Новые солнечные элементы устроили революцию в альтернативной энергетике — Российская газета
Принципиально новый солнечный элемент, созданный в лаборатории НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора из Университета Техаса Анвара Захидова, будет стоить в три раза дешевле лучших аналогов из кремния. А при массовом производстве разница станет 4-6-кратной. Это сулит настоящий прорыв в солнечной энергетике.
Впрочем, уже сегодня она бурно развивается, а планы вообще грандиозные. Так, Европа намерена к 2020 году довести вклад Солнца в общий объем электропотребления до 25 процентов, а к 2040 году до 40 процентов. Не менее амбициозные планы и у США: к 2020 году выработка солнечной электроэнергии в стране должна составлять 25 процентов.
Словом, ведущие страны делают ставку на Солнце. Правда, с одной оговоркой: пока она нуждается в серьезной подпорке государства. Ей предоставляются самые льготные условия для интенсивного развития.
Впрочем, высокая цена по сравнению с традиционными источниками энергии не единственный минус солнечного ватта. Само получение кремния, из которого изготавливаются солнечные батареи, создает массу проблем. Оно токсично, дорого, требует много энергии. Более того, такими батареями неудобно пользоваться: они жесткие, тяжелые и хрупкие, для установки нужны специальные прибамбасы. Словом, с ними много возни. Совсем другое дело — батарея гибкая. Ее можно раскатать как рулон на любой изогнутой поверхности. Что сразу расширяет сферы применения. Именно такие солнечные элементы впервые в России созданы учеными и инженерами МИСиС.
— В них вообще нет кремния, что и позволило придать батарее необходимую гибкость, — объясняет сотрудник лаборатории Данила Саранин. — Это тандем из материала, который называется перовскит, и полупроводниковых полимеров. В отличие от дорогого кремния перовскит стоит копейки. Но главное преимущество такого тандема даже не в этом. Технология изготовления батареи из кремния очень сложна, для нее требуются глубокий вакуум и дорогостоящее оборудование. А наш метод намного проще и дешевле. Фактически солнечные элементы можно печатать на простых устройствах.
Старт перовскитной электронике дали японцы, которые впервые создали солнечный тандем с КПД 3,9 процента. В мире сразу же оценили перспективы, в гонку включилось множество ведущих зарубежных лабораторий, и сейчас КПД уже достиг 21,3 процента. Но если для кремния эта цифра почти близка к пределу его возможностей, преодолеть который не позволяют законы физики, то солнечный тандем способен на большее. Дело в том, что кремний собирает только небольшую часть видимого солнечного спектра, а тандем практически весь. Здесь и лежат перспективы роста.
— Кроме того, мы намерены еще больше повысить КПД за счет своего другого ноу-хау, — говорит Саранин. — Если совсем просто, то суть в следующем. Наш элемент состоит из восьми слоев, то есть похож на сэндвич. Зачем столько? Свет не сразу превращается в электрический ток, для этого ему требуется пройти несколько каскадов преобразований. Так вот наши конкуренты соединяют все эти слои последовательно, плюс к минусу. Мы предложили иной вариант — соединять параллельно, плюс к плюсу, минус к минусу. Как показали эксперименты, это позволяет существенно поднять КПД.
Сейчас ученые тестируют полученный солнечный элемент, а уже в будущем году намерены приступить к его промышленным испытаниям.
Инфографика РГ/Антон Переплетчиков/Михаил Шипов/Юрий Медведев
Каких прорывов ждать от солнечной энергетики в 2019 году
За последние два года цены на модули упали на 32%, а инверторы подешевели на 18%. При этом мощность установок растет, а КПД солнечных панелей увеличилось за десятилетие на четверть. Китай и Европа задают тренды на рынке, но к процессу уже подключаются страны по всему миру. Аналитики IHS Markit выпустили свежий отчет о том, каких прорывов ждать от солнечной энергетики в 2019 году.
В 2019 году рынок солнечной энергетики ожидает новая волна роста. Около 90 стран продолжат внедрять модули и строить электростанции, наращивая показатели. В 9 регионах общая мощность солнечных установок вырастет на 500 МВт по сравнению с прошлым годом. Такой прогноз представили аналитики IHS Markit в свежем отчете, в котором обозначили главные тренды индустрии на ближайшие 12 месяцев.
Главным драйвером роста станет удешевление оборудования. За последние два года цены на модули упали на 32%, а инверторы подешевели на 18%.
Тенденция сохранится, и многие компании начнут осваивать новые отрасли. Они будут не только обслуживать установки, но также выпускать комплектующие и самостоятельно заниматься монтажом. Некоторые начнут внедрять новые технологии, в том числе машинное обучение и интернет вещей.
