ЭкоПодмосковье

На Среднеуральской ГРЭС установлены «солнечные» фонари, их конструкция обеспечивает надежную и бесперебойную работу осветительной системы в климатических условиях нашей страны.

Энергия для светодиодного светильника в 20 Вт подается от солнечной батареи мощностью 100 Вт. Батарея монтируется на опоры диаметром от 89 до 108 мм, но предусмотрена возможность изготовления и поставки кронштейнов (для установки батарей) с другими размерами.

Именно такие фонари были установлены для освещения территории Среднеуральской ГРЭС. Система полностью автоматизирована. Она включает освещение в момент, когда сгущаются сумерки, и отключает при наступлении рассвета. Даже в отсутствии солнца в течение 4-х суток мощности батареи будет достаточно, чтобы обеспечивать автономную работу светильника.

Такая система может быть использована для освещения там, где отсутствует энергоснабжение.

Ученые Брауншвейгского университета создали и опробовали на практике новейшую систему, позволяющую более эффективно использовать солнечную энергию. Они смогли увеличить КПД солнечных батарей за счет включения в их конструкцию устройств, названных световыми воронками. Теперь батареи могут улавливать солнечные лучи, падающие под любым углом, и фокусировать их точно на фотогальванических элементах.

Правильная ориентация световых воронок позволяет преобразовывать в электрический ток максимальное количество энергии солнечных лучей.

Новый люминесцентный концентратор покрыт полимером, который способен перенаправлять энергию солнечных лучей к принимающим акцепторам, имеющим одинаковую ориентацию. От них излучение поступает на высокоэффективные фотоэлементы. Такое техническое решение обеспечивает резкое снижение потерь энергии в сравнении с этим же показателем у ныне действующих моделей солнечных батарей.

Китайцы доказали, что с юмором можно относиться ко многим вещам и даже к столь серьезным, как энергетика. Так посчитали многие, впервые увидевшие построенную около города Датун, расположенного на севере провинции Шаньси, солнечную электростанцию. При взгляде на нее с высоты видна расположившаяся на земле панда гигантского размера. Инженеры, спроектировавшие и построившие солнечную электростанцию такой оригинальной формы, назвали ее Panda Power Plant.

Рисунок большущей панды образуют тонкопленочные батареи белого цвета и черные монокристаллы кремния. Первая очередь электростанции уже введена в эксплуатации и вырабатывает 50 мегаватт электричества. После окончания строительства второй очереди солнечная энергия, перерабатываемая этой электростанцией, позволит поставлять в энергетическую систему Китая 100 мегаватт электрической энергии. Весь комплекс сооружений займет площадь в 6000 квадратных километров.

В отечественной и зарубежной печати все чаще появляются публикации о солнечных батареях, для изготовления которых используется не традиционный кремний, а относительно недавно открытый минерал, названный перовскитом. Достоинством новых солнечных батарей является их сравнительная дешевизна, но использование тормозится из-за низкого КПД. Работы по повышению эффективности батарей из перовскита в нашей стране ведет НИТУ «МИСиС». Финансирование этой программы осуществляется на основе мегагранта Министерства образования и науки России.

Процесс изготовления из перовскита фотоэлементов

Перовскит, являющийся природным минералом титаната кальция (CaTiO3), открыли в районе Уральских гор в 1839 году, но его подлинные возможности были выявлены совсем недавно, в связи с чем в 2013 году он был назван «прорывным материалом». Кристаллическая структура этого минерала напоминает куб неправильной формы, что характерно для соединений со свойствами полупроводников. Для изготовления фотоэлемента нужен очень тонкий слой перовскита. В процессе изготовления используются также свинец и растворенный в диметилформамиде металлоорганический иодид. Все составляющие наносятся на подложку, в качестве которой, как правило, используется органический полимер. Процесс изготовления завершается их обжигом при температуре от 90 до 110 градусов по Цельсию. При этом из молекул перовскита образуется поликристаллическая пленка, превращающаяся в гибкие полупрозрачные панели. Из кремния такие панели получить невозможно. Работы по созданию из перовскита солнечных батарей начинались с использования жидкого электролита, в результате чего фотоэлементы получались недолговечными. Замена жидкой фракции электролита на твердую увеличила КПД таких фотоэлементов до 15%.

Принцип работы перовскитных фотоэлементов

Фотопроводящий слой из перовскита в фотоэлементе оказывается зажатым двумя полупроводниками, предназначенными для переноски электрического заряда. Энергия электронов в этих полупроводниках различная, поэтому их разделяют по уровням. Ученые исследовали три верхних уровня, где наблюдается перемещение носителей заряда. На нижнем уровне (в валентной зоне) электроны практически не способны передвигаться. Законы природы не позволяют им перескакивать на следующий уровень, а для прыжка через уровень электронам нужна энергия. Такая энергия есть в солнечном свете, который как бы подталкивает электроны. Электроны, прыгая в зону проводимости, оставляют на своем месте положительный заряд, названный дыркой. Через полупроводниковый слой электроны перемещаются к катоду, а через другой полупроводник двигаются к аноду дырки. В конструкции фотоэлементов из перовскита полупроводниковые слои являются как бы приемщиками носителей электрического заряда, доставляя их к электродам фотоэлемента.

Перспективы повышения КПД у перовскитных солнечных батарей

Максимальное значение КПД у современных батарей на кремниевой основе равняется 26,6%. У батарей из перовскита наибольшее значение КПД - 22,7%. Однако увеличение эффективности солнечных батарей из перовскита, по общему убеждению, лишь вопрос времени. И вскоре мы наверняка станем свидетелями замены кремниевых солнечных батарей на более дешевые и эффективные - перовскитные.

Ученые США разработали технологию создания термохромных оконных стекол. Для этого они использовали нанотрубки из углерода и кристаллы перовскита (титаната кальция). Новый материал превращает солнечные лучи в электрический ток с эффективностью, значительно большей, чем у существующих солнечных батарей, изготовленных из поликристалла кремния. КПД вновь созданного материала превышает 11%.

В отсутствии света термохромные стекла прозрачные, но при попадании на них солнечных лучей молекулы метиламина нагреваются и высвобождаются, тонируя стекло. Процесс превращения прозрачного стекла в солнечную батарею длится около трех минут. Пока что после 20 циклов использования производительность материала снижается. Но после увеличения эффективности работы термохромные стекла предполагается использовать для установки на автомашинах и в окнах домов, а также для зарядки мобильных телефонов и другой электронной техники.