Оригинал взят у

solar_front в 44 Гвт фотовольтаики поставят в этом году (мировое).

BNEF ожидает в 2014 установки 44,5 ГВт по всему миру.
28.02.2014: Экономическая служба информации Bloomberg New Energy Finance (BNEF) считает, что в течении текущего года установят 44,5 ГВт фотовольтаики. Это на 29,9 % больше по сравнению с 2013. В 2013 рост был 20,3 % и в 2012 - 4,4 %. Китай будет в 2014 будет самым большим в мире солнечным рынком и установит от 12 до 14 ГВт. Увеличение рынков в Японии и США частично компенсирует падение европейского рынка. Япония установит примерно 10,5 ГВт и США примерно 5,3 ГВт согласно BNEF в 2014. Ожидается, что именно производители поликремния и модулей из Азии получат максимальные прибыли.

Для справки: 44 ГВт - это более 10-ти крупных атомных электростанций.

В 2013 году суммарная мощность, введённых в эксплуатацию солнечных установок в Китае достигла 12 гигаватт

В прошлом 2013 году в Китае были введены в эксплуатацию солнечные панели, суммарная мощность которых составила 12 гигаватт. Ни одна страна мира в течение года не устанавливала такое количество солнечных батарей. Более того, количество введённых в эксплуатацию в 2013 году солнечных панелей превышает количество панелей, установленных за всю историю Китая. Самое примечательное то, что в 2014 году Китай планирует ввести в эксплуатацию солнечные панели суммарной мощностью 14 гигаватт.

Для сравнения, Германия, которая являлась лидером в солнечной энергетике в 2013 году ввела в эксплуатацию солнечные батареи суммарной мощностью 3,3 гигаватта. На фоне этих цифр успехи Китая в области использования солнечной энергии выглядят особенно впечатляющими.

В 2010 году китайские власти ставили себе цель ввести в эксплуатацию к 2015 году солнечные батареи суммарной мощностью 5 гигаватт. Таким образом, первоначальный план уже был перевыполнен.

"Перевыполнение плана" во многом связано с развитием технологий. Цены на солнечные панели из года в год падают, делая возможным реализацию проектов, о которых было невозможно помыслить в прошлом.

График снижения стоимости кристалического кремния фотоэлектрических преобразователей, происходящего по закону Свансона (эффект Свансона) приведён ниже.

Закон Свансона (эффект Свансона / Swanson effect) снижения стоимости кристаллического кремния фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов): по оси x - года; по оси y - стоимость кристаллического кремния фотоэлементов, $/ватт.

На графике чётко видно, что в 1977 году 1 ватт обходился в $76,67. К 90-му году стоимость кристаллического кремния резко снизилась, затем вплоть до 2008 года его стоимость падала незначительно. После 2008 года цена на "кремний" опять поползла вниз и в 2013 году составила $0,74 на Ватт.

Прогресс продолжается. Будем ждать светлого будущего, когда альтернативная энергетика потеснит традиционную, углеводородную...

Примечание: Закон Свансона (Эффект Свансона) - предположение, высказанное основателем корпорации SunPower, согласно которому стоимость фотоэлектрических преобразователей падает на 20% при каждом удвоении промышленных мощностей солнечной энергетики (Фактически стоимость фотоэлементов снижается наполовину, каждые 3 года).

З.Ы. Для сравнения: мощность одной АЭС 2 - 4 ГВт.

Солнечная станция Айванпа - самая мощная и крупная на сегодняшний день гелиотермальная электростанция

Область экологически чистой энергетики совершила большой скачек вперед с открытием новой гелиотермальной электростанции Айванпа (Ivanpah Solar Electric Generating System), которая на прошлой неделе начала отдавать первые ватты энергии в общую энергосистему Америки. Мощность станции Айванпа, расположенной в пустыне Мохава к юго-западу от Лас-Вегаса составляет 392 МВт, чего достаточно для того, чтобы обеспечить энергией 140 тысяч среднестатистических домов и что позволит сократить ежегодные выбросы углекислого газа в атмосферу на 400 тысяч тонн. Следует заметить, что станция Айванпа сместила с пьедестала почета станцию Shams 1, которая расположена в Объединенных Арабских Эмиратах, которая вступила в строй около года назад и мощность которой составляет 100 МВт.

