donmigel_62: (кот - учёный)

В Японии начинаются продажи готовых домов с 10-киловаттными солнечными батареями

16 января 2014 года Sekisui Heim Co., Ltd. из города Мито заявила о начале выпуска серийных каркасных домов, оснащённых фотоэлементами общей мощностью до 10 кВт.

В чем, собственно говоря, дело? Мы и так знаем, заметит утомленный «КЛ»-читатель, что в Японии солнечную энергетику внедряют, не считаясь ни с какими экономическими жертвами. И всё же это очень значимая новость, товарищи: дома на металлическом каркасе производятся едва ли не поточно, и интегрировать на их крыши солнечные батареи заметно дешевле, чем делать это потом. Наконец, сами крыши оптимизированы для установки значительного количества гелиоустройств.

Теоретически каждая Smart Power Station должна генерировать не один мегаватт-час в год. Не приведёт ли массовое внедрение таких домов к разбалансировке весьма компактных по размерам японских энергосистем и не пора ли уже строить больше ГАЭС? (Иллюстрация Sekisui Chemical).

Дома, которые компания претенциозно называет Smart Power Station, в стандартном варианте предусматривают монтаж на крыше фотоэлементов общей пиковой мощностью в 6,8 кВт (4,64 кВт «номинальной» в японских условиях) для модели с жилой площадью 130 м². Правда, есть и резервы: даже у модели площадью 114 м² можно смонтировать до 10 кВт солнечных батарей. Более того, для серий, собираемых на базе деревянного каркаса, предусмотрена специальная крыша с большими свесами с южной стороны, доводящая пиковую мощность гелиогенерации до 10 кВт даже для жилища в скромные 108 м². По утверждениям производителя, сборка заранее изготовленного дома на месте длится около суток.



Для компенсации отключений электричества ночью и в не солнечные дни предусмотрена небольшая литиевая батарея e-Pocket, ёмкость которой, к сожалению, не уточняется.

Производитель подчёркивает: с нынешним «зелёным» тарифом покупатель такого дома может продавать затем в сеть как часть своей генерации, так и её всю (?), причём в реальных японских условиях его доход будет неизменным 20 (!) лет подряд.

Солнечные батареи наклонены на 1°, так что между ними и крышей почти нет зазоров, куда может набиться пыль. Если это решение стоит признать разумным, то выбор собственно солнечных батарей — а это медно-индиево-диселенидные фотоэлементы — кажется нам не столь удачным.

Да, это тонкоплёночные элементы, которые хорошо подходят для установки на крышу, поскольку почти невесомы. Их КПД приближается к эффективности кремниевых батарей (15% для больших панелей), а энергоёмкость производства много ниже, да и стоимость тоже. А всё потому, что это прямозонный полупроводник, отчего он хорошо поглощает свет уже при микрометровой толщине, что для кремния малореально. В результате того же недешёвого индия тратится ничтожно мало, и на единицу мощности такая батарея получается весьма щадящей по цене.

Но у этих панелей есть и недостаток — очень малый опыт длительной коммерческой эксплуатации. Кроме того, они содержат компоненты, которые сами по себе не могут быть утилизированы без лишнего риска. Ещё важнее то, что в разработку кремниевых солнечных батарей сейчас вкладывается много больше игроков, чем в медно-индиево-диселенидные. Это значит, что инвестиции в производство последних рискуют проиграть гонку кремнию. Впрочем, эта же ставка, при всей кажущейся её рискованности, может обеспечить домам Sekisui Heim Co., Ltd. преимущество перед конкурентами...

«Конкурирующие» дома используют кремний-кремниевые фотоэлементы, которые на 20% эффективнее, но значительно дороже. (Иллюстрация PanaHome.)

Да-да, мы сказали «конкурентами»: в апреле прошлого года компания Panasonic начала малым тиражом производить дома Eco Cordis, тоже изначально наделённые солнечными батареями на крыше. В отличие от сооружений Sekisui Heim, они используют специфические кремниевые фотоэлементы HIT собственной разработки, в которых слой кристаллического кремния окружён тонкой оболочкой кремния аморфного (КПД 18,3%), что в теории делает их на 20% эффективнее медно-индиево-диселенидных, хотя и несколько дороже. На фоне общей цены домов с такими солнечными панелями разница по стоимости выглядит не очень заметной. Поэтому говорить о том, какой из двух продуктов выйдет победителем в конкурентной борьбе, пока рано.

Кстати, согласно данным Panasonic, доход от продажи производимого таким домом электричества по итогам 2013 года находится в районе $5 000 (в год), хотя подробности подсчётов, к сожалению, не сообщаются. Учитывая, что фиксированные тарифы для солнечных батарей в Японии сейчас согласовываются с домовладельцами на 20 лет, покупка такого жилища в каком-то смысле вполне выгодна: вне зависимости от того, насколько упадёт цена на геолиоэлектричество за эти двадцать лет, предприимчивый домовладелец получит примерно $100 000. Так что, кроме двух названных компаний, на этом рынке стоит ожидать появления и других игроков, причём в самое ближайшее время.

Подготовлено по материалам Tech-On!. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

donmigel_62: (кот - учёный)

Станет ли газ дешёвым бензином?

Американский стартап Siluria заявил, что нашёл способ получения из природного газа жидкого топлива по цене, вдвое уступающей бензину. Что за способ? И не надувательство ли это?

Большие нефтяные компании пытались производить жидкое моторное топливо из метана ещё в 1970-х; до сих пор никаких особых успехов на этом направлении не видно. И не будет видно, поскольку всё это танцы вокруг древнего процесса Фишера — Тропа, который вряд ли вообще можно сделать экономически выгодным, пока за нефть платят сегодняшние цены. Он требует нагрева метана для разрыва его молекулы и получения смеси угарного газа и водорода (синтез-газ). Затем смесь обрабатывают, имея на выходе моторное топливо. Обе части техпроцесса далеки от простоты, энергоёмки и требуют дорогого оборудования (средний завод по переделке метана в жидкое топливо стоит миллиарды долларов).

Эрик Шер (слева) и и Алекс Ткаченко не могут не радоваться: их Siluria уже привлекла инвестиции на десятки миллионов долларов, чего должно хватить на опытно-промышленное производство. Но сторонние химики сомневаются... (Фото NY Times.)

Ну а компания Siluria утверждает, что решила проблему за счёт исключения этапа синтез-газа.


Её работник забрасывает белые пеллеты внутрь реактора демонстрационной установки, затем подаёт туда метан и кислород, и, грубо говоря, из крана начинает течь этилен. Простой, вообще говоря, процесс, не ясно лишь то, почему реакция окисления останавливается на этилене и не идёт дальше, до углекислого газа, который как топливо совершенно бесполезен. Именно поэтому в 1980-х метод окисления метана был вычеркнут из разумных способов получения моторного топлива.

«Условия для реакции, необходимые для того, чтобы с тем же успехом (если не лучше) превращать метан в этилен, превращают этилен в углекислый газ», — замечает Джей Лабингер (Jay Labinger), десятилетия назад опубликовавший статью, из которой вытекала бесперспективность этого процесса.

Что отличает процесс, созданный Siluria, от испробованного г-ном Лабингером, мы не знаем. И дело не только в секретности, нормальной для потенциально сверхвыгодной технологии, но и в том, что стартап нестандартным образом подошёл к решению проблемы.

Ключевую роль тут играют катализаторы, состав которых, понятно, не раскрывается. А принцип их работы компания и сама точно не знает, так как подбирала его не по ожидаемым химическим свойствам соединения, а перебором множества соединений из потенциально подходящих в качестве катализаторов. Этот процесс был ею автоматизирован, ну а сами катализаторы часто делаются в виде нанонитевого материала, обладающего, естественно, другой реакционной способностью, чем тот же катализатор в обычном виде.

Способ изготовления используемых катализаторов опирается на известные достижения Анжелы Белчер (Angela Belcher) из Массачусетского технологического института (США), которая «вывела» вирусы, способные паковать атомы неорганических веществ в заранее заданную форму. По уверениям представителей компании, они перепробовали десятки тысяч соединений на роль катализаторов и пока остановились на паре самых успешных, с которыми получается именно этилен, а не бесполезный углекислый газ.

Сейчас Siluria собирается построить две опытно-промышленные установки — одну в Калифорнии, где будет выпускаться синтетическое моторное топливо, а другую в Техасе, где процесс, который обойдётся без последнего этапа, будет иметь на выходе чистый этилен, также пользующийся рыночным спросом.

Если заявления стартапа правдивы, если его сотрудникам действительно удалось добиться в лаборатории себестоимости синтбензина, вдвое меньшей того, что получается из обычной нефти, то последствия этого трудно описать, ибо в пересчёте на энергоёмкость газ в США в среднем впятеро дешевле нефти. Однако специалисты во главе с Джеем Лабингером сомневаются; впрочем, это не отменяет того факта, что множество вполне потрясающих открытий в химии были сделаны «околослучайно» — а значит, и у Siluria есть серьёзные шансы на прорыв.


Подготовлено по материалам Technology Review.
donmigel_62: (кот - учёный)

Солнечная энергетика в 2014 году: прогнозы аналитиков

IHS

Индустриальная аналитическая компания IHS недавно опубликовала информацию о том, как по ее мнению будет развиваться солнечная энергетика в 2014 году. И исходя из этих предсказаний, 2014 год станет ярчайшим для мирового рынка солнечной энергии. По мнению Аша Шарма, главы данного аналитического исследования: «После двухгодичного застоя, мировая индустрия по сбору солнечной энергии ожидает небывалый подъем».


Информационно-аналитическое агентство DigiTimes, цитируя отчет IHS, говорит о том, что фотоэлектрическая промышленность в 2014 году сможет выйти на уровень производства 40-45 гигаватт электроэнергии. Четыре года назад этот показатель был в более чем вполовину меньше. Однако благодаря резкому интересу к сбору солнечной энергии, потребность в строительстве новых солнечных электростанций в 2014 году будет расти.

Если точнее, то IHS ожидает, что к концу года, число этих электростанций будет в четыре раза больше, чем имеется сейчас. При этом многие из них смогут выйти на уровень производства 734 мегаватт электроэнергии из солнечного света.

С финансовой точки зрения нас тоже ожидают положительные сдвиги. Повышение общего числа солнечных электростанций и их мощностей позволит снизить цены на подобную электроэнергию примерно на 10 процентов. При этом инвестиции, вложенные в развитие фотоэлектрической промышленности увеличатся на 42 процента и составят внушительные 3,3 миллиарда долларов.

Новые фабрики по производству солнечной энергии откроются на Ближнем и Среднем Востоке, в Южной Америке, а также в многочисленных регионах Африки. И если в 2013 году мощности Латинской Америки позволяли производить 300 мегаватт солнечной энергии, то по мнению IHS к концу 2014 года этот показатель будет составлять уже 1,4 гигаватт.

Одними из самых активных стран, которые начнут строительство станций по сбору солнечной энергии в 2014 году могут стать Чили и Мексика. По мнению DigiTimes, в США в 2014 году будут по-прежнему вестись дебаты по поводу строительства подобных электростанций, но большого развития за этот период в стране не произойдет.

Китай и Япония продолжат освоение и развитие в этом направлении и в итоге станут крупнейшими станами по производству солнечной энергии. Тем не менее, по прогнозам, Китаю не удастся добиться запланированных показателей в 12 гигаватт.

IHS считает, что в долгоиграющей перспективе стоимость фотоэлектрических панелей будет постоянно снижаться и к 2020 году она будет на 40 процентов ниже, чем представляется сейчас. В виду снижения стоимости, повысятся шансы на то, что больше стран начнут задумываться о полном переходе на подобный источник энергии.



«Объем строительства фотоэлектрических электростанций в 2014 году увеличится вдвое. Повысятся инвестиции в эту сферу, стабилизируются цены на фотоэлектрические панели. Очень большую выгоду от развития этой индустрии получат развивающиеся рынки», — говорит Аш Шарма.



«Правда, наболевшие вопросы, связанные с государственной и политической поддержкой, а также споры о пользе столь стремительного роста, но в то же время малой прибыли от возобновляемой солнечной энергии, тоже никуда, к сожалению, пока не денутся».


      
donmigel_62: (кот - учёный)

Проточная батарея на органических компонентах и дешевле, и лучше ванадиевой

Непостоянство солнечной и ветровой генерации ограничивает их роль в энергобалансе буквально двумя–тремя десятками процентов. Кажется, новые батареи решительно изменят эту грустную ситуацию!

В Гарвардском университете (США) усилиями Майкла Азиза (Michael J. Aziz) и его сотрудников создан новый тип так называемой проточной батареи из весьма дешёвых материалов. Авторы разработки полагают, что она исключительно важна для триумфа возобновляемой энергетики. Попробуем разобраться, так ли это...

Ночью новая батарея сможет снабжать одно домовладение запасённым днём гелиоэлектричеством уже при ёмкости в 2 000 л. Не идеал, но реальнее литиевой или свинцово-кислотной альтернативы. (Здесь и ниже илл. Eliza Grinnell / Harvard School of Engineering and Applied Sciences.)


Проточные аккумуляторы весьма надёжны, долговечны (более 10 000 циклов зарядки–разрядки) и, что особенно важно, дешевле литий-ионных на киловатт-час запасаемой энергии. Самый успешный из них — ванадиевый редокс-аккумулятор, основанный на изменении степени окисления ванадия в рабочем растворе. Всего состояний окисления используется четыре: в батарее есть две ёмкости с электролитом, насосы и центральная камера, в которой две жидкости разделены протонообменной мембраной. Одна ёмкость содержит ионы V5+, вторая — V2+. Когда аккумулятор заряжается/разряжается, электролиты закачиваются в камеру, где идут химические реакции, сдвигающие заряд ионов в ту или иную сторону.

