Сегодня во всем мире активно развивается «зеленая» энергетика. Уверенность в том, что возобновляемые источники энергии способны разрешить ряд проблем, связанных с энергетической безопасностью, и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, заставляет правительства многих стран оказывать поддержку ВИЭ на законодательном уровне, вызывая тем самым падение цен и рост рынков.
По итогам 2018 года в России на долю выработки электроэнергии тепловыми электростанциями приходится около 64%. 17% генерируют ГЭС и 19% – АЭС. Доля возобновляемых источников энергии в балансе электроэнергии в ЕЭС страны ничтожно мала – 0,09%.
Российская Федерация обладает крупнейшими в мире запасами природного газа и вторыми по величине залежами угля. Изобилие и дешевизна ископаемого топлива в сумме с высокой стоимостью локализованного оборудования препятствуют активному внедрению генерации на базе ВИЭ.
В мире на фоне жесткой конкуренции ВИЭ-технологии постоянно развиваются, их стоимость снижается. В 2018 году в странах Европы ВЭС и СЭС, а также генерация энергии из твердой биомассы существенно потеснили уголь в структуре выработки электричества. Особенно ярко этот процесс выражен в энергосистемах Великобритании, Германии и Франции.
В то же время генерация гидроэлектростанций вернулась к своему обычному уровню, что позволило снизить объем выработки энергии из природного газа. В итоге выработка электроэнергии на основе угля в Евросоюзе упала на 6%. По сравнению с данными за 2012 год этот показатель сократился на 30%.
По результатам исследования энергетики ЕС, проведенного центрами Agora Energiewende (Германия) и Sandbag (Великобритания), в 2018 году доля ВИЭ в генерации составила 32,3%. Это на 2,3% больше, чем было зафиксировано по итогам 2017-го.
В минувшем году генерирующие мощности солнечной энергетики увеличились на 10 ГВт. По оценкам аналитиков, это самый стремительный рост за последние несколько лет. На долю стран Евросоюза приходится около 10% мощности мирового рынка.
Доля европейских солнечных электростанций в выработке электроэнергии составила 3,9%. Однако в некоторых странах Европы этот показатель существенно выше. Например, в Германии выработка СЭС достигает 7%, в Греции составляет около 8%, в Италии – 9%.
По самым оптимистичным прогнозам, к 2022 году годовой ввод новых мощностей может вырасти до 30 ГВт. Наметившуюся тенденцию эксперты объясняют снижением стоимости модулей: в 2018 году они были на 29% дешевле, чем годом ранее.
ВИЭ-технологии из небольших и перспективных постепенно превращаются в ключевые направления развития мировой энергетики. Об этом свидетельствует динамика ввода в действие новых мощностей и суммы привлекаемых инвестиций. При планировании дальнейшего развития российской энергетики эти тенденции необходимо учитывать.
Топ солнечных технологий будущего
Мировая промышленность в сфере солнечных технологий ориентирована на международные тарифы и решение Китая сократить субсидии для солнечной фотоэлектрической промышленности, чтобы заставить ее конкурировать с углём без государственной помощи.
По оценкам аналитиков, в краткосрочной перспективе это может привести к перенасыщению рынка, сокращению рентабельности отрасли и повышению важности технологического превосходства.
Некоторые из наиболее значимых достижений в области солнечных технологий получаются из улучшенных материалов, которые эффективнее преобразуют энергию солнечного света в электричество.
Сегодня около 70% фотоэлектрических панелей изготавливаются из кремния. Этот материал широко распространен, однако в его составе присутствует множество различных примесей. Их надо удалить, чтобы материал стал пригодным для производства солнечных батарей. Для этого кремний расплавляют и очищают от примесей. Чем качественнее выполнена очистка, тем выше КПД фотоэлектрических систем.
Существует несколько методов получения кремния. Например, монокристаллический материал получают при выращивании природного цельного кристалла из расплавленной кремниевой массы с помощью затравочного кристалла. В дальнейшем образованный монолит режется на тонкие пластины, которые используются для производства батарей. Это сложный, финансово затратный процесс, но при этом получается более качественный материал.
Производство поликристаллического кремния требует меньших капиталовложений, поскольку технология допускает содержание в составе материала некоторой доли примесей, да и сам процесс проще. Из расплавленной массы выделяются пары кремния, которые охлаждают, осаждают и таким образом получают пластины для фотоэлектрических элементов.
Кремниевые пластины из поли- и монокристаллов имеют общий недостаток – они неэластичные, поэтому поглощают солнечные лучи менее эффективно, чем хочется потребителям. В ходе экспериментов был изобретен новый аморфный кремний. Пластины из такого материала тоньше, они хорошо выгибаются, что повышает уровень светопоглощаемости.
