Яке майбутнє сонячної енергетики? Як еволюціонують сонячні батареї?

Муйбутнє сонячної енергетики фото
Яке майбутнє сонячної енергетики? Як еволюціонують сонячні батареї?

Протягом півстоліття, з моменту створення в 1954 році першого фотоелектричного осередку, майбутнє сонячної енергетики в якості масового і недорогого джерела енергії оцінювалося фахівцями скептично. Складнощі у виробництві, низький ККД і величезна вартість прирікали сонячні батареї на роботу виключно в космосі, де альтернативи їм не існувало, а ціна не мала суттєвого значення. Але в XXI столітті ситуація кардинально змінилася. Собівартість кіловата стала стрімко падати, і до 2014-2015 років на великих СЕС (розташованих в жарких і посушливих районах планети) вперше виявилася нижче аналогічної, що виробляється з використанням традиційного викопного палива.

Історія еволюції сонячних батарей

Щоб зрозуміти, як це сталося, розглянемо докладніше історію еволюції фотоелектричного обладнання. Адже майбутнє сонячних батарей почалося понад 200 років тому, з дослідів французького вченого Беккереля.

  • 1839 – 19-річний паризький хімік Едмон Беккерель першим створює електролітичний осередок на принципах фотосинтезу, що генерує енергію з сонячного світла.
  • 1876 – через майже 40 років два лондонця, Адамс і Дей, використали в якості перетворювача не органіку, а твердий хімічний елемент селен.
  • 1883 – американець Фріттс продовжив досліди англійців, створивши перший фотоелектричний осередок на базі позолоченого селену, ККД 1%.
  • 1905 – геніальний Ейнштейн створює теорію фотоефекту, за що пізніше отримує Нобелівську премію.
  • 1954 – починається майбутнє сучасної сонячної енергетики: група вчених з Bell Labs (США) збирають перші кремнієві панелі з ККД 6% потужністю близько 1 Вт, які через 3-4 роки починають масово встановлювати на супутники. Ціна для NASA – $ 3500 за 1 Вт.
  • 1963 – комерційні модулі компанії Sharp вартістю $ 499 за 1 Вт.
  • 1973 – найбільший в історії нафтова криза. Професор Берман створює полікристалічні кремнієві осередки собівартістю $ 22 за 1 Вт.
  • 1974 – рік народження Асоціації сонячної енергетики, завдання якої – починати будувати майбутнє сонячних батарей шляхом стимулювання масового промислового виробництва і активізації конкуренції.
  • 1980 – компанія Arco Solar виходить на рівень виробництва 1 МВт панелей щорічно.
  • 1986 – рік народження першого тонкоплівкового модуля, ККД 5,6%. Напівпровідник – аморфний кремній.
  • 1992 – у Флориді випускаються тонкоплівкові гібриди на базі рідкоземельного телуриду кадмію (CdTe), збільшуючи коефіцієнт корисної дії відразу до 15,9%.
  • 1993 – у Каліфорнії електроенергія від СЕС вперше продається в традиційну мережу за спеціальним тарифом.
  • 1998 – з’являються модулі, що допускають пряме вбудовування в покрівлі та вікна будинків.
  • 2007 – перші панелі на базі змішаного сульфіду міді, індію і галію (CIGS). Собівартість кіловата вперше падає нижче долара – $ 0,99.
  • 2010 – в США для всіх виробників геліоенергіі вводиться «зелений тариф».
  • 2015 – майбутнє сонячної енергетики починають усвідомлювати навіть нафтові магнати ОАЕ і Саудівської Аравії, починаючи масове будівництво великих станцій на десятки та сотні мегават.
  • 2016 рік – швидкість загальносвітового зростання генерації від СЕС досягає 1 МВт кожні 30 хвилин.
  • 2017 рік – середня вартість здачі «під ключ» готових приватних станцій становить $ 2,8 за 1 ват, у 2018 – $ 1,5, у 2019 – $ 0,8.

