Солнечные технологии сильно изменились с тех пор, как они впервые появились в 1960-х годах. В то время как ранее солнечные фотоэлектрические системы (PV) рассматривались как будущее, сегодня технологические прорывы позволили промышленности достичь огромного роста.
Серия новых разработок в области солнечных фотоэлектрических технологий также обещает способствовать успеху отрасли.
Достижения в области солнечных батарей
Исследователи давно искали пути повышения эффективности и экономичности солнечных элементов – жизненной силы солнечных фотоэлектрических систем. Солнечная фотоэлектрическая матрица состоит из сотен, иногда тысяч солнечных элементов, которые индивидуально преобразуют излучаемый солнечный свет в электрические токи. Эффективность среднего солнечного элемента составляет примерно 15%, что означает, что около 85% солнечного света, попадающего на них, не превращается в электричество. Как таковые, ученые постоянно экспериментируют с новыми технологиями, чтобы усилить этот захват и преобразование света.
Светочувствительные наночастицы. Недавно группа ученых из Университета Торонто представила новый тип светочувствительных наночастиц, называемых коллоидными квантовыми точками, которые, как полагают многие, предложат менее дорогой и более гибкий материал для солнечных элементов. В частности, в новых материалах используются полупроводники n-типа и p-типа, но те, которые действительно могут работать на открытом воздухе. Это уникальное открытие, так как предыдущие конструкции не были способны работать на открытом воздухе и поэтому не практичны для солнечного рынка. Исследователи из Университета Торонто обнаружили, что материалы n-типа связываются с кислородом – новые коллоидные квантовые точки не связываются с воздухом и поэтому могут сохранять свою стабильность снаружи. Это помогает увеличить поглощение лучистого света. Было установлено, что панели, использующие эту новую технологию, на восемь процентов эффективнее преобразовывают солнечный свет.
Арсенид галлия. Исследователи из Университета Имперского колледжа в Лондоне считают, что они обнаружили новый материал – арсенид галлия – который может сделать солнечные фотоэлектрические системы почти в три раза более эффективными, чем существующие продукты на рынке. Солнечные элементы называются «тройными ячейками», и они гораздо более эффективны, потому что они могут быть химически изменены таким образом, чтобы оптимизировать захват солнечного света. В модели используется управляемая датчиком жалюзи, которая может отслеживать солнечный свет, а также световые трубки, которые направляют свет в систему.
Достижения в области накопления энергии
Другой основной задачей ученых является поиск новых способов хранения энергии, производимой солнечными фотоэлектрическими системами. В настоящее время электричество в основном является ресурсом типа «используй его или теряй», в результате чего, как только оно генерируется солнечной фотоэлектрической системой (или любым типом источника топлива), электричество поступает в сеть и должно быть использовано немедленно или потеряно. Поскольку солнечный свет не светит двадцать четыре часа в сутки, это означает, что большинство солнечных фотоэлектрических систем удовлетворяют электрическим потребностям только часть дня – в результате много электричества теряется, если оно не используется. На рынке есть ряд аккумуляторов, которые могут хранить эту энергию, но даже самые высокотехнологичные являются довольно неэффективными; они также дороги и имеют довольно короткий срок годности, что делает их не самыми привлекательными для коммунальных предприятий и потребителей. Вот почему ученые изучают различные способы хранения этого электричества, чтобы его можно было использовать по требованию.
Технология хранения расплавленной соли. Компания под названием Novatec Solar недавно ввела в эксплуатацию многообещающее решение для хранения энергии для солнечных фотоэлектрических систем с использованием технологии хранения расплавленной соли. В процессе используются неорганические соли для передачи энергии, генерируемой солнечными фотоэлектрическими системами, в солнечную тепловую систему с использованием теплоносителя, а не масла, как в некоторых системах хранения. В результате солнечные установки могут работать при температуре свыше 500 градусов по Цельсию, что приведет к гораздо более высокой выходной мощности. Это означает, что затраты на хранение солнечной энергии будут значительно снижены, и коммунальные компании смогут, наконец, использовать солнечные электростанции в качестве установок с базовой нагрузкой, а не для удовлетворения пикового спроса в пиковые дневные часы.
Панель солнечных батарей со встроенной батареей. В рамках проекта, финансируемого Министерством энергетики США, исследователи из Университета штата Огайо недавно объявили, что создали аккумулятор, который на 20% эффективнее и на 25% дешевле, чем что-либо на рынке сегодня. Секрет дизайна заключается в том, что аккумуляторная батарея встроена в саму солнечную панель, а не работает как две автономные системы. Ученые заявили, что, объединив эти две системы в одну, они могут снизить затраты на 25% по сравнению с существующими продуктами.
Достижения в производстве солнечных батарей
Еще одна область, которая делает солнечные фотоэлектрические технологии слишком дорогими по сравнению с традиционными источниками топлива, – это процесс производства. Ученые также сосредоточены на способах повышения эффективности производства солнечных компонентов.
Хлорид магния. В то время как более девяноста процентов солнечных панелей на рынке сегодня состоят из кремниевых полупроводников, ключевой ингредиент для преобразования.
Многие полагают, что солнечные панели следующего поколения будут изготовлены из тонкопленочной технологии, в которой в солнечных элементах используются узкие покрытия из теллурида кадмия – эта технология обещает стать гораздо более дешевым и эффективным способом использования фотоэлектрического процесса. Одним из основных препятствий для тонкопленочных элементов из теллурида кадмия является то, что они становятся очень нестабильными в процессе производства, в котором в настоящее время используется хлорид кадмия. Исследователи разработали новый, безопасный и, казалось бы, недорогой способ преодоления этого препятствия с помощью материала, называемого хлоридом магния, вместо хлорида кадмия. Хлорид магния извлекается из морской воды, богатого ресурса, что делает ресурс очень дешевым, а также нетоксичным. Замена производственного процесса этим материалом обещает повысить эффективность этих солнечных элементов с двух процентов до пятнадцати процентов.
Новые солнечные приложения
Когда большинство людей думают о солнечных фотоэлектрических системах, они думают о них на крышах или устанавливают для использования в промышленных масштабах. Но исследователи изучают ряд нетрадиционных солнечных приложений, которые могут обещать преобразовать отрасль.
Солнечные дороги. Ученые изучают способы на самом деле выровнять шоссе и дороги с помощью солнечных батарей, которые затем будут использоваться для подачи большого количества электроэнергии в сеть. Это помогло бы преодолеть серьезный барьер для промышленного солнечного масштаба, который, по словам противников, угрожает занять слишком много земли. Солнечные дороги уже появились в Нидерландах.
Плавающий Солнечный. Другой способ решения проблем землепользования, связанных с крупномасштабной солнечной энергетикой, – это установка солнечных водорослей на воде, поскольку более 70% поверхности Земли покрыто водой. Некоторые исследователи, в том числе французская фирма Ciel et Terre, экспериментируют с этой технологией. У компании есть проекты, созданные во Франции, Японии, Англии и других странах, а также пилотные проекты, включая проект в Индии и Калифорнии в США.
Космический базирующийся солнечный. Ученые возрождают технологию, которая была впервые испытана более сорока лет назад, в которой космические спутники захватывают солнечный свет и преобразуют его в микроволновую энергию, которая затем излучается обратно на Землю. Этот тип технологии обещает захватывать значительно больше солнечного света (почти на девяносто процентов), поскольку спутники могут быть расположены для оптимизации захвата света круглосуточно. Индия, Китай и Япония вкладывают значительные средства в эти технологии прямо сейчас.