Проект по строительству станции Айванпа является совместным проектом компаний NRG Energy, Inc., Google и BrightSource Energy. Теперь станция Айванпа является крупнейшей в мире солнечной электростанцией, работающей на принципе концентрации солнечных лучей (concentrated solar power, CSP), и она будет вырабатывать третью часть гелиотермальной энергии, производимой на территории США.

Станция Айванпа занимает площадь около 13 квадратных километра, на которой расположены 350 тысяч зеркал, разбитых на три группы. Каждая из групп зеркал фокусирует отражаемый свет на одной из трех башен, высота которых составляет 140 метров, что соответствует высоте 40-этажного дома. Энергия сфокусированного солнечного света нагревает и заставляет кипеть воду в котлах, установленных на вершине каждой башни, а полученный таким образом перегретый пар вращает турбины, связанные с электрогенераторами.

Несмотря на столь впечатляющее достижение, коим является строительство и запуск станции Айванпа, ее сооружение вызвало волну критики. Во-первых, электрическая энергия, вырабатываемая на станции Айванпа, будет стоить в четыре раза дороже, чем энергия, вырабатываемая на обычных тепловых электростанциях, работающих на природном газе. Во-вторых, борцы за чистоту природы обеспокоены сложившейся ситуацией в районе расположения станции. Помимо ущерба окружающей среде, который нанесло строительство станции, их волнует опасность для птиц, в числе которых есть несколько редких видов, которые уже гибнут, получая ожоги от концентрированного солнечного света в районе башен станции где температура достигает значения более 500 градусов по шкале Цельсия.

http://inhabitat.com/ivanpah-worlds-largest-solar-thermal-plant-officially-goes-in-service-today/

Сугробы можно использовать для повышения эффективности солнечных батарей

В Асахикаве, что на Хоккайдо, по японским меркам бывает холодно — изредка до -41 °C. К тому же там периодически идёт снег, и из-за этого нога гелиоэнергетиков долго не ступала на тамошние земли...

...Но глобальная перестройка энергетики этой страны в итоге не оставила выбора, и, о чудо, местным специалистам частично удалось обратить суровый климат себе на пользу.

Казалось бы, с учётом географии этой страны стоило бы застраивать солнечными батареями Рюкю — места много более южные, бесснежные и получающие в полтора раз больше солнечной энергии за год, чем самый северный японский остров. Но, как мы уже писали, в Японии никто не ищет лёгких путей; оттого-то их и не находится.

Отражаясь от снега, лучи ещё несут достаточно энергии, чтобы на 6–10% увеличить выработку электроэнергии солнечными батареями. Будь на Хоккайдо зимой столь же солнечно, как на юге российского Дальнего Востока, эффект мог бы быть даже больше. (Здесь и ниже фото Nikkei BP.)

Чтобы обуздать «снеговой фактор», хоккайдовские энергетики с самого начала решили наклонить солнечные батареи покруче, на 40°, что, с одной стороны, снижает выработку энергии летом, а с другой — повышает зимой, когда в ней больше нужды. А самое главное — это позволяет снегу просто соскальзывать, без необходимости заделки силиконовым герметиком швов между панелями.

Но на небольшой гелиоЭС «Асахикава Хокуто» мощностью 1,25 МВт, запущенной в ноябре 2013 года, пошли дальше и попробовали обратить снег из врага солнечной энергетики в друга. Для этого — впервые для крупных электростанций такого рода — были использованы двусторонние фотоэлементы, у которых вместо непрозрачного подстилающего пластика с обратной стороны находится прозрачный слой, благодаря чему солнечный свет, отражённый от окружающего батарею снега, частично используется ею не с лицевой, а с задней стороны.