Рынок переживет бум, как в пиковый период развития солнечной энергетики. Рост будет измеряться в десятках процентов, однако точную цифру аналитики не называют.
Первой эффект ощутит на себе Европа. Спрос на фотоэлементы в регионе достигнет в этом году максимума с 2012 года.
«Солнечный ренессанс» повлечет обновление устаревшей инфраструктуры — модули подвергнут массовой модернизации. IHS Markit подчеркивает, что необходимость уже назрела. В среднем установкам общей мощностью 40 ГВт уже больше шести лет. Реновации затронут Германию, Италию, Испанию и Францию.
Однако задавать тренды будет не Европа, а Китай — мировой лидер в солнечной энергетике. За последние 8 лет республика установила модули общей мощностью 175 ГВт. Темпы установки новых панелей продолжат расти и именно КНР окажет решающее влияние на итоговые показатели 2019 года.
Аналитики прогнозируют, что все большей популярностью будут пользоваться масштабные системы хранения энергии, подключенные к солнечным электростанциям. В основном батареи будут устанавливать в Северной Америке — суммарно они будут выдавать 500 МВт*ч. Всего в ближайшие пять лет общая мощность хранилищ увеличится на 2 ГВт.
Благодаря совершенствованию технологий повысится эффективность фотоэлементов. За последнее десятилетие средний КПД модулей увеличился на четверть. На рынке все большим спросом будут пользоваться модули мощностью 400 Ватт.
Еще одним трендом станет цифровизация. Ежедневно компании будут продавать до 30 тыс. инверторов, подключенных к сети. За год их число достигнет 11 млн.
Производители попытаются найти применение собранным данным и извлечь из них пользу.
Ранее эксперты MIT назвали три причины рекордного снижения цен на солнечную энергию. По их мнению, решающую роль сыграли государственные субсидии. Также на процесс повлияло совершенствование технологий и массовое производство оборудования.
Главные тренды рынка солнечной энергии в 2019 году по версии IHS Markit
Согласно прогнозу IHS Markit, в следующем году установят на 18% больше солнечных панелей, чем в 2018. Их суммарная мощность во всем мире достигнет 123 ГВт, пишет PV Magazine.
Сейчас примерно половина глобального рынка принадлежит Китаю, но вскоре его для уменьшится. Две трети вновь установленных мощностей распределятся между другими странами.
На Аргентину, Египет, Южную Африку, Испанию и Вьетнам придется 7%, или 7 ГВт, электростанций, которые появятся в 2019.
«Солнечные электростанции получат более широкое распространение по миру, а в 45 странах их ежегодный прирост увеличится на 20%», — уверена редактор исследования IHS Markit Эдурн Зоко.
Сейчас второй по величине рынок для солнечной энергетики — США. В следующем году суммарный объем вновь установленных мощностей здесь вырастет на огромную величину — 28%. Это произойдет потому, что в декабре 2019 перестанут предоставлять 30%-е инвестиционные налоговые кредиты на новые электростанции. А значит, застройщики будут стремиться реализовать свои проекты до этого срока.
Что касается производства солнечных панелей, здесь ожидается спад из-за новой политики китайских властей. С другой стороны, это значит, что нынешний кризис перепроизводства потеряет свою остроту, и часть складов опустеет.
Цены на фотоэлементы рухнули во второй половине этого года благодаря устойчивому спросу со стороны Мексики, Вьетнама и Испании, который стабильно загрузил фабрики.
Однако уже в первой половине 2019 цены стабилизируются, и вряд ли стоит ждать их дальнейшего резкого снижения, считают эксперты.
«Сейчас средняя цена солнечных панелей составляет примерно 23-26 центов за ватт. К концу следующего года она упадет на 10-15%, и в среднем застройщики крупных солнечных электростанций будут платить не больше 23 центов за ватт», — прогнозирует эксперт BloombergNEF Дженни Чейз.
Солнечная энергетика становится неотъемлемой частью энергосистемы Калифорнии. Застройщиков там обязали устанавливать солнечные панели на все новые дома, иначе их не примут в эксплуатацию. Такие меры предпринимаются в штате, даже несмотря на регулярное перепроизводство электроэнергии.
Новое поколение солнечных батарей: гибридные панели
60 лет прошло с тех пор, как первые солнечные батареи были установлены на внешнюю обшивку американских и советских спутников. С тех пор технологии шагнули далеко вперед. Энергию солнца используют не только для космических объектов, но и для обеспечения электричеством жилых домов. Появилось множество способов улавливать и перерабатывать солнечный свет. В ряду обычных солнечных батарей выделяется гибридная солнечная панель.
На основе кремния
Кремний (Si) – материал, который использовали еще для создания первых конструкций, перерабатывающих энергию солнечного света.
Долгое время существовало три типа таких батарей:
- Монокристаллические (производят из цельных кристаллов). Обладают самым высоким КПД, но не способны улавливать рассеянный свет;
- Поликристаллические (сделанные из кристаллов, направленных в разные стороны), способные улавливать даже рассеянный свет.
- Аморфные – гибкие панели с невысоким КПД, которые можно установить на поверхность любой конфигурации.
Гибридные солнечные панели на основе кремния сочетают аморфный кремний и монокристаллы. Эти панели эффективны в условиях недостаточной освещенности и способны эффективно работать дольше, чем стандартные аморфные устройства.
На основе перовскита
Один из самых эффективных и недорогих способов преобразовывать в электроэнергию свет, который испускает солнце, – использовать перовскит. Этот материал впервые обнаружили в Уральских горах еще в ХХ веке. На него обратили внимание благодаря особой кристаллической решетке, свойственной полупроводникам. Про устройства на основе перовскита уже говорят, что это солнечные батареи нового поколения.
Для создания такого аккумулятора нужен тонкий слой проводящего материала и полимерная подложка. В итоге получается гибкая полупрозрачная панель, которую можно использовать не только как стационарную батарею, но и как материал для стекол, например. Она будет не только улавливать свет, но и защищать помещение от перегрева.
Единственная причина, по которой гибридная солнечная панель из перовскита еще не завоевала весь мир – более низкая эффективность относительно кремниевых. Но, как показывают некоторые исследования, КПД можно улучшить при помощи правильно подобранного полимера. Например, швейцарские физики представили вещество FDT, недорогой материал, способный улучшать работу перовскитных батарей.
Еще одна удачная разработка – сочетание перовскита с кремнием. Используя эту методику, можно получить устройства, эффективно улавливающие и перерабатывающие УФ-лучи. Эти устройства могут быть гибкими и/или полупрозрачными. Значит, их можно использовать не только как стационарные источники энергии, но и для портативной техники, например.
Читайте также:
Плюсы и минусы перовскитных солнечных элементов
Из пентацена и сульфида свинца
В 2012 году выдающиеся физики Нил Гренхам и сэр Ричард Френд предложили новый вариант гибридного аккумулятора. От изобретенных ранее он отличается способностью преобразовывать все спектры УФ-излучения и высоким КПД. Эти аккумуляторы обладают внутренней квантовой эффективностью в 50%.
Представленная гибридная солнечная панель состоит из неорганического соединения (PbS, сульфид свинца) и полициклического ароматического углеводорода (пентацен). В этой связке PbS улавливает красную часть спектра, а пентацен – синюю, более насыщенную энергией. Благодаря взаимодействию между слоями на каждый пойманный синий фотон приходится по два электрона. Таким образом, КПД этой новинки в два раза больше, чем у других подобных устройств (обычно на один фотон приходится один электрон).
Два минуса изобретения – его сомнительная безвредность для окружающей среды и возможная недолговечность. Пентацен относится к группе соединений, способных провоцировать различные мутации и являющихся мощными канцерогенами.
Самый простой способ производства этого углеводорода – из бензола, являющегося производным нефти, запасы которой на нашей планете не бесконечны.
Недолговечность объясняется просто: пентацен склонен чрезмерно окисляться под воздействием кислорода в условиях облучения ультрафиолетом. Что, собственно, и будет происходить при эксплуатации такого аккумулятора. Так что практическое использование этой разработки находится под большим вопросом.
Наука не стоит на месте, ежедневно радуя человечество новейшими разработками в той или иной области. Так что можно надеяться, что рано или поздно появится достаточно эффективный солнечный аккумулятор, который будет и долговечным, и безвредным для окружающей среды.
Массовое производство перовскитных солнечных панелей уже в 2020 году
Долгое время казалось, что в солнечной энергетике кремнию нет альтернатив, но потом появился перовскит – более дешевый материал, из которого к тому же можно делать гибкие солнечные элементы.
Перовскитовые солнечные элементы могут быть дешевле, легче и производительнее, чем традиционные панели на основе кремния. Их можно крепить на окна, неровные поверхности и даже на транспорт, что открывает совершенно новые возможности для использования солнечной энергетики. Главная проблема на сегодняшний день состоит в том, чтобы повысить прочность перовскитовых фотоэлементов.
