Солнечные окна изменят мировой рынок

Смогут ли солнечные окна превратить здания в производителей энергии?

Солнечные окна изменят мировой рынок

Огромные площади стекольного покрытия в небоскрёбах и офисных зданиях представляют собой мощный потенциал в качестве превращения их в солнечные панели. Но основной проблемой здесь становится вопрос: могут ли специальные солнечные окна быть недорогими и эффективными для их массового внедрения в нашу жизнь?

Если вы вглядитесь в сверкающие окна американских небоскрёбов, что высятся в наших городах, то тогда становится понятной идея, что использовать эти гигантские стеклянные площади для производства солнечной электроэнергии может быть весьма привлекательным бизнесом. Только в 2009 году 437 млн.

квадратных фунтов оконных поверхностей было установлено в США в нежилых помещениях.

Такое гигантское количество солнечных стандартных панелей (если их ставить вместо стекла), позволили бы производить, по грубым подсчётам, не менее 4 гигаватт электроэнергии, что приблизительно равно всей емкости уже существующих солнечных панелей в США на сегодняшний день.

Этот значительный потенциал подводит инженеров и владельцев предприятий к все более широкому обсуждению идеи по замене стекол на солнечные панели с целью сделать из них некие мини-элетростанции. Так называемые солнечные окна – новый тренд в области, известной как встроенные в здания фото энергетические элементы.

Эта идея зиждется на понимании, что как окна не требуют 100% прозрачности, так и солнечные панели не обязательно должны быть 100% непрозрачными. Сейчас существует несколько способов, как превратить окна в девайсы, производящие электроэнергию, начиная от тончайшей силиконовой пленки и сенсибилизированного красителем солнечного элемента до микроскопических органических фотоэлементов.

Некоторые эксперты полагают, что эта отрасль балансирует на грани исчезновения, и вполне возможно, что миру так и не удастся никогда увидеть небоскрёбы, полностью покрытые солнечными панелями. Но некоторые производители обещают, с другой стороны, организовать массовое коммерческое производство солнечных окон в ближайшие годы.

Болевые точки проекта

Пока еще стоимость и технические трудности, с которыми сталкивается эта новая, «неоперившаяся» технология, возможно, может быть внедрена в лишь возвышающиеся здания заводов, которые не будут производить вредных выбросов.

Как и другие животрепещущие новинки в альтернативной энергетике, солнечные окна могли бы стать опорой экологичного будущего в ближайшие два десятилетия, но, так же они могут оказаться непрактичными и производить лишь малую толику от общей емкости солнечной энергетики.

«Самый важный здесь момент, болевая точка проекта, это возможно ли снижение цены конечного продукта и повышения электропроизводительности новых окон» — говорит известный в этой области специалист Национальной Лаборатории по Возобновляемой Энергии США Сара Куртз из штата Колорадо.

«Существует целый ворох схем развития и стратегий в этом вопросе, и именно креативность становится основной идеей этой игры. Если удастся найти такое решение, благодаря которому солнечные окна стоили бы так же, как и привычные нам обычные стеклопакеты, ну, или чуть дороже, то в таком случае однозначно бы появился смысл действовать. «Заставить» ваши окна производить электричество».

Встроенные в здания солнечные панели продвигаются на рынок медленно, но они уже кое-где «окутывают» стены, кровельное покрытие и прочие части зданий.

Младший аналитик GTM Research господин Шиао, сотрудник аналитического отдела в Кембридже, штат Массачусетс, говорит, что на рынке на данном этапе все еще представлено не более 1% (несколько сотен мегаватт за последний год) солнечной энергии.

В большинстве своем панели устанавливают на крышах зданий по всему миру, а также на чердаках. Окна с функцией выработки электроэнергии представляются более амбициозным и сложным проектом, чем обычные солнечные панели на крышах и стенах, потому что, собственно, люди СМОТРЯТ на мир через окно.

Поэтому сейчас мы можем наблюдать всего несколько примеров небоскребов, где были использованы солнечные окна. Наиболее яркий пример — Willis Tower (в прошлом ее называли Sears Tower) в Чикаго, где в 2011 году были установлены небольшие прототипы солнечных окон.

Не так давно появилось несколько технологий для солнечных окон, но пока они не приобрели большого значения.

Флагманом является одна компания, которая максимально близка к началу коммерческого выпуска продукции, а именно Новые Энергетические Технологии (New Energy Technologies), со штаб квартирой в Колумбии, штат Мэриленд.

Эта фирма разработала особую технологию напыления тончайшего слоя органического клеточного материала на поверхность стекла, прозрачность которого колеблется от 40 до 80 процентов для солнечного света, а остальной свет поглощается покрытием.

Уже подано 10 заявок на патенты. А если еще учесть, что вообще пока нет коммерческих прототипов продукции, то перспективы здесь весьма неплохие и компания раскрыла общественности некоторые детали.

Например, что технология напыления способна снизить стоимость солнечных окон весьма значительно. На данном этапе Национальной Лабораторией Возобновляемой Энергии объявлено о изобретении большого солнечного топливного элемента — площадью 170 кв. см.

, и эта разработка может значительно удешевить солнечные окна.

Несмотря на имеющийся прогресс, компания сталкивается с основной точкой преткновения в производстве и использовании солнечных окон: эффективность.