При этом общую толщину кремниевого слоя увеличивать нет нужды, что и позволяет производителю фотоэлементов, японской компании PVG Solutions, не задирать цены выше обычных.

Какова эффективность подобного решения? Обычно серийные однослойные кремниевые фотоэлементы дают КПД около 15–16%. А двусторонние солнечные батареи показали в эту зиму 18% — в период, когда поверхность под ними была покрыта снегом, и 16–17% — в бесснежные дни, когда количество света, отражавшегося от поверхности под фотоэлементами, падало. Хотя цифры кажутся пустячными, стоит учесть, что общие мощности солнечной энергетики по всему миру сейчас значительно превышают 100 ГВт, и подобная оптимизация на 6–10% в странах с бореальным климатом (где, вопреки экономической логике, вводят в строй основную часть солнечных батарей) резко подняла бы их отдачу зимой без необходимости применения дорогих многослойных систем.

Важно и то, что подобный двусторонний формфактор можно реализовать не только для кремния, но и практически для любого другого вида полупроводниковых материалов: достаточно сделать покрытие задней части батареи прозрачным.

Несмотря на зиму, солнечные батареи, установленные на высоте 1,8 м, остаются свободными от снега даже после многодневных снегопадов.

Как говорят специалисты «Асахикава Хокуто», результаты эксплуатации двусторонних фотоэлементов наводят их на мысль о целесообразности нанесения некоего недорогого белого покрытия из сравнительно гидрофобного, малопачкающегося материала, что обеспечивало бы повышение КПД солнечных батарей не только зимой, но и на протяжении всего года. После таяния снега гелиоэнергетики намерены провести эксперименты на эту тему, которые могут стать весьма ценным опытом для солнечной отрасли едва ли не любой страны со снежным климатом.

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

Александр Березин

Индия собирается построить самую мощную солнечную электростанцию в мире

India

На настоящий момент около 50 процентов всей энергии, которая вырабатывается в Индии, полагается на уголь. Однако, как стало известно, страна полностью готова и в самое ближайшее время собирается существенно снизить свою зависимость от горючего топлива и сфокусировать свое внимание на сбор энергии возобновляемой. Официальные лица совсем недавно выступили с заявлением о том, что государство собирается построить солнечную электростанцию, которая по своей мощи сможет затмить абсолютно все аналогичные проекты вместе взятые.

Если кратко, Индия собирается реализовать проект солнечной электростанции мощностью аж 4 гигаватта. На минуточку, самая крупная на данный момент подобная электростанция IVANPAH, расположенная в калифорнийской пустыне Мохаве, способна вырабатывать «всего» 392 мегаватта электричества. Когда индийская станция сможет заработать в полную силу, то по сути это станет самой гигантской в мире электростанцией по выработке безопасной энергии.

Портал Business Green пишет, что само индийское правительство, не стесняясь в выражениях, описывает этот проект солнечной электростанции как «ультрамегамассивным». Тот же источник сообщает, что согласно предварительным подсчетам общая стоимость строительства самой большой в мире солнечной электростанции будет составлять внушительные 4,4 миллиарда долларов. Предварительное время строительства этой сверхгигантской солнечной электростанции, которая, к слову, будет расположена в Раджастхане, возле города Джайпур, составит около семи лет и будет проходить в два этапа.

Первый этап подразумевает строительство электростанции, способной генерировать 1 гигаватт солнечной энергии. В рамках второго этапа будет построен дополнительный комплекс, который позволит вырабатывать еще 3 гигаватта электроэнергии. Что интересно, по словам чиновников, общая мощность этой гигантской солнечной электростанции будет сопоставима мощности вырабатываемой энергии четырьмя ядерными реакторами. Согласно опубликованному правительством Индии пресс-релизу, к реализации самого крупнейшего в мире проекта по строительству солнечной электростанции были привлечены силы сразу шести компаний. Именно они помогут государству стать еще на один шаг ближе к реализации плана по обеспечению 20 гигаватт солнечной энергии между 2010 и 2020 годами.