Из этой схемы очевидно, что в ней задействовано сравнительно немного ванадия, нет лития, а потому стоимость киловатт-часа ёмкости батареи может быть ниже $500 — той самой магической цифры, что до сих пор не позволяет электромобилям вытеснить своих вековых конкурентов. Что с ёмкостью? Она равна 20–30 кВт•ч/кг, что чуть ниже, чем у свинцовой батареи вашего авто, и в несколько раз меньше, чем у литиевой батареи вашего ноутбука.

Тем не менее для крупномасштабных накопителей энергии, используемых в энергосетях для компенсации колебаний выработки энергии солнцем и ветром, ёмкость на килограмм не так важна, как ёмкость на доллар. Опять же долговечность даже лучших литиевых аккумуляторов сегодня всё ещё в несколько раз меньше, чем у проточных аналогов. Именно поэтому на японском острове Хоккайдо строится первая крупная накопительная станция на ванадиевых редокс-аккумуляторах ёмкостью в несколько мегаватт-часов.

Увы, кроме японцев, пока охотников идти в этом направлении мало: по расчётам Министерства энергетики США, даже самые дешёвые ванадиевые батареи стоят нынче не менее $350 на кВт•ч ёмкости, в то время как для широкого внедрения цена должна упасть до $100 за кВт•ч. Улучшение технологии производства собственно ванадиевых батарей вряд ли поможет: только сам их ванадий стоит $81 на кВт•ч, то есть, как ни совершенствуй технологию, аккумулятор в комплекте будет всего на четверть дороже.

Именно поэтому группа Майкла Азиза взялась заменить ванадий на хиноны — органические соединения, используемые в животном и растительном мире для переноса электронов и протонов в процессе дыхания. В одной ёмкости своей экспериментальной батареи учёные разместили водный раствор хинона, а в другой — жидкий бром. При работе батареи каждая молекула хинона отдаёт через протонообменную мембрану пару протонов, а ещё два электрона — через отдельную цепь. В итоге в ёмкости с бромом из одной молекулы брома образуются две молекулы бромистого водорода. При зарядке к бромистому водороду просто подают электроны, и протоны от него переходят обратно к хинону. Кроме изменения направления работы насосов, ничего переделывать не нужно — и, что особенно важно, конвертеры и прочая электротехника, отвечающие за пиковую нагрузку, могут быть любой мощности и никак не связаны с общей ёмкостью батарей, определяемой объёмом накопителей с бромом и хиноном.

Что это значит? Если вы захотите «нарастить», скажем, литиевую батарею, вам придётся купить и накопительную ёмкость, и всю сопутствующую «электротехнику», поскольку функционально это единое целое. С проточными аккумуляторами таких ограничений нет, а потому стоимость накопления огромного количества энергии может быть очень умеренной — особенно если вам нужна не слишком большая пиковая мощность, как при хранении энергии, вырабатываемой фотоэлементами, которые стоят на вашей крыше.

От ванадиевых батарей новую хиноновую проточную отличает дешевизна компонентов: хинон накопителя почти идентичен хинону ревеня и распространён как в живой природе, так и в сырой нефти, отчего дешевле ванадия. На сам хинон приходится лишь $27 на киловатт-час ёмкости батареи, что ровно втрое меньше, чем для основного компонента ванадиевого редокс-аккумулятора. Следовательно, у такой или подобной батареи есть все шансы уложиться в прокрустовы $100 за киловатт-час, установленные в качестве ориентира Минэнерго США (кстати, спонсировавшим разработку).

Что не менее важно, хинон-гидрохиноновая реакция протекает примерно в тысячу раз быстрее, чем процессы восстановления и окисления ванадия. А это позволяет заряжать и разряжать такую батарею куда оперативнее ванадиевого варианта и в конечном счёте добиться много более стабильных параметров работы сети при той же номинальной ёмкости накопителей. «Я думаю, — говорит Майкл Азиз, — что химия, которой мы уже достигли, может быть лучшей из тех, что пригодны для стационарного накопления и хранения энергии. Вполне возможно, что она ещё и достаточно дёшева, чтобы пробиться на рынок. Но у нас ещё есть идеи, которые в огромной степени улучшат положение дел».

В ближайшее время Майкл Азиз собирается заменить ядовитый бром на ещё одну разновидность хинона.

Учёный намекает на то, что бром, вообще говоря, довольно дрянное вещество, в жидком виде весьма опасное для человека и весьма коррозионноактивное, к тому же ещё и замерзающее при -7,2 °C (хотя в работающей батарее замерзание ему вряд ли грозит). Идеальная проточная батарея в глазах исследователя будет иметь во второй ёмкости не его, а другую разновидность хинона — благо живые организмы всё же обходятся без брома в своих дыхательных процессах. Именно над такой заменой и корпит сейчас г-н Азиз.

Впрочем, коммерциализация даже текущей технологии вполне вероятна уже в ближайшее время. Частная Sustainable Innovations, LLC намерена в срок, не превышающий трёх лет, представить на рынке демонстрационную версию такой батареи, пригодной для широкого использования. Среди первых потенциальных потребителей авторы разработки видят домовладельцев и коммерсантов, имеющих солнечные батареи на крышах принадлежащих им зданий. Похоже, с такими накопительными ёмкостями можно будет отказаться от покупки электричества у энергосетей!

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Harvard Gazette.

donmigel_62: (кот - учёный)

Зачем делать фотоэлементы скользкими и тонкими?

В реальной жизни фотоэлементы сталкиваются с проблемами часто неожиданного характера, от решения которых тем не менее зависит сам факт их выживания на энергорынке. Справятся ли они с этими «вызовами повседневности»?
Все развитые страны, располагающие таким атавизмом, как производство солнечных батарей, находятся под колоссальным прессингом со стороны развивающегося мира. Называя вещи своими именами — в основном под давлением КНР. Европейцы уже запретили китайцам ввозить в ЕС такую продукцию дешевле чем по €560 за киловатт установленной мощности, а японцы недавно узнали, что в среднем импортные чайна-фотоэлементы обходятся островным потребителям на $480 за кВт дешевле, чем собственно японские. Но иначе и быть не могло, хотя здесь, конечно, интереснее другое: под бурным напором экспорта из Поднебесной задыхающаяся японская индустрия пытается хоть как-то оторваться от преследователя, и поэтому у неё получается кое-что весьма интересное.

Лёгкий шаг по раскалённым крышам

Такасагский завод летом, по сути, стал энергопродавцом, не говоря уже о снижении температуры крыши. (Фото Asahi Glass.)



Asahi Glass Co Ltd. в этом году решила оснастить крыши своего производственного комплекса в Такасаго солнечными батареями общей мощностью 5 МВт. Но вот беда: несущая способность значительной части крыш оказалась лишь 10 кг/м², а удельный вес стандартной солнечной батареи (благодаря защитному слою из стекла) равен 12,5 кг/м². Впрочем, это частая ситуация; в таких случаях батареи ставят реже, что снижает мощность «электростанции на крыше». В описываемом случае было решено пойти по другому пути, применив новые фотоэлементы Fujipream Corp, использовавшей стеклянное покрытие Leoflex производства той же Asahi Glass. Толщина такого стеклопокрытия при равной прочности равна всего 0,8 мм против 3,2 мм у нынешних кремниевых батарей. В итоге их удельная масса падает до 6,4 кг/м², и их смело можно монтировать почти на любой крыше, собранной даже из тонких листовых материалов.

Что не менее важно, теперь при креплении можно обойтись лёгкой рельсовой направляющей и зажимами, без необходимости дырявить крышу болтами, а сам процесс установки по времени сократился вдвое. Учитывая, что именно стоимость монтажа сегодня достигает трети цены фотоэлементных мощностей, это очень значимо для удешевления — настолько, что на этом фоне меркнет даже более высокая цена Leoflex. Впрочем, Asahi Glass утверждает, что массовое производство позволит серьёзно сбросить цену на Leoflex, ведь до сих пор продукт, по сути, был экспериментальным. С большой долей уверенности можно утверждать, что подобные облегчённые покрытия скоро начнут своё шествие и по остальном миру, удешевляя гелиомощности и повышая скорость их ввода.

В ряде областей лёгким фотоэлементам вообще нет адекватной замены: лёгкие средства транспорта, использующие энергию фотоэлементов для движения, часто весят считанные десятки килограммов. Солнечные батареи для них действительно полезны, благо покрывают до 60% энергопотребления, позволяя проехать много больше обычного. Но даже один квадратный метр фотоэлементов означает рост массы на 20% — а новые Fujipream-устройства снизят этот прирост вдвое.

Лёгкие батареи заняли значительную часть из 70 000 м² цеховых крыш. Это вызвало опасения производственников, ведь изготовление стекла — процесс, в котором выделяется огромное количество тепла, и для охлаждения помещений ранее использовались мощные разбрызгиватели водных капель, «поливавшие» крыши. Испарение жидкости охлаждало крышу, и вкупе с недешёвым кондиционированием воздуха помещений это снимало проблему. Предполагалось, что после установки фотоэлементов, из-за которых разбрызгиватели обессмыслились, затраты на охлаждение подскочат. Но на деле они уменьшились. Значительная часть энергии солнечных лучей преобразовывалась в электрическую, а другая часть переизлучалась в атмосферу в ИК-диапазоне, и в итоге температура в цехах даже упала, что позволило снизить затраты на кондиционирование: по сути, фотоэлементы как охладители оказались даже эффективнее былых разбрызгивателей!

Несколько неожиданная ситуация сложилась с эффективностью фотоэлементов в целом. При общей мощности в 5 МВт они генерируют в год 5,3 млн кВт, причём накопление пыли никак не влияет на эти цифры: панели установлены под углом 2°, из-за чего обычная дождевая вода смывает с них всё. Реальная энергоотдача оказалась даже несколько выше обещаний производителей, временами превышая потребности самой компании, особенно в летний полдень. Пользуясь ранее подключённой высоковольтной ЛЭП, Asahi Glass вынуждена продавать в сеть до 2 МВт выработки, по сути, из потребителя превратившись в одного из игроков энергорынка.

Рухнет ли солнечная энергетика под тяжестью снега?

Не менее интересные новинки можно увидеть на севере Японии. Климат там похолоднее, чем на юге европейской части России, то есть со снегом, который не даёт работать солнечным батареям, в тех местах всё в полном порядке. Для борьбы с ним можно увеличить угол установки батарей, однако пока в Японии не принято использовать фотоэлементы, отслеживающее положение солнца и постоянно меняющие угол наклона. Если же постоянный угол установки фотоэлементной панели сделать бóльшим (к примеру, 45°), то она покажет себя во всю силу даже зимой (солнце ходит низко). Правда, летом, когда светило стоит прямо над панелями, солнечные лучи, будут, так сказать, недоиспользованы. А уже при 35° снег с панелей почему-то сам не падает, что ставит энергобезопасность того же Хоккайдо под угрозу.

Обычно солнечным батареям под таким углом свобода от снега может только сниться. А секрет прост: силиконовая затирка в щелях между панелями (внизу), которые играют ключевую роль в удержании снега. (Фото Wakkanai City.)

Из-за этого 5-мегаваттная вакканайская гелиоэлектростанция провела ряд опытов с обычными солнечными батареями, и оказалось, что снег можно заставить соскальзывать даже с батарей под углом 30° — оптимальным для неподвижных панелей. Рецепт «модификации» до смешного прост: достаточно было затереть щели между стеклянными поверхностями панелей силиконовой затиркой из ближайшего строймагазина. Как подчёркивается, в заводских условиях это можно сделать гораздо быстрее и дешевле (хотя операция и так вышла недорогой), однако производители, по всей видимости, просто не задумывались над эксплуатацией фотоэлементов в условиях снежной зимы. В то же время опыт показал, что даже при таких «скользких» панелях «снежная» проблема не исчезает, а лишь из краткосрочной угрозы становится долгосрочной: по мере выпадения осадков снег, скатывающийся с панели, скапливается под ней, со временем закрывая её уже в качестве сугроба. Впрочем, подняв панель на тонких стальных опорах на 2-метровую высоту, о снеге можно забыть.

В итоге, рапортует мэрия Вакканая, этот самый северный японский город показывает коэффициент использования установленных мощностей гелиоЭС в 10,1–11,8%, при общенациональном в 12%. Для сравнения можно сказать, что вышеупомянутая такасагская ЭС при мощности 5 МВт вырабатывает за год почти столько же, сколько вакканайская. Иными словами, солнечные электростанции вполне совместимы со снегом, и он довольно слабо влияет на их работу в целом — если, конечно, установка проводилась осмысленно и с учётом местных особенностей. Значимость этого вывода трудно переоценить, в том числе и для России: Вакканай — место похолоднее, скажем, Саратова или Воронежа, не говоря уже о более тёплых российских регионах, и при этом куда более облачное.
http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20131228/325380/

donmigel_62: (кот - учёный)

Итоги-2013: конец альтернативной энергетики

Есть две точки зрения на происходящее в мировой энергетике, и обе они неправильные, это понятно. Но что в этом бедламе разноречивых экспертных оценок делать нам, обывателям?

Почему у нас не делают комбайнов?

Нет нужды говорить о роли цены киловатт-часа в экономике. Впрочем, простите, нужда есть: с советских времён детальная оценка издержек производственного сектора как-то ушла из массового сознания. Поэтому коротко напомним: когда наш текущий автократор в сентябре этого года созывал производителей сельхозтехники, чтобы выяснить, «почему у нас не делают комбайнов», глава «Росагромаша» представил монарху объяснительную записку. Её содержание можно резюмировать так: трактора в России производить экономически нецелесообразно, а в Канаде — целесообразно. Текст авторства вышеупомянутого К. Бабкина выдаёт, разумеется, полное незнание канадских реалий или, того хуже, прямой обман государя. Так, бизнесмен считает, что в Виннипеге квалифицированному рабочему можно платить много ниже виннипегского же МРОТ. Что сказать: ещё Юрий Самарин, знаток русской деревни XIX века, отмечал: «Умный крестьянин в присутствии своего господина притворяется дураком, правдивый бессовестно лжёт ему прямо в глаза, честный обкрадывает его, и все трое называют его своим отцом». Само собой, записки барину с просьбой о мерах господдержки отечественного сельхозмашиностроения только глупый крестьянин будет составлять вполне честно.

