27 июн. 2008 г.

Новые проекты по преобразованию энергии Солнца

Недавно компания Nextek Power Systems объявила о предстоящем вводе в эксплуатацию системы по преобразованию солнечной энергии в электрический ток, напрямую соединенной с электроприводами Allen-Bradley PowerFlex серии 700. Эта система в свою очередь интегрирована в систему нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) здания муниципалитета города Хемпстеда.

Расположенная в южной части здания энергетическая система с 260 солнечными батареями и мощностью 40 кВт, питает электроприводы Allen-Bradley без каких-либо модификаций основного оборудования. В течение светового дня солнечная фотоэлектрическая энергия приводит в действие два мотора, плавно переключающиеся при заходе солнца на питание от местной электросети переменного тока. Электрическая эффективность сопрягающей фотоэлектрической системы Nextek Power Gateway составляет 98%.

В настоящее время может использоваться меньшая фотоэлектрическая установка для выработки нужного количества киловатт-часов. Это существенно снижат объем предварительно вносимых капитальных затрат, и наряду с экономией средств на электроснабжение от местной энергосистемы, уменьшением платежей по требованию и прочими преимуществами, связанными с управлением всей системой, повышает для городских властей рентабельность инвестиций с 30 до 40%.

Сопрягающая система Nextek Power Gateway напрямую соединяет производимую на месте энергию и энергию из электросети с электронными загрузочными системами здания. Разработанная компанией Nextek технология прямого соединения обеспечивает высокоэффективное, гибкое и бесперебойное питание электросети постоянного тока здания.

Источник

24 июн. 2008 г.

Патент на полезную модель "Фотоэлектрическая солнечная батарея"

На днях я вместе с коллегами получил патент на полезную модель "Фотоэлектрическая солнечная батарея". Патент имеет номер №32385, и 12 мая 2008 года был зарегистрирован в Государственном реестре патентов Украины на полезные модели. Хорошее дополнение к моим публикациям на эту же тему.

20 июн. 2008 г.

Дефекты конструкции кремниевых ФЭП

К исходным дефектам структуры фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) относятся агломераты точечных дефектов, дислокации и их скопления, планарные дефекты типа двойников, дефекты упаковки, границы зерен, а также преципитаты и микродефекты, которые расположенные внутри зерен, макродефекты материала и т.п. Отклонение в ходе проведения технологических операций, загрязнение поверхности и объема полупроводникового материала, жидких и газообразных технологических сред, термические и механические процессы также приводят к появлению и развитию дефектов, связанных с несовершенствами конструкции ФЭП.

Лукомский Д.В., Монаков С.В., Ленков С.В. СИЭТ-6, 2005 г.

15 июн. 2008 г.

Солнечное будущее мировой энергетики

Как известно, эффективность современных солнечных батарей во многом ограничена из-за того, что они не могут преобразовывать в электричество свет с низкой частотой и, соответственно, низкой энергией излучения. Другими словами, фотоны, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны полупроводникового материала фотоэлектрического преобразователя, вообще не дают вклада в генерацию электрического тока в нагрузочной цепи солнечного элемента. А те фотоны, энергия которых превышает энергию ширины запрещенной зоны полупроводника, отдают только часть своей энергии на генерацию электрического тока. Оставшаяся часть энергии, превышающая энергию запрещенной зоны, рассеивается на колебаниях кристаллической решетки полупроводникового материала и относится к тепловым потерям.

Ключом к решению описанной выше проблемы может стать своеобразный технический “обман”. Необходимо сделать так, чтобы весь спектр излучения, падающего на поверхность солнечного элемента, преобразовывался в монохромное излучение, т.е. излучение с заданной длиной волны и энергией. В том случае, если энергия такого монохромного излучения будет равной энергии запрещенной зоны полупроводника, то энергетические потери в фотоэлектрическом преобразователе будут сведены к минимуму.

Усилия многих научных лабораторий мира направлены на то, чтобы позволить солнечным батареям работать с более широким диапазоном волн. Можно вспомнить интереснейшие работы по созданию полупроводниковых материалов с расщеплёнными полосами поглощения и солнечных батарей на их основе, преобразующих в ток фотоны сразу нескольких частот. Эти, давно начатые, работы продолжаются до сих пор, и успехи есть, но массового продукта на основе этой технологии пока нет.