Величина, при которой солнечная панель превращает энергию солнца в электричество, важна для всех типов солнечных батарей, но особенно она важна для окон.

«Проблема в том, что свет вы видите сквозь окно, и если вы его улавливаете с целью получения электричества, то это окно перестает быть именно окном» — говорит Куртз.

Вернемся к конкретным данным: доказанная эффективность органического солнечного фотоэлемента составляет 10%, но при работе практически никогда не достигается. В то же время традиционные солнечные модули выдают электричество с эффективностью от 15 до 20%. В итоге заявленная эффективность солнечных окон в 5% вряд ли может считаться экономически оправданной.

«Давайте взглянем на это с точки зрения физика» — продолжает Куртз. «Солнечная панель, которую поместили в пустыне в оптимальном месте — где нет недостатка в солнечном свете — способна вернуть затраты в течении года. Если оставить панель там же на срок в 20 лет, то тут уже мы получаем не просто экономическую отдачу для инвестора, но и для всего общества!»

Если бы солнечные окна могли бы достичь хотя бы 1/3 эффективности привычных солнечных панелей, то тогда бы и возврат инвестиций осуществлялся бы в три раза оперативнее.

Другие эксперты полагают, что это просто вопрос времени – когда эффективность солнечных окон поднимется до искомой величины – чтобы эти окна стали объектом привлекательным в плане инвестирования.

Андреас Афинитис, профессор отделения механики Колорадского Университет в Монреале, который работает над технологиями солнечных окон, говорит, что новые, наиболее современные технологии, такие как тончайшее напыление силикона, могут стать весомым решением в краткосрочной и среднесрочной перспективе.

А в будущем более далеком, он все же делает ставку на органические материалы, которые отвечают долгосрочным планам по внедрению солнечных окон.

«Я полагаю, недалек тот день, когда рынок солнечных окон станет большим, но пока эта сфера буксует, потому что сама технология солнечных окон «прорывная», и к ней пока мало кто готов».

Олигомеры

Другая фирма, «Heliatek», что использует технологии органических солнечных элементов, расположена в Германии и уже имеет в своем ассортименте панели, что достигают 8% эффективности. Компания в качестве органических материалов использует молекулы, названные олигомерами и отдает им предпочтение в линейке привычных полимеров.

В плане производства это означает более дешевое, более понятное применение гальванических элементов.

В «Heliatek» говорят, что в течение ближайших 5 лет они смогут производить солнечные окна с гальваническим элементом и получать электричество по цене 50 центов за киловатт/час, делая солнечные окна вполне конкурентоспособными с другими технологиями, использующими энергию солнца для получения электричества.

Испанская компания «Onyx Solar» тоже предлагает ряд технологий в области солнечного стекла.

И хотя их стекла могут пропускать не более 30% солнечного света, но нужно помнить сколько света теряется впустую в самом здании! В различных вариантах, говорят в компании, их аморфно-силиконовое солнечное стекло – это такой тип гальванического элемента с тончайшим силиконовым напылением – способен дать вплоть до 9% эффективности.

Однако, все эти возможности солнечных окон не принимают во внимание несколько практических ограничений по покрытию площади зданий небоскрёбов солнечными окнами.

«Оптимальная установка солнечных окон подразумевает, что они будут смотреть на юг, и они должны быть немного наклонены.

Должен быть хороший доступ солнца, чтобы ничто не затеняло эти панели» — говорит господин Шиао, из компании «GTM Research».

«Проблема с небоскрёбами в нашем вопросе состоит в их вертикальной ориентации: существует только одна южная сторона здания, и очень высока вероятность, что рядом стоящий небоскрёб будет затенять как раз эту сторону высотки».

Подобные трудности и вызывают у Шиао и иных экспертов скептицизм по вопросу, имеют ли солнечные окна яркие перспективы. «Слишком много дизайнерских и технических трудностей, которые преодолеть, по большому счету, очень трудно, если говорить честно» — признается Шиао.

«Весь проект особо не имеет смысла, вне зависимости от стоимости. Ну, разве что, если кому-то удастся производить панели почти бесплатно или что-то типа того, и тогда, может быть, и будет смысл в установке солнечных окон на такие огромные объекты, как небоскребы».

Радужные планы

Но не все так пессимистичны и эти препятствия не особо сдерживают молодые и динамичные фирмы.

Например, «Oxford Photovoltaics» обнародовала исследование, проведенное Оксфордским Университетом, в котором компьютер смоделировал 700 футовый небоскреб в Техасе. Если покрыть его солнечными окнами, то они дадут 5,3 мегаватт электричества ежедневно.

Этого достаточно, что «запитать» энергией 165 домовладений или даст достаточно электричества небоскребу, чтобы полностью обеспечить себя освещением.

Оксфордская технология подразумевает включение в работу особенного элемента солнечных окон, который называется «сенсибилизированный красителем солнечный элемент».

Этот элемент в своей работе использует фото-электрохимический процесс для выработки электричества, что значительно удешевляет себестоимость всего проекта.

Прозрачные солнечные панели «Oxford Photovoltaics» способны выдавать 6% эффективности и компания уже намерена в ближайшее время вывести свой товар на рынок.

Где ждать прорыва?

