Новые материалы позволили снизить цену солнечной энергии
Неудивительно, что энергетики уже подписывают договоры об электроснабжении, в которых "солнечные" киловатты даже дешевле, чем "газовые". К примеру, в Техасе одна из энергокомпаний подписала 20-летний контракт на поставку электричества от солнечной станции по цене ниже 5 центов за киловатт-час. Напомним, что президент Барак Обама поставил цель добиться к 2020 году повышения доли альтернативной энергетики до 25 процентов. Такие же амбициозные планы и в Европе: 25 процентов к 2020 году, 40 процентов к 2040 году.
- Действительно, стоимость солнечных фотоэлектрических преобразователей падает фантастически быстро, - говорит председатель Научного совета РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии, доктор технических наук Олег Попель. - Неудивительно, что мир уже близок к паритету между альтернативными и традиционными источниками энергии. Но, конечно, важно учитывать специфику каждого из них. Ведь обычные электростанции не зависят от климата, от погоды, а работа альтернативных станций связана с природными условиями местности, где они установлены. Скажем, в Техасе очень большое количество солнечных дней, поэтому использование энергии светила здесь вполне рентабельно.
Что обеспечило альтернативному источнику совершить такой прорыв? Существенно снизить цену энергии? По мнению ученых, причина прежде всего в новых материалах, композитах. Они позволили поднять не только кпд солнечных батарей, но и снизить их стоимость. Один из таких композитов сейчас создается в лаборатории НИТУ "МИСиС" под руководством приглашенного профессора из Университета Техаса Анвара Захидова. По оценкам разработчиков, он будет стоить в три раза дешевле лучших аналогов из кремния. А при массовом производстве разница станет 4-6-кратной. Это сулит настоящий прорыв в солнечной энергетике.
Правда, у солнечного ватта есть один серьезный минус. Само получение кремния, из которого изготавливаются солнечные батареи, токсично, дорого, требует много энергии. Более того, ими неудобно пользоваться: они жесткие, тяжелые и хрупкие, для установки нужны специальные "прибамбасы". Словом, много возни. Совсем другое дело - батарея гибкая. Ее можно раскатать как рулон на любой изогнутой поверхности. Что сразу расширяет сферы применения. Именно такие солнечные элементы впервые в России созданы учеными МИСиС.
- В них вообще нет кремния, что и позволило придать батарее гибкость, - объясняет сотрудник лаборатории Данила Саранин. - Это тандем из материала перовскит и полупроводниковых полимеров. В отличие от дорогого кремния перовскит стоит копейки. Но главное преимущество такого тандема даже не в этом. Технология изготовления батареи из кремния очень сложна, требуется глубокий вакуум и дорогостоящее оборудование. А наш метод намного проще и дешевле. Фактически солнечные элементы можно печатать на простых устройствах.
Старт перовскитной электронике дали японцы, которые впервые создали солнечный тандем с кпд 3,9 процента. В мире сразу же оценили перспективы, в гонку включилось множество ведущих зарубежных лабораторий, и сейчас кпд уже достиг 21,3 процента. Но если для кремния эта цифра почти близка к пределу его возможностей, преодолеть который не позволяют законы физики, то солнечный тандем способен на большее. Дело в том, что кремний собирает только небольшую часть видимого солнечного спектра, а тандем практически весь. Здесь и лежат перспективы роста.
- Кроме того, мы намерены еще повысить кпд благодаря своему другому ноу-хау, - говорит Саранин. - Если совсем просто, то суть в следующем. Наш элемент состоит из восьми слоев, то есть похож на сэндвич. Зачем столько? Свет не сразу превращается в электрический ток, для этого ему требуется пройти несколько каскадов. Так вот наши конкуренты соединяют все эти слои последовательно, плюс к минусу. Мы предложили иной вариант - соединять параллельно, что позволяет существенно поднять кпд.
