Батареї що працюють вночі: міф чи реальність?

Батареї, що працюють вночі
Батареї що працюють вночі: міф чи реальність?

Фотоелектричні батареї часто називають «сонячними»– і це справедливо, оскільки джерелом енергії для них слугує електромагнітне випромінювання сонця. Однак думка, що за відсутності видимого світла фотовольтаїка працювати не може, з точки зору фізики є помилковою. Адже принцип функціонування напівпровідникових осередків заснований на перетворенні енергії будь-якого типу, включаючи теплову. І сонячні батареї, котрі працюють навіть вночі, як альтернатива стандартним модулям, вже створюються. Залишається лише підвищити їх продуктивність в темний час доби, що дозволить панелям завтрашнього дня генерувати електричнийструм в режимі 24/7.

Батареї з терморадіаційними елементами

Перший зразок подібних панелей розробив колектив вчених з Каліфорнії (США) під керівництвом керівника електротехнічної кафедри місцевого університету ДевісаДжереміМандея (JeremyMundey). Докладну статтю про можливості системи опублікував у січні 2020 року журнал ACS Photonic.

На сьогодні потужність американського прототипу сягає 50Вт на 1 м2 в нічний час, що становить близько 25% генерації більшості сучасних фотоелектричних модулів під прямими променями сонця. Професор Мандей стверджує, що продуктивність в перспективі значно збільшиться, і з часом може зрівнятися з ККД класичних модулів.

Принцип роботи

Схема батареї передбачає можливість використання двох варіантів перетворення випромінювання.

  1. Світлий час доби (день). Панелі працюють практично в режимі традиційної фотовольтаїки, поглинаючи хвилі видимої частини спектра з подальшим перетворенням їх в електричний струм, але з однією відмінністю. Спеціальні накопичувачі ефективно акумулюють енергію інфрачервоного випромінювання, яке почне використовуватися після заходу сонця.
  2. Темний час доби (ніч). Температура навколишнього середовища вночі падає, і терморадіаційніелементи панелей починають виробляти електричнийструмзавдяки перетворенню зворотної віддачі накопиченого теплового випромінювання.

ДжереміМандей описує принцип роботи таким чином: «Традиційні фотоелементи генерують струм під час поглинання випромінювання. У нашій системі електромагнітна хвиля не поглинається, а випромінюється. Але відбувається це в інфрачервоній частині спектра. Струм перетікає в протилежному напрямку, але для виробництва енергії це не має значення. Матеріали та схема потрібні трохи інші, але фізика процесу аналогічна ».

Батареї зі спіралевидними нано антенами

Наступний варіант розроблений завдяки спільній роботі трьох колективів:

  • Національного університету (штат Міссурі, США);
  • фізико-технічної лабораторії INL (штат Айдахо, США);
  • компанії MicrocontinuumInc. (Кембридж, Великобританія).

Конструктивно осередки даного типу являють собою полімерні підкладки, на які напилюють шар спіралеподібних металевих антен розмірами з декілька десятків нанометрів. Особливість такого покриття полягаєу здатності поглинати дуже широкий спектр електромагнітних хвиль, включаючи видиме та інфрачервоне випромінювання.

Частка теплової енергії сонця в загальному потоці фотонів становить близько 45%. Ще 50% припадає на видиме світло і 5% на хвилі ультрафіолетової частини спектра. Таким чином, вдень інноваційні сонячні панелі генерують електрику класичним шляхом, а вночі генерують струм з теплового випромінювання.

Переваги та недоліки

Головна перевага прототипів даного виду батарей, які працюють навіть вночі,полягає в можливості поглинання до 80% хвиль видимої частини спектра вдень і 25% інфрачервоного потоку після заходу сонця.

Основний недолік – проблема зниження частоти струму, згенерованого з теплових фотонів. Рішення вимагає застосування принципово інших компонентів системи, котрі до цього часу ще не розроблені. Але як тільки відповідь буде знайдено, галузь отримає панелі з ККД 40% вдень та 15% вночі за собівартості звичайного килимка аналогічної площі.

