Солнечная энергетика в XXI веке

Прошедший двадцатый век, открыл нам возможность прямого преобразования света в энергию. Но при этом там же возник стереотип солнечной энергетики, как громоздкого, дорогостоящего и малоэффективного средства. Что же поменяется в нынешнем, долгожданном XXI веке?

Прежде всего следует обратить внимание на недостатки.

Солнечная энергетика загрязняет мир свинцом
Крис Черри из Университета Теннесси (США) обнаружил, что отрасль сильно зависит от свинцово-кислотных батарей, которые в одних только Китае и Индии приводят к выбросу более 2,4 млн т свинца в год (12 кг на 1 кВт в КНР и 8,5 кг — в Индии).Огромное количество утекает в окружающую среду при добыче, плавке, изготовлении батарей и их переработке. В КНР таким образом теряется 33% свинца, а в Индии — 22%.
Недавно, кстати, снова поступили сообщения о массовых отравлениях свинцом в Китае в окрестностях заводов по переработке батарей. Страна закрыла 583 таких предприятия.

Весьма нехороший побочный эффект для экологически "чистых" отраслей энергетики. Есть и другие позорные пятна на репутации

Владеть электрическим авто накладнее, чем топливным
В бизнес-руководстве по электрическим автомобилям Британской ассоциации аренды и лизинга транспорта (BVRLA) сравниваются Nissan Leaf, который питается «от розетки», и дизельный Volkswagen Golf BlueMotion 1.6 TDI. Эти автомобили очень похожи по своим характеристикам, если не учитывать двигательную установку.
Специалисты BVRLA подсчитали, что электромобиль обходится дороже своего бензинового аналога при эксплуатации в течение трёх лет и пробеге 36 тыс. миль (58 тыс. км). И это с учётом правительственного гранта в £5000, который выдаётся при покупке экологически безопасного транспортного средства, а также несмотря на то, что потреблённое за трёхлетний период электричество в четыре с лишним раза дешевле израсходованного топлива. Итоговые цифры таковы: Leaf обойдётся британскому покупателю в £25 990 (с учётом гранта), а BlueMotion — в £17730. За три года совокупная стоимость владения этими моделями составит соответственно £23848 и £18770.

И здесь та же проблема. Хранение энергии. Ибо главной статьёй затрат для владенельца электротранспорта, будет замена аккумуляторных батарей.
Так что следует внимательно присмотреться к другим способам аккумулирования энергии.

Разработан новый процесс для химического хранения солнечной энергии.
Профессор Массачусетского технологического института Джеффри Гроссман (Jeffrey Grossman), совместно с аспирантом Алекси Колпэк (Alexie Kolpak), разработали перспективное вещество для термохимического хранения солнечной энергии. Они объединили углеродные нанотрубки с составным азобензолом. Структура молекулы полученного соединения, благодаря наличию углеродной нанотрубки, представляет собой распрямленные молекулы азобензола, отходящие от нанотрубки, подобно ветвям у дерева. После того, как молекула вещества попадает под воздействие фотонов света, происходят изменения структуры молекулы, которая начинает сжиматься как пружина. В таком сжатом состоянии молекула может пребывать сколь угодно долгое время. Под воздействием специального катализатора и при определенной температуре молекула начинает возвращаться к своей первоначальной форме, выделяя излишки энергии в виде тепла. Это тепло может использоваться непосредственно в системах отопления или может использоваться для получения электроэнергии. После того, как молекулы вещества отдадут всю накопленную энергию, они вновь готовы к повторению цикла.

"У нас теперь есть материал, который одновременно преобразовывает и сохраняет солнечную энергию" — говорит профессор Гроссман. — "Он со временем не теряет своих уникальных свойств, он не токсичен и достаточно дешев в производстве". Результаты этих исследований были изданы в последнем выпуске журнала Nano Letters.

Но запасать энергию света в виде тепла, неудобно. Надо электричество. О таком способе я уже писал

Открыт невиданный метод обращения тепла прямо в электроток
Исследователи из университета Миннесоты испытали новый материал, конвертирующий слабое рассеянное тепло в электрический ток способом, который никогда прежде не демонстрировался. Учёные из США разработали экзотический сплав-мультиферроик, сочетающий необычайно «эластичные» магнитные и сегнетоэлектрические свойства. Физики сумели переплести на атомарном уровне ряд элементов так, что получился состав с упрощённой формулой Ni45Co5Mn40Sn10. В серии опытов он проявил поистине необычные возможности. В эксперименте сплав испытывал быстрые и обратимые фазовые превращения, в которых одно твёрдое тело словно сменялось другим по строению, но тоже твёрдым телом. В момент самого перехода сплав претерпевал резкое изменение магнитных свойств, которое было использовано в устройстве преобразования энергии.

