Ученые Tesla и другие исследовательские команды изобретают все новые способы, обещающие не только удешевить солнечную энергетику, но и значительно расширить сферу ее применения
Фото: Tesla
Содержание
Крыша мощностью 10 кВт
В октябре компания Tesla запустила третью версию своей солнечной черепицы для использования в жилых домах. Солнечная черепица Tesla, получившая название Solarglass (“солнечное стекло”), это устройство, которое внешне выглядят так же, как обычная черепица, но в то время же время работает как самые настоящие солнечные панели для производства электроэнергии.
Концепция Solarglass была анонсирована тремя годами ранее, в октябре 2016 г. “В первой и второй версиях мы все еще выясняли, как лучше могла бы работать новая технология, – заявил руководитель Tesla Илон Маск. – Третья версия уже наконец готова к длительному использованию”.
Сайт солнечной крыши от компании Tesla позволяет узнать примерную цену установки этого устройства. Обойдется оно в $42,5 тыс. для дома площадью 2000 кв. футов (почти 610 кв. м), а мощность его составит 10 кВт. На сайте могут заказать себе солнечную крышу жители США, Канады и Мексики, а в Европе – бельгийцы, датчане, испанцы, немцы и чехи.
Tesla рассчитывает, что крыши нового типа будут пользоваться спросом при необходимости ремонта крыши и при строительстве нового дома. “Крыша из Solarglass не будет иметь финансового смысла лишь для тех, у кого дома установлена относительно новая крыша, – поясняет Маск. – С помощью нашей новой технологии производства мы смогли достичь ценовой точки, которая ниже, чем средняя стоимость крыши с установленными поверх нее солнечными панелями”.
Как отмечает Techcrunch, компании пока еще нужно провести немало исследований и разработок, чтобы довести до ума технологию установки солнечной крыши. Над этим в Tesla будут работать сразу две команды, причем не совместно, а соперничая друг с другом. В их состав войдут квалифицированные монтажники, которых наймет и обучит сама Tesla. Поначалу перед ними будет стоять задача сократить время установки настолько, чтобы оно было меньше, чем время установки обычной черепицы и солнечных панелей поверх нее. Маск добавил, что его конечной целью является установка Solarglass быстрее, чем обычной черепицы.
Но долгосрочный план заключается не только в том, чтобы научиться устанавливать солнечные крыши быстро, но и в том, чтобы в конечном итоге люди, получившие опыт и квалификацию, смогли обучать сторонних подрядчиков – и тем самым наращивать количество специалистов, обладающих нужными навыками. “Мы будем проводить монтаж настолько быстро, насколько возможно”, – подытожил Маск и уточнил, что в течение “следующих нескольких месяцев” компания планирует “добраться до 1000 крыш в неделю”.
Гарантия на установленную крышу от Tesla составляет 25 лет. Солнечная крыша обеспечивает дому защитное утепление, выдерживая не только дождь, снег и град, но и ветер скоростью до 130 миль в час (примерно 290 км/ч). Она вырабатывает больше энергии, чем аналогичная по размеру крыша, оборудованная традиционными солнечными панелями.
Пока что доступен только один вариант Solarglass – с отделкой из темного закаленного стекла. Однако Маск заявил, что надеется представлять новые варианты “каждые шесть-девять месяцев”.
Общий адресный рынок, который Маск видит для Solarglass, составляет около 100 млн домов по всему миру. Маск подчеркнул, что компания действительно намерена сделать этот продукт доступным во всем мире.
Хранилище емкостью 1 ГВт·ч
По мере развития “зеленой” энергетики (солнечной и ветряной) рынок начинает нуждаться в новых решениях, позволяющих хранить электроэнергию в больших объемах. Два года назад Tesla, фактически на спор, за 100 дней построила в Южной Австралии крупнейшую в мире литий-ионную батарею энергетической емкостью 129 МВт·ч на базе хранилищ энергии Tesla Powerpack. Этот объект сэкономил почти $40 млн только за первый год работы и помог стабилизировать и сбалансировать ненадежную энергосеть региона. Но компания решила на этом не останавливаться и в июле 2019 г. представила новую систему для крупномасштабного хранения энергии. Проект называется Megapack.
Свой путь в сфере разработок систем хранения энергии компания Tesla начинала в 2015 г. с создания и производства домашних батарей Powerwall, позволяющих хранить электроэнергию, полученную от солнечных панелей на крышах домов. Для бизнес-ориентированных решений чуть позже была представлена система Powerpack. Судя по последнему анонсу, теперь компания решила всерьез сосредоточиться на системах хранения энергии для проектов коммунального масштаба.
Tesla сообщает, что Megapack представляет собой систему модульных батарей, размер которых не превышает размера транспортного контейнера. Батареи могут питаться непосредственно от солнечных панелей. Энергоемкость каждой батареи Megapack составляет 3 МВт·ч. Это примерно в 14 раз больше, чем возможности хранилища Powerpack, который способен хранить около 210 КВт·ч энергии.
Компания указывает, что батареи Megapack представляют собой полностью готовые решения, оснащенные всем дополнительным оборудованием, необходимым для хранения и перераспределения электроэнергии. По сообщению компании, основным преимуществом батарей Megapack является то, что их можно объединять в крупные хранилища энергии, полученной из экологически чистых источников, суммарной энергоемкостью до 1 ГВт·ч.
Как уверяет Tesla, такая система займет площадь в три акра (1,2 га), а на ее монтаж и подключение уйдет менее трех месяцев. По оценкам компании, резервной энергии в объеме 1 ГВт·ч будет достаточно, например, чтобы обеспечивать электричеством все дома в Сан-Франциско в течение шести часов.
Megapack не является полной заменой привычным электростанциям, но эта система может использоваться в качестве временного резервного источника энергии во время пиковой нагрузки и перебоев в работе электросетей. Обычно в таких случаях используются специальные пиковые электростанции, работающие на природном газе. Они считаются одним из наименее эффективных и самых грязных, указывает сайт Tesla.
Компания разработала для Megapack собственное программное обеспечение. Все батареи в хранилище Megapack подключаются к Powerhub – передовой платформе для управления коммунальными проектами, а также могут интегрироваться с Autobidder – платформой машинного обучения Tesla для автоматической торговли энергией.
“Рынок современных решений для хранения энергии быстро растет. Только за последний год мы установили более 1 ГВт·ч глобальной емкости хранения с нашими текущими продуктами хранения Powerwall и Powerpack, в результате чего наш общий объем глобального хранилища составил более 2 ГВт·ч накопительной емкости. С Megapack этот показатель будет расти в геометрической прогрессии в ближайшие годы”, – пообещала Tesla.
Уже реализуется первый такой проект. Базирующаяся в Сан-Франциско PG&E (Pacific Gas and Electric Company), являющаяся одним из крупнейших поставщиков природного газа и электроэнергии в США, анонсировала запуск до конца 2019 г. хранилища Megapack в Калифорнии на побережье залива Монтерей. Оно должно обеспечивать мощность 182,5 МВт в течение четырех часов, то есть его энергоемкость составит не менее 730 МВт·ч. Планируемый срок работы хранилища – 20 лет. “Мы считаем, что накопление энергии будет важным для повышения общей надежности энергосистемы, интеграции возобновляемых источников энергии и оказания помощи клиентам в экономии энергии и денег”, – подчеркнул вице-президент PG&E Рой Куга.
Солнечное отопление
Сегодня дома можно автономно отапливать не только при помощи угольных и газовых печей, но и за счет солнечной энергии. Причем речь идет не о солнечных батареях, вырабатывающих электричество для питания обогревателей, а о солнечных коллекторах, которые напрямую нагревают воду, используемую для отопления домов. Благодаря ученым из Массачусетского технологического института (МТИ) эти устройства могут стать более дешевыми и эффективными и, как следствие, получить более широкое распространение.
Работа ученых финансировалась программой министерства энергетики США. Результаты описаны в журнале ACS Nano.
Соавтор изобретения профессор Эвелин Ван объясняет, что для эффективного сбора солнечного тепла необходимо устройство, которое разогревалось бы внутри, оставаясь холодным снаружи. Одним из способов сделать это является создание вакуума между слоем стекла и темным теплопоглощающим материалом. Однако такие коллекторы обходятся слишком дорого. Поэтому производители давно искали альтернативный теплоизолятор.
На эту роль отлично подошел материал, разработанный исследователями из МТИ. По своей сути он является прозрачным аэрогелем. Вообще-то аэрогели давно использовались как высокоэффективные и сверхлегкие теплоизоляционные материалы, но до сих пор они имели невысокую прозрачность для видимого света. Профессор Ван говорит, что разработка аэрогеля, который был бы достаточно прозрачным для применения в солнечных коллекторах, была долгим и трудным процессом, в котором участвовали несколько исследователей в течение четырех лет. Но в результате получился аэрогель, который пропускает более 95% поступающего солнечного света, сохраняя при этом высокие теплоизолирующие свойства.
Коллектор с аэрогелем был испытан на крыше кампуса МТИ в середине зимы, когда температура наружного воздуха была ниже 0º C, и показал отличные результаты. Устройство нагрело теплопоглощающий материал до 220º C. Столь высокие температуры ранее были достижимы только при использовании коллекторов с зеркалами для фокусировки солнечного света на одной точке. Но коллектор, изобретенный в МТИ, не требует фокусировки световых лучей, что делает его более простым и менее затратным. Это может потенциально сделать его полезным для широкого спектра применений, требующих более высоких уровней нагрева, чем отопление жилищ. Крупномасштабные версии таких коллекторов могут использоваться в химической, пищевой промышленности и других производственных процессах.
Солнечная одежда
Исследовательская команда из Нюрнберга и Эрлангена (Бавария, Германия) 11 ноября объявила о поставленном ею мировом рекорде эффективности преобразования солнечной энергии в электричество с помощью органического фотоэлектрического модуля. КПД нового модуля составляет 12,6% (на площади 26 кв. см), тогда как предыдущий рекорд составлял 9,7%. Достигнутый результат подтвержден независимой сертификационной лабораторией Fraunhofer ISE во Фрайбурге.
Многоэлементный модуль разработан на Солнечной фабрике будущего в Нюрнберге, в лаборатории нанесения покрытий с уникальной пилотной линией для тонкопленочных фотоэлектрических устройств, которая была создана при финансовой поддержке министерства экономики, развития и энергетики Баварии. Глава этого министерства Хуберт Айвангер заявил: “Этот прорыв показывает, что Бавария лидирует не только в продвижении фотоэлектрических установок, но и в разработке технологий будущего”.
Органические солнечные элементы обычно состоят из двух различных компонентов, обладающих необходимыми полупроводниковыми свойствами. В отличие от традиционного кремния, который производится в результате энергоемких процессов плавления, органические материалы могут наноситься непосредственно из растворов на пленку или стекло. Гибкость и легкость органических фотоэлементов (при более низких производственных затратах по сравнению с кремнием) расширяют их область применения до мобильных устройств и одежды, даже если по энергоэффективности они еще уступают кремниевым фотоэлементам. Научный руководитель Солнечной фабрики будущего профессор Кристоф Брабек утверждает, что после показанного рекорда органические фотоэлементы уже готовы выйти за пределы лабораторных исследований.
Две Японии за пять лет
Международное энергетическое агентство (IEA) 21 октября презентовало доклад, в котором прогнозирует, что в течение 2019-2024 гг. мощность установок, добывающих энергию из возобновляемых источников, вырастет на 50%, или на 1200 ГВт, что эквивалентно нынешней общей электрической мощности США. В частности, мощность солнечной энергетики вырастет почти на 700 ГВт, что вдвое больше общей мощности Японии.
IEA прогнозирует, что в ближайшие пять лет почти половина роста солнечной энергетики (точнее, 320 ГВт) будет обеспечена не традиционными солнечными электростанциями, а так называемыми распределенными фотоэлектрическими системами, установленными в домах, коммерческих зданиях и промышленных объектах. Мощность этих систем за пять лет вырастет более чем в 2,5 раза и превысит 500 ГВт.
Крупнейшими двигателями бума солнечной энергетики станут коммерческие и промышленные предприятия, которые захотят сэкономить на счетах за электроэнергию благодаря автономному энергообеспечению. На их долю придется три четверти мощности новых распределенных фотоэлектрических систем. Но и население внесет весомый вклад. Число домов с солнечными панелями на крышах увеличится более чем вдвое и достигнет примерно 100 млн к 2024 г., причем самый высокий рост на душу населения ожидается в Австралии, Бельгии, Калифорнии, Нидерландах и Австрии.
Стоимость производства электроэнергии в распределенных фотоэлектрических системах уже ниже розничных цен на электроэнергию в большинстве стран. IEA прогнозирует, что к 2024 г. эти расходы сократятся еще на 15-35%, что сделает данную технологию еще более привлекательной и стимулирует ее внедрение во всем мире.
“Зеленые” станции вместо атомной
Власти Японии решили превратить префектуру Фукусима на восточном побережье острова Хонсю в центр возобновляемой энергетики. Напомним, 11 марта 2011 г. у восточного побережья Хонсю произошло землетрясение магнитудой в девять баллов; оно спровоцировало цунами, которое затопило морской водой атомную электростанцию “Фукусима-1” и вызвало самую страшную ядерную катастрофу после Чернобыля. Как сообщила 10 ноября 2019 г. токийская газета Nikkei Asian Review, на сельскохозяйственных угодьях Фукусимы, которые больше не могут обрабатываться, и в горных районах, откуда продолжается отток населения, планируют построить 11 солнечных и 10 ветряных электростанций, а также линии электропередач для подключения этих станций к сети Tokyo Electric Power Co, по которой генерируемая энергия будет доставляться в Токио.
Проект должен быть реализован до марта 2024 г. Его стоимость составит 300 млрд иен, или $2,75 млрд. Государственный банк развития Японии и частный кредитор Mizuho Bank входят в группу финансистов, которые подготовили кредитную линию для покрытия части стоимости строительства.
АЭС “Фукусима-1” имела мощность почти 4700 МВт. После аварии началось интенсивное освоение возобновляемых источников энергии на территории префектуры, включая энергию солнца, ветра, воды, биомассы и геотермальную энергию. В 2012 г. мощность “зеленой” энергетики на Фукусиме составила 400 МВт, в 2016-м – уже 1000 МВт, в 2018-м – почти 1500 МВт (из них 836 МВт обеспечили солнечные электростанции), или около 40% всего энергопотребления префектуры. Ожидаемая мощность 21 новой станции оценивается примерно в 600 МВт. Власти Фукусимы поставили цель обеспечить к 2040 г. энергоснабжение префектуры на 100% из возобновляемых источников.
Источник: https://www.dsnews.ua