Назир Херани, профессор в области инженерии университета в Торонто, полагает, что экономическая составляющая проекта солнечные окна может быть привлекательной для новых зданий с нулевым чистым потреблением энергии (это здания которые выдают столько же энергии за год, сколько потребляют), но не для модернизации уже введенных в эксплуатацию небоскребов. «При достаточно внимании к дизайну и при применении бесшовных технологий, вполне можно допустить, что подобные здания постепенно будут строиться в местах, где в основном возводят здания с нулевым чистым потреблением энергии. Это могут быть как города, так и сельские поселения» — рассуждает Херани.

Еще несколько компаний заявляют о будущем солнечных окон: в ближайший год-два они будут готовы вывести на рынок этот новый продукт. Они также подчеркивают, что эффективность солнечных окон будет и дальше расти, а цены снижаться, так же, как это имело и имеет место с обычными солнечными панелями.

Что же побуждает изобретателей и предпринимателей продолжать исследования и вкладывать деньги в проект солнечные окна? Огромный потенциал для сохранения и экономии энергии. Здания потребляют 41% всего американского потребление электричества, больше, чем такие отрасли, как производство и транспорт! Поэтому солнечные окна столь привлекательны.

«Я бы не стал сбрасывать со счетов эту технологию и ее возможности» — заявляет Куртз. «Когда произойдёт прорыв в индустрии солнечных окон? Я не берусь судить. Потому что нахожу это весьма опасным занятием — предсказывать будущее»

(Дейв Левитан, опубликовано 3 мая 2012г в США, перевод Михаила Берсенева )

Альтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи

Солнечные окна изменят мировой рынок

Последние годы СМИ нередко публикуют новости о солнечных батареях из перовскита, которые хоть пока и уступают кремниевым по эффективности, но более дешевые, и потому у них неплохие перспективы в сфере ЖКХ.

В России разработку перовскитовых фотоэлементов поддерживают на государственном уровне.

Альтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи

Перовскит — так называется минерал, открытый еще в начале позапрошлого века в Уральских горах. В природе это титанат кальция, содержашийся в горных породах, претерпевших воздействие огромных температур и давления.

Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, присущей различным соединениям с полупроводниковыми свойствами.

Структура перовскита напоминает неправильный куб

Для создания фотоэлемента достаточно тонкого слоя материала со структурой перовскита. Чтобы ее получить, иодид свинца и металлоорганический иодид растворяют в диметилформамиде и наносят на подложку, например, из органического полимера.

Затем структуру отжигают при температуре 90-110 градусов Цельсия, — так происходит формирование поликристаллической пленки из перовскитных молекул. В результате получаются гибкие полупрозрачные панели. Создать такие из кремния невозможно.

Скачущие электроны

В фотовольтаическом элементе фотопроводящий слой перовскита зажат между слоями еще двух полупроводников, например, из оксида металла и органического полимера, служащих для транспортировки носителей заряда.

У электронов в атомах (в частности, входящих в состав полупроводника) разная энергия, и на основании этого их можно разделить по уровням. В физике рассматриваются три верхних уровня, в пределах которых и происходит движение носителей заряда.

Нижний уровень, валентная зона, полностью заполнен электронами. Там они почти не способны двигаться — зажаты, как пассажиры в автобусе в час пик. Следующий энергетический уровень для них запрещен законами природы: электроны способны только прыгнуть через него и оказаться в зоне проводимости.

Но где взять энергию?

Для этого и нужен солнечный свет, то есть поток фотонов. Они как бы толкают электроны, придавая им силы прыгнуть «выше». На месте, где были электроны, остаются положительные носители заряда, называемые дырками.

Электроны совершают прыжок в зону проводимости, получив энергию

В зоне проводимости электроны становятся свободными и могут двигаться из одного слоя фотоэлемента в другой, избавляясь от избытка энергии. Свободные электроны через слой одного полупроводника направляются к катоду, а дырки через слой другого полупроводника устремляются к аноду, и процесс повторяется заново.

В солнечных батареях на перовските используют еще два материала с разным типом проводимости

Эти дополнительные слои полупроводников выполняют роль своеобразных приемщиков носителей заряда, более эффективно разводя их к электродам.

Почему перовскит еще не завоевал мир

«Рекордная эффективность (коэффициент полезного действия) кремниевых батарей составляет сегодня 26,6 процента. Исследователи достигли той же конкурентоспособной величины в устройствах с использованием нового материала в 22,7 процента.

Однако следует учитывать, что с кремнием физики работают уже полвека, а вот перовскит изучают всего около девяти лет.

Думаю, дальнейший рост эффективности — это вопрос самого ближайшего времени при современном уровне развития химии, полупроводниковой электроники, и интенсивности исследований в данной области», — рассказывает Данила Саранин, сотрудник научно-образовательного центра «Энергоэффективность» НИТУ «МИСиС».

Главный недостаток солнечных батарей на перовските заключается в том, что под воздействием фотонов атомы между слоями начинают «путешествовать», из-за чего в структуре возникают дефекты. Со временем устройство теряет эффективность. Пока наилучший результат по сохранению коэффициента полезного действия для элемента на перовските — 13 процентов за год работы.

Ждем энергоэффективных зданий

Ученые полагают, что перовскитовые солнечные панели лучше подходят для бытовых целей, чем кремниевые, за счет того, что они полупрозраны. Их можно даже разместить в окне дома или квартиры вместо стекла. Такая солнечная батарея прозрачна из-за малой толщины, составляющей порядка сотен и даже десятков нанометров.