В прошлом году инженеры из Оксфорда зажгли лампу от тонкого солнечного элемента площадью около квадратного сантиметра. Фотоэлектрическая ячейка состояла из двух частей – нижняя была такая же, как в обычных кремниевых панелях, а верхняя была изготовлена из перовскита. Тандемная панель в лабораторных условиях показала конверсию солнечного света в электричество на уровне 28%, что является рекордом для перовскит-кремниевых элементов.
Кремниевые солнечные панели доминируют на рыке (95% от общего объема продаж), но этот материал не идеален: он использует только красную и инфракрасную часть спектра и на практике редко демонстрирует эффективность выше 23%, хотя в теории может преобразовать в электричество до 29% потока фотонов. Перовскит захватывает более широкий диапазон, а солнечные элементы из него можно изгибать и крепить на неровные поверхности.
Компания Oxford PV планирует выпустить на рынок тандемные перовскит-кремниевые панели в конце следующего года, наладив их производство на купленном в 2016 году у компании Bosch Solar заводе в Германии.
На протяжении почти десяти лет все попытки потеснить на рынке кремниевые панели новыми материалами закачивались либо полным крахом, либо отвоеванием небольших профильных ниш. Однако в последние месяцы в стартапы по производству перовскитных солнечных элементов закачаны миллионы долларов с прицелом в скором времени раскачать этот негибкий рынок.
Принимая во внимание коммерческую перспективность перовскита, приходится признать, что этим солнечным элементам придется нагонять налаженное и резко подешевевшее производство кремниевых солнечных элементов. Глобальное снижение цен (почти вполовину) произошло в период с 2010 по 2013 год в результате экспансии китайских производителей. Теперь строительство новых заводов и организация логистических цепочек окажутся экономически оправданными только в том случае, если альтернативный материал будет производительней, дешевле в производстве, универсальным в применении или более стойким, — а лучше обладать всеми перечисленными достоинствами одновременно.
У перовскитовых элементов хорошие шансы на успех: однослойный элемент теоретически может выдать конверсию 33%, а тандемный – до 43%. Это означает, что с сопоставимой по площади тандемной генерирующей установки удастся получить почти в полтора раза больше чистой энергии, чем от кремниевой солнечной панели, или же платить за аренду земли меньше благодаря установке панели меньшей площади, но с сопоставимой производительностью.
Перовскитовые панели дешевле в производстве, в том числе благодаря низкотемпературной технологии. Кроме того, такие солнечные элементы можно изготовить в жидкой форме для нанесения на стекло или пластик по технологии, аналогичной печатному производству.
Единственным, но критическим недостатком перовскита является его нестабильность: высокая конверсия экономически не оправдает себя, если элементы придется менять раз в несколько месяцев или даже лет, а перовскит, как доказано, распадается достаточно быстро под действием ультрафиолета и влаги. Разработчики из Oxford PV планируют выводить тандемные перовскит-кремниевые элементы на рынок в коммерческом виде, приближенном к традиционным кремниевым панелям, пряча перовскитовый слой под стекло. В такой форме материал должен сохраниться дольше, однако одновременно будет утрачено важное коммерческое достоинство перовскитовых элементов – гибкость и возможность нанесения на разные поверхности.
Обзор новинок солнечной энергетики, представленные на выставке ISH 2019. | Блог SolarSoul
Отдельного обзора заслуживают новинки солнечной энергетики, представленные на выставке ISH 2019. Напомним, выставка состоялась во Франкфурте с 11 по 15 марта и собрала все самое передовые технологии рынка климатической техники и энергосбережения.
Мы уже писали об интересных новинках и тенденциях выставки, предлагаем ознакомится: Общие впечатления и фотообзор наиболее интересных экспозиций ISH 2019.
Фотоэлектрические системы
Всеобщая популярность фотоэлектрических систем так же отразилась и на участниках рынка тепло водоснабжения, вентиляции и энергосбережения. Все больше компаний HWAC индустрии добавляют и расширяют ассортимент солнечных панелей и сопутствующего оборудования. Компании лидеры рынка, такие как Viessmann, Vaillant, Nibe, Kermi и др. рассматривают это направление как часть общей концепции энергоактивного дома в различных комбинациях с климатическим оборудованием.
Vaillant предлагает на данный момент фотоэлектрические панели из моно- или поликристаллического кремния, бытовые инверторы и модульные аккумуляторы электроэнергии с шагом от 2 до 12 кВт.
