Какое будущее солнечной энергетики? Как эволюционируют солнечные батареи?

Будущее солнечной энергетики фото
Какое будущее солнечной энергетики? Как эволюционируют солнечные батареи?

На протяжении полувека, с момента создания в 1954 году первой фотоэлектрической ячейки, будущее солнечной энергетики в качестве массового и недорогого источника энергии оценивалось специалистами скептически. Сложности в производстве, низкий КПД и огромная стоимость обрекали солнечные батареи на работу исключительно в космосе, где альтернативы им не существовало, а цена не играла существенной роли. Но в XXI веке ситуация кардинально изменилась. Себестоимость киловатта стала стремительно падать, и к 2014-2015 годам на крупных СЭС, расположенных в жарких и засушливых районах планеты, впервые оказалась ниже аналогичной, вырабатываемой с использованием традиционного ископаемого топлива.

История эволюции солнечных батарей

Чтобы понять, как это произошло, рассмотрим подробнее историю эволюции фотоэлектрического оборудования. Ведь будущее солнечных батарей началось более 200 лет назад, с опытов французского ученого Беккереля.

  • 1839 – 19-летний парижский химик Эдмон Беккерель первым создает электролитическую ячейку на принципах фотосинтеза, генерирующую энергию из солнечного света.
  • 1876 – спустя почти 40 лет два лондонца, Адамс и Дэй, использовали в качестве преобразователя не органику, а твердый химический элемент селен.
  • 1883 – американец Фриттс продолжил опыты англичан, создав первую фотоэлектрическую ячейку на базе позолоченного селена, КПД 1%.
  • 1905 – гениальный Эйнштейн создает теорию фотоэлектрического эффекта, за что позднее получает Нобелевскую премию.
  • 1954 – начинается будущее современной солнечной энергетики: группа ученых из Bell Labs (США) собирают первые кремниевые панели с КПД 6% мощностью около 1 Вт, которые через 3-4 года начинают массово устанавливать на спутники. Цена для NASA — $ 3500 за 1 Вт.
  • 1963 – коммерческие модули компании Sharp стоимостью $ 499 за 1 Вт.
  • 1973 – крупнейший в истории нефтяной кризис. Профессор Берман создает поликристаллические кремниевые ячейки себестоимостью $ 22 за 1 Вт.
  • 1974 – год рождения Ассоциации солнечной энергетики, задача которой – начинать строить будущее солнечных батарей путем стимулирования массового промышленного производства и активизации конкуренции.
  • 1980 – компания Arco Solar выходит на уровень производства 1 МВт панелей ежегодно.
  • 1986 – год рождения первого тонкопленочного модуля, КПД 5,6%. Полупроводник – аморфный кремний.
  • 1992 – во Флориде выпускаются тонкопленочные гибриды на базе редкоземельного теллурида кадмия (CdTe), увеличивая коэффициент полезного действия сразу до 15,9%.
  • 1993 – в Калифорнии электроэнергия от СЭС впервые продается в традиционную сеть по специальному тарифу.
  • 1998 – появляются модули, допускающие прямое встраивание в кровли и окна зданий.
  • 2007 – первые панели на базе смешанного сульфида меди, индия и галлия (CIGS). Себестоимость киловатта впервые падает ниже доллара – $ 0,99.
  • 2010 – в США для всех производителей гелиоэнергии вводится «зеленый тариф».
  • 2015 – будущее солнечной энергетики начинают осознавать даже нефтяные магнаты ОАЭ и Саудовской Аравии, начиная массовое строительство крупных станций на десятки и сотни мегаватт.
  • 2016 год – скорость общемирового роста генерации от СЭС достигает 1 МВт каждые 30 минут.
  • 2017 год – стоимость сдачи «под ключ» готовых частных станций составляет $2,8 за 1 ватт, в 2018 – $1,5, в 2019 – $0,8.