Учитывая открывающиеся перед перовскитом перспективы, в программу Евросоюза Zero Energy Buildings (что можно перевести как «Здания с нулевым потреблением энергии») включили «оклеивание» архитектурных сооружений солнечными батареями на основе этого необычного материала.

Аналогичную задачу решают ученые в НИТУ «МИСиС», чей проект «Широкоформатные полупрозрачные солнечные панели c использованием стабильных перовскитных архитектур» поддержан мегагрантом Минобрнауки России.

Руководить работами пригласили иностранного специалиста Альдо ди Карло, профессора кафедры оптоэлектроники и наноэлектроники Римского университета Тор Вергата.

«Наша цель — создание дешевых, гибких и производительных солнечных батарей, которые можно встраивать в фасады зданий или окна. Для начала надо научиться изготавливать крупные устройства, соответствующие масштабам зданий.

Параллельно мы будем решать комплексную задачу по подбору новых материалов для эффективных перовскитовых солнечных батарей, стабилизировать существующие соединения, исследовать их свойства как теоретически, так и экспериментально «, — делится дальнейшими планами Саранин.

На сегодняшний день нашим физикам удалось уменьшить деградацию одного из полупроводников, входящих в перовскитовый фотоэлемент, и сконструировать с его помощью экспериментальную солнечную батарею, которая показала среднюю эффективность почти за год 15 процентов.

Источник: РИА Новости

Сила света. Подводные камни и перспективы развития солнечной энергетики

Солнечные окна изменят мировой рынок

Сектор солнечной энергетики признан самым быстроразвивающимся. Ежегодный прирост мощностей электрических солнечных станций составляет в среднем 50%.

Уже на сегодняшний день солнечная энергетика в стоянии обеспечить в районе 3% общемировой потребности человечества в электроэнергии.

По расчетам ученых, к 2050 году рынок солнечной энергетики сможет покрывать 20-25% общемировых нужд в электрической энергии.

Интересный факт. Для постройки солнечной электростанции (СЭС) мощностью на 1 (ГВт) требуется вывести из общего пользования прядка 20 квадратных километров земли.

Именно по этой причине солнечные электростанции разворачиваются только в тех районах, в которых имеются непригодные для сельского хозяйства земли.

СЭС чаще всего строят на территории карьеров, прибережных морских и океанических солончаках, пустынях, в горах и даже в воздухе (на гелиевых подушках).

Нужно отдельно отметить, что задумка солнечных электростанций не является новой. Рабочие технологии солнечной энергетики появились еще в 70-80 годах XX века. Но каждый квадратный метр прототипа стоил столько, что проще было предусмотреть в бюджете деньги на заказ обычного электричества на десятки лет вперед.

Сегодня же ситуация существенно изменилась. Научно-технический прогресс позволил удешевить производство фотоэлектрических компонентов в сотни раз. Конечно, солнечная электроэнергия по сей день остается достаточно дрогой.

Сегодня электричество солнечных станций обходится в 2-3 раза дороже тепловой или атомной электроэнергии. Но тенденция в снижении стоимости солнечного электричества все же наблюдается. Ежегодно электричество из Солнца становится доступнее примерно на 4%.

По расчетам ученых, уже к 2020 году себестоимость солнечной и тепловой энергии сравняется, что позволит приступить к массовой реализации проектов по постройке СЭС.

Кстати, ниже по тексту будет проведен небольшой анализ рынка солнечных батарей.

Чем так привлекательна солнечная энергетика?

Если не брать в учет главный козырь СЭС (неиссякаемую и бесплатную солнечную радиацию), сектор солнечной энергетики имеет не так уж и много плюсов. В перечне главных достоинств СЭС можно отметить:

  • Отсутствие вредных выбросов
  • Неприхотливость в сервисном обслуживании
  • Долгий срок службы фотоэлементов

Два последних пункта делают область солнечной энергетики очень привлекательной для инвестиций. Инвесторы называют вложение денег в рынок солнечной энергетики «бизнесом без проблем».

В солнечных пластинах нет трущихся элементов, что позволяет вычеркнуть расходы на обслуживание и ремонт из списка регулярных издержек.

Если ветровые и гидравлические электростанции нуждаются в плановом обслуживании и капитальных ремонтах, то СЭС более привлекательны в этом плане.

Срок службы рядовой солнечной панели составляет минимум 30 лет. Модели премиального класса и вовсе готовы отрабатывать по 50 лет. Технологии солнечной энергетики позволят пользоваться построенной электростанцией нескольким поколениям граждан.

Не нужно забывать и про ощутимую пользу для экологии. Одна солнечная станция суммарной мощностью 200 (МВт) позволяет сократить выброс углекислого газа (СО2) в атмосферу Земли на 300 тыс тонн ежегодно. Ученые рассчитывают, что массовая глобализация СЭС позволит сократить к 2050 году выброс углекислого газа на 40%.

Что по поводу подводных камей?

Конечно, не обошлось в секторе солнечной энергетики и без серьезных проблем, многие из которых не находят сегодня рационального решения.