Гибридная система Kermi совместно с Fenecon объединяющая в себе систему хранения электроэнергии и тепла
Vieesmann имеет в ассортименте поли и моно кристаллические модули и системы хранения Vitocharge от 3,7 до 13,8 кВт
Солнечные батареи от шведского производителя NIBE могут быть источником энергии для теплового насоса
Гибридные системы
Как и для систем климатизации здания тренд гибридных систем захватывает солнечную энергетику. Вместо того что бы выбирать кому достанется место под солнцем, многие компании предлагают гибридные решения. Солнечные коллекторы PVT объединяют в себе солнечный коллектор для производства тепловой энергии и солнечную панель для генерации электричества.
Гибридный солнечный коллектор PVT от молодого французского бренда Dual Sun с уникальной конструкцией абсорбера
Гибридная солнечная панель от Abora с повышенной производительностью электроэнергии
Ensol так же представил гибридный солнечный коллектор PVT
Новое покрытие для абсорбера
Компания Alаnod, являющаяся лидером рынка по производству абсорберов для солнечных коллекторов в Европе, презентовала абсорбер с новым покрытием miritherm CONTROL, снижающим температуру при перегреве. Эта функция позволяет снизить риски возникновения стагнации. По словам производителя, ноу-хау должно снизить температуру стагнации плоских коллекторов примерно на 40 ° C.
С 2014 года только у Viessmann была подобная собственная разработка THERMPROTECT, принцип которой был основан на изменении структуры абсорбирующего покрытия при высоких температурах. Это позволяет отражать избытки тепла и предотвращать процесс стагнации в коллекторе.
Основные типы покрытий производимые Alanod
Солнечный коллектор с новым абсорбером от Alanod с функцией защиты от стагнации
Новая конструкция солнечного коллектора для ГВС
Один из Европейских грандов солнечной энергетики, австрийская компания GreenOneTec презентовала абсолютную новинку, солнечный коллектор для нагрева воды SUNPAD. Солнечный коллектор SUNPAD конструктивно объединяет в себе бак аккумулятор и солнечный коллектор.
В основном пространстве коллектора находится 150 литров антикоррозионной жидкости, являющейся накопителем тепла. В этом пространстве проложен змеевик с ребристой поверхностью который отдает тепло воде в проточном режиме.
Солнечный коллектор Sunpad
Принцип действия солнечного коллектора Sunpad
Конструкция солнечного коллектора SunPap
Солнечный коллектор возможно дооснастить ТЭНом мощностью 1 кВт для защиты от замерзания. Этот коллектор сразу может быть оснащён крепежным комплектом для плоской крыши. По замыслу производителя коллектор является простым и доступным решением, не требующим сложной и дорогой системы для покрытия нужд ГВС в небольших объемах.
Поделиться «ISH 2019 Новинки солнечной энергетики»
Рекомендуемые статьи
Новое поколение солнечных панелей будет из органических полупроводников
Георгий ГоловановДве команды американских физиков разработали стратегию производства устройств для преобразования света в электричество с помощью органических полупроводников и «освобожденных» электронов.
1156
Органические полупроводники могут снизить стоимость электронных устройств и открыть новые методы их производства. Однако, у этих материалов есть определенные ограничения, которые не позволяют печатать из них электронику или солнечные панели на струйном принтере, пишет EurekAlert.
«У этих материалов электрон обычно привязан к своему аналогу, отсутствующему электрону, который называют дыркой, и не может двигаться свободно, — говорит профессор Чань Вайлунь из Университета Канзаса. — Так называемые „свободные электроны“, которые беспрепятственно блуждают в материале и проводят электричество, редки и с трудом генерируются абсорбцией света. Это затрудняет использование этих органических материалов в солнечных панелях».
Поэтому основной задачей ученых в деле разработки органических полупроводников для фотоэлементов, световых датчиков и другой оптоэлектроники стало «освобождение электронов».
Двум командам физиков удалось эффективно сгенерировать свободные электроны из органических полупроводников в сочетании с одноатомным слоем дисульфида молибдена, недавно открытого двухмерного полупроводника. Этот слой позволил электронам вырваться из дырок и двигаться свободно.
При помощи сверхбыстрых лазеров, фотоэмиссионной спектроскопии и переходного поглощения света исследователи смогли реконструировать траекторию электронов и определить условия эффективного образования свободных электронов.
Совместная работа двух команд ученых позволила создать стратегию производства устройств, с высокой эффективностью преобразующих свет в электрический ток.
Прорыв в эффективности органических полупроводников совершили в начале года шведы. Им удалось вдвое повысить КПД этих устройств, которые могут найти применение в OLED-дисплеях для современных смартфонов.
Facebook115Вконтакте6WhatsAppTelegram