Батареи, которые работают ночью: миф или реальность

Батареи, которые работают ночью: миф или реальность

Фотоэлектрические батареи часто называют «солнечными» – и это справедливо, поскольку источником энергии для них служит электромагнитное излучение солнца. Однако мнение, что при отсутствии видимого света фотовольтаика работать не может, с точки зрения физики ошибочно. Ведь принцип функционирования полупроводниковых ячеек основан на преобразовании энергии любого типа, включая тепловой. И солнечные батареи, которые работают даже ночью, как альтернатива стандартным модулям, уже создаются. Остается лишь повысить их производительность в темное время суток, что позволит панелям завтрашнего дня генерировать электрически ток в режиме 24/7.

Батареи с терморадиационными элементами

Первый образец подобных панелей разработал коллектив ученых из Калифорнии (США) под руководством руководителя электротехнической кафедры местного университета Дэвиса Джереми Мандея (Jeremy Mundey). Подробную статью о возможностях системы опубликовал в январе 2020 года журнал «ACS Photonic».

На сегодня американский прототип достигает мощности 50Вт на 1 м2 в ночное время, что составляет около 25% генерации большинства современных фотоэлектрических модулей под прямыми лучами солнца. Профессор Мандей утверждает, что производительность в перспективе значительно увеличится, и со временем может сравняться с КПД классических модулей.

Принцип работы

Схема батареи предусматривает возможность использования двух вариантов преобразования излучения.

  1. Светлое время суток (день). Панели работают практически в режиме традиционной фотовольтаики, поглощая волны видимой части спектра с последующим преобразованием их в электрический ток, но с одним отличием. Специальные накопители эффективно аккумулируют энергию инфракрасного излучения, которое начнет использоваться после захода солнца.
  2. Темное время суток (ночь). Температура окружающей среды ночью падает, и терморадиационные элементы панелей начинают производить электрически ток за счет преобразования обратной отдачи накопленного теплового излучения.

Джереми Мандей описывает принцип работы так: «Традиционные фотоэлементы генерируют ток при поглощении излучения. В нашей системе электромагнитная волна не поглощается, а излучается, но происходит это в инфракрасной части спектра. Течение тока идет в противоположном направлении, но для производства энергии это не имеет значения. Материалы и схема требуются немного другие, но физика процесса аналогична».

Батареи со спиралевидными нано антеннами

Следующий вариант  разработан благодаря совместной работе трех коллективов:

  • Национального университета (штат Миссури, США);
  • физико-технической лаборатории INL (штат Айдахо, США);
  • компании Microcontinuum Inc. (Кембридж, Великобритания).

Конструктивно ячейки данного типа представляют собой полимерные подложки, на которые напыляют слой спиралевидных металлических антенн размерами в несколько десятков нанометров. Особенности такого покрытия заключаются в способности поглощать очень широкий спектр электромагнитных волн – включая видимое и инфракрасное излучение.

Доля тепловой энергии солнца в общем потоке фотонов составляет около 45%. Еще 50% приходится на видимый свет и 5% на волны ультрафиолетовой части спектра. Таким образом, днем инновационные солнечные панели генерируют электричество классическим путем, а ночью вырабатывают ток из теплового излучения.

Достоинства и недостатки

Главное преимущество прототипов данного вида батарей, которые работаю даже ночью – в возможности поглощения до 80% волн видимой части спектра днем и 25% инфракрасного потока после захода солнца.

Основной недостаток – проблема понижения частоты тока, сгенерированного из тепловых фотонов. Решение требует применения принципиально иных компонентов системы, на данный момент еще не разработанных. Но как только ответ будет найден, отрасль получит панели с КПД 40% днем и 15% ночью при себестоимости обычного коврика аналогичной площади.

Батареи с люминофорным LPP-слоем

Третий тип перспективных прототипов фотовольтаики создан в Китае, двумя группами инженеров под руководством профессоров Тан Цунвея из Шанхая и Янг Пейджи из Юйнаня.

Солнечные элементы из Поднебесной используют дополнительный слой из материала, известного как LPP – люминофор длительного послесвечения.

Принцип работы

Функционирует разработка китайцев так:

  • при ярком солнце многослойные ячейки поглощают свет, часть которого идет на генерацию электричества, а часть на накопление LPP-слоем;
  • когда солнце уходит за горизонт или исчезает за тучами, люминофор начинает отдавать поглощенное тепло в виде потока монохроматического излучения;
  • «переключение» процессов происходит автоматически, поскольку каждый слой реагирует на строго определенные длины световых волн.

Технология люминофорных батарей настолько проста и доступна, что результаты работ двух коллективов были напечатаны сразу в нескольких американских, европейских и азиатских профильных изданиях – включая престижные ACS Nano, Nano Energy, Chemistry и других. При выходе на серийное производство пользу солнечных панелей данного вида трудно будет переоценить.

Батареи с разностью температур верхнего и нижнего слоя

Оригинальное решение для ночной генерации энергии предложили инженеры Национального университета Калифорнии. На первый взгляд их изделие напоминает любительскую самоделку из дешевого пенополистирола и алюминия. Однако публикация в известном научном издании Joule подтверждает высокую технологичность нового устройства.

Для выработки электрического тока панель калифорнийцев использует классический второй закон термодинамики. Конструкция и материалы батареи скомпонованы так, что верхняя и нижняя часть модуля нагреваются и остывают с разной скоростью вне зависимости от времени суток. Температурный перепад создает постоянный источник тепловой энергии, и система преобразовывает тепло в электричество.

Основное преимущество конструкции — максимальная простота и дешевизна. Главный недостаток – низкая производительность (на сегодняшний день модуль площадью 1 кв. метр вырабатывает не более 2-3 вольт в час, что позволяет питать небольшой светодиодный светильник).

Термальные батареи с водородными топливными элементами

СЭС подобного типа – единственные, которые уже используются в промышленных масштабах для обеспечения ночной выработки электроэнергии. Общая производительность таких станций пока уступает крупным термоэлектрическим комплексам башенного типа. Но они гораздо более компактны, не используют дополнительные компоненты вроде отражателей и нагреваемых баков и больше похожи на симбиоз традиционной пары «солнечная батарея – литиевый аккумулятор».

Принцип функционирования основан на накоплении энергии топливными элементами на базе сжатого водорода. Преимущество подобных накопителей перед традиционными АКБ – отсутствие необходимости в инверторах. «Включение» водородных аккумуляторов происходит за счет падения температуры окружающей среды при заходе солнца или появлении туч, из-за чего газ вступает в реакцию с металлическими пластинами и производит электрический ток.

Когда солнечные батареи, работающие ночью, появятся в Украине?

Пока на этот вопрос ответить сложно, поскольку даже на мировом уровне все варианты прототипов демонстрируют недостаточную производительность. Однако все более широкое распространение получают тонкопленочные типы панелей, эффективность которых при частичном понижении уровня солнечной инсоляции на 18-20% выше, чем у классических кремниевых модулей.

Оптимальным вариантом для Украины следует считать гибридные пленки на базе теллурида кадмия (CdTe) – в частности, производства американского холдинга First Solar или его турецкого филиала Zorlu Solar. Компания Green Tech Trade является официальным представителем мирового гранда из США. Потенциальные владельцы СЭС могут ознакомиться с нашим ассортиментом на страницах сайта компании.

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