Эволюция солнечных батарей сегодня

Падение цен напрямую связано с совершенствованием технологий. И сегодня ученые продолжают искать пути повышения производительности фотоэлектрических ячеек, с одновременным снижением их стоимости и ростом экологической безопасности.

В данный момент будущее солнечных батарей строится по нескольким направлениям.

  1. Повышение КПД до 40-50%. Используются специальные линзы и параболические зеркала. Повышение концентрации излучения – от 10 до 1000 раз. Главная проблема – охлаждение ячеек. Лучшие материалы, менее чувствительные к высоким температурам – тонкие пленки на основе теллурида кадмия, арсенида галлия и арсенида индия. Прогнозы массового внедрения – 2020-2025 г.г.
  2. Фотоэлектрический транспорт. С 2017 года начинается массовое производство электромобилей, успешно конкурирующих по всем значимым параметрам с традиционным транспортом. К 2035-2040 году планируется полный запрет на использование машин с ДВС во всех развитых странах. Первый самолет на гелиопанелях в 1980 году пролетел 160 км, продержавшийся в воздухе 25 минут. В 2018 году время беспосадочного полета увеличилось до двух недель. Ожидаемый период массового перехода на электрические транспортные рейсы – 2027-2035 г.г.
  3. Энергетические установки-аэростаты. САЭС в виде аэростатов с внешней оболочкой из гибких солнечных панелей – один из самых перспективных вариантов будущего солнечной энергетики (первые прототипы запущены в эксплуатацию в 2003 году). Вынос на высоту выше облаков позволяет не зависеть от прихотей погоды, мощность стандартной установки в виде шара диаметром 150 метров – 2 МВт. Принцип работы основан на нагревании полученной энергией водяного пара, подающегося на землю по паропроводу на турбину, производящую электричество. КПД – около 25%.
  4. Орбитальные солнечные станции. Наиболее активно разрабатываются Японией и Китаем, опытный образец с КПД 42% должен быть запущен на орбиту в 2030-м. Передачу энергии на землю планируется осуществлять в виде точно направленного концентрированного микроволнового излучения или лазерного луча.
  5. Органические панели на перовскитах. Этот минерал, оксид CaTiO3, распространен на планете так же широко, как и кремний, но значительно более дешев и перспективен в производстве батарей. КПД последних моделей на базе перовскита – 20,3% (модули 2012 года давали всего 3,8%). Удобство перовскита – в возможности быстрого выращивания кристаллов без применения дорогостоящих и вредных технологий, а также перспективе создания идеальной кристаллической решетки, что увеличит КПД до 31%.
  6. Органические панели на белковых молекулах. Еще более интересное направление, сегодня реализованное с помощью специальной обработки сверхтонкой золотой фольги методом химического травления и помещения в «ямки» специально выращенных белковых молекул на растительной основе. Каждая из них под воздействием света начинает процесс фотосинтеза, передавая энергию через металлическую основу. Пока не решенная проблема технологии – совмещение большого числа листов фольги при сохранении прозрачности.

Прочие пути развития будущего солнечных батарей

Наиболее интересной и реальной перспективой остается использование преимуществ тонких пленок на редкоземельной базе, поскольку их теоретический КПД максимален среди всех возможных – 86%.

Главная проблема, стоящая перед инженерами – необходимость создания многослойной конструкции из материалов с разной электрохимической активностью. В настоящий момент лучшие показатели достигнуты у медно-индиево-галлиевого сульфида (CIGS) и теллурида кадмия (CdTe). При этом второй материал дешевле, а его производительность на 20% выше, чем у лучших классических кремниевых батарей за счет более активного поглощения фотонов из рассеянного и падающего под большими углами света.

В Украине панели этого класса реализует компания Green Tech Trade, региональный дилер мирового лидера в сфере солнечных технологий фирмы First Solar (США).

Бесплатно рассчитать и заказать СЭС данного типа можно на сайте официального представителя.

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