Строительством самой большой солнечной электростанции займутся компании Bharat Heavy Electricals, Solar Energy Corporation of India, Hindustan Salts, Powergrid, Satluj Jal Vidyut Nigam и Rajasthan Electronics and Instruments.

Blackfriars Bridge - самый большой в мире "солнечный" железнодорожный мост

Не так давно в Лондоне завершилось сооружение того, что без сомнений можно назвать самым большим в мире "солнечным" железнодорожным мостом. И с этим утверждением не поспоришь, ведь в мире не найдется мостов, покрытых солнечными батареями больших, нежели мост Blackfriars Bridge, который пересекает Темзу, соединяя южную часть Лондона с центральной частью этого мегаполиса.

Следует напомнить нашим читателям, что лондонская железнодорожная станция Blackfriars была открыта в 2012 году в преддверии Олимпийских Игр в качестве одного пункта из обширного списка мероприятий, направленных на решение проблемы транспорта во время проведения Игр. В настоящее время на крыше станции Blackfriars закончен монтаж 4400 фотогальванических элементов солнечных батарей, суммарная площадь которых составляет 6000 квадратных метров. В моменты пиковой энергетической отдачи эти солнечные батареи смогут отдать в энергетическую сеть 1.1 мегаватта энергии, чего, по мнению лондонцев достаточно для того, чтобы вскипятить 80 тысяч чашек чая -).

Следует отметить, что соотношение площади солнечных батарей к вырабатываемой мощности дает возможность вычислить суммарную эффективность системы, которая составляет скромные 9.3 процента. Это крайне мало по сравнению с 25-процентной эффективностью, которую демонстрируют солнечные электростанции, расположенные близ залитого солнечным светом юго-западного побережья Англии. Но тут стоит принять во внимание, что Лондон является далеко не самым солнечным местом в мире, и показатель эффективности "солнечного" моста Blackfriars можно считать своего рода рекордом для этой местности.

В любом случае, тех 900 тысяч киловатт-часов, которые в год будут вырабатывать солнечные батареи моста Blackfriars и которых хватит на удовлетворение половины энергетических потребностей железнодорожной станции, будет достаточно для того, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу на 511 тонн ежегодно, что с учетом "напряженной" экологической обстановки в одном из крупнейших городов в мире, имеет очень немаловажное значение.
http://www.earthtechling.com/2014/01/in-london-a-record-breaking-solar-covered-bridge/

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».

Николай Хижняк

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/

Александр Березин

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.

Александр Березин

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/

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:

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

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.

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/

Журнал Science назвал десятку самых прорывных научных открытий года

Имуннотерапия признана прорывом года по версии Science. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1432.full

Научный журнал Science назвал десять самых значимых открытий, которые в уходящем году изменили мир. Десятка оказалась не очень оригинальной: многие исследования удостоились внимания и его конкурента — журнала Nature.

Вслед за Nature влиятельный научный журнал Science выбрал «горячую десятку» уходящего года.

И хотя в списке Nature фигурировали лица, а Science сосредоточился на научных открытиях, легко заметить, что многие направления вошли в чарты обоих журналов — мастодонтов научного мира.

Главным научным прорывом года по версии Science назван успех клинических испытаний, подтвердивший эффективность относительно нового метода лечения онкологических заболеваний.

Метод иммунотерапии предполагает натравливание иммунной системы организма на свои же клетки — те, что неожиданно начинают генетически изменяться и бесконтрольно делиться.

Давать команду «фас!» иммунитету человека могут вакцины, однако не профилактические, которые используются против туберкулеза или гриппа, а терапевтические, которые вводят уже заболевшему пациенту.

Главная задача таких вакцин — обучить иммунную систему распознавать врага. Однако первые успехи внушали опасения: не рано ли радоваться, ведь врачам до сих пор не известно окончательное воздействие препаратов? Год назад NNN рассказывал о препарате ипилимумаб, который блокирует рецептор CTLA-4. Этот рецептор служит своеобразным тормозом для Т-клеток, которые играют важную роль в формировании иммунного отклика, уничтожающего раковую опухоль.

