Есть ли альтернатива солнечным батареям?

Альтернатива солнечным батареям фото
Есть ли альтернатива солнечным батареям?

Постепенному, но уверенному переходу на «чистую» энергию во многом поспособствовало стремительное развитие солнечной энергетики. Но фотоэлектрическим панелям, наряду с несомненными достоинствами, присущ и ряд недостатков. Одним из главных является техническая сложность увеличения их сравнительно низкого КПД, и потому поиском альтернатив солнечным батареям заняты тысячи ученых и инженеров во всем мире. В настоящий момент такие работы находятся в экспериментальной стадии, но отдельные практические успехи уже есть.

Металлические стержни с нано-измененной структурой

Первой из наиболее перспективных альтернатив являются металлические стержни с измененной на нано-уровне структурой. Технология, предложенная группой биохимиков калифорнийского университета под руководством профессора Мартина Московица (Martin Moskovits), предлагает следующий путь генерации электроэнергии.

  1. В качестве полупроводника-преобразователя выбирается золотой стержень с покрытием из диоксида титана и с нано-частицами платины в верхней его части. Нижняя часть покрывается сложным химическим окислителем, основным элементом которого является кобальт, и опускается в обычную воду.
  2. При попадании на полупроводниковый стержень солнечных лучей на его поверхности начинается процесс фото-электролиза, где нано частицы титана служат фильтром, а платины – поглотителем. Уровень поглощения фотонов при этом очень высок, а колебания электронов – так называемые плазменные поверхностные волны – приводят к перемещению вниз по стержню электронных «дырок». В результате молекулы воды H2O разлагается на водород и кислород, высвобождая большой объем энергии.

У приведенной альтернативы солнечным батареям есть одно важное преимущество – в процессе преобразования не происходит деградации стержня, в то время как обычные фотоэлектрические ячейки в классических панелях теряют производительность со скоростью примерно 0,5-0,8% в год.

Наличие КПД в 55% и практически «вечные» стержни выглядят очень привлекательной технологией, но пока ее стоимость не позволяет конкурировать с затратами на современные гелиопанели (менее $0,5 за 1 Вт мощности).

Фотосинтез белковых молекул на металлических листах

Следующая альтернатива – результат работы инженеров-химиков Сишельски и Дженнингса из университета Нэшвилла (США). Ученые решили пойти путем, подсказанным самой природой, а именно – использовать широко известный биохимический процесс, присущий листьям обычных растений.

Природный фотосинтез, как химическая реакция преобразования фотонов света в энергию, совершенствовался эволюцией свыше 3 миллиардов лет. В результате его КПД в естественных условиях достиг 90%, а объем генерации в масштабах планеты достиг 3*1015 джоулей в год – впятеро больше, чем расходует за тот же период человечество на все промышленные и бытовые нужды. Задачей ученых стал поиск белков, выделенных из растений, которые бы не теряли свои способности к фотосинтезу при переносе в неестественную для себя среду.

В качестве альтернативы солнечным батареям были выбраны протеиновые молекулы PS1, синтезированные на базе листьев обычного шпината, способные жить в «ямках» на обработанной особым образом сверхтонкой фольге из сплава золота и серебра. Толщина фольги всего в несколько нано метров позволяет ей свободно пропускать солнечный свет.

Принцип работы данной альтернативы солнечным батареям следующий:

  1. фотоны света, падая на молекулы PS1, запускают фотосинтетический процесс;
  2. полученная энергия, в обычных условиях идущая на образование сложных углеродов в растениях, в данном случае порождает колебание электронов в металлической подложке;
  3. электрический ток выводится в сеть.

Основных проблем технологии на сегодняшний день две.

Первой является необходимость утолщения слоя из множества пленок до 1мм при сохранении прозрачности, что позволит разместить на той же площади большее количество молекул. Первые модели 2017 года продуцировали всего 0,008 мкА на 1мм2 площади поверхности. Вторая серия 2018 года позволила повысить эффективность сразу на 250%, достигнув 0,02 мкА/мм2 – уровня, достаточного для зарядки стандартных настольных калькуляторов.

Вторая проблема – чрезмерная чувствительность белков PS1 к излучению высокой интенсивности. В случае нахождения метода действенной защиты протеинов и повышения производительности еще в несколько раз эта технология станет очень серьезной альтернативой солнечным батареям и одним из главных их конкурентов.

Химическая батарея и аккумулятор – два в одном

Работы с органическим материалом с целью поиска альтернатив фотоэлектрическим панелям навела биохимиков на мысль найти замену и классическим литиевым аккумуляторам.

Химические вещества, способные накапливать и хранить энергию, известны более полувека. Однако широкого распространения они не получили из-за одного существенного недостатка – быстрого разрушения уже через 3-4 цикла «накапливание/отдача», устраняемого только введением в состав баснословно дорогого редкоземельного рутения.

Задача ученых заключалась в поиске материала, лишенного указанных недостатков, и первым решение нашла команда Джеффри Гроссмана из Массачусетского технологического университета. Молекулы fulvalene diruthenium (фулвален-тетракарбонил-дирутения) оказались способными не терять своих свойств на протяжении практически неограниченного числа циклов, и при этом не содержа рутений в чистом виде.

Для этого понадобилось размещение частичек вещества в «ячейках» из углеродных нано трубок, что позволило получить плотность энергии, сравнимую с литий-ионными аккумуляторами. Более того, в ходе экспериментов было обнаружено, что новое вещество способно:

  • сохранять и отдавать энергию в виде тепла неограниченное количество циклов без ее потерь;
  • регулировать плотность энергии при термохимическом воздействии;
  • работать не только как накопитель, но и как преобразователь – являясь альтернативой не только аккумуляторов, но и солнечных батарей.

Сегодня остается решить последнюю проблему – «научить» этот долговечный и достаточно дешевый материал преобразовывать свет не только в тепловую, но и электрическую энергию. Пока для этого приходится использовать промежуточные технологии.

Лучшие альтернативы солнечных батарей сегодня

Пока органические альтернативы находятся в стадии разработки, на лидирующие позиции рынка солнечных батарей выходят тонкопленочные солнечные панели, постепенно вытесняющие кремниевые. Одной из наиболее эффективных разновидностей являются гибридные теллурид-кадмиевые пленки (CdTe) от американского производителя First Solar – в Украине их официальным дилером является Green Tech Trade.

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