Новая формула солнца

Солнечные электростанции давно стали необъемлемой частью энергобаланса крупнейших экономик мира. По данным IRENA, за последние 10 лет установленная мощность солнечных электростанций мире выросла более чем в 17 раз – с 41,6 ГВт до 714 ГВт.

При этом, только в 2020г было установлено 127 Гвт новых мощностей. Производство солнечных панелей в мире, соответственно, также неуклонно растет. По данным американской консалтинговой компании Clean Energy Associates (CEA), глобальные мощности по производству самих солнечных панелей к концу 2021 года достигали примерно 400 ГВт, а мощности по выпуску новых элементов для панелей составляет 325 ГВт.

Больше солнца и технологий!

Рост спроса на солнечную энергию, порожденный стремлением дифференцировать источники получения энергии и частично заменить ископаемые энергоресурсы, поставил перед разработчиками панелей несколько важных технологических задач: повышение производительности и эффективности при одновременном расширении географии и вариантов их использования.

«Существует два типа солнечных панелей: панели первого типа преобразуют солнечную энергию в тепло, а второго типа — в электричество. Первый тип уже широко используется для получения с помощью солнечного света горячей воды. Данная технология хорошо отработана и внедрена в производство. Второй тип использует фотоэлектрические элементы, и их применение переживает в настоящее время очень быстрый рост. Так, в 2020 году с помощью фотоэлектрических элементов было произведено 855 тераватт-часов (ТВтч) электроэнергии или 855 миллиардов кВтч электроэнергии. Хотя это ошеломляющая цифра, она соответствует лишь 0,5% от общего мирового потребления энергии», — отмечает лауреат премии «Глобальная энергия», заведующий лабораторией фотоники и интерфейсов Швейцарского федерального и технологического института Лозанны Михаэль Гретцель.

«Для выполнения обязательств Парижского соглашения по климату, то есть ограничения глобального потепления из-за парниковых газов на уровне ниже 2°C, необходимо увеличить к 2070 году ежегодное производство электроэнергии из солнечного света в 163 раза, т.е. до 140160 ТВтч. Хотя это и достижимо, но требует разработки новых тонкопленочных технологий, таких как перовскитные солнечные элементы, которые будут использоваться наряду с доминирующими в настоящее время на рынке традиционными кремниевыми элементами», — отметил он.

Технологии в стиле Twix

Новаторским решением в области использования энергии солнца, способным перевернуть текущие представления об гелиоэнергетике, может стать использования кремния  в тандеме с другим дополнительным материалом, поглощающим солнечные лучи.

Основной технологией производства большинства современных фотоэлектрических солнечных панелей является применение ячеек с пассивным излучателем и задним контактом (PERC). Она обеспечивает КПД модулей от 10% до 21%. Благодаря технологиям туннельно-оксидного пассивирующего контакта TOPcon, КПД гелео-модуля может приблизиться к 25%. Но чтобы выйти за рамки 20-25% КПД, нужен принципиально иной подход.

«Одним из перспективных подходов является использование тандемных элементов, которые объединяют, например, кремниевый элемент (снизу) и перовскитный солнечный элемент (сверху). Такие многопереходные элементы имеют более высокий КПД в сравнении с солнечными панелями на однопереходных элементах, изготовленных из одного полупроводникового материала. Использование тандемных элементов дает перспективу дальнейшего снижения стоимости солнечной электроэнергии, что является необходимым условием для обеспечения конкурентоспособности солнечных панелей без необходимости государственных субсидий», — подчеркнул М.Гретцель.

«Лучшими материалами для сочетания с кремнием с точки зрения эффективности являются полупроводники III-V групп, особенно GaAs, при использовании которых лабораторные образцы элементов продемонстрировали КПД более 32%, или перовскиты на основе галогенидов металлов, для которых лабораторные образцы показали эффективность в 29,8%», — отмечает эксперт «Глобальной энергии» профессор физики в Кларендонской лаборатории Оксфордского университета Генри Снайт.