Уходящий год оказался годом побед, которые «зацементировали» эффективность этой стратегии, считает редакция Science.

Доказательства тому — женщина с опухолью в легком размером с грейпфрут, которая спустя 13 лет после начала лечения жива и здорова; шестилетний мальчик, оказавшийся из-за лейкемии на грани жизни и смерти, который сейчас перешел в третий класс и находится в стадии ремиссии; и мужчина, у которого раковая опухоль почки продолжила уменьшаться даже после окончания терапии.

В мае в Science вышла статья о вакцине Pexa-Vec, которая одновременно уничтожает раковые клетки и вызывает образование специфических антител на раковые антигены.

После вакцинирования один пациент, с почечно-клеточным раком, прожил 76 месяцев, другой, с мелкоклеточным раком легкого, — 24,5 месяца, третий, с меланомой, — 12 месяцев.

Новейшая технология редактирования гена CRISPR (Clustered Regularly Interspased Short Palindromic Repeats) разделила симпатии редакторов Science и редакции Nature, которая накануне отметила успехи в этой области молодого нейробиолога Фэн Чжана из Массачусетского технологического института.

Эта технология, позволяющая бороться с заболеванием путем исправления гена, в уходящем году пережила бум и в плане публикаций, и в плане общественного интереса. Только за десять месяцев ей было посвящено более 50 научных статей, в которых описывались эксперименты над ДНК мышей, крыс, бактерий, дрожжей, рыбок данио, червей, фруктовых мушек и человеческих клеток.

Все это позволяет делать протеин Cas9, помогающий деактивировать, удалять и менять определенные гены. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1434.1

Технология CLARITY стала еще одним открытием года, позволившим ученым изменить пути к изучению мозга.

Ученые придумали, как сделать ткани мозга прозрачными, как стекло: для этого они заменили рассеивающие свет жирные молекулы липидов, которые образуют клеточные мембраны, на молекулы прозрачного геля. При этом им удалось оставить нейроны, другие клетки мозга и их органеллы нетронутыми. О подобной технологии просветления мозга пресса рассказывала в июне. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1434.2

Выделение стволовых клеток из клонированного человеческого эмбриона, за которое двумя днями ранее был отмечен Шухрат Миталипов, также не осталось без внимания редакции. Техника, называемая пересадкой ядер соматических клеток, применялась еще 17 лет назад для клонирования знаменитой овцы Долли.

В этом году сумели извлечь стволовые клетки из клонированного человеческого эмбриона, после того как обнаружили, какую важную роль играет кофеин, стабилизирующий молекулы яйцеклеток. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1436.1

Выращивание искусственных органов заняло свое место в десятке прорывов года. Оставленные без присмотра в чашке Петри плюрипотентные стволовые клетки могут образовать различные ткани: сокращающиеся клетки сердца, нейроны и даже волосы и зубы.

В этом году ученым удалось вырастить такие специфические мини-органы, как печень, мини-легкие и — самое выдающееся — рудиментарные ткани мозга.

Искусственные мозги, выращенные австрийскими учеными, отличаются от настоящих. В отсутствие кровоснабжения клетки мозга перестают расти, когда достигают размеров семечка яблока, и без доступа кислорода и питательных веществ погибают. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1436.2

Несмотря на то что космические лучи, проникающие сквозь толщу атмосферы, были открыты еще век назад, несколько десятилетий ученые не были до конца уверены, где они рождаются.

Благодаря космическому телескопу Fermi в этом году астрономы доказали свою догадку — местом их рождения являются вспышки сверхновых, катастрофические взрывы, которыми звезды заканчивают эволюцию. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1438.1

Еще одним общим с журналом Nature прорывом названы исследования в области создания новых фотоэлектрических систем, попросту говоря, солнечных батарей.