Для повышения КПД в кремний добавляют различные химические элементы, которые создают пленку. Это позволяет увеличить срок службы панелей и использовать минимальное количество солнечного света максимально эффективно. С развитием технологий стоимость кремниевых панелей снижается, а эффективность, напротив, увеличивается.
Осенью 2019 года холдинг «Росэлектроника» поставил в Тыву солнечные панели российского производства, изготовленные на базе кристаллического кремния. Фотоэлектрические модули отличаются высокой прочностью, они защищены от механических повреждений при эксплуатации в сложных погодных условиях.
В составе материала, из которого изготовлены солнечные батареи, содержится низкий процент оксидов железа. Кроме того, на поверхности модулей создан специальный рельеф, а покрытие панелей отличается высокой теплопроводностью. Все это обеспечивает повышенную генерацию энергии. Мощность каждого фотоэлектрического преобразователя составляет 270 Вт.
Солнечные батареи высокой мощности могут быть использованы в системах освещения автодорог и пешеходных переходов, при возведении крупных сетевых станций, монтаже охранных и навигационных систем, в агропромышленном комплексе для организации работы оросительных систем и электропитания ограждений.
Фотоэлектрические модули оснащены разъемами и кабелями, которые существенно упрощают процесс монтажа, сокращают затраты при установке и обеспечивают повышенную безопасность при использовании.
Однако рынок солнечной энергии может стать еще перспективнее, благодаря внедрению новых системных конструкций и материалов:
- Двухсторонние солнечные панели. Изобретение панелей с двусторонним модулем стало настоящей находкой. Особенность их конструкции заключается в том, что, в отличие от стандартных батарей с алюминиевой основой, здесь алюминий отсутствует. Это позволяет полностью открыть полупроводниковый материал, генерирующий энергию от поступающего с обеих сторон света. Стоимость двусторонних фотоэлементов выше. Сегодня разработчики ищут варианты для удешевления конструкции.
Первые модели солнечных панелей увеличивали производительность конструкции всего на 10%. Это происходило за счет отражения солнечных лучей от поверхности земли и попадания их на нижнюю часть батареи.
В дальнейшем конструкция фотоэлементов была изменена. Разработчики выпустили на рынок инновационные панели на базе двухстороннего модуля. Панель покрыта двойным изолирующим стеклом, которое увеличивает срок эксплуатации до 30 лет. Следовательно, они работают намного дольше своих предшественниц.
Кроме того, повысился КПД панели. Система поглощает свет солнца лицевой и тыльной стороной. В результате эффективность элементов на 22–30% превышает выработку энергии односторонними панелями.
С целью получения отраженного света от тыльной стороны панели батареи устанавливают на расстоянии 20–50 см от опорной поверхности. По сути, это самый простой метод, который обеспечивает доступ солнечного света к обратной стороне элемента. Для большей эффективности опора может быть окрашена в белый цвет.
Вертикальная установка удобна тем, что нуждается в меньшей площади. Благодаря этой особенности сельскохозяйственные земли могут беспрепятственно использоваться по назначению.
При горизонтальном расположении под солнечными панелями можно разместить систему трекинга солнечной энергии с полярной осью. Система отражает солнечные лучи на обратную сторону фотоэлектрических преобразователей. К числу преимуществ такого метода можно отнести отличное охлаждение модулей, что минимизирует потери энергии.
Максимально эффективно функционируют панели с высоким коэффициентом прозрачности материала, установленные с обеих сторон фотоэлемента. Некоторые разработчики используют для этого тончайшее стекло. Однако это делает батарею хрупкой, да и сама технология довольно-таки дорогостоящая.
Также может быть использована ТРТ-пленка. Ее сильными качествами являются прозрачность и более высокая прочность, чем у стеклянных поверхностей. Однако она менее устойчива к ультрафиолетовому излучению.
- Перовскитовые материалы. Это относительно новая солнечная технология, которая активно завоевывает рынок. Во-первых, перовскитовые панели выгодно отличаются от кремниевых по цене. Во-вторых, батареи на базе кремния при толщине в 180 мк поглощают такое же количество света, сколько перовскит толщиной всего в 1 мк. В-третьих, спектр преобразуемого в электроэнергию света у перовскита на порядок выше.
Основным фактором, который несколько лет сдерживал активное внедрение новой технологии, являлась низкая надежность материала. Первые модели солнечных панелей с перовскитовой структурой оказались недолговечными, они разрушались под действием влаги и ультрафиолетового излучения.
Однако недавно исследователям из Японии удалось найти способ, который позволяет устранить этот недостаток. Ученые выяснили, что производительность перовскитовых батарей снижается из-за разрушения диоксида титана, входящего в состав материала. Это соединение заменили диоксидом олова и оптимизировали способ нанесения этого состава.
В результате был получен перовскитовый модуль, который служит в три раза дольше. Кроме того, его производительность превысила 20%, а возможности масштабирования были продемонстрированы с помощью покрытия рабочей поверхности модулями размером 50*50 мм. Масштабированный блок показал конверсию более 12%.