Несмотря на сланцевый газ, США строят всё меньше метановых ТЭС (голубые) и всё больше ветряков (зелёные) и гелиоэлектростанций, хотя график почти не включает частные солнечные батареи на крышах. В Европе новая тепловая генерация вообще не покрывает выбытия старой, то есть сектор ТЭС сокращается на фоне буйного роста эолового и солнечного. (Илл. EIA, DOE.)



И всё же ни в одной дезинформации не может быть только дезинформация: для убедительности туда добавляют правду. И действительно, замечает г-н Бабкин, хотя газ в России много дешевле, чем в Канаде, электричество для предприятий, из него получаемое, почему-то куда дороже: 12 центов за кВт•ч против 5,5 цента. Однако в машиностроении роль сжигаемого газа всё же ниже, чем электричества: от метана не работают станки. «Таким образом, издержки тракторного завода на электроэнергию при переносе в Российскую Федерацию вырастут на... млн долларов США, что значительно превосходит экономию на газоснабжении», — резюмирует предприимчивый г-н.

Всё это относится не только к машиностроению: распространённое заблуждение, что в Китае «делается всё» только из-за малой оплаты труда, не соответствует реальности. Во множестве стран народ не менее трудолюбив, готов работать за копейки, но без компартии у власти и соответствующих четырёх центов за киловатт-час они не станут мастерской мира, ведь промышленность нуждается в энергии не меньше, чем в труде. Увы, КНР для достижения этого статуса использует тот же источник, что и Англия XIX века: уголь. Спутниковые фотографии чёрных туч над китайскими городами, огромное количество заболеваний, спровоцированных всеми этими вкусностями... В общем, стремление многих получить одновременно чистую и дешёвую электроэнергию более чем понятно.

Почему в России нет альтернативной энергетики, или «У богатых свои причуды»

Почему Россия так и рвётся остаться в стороне от этого процесса? И российские энергоспецы, и простые интеллектуалы почти единодушны: «Из всего, что в мире сегодня развивается в части альтернативной энергетики... всерьёз можно говорить только об использовании солнечной энергии в странах, расположенных значительно южнее нас»; «Солнечная батарея за весь срок службы выработает немногим больше энергии, чем уйдёт на её производство. Прочие виды новомодной альтернативной... энергетики столь же катастрофически нерентабельны» (фактически на тот момент EROI фотоэлементов уже превысил 6); «Альтернативная энергетика никакой альтернативы не даёт». Вот, например, что говорит нам один вице-президент одной российской энергокомпании Александр Полушкин : «У богатых свои причуды... не являются источниками, на которые можно рассчитывать... В баланс энергогенерации... не входят — национальный энергобаланс рассчитывается без них».

Ветряки пока остаются становым хребтом новой энергетики. Обогнать их солнечные батареи смогут лишь к концу этого десятилетия — началу следующего. (Фото Reuters.)

Секунду, как же это «без них»? Что, прямо вот так и считают национальный энергобаланс какой-нибудь Дании — просто выкидывают треть генерации и считают? Не спрашивайте нас о таких вещах: бизнесмен этот российский, а русская душа — потёмки.

А что зарубежные товарищи? Здесь нам ситуация более понятна, о ней и поговорим. Множество наблюдателей замечают, что 2013-й стал последним годом существования так называемой альтернативной энергетики. Термин явно изжил себя: ветер, солнце и прочее производят слишком много энергии, чтобы говорить о них как об альтернативе традиционным источникам. Что ещё более важно, в Европе они уже составляют основную часть вводимых в строй мощностей электростанций, к тому же движется и ситуация в США. По сути, это уже мейнстримные виды энергетики, которые честнее всего назвать просто возобновляемыми.

Кто-то нашёл ветер в поле, причём сразу на $40 млрд в год

И их прогресс впечатляет. В 2013 году общая мощность ветряков впервые превысила 300 ГВт (более 5% от общемировых энергомощностей), а произвели они более 500 млрд кВт•ч, то есть половину от общероссийской годовой генерации и столько же электричества, сколько за год тратит Германия — шестая страна по его потреблению. Эти полушкинские «У богатых свои причуды» расцвечиваются особыми оттенками на фоне того, что крупнейшей по ветровой генерации страной является Китай — держава, богатство жителей которой действительно трудноописуемо. Режет глаз и роскошь четвёртой по ветромощностям Индии и, безусловно, зажравшейся Никарагуа, получающей от ветра каждый четвёртый киловатт-час.

Дело в том, что средняя стоимость энергии ветра хотя и резко колеблется в зависимости от места установки, составляет сейчас около 8 центов/кВт•ч — то есть в полтора раза меньше, чем вы, читатель, платите за дешёвую электроэнергию из газа. Да, пока так вырабатывается лишь каждый сороковой киловатт-час на Земле, но десять лет назад этот показатель был ровно в десять раз ниже, так что уже до конца этого десятилетия мы можем ожидать серьёзного изменения доли ветра в мировом энергобалансе. Новые ветряки всё выше и мощнее, что снижает цену производимой ими энергии, и именно ветроэнергетика по итогам 2013 года продолжила уверенный рост (несмотря на свёртывание субсидий для неё в тех же США) и ещё несколько лет будет крупнейшим видом возобновляемой электрогенерации после больших ГЭС.

Но всё ли безоблачно над ветряными мельницами? Увы, нет. Наземные ветряки хороши всем, кроме а) ограниченности количества тех мест, где ветер над землёй быстр, и б) непостоянства. Над морем ветра куда стабильнее и приличную скорость имеют в большинстве мировых прибрежных зон. Казалось бы, за чем дело стало! Офшорные ветряки в этом году даже поставили рекорд, впервые превысив общую мощность в 7,1 ГВт.

Но дело не только в том, что это лишь сороковая часть общемировых мощностей ветряков. Как и все «офшорники», они имеют фундаменты, покоящиеся на морском дне, часто в десятках метрах от поверхности. Такие циклопические сооружения дόроги, и морская эоловая энергия сейчас в 2–3 накладнее наземной, да и располагают их, как показывает ряд исследований, неправильно. Есть выход: ветряки могут быть плавучими, и в Японии уже работает первый образец такой установки мощностью в пару мегаватт. Увы, действительно мощного всплеска «офшорников» нам придётся ждать ещё несколько лет, благо до обретения плавучести производимое ими электричество не может конкурировать с наземным ветровым.

Равнение на Солнце

Солнечная энергетика в 2013 году росла не так интенсивно, как в 2012-м, и это ожидалось: по мере роста конкурентоспособности субсидии на неё падают, а в ряде стран уже вплотную подошли к рубежу, когда гелиоэнергетика требует перестройки сетевого хозяйства и создания накопительных мощностей вроде гидроаккумулирующих электростанций. И всё же рост есть, и особенно радует в нём то, что это рост, основанный на экономической целесообразности, а не на абстрактном желании «чего-нибудь зелёного», как это было несколько лет назад.

Самым верным признаком настоящего расцвета солнечной энергетики следует считать то, что с ней наконец-то стали бороться. В США Hawaiian Electric Co. недавно разослала своим вассалам (или, как их называют некоторые энергокомпании, «клиентам») письма, в которых сообщила, что более не собирается бесплатно подключать их солнечные батареи к сети, постольку «это может привести к чрезмерному росту напряжения». Хотите продавать сетевой компании электричество от своих батарей днём, чтобы потом брать у неё энергию вечером? Платите, причём так, что смысла в покупке батарей и их установке на крышу уже не будет.

Отслеживающие положение солнца панели не просто вырабатывают в полтора раз больше энергии, но и делают это куда равномернее, без резких провалов утром, вечером и зимой. (Фото Qbotix.)

Аргументы гавайской компании кажутся странными: она производит электричество, сжигая нефтепродукты. Такие станции сравнительно быстро запускаются и быстро же останавливаются: это ведь не атомный реактор. Следовательно, бороться с перепроизводством солнечной энергии в полдень ей просто, достаточно лишь отключить мазутные чудовища, электричество от которых обходится гавайцам в 6–7 рублей за киловатт-час. Ситуацию комментирует энергетик Чарльз Вонг (Charles Wang): «Вот смотрите: я из будущего, а эта энергокомпания — 360-килограммовая горилла. Если вы загоните её в угол, она бросится на вас. Именно это сейчас и происходит». Он прав: Hawaiian Electric Co. — частная компания. И она хочет не покупать электричество у простых гавайцев, а, напротив, продавать им его. А как это сделать, когда уже 10% всех домохозяйств Оаху, в которых проживают три четверти гавайцев, имеют на крышах солнечные батареи, а множество остальных намерены купить их в ближайшее время?

Мы можем лишь посочувствовать гавайцам, в то же время отмечая, что они уже начали загонять традиционную энергетику в угол — иначе бы горилла не бросилась. К счастью, не все штаты островные. Те сбытовые компании, что расположены на континенте, не настолько монополизировали свои энергорынки, чтобы выкидывать подобные трюки. Обратим взоры на Калифорнию — двенадцатую экономику мира, будь она независимым государством. Ещё в середине прошлого года там было всего 1 897 МВт солнечных батарей (2% от общемирового), сегодня — уже 2 800 МВт. В сутки, несмотря на то что на дворе отнюдь не май, они производят 17,5 млн кВт•ч, что вчетверо больше, чем все ветряки штата. Вы скажете: эка невидаль, эти калифорнийские яппи в год тратят столько же энергии, как половина Германии, и все эти ваши миллионы лишь 2,6% от общей генерации.

Верно — правда, с поправкой на то, что с декабря 2012 года по декабрь 2013-го мощности гелиоэнергетики там выросли в 2,15 раза. Если в следующем году мы увидим то же самое, то уже в 2014-м Калифорния догонит Германию по доле солнца в общей генерации. К сожалению, это Америка: названные цифры относятся лишь к крупным солнечным электростанциям, надёжная статистика по домовладениям отсутствует, хотя их солнечные мощности и оцениваются на декабрь этого года примерно в 1 900 МВт, а растут они ещё быстрее, чем у не столь расторопных крупных компаний. С их учётом общая доля гелиогенерации в этом штате, по всей видимости, приближается к 4%.

Причины бума очевидны: пятикратное удешевление солнечных батарей за пять последних лет привело к тому, что сейчас один киловатт-час они вырабатывают за 0,05 евро (7 центов/кВт•ч), подчёркивается в докладе Европейской комиссии. Так что в 2013 году, несмотря на некоторое снижение вложений, ожидается ввод примерно тех же 35 гигаватт установленной мощности, что и в 2012-м. Как видим, хотя инвестиции в новые солнечные электростанции второй год подряд падают, ввод их не снижается. Ещё больше (около 40 ГВт) он будет в 2014-м: Китай намечает ввести в строй сразу несколько собственных электростанций на солнечных батареях и в том же году, наверное, сместит Германию с первого места в мире по этому показателю.

В Европе всё не так весело: в той же Германии, несмотря на то что солнечная энергетика уже производит 5,6 % всего электричества, а в отдельные часы покрывает и вовсе более половины всех потребностей страны, рост ввода новых мощностей приостановился, не в последнюю очередь из-за сокращения правительственных субсидий. Нарастает и тревожность по поводу отсутствия накопительных мощностей: немцы уже сейчас в полдень экспортируют свою энергию соседям, однако и у тех энергорынок, что называется, не резиновый, и со временем этот вариант будет исчерпан самой жизнью.

Идеальным выходом было бы строительство ГЭС и ГАЭС, способных накапливать энергию в полдень и отдавать её ночью, но в ФРГ, как и вообще в демократических странах, такой вариант в принципе непопулярен. Поэтому наиболее перспективным решением проблемы там считают модификации вводимых в строй солнечных батарей. Уже сейчас четверть из 35 ГВт установленных мощностей фотоэлементов в Германии оснащены автоматическими выключателями, перекрывающими ток, идущий в сеть, если частота в ней превысит 50,2 Гц (перепроизводство энергии). Целый ряд компаний в отрасли нацелены на ввод в строй новых солнечных батарей, которые непрерывно меняли бы угол наклона в течение дня, увеличивая утреннюю, вечернюю и зимнюю генерацию, когда солнце стоит в небе не слишком высоко. Это не только в полтора раз поднимет общую выработку новых фотоэлементов на квадратный метр, но и снизит необходимость в использовании теплоэлектростанций утром и вечером.

Ещё более привлекательные перспективы несут нам вести не с гелиополей, а из лабораторий: в 2013 году наконец-то удалось найти теоретическое решение, позволяющее обойти предел Шокли — Квайсера, из-за которого эффективность солнечных батарей не может быть выше 33%. Причём решение это основано на перовскитах, дешёвых и малоэнергоёмких материалах. До созревания подобной технологии ещё годы лабораторного труда, однако и обещает она немало: 50% КПД вместо нынешних 20% кремниевых батарей, причём по весьма низким ценам.

Закономерный итог «сланцевого пузыря»: США отобрали у России и Аравии первое место по производству и газа, и нефти

Третьей по важности новостью энергетики-2013, на наш взгляд, стало венчание на царство нового нефтяного короля. Если в 2012 году из-за резкого увеличения добычи сланцевого газа США столкнули Россию с первого места по добыче газа, то в 2013-м благодаря добыче нефти из нетрадиционных источников (в нашей прессе это часто называют «сланцевой нефтью») США сбросили не только Россию, но и Саудовскую Аравию с первого места по производству нефти. Более того, впервые почти за два десятилетия Америка стала производить больше нефти, чем потребляет, превратившись, по сути, в нетто-экспортёра. Причём перед нами явно не предел развития этой отрасли: новое исследование указывает на огромный потенциал получения нефти из керогена (компонент сланца) при помощи неиспользуемого тепла АЭС (а то и ТЭС), которых в США хватает.