Несмотря на то что солнечные элементы, созданные на основе перовскита, пока отстают по эффективности от кремниевых панелей, которыми покрывают крыши по всему миру, их использование обещает сильно удешевить эти альтернативные источники энергии. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1438.2

Вошли в список ведущих открытий года и исследования, давшие наконец ответ на вопрос, зачем мы спим.

Осенью, физиологи из Рочестерского университета (США), показали, что главная функция мозга в процессе сна — вымывание из него вредных веществ и токсинов, накопившихся во время бодрствования. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1440.1

И наконец, особого внимания удостоились ученые, занявшиеся изучением того, какие из микроорганизмов, обитающих в человеческом теле, отвечают за наше здоровье или, наоборот, способны вызывать заболевания.

Изучение отдельных микробов и их влияния на здоровье — первый шаг к персонифицированной медицине. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1440.2

Так же была отмечена работа молекулярных биологов по, созданию ключевого элемента для создания вакцин против опасных детских инфекций. (Respiratory syncytial virus (RSV) ).

Учёные синтезировали антитела, которые помогут в борьбе не только с этим вирусом, но и вирусом ВИЧ. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1442.1

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

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/

Мегапроекты человечества:
экогород Масдар и жизнь без нефтяной иглы

Нефть — это топливо, которое позволило состояться современности. Однако количество «черного золота» неминуемо уменьшается, а практики его использования все очевиднее противоречат принципам устойчивого развития. Объединенные Арабские Эмираты сегодня располагают почти десятой частью мировых запасов этого драгоценного ресурса и при этом активнее других ищут новые стратегии выживания в мире, где не будет нефти. Одна из стратегий — строительство солнечных электростанций и городов с безотходным производством. Первый из них — Масдар — уже начали возводить в пустыне Руб эль Хали.

Масдар City (от арабского «المصدر» — «источник») строится в ОАЭ, неподалеку от Абу-Даби. Сейчас территория будущего оазиса экологической ответственности представляет собой, в основном, только мертвый песок, раскаленные дороги и небольшие кластеры с домами, магазинами и кафе, однако уже к 2018 году здесь обещают вырастить первую очередь жилых, коммерческих и общественных зданий для 7000 горожан и 15 000 жителей пригорода. Стоимость стартового этапа создания Масдара уже достигла 22 млрд. $. Завершить проект планируется к 2030 году. После этого в экогороде и на прилегающих к нему территориях смогут поселиться почти 100 тысяч человек.

Масдар будет жить за счет возобновляемых источников энергии. Главным среди них станет солнечный свет, ведь ясная погода в Абу-Даби стоит в среднем 360 дней в году. Сегодня первопоселенцы экогорода — студенты, которые живут в кампусе Масдарского института науки и технологий — используют только такую энергию. На крышах и на земле вокруг зданий установлены солнечные батареи, рядом есть солнечная электростанция мощностью 10 МВт. Излишки энергии она пока передает в электросеть Абу-Даби. Кроме того, неподалеку недавно начала работать тепловая электростанция «Солнце-1». Это огромное сверкающее поле с 250 тысяч параболических отражателей и трубопроводом способно обеспечить отоплением и горячей водой 20 тысяч зданий. Работа «Солнца-1» позволяет сократить вредные выбросы на 175 тысяч тонн в день, что эквивалентно единовременной высадке полтора миллиона деревьев в пустыне Руб эль Хали. Компания «Масдар» вложила в строительство электростанции 276 миллионов евро, благодаря чему ей на сегодняшний день принадлежит 10% всей солнечной энергии, вырабатываемой в мире.

Секрет энергетической успешности Масдара будет заключаться не только в использовании солнечных батарей. Город спроектирован так, чтобы здания как можно меньше нагревались, а мостовая постоянно была в тени. Улицы здесь планируют проложить с учетом направления преобладающих ветров и положения солнца. В результате, в экогороде практически не будет видно неба и солнца, — однако притом, что летом температура воздуха в Абу-Даби нередко достигает +65°С, смотреть вверх здесь, вероятно, будет совсем не обязательно.