Существуют и другие способы преодоления недолговечности материала, к примеру, совмещение перовскитов с кремнием. Такую тандемную ячейку представил стартап под названием Oxford PV. Эффективность нового материала составляет 27,3%. В настоящее время новинка тестируется.
- Квантовые технологии еще далеки от совершенства, но могут стать прорывными. Квантовые точки – это наночастицы полупроводниковых материалов. Они настолько миниатюрные, что в тысячи раз тоньше волоса человека.
Крошечный размер нанопроводников позволяет настраивать их в соответствии с солнечным спектром. Это означает, что эффективность фотоэлементов с квантовыми точками может достигать 70% по сравнению с 26% для односоставных кремниевых панелей.
У квантовых точек есть одно весомое преимущество: они могут вырабатывать электроэнергию даже в тёмное время суток. Это объясняется возможностью настройки на инфракрасные длины волн в дополнение к видимым длинам световых волн.
Тернистый путь к совершенству
Создание двойных фотоэлектрических панелей с прозрачной и одновременно поглощающей солнечный свет поверхностью, где нижняя поглощающая часть изготовлена из обычного кристаллического кремния, является одной из наиболее востребованных технологий.
Модули способны поглощать свет в более широком диапазоне волн, что делает их более эффективными. Однако процесс изготовления таких солнечных панелей требует существенных капиталовложений, которые в тысячи раз выше, чем стоимость производства обычных однослойных кремниевых фотоэлементов.
Опытные образцы двухслойных панелей выпускают с внешним прозрачным слоем, изготовленным из арсенида галлия – химического соединения на основе галлия и мышьяка. Эффективность таких солнечных модулей достигает 30-40%, что в два раза больше, чем эффективность однослойных фотоэлементов на основе кремния.
Однако для массового производства такая технология признана экономически невыгодной. Она слишком дорогостоящая. Снизить себестоимость модуля пытаются исследователи из транснациональной корпорации Toshiba. Они создали двойную солнечную панель с аналогичным показателем эффективности (30–40%), однако на базе оксида меди (I) (Cu2O) – твердого вещества красно-бурого цвета, не растворимого в воде и органических растворителях.
При помощи сложной технологии специалистам компании удалось нанести тонкий слой светопоглощающей пленки закиси меди на обычную кремниевую панель. Сложность процесса состоит в необходимости предельно точно дозировать массу подаваемого кислорода. При малейшем нарушении пропорций на выходе может получиться как обычный оксид меди, так и чистая медь.
При скрупулезном соблюдении технологии производства на поверхности элемента образуется тончайшая пленка с прозрачностью 80%. Таким образом, электрическую энергию из солнечного света будет генерировать как верхний слой из закиси меди, так и нижний, изготовленный из обычного кремния. Потеря излучения составляет 20%.
На протяжении ближайших трех лет корпорация Toshiba планирует усовершенствовать технологию изготовления двойных солнечных модулей с верхним слоем из Cu2O, чтобы довести ее до коммерческого уровня. Ожидается, что в результате дальнейших разработок и инноваций эффективность фотоэлементов останется в пределах 30–40%, однако стоимость производства будет существенно снижена.
Передовые световые технологии от уральских ученых
Научная группа Уральского федерального университета разработала и протестировала в лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» новый модифицированный материал, который может быть использован в производстве промышленных кремниевых фотоэлектрических панелей.
Материал создан на базе 17 редкоземельных элементов. В его состав входят такие химические вещества, как скандий, иттрий, лантан, лантаноиды и рад других. При определенном методе модификации оптических свойств этих элементов существенно повышается КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.
По оценкам экспертов, благодаря инновационному материалу коэффициент полезного действия может на 20% превысить аналогичный показатель существующих моделей.
В ходе исследований ученые разработали прототип модифицированной солнечной ячейки, которая содержит поглощающий слой из наночастиц редкоземельных оксидов. Эта особенность конструкции позволит задействовать дополнительную часть спектра солнечного света с ультрафиолетовым излучением. Именно это и обеспечивает рост эффективности преобразования на 20%.
Ученые УрФУ, задействованные в этом проекте, войдут в состав Уральского Научно-образовательного центра (НОЦ) «Передовые промышленные технологии», который создан в рамках национального проекта «Наука».
НОЦ объединит потенциалы образовательных и научных организаций, предприятий и компаний реального сектора экономики Свердловской, Челябинской и Курганской областей в проведении прикладных научных исследований и разработок мирового уровня, получении конкурентоспособных технологий и их последующей коммерциализации. Уже здесь, в сотрудничестве с коллегами, уральские ученые продолжат работу по усовершенствованию технологии и приступят к разработке готовой версии, соответствующей заявленным характеристикам.
