Технологические тренды солнечной энергетики

Солнечная энергия - высшая форма энергия, которой в изобилии поливает поверхность земли наше родное светило. Человечество может использовать этот ресурс для нагрева воды, выработки электроэнергии, отопления и охлаждения, приготовления пищи, в промышленных процессах и даже очистки окружающей среды. Даже уголь и нефть в виде пластов, лежащих глубоко в земле, ни что иное как та же солнечная энергия, запасенная и переработанная временем из органических остатков. Солнечный свет - идеальный источник энергии, только он доступен в светлое время суток, когда на небе нет облаков. Чтобы обеспечить человечество бесплатной и неисчерпаемой энергией Солнца, инженеры должны придумать, как в изобилии запасать и эффективно преобразовывать эту энергию.

С тех пор как электричество распространилось по всему миру и стало предподчтительным источником мощности для всей техники, исследователи солнечной энергетики ищут пути эффективного преобразования солнечного света в ток и снижение цены киловатт-часа. Есть два метода конвертирования свет в электричество - фотоэлементы (PV) и системы концентрации солнечной энергии (CSP).

Ключевой тренд в развитии фотоэлементов - поиск для солнечных батарей новых, присутствующих в изобилии в земной коре материалов. Сейчас, чтобы по проводам побежал ток, для конструирования фотоэлемента нужны редкоземельные элементы: кадмий, галий, индий, теллур, селен. Мало того, что они дорогостоящие и трудны в добыче, после завершения цикла жизни батареи, они вредят окружающей среде. Инженеры ищут замену для солнечных батареи среди часто встречающихся элементов, к наиболее подходящим вариантам относят дикосид титана и перовскиты. Пока новые образцы работают нестабильно, но они более многообещающие в плане эффективности.

За последние 10 лет цена фотоэлементов для выработки электроэнергии сильно снижалась, поэтому системы концентрации солнечной энергии не могли с ними достойно конкурировать. Но все же у них есть два преимущества. CSP используют похожий способ преобразования энергии как и на обычных электростанциях, работающих на угле или ядерном топливе, поэтому их можно быстро интегрировать в существующую систему энергогенерации. А еще стоимость хранилища CSP составляет одну десятую от стоимости обычного аккумулятора.

CSP станет конкурентным, если увеличить эффективность конверсии в электричество и уменьшить цену получаемого киловаттчаса. Эффективности систем теплового аккумулирования энергии прямым образом зависит от температуры теплоносителя, поэтому чтобы достичь наилучших показателей, она должна составлять 700-800 градусов. Нагретый пар использовать нецелесообразно, и исследователи предложили заменить его на суперкритический флюид CO2 - вещество, у которого не различить газовую и жидкую форму. Моделирование показало, что использование такого теплоносителя при температуре в 750 градусов даст 50% КПД.

Особенность солнечной энергетики такова, что нам надо успеть запасти ее максимальное количество днем, когда ясная погода, чтобы потом пользоваться в пасмурные дни. Есть множество способов сохранения энергии, включая обычные батареи, тепловые системы, гидроаккумуляторы и в сжатом воздухе. Исследовательские тренды направлены на снижение стоимости хранение и разработку хранилищ тепловой энергии. Термальные хранилища в десять раз дешевле обычных аккумуляторов, но обладают более сложной конструкции, ведь электричество сначала надо превратить тепло, а уже потом, когда оно потребуется в электросети, опять преобразовать из тепла в ток. При такой многоступенчатой конвератции эффективность составляет около 30-40%, но все равно запасать энергию таким способом гораздо дешевле, чем в обычных аккумуляторах. Еще один тренд направлен на улучшение суперконденсаторов, которые позволяют хранить энергию в электрохимическом виде. Они дают очень быструю разрядку, что очень удобно для потребителей, но имеют очень низкую емкость. Исследователи стараются приблизить показатели емкости к обычным аккмуляторам, и если все получится, то суперконденсаторы станут выгодней. Также можно использовать солнечную энергию, чтобы производить водород из воды и собирать его в топливные элементы, которые потом можно использовать для выработки электричества.

Источник Фото Pexels