Ноу-хау, которые могут изменить будущее солнечной генерации
Солнечные батареи остаются для многих примером уникального технологического новшества и прямым синонимом «зеленой» энергии. Однако для ученых солнечные батареи — лишь один из множества способов получения электричества за счет Солнца. Вращающиеся зеркала, технология «жидкого солнца» и энергия из тени — обо всем в материале «Энергии Северо-Запада».
СЭС на орбите
Идея тотального использования землянами солнечной энергии, которая неограниченно «разлита» вокруг нас, на протяжении уже нескольких десятилетий не дает покоя футурологам и техническим специалистам. Ученые американского авиакосмического агентства еще в середине прошлого века заявили, что улавливание солнечных лучей в космосе, где отсутствует рассеивающая их атмосфера, позволит радикально улучшить эффективность процесса сбора такой энергии. Несмотря на бурное развитие техники, идея по-прежнему кажется фантастической: за 50 лет специалистам NASA так и не удалось перейти к ее реализации на практике.
Сейчас на пятки американцам уже наступают ученые из Китая. В 2019 году они начали первый этап проекта, который примерно через 30 лет позволит построить на геостационарной орбите огромную фотовольтаическую электростанцию. Технические наработки для разворачивания солнечных панелей на орбите есть, их уже давно используют на космических станциях и аппаратах. Пока основная загвоздка — в технологии передачи энергии с орбиты на Землю. Китайские ученые предполагают конвертировать собранную солнечную энергию в микроволны, передавать их на Землю, а затем преобразовывать их в электричество, которое будет выдаваться в сеть. О размерах самой орбитальной платформы, которая и будет собирать солнечную энергию, пока говорить рано: проект находится в начальной стадии. КНР ставит себе цель построить такой «приемник» на высоте 36 тысяч километров над земной поверхностью в 2040-е годы. Проблема в том, что пока мы научились эффективно передавать микроволны высокой мощности на расстояние не более 100 метров.
Горячее солнце Билла Гейтса
Более приземленные и реалистичные цели ставит перед собой один из самых богатых энтузиастов «зеленого» перехода — миллиардер Билл Гейтс. Занявшись концентрированием солнечной энергии (CSP), он пытается вывести на рынок разработки 1960-х годов. Именно тогда ученые предложили собирать энергию с помощью гелиостатов — вращающихся зеркал. 50 лет назад проект казался неоправданно дорогим, сейчас его рыночная эффективность существенно выросла благодаря развитию технологий. Билл Гейтс самостоятельно финансирует компанию Heliogen, которая успешно оптимизирует технологии сбора (отражения) и хранения энергии. Если прежние техрешения позволяли генерировать тепло максимум до 400–500 ºC, то солнечная тепловая система Heliogen увеличила показатель втрое, до 1 500 ºC. Столь значительный скачок стал возможен за счет изменяемого угла наклона зеркал и использования машинного обучения. В частности, Heliogen принимает решения о переконфигурации зеркал, основываясь на анализе цвета неба, отражающегося в них. Солнечная энергия в виде тепла направляется по изолированной стальной трубе в слой камней, которые выступают своеобразным аккумулятором. Сохраненная энергия, по задумке разработчиков, может идти не только на питание инфраструктуры, но и на выработку водорода — одного из перспективных видов безуглеродного топлива.
Пока главный барьер на пути технологии — ее цена; в будущем разработчики надеются удешевить процесс и оказаться эффективнее топливной генерации. Для этого Heliogen намерен масштабировать систему: сейчас в испытательном центре компании в Калифорнии 400 зеркал-гелиостатов, в перспективе их количество на стенде должно вырасти в 100 раз — компания намерена покрыть зеркалами сотни квадратных миль. Интерес к подобным проектам в случае снижения конечных цен уже проявляют на юго-западе США, в Австралии, на Ближнем Востоке и в Северной Африке. Здесь солнечные тепловые системы от фирмы Билла Гейтса могут появиться уже в конце этого десятилетия.
«Жидкое солнце» с гарантией на 18 лет
В ином направлении движутся ученые из Швеции, которые пару лет назад разработали «солнечное термальное топливо». Жидкость, работа над которой заняла более года, позволяет хранить солнечную энергию на протяжении 18 лет. Солнечный тепловой коллектор под названием MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage System) работает по круговому принципу. Насос перекачивает гелиотермическое топливо по прозрачным трубкам. Под воздействием солнечного света атомная структура жидкости меняется, она превращается в богатый энергией изомер. Удивительно, но шведам удается сохранять накопленный заряд и при остывании состава. Чтобы использовать захваченную энергию, жидкость протекает через спецкатализатор: это приводит к нагреву до 63 ºC, а сам состав, выделив тепло, возвращается в первоначальное молекулярное состояние и готов к повторной «зарядке». Особенности системы позволяют приспособить ее как для бытовых, так и для промышленных нужд. Теплоноситель может снабжать энергией водонагреватели, посудомоечные машины, сушилки для белья и т. д., на предприятиях низкотемпературное тепло может использоваться для приготовления пищи, стерилизации, отбеливания и дистилляции, указывают разработчики MOST.
Поиски эффективности в тени
Впрочем, как выяснили ученые из Сингапура, энергию можно получать не только от Солнца, которое будет светить еще примерно 5 миллиардов лет, но и от… тени. В прошлом году они представили генератор энергии, основанный на эффекте тени — Shadow-effect Energy Generator (SEG), который способен «утилизировать» световой контраст, возникающий на устройстве от теней, и превращать его в электрический ток. Внешне устройство напоминает обычный фотоэлектрический элемент: гибкие ячейки из кремния с тончайшим (15 нанометров) золотым напылением крепятся на прозрачной пластиковой пленке. SEG генерирует энергию от светового контраста, возникающего под слабым комнатным освещением; когда устройство целиком находится на свету или в тени, энергия не вырабатывается.
Полученные результаты внушают оптимизм: эффективность генерации оказалась вдвое выше, чем у представленных на рынке солнечных панелей (если бы они работали не под открытым солнцем, а в комнате). Прототип уже сейчас способен питать небольшие электронные приборы, например наручные часы. Кроме того, технология может использоваться для создания нового типа датчиков движения, отслеживающих тени.
Использовать тень для генерации хотят и специалисты Калифорнийского университета. В начале 2020 года здесь представили прототип, способный выдавать 50 Вт энергии на квадратный метр поверхности под ночным небом — это примерно четверть от того, на что способны обычные солнечные панели ясным днем. В устройстве свет не впитывается, а, наоборот, излучается; ток и напряжение идут в противоположном направлении, но энергия вырабатывается. Используются другие материалы, физика процесса остается той же самой, поясняют разработчики. Термолучевой элемент, лежащий в основе разработки, может работать и днем в пасмурную погоду, так что разработчики хотят использовать его для повышения эффективности уже привычных солнечных электростанций.