Ловец снов электронов
Группа ученых из Университета Гронингена (Нидерланды) и Наньянского технологического университета (Сингапур) разработала инновационную технологию, которая позволяет улавливать дополнительные электроны, обычно теряющиеся полупроводниками в процессе преобразования энергии солнца в электричество. В результате это открытие может повысить эффективность фотоэлектрических модулей на 25–30%.
Эксперты из Международного агентства по возобновляемым источникам энергии утверждают, что к 2050 году солнечная генерация станет вторым по значимости источником электроэнергии в мире. Пальму первенства они пророчат ветроэнергетике.
По оценкам аналитиков, использование энергии на базе ВИЭ в сочетании с энергоэффективными технологиями позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 70% (от уровня 2020 года).
Солнечные технологии активно развиваются, некоторые виды фотоэлектрических элементов также стремительно дешевеют. Тем не менее ученые не прекращают поиск более эффективных технологий и трудятся над усовершенствованием действующих.
Современные модели кремниевых модулей в ходе лабораторных испытаний демонстрируют максимальную эффективность в 26,7%, в то время как коэффициент полезного действия тандемных элементов, способных улавливать свет различного спектра, составляет 46%.
Одной из перспективных наработок специалисты называют возможность применения воды, которая используется для охлаждения солнечных модулей. В процессе охлаждения фотоэлементов она нагревается и может быть использована в качестве теплоносителя для систем отопления помещений.
Кроме того, открытие ученых может стать важным импульсом для дальнейшего совершенствования конструкции двухсторонних панелей.
В традиционных фотоэлектрических модулях полупроводниковые материалы улавливают фотоны и преобразуют их в электричество. Но эти частицы несут очень малый заряд энергии. Они просто просачиваются через материал. Если поток энергии достаточно интенсивный, полупроводник не в состоянии преобразовать ее в полном объеме.
Эти фотоны производят «горячие электроны». Их избыточная энергия утрачивается в виде тепла. Идеальные фотоны определяются шириной зазора, разницей энергетических уровней между самой высокой занятой молекулярной орбиталью и самой низкой свободной молекулярной орбиталью.
Оптимальным способом сбора максимального количества фотонов является создание более широкого зазора в диапазоне частот. Для этого идеально подходят перовскитовые материалы.
Исследователи взяли полупроводник из органо-неорганического гибрида перовскита в паре с органическим соединением батофенантролин, ускорили электроны лазером и изучили их поведение. В ходе эксперимента удалось выяснить, что органическое соединение действительно поглощает горячие электроны.
На следующем этапе ученым предстоит создать реальное устройство на базе экспериментального прототипа. Если они докажут, что открытие можно использовать в производстве солнечных модулей, эффективность фотоэлементов может существенно увеличиться.
Закрома для электроэнергии
На сегодняшний день проблема накопления энергии остается одной из наиболее актуальных для всей мировой энергетики. Возобновляемые источники энергии нередко отличаются неравномерностью генерации, которая зависит от наличия и интенсивности солнца, ветра, водных потоков, приливов и т. п. Дефицит экономически эффективных технологий хранения энергии существенно ограничивает возможности трансформации сектора ВИЭ.
18 октября специалисты компании «Системы накопления энергии» (проект АО «Роснано») совместно с учеными НГТУ НЭТИ ввели в действие первые в России интеллектуальные накопители электроэнергии большой мощности.
Аккумуляторы установлены в селах Мугур-Аксы и Кызыл-Хая Монгун-Тайгинского района Республики Тыва. Два устройства общей мощностью 710 кВт*ч запущены в работу в составе автономных гибридных энергетических установок.
Накопители не просто аккумулируют энергию, чтобы потом выдавать ее в сеть. Они самостоятельно решают, когда и в каком объеме это сделать. Окончательное решение зависит от поставленных задач. По сути, «умные» аккумуляторы – это автоматизированная система, которая исключает риск человеческой ошибки.
Накопитель помогает решить ряд важных задач:
- Обеспечение количества и качества электрической энергии в системе электроснабжения автономной гибридной электростанции;
- Компенсирование неравномерности генерации электричества СЭС;
- Оптимизация потребления дизтоплива.
На сегодняшний день основными потребителями таких аккумуляторов являются изолированные энергосистемы, функционирующие с использованием ВИЭ, а также энергетические системы, отличающиеся резкопеременным графиком нагрузки. Ключевое преимущество накопителей заключается в наличии электронной схемы управления и программ, которые позволяют управлять режимами работы без участия персонала.
На данный момент накопители большой мощности на территории Российской Федерации не выпускаются. Их производит всего лишь несколько компаний в мире. По оценкам специалистов, отечественная разработка дешевле, чем продукция зарубежных конкурентов. Кроме того, российский аккумулятор более «умный» и быстродействующий за счет инновационного программного обеспечения.