Северная Дакота, газовый факел на типичным месторождением «трудной нефти». Она сделала США первым производителем нефти в мире, но какой экоценой? (Фото Eugene Richards.)

Но и достигнутый на сегодня уровень чрезвычайно важен, поскольку США сжигают больше нефтепродуктов, чем, например, Китай, Япония и Россия вместе взятые, то есть едва ли не четверть от общемирового потребления. Фактическая нефтяная самодостаточность этого крупнейшего в мире рынка должна значительно снизить возможности стран, экспортирующих нефть, и дальше повышать цены на неё. Не обойдётся этот сценарий и без минусов: на добычу нефти из таких источников тратится лишь в несколько раз меньше энергии, чем от неё можно получить, так что триумф «трудной нефти» в США заставит страну и дальше наращивать электрогенерацию.

Как понимает российский читатель, всё это серьёзно отразится на нашей экономике уже в ближайшие годы. Тем более что Штаты намерены и впредь наращивать добычу как газа, так и нефти изо всех новых источников. Как на это реагирует Россия? Ну, ожидаемо. «Нам не известен ни один проект в настоящее время, где рентабельность на скважинах, в которых добывается сланцевый газ, имела бы положительное значение. Абсолютно все скважины имеют отрицательное значение. Есть такое мнение, что это вообще пузырь, который всё равно в ближайшее время лопнет». Так считает Алексей Миллер, глава «Газпрома». Здесь всё прекрасно — и предположение, что первым в мире производителем газа можно стать за счёт нерентабельных скважин, и мысль о пузыре, который скоро лопнет.

Выращивание водорослей в пустыне? Но туда надо везти воду и удобрения, да и температуру регулировать. Сточные же воды в пластиковых трубах у крупных портов бесплатны, а морская вода за их стенками не даст растениям перегреться. (Илл. Sapphire Energy.)

Что ж, г-н Миллер, постоянство — признак мастерства. Ещё в 2011 году тот же персонаж на вопрос журналиста «В США и Европе всё чаще пытаются добывать газ. Ваши конкуренты становятся всё более самостоятельными. Не теряет ли Россия своего преимущества?», не моргнув глазом, молвил: «Россия уверенно занимает первое место в мире по добыче газа. И, на наш взгляд, в этой позиции мало что изменится. Так называемая революция сланцевого газа — это американский Голливуд». К чести работников «Газпрома», не все они не заметили, что г-н Миллер говорил этот как раз в тот момент, когда Россия уверенно теряла первое место в мире по добыче газа. Поэтому интервью всё же было втихую удалёно с сайта «Газпрома», показывая тем самым, что и там работают сравнительно вменяемые люди.

И всё же нельзя сказать, что все наши руководители высшего звена совсем уж яростно некомпетентны. Нынешний местоблюститель трона ещё в прошлом октябре заметил: «В США новые технологии... позволяют рентабельно добывать сланцевый газ. Есть там, правда, и проблемы, причём огромные, связанные с экологией, но... даже при низких внутренних ценах в США это становится выгодным». Как видим, при любой вертикали власти в нашей стране по-прежнему жив советский принцип: «Начальник лает — караван идёт». Наличие у госменеджеров высшего звена своего взгляда на вещи, радикально расходящегося с мнением руководства страны, — это несомненный признак того, что слухи об авторитарной сплочённости и даже якобы какой-то там дисциплине в нашем славном госаппарате, как всегда, преувеличены.

Бионефть на марше?

Пожалуй, четвёртым во важности энергособытием года — хотя пока и не вырвавшимся за пределы лабораторий — следует назвать тихую биотопливную революцию. Сейчас это крайне сомнительное в экономическом и нравственном отношении мероприятие позволяет получать сжиганием биодизеля лишь в 1,3 раза больше энергии, чем тратится на выращивание растений, из которого его добывают. Группа учёных из лабораторий Министерства энергетики США в 2013 году смогла продемонстрировать, что эта ситуация может быстро измениться. Сначала исследователи показали, что микроводоросли можно выращивать в дешёвых прозрачных пластиковых трубах, плескающихся в воде у крупного портового города. Затем выяснилось, что получить из них нефть и немного топочного газа можно буквально за несколько десятков минут, причём нефть выходит отличная, и хотя конкретных цифр по энергорентабельности пока нет, следует ожидать, что они будут много выше, чем для биодизеля.

Это особенно важно на фоне роста добычи «трудной нефти»: её энергорентабельность так блика к биотопливу, что выращивание микроводорослей типа хлореллы может оказаться настоящей альтернативой экологически грязной тяжёлой нефти, добыча которой требует множества неприятных с «зелёной» точки зрения действий. Учитывая, что удобрениями для микроводорослей учёные предлагают сделать сточные воды больших городов (бесплатный в энергетическом смысле ресурс почти неограниченных размеров), затраты на их выращивание в принципе могут сравняться с ценой обычной нефти. Если это случится, окружающий нас ландшафт ждут некоторые перемены.

Подытожим: несмотря на уверенные шаги возобновляемой энергетики, ставшей наконец-то конкурентоспособной с тепловой по цене, проблемы накопления и хранения вырабатываемой ею энергии пока не решены. А значит, проникновение солнечной и ветряной электроэнергии в энергосистемы крупных стран всё ещё ограничено считанными десятками процентов. Отчасти именно поэтому мы и наблюдаем победное шествие таких сомнительных технологий, как «сланцевые» нефть и газ. Однако налицо и подвижки: более совершенные солнечные батареи, новые методы хранения энергии и экономически осмысленное водорослевое биотопливо могут заметно улучшить ситуацию с мировым энергобалансом без роста цен на электричество.

donmigel_62: (кот - учёный)

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 2

часть 1 - http://donmigel-62.livejournal.com/121956.html

В первой части сего длительного повествования было показано, что побороть кристаллического кремниевого монстра фотовольтаики будет очень не просто, в особенности, органическими молекулами, но так ли это на самом деле? Что есть такого в третьем поколении солнечных элементов, чего нет у предыдущих двух?!



Конечно, сейчас сложно говорить о каких-то конкретных цифрах, потому что сам рынок ещё формируется: спрос и предложение не уравновешено, технологии только-только перебираются из лабораторий на экспериментальные заводские площадки. Однако, как мы увидели на примере кристаллического кремния, в такой период времени очень сложно говорить о будущем технологии (помните, что цена на поликристаллические солнечные элементы упала в 3 раза за 7 лет?!).

А по сему, я постараюсь описать в большей степени не экономику производства и эксплуатации DSSC или органических солнечных батарей (ведь опять начнутся разговоры про EROI), а то, какой потенциал в них заложен и какие технологии применяются, чтобы сделать цену конечных устройств настолько малой, насколько это вообще возможно.

3-е поколение: будущее уже здесь!



Пожалуй, начнём мы по традиции, с некоторого ретроспективного анализа эффективности солнечных элементов, подготовленного NREL – The National Renewable Energy Laboratory.


Ретроспективный анализ наилучших показатели эффективности солнечных элементов всех известных типов

На графике приведен целый класс “emerging PV”, т.е. те самая группа альтернативных методов, которые, как упоминалось в первой статье, могут выстрелить в любой момент. Но начнём по порядку.

Roll-to-Roll process или напечатай меня как газету
Пожалуй, одной из наиболее значимых характеристик третьего поколения солнечных элементов является то, что их можно печатать.

Стоит пояснить. Для двух предыдущих поколений солнечных элементов, чтобы получить работающую панель необходимо создать, так или иначе, p-n-переход (за пояснениями смело сюда), а это значит, что необходимо высоковакуумное оборудование, герметичность производственной линии и так далее по списку – всё как во взрослой жизни. При этом пластина едет по конвейеру от одного конца до другого, прирастая p-n-переходами и контактами. Есть ещё и проблема совмещения (или алаймента) масок, используемых для травления и создания 3D структуры (фактически, как в процессорах, только техпроцесс не нанометры, а микрометры и миллиметры). И как бы было хорошо всё это безобразие заменить на что-нибудь попроще…

О чудо, такой процесс уже используется десятилетиями для печати полиграфической продукции. С небольшими модификациями мы могли бы заменить чернила на какие-нибудь фотоактивные органические молекулы – полупроводники и проводники – а рисунок на барабане разбить на соответствующие отдельным фотоэлементам площадки. И, вуаля, штампуй – не хочу!

При этом можно существенно уменьшить как вес таких элементов, так и количество используемых материалов, ведь в кремниевой батарее кремний является и подложкой и активным компонентом, а сделать подложку бесконечно тонкой невозможно, она обязана обладать хоть каким-то минимальным набором механических характеристик.

Как же это работает на практике?! В том же KIT есть не так называемый «центр трансфера технологий», а совершенно настоящий и работающий, в котором осуществляются:
а) исследования, направленные на улучшение характеристик батарей, при этом существует прямая обратная связь с учёными и инженерами, разрабатывающими технологии;
б) участок прототипирования, который отрабатывает принципиальную масштабируемость технологии;
в) уже полупромышленный участок, где за пару минут можно сделать погонные метры и сотни метров солнечных элементов.


Структура трансфера технологий из лаборатории на производство. KIT и TU Darmstadt совместно с BASF, Merck

Заметьте, центр не просто при двух университетах, но в нём активно участвуют производители, которые, возможно, раньше или позже запустят эти разработки на своём производстве.

Публика, мне кажется, подустала чуть-чуть, поэтому видео работы упомянутой лаборатории в живую на YouTube:



И одной из наиболее значимых областей применения данного процесса является как раз органическая фотовольтаика.

Органическая фотовольтаика
Как бы ни смешно это прозвучало, но в мире органической химии царит своя атмосфера безудержного веселья. Например, среди органических молекул можно найти изоляторы, проводники, полупроводники и – даже страшно подумать – сверхпроводники. Некоторое время назад вообще считали, что органические материалы вытеснят всё, в том числе и бетон, и арматуру, и машины будут из карбона…но не сложилось…

Как мог бы выглядеть органически фотоэлемент?! И каковая может быть его толщина?
Например, если хотите, то толщиной в 1 микрометр (в 50 раз тоньше человеческого волоса!):


Устройство отдельного органического солнечного элемента и материалы, используемые для его создания

Обычно требуется, чтобы акцептор электронов (absorber) и молекулы донора (hole conductor) взаимно проникали друг в друга, формируя так называемый объёмный гетеропереход (bulk heterojunction). Так как реакция разделения электрон-дырочной пары происходит на поверхности, то за счёт взаимного проникновения двух фаз одна в другую и увеличивается эффективная площадь контакта (показано на картинке справа), а это в свою очередь соответствует максимальной эффективности такой батареи.

Подложка не обязательно должна быть стеклянной: и катод и анод могут быть выполнены по любой доступной технологи, в том числе и на основе проводящих полимеров, что позволяет в полной мере реализовать преимущества roll-to-roll process.

Да, к глубокому сожалению, должен констатировать, что эффективность у данных батарей не велика до 7-8%, но это всё из-за того, что представленные выше молекулярные мотивы не поглощают во всём диапазоне длин волн от УФ (ультрафиолетового, 300-400 нм) до ИК (инфракрасного 800-1000 нм).

С одной стороны это является проблемой, необходимо придумывать более хитрые схемы с двумя совмещёнными батареями, так называемые тандемные солнечные элементы (tandem solar batteries), либо просто сделать батарею полупрозрачной и наклеить на окно.

В случае с тандемными солнечными элементами мы просто имеем два последовательно подключённых солнечных элемента, которые поглощают в двух разных диапазонах, например, зелёном и красном. За счёт этого фактически удваивается эффективность, потому что больше фотонов превращается в ЭДС и ток. Однако главная проблема в данном случае – промежуточный слой, необходимый для комбинирования избыточных зарядов. Понятно, что если слой будет накапливать заряд, то из-за внутренних потерь это снизит эффективность.


Принцип работы тандемной солнечной батареи: два последовательно соединённых органических солнечных элемента


Пример спектра поглощения двух органических веществ, используемых при производстве тандемных солнечных элементов

На этом моменте можно было бы углубиться в материаловедение, но я этого не буду делать, просто хочу сказать несколько слов в защиту высокоэффективных батарей и процесса их разработки, что это не пустая трата бюджетных средств. Нельзя просто так взять, намазать пасту ровным слоем на подложку, потом второй слой, третий, наклеить контакты и сказать, что готово, приговаривая: «Ладно, и так сойдёт!» (с) И не будем показывать пальцем, где этим любят позаниматься. Но за каждым процентом эффективности стоят патенты, специальные добавки, меняющие упаковку молекул таким образом, чтобы добиться наилучшего проникновения одного компаунда в другой. Для того, чтобы описать такие процессы, почему вещество А помогает, а вещество Б нет, крайне необходима фундаментальная наука со всеми её недостатками, пороками и установками, стоимостью в миллионы и миллиарды долларов.

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Солнечные батареи, сенсибилизированные или «активированные» красителем, известны миру достаточно давно. Однако лишь недавно, как уже упоминалось в предыдущей статье, они смогли успешно взять психологически важный барьер в 15% эффективности. На настоящее время это является абсолютным рекордом среди солнечных батарей данного класса. Принцип работы батарей детально представлен в указанной выше публикации, поэтому не будем на нём останавливаться.

Обычно для производства DSSC необходима стеклянная подложка с токопроводящим покрытием, как то ITO (оксид олова, допированный индием) или FTO (оксид олова, допированный фтором), что отъедает существенную часть расходов на производство. Однако стоит справедливо заметить, что данные батареи потенциально могут быть адаптированы к печати посредством процесса roll-to-roll, о котором говорилось выше.

И вновь хочется повториться, что область применения таких элементов питания не генерация МВт электроэнергии, а скорее эстетично-практичная, как и в случае с прозрачными органическими батареями – снижении общего энергопотребления, при сохранении высоких стандартов жизни. То есть наклеили батарею на окно, она вам за сутки АКБ зарядила, к примеру…

Пока готовилась данная статья, неожиданно пришло известие с пометкой срочно в номер!