«Полупроводники III-V групп до сих пор производятся с помощью очень дорогой и медленной молекулярно-лучевой эпитаксии, что делает их непомерно дорогими. Напротив, перовскиты из галогенидов металлов могут быть получены очень быстро при низкой температуре с использованием обычных процессов производства тонких пленок, что делает их очень привлекательными с экономической точки зрения», — отметил эксперт.

В перспективе, использование тандемных технологий может увеличить КПД солнечных панелей до 50%. Однако пока развитие этих технологий тормозят несоизмеримо высокие затраты на внедрение массовых разработок, пояснил М.Гретцель.

«КПД панелей на однопереходных солнечных элементах, изготовленных из одного полупроводникового материала, достигает при естественном солнечном освещении значений в 29-30 %, в то время как для многопереходных тандемных элементов КПД более высокий, достигающий при концентрированном солнечном свете значений более 50 %. Отслеживание солнца является обязательным для таких высокоэффективных элементов, но это требует дополнительных затрат», — сказал он.

По словам Г.Снайта, в мире уже создан первый стартап по внедрению тандемных технологий, результат работы которого пока не предсказуем. «Пока еще ни один тандемный элемент с перовскитом не вышел на рынок, но компания Oxford PV сообщила в прошлом году о завершении строительство завода для первой линии по производству тандемных элементов «перовскит на кремнии», поэтому следует ожидать, что эта технология станет доступной в течение года», — отметил он.

Технологии по системе «Подсолнух»

Еще одним, но уже более простым способом повышения эффективности работы солнечных панелей может стать массовое внедрение технологий солнечных трекеров, которые подобно природным механизмам у подсолнуха, поворачивают панели вслед за солнцем. Специальная программа учитывает местоположение панели (координаты и высоту), просчитывает, где именно будет находиться солнце в каждый отрезок времени, и, исходя из этого, трекер поворачивается в наиболее выгодное положение. Это позволяет увеличить эффективность использования солнечных панелей примерно на 25-30%, а в некоторых регионах — на целых 40-50% по сравнению с модулями с фиксированным углом. На сегодняшний день применяются как простые одноосные, так и двухосные трекеры.

Но, как отметил Г.Снайт, сейчас идут разработки по внедрению трехосных трекеров. «Для расширения временных границ выработки электроэнергии с раннего утра и до позднего вечера можно использовать трехосный механизм слежения за солнцем или просто устанавливать модули на фиксированной оси с чередующейся ориентацией восток-запад. Последняя конфигурация позволяет получить фактически одни из самых высоких значений выходной мощности на квадратный километр», — отметил он.

Впрочем, подобная технология, повышая эффективность работы солнечной панели, сама по себе является энергозатратной.

Мороз и солнце, день чудесный

Популярность солнечных батарей приводит к постепенному расширению географических границ их использования. Еще несколько лет назад считалось, что гелеоэлектростанции – это удел лишь солнечных стран с мягким климатом. Поэтому стандартной базовой температурой работы солнечной панели считается 25°C. Однако сейчас все активнее внедряются технологии по их использованию в экстремальных условиях морозной Арктики или жарких пустынь.

«Солнечные панели могут работать в любых условиях, в них нет движущихся частей, а солнечные электростанции спроектированы так, чтобы выдерживать суровые погодные условия. Однако количество генерируемой энергии прямо пропорционально количеству солнечного света — как рассеянного, так и прямого — и понятно, что в ненастный пасмурный день яркость будет ниже», — отмечает Г.Снайт.

«Все солнечные панели снижают эффективность при повышении температуры, а оценка их КПД проводится с помощью температурного коэффициента, который соответствует процентному снижению КПД при повышении температуры на 10°C. Поэтому в периоды экстремальной жары происходит снижение полного КПД, но при этом данные периоды сопровождаются обычно ярким солнечным светом, поэтому выходная мощность солнечной электростанции будет высокой. Эти факторы легко учесть, но надо знать, что разные технологии имеют разные температурные коэффициенты: от -0,4% для худшего случая до -0,25% для лучшего», — пояснил эксперт.

«Низкие температуры, напротив, благоприятны для солнечных панелей. При них они работают намного эффективнее. Также необходимо учитывать, что все они проходят циклические испытания в диапазоне температур от -40 до +85°C, поэтому сильные морозы не должны быть проблемой. Двухсторонние солнечные панели, позволяющие поглощать отраженный солнечный свет на тыльной стороне, также будут генерировать энергию и нагреваться при покрытии снегом их лицевой стороны. Преимуществом данных панелей заключается в том, что снег, соприкасающийся с панелью, тает в достаточной степени для своего соскальзывания, в результате чего панели «самоочищаются»,- добавил Г.Снайт.

«Солнечные панели широко используются в северных широтах. Они выдерживают большие колебания температур, характерные также для космоса. Однако они должны иметь надежную оболочку, предотвращающую попадание внутрь воды, которая при замерзании может повредить элементы. Кроме того, существуют определенные типы солнечных панелей, использующие, например, сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые особенно хорошо работают при освещении, значительно ниже наибольшей интенсивности солнечного излучения», — отметил М.Гретцель.

Водород в помощь

Решить проблему краткосрочных перепадов выработки электричества во время пасмурных, ненастных дней возможно за счет повсеместного внедрения систем хранения электроэнергии. Однако в Арктике есть еще один природных феномен — полярный день, чередующийся с полярной ночью. В этих условиях ни одна современная аккумуляторная система не справляется. Но помощь могут прийти новейшие водородные технологии.

«Проблема, возникающая при широком внедрении солнечных панелей, заключается в отсутствии в энергосистеме дополнительных мощностей, обеспечивающих ее адаптацию к большим колебаниям поступающей в нее электроэнергии из-за значительных суточных и сезонных перепадов производимой солнечной энергии. Одним из способов решения этой проблемы является децентрализованное производство электроэнергии и преобразование ее в солнечное топливо. При использовании данного подхода с помощью солнца электричества может быть получен водород, ключевой вектор развития чистой энергии будущего, используемый в дальнейшем для создания электрохимических элементов», — сказал М.Гретцель.

«Другими словами, солнечные панели будут генерировать много энергии полярным летом и явно не будут производить ее полярной зимой. В этом сценарии они должны быть объединены с производством «зеленого» водорода путем электролиза воды, который затем сжигается на обычной (но соответствующим образом адаптированной) газовой электростанции в зимние месяцы или используется для питания топливных элементов», — добавил Г.Снайт.

Ни пяди лишней земли

Одним из минусов солнечных электростанций, по которому они серьезно проигрывают, например, АЭС, является необходимость выделение больших незанятых площадей земли. Если все 100% мировой энергии будет вырабатываться солнечными панелями с КПД модуля в 20%, требуется от 1% до 2% всей земной суши. Это сопоставимо с долей земли, покрытой сегодня дорогами, правда, намного меньше площади, используемой для сельского хозяйства, которая приближается к 50%. Новые технологии создания панелей позволят снизить количество занимаемых площадей.

«Переход ко все более и более высокой эффективности очень важен для минимизации использования площадей, необходимых для фотоэлектрических систем. С такими технологиями, как тандемные или «трехпереходные» элементы, в течение следующих двух десятилетий мы ожидаем, что модули будут иметь КПД, близкий к 40%. Это в два раза превышает современный средний КПД модулей и, следовательно, сразу же уменьшит требуемое использование земли вдвое. Кроме того, развертывание трехосного отслеживания или, возможно, плотно расположенных модульных массивов, ориентированных на восток/запад, еще больше увеличит плотность энергии и, следовательно, уменьшит требуемую для использования площадь», — сказал Г.Снайт.

Таким образом, применение новых технологий развития солнечных панелей позволяет решить не только проблему их более дешевого и эффективного использования, но и улучшить экологические условия на Земле.

«Использование земли, уже предназначенной для строительства зданий, дорог и других техногенных объектов, также является ключевой стратегией минимизации любого негативного воздействия на окружающую среду и землепользование. Кроме того, двойное использование земли для ведения сельского хозяйства и производства электроэнергии в «агроэнергетике» также является прогрессивным средством сведения к минимуму нашего негативного воздействия на планету Земля», — резюмировал эксперт.