Еволюція сонячних батарей сьогодні

Падіння цін безпосередньо пов’язано з удосконаленням технологій. І сьогодні вчені продовжують шукати шляхи підвищення продуктивності фотоелектричних осередків, з одночасним зниженням їх вартості та зростанням екологічної безпеки.

В даний момент майбутнє сонячних батарей будується за кількома напрямками.

  1. Підвищення ККД до 40-50%. Використовуються спеціальні лінзи та параболічні дзеркала. Підвищення концентрації випромінювання – від 10 до 1000 разів. Головна проблема – охолодження осередків. Кращі матеріали, менш чутливі до високих температур – тонкі плівки на основі телуриду кадмію, арсеніду галію та арсеніду індію. Прогнози масового впровадження – 2020-2025 р.р.
  2. Фотоелектричний транспорт. З 2017 року розпочинається масове виробництво електромобілів, що успішно конкурують за всіма значимим параметрами з традиційним транспортом. До 2035-2040 року планується повна заборона на використання машин з ДВЗ у всіх розвинених країнах. Перший літак на геліопанелях в 1980 році пролетів 160 км і протримався в повітрі 25 хвилин. У 2018 року час безпосадочного польоту збільшився до двох тижнів. Очікуваний період масового переходу на електричні транспортні рейси – 2027-2035 р.р.
  3. Енергетичні установки-аеростати. СЕС у вигляді аеростатів з зовнішньою оболонкою з гнучких сонячних панелей – один з найперспективніших варіантів майбутнього сонячної енергетики (перші прототипи запущені в експлуатацію у 2003 році). Вихід на висоту вище хмар дозволяє не залежати від примх погоди, а потужність стандартної установки у вигляді кулі діаметром 150 метрів – 2 МВт. Принцип роботи заснований на нагріванні отриманої енергією водяної пари, що подається на землю по паропроводу на турбіну, що виробляє електрику. ККД – близько 25%.
  4. Орбітальні сонячні станції. Найбільш активно розробляються Японією і Китаєм, дослідний зразок з ККД 42% повинен бути запущений на орбіту в 2030-м. Передачу енергії на землю планується здійснювати у вигляді точно спрямованого концентрованого мікрохвильового випромінювання або лазерного променя.
  5. Органічні панелі на перовскітах. Цей мінерал, оксид CaTiO3, поширений на планеті так само широко, як і кремній, але значно дешевший і перспективний у виробництві батарей. ККД останніх моделей на базі перовскита – 20,3% (модулі 2012 року давали всього 3,8%). Зручність перовскита – в можливості швидкого вирощування кристалів без застосування дорогих і шкідливих технологій, а також перспектива створення ідеальної кристалічної решітки, що збільшить ККД до 31%.
  6. Органічні панелі на білкових молекулах. Ще більш цікавий напрямок, сьогодні реалізований за допомогою спеціальної обробки надтонкою золотої фольги методом хімічного травлення і розміщенням в «ямках» спеціально вирощених білкових молекул на рослинній основі. Кожна з них під впливом світла починає процес фотосинтезу, передаючи енергію через металеву основу. Поки не вирішена проблема технології – поєднання великого числа листів фольги при збереженні прозорості.

Інші шляхи розвитку майбутнього сонячних батарей

Найцікавішою і реальною перспективою залишається використання переваг тонких плівок на рідкоземельної базі, оскільки їх теоретичний ККД максимальний серед всіх можливих – 86%.

Головна проблема, що стоїть перед інженерами – необхідність створення багатошарової конструкції з матеріалів з різною електрохімічної активністю. На даний момент кращі показники досягнуті у мідно-індієвий-галлиевого сульфіду (CIGS) і телуриду кадмію (CdTe). При цьому другий матеріал дешевше, а його продуктивність на 20% вище, ніж у кращих класичних кремнієвих батарей за рахунок більш активного поглинання фотонів з розсіяного і падаючого під великими кутами світла.

В Україні панелі цього класу реалізує компанія Green Tech Trade, регіональний дилер світового лідера в сфері сонячних технологій фірми First Solar (США).

Безкоштовно розрахувати і замовити СЕС даного типу можна на сайті офіційного представника.