Breaking News



Строящийся сейчас конференц-центр EPFL (SwissTech) оснастят стеклянным фасадом на основе DSSC. Прозрачные разноцветные панели солнечных элементов Гратцеля в данный момент устанавливаются на западной стороне SwissTech центра, открытие которого запланировано на апрель 2014 года. Солнечными батареями, общее число которых составляет 1 400 штук при размерах 35 на 50 см, оснастят более 300 м2 фасада здания. Сами элементы выполнены в пяти оттенках красного, зелёного и оранжевого цветов, что, по мнению архитекторов и дизайнеров, создаёт тёплый и в то же время живой внешний вид.

Стоит отметить, что проект такого рода – первый в мире. Солнечные элементы сконструированы таким образом, что не теряют эффективности при изменении угла падающего на них солнечного света, к тому же они не только позволяют вырабатывать электричество, но и защищать внутренние помещения от прямых солнечных лучей, что приведёт к снижению потребность в кондиционировании воздуха. Сообщается также, что не менее 11 фирм-производителей уже получили лицензию на производство солнечных батарей Гратцеля.



И на последок, чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров компаний, которые работают в области альтернативных солнечных элементов:

Konarka. Компания просуществовала с 2001 по 2012 года и занималась как DSSC, так и органическими солнечными батареями на основе фуллеренов. За время своего существования компания создала 350 патентов в рассматриваемой области, привлекла более 150 млн. $ частных инвестиций и 20 млн. $ государственных грантов на разработку и организацию производства. Были разработаны солнечные элементы с гарантированным сроком службы 3 года при зарегистрированной эффективности в 8%. К сожалению, в середине 2012 года компания объявила о банкротстве.

Heliatek. Компания основана в 2006 году специализируется на органической фотовольтаике, но держится на плаву более успешно. В числе прочих достижений тандемные батареи с эффективностью 12% за счёт правильно подобранной геометрии:


Слайд с сайта компании Heliatek

И между прочим в ближайшие 4 года эффективность планируется увеличить до 16%:


Слайд с сайта компании Heliatek

Что же касается DSSC, то даже такие гиганты, как Sony и Samsung обращают своё внимание в сторону DSSC, при чём планируется, что массовый выпуск продукции позволит сократить до 1/3-1/5 стоимость модулей по сравнению с обычными кремниевыми батареями. В Соединённом Королевстве есть множество компаний, занимающихся данной тематикой (например), так что про умельцев из Поднебесной я вообще промолчу (например).

Вместо заключения


Вначале я хотел написать объёмное заключение, что «альтернативной» некремниевой фотовольтаике быть, что важны технологии, и как они связывают воедино разные области знаний, в конечном продукте, но…

Безусловно, я согласен с BarsMonster, что главная проблема сегодняшней альтернативной энергетики (любой!!!, попрошу заметить) – хранение произведённой электроэнергии и, главное, стоимость такого хранения. Или иными словами непоястоянство данного источника. Это не АЭС, которыми в Бельгии дороги освещают даже днём. Однако мне кажется, что мы не вполне верно рассматриваем структуру энергопотребления с нашей сложившейся уже точки зрения, вот где кроется основной порок всех холиваров на данную тему. Необходимо изменить своё сознание и посмотреть на проблему абстрагированным взглядом.

Но, как бы ни парадоксально и вычурно это звучало, мы живём в эпоху поистине великого перехода от века кремния, к веку углерода; и те тенденции, которые сейчас мы наблюдаем (графен, УНТ, органические светодиоды и органическая фотовольтаика) тому весомое доказательство. Пройдёт ещё совсем немного времени, и ни одно здание не будет спроектировано (по крайней мере, в ЕС, США, Японии) без солнечных панелей Гратцеля на окнах, способных ощутимо снизить и практически привести к нулю энергобаланс сооружений. Задняя панель iPhone или моей Xperia Z покроется 2 микронной органической батарей, которая будет подзаряжать телефон везде, где есть источник света, а электромобили вообще превратятся в одну большую передвигающуюся солнечную батарею. И я хотел бы оказаться в этом энергетическом раю, где энергия Солнца доступна всем и каждому…

А Вы?!

http://habrahabr.ru/post/202836/
donmigel_62: (кот - учёный)

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 1


В середине июля 2013 года в славном городе Эриче, что расположен в дали от цивилизации на горе на западе Сицилии, проходила прелюбопытнейшая научная школа «Наноструктуры для оптики и фотоники» (или Nano-Structures for Optics and Photonics). Один из докладов по счастливому стечению обстоятельств оказался «Органическая фотовольтаика» (Organic photovotaic), представленный профессором Ули Лемерром (Uli Lemmer) из Института Технологий Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology – KIT).

Итак, быть или не быть «альтернативной» фотовольтаике?

Введение

Пару месяцев назад была опубликована исполненная пиетета статья о солнечных элементах Гратцеля, но в комментариях встретил закономерное недоверие и скепсис по поводу оправданности вложений в такие солнечные элементы. Основная мотивация оппонентов – недостаточная производительность или эффективность таких элементов по сравнению с кремниевыми, мол, EROI совсем плох. Хотя некоторые оценки собраны и представлены в Wiki, но это как средняя температура по больнице. А по сему, опираясь на данные представленные профессором Лемерром, я хотел бы рассказать чуть более подробно о «альтернативной» или – если угодно – не кремниевой фотовольтаике, но сначала всё же придётся окунуться в мир цифр для нормальных кремниевых батарей, чтобы понимать, к чему стремиться. И эта статья имеет своей целью некоторый обзор уже сформировавшегося рынка кремниевых солнечных элементов.


Сразу хочу сделать две немаловажные оговорки. Во-первых, KIT славится тем, что имеет фактически свои производственные линии, на которых зачастую обкатываются технологии и мнение вышеупомянутого профессора, я полагаю, таки авторитетно. Во-вторых, ЕС диверсифицирует разработки, и это заложено во многих рамочных программах. Что же это значит? А значит это, что если даже вы разработали солнечную батарейку с КПД 5%, вы сможете получить финансирование на продолжение исследований, если, конечно, 5% не являются теоретическим (термодинамическим) пределом.

И последнее, я буду всё время это упоминать, так или иначе, по ходу повествования: стоимость инвестиций (Investment costs) в €/Вт, которая может быть уменьшена двумя способами – снижением стоимости производства или увеличением эффективности солнечных батарей.

Есть ли свет после кристаллического кремния?



Полагаю, что один из самых взвешенных обзоров на Хабре был подготовлен BarsMonster, поэтому долго на это теме останавливаться не будем.

Итак, что же такое «альтернативная» фотовольтаика в сравнении с «классической»? Или как разбить на поколения известные солнечные элементы? Это очень просто:

  1. Солнечные элементы на базе кристаллического кремния (EFG – Edge Defined Film fed Growth, RGS – Ribbon Growth on Substrate). Самые древние, можно сказать каменные век. Первые разработки можно отнести к заре эры микропроцессорной техники – конец 60-х, начало 70-х.
    Немножко теории

  2. Тонкоплёночные солнечные элементы, такие как аморфный кремний, кремниевые плёнки, различные варианты экологически «небезопасных», но интенсивно производящихся на настоящий день, на основе кадмия и теллура. Получили толчок к развитию вместе с кремниевыми, но лишь в конце 80-х, начале 90-х перешагнули 10% барьер эффективности.

  3. Альтернативная фотовольтаика, включающая в себя DSSC (сенсибилизированные солнечные элементы или солнечные батареи Гратцеля habrahabr.ru/post/192468/), гибкие органические батареи (на основе олигомеров и полимеров), в том числе и тандемные солнечные элементы, а также диковинный пока подвид – солнечные элементы на основе квантовых точек (наноразмерных частиц полупроводников).



Фотовольтаика не совсем полно, но наглядно. Источник.

И логичный вопрос: а где же тогда место этой альтернативной фотовольтаике? Как уже было сказано, в голове надо держать два параметра: эффективность и стоимость производства, что влечёт за собой удешевление электроэнергии, выработанной такой батареей в €/Вт. Как мы можем видеть из приведённых ниже графиков кристаллический кремний, пожалуй, по всем параметрам наиболее перспективный материал для солнечных элементов. Особенно в долгосрочной перспективе, когда его стоимость инвестиций может быть уменьшена до 50 центов и ниже за Вт. Однако стоит заметить, что получение такого высокочистого или «солнечного» кремния связанно с огромными экологическими рисками, о которых в ЕС и США особенно сильно пекутся. Ах, да, через 5 минут будет сказано с саркастической улыбкой, что производство кадмий-теллуридных, CdTe, батарей растёт – парадокс, но оставим его на совести Гринписа и администрации стран-производителей…


Оценки эффективности и стоимости инвестиций для различных типов солнечных элементов в крастко-, средне- и долгосрочной перспективе.

Конечно, на сегодняшний день даже аморфный кремний (производство дешевле и не требует «серьёзной химии») хоть по стоимости и сопоставим с кристаллическими аналогами, но всё ещё не обладает достаточной эффективностью, чтобы побороться за какой-то лакомый сегмент рынка. Но что интересно на этой диаграмме: некремниевые солнечные элементы изначально обладаю гораздо более низкой стоимостью инвестиций и, соответственно, более низкой стоимостью полученной с их помощью электроэнергии. Это как раз и даёт надежду исследователям и инвесторам, что в будущем, можно за счёт использования таких процессов как roll-to-roll (читайте, как газету печатать) существенно снизить издержки при производстве таких элементов. Но об этом я расскажу во второй части, посвящённой альтернативам.


Пример солнечного элемента первого поколения – поликристаллический кремний

Но и это ещё не всё, в случае с гибкими солнечными элементами, а таких, большинство в группе альтернативных, есть очень много потенциальных областей применения: от умной одежды, которая будет заряжать ваш мобильник в солнечную погоду (например), до тентов и навесов, способных запитать небольшой чайник на природе.


Панели солнечных элементов второго поколения

С учётом специфических условий эксплуатации – в полях, так сказать – а также принимая во внимание стремление всех ведущих производителей мобильной техники уменьшить толщину смартфона или ультрабука в ущерб времени автономной работы, то согласитесь данный сегмент рынка может выстрелить очень и очень быстро.

Но вернёмся от фантазий о рае будущего на нашу грешную землю, точнее, к традиционным солнечным элементам.

Состояние современного рынка солнечной энергетики.

Что касается каких-то более точных цифр для солнечных элементов первого поколения, то они были представлены в виде понятного даже детям рисунка:


Номинальные параметры традиционных солнечных элементов

При этом стоимость модуля на 54 Вт обычно не превышает 60 евро, а каждый кВт*ч полученной энергии обходится потребителю менее чем в 50 центов. Сроки эксплуатации огромны – обычно это десятки лет (25-30 лет является нормативом), если не происходит чего-то экстраординарного – потопы, ураганы, русские крещенские морозы и т.д. Ну а затем батареи разбираются, перерабатываются и из них изготовляют новые.

Далее я хотел бы привести немного статистики. Конечно, доля моно- и поли-кристаллических батарей огромна и суммарно отъедает до 90% рынка, но посмотрите, как с начала 2000-х выросла доля CdTe-батарей (экологи – ха-ха), как медленно, но верно начали прорастать другие технологии, в том числе и альтернативные виды фотовольтаики (в данном случае отмечены, как others). И всё это происходит не в жирные годы экономического роста, когда деньги на научное колесо льются рекой, а сейчас, на наших глаза, когда в ЕС и США всё ещё продолжается рецессия.


Доли рынка солнечной энергетики для различных видов батарей

Что ж можно сравнить с данными, приводимыми в Wiki – хорошее совпадение:


Где и что производят и ставят?

Конечно, можно было бы уже догадаться, что, как и в известной шутке:
"– Какие три самые популярные слова на планете?
– Мир, труд, май
– Нет, Made in China
", – большая часть производства солнечных элементов сосредоточена в Китае. По состоянию на 2011 год – больше половины всех произведённых модулей за тот год имеют шильдик: Made in China.


Годовое производство солнечных элементов первого поколения

Тогда как основной потребитель готовой продукции – это, как ни странно, матушка Европа. Среди европейских стран бесспорным лидером является Германия, вслед за которой в эру использования Солнца, как универсального источника энергии, пытается заскочить Италия, что обусловлено, по большому счёту, благоприятным климатом. Хотя, например, на Сицилии, где проводилась школа, преимущество отдано ветрякам.

Хочется также заметить, что, например доля Испании, где климат благоприятствует развитию солнечной энергетики, практически не наращивает установленной мощности солнечных элементов с 2008 года, тогда как даже Китай существенно увеличил этот параметр за тот же период.


Суммарная установленная мощность солнечных элементов первого поколения

Коль скоро Германия в ЕС является наиболее значимым потребителем альтернативных источников энергии, в целом, и солнечной, в частности, то за прошедшие 7 лет можно оценить степень падения цен на модули. Так если средняя розничная цена системы, устанавливаемой на крышу, была около 5 100 евро за кВт пиковой мощности, то во втором квартале 2013 года она упала до 1 700 евро. В 3 раза за 7 лет! Неплохой результат, надо отметить.

Так же хотелось бы обратить внимание на четвёртый квартал 2008 года. В США полыхает кризис, в ЕС закрываются банки, казалось бы, цены должны остаться на уровне Q4 2008 и никуда не двигаться, ведь предприятия закрыты, пароходы списаны, а денег в банках нет. Но оказалось совершенно наоборот, через год после начала кризиса цена упала на 30% до менее 3 000 евро за КВт.


