Электричество из космоса
В стремлении повысить эффективность солнечных панелей рассматриваются разные варианты. Один из них — разместить элементы гелиосистемы... в космосе. Рассмотрим этот подход — насколько он реалистичен и, главное, экономически оправдан. Вообще говоря, открытый космос — это наилучшее место для размещения панелей и комплексов на их основе. По имеющимся данным, специалисты технически уже готовы строить солнечные станции на орбите, решив все рабочие проблемы, но начать и закончить строительство не даёт дороговизна проектов.
Космическое пространство имеет несколько неоспоримых преимуществ, когда мы рассматриваем вариант размещения там солнечных батарей. На орбите отсутствует воздух, а наше Солнце сияет круглосуточно. Кроме того, переход от одного сезона к другому на выработке энергии совершенно не отражается. Мало того, разработан даже метод передачи сгенерированной энергии непосредственно потребителям на Земле. Но вот экономика, так или иначе, перечёркивает всё. Сегодня ряд государств, а именно США, Китай, Индия, а также Япония, ведут разработки, цель которых — построить национальные комплексы, состоящие из солнечных коллекторов и управляемые робототехникой. Предполагается, что данные орбитальные сооружения будут «передавать» на Землю очень большие объёмы энергии, источник которой фактически неиссякаем. При этом словосочетание «очень большие» по отношению к солнечной энергетике даже мягко сказано: в некоторые из разработок заложена возможность посылать на наземные приёмники гигаваттные потоки энергии. Приведём пример: одного гигаватта в секунду хватит для электроснабжения довольно крупного города. При этом по информации, полученной от военных исследователей США, всё это базируется на научно подтверждённых выкладках.
Работы по космическим солнечным электростанциям стартовали не менее чем 40 лет назад. Тогда Министерство энергетики США и NASA потратили около $ 20 млн на специальное исследование, которое ставило перед собой единственную задачу — изучить возможность и обоснованность сборки солнечных энергообъектов на орбите. Тогда и было дано первое положительное заключение. А теперь ближе к пресловутой экономике. Дело в том, что строительство космической солнечной электростанции однозначно приводит нас к необходимости доставки на орбиту строительных материалов, а такие (многократные!) «грузоперевозки» однозначно влетают в серьёзную «копеечку». Американцы посчитали, что «на круг» станция, которая хоть как-то реально сможет генерировать и излучать собранную энергию на Землю, обойдётся в районе $ 2 млрд. Единственное, на что сейчас надеются сторонники развития солнечной энергетики в США, так это на то, что данный «камень преткновения» может быть преодолён за счёт активизации «обживания» околоземного пространства частными фирмами.
Итак, с финансовой частью всё более или менее понятно. Рассмотрим поподробнее, как именно разработчики околоземных генерирующих объектов планировали передавать энергию на земную поверхность. В настоящее время есть два метода трансляции энергии; один основан на применении лазера, а второй — микроволн. В плане цены лазерный метод предпочтительнее, потому что снижает стоимость выведения на орбиту спутника — потребуется сумма в районе от $ 500 млн до $ 1 млрд. Однако при этом лазерный вариант имеет серьёзный недостаток — спутник получится дешевле, но и мощность он будет иметь не очень высокую — до 10 МВт, а это означает, что таких нужно будет запускать в космос множество, что в итоге приводит к существенному удорожанию проекта. И недостаток второй — облачность сильно понизит эффективность передачи энергии. А вот микроволнам совершенно не важна погода внизу, и уже с помощью них есть возможность передавать энергию, измеряемую гигаваттами. Но зато встаёт проблема множества «ходок» на орбиту, необходимых для доставки стройматериалов при сборке действительно мощного космического генератора и передатчика, что обойдётся в несколько десятков миллиардов. Короче говоря, и в первом, и во втором случае есть свои «но».
Непосредственно в США разрабатывается радиоволновой метод, суть которого заключается в том, что на орбите работает энергокомплекс, оснащённый так называемыми «сэндвич-панелями». При этом одна сторона такого коллектора поглощает солнечное излучение, а с обратной стороны располагается специальная антенна, которая после преобразования энергии в радиоволны излучает их приёмнику, расположенному на поверхности Земли. Проект очень интересный, но пока неясно, как скоро он будет воплощён «в материале». Ведь только тогда можно будет с уверенностью говорить о его успешности.
Материалы для панелей
Переместимся из заоблачных далей на землю и посмотрим, что нового было придумано в плане создания рабочего элемента, на котором, собственно, и держится солнечная электроэнергетика — фотоэлектрической панели. Недавно стало известно, что в крупнейшем городе Канады Торонто коллектив исследователей во главе с учёным Илланом Крамером выступил с сенсационным заявлением — специалисты изобрели спрей, который способен сделать солнечную панель буквально из любого предмета.
Кроме того, учёные разработали и систему нанесения состава, благодаря чему солнечной «панелью» становится фактически любая поверхность, включая заборы и крыши автомашин. Например, если побрызгать спреем крышу «легковушки», то машина превратится в мини-электростанцию, которая может обеспечить работу трёх 100-ваттных ламп.
Предлагаемый состав содержит так называемые коллоидные квантовые точки, которые, по сути, являются нанокристаллами полупроводниковой природы и способны очень эффективно рассеивать и поглощать световые лучи, причём эта способность весьма стойкая.
Именно нанокристаллы позволяют поверхности поглощать свет, причём их свойства необычны — они избирательны к спектральным свойствам падающих на них лучей. Исследователи улучшили свойства квантовых точек, в результате чего они не вступают в связь с атомами кислорода, электроны не теряются, и в итоге способность вбирать солнечное излучение возрастает на 8 %.
Немецкие и французские исследователи усовершенствовали фотоэлектрические панели, что привело к повышению их эффективности до 46 %. Это стало возможным благодаря тому, что в рамках франко-немецкого проекта специалисты сумели создать четырёхконтактную ячейку
Повышенная эффективность
Если в изобретатели фотоэлектрического спрея превращают все поверхности в генераторы электротока, то немцы с французами усовершенствовали сами панели, что привело к повышению их эффективности до 46 %.
В рамках франко-немецкого проекта специалисты сумели создать четырёхконтактную фотоячейку. Её авторы — сотрудники французской фирмы Soitec и немецкого Института Фраунгофера, который работает в области исследований солнечной энергии. Упомянутая ячейка является одним из элементов новой генерации многоконтактных солнечных панелей, которые изначально предназначались для выработки энергии в составе фотоэлектрических электростанций, работающих на принципе концентрации солнечных лучей. В будущем этая технология даст возможность увеличить эффективность солнечных панелей до 50 %, однако для достижения такого результата необходимо обеспечить повышенную концентрацию солнечного света. В основу технологии положен принцип, согласно которому каждая отдельная ячейка включает четыре ячейки поменьше, любая из которых преобразует в электричество четвёртую часть поступающего фотонного потока.
Описанный рекорд официально подтверждён в Japanese National Institute of Advanced Industrial Science and Technology — главном учреждении, занятом проверкой функционирования солнечных панелей.
При изготовлении многоконтактных солнечных ячеек в качестве основы берут полупроводники, относящиеся к III-V группам. Ячейка, которая дала возможность установить новый рекорд, обладает четырьмя контактами и превращает в электроток солнечные лучи в диапазоне 300-1750 нм. Концентрация светового потока при этом осуществляется при помощи линзы Френеля. В каждой из четырёх ячеек, составляющих фотоэлектрический кластер, монтируется по одной такой линзе.
Величина концентрации солнечных лучей в процессе обновления предыдущего рекорда, принадлежащего тому же проекту, равнялась 508. Наибольшей сложностью при разработке описанной технологии стало безошибочное распределение лучей между всеми четырьмя мини-ячейками. Однако эту проблему удалось решить, и уже смонтированы новые французские линии по производству инновационных солнечных элементов.