Батареї з люмінофорним LPP-шаром

Третій тип перспективних прототипів фотовольтаїки створений в Китаї, двома групами інженерів під керівництвом професорів Тан Цунвея з Шанхая і ЯнгПейджі з Юйнаня.

Сонячні елементи з Піднебесної використовують додатковий шар з матеріалу, відомого як LPP – люмінофор тривалого післясвітіння.

Принцип роботи

Функціонує розробка китайців наступним чином:

  • за яскравого сонця багатошарові осередки поглинають світло, одна частина якого йде на генерацію електрики, а інша – на накопичення LPP-шаром;
  • коли сонце йде за горизонт або зникає за хмарами, люмінофор починає віддавати поглинене тепло у вигляді потоку монохроматичного випромінювання;
  • «перемикання» процесів відбувається автоматично, оскільки кожен шар реагує на визначені довжини світлових хвиль.

Технологія люмінофорних батарей настільки проста і доступна, що результати робіт двох колективів були надруковані відразу в кількох американських, європейських таазіатських профільних виданнях, включаючи найпрестижніші: ACS Nano, NanoEnergy, Chemistry та ін. Післяпочатку серійного виробництвакористь сонячних панелей даного виду важко буде переоцінити.

Батареї з різницею температур верхнього і нижнього шару

Оригінальне рішення для нічної генерації енергії запропонували інженери Національного університету Каліфорнії. На перший погляд їх виріб нагадує любительську саморобку з дешевого пінополістиролу та алюмінію. Однак публікація у відомому науковому виданні Joule підтверджує високу технологічність нового пристрою.

Панель для генерації електричного струму, винайденакаліфорнійцями, використовує класичний другий закон термодинаміки. Конструкція та матеріали батареї скомпоновані таким чином, що верхня та нижня частина модуля нагріваються та охолоджуються з різною швидкістю незалежно від часу доби. Температурний перепад створює постійне джерело теплової енергії, і система перетворює тепло в електрику.

Основна перевага конструкції – максимальна простота та дешевизна. Головним недоліком є низька продуктивність (на сьогоднішні модуль площею 1 кв. м.генерує не більше 2-3 ватт на годину, що дозволяє живити невеликий LED-світильник).

Термальні батареї з водневими паливними елементами

СЕС подібного типу – єдині, які вже використовуються в промислових масштабах для забезпечення нічної генерації електроенергії. За продуктивністю такі станції поки поступаються великим термоелектричним комплексам баштового типу. Але вони більш компактні, не використовують додаткові компоненти на зразок відбивачів табаків, що нагріваються. Крім того, більше схожі на симбіоз традиційної пари «сонячна батарея – літієвий акумулятор».

Принцип функціонування заснований на накопиченні енергії паливними елементами на базі стисненого водню. Перевага подібних накопичувачів перед традиційними АКБ – відсутність необхідності в інверторах. «Включення» водневих акумуляторів відбувається завдяки падінню температури навколишнього середовища після заходу сонця або появи хмар, через що газ вступає у реакцію з металевими пластинами та виробляє електричний струм.

Коли нічні сонячні батареїз’являться в Україні?

Поки на це питання відповісти складно, оскільки навіть на світовому рівні всі варіанти прототипів демонструють недостатню продуктивність. Однак широкого поширення стрімко набувають тонкоплівкові типи панелей, ефективність яких за часткового зниження рівня сонячної інсоляції на 18-20% вища, ніж у класичних кремнієвих модулів.

Оптимальним варіантом для України слід вважати гібридні плівки на базі телуриду кадмію (CdTe) –зокрема, виробництва американського холдингу FirstSolar або його турецького філії ZorluSolar. Компанія GreenTechTrade є офіційним представником світового гранда з США. Потенційні власники СЕС можуть ознайомитися з нашим асортиментом на сторінках сайту компанії.

Будівництво сонячних
електростанцій "під ключ"

Готові інвестиційні проекти