Стоимость кВт пиковой мощности в евро в течение последних 7 лет без учёта НДС, так как НДС может меняться даже между федеративными землями в ФРГ

И в заключении хотелось бы представить расчёты стоимости выработанной электроэнергии таким кремниевыми солнечными элементами. Если взять представленный выше суммы за солнечную панель, срок службы солнечной панели в 20 лет, 5% в год затраты (например, 4% процент по кредиту и 1% стоимость обслуживания самой батареи), то получится следующее распределение стоимости произведённой электроэнергии центах за кВт*ч:


Стоимость выработанной солнечной панелью электроэнергии в центах за кВт*ч: по горизонтали – средняя степень освещённости местности, по вертикали – рыночная стоимость солнечной панели в долларах за кВт пиковой мощности (Источник)

Промежуточное заключение


Что же мы имеем в итоге? На данный момент рынок кремниевой «классической» солнечной энергетики сформирован, доля кристаллического кремния составляет более 90%, и основных игроков на нём уже трудно будет потеснить (а в основном это Китай, ЕС, Япония и США).

Какова цель или почему государства «донатят» программы по солнечной энергетики? Причина довольно прозрачна: максимально диверсифицировать структуру энергопотребления, развить технологии и, в ряде случаев (Германия, например), снизить зависимость экспорта из соседних регионов (из России, в частности).

Как в этих условиях жить и развиваться «альтернативным» типам солнечных элементов, о которых было упомянуто в самом начале? Есть ли место в тени поликристаллического кремния? Или всё это баловство, которое ни к чему не приведёт? Я постараюсь дать ответ через призму тех технологий, что разрабатываются в настоящий момент.

И как с этим справится наш герой?
Мы переходим к картине второй http://donmigel-62.livejournal.com/122314.html


http://habrahabr.ru/post/202650/
donmigel_62: (кот - учёный)
Исследования доказывают эффективность применения квантовых точек в солнечных батареях.

Солнечные батареи, с встроенными недорогими, нетоксичными квантовыми точками на основе меди, могут достигнуть беспрецедентной долговечности и эффективности. К такому выводу пришли исследователи национальной лаборатории в Лос-Аламосе и корпорации "Шарп" (Los Alamos National Laboratory and Sharp Corporation).
Nontoxic quantum dot research improves solar cells

Сегодня был зафиксирован самый высокий показатель работы светочувствительной солнечной батареи с квантовой точкой. Научный сотрудник лаборатории в Лос-Аламосе Хантер МакДаниэль отметил, что надежная природа устройства делает возможным коммерциализацию этой недорогой, низкотоксичной фотогальванической технологии.


Солнечные батареи, о которых идет речь, основаны на новом поколении нетоксичных квантовых точек (не содержащих ни свинца, ни кадмия). Эти точки строго оптимизированы, чтобы уменьшить потери носителя тока от поверхностных дефектов и обеспечить наиболее полный обзор солнечного спектра.

"Новые солнечные батареи были проверены в национальной лаборатории по возобнавляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory) и продемонстрировали рекордную эффективность преобразования мощности для устройств этого типа," - заявил Виктор Климов, директор Центра Передовой Солнечной Фотофизики (CASP).

http://phys.org/news/2013-12-nontoxic-quantum-dot-solar-cells.html
Источник: Российский Квантовый Центр

donmigel_62: (кот - учёный)
ЦВЕТНОЙ ПЛАСТИК ОБЕСПЕЧИТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ.

Тонкий лист пластика, пропитанного флюоресцентным красителем и множеством наноточек из арсенида галлия, способен стать отличным выбором для энергообеспечения носимой электроники.
http://www.technologyreview.com/sites/default/files/images/solar.plasticx299_0.jpg

В Иллинойсском университете в Урбане и Шампейне (США) создана гибкая солнечная батарея, которая представляет собой пластиковую подложку, пропитанную специально подобранным флюоресцентным красителем. Поглощая солнечный свет, краситель сам начинает светиться, вот только свет от него не может уйти наружу и почти полностью остаётся внутри солнечной батареи. Под ним располагаются разбросанные на значительной площади наноточки из арсенида галлия, способные превращать солнечный свет в электричество с КПД до 40%.



Напомним, что доминирующие на рынке кремниевые фотоэлементы «в норме» облают лишь 20-процентной эффективностью — а следовательно, новые фотоэлементы... лучше нынешних вдвое?

Что не менее важно, это не твёрдые пластинки, покрытые стеклом, а гибкие и почти невесомые пластиковые поверхности, которые можно легко интегрировать в одежду или головные уборы и использовать для подзарядки понятно чего — портативной электроники.

Но как быть с дороговизной арсенида галлия — в сравнении с монокристаллическим кремнием? Именно поэтому и использован пластик, пропитанный красителем, парируют разработчики, ведомые Джоном Рождерсом (John Rogers). По сути, краситель концентрирует свет на наноточках арсенида галлия, позволяя им конвертировать в электричество излучение, падающее на внушительную площадь, и используя при этом «ничтожно малое количество» столь дорогого полупроводника.

«Это намного дешевле того, что вы могли бы иметь, располагая тем же КПД, полностью покрыв поверхность активным фотоэлементным материалом», — подчёркивает г-н Роджерс.


Потенциальные приложения? Разработчики уверены, что начать стоит с тех объектов-предметов, где важно получение максимального количества энергии с единицы площади и с любым углом падения лучей. В частности, это могут быть солдатские каски, от которых запитывается носимая бойцами электроника (группа г-на Роджерса тесно общается с военными), или головные уборы и одежда простых граждан, прогуливающихся в обществе своих прожорливых планшетов-и-смартфонов.

К слову, новые концентрирующие фотоэлементы, как заявляется, абсолютно совместимы с гибкой электроникой на кремниевых пластинах толщиной всего в 100 нм, ранее уже показавшей свой потенциал при многократных растягиваниях и сгибаниях во всех направлениях.

Отчёт об исследовании был представлен на конференции Общества материаловедческих исследований, прошедшей в Бостоне (США) на этой неделе.


http://www.technologyreview.com/news/522156/colored-plastic-doubles-solar-cell-power/
donmigel_62: (кот - учёный)

Ученые: китайский токамак достиг рекордного времени удержания плазмы


Китайские физики смогли поддерживать режим улучшенного удержания плазмы в экспериментальной термоядерной установке — токамаке — EAST в течение рекордных 30 секунд, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.



«Эти результаты предлагают потенциально новый способ контроля тепловых потоков, что является ключевой проблемой для следующей ступени развития технологии управляемого термоядерного синтеза. Это может иметь существенное применение в будущих экспериментах по термояду — таких, как ITER», — говорится в статье.


Технология управляемого термоядерного синтеза предлагает человечеству «чистый» и безопасный источник энергии, работающий буквально на воде.


Одним из многообещающих способов реализации технологии является использование токамака — реактора, где плазма удерживается магнитным полем в форме тора («бублика»), и использующего в качестве топлива тритий и дейтерий. В реакторе плазма нагревается до сверхвысоких температур, и в ней начинается термоядерная реакция синтеза с выделением энергии.

Ключевой деталью в этом процессе является магнитное сдерживание плазмы внутри замкнутого контура.

При определенных условиях можно достичь H-моды, или улучшенного режима удержания плазмы. Главной проблемой режима являются энергетические потери от выбросов плазмы на стенки реактора, что значительно снижает срок их эксплуатации.

Группе китайских ученых во главе с Цзянь Ган Ли (Jiangang Li) из Института физики плазмы удалось стабилизировать плазму в H-моде на рекордный срок в 30 секунд. Осуществить это позволило усовершенствование токамака EAST в городе Хэфей, который и использовался для эксперимента.

Ученые использовали на токамаке привод электрического тока на низких гибридных волнах (LHCD) и усовершенствованную систему литиевого кондиционирования стен, что и снизило энергетические потери.

Эксперименты на EAST и других токамаках можно назвать подготовительной частью международного проекта ITER — первого полноценного термоядерного реактора, начало работы которого назначено на 2020 год.

donmigel_62: (кот - учёный)

Изучение искусственного фотосинтеза набирает обороты

«Формирование международного общества без войн является миссией ученых. Для этого мы обязательно должны осуществить искусственный фотосинтез»
                                                                                                    профессор Иноуэ. Токийский университет

В 2012 году в Японии один за другим были открыты несколько государственных проектов по ускорению изучения и разработки «искусственного фотосинтеза» – технологии мечты всего человечества. Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии изучает «преобразование веществ с помощью энергии солнечного света путем искусственного фотосинтеза», а Министерство экономики, торговли и промышленности в сотрудничестве с Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий открыло «Проект искусственного фотосинтеза». Проекты координирует начальник Центра исследования искусственного фотосинтеза Токийского университета профессор Иноуэ.



«Формирование международного общества без войн является миссией ученых. Для этого мы обязательно должны осуществить искусственный фотосинтез», – так считает профессор Токийского столичного университета и начальник Центра исследования искусственного фотосинтеза Иноуэ. Этот человек является ведущим специалистом по искусственному фотосинтезу в Японии.


Растения используют солнечную энергию и из воды и углекислого газа производят кислород и органическую материю. Мы сами сделаны из органической материи. Продукты питания тоже являются органической материей. Нефть, уголь, природный газ и другие виды ископаемого топлива, а также их производные продукты нефтехимии, например пластмасса, – все это является органической материей, которая появляется в результате фотосинтеза из растений и водорослей.

Органическая материя может накапливать энергию, которая выделяется путем сжигания. Иначе говоря, в результате фотосинтеза происходит образование вещества, накапливающего энергию, полученную из энергии света с помощью воды.

Искусственный фотосинтез же хоть и не в точности повторяет процесс, происходящий в растениях, но стремится к созданию полезных соединений, богатых энергетическими запасами, из солнечного света, воды и углекислого газа.

Наилучшим результатом будет получение водорода и кислорода путем расщепления молекул воды с помощью солнечного света, как с точки зрения получения энергии, так и с точки зрения круговорота веществ.

Если добиться сгорания водорода в реакции с кислородом, то после выделения энергии он обратится в воду, а если заставить водород вступать в реакцию с углекислым газом, то можно создать органическую материю.


214679706.jpg Рис. 1.

Энергетические ресурсы Земли распределены неравномерно, кроме того они исчерпаемы. С другой стороны, энергия солнца практически безгранична, все страны получают ее на равных условиях. Помимо того что искусственный фотосинтез образует органическую материю с помощью углекислого газа, он может напрямую повлиять на оборот СО2. С его помощью можно будет решить сразу две задачи: поддерживать источник энергии и остановить глобальное потепление.

Запуск государственных проектов по изучению искусственного фотосинтеза

Иноуэ ознакомился с идеей искусственного фотосинтеза во время прохождения аспирантуры Токийского университета по курсу инженерии.



«Я сразу почувствовал, что искусственный фотосинтез является важнейшей темой, которую нужно осуществить на благо всего человечества», – вспоминает Иноуэ. С тех пор он и занялся исследованием искусственного фотосинтеза.


Однако расщепить молекулы воды и углекислого газа, которые являются крайне стабильными веществами с точки зрения химии, только с помощью энергии солнечного света и превратить их в органическую материю не так легко. Не только Иноуэ, но и большое количество ученых по всему миру в течение многих лет бьются над этой задачей методом проб и ошибок, но до сих пор далеки от ее реализации.

В таких условиях в 2012 году Япония один за другим запустила несколько проектов по ускорению исследований.

Первый проект – это «Преобразование солнечного света в энергетическое вещество путем фотосинтеза» (2012 – 2016 годы) из области новых научных технологий, спонсируемый из бюджета на научные исследования Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий. Этот проект представляет Иноуэ.

Второй проект – это «Проект искусственного фотосинтеза» (октябрь 2012 –2022 год) Министерства экономики, торговли и промышленности и Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий. Руководит проектом проректор Токийского технологического института Такаси Тацуми.

В особенности второй проект стал беспрецедентно масштабным: он рассчитан на длительный период в десять лет, а в бюджет его заложена огромная сумма в 15 миллиардов иен.

В том же году Иноуэ учредил форум по искусственному фотосинтезу, в котором участвуют исследователи, правительственные деятели в области науки и технологий, представители предприятий, а также простые граждане.

Уже в 2009 году тот же Иноуэ положил начало стратегическим исследованиям Агентства науки и технологий Японии (JST) в проекте «Энергия света и преобразование веществ» (2009–2017 годы), а сейчас изучение искусственного фотосинтеза получило сильнейший толчок для развития.

Предложение нобелевского лауреата Нэгиси

Для такого бурного развития существуют две предпосылки.


  • Первая – это предложение профессора американского Университета Пердью Эйити Нэгиси, получившего в 2010 году Нобелевскую премию по химии.

Изначально Япония лидировала в области изучения искусственного фотосинтеза. В 1972 году ректор Токийского университета наук Акира Фудзисима опубликовал в английском научном журнале Nature доклад об «эффекте Хонды-Фудзисимы», который стал первым доказательством возможности осуществления искусственного фотосинтеза.

Количество заявок на патентование результатов исследований за 2006–2010 годы было наибольшим в Японии, на втором месте идет США, на третьем – Китай.

Стоит отметить, что в 2011 году американское правительство заявило, что выделяет бюджет в 10 миллиардов долларов с расчетом на пятилетний срок с целью исследования искусственного фотосинтеза.

В Калифорнии был организован Объединенный центр искусственного фотосинтеза, который станет крупнейшей исследовательской базой. Кроме того, в Китае и в Евросоюзе, а также в Южной Корее набирают силу открытые в этих странах проекты.

Нэгиси, почувствовав серьезную опасность из-за такой ситуации в мире, предложил:



«В области искусственного фотосинтеза Япония опережает весь мир, поэтому именно она должна добиться практических результатов».


Он настойчиво призывал к созданию общей системы, которая бы объединила все институты Японии под руководством правительства страны.

Иноуэ объясняет необходимость ведения проектов под управлением государства следующим образом:



«Если удастся добиться практического применения искусственного фотосинтеза, то это станет основанием для новой огромной сферы индустрии. Поэтому необходимо взаимодействие с предприятиями. В этой сфере понадобится построение долгосрочных планов, поэтому никакая корпорация не справится с этой задачей в одиночку. Государство должно возглавить этот процесс, грамотно им руководить, руководствуясь рациональными решениями, и разъяснять задачи перед обществом».


