца в электрическую пока что ассоциируется с экзотикой: в малых масштабах — с несколькими панелями на крыше дачного дома чудака-соседа; в средних – с далекой Индией или жаркой пустыней в Аравии, где «чудит» уже какой-нибудь принц; в больших — с огромными промышленными установками, доступными только для экономически развитых стран, которые тоже могут «почудить» за счет налогоплательщиков.

Однако, уже сегодня просматривается ряд направлений развития отрасли, которые обещают превратить солнечную энергетику в часть обыденной жизни миллиардов людей на планете.

Солнечные батареи на обочинах дорог. Серьезным барьером на пути развертывания солнечной энергетики в промышленных масштабах в густозаселенных регионах планеты является дефицит свободных территорий. Но, если разместить солнечные панели вдоль шоссе и дорог, то в результате можно задействовать огромные площади, с которых можно получить значимое для экономики количество электроэнергии. Идея «солнечных дорог» активно разрабатывается в Нидерландах.

Плавающие солнечные станции. Другой путь решения проблемы землепользования связан со строительством широкомасштабных плавающих гелиоустановок, учитывая, что более 70% поверхности Земли покрыто водой. Французская фирма Ciel et Terre экспериментирует с этой технологией, внедряя проекты во Франции, Японии и Англии (в начале марта плавающая установка из 23 тыс.панелей была внедрена в эксплуатацию на пруду около Темзы) . Аналогичные проекты осуществляются в Индии и США.

Солнечные установки в околоземном пространстве. Ученые предлагают воскресить технологию, которая была впервые опробована более сорока лет назад: космические спутники захватывают солнечный свет и преобразовывают его в микроволновую энергию, которая затем передаётся на землю. Эта технология отличается высоким КПД по преобразованию энергии (почти 90%), кроме того, спутники можно разместить так, что «забор» солнечного света будет происходить круглосуточно. Индия, Китай и Япония уже вложили значительные средства в это направление.

60 лет назад 1 ватт электроэнергии, произведенный солнечной батарей, обходился в 2 тыс.дол. Сегодня тот же 1 ватт стоит 70 центов, и вектор развития технологий указывает, что снижение себестоимости будет продолжаться.

Лидерами производства солнечных панелей на сегодня являются две китайские компании: Trina Solar и Yingli Green Energy. На третьем месте канадцы: Canadian Solar, — впрочем, их производственные мощности также размещены в Китае. В десятку лидеров входят компании из США, Тайваня, Германии и Японии.

А какой вклад в развитие солнечной энергетики сможет внести Украина? Судя по трендам социально-экономического развития, наш подарок цивилизации будет не технологическим, а «гибридно-гуманитарным»: налаженные «солнечные» схемы откатов и обогащения взамен «газовых» да ещё пару фамилий в списке Форбс с концентрацией колоссальных ресурсов на фоне дальнейшего обнищания населения. И всё это будет освящено законодательно, подкреплено юридически и реализовано доблестной армией «бюджетныкив» и «працивныкив ЖКХ». С этой точки зрения, гибрид солнечной энергетики и постсовка грозит оказаться совсем не забавным.

Статья написана по материалам Altenergy.org