  1. Камнем преткновения массового внедрения СЭС является высочайший уровень технической сложности производства и внедрения фотоэлектрических компонентов. Этот момент оказывает ощутимое влияние на конечную цену. Элементы солнечной электростанции стоят очень дорого. К примеру, проект постройки СЭС мощностью на 200 (МВт) оценивается в 200 млн евро. То есть за каждый МВт заказчику придется выложить 1 миллион евро. Ежегодно подобная станция (200 МВт) позволит обслуживать не больше 100 000 частных абонентов.
  2. Срок окупаемости проекта СЭС тоже весьма большой. Инвестиционные вложения в рынок солнечной энергетики начинают давать прибыль только с 7-10 года работы солнечной электростанции. Но этот момент не так сильно и отпугивает финансистов, так как сфера солнечной энергетики стабильна и надежна.
  3. Любая солнечная электростанция представляет собой полностью автономный источник энергии. То есть фотоэлектрические компоненты обязательно должны работать в паре с устройством аккумуляции энергии. Дело в том, что ночью СЭС не в состоянии вырабатывать электричество, что создает гигантский «прогиб» в энергетическом балансе региона. В ночное время солнечная электростанция питает абонентов от аккумулятора. Вопрос качественного запаса электроэнергии не находит на данном этапе развития научно-технического прогресса должного решения.
  4. Не стоит забывать и о проблеме утилизации изношенных фотоэлементов. В солнечных пластинах находится кадмий, который способен нанести экологии значительный урон. Работы по улучшению технологий солнечных батарей и поиску замены кадмию ведутся, но до конца данный вопрос остается так же нерешенным.
  5. Специалисты отмечают, что установка СЭС теоретически может нарушить микроклимат региона. Чтобы не допустить экологической катастрофы, сектор постройки СЭС ограничен строгими квотами. На долю солнечного электричества в общемировой энергетике готовы выделить не более 25%.

Производители компонентов СЭС

Вот небольшой анализ рынка солнечных батарей. Лидером производства солнечных батарей является, конечно же, Китай. Передовиком отрасли уже много лет подряд остается компания из Поднебесной Yingli. Ближайшим конкурентом этой торговой марки является фирма из США First Solar.

Развивающиеся страны, в число которых входит и Украина, не рискует выводить на рынок солнечных батарей свои собственные продукты. Все дело в высочайшем уровне конкуренции. Альтернативы китайским и американским батареям на сегодняшний день практически нет.

Продукция зарубежных компаний на прядок дешевле и на порядок качественней, чем отечественные аналоги. Этот момент учитывается при проведении тендеров на закупку оборудования. Такие сервисы национальных закупок как Prozoro всегда оттают предпочтение наиболее дешевой и наиболее качественной продукции.

Отечественные компании не в состоянии сегодня конкурировать с зарубежными фирмами.

Единственное, что могут предложить отечественные компании, так это комплектующие для создания каркасов, опор и проводящей электричество инфраструктуры. Данный сектор производства не такой уж и маленький, он тоже должен учитываться при анализе рынка солнечных батарей.

Вывод

Солнечная энергетика является не просто перспективной отраслью. Данный сегмент рынка стоит вровень с водородной энергетикой. Именно этим отраслям ученые и отводят ведущую роль  в формировании облика технологий будущего.

Как отмечают эксперты, энергетики из Украины хотят добиться к 2020 году показателя в 11% использования солнечной энергии из общегосударственного объема производимого в стране электричества.

20 удивительных технологий будущего, которые изменят мир в ближайшие 30 лет

Солнечные окна изменят мировой рынок
Технологии

Мир совершенствуется каждый день, изобретая и открывая что-то новое, и без этих достижений мы бы не продвинулись так далеко.

Ученые, исследователи, разработчики и дизайнеры со всего мира пытаются воплотить то, что упростит нашу жизнь и сделает ее интереснее.

Вот, несколько технологий будущего, которые поднимают нашу жизнь на совершенно другой уровень.

Новые технологии будущего

1. Биохолодильники


Российский дизайнер предложил концепцию холодильника, названного “Bio Robot Refrigerator”, который охлаждает еду с помощью биополимерного геля. В нем нет полок, отделений и дверей – вы просто вставляете еду в гель.

Идея была предложена Юрием Дмитриевым для конкурса Electrolux Design Lab. Холодильник использует всего 8 процентов энергии дома для контрольной панели и не нуждается в энергии для фактического охлаждения.

Биополимерный гель холодильника использует свет, генерируемый при холодной температуре, чтобы сохранять продукты. Сам гель не имеет запаха и не липкий, а холодильник можно установить на стене или на потолке.

2. Сверхбыстрый 5G Интернет от беспилотников с солнечными панелями


Компания Google работает над дронами на солнечных панелях, раздающими сверхскоростной Интернет в проекте, названном Project Skybender. Теоретически беспилотники будут предоставлять Интернет услуги в 40 раз быстрее, чем в сетях 4G, позволяя передавать гигабайт данных в секунду.

Проект предусматривает использование миллиметровых волн для предоставления сервиса, так как существующий спектр для передачи мобильной связи слишком заполнен. 

Однако эти волны имеют более короткий диапазон, чем мобильный сигнал 4G. Компания Google работает над этой проблемой, и если удастся решить все технические проблемы, вскоре может появится Интернет небывалой скорости.

3. 5D диски для вечного хранения терабайтов данных


Исследователи создали 5D диск, который записывает данные в 5 измерениях, сохраняющиеся миллиарды лет. Он может хранить 360 терабайт данных и выдержать температуру до 1000 градусов.

