Технические науки/5. Энергетика

Магистрант Остапчук В О., руководитель КАН Кисамедин Г. М.

КазГАСА, Казахстан

Эволюция технологии преобразованиятермического эффекта солнечных лучей в электрическуюэнергию.

Статья посвящена последним разработкам в сфере использования энергии солнечных лучей для преобразования их в электрическую энергию, а также новым принципам работы в данной сфере энергетики.Актуальность проблемы связана с развитием солнечной энергетики, все большей долей внедрения ее в мировую практику, а также все новыми технологическими достижениями в этой области.Использование человечеством энергии солнца имеет очень древнюю историю. Древнегреческий писатель Лукиан (II век до н.э.) в своем описании осады римлянами города Сиракуз, описывал изобретенные Архимедом зеркало, с помощью которого он поджигал римские корабли. Согласно Лукиану, зеркало имело шестиугольную форму, состоящее из небольших четырехугольных зеркал, каждое из которых, в свою очередь, крепилось на шарниры и могло изменять угол наклона. Это устройство позволяло концентрировать солнечный свет в одной точке на расстоянии выстрела стрелы [1]. Настоящий же прорыв в этой области начался в XVIIIвеке.

Рис. 1 Печатный станок на солнечной энергии О. Мушо

Первый солнечный нагреватель появился во Франции. Вогнутое зеркало испытателя Ж. Бюффона было способно воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре ученым из Швеции Н. Сюссором был построен первый солнечный котел. Правда конструкция этого устройства была элементарна – она представляла собой деревянный ящик со стеклянной крышкой. Однако вода в этом ящике нагревалась до 88⁰C. В 1774 году А. Левуазье впервые применил зеркала для использования тепловой энергии солнца. Приблизительно в то же время в Англии собрали большое двояковыпуклое стекло, способное расплавить гранит за минуту, а чугун за 3 секунды.В конце XIX века изобретатель О. Мушо представил первое приспособление, способное преобразовывать солнечную энергию в механическую. Устройство называлось «инсолятор». Зеркала фокусировали солнечную энергию на паровом котле, который, в свою очередь, приводил в движение печатный станок, способный печатать до 500 оттисков газеты в час.

В 70-х годах XIX века был открыт так называемый фотоэлектрический эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. Первые солнечные батареи, являющиеся прототипом современных приборов по преобразованию солнечной энергии в электрическую энергию, были созданы только в 1963 году, учеными Национального аэрокосмического агентства США (NASA) [2].Одними из главных достоинств солнечных батарей являются их экологическая чистота и простота эксплуатации. Однако цена кремневых полупроводников, из которых производятся современные солнечные батареи, очень высока (по сравнению с ископаемым топливом). Чем выше КПД устройств – тем выше их стоимость.

Современные производители солнечных батарей имеют ассортимент продукции от маленьких блоков мощностью 2 Вт до промышленных установок преобразования энергии солнца мощностью более 2 МВт [3]. Учеными и инженерами всего мира ведутся исследования по увеличению всех параметров данного вида источников энергии, для которых одним из важнейших является КПД.

Рис. 2. Опытное «поле» зеркал со стирлингами (фото StirlingEnergySystems).

Американская национальная лаборатория Сандия (SandiaNationalLaboratories) и её партнёры поставили мировой рекорд КПД конверсии солнечного света в электричество, отправленное в сеть. Инженеры сумели добиться эффективности преобразования энергии солнца в электрический ток 31,25%. В данном показателе учитывались мельчайшие потери, такие как работа управляющих компьютеров, водяных насосов, систем слежения за солнцем и других вспомогательных параметров. Эксперимент представлял собой поле, заставленное параболическими зеркалами, в центре которых находился двигатель Стирлинга и электрогенератор. Прибор получил название «Установка Сандия».Эти установки испытывались уже несколько лет, пробовались разные вариации их установки. Рекорд повышения эффекта преобразования альтернативной энергии в механическую, был достигнут благодаря ряду факторов.Очень солнечное (освещённость была на 8% выше, чем обычно) и чистое зимнее небо, сочетавшееся с холодным окружающим воздухом («на улице» было около нуля по Цельсию), позволило Стирлингу достичь высокой эффективности на практике. Еще более важным фактором послужило применение более современных стекол, что позволило увеличить процент отражаемого солнца и, за счет более правильной формы сфокусировать уловленный свет на меньшей площади (18 см). Это позволило увеличить температуру нагревательной части агрегата [4].