В отличие от накопителей других производителей, чьи продукты могут только аккумулировать энергию в период избытка и выдавать ее во время дефицита или пиковых нагрузок, разработка ученых из НГТУ НЭТИ способна анализировать много других параметров. Это позволяет улучшить качество тока, что существенно повышает срок службы электрооборудования.
Сейчас на базе НГТУ НЭТИ проходит серию испытаний новая разработка новосибирских ученых. По сути, это накопитель нового поколения с элементами искусственного интеллекта. Его функционал позволяет анализировать уровень освещённости фотоэлектрических панелей СЭС и в автоматическом режиме выбирать оптимальный режим работы энергообъекта.
Установка накопителей энергии помогает решить ряд насущных проблем в энергетике:
- Повышение эффективности и надежности электроснабжения конечных потребителей.
- Повышение качества электроэнергии.
- Снижение износа электрических сетей и электрооборудования.
- Обеспечение выдачи дополнительной энергии в сеть во время пикового потребления или при наличии дефицита электричества.
На первых аккумуляторах российского производства установлены батареи, изготовленные ООО «Лиотех» (проект АО «Роснано»). Разработчики накопителей заверили, что в результате серии испытаний аккумуляторы «Лиотех» подтвердили наличие заявленных производителем технических характеристик.
Сегодня специалисты компании «Системы накопления энергии» работают над созданием двух систем хранения энергии мощностью по 2 МВт энергоемкостью 4 МВт*ч. На данный момент это самые крупные модели аккумуляторов из всех, что когда-либо создавались на территории Содружества Независимых Государств. Ожидается, что они будут переданы в распоряжение заказчика до конца нынешнего года.
В перспективе эти системы накопления и хранения электричества могут быть установлены на более мощных солнечных электростанциях, чем те, что функционируют в Республике Тыва.
В случае высокого спроса на аккумуляторы большой мощности специалисты ООО «Лиотех», компании «Системы накопления энергии» и НГТУ НЭТИ готовы создать новосибирский кластер накопителей энергии. В этом кластере каждой компании отводится своя роль.
Например, завод «Лиотех» берет на себя поставку аккумуляторных батарей. Поставщиками суперконденсаторов станут отечественный разработчик систем хранения и накопления электрической энергии ООО «ТЭЭМП» и АО «Новосибирский завод радиодеталей «Оксид». Специалисты из НГТУ НЭТИ будут сконцентрированы на разработке новых систем и возьмут на себя научное сопровождение производства.
В общей сложности в работу кластера могут вовлечены более 20 производственных предприятий Новосибирска. Это позволит использовать в производстве накопителей около 95% комплектующих узлов и деталей российского производства.
Мобильность как преимущество
Специалисты группы компаний «Хевел» в сотрудничестве с инженерами из инжинирингового центра «Кинетика» НИТУ «МИСиС» и Научно-производственного объединения «Победа» представили новую разработку. Речь идет об автономной мобильной энергоустановке, которая работает от энергии солнца и позволяет в течение 50 часов непрерывно обеспечивать энергией потребителей в труднодоступных районах, горах или компенсировать отсутствие электричества в местах аварий.
Новая установка – это передвижной комплекс, изготовленный на базе итальянского прицепа Comet Officine X Trailer, оснащенного складными солнечными модулями мощностью 1,8 кВт и управляющей электроникой. При складывании панели располагаются тремя парами друг над другом параллельно земле.
Для работы в темное время суток прицеп оснащен аккумуляторными батареями емкостью 19,2 кВт*ч, которые при пиковой выработке фотоэлектрических преобразователей заряжаются менее чем за 10 часов.
Кроме того, на корпусе мобильной энергоустановки установлены:
- Осветительная мачта;
- шесть LED-модулей;
- три прожектора для освещения пространства вокруг прицепа на 360°.
Все элементы установки изготовлены из высококачественных материалов, что позволяет использовать ее в зонах с суровым и холодным климатом.
Следует отметить, что ранее аналогичные решения уже были представлены другими производителями. Некоторые модели созданы в аналогичном формате – на базе прицепов, а некоторые разработаны на базе стандартного ISO-контейнера, адаптированного для установки на разные виды транспорта.
Уникальность автономной энергоустановки на базе Comet Officine X Trailer заключается в использовании высокоэффективных солнечных панелей отечественного производства. КПД этих модулей составляет 23%. Это позволяет максимально быстро зарядить аккумуляторы и обеспечить качественное бесперебойное электроснабжение, не расходуя для этого дизельное топливо.
Не менее важным отличием эксперты называют высокую проходимость прицепа. Надежные шасси, высокое качество деталей, наличие пневмоподвески и использование в производстве современных технологий позволяют быстро перемещаться по сложному рельефу местности и доставлять электроэнергию в самые труднодоступные места.
Существуют и другие проекты мобильных электростанций. Например, плавучий энергоблок «Академик Ломоносов» мощностью 70 МВт, строительство которого длилось более 10 лет, отправлен на Чукотку. В декабре он начнет генерировать электрическую энергию в составе плавучей атомной теплоэлектростанции, заменив выбывающие мощности Билибинской АЭС и Чаунской ТЭЦ.
«Академик Ломоносов» – это несамоходное судно с двойным дном и бортами. В носовой и средней части установлены судовые реакторы КЛТ-40С, которые используются на атомных ледоколах «Таймыр» и «Вайгач». На корме живет персонал. Плавучий энергоблок станет самой северной атомной электростанцией в мире и будет обеспечивать энергией отдаленные регионы, где строительство обычной АЭС нерентабельно.
Солнечная панель + проточная батарея = эффективность
Разработчики из Соединенных Шатов и Саудовской Аравии на основе фотоэлектрических преобразователей и проточной батареи создали устройство-гибрид. От прототипов, созданными другими производителями, его отличает более высокая эффективность. После зарядки аккумулятор способен отдать более 14% энергии, попавшей на солнечный модуль. Это самый высокий показатель среди подобных устройств.
Некоторые инженеры в своих разработках роль накопителя энергии отдают не традиционным литий-ионным аккумуляторам и их аналогам, а проточным батареям – гальваническим элементам, в которых катод и анод находятся в жидкой форме внутри отдельных цистерн и подаются в общий бак, разделенный ионопроницаемой мембраной.
Такие аккумуляторные батареи имеют ряд ощутимых преимуществ:
- Больший срок эксплуатации.
- Более простое масштабирование, что позволяет использовать их с большим количеством фотоэлектрических панелей.
- Более высокий уровень безопасности. В таких батареях электрохимические процессы происходят только на небольшом участке, который отделен от баков электролитами. В случае поломки или какой-либо другой неисправности поток электролита можно оперативно остановить и тем самым предотвратить неконтролируемый выброс большого количества энергии.
Сегодня уже существуют прототипы гибридных устройств. Однако с момента попадания солнечных лучей на панель до момента выдачи электроэнергии из проточной батареи фиксируются колоссальные потери энергии. Поэтому эффективность таких моделей крайне низкая.
Группа ученых во главе с Сун Цзинем из Висконсинского международного университета разработала и воплотила в жизнь более эффективное устройство. Оно способно выдавать более 14% энергии, попавшей на фотоэлектрический преобразователь.
Конструкция этого устройства состоит из нескольких компонентов. В верхней части разработчики установили солнечный модуль. Под ним оставили место для активной зоны проточной батареи, которая состоит из двух резервуаров, разделенных мембраной. Ко всем элементам гибрида исследователи подсоединили блок управления. Его функционал позволяет переключать режимы и управлять работой устройства.
В процессе эксплуатации, благодаря действию помп, оба электролита перемещаются по трубкам. Принцип работы устройства основан на том, что в составе электролитов используется пара веществ, которые могут менять заряд. В зависимости от электродов, используемых в тот или иной момент времени, внутри устройства происходят различные электрохимические процессы, связанные с восстановлением или окислением одного или обоих компонентов.
В ходе испытаний разработчики выяснили, что батарея способна создавать напряжение 1,25 В, а КПД солнечного модуля достигает 26,1%. Замеры эффективности устройства, проводившиеся на протяжении 10 циклов заряда аккумулятора с помощью фотоэлектрического элемента, продемонстрировали показатель на уровне 14,1%.
Попутного ветра!
У большинства людей ветроэнергетика ассоциируется исключительно с большими ветряными установками – высокими мачтами, на которых вращаются огромные лопасти. Но в действительности существует масса способов генерации энергии из ветра с помощью установок другого типа. Общее у них только одно – рабочей силой является движение воздушных масс.
Из года в год популярность ветрогенераторов растет. Этому способствует экологичность технологии и наличие природных ресурсов, не требующих затрат на их получение: ветер бесплатен. Помимо этого на рынке представлен широкий выбор контроллеров энергии, обеспечивающих работу ветровой установки даже при слабом ветре. К тому же при желании можно установить ветряк с автоматически изменяющимся углом атаки лопастей, реагирующим на направление и силу ветра.
Сегодня существует три основных типа конструкции ветряных электростанций:
- Пропеллерные ВЭС. В таких установках вал расположен горизонтально относительно направления движения воздушного потока. Они оснащены стабилизатором, который находится на тыльной стороне ветрового колеса и служит для перемещения конструкции по ходу ветра. Этот вариант считается наиболее экономичным из всех известных технологий. В пропеллерных ветроустановках скорость вращения зависит от количества лопастей. В большинстве моделей их три. КПД пропеллерных ВЭС достигает 48%. К тому же они абсолютно бесшумные (уровень шума при работе установки не превышает 20 Дб).