Другой метод повышения эффективности батарей заключается в фильтрации излучения таким образом, чтобы на поверхность полупроводника падали только фотоны нужной частоты, которые он мог бы эффективно перерабатывать в электричество. Таковы, к примеру, голографические солнечные батареи.

Но, оказывается, возможен совсем иной подход к решению этой проблемы – технически абсолютно иной и очень изящный. Представьте, что некая система или некий процесс будут преобразовывать все фотоны падающего солнечного света в фотоны только одной частоты, той оптимальной, на которую рассчитан фотоэлектрический преобразователь. Тогда эффективность работы солнечной батареи можно было бы поднять до небывало высокого уровня.

В этом направлении очень интересные опыты провела недавно объединённая команда физиков из Института исследования полимеров Макса Планка в Майнце и лаборатории материаловедения Sony в Штутгарте. Исследователи направляли на ёмкость с особым жидким раствором луч зелёного цвета, а на выходе получали луч уже синего света. При этом важно отметить, что этот процесс, при котором два фотона низкой энергии преобразовывались в один высокоэнергетический фотон, ранее демонстрировался лишь с лазерными лучами, причём при высокой плотности энергии в пучке. Теперь же учёные продемонстрировали тот же эффект уже с обычным светом, так как их конечная цель – это преобразование солнечных лучей, падающих на фотоэлектрическую батарею.

Как все-таки работает описанный выше «синтез» фотонов? В растворе, созданном экспериментаторами, присутствуют два вида специфических молекул: так называемые “антенны” и “эмиттеры”. Молекула-антенна захватывает фотон с частотой, соответствующей зелёному свету, и переходит на более высокий энергетический уровень. Однако находится на нём не так уж долго, а отдаёт эту энергию молекуле-эмиттеру, как только та окажется поблизости. Отдав квант, антенна возвращается в невозбуждённое состояние, чтобы принять очередной фотон, а вот эмиттер перепрыгивает на высокий энергетический уровень и ждёт. А ждёт он, когда рядом окажется ещё одна такая же молекула-эмиттер, и тоже в возбуждённом состоянии. Тогда одна из них отдаёт энергию второй, после чего возвращается на исходный энергетический уровень. Второй же эмиттер, стало быть, получает уже энергию двух, так сказать, “зелёных фотонов”, которую излучает одной порцией в виде единственного “фотона синего цвета”.

Таким образом, энергия никуда не исчезает и не откуда не добавляется. Ровно сколько ватт излучения упало на единицу поверхности солнечного элемента в секунду, столько же и будет излучено на выходе из преобразователя излучения, но уже на другой частоте. Процесс этот чем-то напоминает те процессы, которые происходят в рабочем теле лазера, только речь идёт не о лазерном излучении, а об обычном свете.

Чтобы всё работало без потерь энергии, учёным пришлось поломать голову, подбирая подходящие вещества для антенн и эмиттеров. На эти роли подошли октаэтилпорфирин платины и дифинилантрацен. И это — только для зелёно-синего преобразования частоты. Однако авторы работы говорят, что в раствор можно ввести целый комплекс разных антенн и эмиттеров, подобрав их так, чтобы они реагировали на разные частоты падающего света, а излучали — причём все, — только одну частоту. Тот же синий свет, к примеру.

Представьте, что на такую установку падает белый цвет, а выходит синий, но не отфильтрованный цветным стеклом (понятно, тогда интенсивность такого излучения была бы во много раз ниже), а преобразованный, с тем же количеством энергии, что содержалось в исходном свете. Если за таким преобразователем поставить солнечную батарею, то получится система с очень высоким КПД.

Правда, пока до чудо-батарей еще очень далеко. Емкость для хранения жидкого раствора не устраивает создателей по конструктивным причинам, но они утверждают, что такого же эффекта преобразования частот солнечного света можно добиться и в твёрдом растворе — добавляя подходящие антенны и эмиттеры в толщу прозрачного полимера. Это, очевидно, будет следующим этапом в развитии новой технологии, с которым проводятся эксперименты в настоящее время. Также ученые работают по подбору других веществ, чтобы научиться преобразовывать в одну частоту широкий спектр падающих лучей.