Японские ученые пролили свет на самую большую загадку фотосинтеза


  • Во-вторых, именно японские ученые в 2011 году пролили свет на самую большую загадку фотосинтеза, над которой билось огромное количество исследователей более 200 лет подряд.

Растения осуществляют фотосинтез в два крупных этапа.


  • Сначала с помощью солнечной энергии осуществляется реакция окисления, забирающая электроны у молекулы воды,

  • затем с помощью этих электронов происходит реакция восстановления СО2, в ходе которой получается органическая материя.

Первая реакция называется световой, так как происходит с помощью солнечного света, вторая реакция не использует солнечный свет, поэтому называется темновой.

214680224.jpg Рис. 2.

В темновой реакции вещество, образовавшееся во время выделения электронов из молекулы воды, выступает в качестве реагента, а ферменты становятся катализаторами. Уже известно, что они участвуют в восстановлении СО2 и в создании органической материи. Под катализаторами имеется в виду вещества, ускоряющие процесс химической реакции. Они играют ключевую роль и в природном, и в искусственном фотосинтезе.

С другой стороны, процесс световой реакции был понятен только до момента передачи электронов из молекулы воды на молекулу хлорофилла, которая находится в части листьев растений, называемой **тилакоидной мембраной, после получения заряда солнечной энергии или фотона. При этом не было известно точное строение этой молекулы во время реакции, играющей ключевую роль в передаче электронов молекулы воды после приема фотона.

Строение молекулы в 2011 году впервые в мире описали профессор Осакского городского университета Нобуо Камия и профессор Шэнь из Университета Фукуоки. Камия и Шэнь успешно кристаллизовали центр реакции и, использовав лабораторное оборудование высочайшего уровня, зафиксировали изображение структуры в пространственном разрешении 1,9 ангстрем (1 ангстрем равняется одной десятимиллиардной метра).

Таким образом, была наконец-то прояснена полная картина фотосинтеза.

На данный момент продолжается исследования по установлению подробного механизма центра реакции: каким образом в действительности происходит выделение электронов из молекулы воды?

На самом деле самая большая задача для исследователей искусственного фотосинтеза состоит в том, как извлечь электроны из крайне стабильной молекулы воды. Именно в этом причина того, что изучение искусственного фотосинтеза никак не продвигается.

Поэтому растут надежды, связанные с серьезным продвижением в работах по искусственному фотосинтезу на основании результатов исследования Камии и Шэня. В июне 2013 года в Осакском университете также был открыт Центр изучения искусственного фотосинтеза. В осуществление искусственного фотосинтеза вкладываются большие усилия.



«Мы хотим как можно скорее первыми в мире осуществить искусственный фотосинтез, распространить это открытие по всей планете. Помимо того что жители всей планеты станут счастливее, Япония получит прибыль от использования своей интеллектуальной собственности», – считает Иноуэ.


Суть в конструкции катализатора, который вступает в реакцию с видимым светом

Итак, если обобщить простыми словами все исследования по искусственному фотосинтезу, то можно ограничиться одной фразой: как подобрать катализаторы для окисления воды и для восстановления СО2? При этом важным моментом является возможность использования «видимого света», на который приходится 40% солнечного света, а не ультрафиолетовых лучей, которых не более 2%.

Ведь в обычном фотосинтезе одним из веществ, играющих роль катализатора, является центр световой реакции с хлорофиллом. Однако центр световой реакции оснащен такой удивительной структурой, что человек просто не может ее повторить. Умные технологии, выработанные растениями за почти 3 миллиарда лет развития, не так просто повторить в искусственных условиях.

Сейчас исследования идут по трем направлениям. Первый подход состоит в способе применения функций растения в первоначальном виде, второй – в использовании «металлокомплексов», третий – в использовании полупроводников в качестве катализаторов.

Первый способ использует функции растений в первоначальном виде: в части световой реакции, в которой растения показали свою высокую эффективность в преобразовании энергии, работают сами растения. Например, из листьев извлекается только тилакоидная мембрана, помещается между прозрачными пластинами, через которые пропускается свет для извлечения электронов из воды. Далее темновая реакция, в которой растения проявляют низкую эффективность преобразования энергии, проводится искусственным путем.

Однако слабая сторона этого способа состоит в трудности поддержания эффективности. Он не может повторить конструкцию растений, которые возобновляют центр реакции с частотой один раз в 30 минут.

Второй способ, в котором в качестве катализаторов используются металлокомплексы, наиболее близок к естественному фотосинтезу. Металлокомплекс – это вещество, которое имеет структуру с центром из атома металла и неметаллическими атомами углерода и водорода вокруг него. Гемоглобин, входящий в состав нашей крови, является металлокомплексом с центральным атомом железа, хлорофилл, играющий роль катализатора в фотосинтезе, является металлокомплексом с центральным атомом магния.

Иноуэ, работавший над этим способом в течение долгих лет, в 1987 году успешно выделил электроны из воды под действием видимого света с помощью металлокомплекса с центром из олова, а также сурьмы. Однако он также подмешивал в воду органическую материю для ускорения реакции, поэтому сейчас он сконцентрировался на конструкции металлокомплекса, который бы реагировал только с водой без внесения подобных добавок.

С другой стороны, чтобы вода окислилась и выделился кислород, необходимо извлечь из молекулы воды как минимум четыре электрона, и обычно для того, чтобы удалить один электрон, требуется один фотон. Однако до сих пор существовала проблема того, что металлокомплекс теряет свою активность еще до завершения извлечения четырех электронов. Пытаясь решить эту задачу, Иноуэ обнаружил способ извлечения двух электронов с помощью одного фотона за один раз. Таким образом, он сделал большой шаг в сторону осуществления искусственного фотосинтеза с использованием металлокомплекса.

Третий способ, в котором в качестве катализаторов применяются полупроводники, является самым прогрессивным в изучении искусственного фотосинтеза, это показательный пример вышеупомянутого «эффекта Хонды-Фудзисимы». Этот способ заключается в использовании водного полупроводника – оксида титана. Когда на него попадает свет, то он выступает в роли катализатора, вода полностью расщепляется и образуется водород и кислород. Такие вещества, которые работают в качестве катализатора под действием света, называют «световыми катализаторами».

Однако главная проблема для существовавших световых катализаторов была в том, что они реагировали только на ультрафиолетовые лучи. Поэтому сейчас профессор Токийского университета Кадзунари Домэн и профессор Токийского университета наук Акихико Кудо активно продвигают разработку светового катализатора, который бы реагировал на видимый свет.



«В сфере световых катализаторов из полупроводников Япония является бесспорным лидером. Сейчас мы один за другим получаем прекрасные результаты. Так, профессор Домэн из Токийского университета нашел световые катализаторы, которые реагируют на видимый свет. Также в проекте искусственного фотосинтеза, который был открыт Министерством экономики, торговли и промышленности и Министерством культуры, спорта, науки и технологии в октябре 2012 года, делается упор на изучение световых катализаторов, с чем я также связываю большие надежды», – говорит Иноуэ.


Соединение металлокомплекса и полупроводника

Кроме того, исследуется новый способ соединения металлокомплекса и полупроводника.

214680045.jpg Рис. 3.

С 2006 года Центральный исследовательский институт Тойота (Toyota Group), начавший работы в искусственном фотосинтезе, разрабатывает катализатор новой концепции, состоящий из металлокомплекса и полупроводника. В сентябре 2011 года был представлен доклад о первом в мире успешном синтезе органической материи с использованием только воды, углекислого газа и солнечной энергии. Однако, несмотря на то, что для реакции восстановления СО2 используется видимый свет, для реакции окисления применяются ультрафиолетовые лучи, а процент преобразования энергии очень низок – 0,04%.

Вслед за Центральным исследовательским институтом Тойота начал разработку катализаторов на основе металлокомплексов и полупроводников и Panasonic, а в июле 2012 года компания опубликовала результаты осуществления искусственного фотосинтеза. В данном случае реакция также проходила только под действием ультрафиолетовых лучей, поэтому требуется повышение показателей преобразования энергии путем осуществления реакции под действием видимого света.

Кроме этого, в случае с металлокомплексами и полупроводниками важной задачей для исследователей становится использование широко распространенного в природе, а не редко встречающегося металла.

Необходим дальнейший контроль со стороны общества

Иноуэ подчеркивает необходимость дальнейшего полноценного обсуждения и изучения продуктов искусственного фотосинтеза.

На данный момент подтверждено образование основных веществ: водород, СО (окись углерода), муравьиная кислота. Однако для того, чтобы создавать метанол и метан, а также другие углеводороды с более высоким молекулярным весом, необходимо изобретение новых катализаторов.

Также существует проблема оценки влияния искусственного фотосинтеза на окружающую среду.



«Необходимо проводить полноценные исследования по изучению влияния на атмосферу таких легких молекул газа, как водород, по аналогии с газом фреоном, который был выявлен в качестве причины разрушения озонового слоя», – считает Иноуэ.


Получается, что на пути к осуществлению искусственного фотосинтеза стоит еще много задач для преодоления, однако в завершение Иноуэ добавил вдохновляющие слова:



«Если сравнивать наш труд с восхождением на Фудзи, то сейчас мы находимся в районе пятой станции – на полпути к достижению. Поэтому, видимо, наше поколение не сможет осуществить эту технологию, но мы передадим эстафетную палочку талантливым исследователям следующего поколения. Хотя, как и правительство, которое установило цель в реализации к 2030 году, мы тоже, понимая всю значимость этой технологии для человечества, хотим задействовать все силы японской системы, чтобы добиться результатов хотя бы на день раньше.



Кроме этого важно, чтобы общество продолжало следить за результатами исследований. Например, поначалу на нас возлагали огромные надежды, но когда мы столкнулись с непредвиденными трудностями, новое развитие произошло в подходах и в сфере, которая была до этого признана практически бесперспективной. Поэтому необходимо сделать так, чтобы общество могло правильно оценить достижения передовых рубежей науки.



Ученые и инженеры должны не рисовать все в розовых тонах и преувеличивать свои заслуги, а предлагать обществу лучшие на данный момент пути развития и объективные прогнозы. С другой стороны, хотелось бы, чтобы и общество могло трезво оценить и выбрать правильное направление. Такой подход называют научной коммуникацией, но разве Япония не может быть одной из немногих стран, где возможна здоровая научная коммуникация? Именно для этого я учредил регулярный форум по искусственному фотосинтезу, в котором участвуют не только исследователи и специалисты, но и правительственные деятели в области науки и технологий, представители предприятий, а также обычные граждане. Если вы заинтересовались, вы тоже можете принять участие».


donmigel_62: (кот - учёный)

Стэнфордские физики создали сверхдешевую технологию электролиза.

Американские физики научились использовать тонкие пластинки из кремния и сверхтонкую нанопленку из никеля в качестве основы для дешевого прибора, способного расщеплять молекулы воды на водород и кислород в течение долгого времени, и опубликовали инструкцию по сборке такого аппарата в статье в журнале Science.



«Солнечные батареи работают только тогда, когда на них светит Солнце. Когда его нет, нам приходится опираться на традиционные источники электричества. Наш прибор поможет сделать экономику более зеленой, запасая дневную энергию в виде водорода, который можно использовать в топливных ячейках ночью», — заявил Хун-цзе Дай (Hongjie Dai) из Стэнфордского университета (США).


Дай и его коллеги давно изучают химические и физические свойства никеля и пытаются использовать его для улучшения источников питания.

Так, в июне 2012 года им удалось усовершенствовать один из самых древнейших аккумуляторов — батарею Эдисона, и «ускорить» ее работу в тысячи раз.


На этот раз группа Дая использовала нанопленку из никеля в качестве основы для расщепителя воды, работающего на энергии солнечного света. Он состоит из двух соединенных друг с другом пластинок из кремния, одна из которых покрыта нанопленкой из никеля. Когда на такие электроды падает свет, между ними возникает ток, который взаимодействует с молекулами воды и заставляет их расщепляться на водород и кислород.

В данном случае никель нужен для того, чтобы защищать кремний от воздействия кислорода, который может быстро испортить тот электрод, рядом с которым формируются его молекулы. Кроме того, эта пленка заметно повышает напряжение тока, что благотворно сказывается на КПД расщепителя.

По словам ученых, их изобретение может расщеплять воду свыше трех суток и при этом на электродах не появится даже намека на коррозию. Данный факт, вкупе с низкой стоимостью кремния и никеля, позволяет надеяться на быструю адаптацию этой технологии для промышленного производства водорода, заключают авторы статьи.

http://phys.org/news/2013-11-low-cost-long-lasting-splitter-silicon-nickel.html

donmigel_62: (кот - учёный)

Создан материал, заставляющий солнечные фотоэлектрические панели, работать на максимуме


Ученые создали искусственный материал, который позволяет солнечным батареям получать максимум энергии из света, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Принцип действия солнечных батарей строится на том, что они поглощают свет, который возбуждает электроны и заставляет их течь в определенном направлении. Но, чтобы задать единое направление движения электронов, солнечные батареи приходится делать из двух материалов. Один поглощает свет, а второй проводит ток, перейдя границу между ними, электрон уже не может вернуться обратно, что задает направление его движения.

Такая конструкция солнечных батарей ограничивает их эффективность, поскольку при прохождении границы теряется некоторая часть энергии фотонов.

Но есть материалы, в которых поток света вызывает движение электронов в одном направлении.



«Этот феномен был известен с 1970-х годов, но мы не использовали его при разработке солнечных батарей, так как он был продемонстрирован только для ультрафиолетового излучения, в то время как большая часть солнечной энергии приходит в видимом и инфракрасном диапазонах», — пояснил Эндрю Раппе (Andrew Rappe) из Пенсильванского университета в Филадельфии (США).


Раппе и его коллегам удалось создать семейство искусственных материалов, обладающих такими свойствами в отношении всего спектра солнечного света, из ниобата калия и барий-никелевого ниобата. Кристалл, который они получили из этих металлов, обладал структурой, подобной строению минерала перовскита.