- Барабанные ВЭС.
- Карусельные ВЭС.
В барабанных и карусельных ветряных электростанциях вал вращающей лопасти расположен в вертикальной плоскости. Эти типы ВЭС используются в тех случаях, когда направление ветра не имеет значения. Вращающий момент у таких аппаратов выше, чем у пропеллерных установок. Но при этом коэффициент полезного действия значительно ниже. Как правило, он не превышает 10-15%.
Нормальная работа таких ВЭС возможна при условии, что среднегодовая скорость ветра в месте их установки составляет более 5 м/с, а поблизости нет высоких строений или зеленых насаждений, снижающих скорость потока воздушных масс.
Основная проблема ветряной энергетики заключается в непостоянстве энергоносителя. ВЭС напрямую зависят от ветра. Следовательно, в работе электрооборудования, питающегося исключительно за счет энергии ветряных электростанций, возможны перебои. Положение усугубляется еще и тем, что ветер может как приносить пользу, так и причинять вред. Нарастание силы воздушного потока способно вывести установки из строя.
В случае постройки крупных ветряных станций необходимы большие по площади территории. Помимо этого стартовые капиталовложения и дальнейшая эксплуатация установок достаточно затратны, поскольку для хранения энергии в условиях неравномерной генерации необходимы накопители.
Несмотря на некоторые недостатки, ВЭС хорошо зарекомендовали себя в регионах, где отсутствует основное электроснабжение при условии достаточной силы ветра (среднегодовая скорость ветра должна быть не менее 3 м/с). Ветроустановки просты в конструкции и экономичны, а технология генерации энергии из ветра не причиняет вреда экологии. Кроме того, в качестве еще одного весомого аргумента в пользу ВЭС можно назвать доступность и независимость энергоносителя от цен на топливо.
Лидирующие позиции как по производству, так и по строительству ВЭС занимает Германия. Страна готова отказаться от атомной энергетики и существенно сократить долю угольной. Евросоюз вообще активно внедряет ВИЭ-технологии. По прогнозам аналитиков компании Bloomberg New Energy Finance, к 2050 году в Европе около 92% электрической энергии будут вырабатывать ВИЭ.
В Азии признанным лидером по размеру инвестиций в экологически чистые технологии является Китай. И несмотря на то, что энергетика страны еще во многом зависит от угля, ВИЭ составляют значительную долю ее энергобаланса. В 2016 году Китай ввел в действие 77 ГВт солнечных и 149 ГВт ветровых электростанций. Эксперты прогнозируют, что к 2022 году на долю этой страны в мировом объеме «зеленой» генерации будет приходиться 42% солнечной, 35% гидро- и 40% энергии ветра.
Программа строительства в Китае предусматривает обязательный монтаж ветряков при возведении новых зданий. Безусловно, это в первую очередь касается традиционных ветровых установок. Но рынок постоянно развивается, и среди огромного количества вариантов есть и такие, что совершенно не вписываются в обычные представления.
Например, французские исследователи создали модель искусственного дерева, способного вырабатывать электричество из энергии ветра. Устройство генерирует электроэнергию даже при минимальном движении воздушных масс.
Автор изобретения Жером Мишо-Ларивьер признается, что придумал это устройство в тот момент, когда слушал шелест листьев в безветренную погоду. Искусственное дерево снащено множеством небольших пластин в форме скрученных листьев, которые и вырабатывают электричество из энергии ветра. При этом направление воздушного потока не имеет никакого значения. Одним из основных преимуществ изобретения является отсутствие шума при работе.
Wind Tree установлено в коммуне Плюмер-Боду на северо-западе Франции. На создание прототипа высотой 8 м разработчикам потребовалось три года. Энергогенерирующее дерево эффективнее традиционных ветрогенераторов, поскольку вырабатывает энергию при скорости ветра всего 4 м/с.
В перспективе ноу-хау французского инженера может быть использовано для питания уличных светильников или зарядных станций для электромобилей. В дальнейшем конструкцию планируют модернизировать, чтобы подключать к «умным» энергоэффективным зданиям.
Жером Мишо-Ларивьер считает, что у идеальной установки Wind Tree листья должны быть изготовлены из натуральных волокон, кора – из солнечных панелей, а корни выполняются в виде геотермального генератора.
«Слабым звеном» быстроразвивающегося рынка оборудования для ветроэнергетики можно назвать физические элементы ветряков. Как правило, все современные лопасти изготавливаются из нефтяных смол и в конечном итоге отправляются на свалку.
С ростом количества действующих ветряных станций увеличивается количество использованных лопастей. Чтобы сделать технологию производства комплектующих для ВЭС более эффективной, исследовательская группа UMass Lowell получила грант на разработку биоразлагаемых лопастей. С этой целью ученые планируют использовать полимерные материалы на биологической основе. Например, растительное масло.