Солнцу в помощь
Генерация электроэнергии из солнечных лучей является, пожалуй, наилучшим подходом к обеспечению энергетической стабильности и безопасности для развивающихся стран. И всё бы было хорошо, если бы не одно «но», которое в значительной степени сдерживает развитие солнечной энергетики в современном мире — наступает ночь и выработка энергии прекращается. И это в то самое время, когда электричество остро необходимо. Выход один — каким-либо образом аккумулировать энергию Солнца, или дополнять солнечную генерацию другим видом производства энергии, что и решили сделать специалисты израильской фирмы AORA, решившие реализовать проект гибридной электростанции на территории Эфиопии. Данный объект позволит обеспечивать население близлежащих населённых пунктов электроэнергией круглосуточно. Это стало возможным благодаря конструкции, запасающей энергию Солнца в виде потенциальной энергии сильно нагретого воздуха, и дополнению солнечного генератора биогазовой установкой.
Генерирующие станции, производимые компанией AORA, чем-то схожи с тюльпанами. Гибрид использует энергию солнечных лучей, нагревая воздух до 1000°C, который и запускает турбину генератора. Когда потенциальной энергии воздуха уже не будет хватать, эстафету перехватит биогазовая установка, «горючее» для которой получают путём переработки отходов местных скотоферм.
Параметры генерирующей станции следующие — она займёт 3500 м2 и при этом будет расходовать не более чем 8 % от объёма воды, необходимого для стабильной работы «обычной» солнечной электростанции. Мощность гибридной системы оставляет около 170 кВт-ч тепловой энергии и порядка 100 кВт-ч электроэнергии. Не так давно компания-разработчик подписала соглашение, в соответствии с которым летом 2015-го года в Эфиопии будет начато строительство спроектированного
Генерация электроэнергии из солнечных лучей является наилучшим подходом к обеспечению энергетической стабильности и безопасности для развивающихся стран. И всё бы было хорошо, если бы не одно «но» — наступает ночь и выработка энергии прекращается
«гибрида». Решение было принято после того, как техника, которая войдёт в состав электростанции, прошла «обкатку» в США, Израиле и Испании. К заключению договора о строительстве и коммерческой эксплуатации обе стороны, исполнитель и заказчик, шли долгие шесть лет. При этом AORA потратила на одни только исследования $ 40 млн.
Понятно, что столь значительная сумма была потрачена, что называется, с дальним прицелом — после небольшого периода работы первого объекта подобные гибридные электростанции будут возведены в разных уголках страны. Единственное явное ограничение по строительству — факт отсутствия в той иной местности животноводческих ферм и наличие уже проложенных по территории линий электропередач. В первом случае не сможет работать «ночная» часть системы, а во втором установка гибридного генератора просто теряет смысл.
Солнце, дающее... питьевую воду
Одним из направлений использования энергии Солнца является применение её для решения, казалось бы, неожиданных задач. Неожиданных в том смысле, что у многих словосочетание «энергия солнца» ассоциативно связано с солнечными панелями. Но изобретатели тем и отличаются от основной массы людей, что мыслят нетривиально и смотрят на мир другими глазами.
Например, британские инженеры решили «подрядить» солнечный свет... опреснять воду. Конструкция созданного специалистами агрегата совершенно статична и всю работу в ней выполняет исключительно Солнце. Производить чистую воду устройство может бесперебойно в течение 20 лет при максимальной производительности 15 л жидкости ежесуточно, а точнее, ежедневно.
Надо признать, что изобретение это весьма актуально. С одной стороны, оно экологично — вносит вклад в минимизацию загрязнения природы, со второй — решает проблему дефицита питьевой воды (которая нас с вами пока особо не касается, но во многих странах стоит более чем остро), а с третьей — не расходует дополнительной энергии,что означает нулевую стоимость владения, если не считать необходимость возврата инвестиций в покупку установки и затраты на её незначительное возможное обслуживание. Опреснитель не имеет фильтра — последний просто не нужен. По словам разработчиков, испортить инновационный аппарат очень сложно — надёжность его очень высока.
Новая установка, названная её создателями Desolenator, позволяет как очищать от посторонних примесей пресную воду, так и опреснять морскую. При этом устройство может быть перевезено в любой уголок планеты — туда, где имеются проблемы с чистой водой и энергоснабжением.
Работая над солнечным опреснителем, изобретатели преследовали важную цель — оставить в прошлом применяемую ныне технологию опреснения воды, которая требует больших затрат энергии, при этом эффективность её оставляет желать лучшего.
Как же работает такое необычное и инновационное устройство? Стандартный солнечный коллектор обычно «берёт в работу» не более 18 % энергии Солнца. То есть основная часть «топлива» растворяется в пространстве. Благодаря Desolenator эффективность ощутимо повышается. При этом до порядка 90 °C солнечных лучей греют «напрямую», а до состояния кипения жидкость доводится уже с помощью электрической энергии, которая опять-таки генерируется под воздействием солнечного света.
В результате кипения воды образуется водяной пар, который направляется прямиком в теплообменник, где подогревает «свежую партию» жидкости, предназначенной для опреснения. На выходе владелец чудо-аппарата получает, во-первых, воду для питья, а, во-вторых — насыщенный солью раствор, который ещё содержит воду, и его можно «прогнать» через аппарат повторно.
На текущий момент опреснитель стоит $ 450, что для бедных жителей из развивающихся стран, где ощущается серьёзный недостаток питьевой воды (им и адресован данный прибор), сумма неподъёмная. Потому разработчики сейчас заняты поиском инвесторов, да и просто филантропов, которые могут оказать посильную помощь в решении этой проблемы. Скорее всего, авторы решат эту проблему, поскольку это не миллиарды «зелёных», которые требуются для строительства космических солнечных электрогенерирующих станций.
«Солнечные» облигации
Популярность компаний, занимающихся солнечной энергетикой, растёт. Не так давно, например, Роберт Боуэн, руководитель американской фирмы SolarCity, выпускающей оборудование для генерации солнечной энергии, заявил о старте публичной реализации облигаций SCTY (в обозначениях NASDAQ). Таким образом, инвесторы всего мира получили возможность поучаствовать в развитии интереса к солнечным коллекторам, наблюдавшемся в США в течение последнего десятка лет.
Торговля облигациями будет инициировать рост фондов, занятыми финансированием программ по движению американской энергетической отрасли в сторону ВИЭ. Суммарная стоимость облигаций на сегодняшний день равна порядка $ 200 млн. При этом купить данные ценные документы можно прямо через Интернет на целенаправленно сделанном финансовом ресурсе.
Немалой преградой для повсеместного использования «чистого» электричества и тепла конечными потребителями и малым бизнесом, как и ранее, остаётся «кусающаяся» цена энергии. SolarCity в инициативном порядке предлагает этому сегменту клиентуры бесплатный монтаж установок
Фирма SolarCity сегодня изготавливает треть всех устройств, применяемых в Америке для генерирования энергии из солнечного света. Доход от проданных ценных бумаг будет идти их владельцам из сумм, каждый месяц получаемых за потребление энергии огромным количеством индивидуальных потребителей, учебных заведений, коммерческих фирм, а также государственных учреждений. Сейчас фирма SolarCity имеет в своём портфеле фонды и финансовые активы, оцениваемые ориентировочно в $ 5 млрд. Столь впечатляющая сумма была передана как инвестиции большим количеством крупнейших финансовых организаций и транснациональных промышленных компаний. Предоставление возможности физическим лицам, а также единичным инвесторам покупать облигации SolarCity, по замыслу владельцев фирмы, будет стимулировать динамику развития солнечной энергетики. В качестве сверхзадачи провозглашается трансформация американской энергетической инфраструктуры, а, кроме того, вывод из обращения углеводородов, ныне используемых в качестве энергоносителей.
Немалой преградой для повсеместного использования «чистого» электричества и тепла индивидуальными конечными потребителями и малым бизнесом, как и ранее, остаётся «кусающаяся» цена энергии. SolarCity в инициативном порядке предлагает этому сегменту клиентуры бесплатный монтаж установок в обмен на то, что потребители будут передавать в виде оплаты лишнюю энергию, генерируемую батареями.
Выброшенные на рынок облигации компании простимулируют сведение «на нет» недостатка финансирования, в которым остро нуждается компания для вложения в производство солнечного генерирующего оборудования. Первыми планируется привлечь небольших инвесторов: с одной стороны — невысокой ценой, составляющей $ 1000 за одну ценную бумагу, а с другой — довольно привлекательной доходностью с четырёхпроцентной годовой ставкой и периодом погашения от года до семи лет.