Сейчас ученые тестируют полученный элемент, а уже в будущем году намерены приступить к его промышленным испытаниям.
Наступление композитов идет широким фронтом. Например, американскими учеными из Принстонского университета создали материал, который увеличивает кпд солнечной батареи в 1,5 раза по сравнению с кремнием. Речь идет о трехслойной наноструктуре из металлопластика, золотой наносетки, титана и алюминия. По словам разработчиков, такая ловушка является для света своеобразной "черной дырой", откуда нет выхода. В перспективе исследователи планируют выпускать материал кусками размером с лист обойной бумаги, используя технологию "нанопечати".
Нанокомпозиты позволили устранить еще один серьезный минус солнечной батареи. Дело в том, что она статична, а Солнце постоянно движется. Поэтому в течение дня меняется количество падающей на батарею солнечной энергии. Чтобы поддерживать нужный угол, приходится идти на разные ухищрения, поворачивать панели с помощью сложной и дорогой техники. А ведь природа давно решила эту проблему. Например, подсолнухи постоянно в "упор" смотрят на светило, отслеживая его движение.
Ученые Университета штата Висконсин решили повторить природу. Они разработали нанокомпозит, способный скручиваться и двигаться при нагреве солнечными лучами. Основу композита составляют жидкокристаллические эластомеры (LCE). При попадании на них солнечного света они начинают "скручиваться", а оказавшись в тени, возвращаются в исходное состояние. В самих этих эластомерах ничего сверхнового нет, но ученым удалось намного повысить их чувствительность, добавив углеродные нанотрубки. Эта конструкция вращается вокруг оси подобно подсолнуху, постоянно направляя панель прямо на Солнце. В результате из него удается извлечь намного больше энергии по сравнению с обычной батареей.
Настоящим прорывом может стать композит, созданный учеными лабораторий Массачусетского технологического института. Дело в том, что более 50 лет назад американцы Уильям Шокли и Ганс Квиссер рассчитали абсолютный предел эффективности солнечных батарей из кремния по переработке света в электричество. Максимум составляет 32 процента. И вот ученые MIT сообщили, что им удалось превысить этот предел сразу в 2 раза. Результат, прямо скажем фантастический. Как он достигнут? Для этого солнечная батарея сделана в виде гибрида. Он состоит из обычных фотоэлементов и специального нанокомпозита, который активно поглощает тепло. Когда он нагреется до определенной температуры, то начинает уже сам испускать излучение. И здесь ученым потребовалось решить очень нетривиальную задачу. Они сумели, подбирая различные материалы, добиться, чтобы нанокомпозит испускал только такие электромагнитные волны, которые доступны для захвата фотоэлементами солнечной батареи. А дальше по традиционной схеме: свет попадает на фотоэлементы и преобразуется в электроэнергию. Так излучение Солнца используется полностью: и свет, и тепло.
Чтобы оценить масштабы нынешнего бума в солнечной энергетике, надо упомянуть о только что построенной в Калифорнии крупнейшей в мире электростанции. Она вырабатывает чистую энергию, не сжигая ни капли топлива, и обеспечивает электричеством 140 тысяч домов. Мощность станции 392 мегаватт. Это вполне сопоставимо со средней ТЭЦ. Станция Иванпа Солар расположена в пустыне Мохаве, ее строительство велось около трех лет и обошлось в 2,2 миллиарда долларов. Собирают солнечные лучи 173 тысячи панелей, размер каждой - с гаражные ворота.
Но это, как говорится, только начало. В 2020 году Калифорния намерена получать от Солнца около 33 процентов энергии. Цифра, прямо скажем, фантастическая. Кстати, ВВП штата - 2,2 триллиона долларов, что превышает ВВП большинства стран на планете. Энергии нужно очень много! И сейчас на глазах здесь происходит настоящая революция альтернативной энергетики. Иванпа Солар - только одна из 7 очень крупных солнечных электростанций, введенных в строй в Калифорнии.