Естественно помимо мощности и количества электрической энергии на выходе неотъемлемым фактором для внедрения солнечной энергетики является ее стоимость. Калифорнийская компания TwinCreeksTechnologies объявила о запуске в производство новых ультратонких пластин, которые, по оценкам специалистов, снизят стоимость серийных солнечных батарей с 80 центов до 40. Главным элементом нового устройства станет монокристаллический кремний.Теоретически данный метод был описан уже давно, однако заслуга разработчиков заключается в том, что они сумели создать необходимое оборудование для производства приборов в необходимых условиях. При производстве солнечных батарей большинство затрат уходит на сам чистый кремний, и на прохождение им всех производственных цепочек до того момента, пока он не станет готовым фотоэлементом. Компании «TwinCreeksTechnologies» удалось снизить количество расхода кремния на квадратный сантиметр устройства (до 90%), но при этом сохранить высокое КПД устройства.

Солнечные батареи, которые сейчас присутствуют на рынке, используют кремниевые пластины толщиной от 100 до 300 микрометров, при их резке и обработке остается много отходов. Инженеры и ученые уже давно пытались сократить толщину пластин и количество образующихся отходов. Однако либо предлагаемые методы оказывались слишком дорогостоящими, либо готовые пластины было проблематично использовать далее, так как тонкий кремний очень хрупок. «TwinCreeksTechnologies» разработали установку Hyperion 3, которая совмещается с вакуумной камерой. Данная установка разгоняет ионы водорода с четко рассчитанной энергией и «бомбардирует» ими пластины кремния. Ионы застревают на расстоянии 20 мкм от поверхности. Далее заготовка помещается в печь, где нагревается. Впоследствии чего слой с ионами водорода превращается в слой с пузырьками. Далее достаточно малого усилия чтобы верхний слой кремния откололся, а остаток отправляется на следующий круг производства. Следующим шагом является добавление сверхтонкой пластины такого же тонкого слоя из металла, который защитит пластину от повреждений на следующих циклах обработки кремния [5].

Другим большим скачком в солнечной энергетике послужило создание гибких солнечных батарей, которые способны приобретать практически любую форму. Кроме этого, в них для преобразования света используется не фотоэлектрический эффект. Данная разработка имеет потенциал стать не только эффективнее, но и дешевле при производстве.

Ян Ван (YangWang) и его коллеги колледжа Бостона (BostonCollege) получили первый прототип антенны для волн видимого света. На подложке они разместили углеродные нанотрубки, установленные вертикально. Трубки были соединены между собой случайным образом. Эксперимент, показал,что вся эта система реагирует на свет примерно так же, как радиоантенны реагируют на радиоволны. В трубках и их соединениях свет возбуждал слабые электрические токи. При этом эффекта фотоэлектрического преобразования не наблюдалось, которое происходит, к примеру, в полупроводниковых солнечных батареях. Наведение тока в решётке из наноантенн оказалось возможным, так как размеры углеродных трубок были сопоставимы с длиной волны [6].

