Инновации в солнечной электроэнергетике/ Т. Ростова
Опубликовано: 18 июня 2015 г.
116
Работа солнечных модулей (фотоэлектрических генераторов) основана на физическом свойстве полупроводников: фотоны света выбивают электроны из внешней оболочки атомов. При замыкании цепи возникает электрический ток. Солнечные батареи соединяют в цепи последовательно и/или параллельно для установления необходимых параметров по току и напряжению.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Для получения электрической энергии в солнечных модулях используются фотоэлементы, преобразующие световую энергию в электрическую. Основной принцип работы основан на свойстве полупроводников, так называемом p-n переходе. Фотоэлементы изготавливаются из пластин с применением, например, кремния – кристаллического материала. Но могут применяться также и соединения меди, индия, галлия, кадмия. Солнечные батареи целесообразно использовать в тех климатических районах, где достаточно много солнечных дней в году и в целом нормальное естественное освещение. Температура воздуха должна быть умеренной, так как при высокой температуре КПД таких модулей значительно уменьшается. Силу тока и мощность батарей можно отрегулировать с учетом реальных условий места эксплуатации с помощью увеличения или уменьшения числа модулей в панелях.
Сегодня солнечная энергия становится все более рентабельным источником электроэнергии. Тем не менее существующие на рынке фотоэлектрические элементы могут поглощать и преобразовывать лишь небольшую часть солнечного света, а это означает, что значительное количество солнечной энергии не используется. Ученые всего мира предлагают свои решения для повышения эффективности солнечных электрогенераторов. В силу естественных причин наибольшее число инновационных предложений поступает из южных стран, не имеющих недостатка в солнечной энергии, – из Китая, Австралии, Калифорнии. Так, в конце прошлого года ученые Калифорнийского технологического института анонсировали новую технологию получения солнечной энергии, позволяющую заметно повысить КПД современных гелиоустановок. Традиционная солнечная панель оснащена фотоэлектрическим преобразователем, в основе работы которого лежит фотоэлектрический эффект – способность атомов кремния испускать электроны под действием солнечного света, но только определенных длин волн, в основном лежащих в области видимого света. При этом свет в инфракрасном диапазоне, например, не просто проходит сквозь кремний, но и является источником нежелательного тепла. Новая технология, разработанная в Калифорнийском технологическом институте, основана на эффекте, который наблюдается в металлических структурах и известен как плазмонный резонанс. Плазмоны – это скоординированные волны электронов, которые существуют на поверхности металла в точке, где он соприкасается с воздухом. Ученые обнаружили, что эти плазмонные резонансы, хотя и являются природным явлением, могут быть настроены на другие длины волн, если сами металлы имеют наноструктуру. Американские ученые доказали, что эти резонансно возбужденные металлические поверхности могут произвести электростатическое напряжение. Они могут стать источником питания, если удастся разработать способ получения стационарного тока с них. Так, добавив плазмонный резонанс к фотоэлектрическому эффекту в солнечных панелях, можно будет использовать не только видимый, но и инфракрасный свет для выработки электричества. Как и у всех подобных изобретений или открытий, у новой технологии имеется огромный потенциал, который может так и остаться нереализованным. Но уже сейчас технология позволит разработать новые виды датчиков, которые обнаруживают свет на основе электростатического напряжения.
Повышением энергоэффективности солнечных электрогенераторов занимаются и австралийские ученые. Исследователи по гелиоэнергетике, работающие в Университете Нового Южного Уэльса (UNSW, Австралия), объявили о разработке новой системы, которая способна преобразовывать более 40 % поступающей солнечной энергии в электричество, тем самым претендуя на новый мировой рекорд энергетической эффективности для фотоэлектрических установок. Ученые сначала достигли рекордной энергоэффективности в лабораторных условиях на объекте в Сиднее, а затем эти же достижения были продублированы (и признаны состоявшимися) в американской Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) на открытом испытательном стенде. Разработка новой системы в университете Нового Южного Уэльса велась при финансировании Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии (ARENA), а также при поддержке американо-австралийского института передовой гелиотехники (AUSIAPV).
В своей системе исследователи использовали несколько компонентов, в том числе зеркала-концентраторы производства компании RayGen Resources (Австралия), а также высокоэффективные фотоэлектрические элементы, разработанные компанией Spectrolab, дочерним предприятием Boeing. Но ключевым компонентом системы, который помог ученым достигнуть такого впечатляющего результата по энергоэфективности, является специально разработанный оптический полосовой фильтр, используемый для отклонения определенных длин волн светового спектра с одновременным улучшением поглощения других длин волн. Это позволило значительно увеличить процент преобразования солнечного света в электричество. Поскольку в новой системе были использованы коммерческие солнечные панели, но с некоторыми добавочными элементами, она может быть практически уже сейчас выведена на рынок солнечной энергетики. Более того, в отличие от других солнечных энергосистем, например, таких как гелиотермические (CSP) электростанции, которые производят электричество посредством вращения паровой или водяной турбины, новая фотоэлектрическая система является менее сложной, более безопасной и дешевой, что позволяет использовать ее как в промышленных, так и в бытовых условиях.
Значительных успехов в области использования солнечных источников достигли китайские разработчики. В конце прошлого года компания JA Solar Holdings Co. Ltd объявила, что солнечные модули из 60 элементов поликристаллического кремния («multi-Si») продемонстрировали новое знаковое достижение, превысив номинальную мощность в 280 Вт. Этот новый результат, подтвержденный и сертифицированный независимым шанхайским центром тестирования немецкой компании TUV Rheinland, устанавливает новый рекорд эффективности энергопреобразования для PV-панелей, состоящих из 60 обычных промышленных (156х156 мм2) поликристаллических элементов с единым стандартным соединительным блоком, достигая уровня > 17,2 %. Выходная мощность новых солнечных модулей в дальнейшем может быть повышена посредством оптимизации процессов сборки модулей и использования усовершенствованных герметизирующих материалов.
Свои разработки в сфере повышения энергоэффективности солнечных модулей предлагают и отечественные исследователи. Так, Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при институте им. Иоффе (совместное предприятие «Роснано» и «Реновы») получил первый промышленный образец солнечного элемента на кристаллическом кремнии с рекордным коэффициентом полезного действия – на уровне 20 %. Разработка базируется на технологии HIT-гетероперехода, который совмещает кристаллическую и тонкопленочную технологии производства солнечных модулей. Преимущество кристаллов – высокий КПД и отсутствие световой деградации. Тонкопленочные модули имеют низкую себестоимость и высокую эффективность при повышенных температурах. Практическая ценность результатов этой работы в том, что специалистам НТЦ удалось доказать возможность переноса перспективной технологии на уже действующее производство по выпуску тонкопленочных солнечных модулей.
В 2015 г. в инновационном центре «Сколково» начнутся работы над проектом, также направленным на повышение КПД гелиоэлектрических установок. В конце прошлого года было достигнуто соглашение об открытии на базе Сколково научно-исследовательского центра компании Panasonic (Япония). Планируется, что через два года в Центре будет работать не менее 30 сотрудников российского офиса Panasonic. В первую очередь исследователи займутся поиском и созданием альтернативных источников энергии, в том числе солнечных батарей и систем накопления и хранения электричества: топливных ячеек и аккумуляторов. Центр сосредоточится на создании энергоэффективных решений для высокотехнологичных и энергоемких отраслей российской экономики.
Статья из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" 2(29) 2015