Сказать, когда солнечные батареи, оснащённые таким удивительным фильтром, появятся в магазинах – сегодня сложно. Но уже ясно, что в будущем солнечные электростанции смогут играть более весомую роль в энергетике планеты, чем в настоящее время. Думаю, что мы с вами застанем эти времена. Бум солнечной энергетики не за горами. Это я вам говорю.

Специально для сайта "Солнечная энергетика"

11 июн. 2008 г.

«Солнечный ключ» – ключ к успеху?

Солнечная энергетика шагает по планете. И в этом марше не последнее место занимают отечественные компании. Так известное всем КБ «Южное» ведет несколько интересных перспективных разработок, и об одной из них мы сегодня поговорим.

Одним из направлений развития солнечной энергетики является создание так называемых космических солнечных электростанций или сокращенно КСЭС. За последние годы предлагалось множество проектов КСЭС, основанных на приеме солнечной энергии посредством фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов). Типичный проект КСЭС предусматривает передачу мощности на Землю в виде СВЧ-излучения и имеет мощность около 5 ГВт при весе около 15 тыс. тонн.

Специалисты считают, что на сегодняшнем этапе развития техники и технологий создание конструкции КСЭС вполне осуществимо, но вот вывод ее на орбиту и последующее обслуживание в космосе пока весьма проблематично.

Анализ свойств земной атмосферы показал, что явление рефракции в земной атмосфере выше облачного слоя вызывает концентрацию солнечного излучения в космическом пространстве. Излучение концентрируется на продолжении оси, направленной из центра Солнца в центр Земли (фокальная ось) на расстоянии от 0,6 до 1,2 млн.км. от центра Земли. Степень концентрации солнечного излучения вдоль фокальной оси может составлять до 2000 раз на расстоянии 10 м от фокальной оси, до 1000 раз на расстоянии 20 м, до 500 раз на расстоянии 40 м, до 200 раз на расстоянии 100 м. Именно использование земной атмосферы в качестве концентратора положено в основу концепции КСЭС "Солнечный ключ", предложенной КБ «Южное».

КСЭС "Солнечный ключ" включает космический сегмент из отражающих и переотражающих космических аппаратов с зеркалами, отражающими концентрированное солнечное излучение; наземные приемники излучения. Отражающие космические аппараты размещены непосредственно в области концентрации. Переотражающие космические аппараты размещены в космическом пространстве над полярными областями Земли и на геостационарной орбите.

Проведенное специалистами сравнение основных характеристик типового проекта КСЭС и расчетных характеристик КСЭС "Солнечный ключ" позволяет сделать вывод о возможности создания КСЭС "Солнечный ключ" при современном техническом уровне. А нам же остается надеяться, что кроме технической стороны, такие проекты когда-нибудь станут возможными и с учетом прочих возможных плоскостей такого грандиозного проекта.

9 июн. 2008 г.

Снижение потерь энергии в ФЭП наземного применения

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы...

6 июн. 2008 г.

Фрагменты интервью с И.Е. Марончуком

ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ МАРОНЧУК — профессор, доктор технических наук, председатель Украинской ассоциации нетрадиционной энергетики, академик нескольких отраслевых академий как в Украине, так и за рубежом, лауреат Государственных премий Украины и СССР. Ему принадлежит 300 публикаций в научных отечественных и зарубежных изданиях, включая более 100 авторских свидетельств на изобретения и патенты.

Предлагаю вашему вниманию фрагменты из его интервью под названием "Как запрячь Солнце и ветер":

— Тема нашего разговора — нетрадиционная энергетика. Прежде всего определимся: какие источники энергии называют традиционными?