Файлы на диске сделаны из трех слоев наноточек. Пять измерений диска относятся к размеру и ориентации точек, а также их положению в пределах трех измерений. Когда свет проходит через диск, точки меняют поляризацию света, которая считывается микроскопом и поляризатором.

Команда из Саутгемптона, которая разрабатывает диск, смогла записать на диск Всеобщую декларацию прав человека, Оптику Ньютона, Магна Карту и Библию. Через несколько лет такой диск уже не будет экспериментом, а станет нормой хранения данных.

4. Инъекции частиц кислорода


Ученые из Бостонской детской больницы разработали микрочастицы, наполненные кислородом, которые можно вводить в кровоток, позволяя вам жить, даже если вы не сможете дышать.

Микрочастицы состоят из одного слоя капсул липидов, которые окружают небольшой пузырь кислорода. Капсулы размером 2-4 микрометра подвешены в жидкости, которая контролирует их размер, так как пузыри большего размера могут быть опасны. 

При введении, капсулы, сталкиваясь с красными кровяными клетками, передают кислород. Благодаря этому методу удалось ввести в кровь 70 процентов кислорода.

5. Подводные транспортные туннели


В Норвегии планируют построить первые в мире подводные плавающие мосты на глубине 30 метров под водой с помощью больших труб, достаточно широких для двух полос.

Учитывая сложности перемещения по местности, в Норвегии решили работать над созданием подводных мостов. Ожидается, что проект, на который уже затрачено 25 миллиардов долларов, будет закончен в 2035 году. 

Предстоит еще учесть и другие факторы, например, влияние ветра, волн и сильных течений на мост.

6. Биолюминесцентные деревья


Группа разработчиков решила создать биолюминесцентные деревья с помощью фермента, встречающегося у некоторых медуз и светлячков.

Такие деревья смогут освещать улицы и помогут прохожим лучше видеть ночью. Была уже разработана небольшая версия проекта в форме растения, светящегося в темноте. Следующим шагом станут деревья, освещающие улицы.

7. Сворачивающиеся в рулон телевизоры


Компания LG разработала прототип телевизора, который можно свернуть как рулон бумаги.

Телевизор использует технологию светодиодов на основе полимерной органики, чтобы уменьшить толщину экрана.

Кроме LG, другие крупные производители электроники, такие как Samsung, Sony и Mitsubishi работают над тем, чтобы сделать экраны более гибкими и портативными.

Развитие технологий в будущем

8. Бионическая линза для сверхчеловеческого зрения


Канадский врач собирается проводить клинические тестирования “бионических линз”, которые в 3 раза улучшают стопроцентное зрение с помощью 8-минутной безболезненной операции.

Новая линза будет доступна уже к 2017 году, улучшая естественный хрусталик глаза. Во время операции шприц внедряет линзу с физиологическим раствором в глаз, и через 10 секунд сложенная линза распрямляется и располагается над естественным хрусталиком, полностью корректируя зрение.

9. Спрей-одежда


Испанский дизайнер Манел Торрес (Manel Torres) изобрел первую в мире спрей-одежду. Вы можете нанести спрей на любую часть тела, а затем снять его, смыть и снова носить.

Спрей сделан из специальных волокон, смешанных с полимерами, которые придают ткани эластичность и долговечность. Эта технология позволит дизайнерам создавать уникальные предметы одежды с оригинальным дизайном.

10. Портреты, полученные из ДНК


Студентка Хизер Дюи-Хагборг создает 3D портреты из ДНК, найденных на сигаретных окурках и жевательных резинках на улице.

Последовательности ДНК она вводит в компьютерную программу, которая создает облик человека с образца. Обычно в ходе этого процесса выдают 25-летнюю версию человека. Затем модель распечатывают в 3D портреты в натуральную величину.

11. Покупки в виртуальной реальности


Один из таких магазинов был открыт на железнодорожной станции в Южной Корее, где вы можете сделать заказ, сфотографировав штрих-код, и ваши покупки доставят домой.

Сеть магазинов Homeplus установила шесть дверей-экранов с изображениями полок в натуральную величину c товарами, которые вы приобрели бы в супермаркете. Под каждым товаром есть штрих-код, который можно отсканировать и отправить с помощью приложения. 

В солнечную энергетику приходит металлоорганика

Солнечные окна изменят мировой рынок

Мир болен гелиоэнергетикой. Солнечные электростанции (СЭС), гелиопанели на крышах домов, питающие всю бытовую электронику, транспорт на солнечной энергии — это уже не только перспективные исследования, но реальные направления бурно развивающейся промышленной отрасли.

Причем Россия в этой области не только не отстает, но прорвалась на самый передний край.

Сегодня «Известия» рассказывают о том, что заставляет солнечную энергетику развиваться с головокружительной скоростью, какие перемены нас ждут в жилищном строительстве, из чего будут сделаны солнечные батареи будущего.

Прообразом идеального мира альтернативной энергетики будущего сегодня считается германская Бавария. Солнечная батарея установлена там на крыше каждого дома, а хозяин, который не хочет пользоваться гелиоэнергией, платит отдельный немаленький сбор за эту прихоть. Излишки энергии каждое баварское домохозяйство отдает в общую электрическую сеть и даже зарабатывает на этом.

В Германии обязанность граждан пользоваться солнечной энергией уже закреплена законодательно, но и другие европейцы не отстают.