Этот способ вообще переоткрывает для человечества энергетику. Возможность утилизировать в электричество небольшие градиенты температуры — поистине сказка. Ведь один из наибольших вредов человество оказывает природе попросту выбрасывая огромное количество тепла. Мы нагреваем атмосферу, делая её все менее пригодной для самих себя. А тут мы можем повсеместно её превращать в электричество.
Но, всё ещё стоит вопрос как хранить столько энергии? Этот вопрос тоже уже решается.

Разработан новый тип твердотельного конденсатора, объединяющий лучшие свойства суперконденсаторов и аккумуляторных батарей.
Основой новых твердотельных конденсаторов стали "пачки" углеродных нанотрубок, каждая из которых имеда диаметр 15-20 нанометров и длину 50 микрон. Этот "лес" из нанотрубок служит для максимизации эффективной площади поверхности, что и определяет электрическую емкость конденсаторов. Каждая "пачка" нанотрубок прикрепляется к металлической поверхности, состоящей из тонких слоев золота и титана, использование этих двух металлов позволяет получить высокую электрическую проводимость электрода и сильную механическую связь нанотрубок с электродом. Поверх пачек нанотрубок наносился слой окиси алюминия, который выступает в качестве диэлектрического слоя конденсатора, а поверх этого слоя наносился слой окиси цинка, выступающий в качестве второго электрода конденсатора. И, наконец, для увеличения электропроводимости второго электрода, поверх окиси цинка был нанесен слой серебра.

Твердотельный суперконденсатор университета Райс оказался совершенно не подвержен влиянию высокой и низкой температуры, он выдерживает процессы заряда-разрядки, происходящие на относительно высокой частоте. Процесс его производства достаточно прост и масштабируем, что позволяет с его помощью производить конденсаторы практически любых габаритов и форм. Все это делает такие конденсаторы идеальным решением для применения в электромобилях, где они могут располагаться на внутренней поверхности кузовов автомобилей. Так же из достаточно прочного материала таких конденсаторов можно делать элементы конструкции микророботов, которые будут являться источником питания для самих себя.

Или запасать энергию в водороде. А водород, в авоське.

Разработан эффективный способ хранения водорода для топливных нужд
В качестве контейнера может выступать скопление частиц магния, легированных железом. Группа учёных из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) под руководством Леонида Бендерски экспериментировали с сочетаниями магния с другими металлами и выяснили, что железо при легировании им частиц магния формирует внутри крошечные тоннельчики, напоминающие капилляры человека. По этим «трубопроводам» водород быстро заполняет магний: 7-процентного уровня можно добиться всего за минуту при температуре 150 ˚С, рассказывает г-н Бендерски.

Что не менее важно для транспортной индустрии, водород способен так же быстро покинуть эту железо-магниевую обитель диаметром 1–2 микрона.

Продолжая тему нестандартных взглядов на энергетику, вернёмся к главной теме — солнечной энергетике. И тут есть новые подходы.

Солнечная энергия без солнечных элементов: открыто новое свойство излучения
Исследователи из Мичиганского университета (США) открыли неожиданное свойство света, на основе которого могут появиться «оптические батареи» — солнечные элементы без полупроводников. Излучение обладает электрической и магнитной составляющими. Считалось, что воздействие магнитного поля излучения настолько слабо, что им можно пренебречь. Г-н Рэнд и его коллеги обнаружили, что при должной интенсивности, когда свет проходит через материал, не проводящий электричество, световое поле способно создавать магнитное воздействие, которое в 100 млн раз сильнее, чем предсказывалось ранее. В этих условиях магнитное воздействие по своей силе эквивалентно электрическому. Новая технология может привести к появлению дешёвых солнечных элементов. «Для производства современных солнечных ячеек требуется особая обработка полупроводниковых материалов, — говорит г-н Фишер. — А нам нужны всего лишь линзы для фокусировки света и волокно для его направления. Стекло подходит и для того и для другого. Оно уже производится в огромных объёмах и не требует сложной обработки. Прозрачная керамика может оказаться ещё лучше».

Кроме того солнечные батареи будущего станут прозрачными, что бы покрыть оконные стёкла. И возможно даже будут органические.
Перспективы такие заманчивые, что аж не верится.