В качестве альтернативного варианта решения этой задачи рассматривается возможность замены нефтяных смол более устойчивыми материалами. Открытым остается вопрос: удастся ли «зеленым» лопастям эффективно работать в непростых погодных условиях и при этом оставаться конкурентоспособными по цене.
Использование биоразлагаемых лопастей сделает индустрию еще более экологически чистой за счет сокращения отходов.
Развитие ветроэнергетики экономически оправданно и для России. Особенно актуальным этот сектор ВИЭ-технологий может стать для труднодоступных районов страны, изолированных от единой энергосистемы, где электричество генерируют только с помощью дизельных генераторов.
Надежность энергоснабжения удаленных энергорайонов можно повысить за счет создания гибридных установок «ветер-дизель». Кроме того, такая технология позволит оптимизировать расход дизельного топлива. По оценкам аналитиков, одним из лидеров в освоении энергии ветра может стать Дальний Восток. На его долю приходится около 30% ветрового потенциала России.
Второй в списке потенциальных претендентов на освоение энергии ветра числится Камчатка. Здесь насчитывается множество населенных пунктов, окруженных тайгой и бескрайней тундрой. Энергетика этих территорий представлена автономными источниками генерации, изолированными от крупных энергообъектов и ЕЭС России.
По данным «Роснано», до 2024 года в развитие ВИЭ-технологий и внедрение возобновляемой генерации в РФ будет инвестировано около 640 млрд руб.
Альтернатива традиционным лопастям
Традиционные ветрогенераторы открытого типа с большими лопастями отличаются высоким уровнем потенциальной опасности для птиц, летучих мышей и в какой-то степени для людей. Поэтому ВЭС и располагаются преимущественно на расстоянии от населенных пунктов и жилых кварталов мегаполисов. Согласно правилам установки, в пределах десяти диаметров от ветроустановки должно быть свободное пространство.
Специалисты компании из Санкт-Петербурга Optiflame Solution, которая в рамках инновационного центра «Сколково» реализует проект по созданию нового поколения малых и средних ветряных генераторов закрытого типа, разработали модель, предназначенную для установки в черте города. Новый ветряк избавлен от недостатков, свойственных установкам открытого типа.
«Городская» ветроустановка визуально напоминает турбину самолета. Компактные размеры позволяют устанавливать ее на крышах жилых домов и коммерческих зданий. Вместо традиционного двух- или трехлопастного вентилятора в конструкцию ветроустановки входит осевая турбина с 32 лопатками, которые существенно меньше традиционных лопастей.
Эта особенность позволила снизить стоимость производства ветряка и повысила его КПД. В результате компания представила ветрогенератор с рекордно низкой стоимостью выработки 1 кВт*ч.
Установка оборудована внешним направляющим аппаратом, который служит защитой от птиц. Кроме того, она имеет внешний и внутренний обтекатели, защищающие людей, животных и находящиеся поблизости предметы от обломков лопастей (в случае их разрушения). Высокая скорость вращения вентилятора позволяет избегать инфразвуковых колебаний, которые могут причинить вред здоровью.
По оценкам экспертов, эта модель ветрогенератора необычайно эффективна. Во-первых, она может быть использована в любых климатических условиях. Во-вторых, ветряк работает при порывах ветра при скорости перемещения воздушных масс от 1,8 м/с и бесперебойно функционирует до 25 м/с. Вывод напрашивается сам собой: «городская» ветроустановка закрытого типа удобна, эффективна и полностью безопасна для окружающих.
Разработкой российских специалистов уже заинтересовались власти энергодефицитных районов России и телекоммуникационные компании. Следует отметить, что аналогичные проекты разрабатываются и в других странах. Однако там они в основном существуют в виде эскизов и опытных образцов. К тому же Optiflame Solution делает упор именно на ветровые установки для городской среды.
В будущем именно Россия может сыграть важную роль при переходе от неэкологичных способов генерации энергии к «зеленым». Эксперты говорят о перспективности водородных технологий. В этой сфере уже отмечены интересные наработки.
Например, «Газпром» занимается разработками модификаций природного газа с помощью водорода. Замена 10% углерода водородом позволяет опустить уровень выбросов в атмосферу практически до нуля по всей цепочке: от добычи до потребителя. Эта технология может внести весомый вклад в развитие мировой энергетики.
В целом возобновляемые источники энергии в России должны выступать в роли поддерживающих технологий там, где экономически выгодно – в отдаленных районах и изолированных энергосистемах, где отсутствует доступ к единой энергосистеме.
Будущее за комплексными решениями, где эффективно сочетаются разные виды генерации, экологичность, экономическая эффективность и инновационные технологии. Те производители, которые смогут в числе первых предложить такие варианты решений, займут лидирующие позиции как на внутреннем, так и на внешнем рынках.
