Ученые из Института солнечных энергетических систем Фраунгофера в Германии создали компактную солнечную установку, которая позволяет напрямую получать водород из солнечного света, минуя стадию выработки и передачи электричества между отдельными устройствами. В ходе экспериментов новая система преобразовала до 31,3% энергии солнечного излучения в химическую энергию водорода. Это означает, что почти треть энергии падающего солнечного света сразу запасается в химических связях водорода – одного из самых энергоемких и экологически чистых видов топлива. И этот показатель является одним из лучших для подобных технологий.
В основе этого метода лежит объединение двух процессов: выработки электричества и электролиза воды. В классической схеме сначала солнечные панели вырабатывают электричество, которое затем подается на электролизер для разложения воды на водород и кислород. Здесь же солнечные элементы напрямую подключены к электролизной ячейке, что позволяет избежать потерь энергии на преобразование и передачу.
Чтобы реализовать такой подход, исследователи использовали концентраторную оптику и высокоэффективные солнечные элементы. Матрица из линз Френеля общей площадью 64 см² усиливала поток солнечного света примерно в 226 раз и направляла его на небольшие, но мощные солнечные элементы. В установке были применены четырехпереходные элементы, состоящие из нескольких слоев полупроводников, каждый из которых поглощает свою часть солнечного спектра. Это позволило получить высокое напряжение – более 4 вольт, достаточное для запуска реакции расщепления воды без дополнительных преобразователей.
В системе также было предусмотрено использование выделяющегося тепла: солнечные элементы и электролизер были закреплены на общей медной пластине, которая одновременно отводила тепло и подогревала воду. В результате температура на входе достигала около 60 °C, что снижало потери при электролизе и повышало общую эффективность установки.
Испытания проводились на открытом воздухе во Фрайбурге. За 13 дней было выполнено более 13 тысяч измерений, и система стабильно работала в реальных условиях – с изменяющейся солнечной радиацией и температурой. Эффективность колебалась от 25% до рекордных 31,3%. При снижении интенсивности солнечного излучения выработка водорода уменьшалась пропорционально.
По оценкам исследователей, в регионах с высоким уровнем прямого солнечного излучения такие системы могли обеспечить конкурентную стоимость «зеленого» водорода – около 3 долларов за килограмм, что соответствует нижней границе прогнозов Международного энергетического агентства. При этом установка не требовала сложной силовой электроники и могла работать автономно, что делает ее особенно перспективной для удаленных территорий.