На наших глазах в развитых странах всего мира происходит стремительный переход от топливной энергетики, расходующей природные ископаемые, к использованию возобновляемой энергии, прежде всего солнечной.

Совокупная мощность СЭС в мире растет экспоненциально. Рынок требует всё больше и больше солнечных батарей.

Еще несколько лет назад основными производителями гелиопанелей считались Япония, США и некоторые страны Европы. Но сейчас подавляющая часть производства солнечных батарей сосредоточилась в Китае: эта страна долгое время занималась сознательным отраслевым демпингом и добилась успеха на этом пути.

Лишь два завода по производству солнечных батарей сохранились в Европе: один в Италии, другой — в России.

Завод по производству солнечных батарей компании «Хевел» находится в городе Новочебоксарске и производит как классические солнечные модули, устанавливаемые на ровную поверхность, так и полугибкие и гибкие элементы, которые можно встраивать в любые конструкции.

— По совокупности природно-климатических факторов потенциал развития солнечной энергетики в России в разы превышает запланированные показатели, — рассказал «Известиям» генеральный директор «Хевел» Игорь Шахрай.

— Центральная часть России по уровню инсоляции (количеству солнечного облучения) ничем не уступает Германии, — европейскому лидеру в области солнечной энергетики. А огромные территории Урала, Сибири и Дальнего Востока по этому показателю значительно превосходят южноевропейские регионы. Не забудем и про юг России.

Волгоградская, Ростовская, Астраханская области, Краснодарский край, Кавказ необыкновенно привлекательны для развития солнечной энергетики: в этих регионах количество солнечных дней в году достигает трех сотен.

По оценке Игоря Шахрая, российские производители, при поддержке на внутреннем рынке, могли бы обеспечить от 1 до 5% мирового производства солнечных модулей, несмотря на чрезвычайно острую конкуренцию в мире.

— Еще два года назад наша страна сильно отставала по эффективности и стоимости новых разработок в области солнечной энергетики, — рассказал «Известиям» директор Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике Дмитрий Орехов. — Но благодаря государственной программе поддержки возобновляемой энергетики, вызвавшей в нашей стране стремительный рост производства солнечных модулей, возник спрос на разработку качественно новых технологий и поиск новых материалов.

Несгибаемый кремний

Гелиоэнергетику по технологическому признаку принято делить на два направления — фотовольтаику и концентраторную солнечную энергетику. Последняя означает преобразование энергии светила в электрическую опосредованно, с применением теплового носителя — например, воды. Нагревание носителя с помощью отраженных солнечных лучей приводит в движение генерирующие установки.

Но магистральное направление современной солнечной энергетики — фотовольтаика, технология непосредственного преобразования энергии в электрическую.

Она основана на так называемом фотовольтаическом эффекте: при попадании света на некоторые полупроводниковые структуры между их частями возникает разность потенциалов, которую можно использовать для получения электрического тока.

Именно этот принцип лежит в основе работы абсолютного большинства СЭС и домашних преобразователей солнечной энергии.

Материалов для фотовольтаики предложено великое множество, но пока самым главным остается кремний — тот самый, который используется для изготовления электронных микросхем.

Кремниевая фотовольтаика, опять же, бывает очень разной, но 90% рынка занимают сегодня фотоэлектронные устройства, построенные на кремниевых гетероструктурах: на тонкую подложку из кристаллического кремния наносится кремний аморфный, который хорошо поглощает свет.

Между слоями этого бутерброда возникает p-n-переход, как в транзисторе, который с помощью энергии света собирает электроны (отрицательные заряды) в верхнем слое, а дырки (положительные заряды) — в нижнем. Остается только снять это напряжение с помощью электродов и подать его в аккумулятор, накапливающий электроэнергию.

КПД таких батарей, то есть та доля солнечной энергии, которую с их помощью удается превратить в электрическую, составляет сейчас в лабораторных условиях 25–26%, а в реальных коммерческих устройствах — 16–20%. Это очень много: никакая другая технология фотовольтаики к этим показателям пока даже не приблизилась.

Но КПД — не единственный ключевой показатель для солнечных батареек: не менее важна стоимость квадратного метра готового модуля.

Для современной батареи, изготовленной по описанной технологии, она составляет в среднем $50–60.

Впрочем, основателю компании SolarCity Элону Маску удается продавать сделанную по той же технологии кровлю для «солнечной крыши» аж по $200 за 1 кв. м — такова сила маркетинга.

Утонченные технологии

Главный недостаток описанной кремниевой — мейнстримной — технологии: солнечные батареи получаются очень хрупкими. Панели могут легко треснуть при сгибе или ударе, поэтому для их установки необходимы специальные жесткие алюминиевые рамы и прочный крепеж. Это здорово ограничивает область применения кремниевой фотоэнергетики.

Поэтому пришлось изобрести солнечные батареи второго поколения — основанные на так называемых тонкопленочных технологиях. Ученым удалось найти такие фотоэлектрические материалы, которые можно напылять на гибкую подложку, сгибать ее, придавать ей любую форму без ущерба для функциональности.

Одним из таких материалов оказался классический полупроводник арсенид галлия. Он дает высокий — до 30% — КПД, но увы, чрезвычайно дорог: $30–50 тыс. приходится заплатить за квадратный метр батарейки на его основе. Подобные цены могут устроить разве что космическую отрасль, где крайне важна эффективная солнечная энергетика, а экономия имеет меньшее значение.