Воду в городе будущего будут экономить. Власти рассчитывают, что ее жители Масдара смогут снизить ее потребление вполовину, по сравнению с обычными сообществами. Достичь таких величин должны помочь высокоэффективные детали трубопровода, «умные» водяные счетчики, которые будут сообщать пользователям об их уровне потребления воды, а также «умная» система учета, которая позволит «в прямом эфире» наблюдать, сколько воды используется в городе. Кроме того, в Масдаре появится предприятие по переработке сточных вод — мембранный био-реактор. Он будет способен обрабатывать до 1500 м³ сточных вод в день. 100% использованной жидкости и канализационных вод можно будет очистить и перенаправить на полив городских растений.

Для сортировки и переработки отходов в Масдаре построят целое предприятие: Центр переработки ресурсов (ЦПР). Мусор разделят на три категории: сухой (жестяные банки, пластик, бумага, картон), влажный (продукты питания и прочая органика) и «остаточный» (тюбики от зубной пасты, контейнеры из–под еды, — словом, все, что нельзя назвать ни сухим, ни влажным). В домах установят тройные мусорные контейнеры, чтобы первым звеном в процессе сортировки отходов могли стать сами жители. Кроме того, ЦПР будет выделять и отходы четвертой категории: громоздкие (например, сломанную мебель) и опасные (например, батарейки). Сухой, «остаточный» и опасный мусор в центре смогут сортировать и вывозить в центры переработки или захоронения в Абу-Даби и других городах ОАЭ, а влажный превратят в компост для удобрения деревьев и клумб.

Энтони Маллоуз, руководитель проекта Masdar City

Мы не пытаемся просто построить самый экологичный город в мире. Мы хотим построить самый экологичный город в мире как модель, как испытательный полигон, если хотите. Правильные модели являются скорее эвристическими, чем детерминистическими. В них заложены инструменты для обучения, а не для того, чтобы говорить людям: «Не делай так!». И нет, это не предмет потребления. Нельзя взять наш мастер-план и построить еще один Масдар в Нью-Мехико или Швеции. Этот город не товар, который можно просто скопировать. Это лишь алгоритм того, как нужно строить экогорода.

С экономической точки зрения сейчас мы находимся на интересной стадии развития. Рынок меняется, технологии тоже, и Масдару нужно стать куда более самодостаточным, устойчивым и динамичным, чем требовалось раньше, не только в экологическом и социальном плане, но и экономически. Слияние рынков с акцентом на защиту окружающей среды и планы по расширению аэропорта Абу-Даби, расположенного неподалеку от Масдара, позволяют превратить экогород в бизнес-модель. Однако сделать это невозможно без грамотного привлечения рыночных сил и правильной городской инфраструктуры.

Самым кардинальным отличием Масдара от других городов Земли станет полный запрет на автомобили, для работы которых нужны нефтепродукты. Вместо них здесь начнут ходить электрические автобусы и такси, а из Абу-Даби подведут метро и монорельс. Кроме того, в городе будет действовать сеть грузового и персонального скоростного транспорта — управляемых компьютером такси, напоминающих по форме куриное яйцо. Миниатюрные машинки-капсулы будут двигаться по невидимым магнитным дорожкам под асфальтом. Каждая сможет заряжаться от электросети в специальном маленьком депо. Для машинок в городе предусмотрены остановки. Нужные можно будет выбрать с помощью сенсорного дисплея перед посадкой или во время движения.

Что же до стоимости жилья и коммунальных услуг в Масдаре, то в первом случае сумма, вероятно, будет гигантской, а во втором — небольшой. Экогород не является поставщиком «коммуналки», так что вода и электричество здесь будут стоить столько же, сколько и в Абу-Даби. Правда, благодаря экономии ресурсов средний счет за квартиру в Мадаре будет вполовину меньше, чем в столице ОАЭ.

Наталия Киеня.

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.

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).

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.

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:

Микроструктура 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:

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:

Публикация в открытом доступе предшествующей работы.

Статья в Nature.