Большинство светопоглощающих материалов обладают симметричной кристаллической структурой, что и позволяет электронам свободно течь в разные стороны. Перовскит имеет кубическую кристаллическую решетку, образованную атомами одного металла. Внутри каждого куба находится восьмигранник, образованный атомами кислорода, внутри которого «сидит» атом другого металла. Взаимодействие между этими атомами заставляет электроны течь в едином направлении.

donmigel_62: (кот - учёный)
Оригинал взят у [livejournal.com profile] solar_front в Хорошая картинка.
Bild21
(LCOE - Levelized Cost of Energy - стоимость электроэнергии с цчетом установки, обслуживания и утилизации для потребителя. Зеленым - рост стоимости электроэнергии для потребителей в Германии; синим:  LCOE обычной ФВ системы. Голубым - FIT- тариф по которому покупается у "частника " "солнечная" электроэнергия. Красным - ФВ система с аккумулятором. Оранжевым - с аккумулятором покрывающим 65% мощность ФВ системы.)
Т1 - цены на электричество из розетки и от ФВ системы совпали: 2011, весна.
Т2 - потребление своей энергии стало выгоднее чем потребление из розетки: 2011 декабрь.
Т3 - запасание электроэнергии будет рентабельным.
Т4- запасание рентабельно без финансовой поддержки.

(ссылка на источник)
donmigel_62: (кот - учёный)
Оригинал взят у [livejournal.com profile] solar_front в Крупнейшие солнечные электростанции введены в эксплуатацию в ноябре.


Корпорация Kyocera (президент: Горо Ямагучи), сегодня объявила о запуске фотовольтаической станции на 70 мегаватт в Префектуре Кагошимы, южная Япония. Кагошима- Нанатсужима (недеюсь на то, что я правильно перевел это: Kagoshima Nanatsujima) станция запущена в эксплуатацию 1 ноября и управляется специальной компанией, основанной Kyocera и шестью другими компаниями.
1270000 квм!
Read more... )


California Valley Solar Ranch.

Занимает 796 Га. Включает в себя  88,000 SunPower трэккеров. Общая стоимость 1.6 млрд.$. Заработала.


И если японцы потратили 3.9 $/Вт на искусственном острове, то американцы: 6.4 $/Вт в пустыне.
donmigel_62: (кот - учёный)

Простая и дешёвая солнечная энергетика.


В начале июля 2013 года в журнале Nature увидела свет одна примечательная статья, материал которой лишний раз доказывает, что дешёвой и простой солнечной энергии быть, и, более того, это дело уже ближайшего будущего.

В далёком 1988 году молодой человек по имени Михаэль Гратцель (Michael Grätzel), ныне профессор в Лозанской Политехнической Школе (EPFL, Швейцария), совместно с Брайаном О’Реганом (Brian O'Regan) предложили на тот момент абсолютно сумасшедшую идею, а именно, использовать красители в солнечных батареях для поглощения света и передачи поглощённой энергии на полупроводник (впоследствии – диоксид титана). После чего электрон «перемещается» по полупроводнику, пока не достигнет анода, а оставшийся без электрона краситель (по сути «дырка», в терминах полупроводников) получает его от ионов I–, которые, в свою очередь, превращаются в ионы I3– (так называемая редокс пара), переносящие заряд к катоду. В результате на двух контактах имеется некоторая полезная разность потенциалов. С течение времени такие ячейки стали называть ячейками Гратцеля или Dye-sensitized solar cell , DSSC (солнечные батареи сенсибилизированные/активированные красителем).

habrahabr-dssc-principals.jpg
Принцип работы DSSC (Источник )

И всё было бы хорошо, если не одно НО. С точки зрения физических и химических законов, КПД такой батареи не может превышать 33% — да и то, только в теории. Единственным преимуществом данного рода солнечных батарей является их баснословно низкая себестоимость производства по сравнению с кремниевыми, например. Стоит напомнить, что в 1991 году миром безраздельно правила вера в кремний для земных применений (в том числе и зарождавшийся класс тонкоплёночных технологий) и арсенид галлия (GaAs) для космоса.


habrahabr-comparison.jpg

Данные, собранные Национальным Институтом Возобновляемой Энергетики (США)

Потребовалось 25 лет поистине титанических усилий (долгое время не удавалось превзойти порог в 10%), чтобы 5–6% эффективности преобразования солнечной энергии в электричество превратились в почти 15%!

Суть совершённого открытия заключается в использовании поликристаллического перовскитоподобного соединения свинца – CH3NH3PbI3 – в качестве сенсибилизатора и медиатора (проводника «дырок»). Данный материал фактически химически осаждается – не требует вакуумных установок – на поверхности мезопористого диоксида титана («шарики» на микрофотографии). Получившийся слоеный пирог имеет толщину около 1 микромера (в ~50–100 раз тоньше человеческого волоса) и при инкупсулировании обычно зажимается между двумя более толстыми пластинами стекла:

habrahabr-micro-structure.jpgМикроструктура DSSC: HTM (organic hole-transport materials) – материал, хорошо проводящий «дырки», FTO (fluorine-doped tin oxide) – оксид олова, допированный фтором, играющий роль прозрачного токопроводящего электрода .

Но вольтамперная характеристика устройства впечатляет:

habrahabr-va-characteristic.jpg

PCE (Power Conversion Efficiency ) или эффективность превращения энергии достигла значения 15%! Это поистине знаменательное событие в индустрии солнечных батарей, за которое, между прочим, Михаэля Гратцеля в ноябре этого года наградят одной из престижных премией – премией Марселя Бенуа (Marcel Benoist ), среди награждённых аж 9 Нобелевских лауреатов.

Кстати, для справки. В 2009 году Гратцель запустил полупромышленное производство DSSC батарей (для любителей iPad, например). А, по слухам, в Лозанне планируется установить новые высокоэффективные батареи на крыше дворца правосудия…

Ссылки:


  1. Публикация в открытом доступе предшествующей работы.

  2. Статья в Nature.

donmigel_62: (кот - учёный)

В Великобритании запускается крупный проект накопления и хранения энергии


Крупнейшее европейское объединение по накоплению и хранению энергии открывается в Великобритании. Этот проект объединит такие компании, как S & C Electric, Samsung SDI и Younicos, и введёт в действие литий-ионный аккумулятор мощность 6–10 МВт•ч на ведущей подстанции в Бедфордшире. Главная цель проектаоценка экономической эффективности хранения энергии – часть «Углеродного плана» Великобритании (Carbon Plan).

Компании утверждают, данный проект может сэкономить более 9 млн. долларов США по сравнению с традиционными модификациями заменами линий и трансформаторов. В отличие от многих других регионов, либерализация рынка электроэнергии Великобритании направлена на сокращение углеродных источников энергии. В итоге фирмы получяют вознаграждение за более эффективное использование имеющихся у них активов, а не просто добавление физических активов.

Вместо того чтобы просто хранить энергию, когда в ней нет потребности, проект под названием «Smarter Network Storage» будут также использоваться, чтобы сбалансировать прерывистость ветра и других возобновляемых источников энергии и упростить ограничения по максимальной загрузке. Аккумулятор для накопления и хранения энергии остаётся дорогостоящим, и если цены не понизятся, аккумулятору придётся выполнять сразу несколько функций, чтобы стать рентабельным. Предоставляя дополнительную поддержку энергосистеме, хранилище должно иметь возможность использовать дополнительные источники дохода на рынке электроэнергии.

Великобритания нацелена иметь 15 процентов возобновляемой энергии к 2020 году, хотя у Шотландии гораздо более амбициозная цель – 100 процентов возобновляемой энергии к 2020.

Кроме того, сжатый воздух и гидроаккумулирующие электростанции, которые накапливают энергию эффективней всего, были недоступны из-за высоких затрат. Однако и в Великобритании, и в других регионах запускаются высокоуровневые возобновляемые источники, что соответственно улучшает обстановку в данной ситуации.



«Основные проблемы в энергосистеме от декарбонизации в Великобритании могут быть решены за счёт способности аккумуляторов укреплять сеть, говорит в заявлении Эндрю Джонс из S & C Electric Europe. Но в настоящее время существует ограниченное количество крупномасштабных энергетических проектов, что оставляет большой разрыв».


Проект получил $ 20,27 млн. от Отдела по управлению рынком газа и электроэнергии Великобритании (Ofgem), который управляет фондом по сетям с низким потреблением углерода (The Low Carbon Networks. LCN). Общая стоимость проекта, который рассчитан на четыре года, составляет $28.7 миллиона.

Проект «Smarter Network Storage» может стать самым крупным проектом в Европе, но в начале этого года, Япония объявила о проекте аккумулятора мощностью в 60 МВт-ч. Затраты по проекту составят около $ 300 млн. Ожидается, что он будет введен в эксплуатацию в 2015 году.

По материалам IEEE Spectrum.
nauka21vek.ru

donmigel_62: (кот - учёный)

«Солнечный импульс» пересек Америку

Фото: Solarimpulse.com

Первый в мире самолет на солнечной энергии, способный летать не только днем, но и ночью, пересек Америку от побережья до побережья. Поздно вечером в воскресенье Solar Impulse триумфально приземлился в аэропорту Вашингтона.

Ключевая целью, которую ставили перед собой организаторы проекта «Через Америку» Бертран Пиккар и Андре Боршберг, выполнена — созданный ими самолет Solar Impulse, используя только энергию Солнца, совершил яркий перелет от Тихоокеанского до Атлантического побережья США. При этом существенная часть перелета — около 40% полетного времени — происходила в темное время суток, чтобы продемонстрировать возможности Solar Impulse по использованию накопленной в дневное время энергии.


Перелет был разбит на этапы, так как скорость машины не высока — всего 70 км в час. Вылетев 3 мая из Сан-Франциско, самолет на солнечной энергии проследовал с остановками через Феникс, Даллас, Сент-Луис, Цинциннати. Вашингтон не конечная точка маршрута, после достаточно продолжительной остановки Solar Impulse должен будет перелететь в Нью-Йорк. Именно там состоится официальное завершение миссии.

Всего на перелет от побережья к побережью ушло почти 1,5 месяца. Как отмечают организаторы, на машине это расстояние можно было бы преодолеть уже несколько раз, но не в скорости дело. Впервые в истории самолет пролетел несколько тысяч километров, не использовав ни капли углеводородного топлива. Пиккар и Боршберг считают, что своим проектом они открыли новую страницу в истории авиации, доказав на практике осуществимость длительных перелетов только на энергии Солнца.

Бертран Пиккар уверен, что продемонстрированные ими технологии в следующие пять лет станут массовыми. «Небольшие самолеты на солнечной энергии уже очень скоро появятся на рынке. У этой технологии большое будущее», — заявил он, приземлившись на Solar Impulse в аэропорту Вашингтона. Но главная цель создателей проекта — совершить революцию не технологическую, а образовательно-просветительскую. Показать как можно большему числу людей, что использование солнечной энергии возможно даже там, где, казалось бы, по целому ряду причин это невозможно.

С этой целью основатели Solar Impulse планируют в ближайшие 1,5 года достроить еще один самолет на солнечной энергии, который сможет нести уже двух пилотов и более просторную кабину. В 2015 году Бертран Пиккар и Андре Боршберг собираются совершить на этом новом самолете кругосветный перелет за 20 дней.

Solar Impulse весит всего 1600 кг. Он не может подниматься выше плотных слоев облаков — его конструкция не предназначена для возникающих при этом нагрузок на крылья. Размах крыльев составляет 63,4 метра — почти такой же, как у «Боинга-747». На них установлено 10748 солнечных панелей, еще 880 панелей стоят на горизонтальных стабилизаторах планера. Кабина самолета рассчитана на одного пилота.

donmigel_62: (кот - учёный)

Солнечно-ветровая башня: энергия не зависит от погоды

Компания Clean Wind Global Energy запатентовала свою оригинальную энергоустановку, которая производит электроэнергию из ветра и солнечного тепла. Установка под названием Solar Wind Energy Tower отличается простым безопасным дизайном и возможностью работы даже в быстро меняющемся климате.

Солнечно-ветровая башня представляет собой высокую пустотелую башенную конструкцию из бетона и металла. Вверху башни находятся специальные клапаны, распыляющие воду, которая охлаждает воздух, в итоге воздух тяжелеет и падает вниз со скоростью более 80 км/ч. Этот нисходящий поток воздуха дополнительно усиливается ветром и идет к основанию башни, где раскручивает множество простых вентиляторов, которые в свою очередь приводят в движение электрогенераторы.


Солнечно-ветровая башня Solar Wind Energy Tower может обеспечить производство дешевой электроэнергии даже в отсутствие ветра

Аэродинамика башни рассчитана таким образом, чтобы максимально полно использовать энергию воздушного потока и превратить ее в полезную электроэнергию.

Преимущества такой конструкции очевидны: нет нависающих над местностью лопастей, а значит компактный вариант Solar Wind Energy Tower можно установить даже внутри жилого квартала. Кроме того, башня-генератор может производить электричество, даже когда ветра совсем нет или же наоборот – дует ветер ураганной силы.

Обслуживание новой установки также намного проще, поскольку для обслуживания генераторов не требуются специалисты-верхолазы и вертолеты.

Специалисты компании Clean Wind Global Energy уже определили, что оптимальная высота Solar Wind Energy Tower составляет 685 метров. На первый взгляд это очень высоко, но установка производит и соответствующее немалое количество энергии: зимой это около 435 мегаватт*часов в год, а летом – до 600 МВт*ч. При этом цена электричества будет минимальной – всего 0,11 долл. за кВт*ч. Это цифры при работе установки на 60% от максимальной мощности, причем 18,5% из этой энергии будет использоваться для обеспечения работы самой установки, в частности перекачки воды.

http://www.cleanwindenergytower.com/index.html

Profile

donmigel_62: (Default)
donmigel_62

March 2014

S M T W T F S
       1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 1819202122
23242526272829
3031     

Syndicate

RSS Atom

Page Summary

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags