Всё ближе то прекрасное будущее, в котором крыши домов будут покрывать не допотопными шифером или металлочерепицей, а передовыми преобразователями солнечной энергии в электричество. В совокупности с аккумуляторами в чердаках, на случай внезапной ночи или пасмурной погоды, это позволит каждому без исключения дому стать энергонезависимым. Поговаривают, что под это ещё и дорожное покрытие приспособить хотят, и тогда вообще заживём!
И, хотя я тут усиленно упражняюсь в иронии, такое будущее мне видится весьма вероятным. Во-первых, в развитие зелёной энергетики (то есть без выбросов, хотя в отношении солнечных панелей здесь не всё так радужно) вкладываются гигантские средства. Во-вторых, при определённом размере достаточно устойчивой и эффективной система может стать только в децентрализованном виде. Это касается и энергетики, децентрализованная система энергообеспечения будет более эффективной в условиях всё продолжающегося роста потребления. Большие электростанции, конечно, останутся, но они будут служить для покрытия дефицита в случае чего, и чтобы питать крупные промышленные предприятия. Отказавшись от сжигаемого топлива нам придётся ставить индукционные печи для выплавки сталей, например, что потребует немалых электрических мощностей. Я планирую делать на эту тему отдельный материал, а пока перейдём к передовым разработкам в области солнечной энергетики.
Как известно всем моим читателям, скорее всего, у любого устройства, которое преобразует энергию (двигатель, генератор, рычаг и проч.) есть КПД - коэффициент полезного действия. Его вычислить, в теории, очень просто: надо просто разделить выход энергии на вход, то есть количество энергии, которое в той или иной форме вышло из устройства, надо поделить на то, сколько энергии в него вошло. Эта величина не может быть больше 1, да и равна тоже не может, так как в нашей несовершенной вселенной всегда энергия теряется. Так вот, это касается и солнечных панелей, так как это, по сути, генератор электричества, и отличается от привычного образа генератора тем, что преобразует она не механическую энергию, а энергию электромагнитного излучения в электричество.
И в области передовых разработок в области фотоэлектрических преобразователей наметился существенный прорыв. Инженеры из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL) создали солнечный элемент с рекордной эффективностью 39,5%. Сразу вопрос - что подразумевается под КПД солнечной панели? Речь не о входах и выходах, с этим всё понятно, речь о том, что считать входом. Ведь наше светило излучает не только в видимом спектре излучения. И понятно, что преобразователь не может охватить весь спектр, и это скажется на КПД. С другой стороны, сама панель принятую лучистую энергию не переварит полностью, и на выходе получится ещё меньше. Давайте разбираться!
Солнце способно излучать во всём многообразии длин волн электромагнитного излучения, но другое дело - интенсивность той или иной части спектра. На видимые нашими глазами длины волн приходится почти половина всей энергии, остальная львиная часть - за тепловым излучением, а единицы процента - за высокоэнергетическими волнами: от ультрафиолета до гамма. Часть энергии теряется в атмосфере, в итоге до поверхности Земли долетает 1366 ватт на квадратный метр (данные из Википедии), что составляет примерно 80% от изначальной мощности. (И да, я здесь не путаю мощность и энергию, просто через мощность выражаться гораздо понятнее, а на понятие КПД это никак не влияет).
39,5% для любого устройства, не только для солнечной панели, значение весьма неплохое. Хотя фотоэлектрические преобразователи всегда славились высокой эффективностью, за исключением, возможно, самых первых. Причем это значение - итоговое, то есть с учётом ограничения по спектру и возможностям самих преобразователей.
По сравнению с широко применяемыми панелями на основе кремния или перовскита, рекорд для которых составляет около 25%, это значительно, почти в полтора раза. В чём тут подвох, чудес же не бывает? Тем более известно, что кремний и перовскит являются одними из самых лучших материалов для фотоэлектрических преобразователей.
Дело в том, что это - комбинированный преобразователь, который использует несколько типов преобразователей. Те же кремниевые и перовскитные, если их объединить в одном устройстве, выдадут до 30%. Новые же панели используют комбинацию из трёх преобразователей, причем там нет ни кремния, ни перовскита. Эти преобразователи называют “переходами”, а сам новый элемент - инвертированный метаморфический многопереходный элемент. По аглицки - inverted metamorphic multijunction (IMM). По факту в элементе - три слоя, каждый из которых охватывает свою часть спектра. Надо сказать, что нечто подобное разработала компания Sharp ещё в 2013м году, но почему-то мы не видим такие панели в массовом производстве. Возможно, они дороже, и рентабельнее производить обычные с одним “переходом”. Пусть его КПД и ниже, но окупаемость лучше. Постигнет ли такая же участь новую разработку пока не ясно, но будем надеяться на лучшее.
Каждый из “переходов” изготовлен из разных материалов: фосфид галлия-индия сверху, арсенид галлия посередине и арсенид галлия-индия снизу. Но, как я уже отметил, это не какое-то ноу-хау. Инновацией здесь является использование так называемых “квантовых ям”. Я так и не понял до конца, что это значит, но пишут, что они образуются как раз в среднем слое за счёт его непосредственного положения и очень малой толщины. В связи с этим у электронов в этом слое всего две степени свободы, что и позволяет улавливать больше света и эффективнее преобразовывать его в электричество.
Но что меня поразило больше всего, так это спектр этого фотоэлемента. Посмотрите, насколько он залезает в инфракрасную область! Он охватывает весь видимый спектр и инфракрасный до волн длиной 1350 нм. Вот это уже интересно и круто! Причем один слой только работает в видимом спектре - верхний, остальные пашут в тепловом! Я прикинул на глаз, получается, что он охватывает примерно 70% всего солнечного излучения. Что на Земле, что в Космосе, спектр примерно одинаковый. То есть у самих преобразователей КПД, без учёта спектра, выдает 51,2%.
Если из них делать солнечные панели, то они могут выдавать мощность на Земле порядка 540 ватт с одного квадратного метра панели. В космосе - 580 ватт с одного квадратного метра. Там эффективность ниже у этих преобразователей, учёные намерили 34,2%, но и солнечной энергии там больше, поэтому получается почти также. Для сравнения, панели МКС выдают всего 130 ватт на квадратный метр, при КПД 8-13%. Так что тут можно говорить про серьёзные достижения. Ведь, например, для того, чтобы вскипятить 1,7 литров воды за пару минут в вашем чайнике потребуется всего лишь… панель 2 на 2 метра. Блин, многовато. Ладно, не будем сравнивать, в будущем всё будет утыкано этими панелями и не только на чайник хватит, но и на пылесос!
Шутки шутками, но прогресс не стоит на месте. Так что смеяться будем тогда, когда сами на крышу будем ставить эти панели и радоваться платёжкам за электричество! Тем, кто хочет обстоятельнее разобраться в теме, вот вам пресс-релизы: New Atlas и Science Daily, а также сама оригинальная статья. Спасибо, что дочитали до конца!
И не забываем подписываться на остальные наши ресурсы:
Пока не заблокировали, вот канал на YouTube:
https://www.youtube.com/channel/UCvqrD5IjMzbmXTLt2jZdZeQ
Сообщество Вконтакте:
https://vk.com/public203851543
Telegram:
https://t.me/In_6enium