— Традиционная энергетика — это энергия ископаемых источников: нефти, газа, угля, ядерного топлива. Высокая концентрация энергии из традиционных источников позволяет создавать надежное и стабильное энергоснабжение, выдавать необходимое количество энергии в данный момент. К основным недостаткам этих источников энергии относится исчерпаемость. К тому же при их использовании происходит тепловое загрязнение окружающей среды и выделение парниковых газов. А еще создание мощных энергостанций приводит к высокому уровню монополизации производства энергии, к тяжелым последствиям в случае аварий на крупных агрегатах. Пример тому — ядерная катастрофа на Чернобыльской АЭС.

В настоящее время при использовании человечеством традиционных источников выделяется на 0,3% больше энергии, чем планета получает от Солнца. При достижении 1% климат Земли претерпит необратимые изменения, так как площадь ледников значительно уменьшится, а при 10% на планете наступят тропики, ледники растают. Это грозит гибелью человечества.

— Что это такое нетрадиционная энергетика?

— Это гидроэнергетика, энергия приливов, колебания волн, ветроэнергетика, солнечная энергетика, которая преобразует солнечную энергию в тепловую и электрическую. Еще существует биоэнергетика — для получения тепла и электричества используется энергия биомассы. Геотермальная энергетика — преобразующая тепловую энергию планеты в тепло и электричество. Теплонасосная энергетика — использующая низкотемпературное тепло океанов, морей, воздушных источников в тепло для обогрева домов. К нетрадиционной энергетике относят не только возобновляемые источники, но и энергию мусорных свалок и других отходов, вклад которых незначительный, поэтому, как правило, под нетрадиционной понимают возобновляемую энергетику.

Основные недостатки возобновляемых источников энергии — их малая плотность, непостоянство, несовпадение по времени поступления и потребления. Достоинства — экологически чистая возобновляемая энергия имеется в любой точке планеты. Показатель энергоотдачи велик, так как отсутствуют затраты на добычу топлива, разведку, транспортировку, хранение, рекультивацию мест добычи, сооружение мощных энергокомплексов, а также на использование природных ресурсов, изменение среды обитания, строительство очистных сооружений и многое другое.

...

— А как относятся к возобновляемым источникам энергии у нас?

— Успешное развитие экономики Украины напрямую зависит от решения вопроса обеспечения энергоносителями. Сегодня около трети валового внутреннего продукта идет на импорт энергоносителей. Украинский энергетический комплекс очень затратный. Наибольшие затраты энергии при производстве электричества, а также тепла. На конденсационных электростанциях используется 30% тепла, остальное выбрасывается в окружающую среду. Разработаны энергосберегающие программы, в основе которых — все тот же принцип «сжигать», но рационально.

В Украине возобновляемая энергетика по сравнению с другими странами находится в зачаточном состоянии. Создан институт возобновляемой энергии Национальной академии наук, центр ветроэнергетики в Киеве, налажено производство ветроагрегатов в Днепропетровске на ПО «Южмаш», солнечных фотоэлектрических модулей — на киевском предприятии «Квазар», разворачивается такое производство на фирме «Пилар» (Киев), создаются биогазовые установки на фирме «Агродар» в Николаеве. Научно-исследовательские работы по солнечным батареям на основе кремния ведутся в Институте физики полупроводников НАНУ. Разумеется, это не полный перечень предприятий и организаций, которые занимаются современными источниками энергии.

Есть примеры использования энергии Солнца для обогрева домов, подачи горячей воды в Крыму, Днепропетровске, Закарпатье. На Херсонщине в этом году смонтирован первый ветряк Южносивашской ветроэлектростанции. А всего в рамках 1й очереди установят 16 ветряков. Мощность каждого — около 100 кВт, общая мощность очереди — 1,72 МВт. Установки изготовлены на ПО «Южмаш». Конечно, «погоду» в энергообеспечении края эта ветроэлектростанция не делает. Проектная мощность Южносивашской ВЭС — около 5 МВт.

Пока что уровень как производственной, так и научно-исследовательской деятельности по возобновляемой энергетике не позволяет Украине попасть в список стран, активно занимающихся нетрадиционными источниками энергии. В Германиии, к примеру, более 20 тысяч ветроагрегатов вырабатывают электроэнергию общей мощностью свыше 10 тыс. МВт.

— Считается, что Солнце — источник энергии № 1.

