Чи є альтернатива сонячним батареям?

Альтернатива сонячним батареям фото
Чи є альтернатива сонячним батареям?

Поступовому, але впевненому переходу на «чисту» енергію посприяв стрімкий розвиток сонячної енергетики. Але фотоелектричним панелям, поряд з незаперечними перевагами, притаманний і ряд недоліків. Одним з головних є технічна складність підвищення їх порівняно низького ККД, і тому пошуком альтернативи сонячним батареям зайняті тисячі вчених і інженерів у всьому світі. На даний момент такі роботи знаходяться в експериментальній стадії, але окремі практичні успіхи вже є.

Металеві стрижні з нано-зміненою структурою

Першою з найбільш перспективних альтернатив є металеві стрижні зі зміненою на нано-рівні структурою. Технологія, запропонована групою біохіміків каліфорнійського університету під керівництвом професора Мартіна Московіца (Martin Moskovits), пропонує наступний шлях генерації електроенергії.

В якості напівпровідника-перетворювача вибирається золотий стрижень з покриттям з діоксиду титану та з нано-частинками платини у верхній його частині. Нижня частина покривається складним хімічним окислювачем, основним елементом якого є кобальт. Далі стрижень опускається у звичайну воду.

При попаданні на напівпровідниковий стрижень сонячних променів на його поверхні починається процес фото-електролізу, де нано-частинки титану служать фільтром, а платини – поглиначем. Рівень поглинання фотонів при цьому дуже високий, а коливання електронів – так звані плазмові поверхневі хвилі – призводять до переміщення вниз по стрижню електронних «дірок». В результаті молекули води H2O розкладаються на водень і кисень, вивільняючи великий обсяг енергії.

У наведеній альтернативі сонячним батареям є одна важлива перевага – в процесі перетворення не відбувається деградації стрижня, в той час як звичайні фотоелектричні комірки в класичних панелях втрачають продуктивність зі швидкістю приблизно 0,5-0,8% в рік.

Наявність ККД в 55% і практично «вічні» стрижні виглядають дуже привабливою технологією, але поки її вартість не дозволяє конкурувати з витратами на сучасні геліопанелі (менше $ 0,5 за 1 Вт потужності).

Фотосинтез білкових молекул на металевих листах

Наступна альтернатива – результат роботи інженерів-хіміків Сішельскі і Дженнінгса з університету Нешвілла (США). Вчені вирішили піти шляхом, підказаним самою природою, а саме – використати відомий біохімічний процес, притаманний листю звичайних рослин.

Природний фотосинтез, як хімічна реакція перетворення фотонів світла в енергію, удосконалювався еволюцією понад 3 мільярди років. В результаті його ККД в природних умовах досяг 90%, а обсяг генерації в масштабах планети досяг 3*1015 джоулів на рік – уп’ятеро більше, ніж витрачає за той же період людство на всі промислові і побутові потреби. Завданням учених став пошук білків, виділених з рослин, які б не втрачали своєї здатності до фотосинтезу при перенесенні в неприродне для себе середовище.

В якості альтернативи сонячним батареям були обрані протеїнові молекули PS1, синтезовані на базі листя звичайного шпинату, здатні жити в «ямках» на обробленій особливим чином надтонкій фользі зі сплаву золота і срібла. Товщина фольги всього в кілька нано-метрів дозволяє їй вільно пропускати сонячне світло.

Принцип роботи даної альтернативи сонячним батареям наступний:

  1. фотони світла, падаючи на молекули PS1, запускають фотосинтетичний процес;
  2. отримана енергія (що у звичайних умовах йде на утворення складних вуглеводів в рослинах) в даному випадку породжує коливання електронів в металевій підкладці;
  3. електричний струм виводиться в мережу.

Основні проблеми технології на сьогодні дві.

Першою є необхідність потовщення шару з безлічі плівок до 1мм при збереженні прозорості, що дозволить розмістити на тій же площі більшу кількість молекул. Перші моделі 2017 року продукували всього 0,008 мкА на 1мм2 площі поверхні. Друга серія 2018 року дозволила підвищити ефективність відразу на 250%, досягнувши 0,02 мкА/мм2 – рівня, достатнього для зарядки стандартних настільних калькуляторів.

Друга проблема – надмірна чутливість білків PS1 до випромінювання високої інтенсивності. У разі знаходження методу дієвого захисту протеїнів і підвищення продуктивності ще в кілька разів ця технологія стане дуже серйозною альтернативою сонячним батареям і одним з головних їхніх конкурентів.

Хімічна батарея та акумулятор – два в одному

Робота з органічним матеріалом з метою пошуку альтернатив фотоелектричним панелям навела біохіміків на думку знайти заміну і класичним літієвим акумуляторам.

Хімічні речовини, здатні накопичувати і зберігати енергію, відомі понад півстоліття. Однак широкого поширення вони не отримали через один істотний недолік – швидке руйнування вже через 3-4 циклу «накопичення/віддача», яке нівелюється лише введенням до складу дуже дорогого редкоземельного рутенію.

Завдання вчених полягало в пошуку матеріалу, позбавленого зазначених недоліків, і першим рішення знайшла команда Джеффрі Гроссмана з Массачусетського технологічного університету. Молекули fulvalene diruthenium (фулвален-тетракарбоніл-дірутенія) виявилися здатними не втрачати своїх властивостей протягом практично необмеженого числа циклів без рутенія в чистому вигляді.

Для цього довелося розмістити частинки речовин в «осередках» з вуглецевих нано трубок, що дозволило отримати щільність енергії, яку можна порівняти з літій-іонними акумуляторами. Більш того, в ході експериментів виявлено, що нова речовина здатна:

  • зберігати та віддавати енергію у вигляді тепла необмежену кількість циклів без її втрат;
  • регулювати щільність енергії під час термохімічних реакцій;
  • працювати не тільки як накопичувач, але і як перетворювач – будучи альтернативою не тільки акумуляторів, але і сонячних батарей.

Сьогодні залишається вирішити останню проблему – «навчити» цей довговічний і досить дешевий матеріал перетворювати світло не тільки в теплову, а й електричну енергію. Поки для цього доводиться використовувати проміжні технології.

Краща альтернатива сонячних батарей

Поки органічні альтернативи знаходяться в стадії розробки, на лідируючі позиції ринку сонячних батарей виходять тонкоплівкові панелі, які поступово витісняють кремнієві. Однією з найбільш ефективних різновидів є гібридні теллурид-кадмієві плівки (CdTe) від американського виробника First Solar – в Україні їх офіційним дилером є Green Tech Trade.