Пришлось искать что-нибудь подешевле. Нашли два неорганических соединения — кадмий-теллур и селенид меди-индия-галлия (CIGS). Они дают сравнительно невысокий КПД — 10–15% (в лаборатории — до 20%). Но зато — при возможности их напыления на тонкие пленки — они феноменально экономичны: в полтора раза дешевле кремниевых!

Это второе поколение солнечных батарей — CIGS и кадмий-теллур — уже продается и занимает сейчас те 10% рынка, которые не добирает кремний. Но беда этих технологий в том, что кадмий-теллур токсичен, а индий и селен трудно утилизируются. Поэтому тонкопленочные солнечные батареи — любимая добыча гринписовцев и других защитников природы.

Органический подход

И тут на сцену выходит третье поколение солнечных батарей — устройств, основанных на органических материалах. Им нет еще и 10 лет, они нигде пока не производятся в промышленных количествах.

Но динамика научных исследований в этой области позволяет вполне уверенно говорить о том, что будущее фотовольтаики — за третьим поколением, и в первую очередь за фотоэлектрическими преобразователями на основе материала под названием перовскит.

Этот металлорганический полупроводник обладает уникальными оптоэлектронными свойствами: под действием света в нем возникают свободные заряды — положительные (дырки) и отрицательные (электроны).

Слой перовскита помещают между двумя транспортными слоями, один из которых отфильтровывает электроны и передает их на катод, другой выделяет дырки и отдает на анод.

Так между катодом и анодом возникает электрическое напряжение, которое передается в цепь.

Первый такой элемент был создан японскими учеными в конце первого десятилетия нашего века. Он прожил не более получаса и имел КПД всего 3%.

— В процессе изучения данного соединения и улучшения архитектуры самого перовскита учеными всего мира удалось поднять КПД до 22% менее чем за 10 лет, и потолок еще не достигнут, — рассказал «Известиям» руководитель лаборатории перспективной солнечной энергетики Национального исследовательского технологического университета МИСиС Альдо ди Карло. — У кремния на достижение КПД более 20% ушло лет 40–50.

Стоимость ватта энергии для кремниевых солнечных батарей составляет примерно полдоллара. Ожидается, что для перовскитной фотовольтаики этот показатель составит менее 20 центов. Побеждают перовскиты и по стоимости квадратного метра солнечной панели: менее $20 против $50–60 для кремния.

Перовскитная фотовольтаика сочетает высокий КПД с возможностями тонкопленочных технологий: фотоэлектрический слой можно напылять практически на что угодно, печатая солнечные батареи, как на струйном принтере.

Одна беда: перовскиты всё еще остаются недостаточно стабильными. Молекула перовскита быстро распадается под воздействием света.

Сейчас срок жизни высокопроизводительной солнечной батареи на основе перовскита составляет не более года.

— Теперь нужно заниматься инженерией молекулы, искать оптимальный состав материала, — пояснил «Известиям» ведущий инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики Данила Саранин.

Он напомнил, что когда разрабатывались органические светодиоды OLED, установленные теперь в каждом смартфоне, их срок службы поначалу измерялся чуть ли не секундами. Потом довели его до минут, часов, суток. Сейчас он составляет уже несколько лет. А ведь перовскитная фотовольтаика развивается намного более быстрыми темпами, чем технологии OLED.

По мнению Данилы Саранина, ожидать выхода перовскитных — дешевых, эффективных и технологичных — солнечных батарей на рынок можно уже в начале 1920-х годов, и это будет означать революцию в гелиоэнергетике.

Революция эта коснется в первую очередь градостроительства. Технология печати фотоэлектрических элементов на гибких подложках позволит буквально облепить жилое или офисное здание солнечными батареями со всех сторон.

Причем не только снаружи, но и изнутри: энергию внутреннего освещения тоже можно использовать повторно.

Если, например, обклеить стены офиса солнечными пленками, как обоями, то вырабатываемой энергии хватит на питание беспроводных устройств, всевозможных датчиков и даже на подзарядку телефонов.

На фасадах же зданий будут развешаны солнечные батареи, как рекламные баннеры. Окна зданий тоже превратятся в солнечные панели: со стороны они будут выглядеть как тонированное стекло, но эта тонировка в дневное время будет производить электроэнергию, достаточную для ночного освещения.

Справка «Известий»

Сегодня суммарное производство солнечной энергии в мире превышает 400 ГВт. В течение следующих пяти лет этот показатель, по прогнозам экспертов, достигнет 1 тераватт (1000 гигаватт).

Два ключевых фактора — снижение себестоимости выработки солнечной электроэнергии и повышение эффективности солнечных модулей — сохранят тренд на стремительный прирост новых мощностей солнечной генерации.

В России, благодаря государственной программе развития возобновляемых источников энергии, уже построены станции, мощностью более 250 МВт, а ежегодный прирост новых мощностей солнечной генерации составляет порядка 240 МВт. Таким образом к 2024 году в России будут построены солнечные электростанции мощностью 1,7 ГВт.

По оценке директора информационно-аналитического центра «Новая энергетика» Владимира Сидоровича, к 2050 году в России 20% электроэнергии будет вырабатываться СЭС и солнечными батареями.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.