— По расчетам астрофизиков, Солнце в таком режиме будет функционировать еще 4,5 млрд. лет, а с ним Земля и другие планеты. Для человеческой цивилизации это вечность. В отличие от традиционных энергоносителей солнечный свет не нуждается в добыче, транспортировке, он безвреден, бесшумен, невесом, не нарушает тепловое равновесие планеты — это безупречный энергоноситель. Переход к использованию солнечной энергии сыграет решающую роль в обеспечении стабильности мирового сообщества в ближайшем будущем, сделает нецелесообразной борьбу за ископаемое сырье, приведет к приоритету децентрализованного производства и использования энергии, продуктов питания и т. д., что позволит удовлетворить социальные нужды человечества.

Международное энергетическое агентство, которое объединяет 27 стран, приступило к реализации проекта по освоению пустыни Гоби. По всей ее площади будут установлены солнечные батареи. Если освоить только половину пустыни, то она даст столько энергии, сколько производится сегодня в мире.

Во многих странах энергия Солнца довольно эффективно используется для бытовых нужд населения. В США установлено более 20 млн. кв. м тепловых коллекторов, в Европе и Японии — 15 млн. кв. м. В Германии 450 тыс. домовладельцев имеют установки для горячего водоснабжения и отопления. На Кипре около 90% частных домов и больше 50% гостиниц оборудованы гелиоустановками.

По оценкам специалистов, на территории Украины можно использовать до 50 млн.кв.м тепловых коллекторов гелиоустановок. Солнечное излучение можно перерабатывать в «концентрированное» тепло с помощью теплоколлекторов или в электрический ток, используя фотоэлементы. Энергия Солнца пойдет на горячее водоснабжение, отопление и охлаждение домов, опреснение воды, обогрев парников, сушку сельскохозяйственного сырья. Особенно перспективно ее использование в курортной зоне.

На Херсонщине на небольшой базе отдыха «Черномор», которая принадлежит Украинскому зональному научно-исследовательскому и проектному институту по гражданскому строительству, действует гелиоустановка. Сотрудники института сконструировали ее как теплоколлектор для душевой. В основе устройства — контур из труб, выкрашенных в черный цвет, которые расположены под углом 30. Простейшее устройство. Это западные гелиоустановки снабжены насосами, следящими устройствами за движением Солнца и прочими «прибамбасами». Наша установка способна ежесуточно подогревать 3,5тыс. литров воды до температуры + 50 С, а этого достаточно, чтобы 60 отдыхающих могли принять 10-минутный душ. На подогрев 50 л воды до такой температуры расходуется около 4 кВт электроэнергии. Гелиоустановка полностью окупает себя в течение 5 лет.

Возникает вопрос: коль выгодно — так почему повсеместно не внедряется? И это при том что закон «Об энергосбережении» предусматривает налоговые льготы для предприятий и организаций, которые изготовляют и внедряют энергосберегающее оборудование и технологии. Мое мнение таково: нужно менять законодательство по использованию энергетических ресурсов.

4 июн. 2008 г.

Сделай автомобиль сам

Американская фирма Sunn предлагает для самостоятельной сборки маленький солнечный автомобильчик. Это весьма необычное транспортное средство стоит около 3000 евро и поставляется как большой конструктор (солнечные батареи в стоимость не входят).

Максимальная скорость этого "монстра" составляет 40 км/час, а запас хода - около 32 км. Сборка автомобиля занимает от 80 до 120 часов.

В США этот автомобиль даже имеет допуск к эксплуатации на дорогах. К сожалению, об экспорте этого чуда техники в Европу никаких сведений пока нет.

2 июн. 2008 г.

Солнечные батареи космического и наземного применения - основные требования

К проблеме освоения энергии солнечного света привлечено в настоящее время внимание специалистов разных научных дисциплин. Особенно большие успехи достигнуты на пути создания полупроводниковых солнечных элементов (ФЭП) и батарей различных конструкций. Все крупнее, легче и мощнее становятся солнечные батареи (СБ) космических аппаратов и станций, все шире их применение на земле, все выше КПД и разнообразнее их свойства.

Специально для сайта "Солнечная энергетика"