Исследователи из национальной лаборатории Айдахо (IdahoNationalLaboratory — INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (UniversityofMissouri) пошли дальше. Они получили похожий результат, однако, уже для инфракрасного спектра солнечного излучения. Согласно публикациям экспериментаторов каждая такая спираль имеет поперечник в 1/25 диаметра человеческого волоса (то есть получается, что диаметр антенны составляет порядка 2-4 микрометров). Это сопоставимо с длинами волн инфракрасной части спектра. Однако они утверждают, что данный способ получения электричества и инфракрасного света имеет свои сложности. Плотно расположенные ворсинки при попадании на них света создают излучение, влияющее на расположенные по соседству ворсинки. Напряжение в каждой антенне переменное и очень большое (в представленном прототипе — десять терагерц). Преобразование огромного количества энергии остается под вопросом. Физики ещё думают над различными способами решения данной проблемы, например, над возможностью одновременной печати рядом с наноантеннами миллионов же микроскопических конденсаторов и специальных «высокоскоростных» диодов.Чтобы понять, как будет работать большая плёнка с огромным количеством «ворсинок» на ней, учёные разработали компьютерные модели, предсказывающие свойства отдельных спиралей и также рассчитывающие резонансные процессы в сложной системе из миллиардов таких элементов. Сейчас, меняя в компьютере геометрию антенн и их материал, американские экспериментаторы подбирают самые оптимальные параметры батареи.Однако учитывая, что на инфракрасную часть спектра приходится 45% общей энергии солнечного света устройство, имеет прекрасные перспективы. Разработчики утверждают, что после захода солнца земная поверхность еще некоторое время излучает инфракрасные лучи, что также позволит продлить работу данных солнечных батарей. Еще пленка с наноантеннами при производстве обходится намного дешевле, чем классические солнечные батареи.Разработчики данного устройства даже были удостоены престижной премии в области инноваций Nano 50 [7, 8].При дальнейшем развитии эта технология может привести к созданию новых способов передачи информации, а также — к новым видам устройств, преобразующих свет в электрическую энергию.

Другими рекордсменами в данной области стали ученые из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (EMPA), которые создали солнечные батареи на тонкой полимерной пленке с КПД 18,7%, и на стальной фольге с КПД 17,7%. В обоих случаях это новый рекорд, проверенный сторонними наблюдателями.В роли чувствительного к солнечному свету материала использовался селенид меди-индия-галлия (CIGS). Вся проблема с малой мощностью данных устройств связана с тем, что полимер не выдерживает высокую температуру, в отличие от стекла, на котором производятся жесткие солнечные батареи. Ключевые элементы батареи приходится испарять и осаждать при температуре 450⁰ С, вместо 600 и выше. Из-за этого элементы и их промежуточные фазы ложатся на подоснову неравномерно, некоторые начинают просачиваться вниз и плохо взаимодействуют друг с другом.

Швейцарские ученые модифицировали процесс производства, за счет чего взаимодействие между элементами намного улучшилось. Например, японские ученые, работавшие в этом же направлении, добились КПД тонкоплёночных CIGS-батарей в 17,7% с керамической подложкой, 17,4% — на титановой фольге и «всего» в 14,7% — на тонкой полимерной плёнке [9, 10, 11].

Конечно, во всех перечисленных изобретениях существует много моментов, которые усложняют массовое их производство, методы эксплуатации и сложности, связанные с их доставкой до конечного потребителя, а соответственно и с их конечной стоимостью. Очень дорогое производственное оборудование, требующее тонких расчетов, а соответственно и квалифицированных работников, сами приборы, требующие аккуратного обращения, зависимость от погодных условий и т.д. Все это отодвигает солнечную энергетику на задний план при выборе, наравне с традиционными энергоносителями. Однако ресурсы солнечной энергетики безграничны, а все более ухудшающаяся экологическая обстановка в мире и сокращающиеся запасы ископаемого топлива с каждым днем все больше делают гелиоэнергетику привлекательной.

Литература:

1. Статья А. Зорича «Греческий огонь и зеркала Архимеда»

2. Портал Powerinfo.ru Статья «Солнечная энергия»

3. Siemens Россия

4. SANDIA TECHNOLOGY MAGAZINE Volume 10, No. 1, Summer 2008 - Record-setting solar power By Chris Burroughs

5. Портал Mambrana.ru; «Новая технология удешевит солнечные батареи вдвое» Л. Попов 14 марта 2012 г.

6. Boston College news. «Physics Team Sees Potential for 'Perfect' Solar Cell» by Mark Sullivan, BC Chronicle Staff Writer

7. Портал Membrana.ru «Мириады наноантенн переправят в сеть ночной жар Земли» Л. Попов, 11 февраля 2008 г.

8. Idaho National Laboratory; Прессрелиз «Harvesting the sun's energy with antennas»

9. Atsushi Masuda «Development of high efficiency flexible solar cells»

10. Empa «How to produce flexible CIGS solar cells with record efficiency» 21 сентября 2011 г.

11. Nature Materials: Adrian Chirilă, Stephan Buecheler, Fabian Pianezzi, Patrick Bloeschидр. «Highly efficient Cu(In,Ga)Se2 solar cells grown on flexible polymer films»