Солнечная энергия + Ученые

Система, получившая название интегрированная в воздушный шар фотоэлектрическая система (BIPVS), предназначена для решения проблем, с которыми сталкиваются современные технологии солнечной энергетики, особенно в северных широтах, где снег может блокировать солнечные панели. Новый подход предлагает децентрализованный метод генерации солнечной энергии, который может эффективно работать в любых условиях.

Концепция BIPVS заключается в том, что воздушный шар поднимается в атмосферу с установленным солнечным коллектором, который передает произведенную электроэнергию на землю через электрический кабель. Шар использует гибридную конструкцию, обеспечивая подъем за счет смеси воздуха и гелия. Верхняя часть шара выполнена из прозрачного материала, который усиливает солнечные лучи, а нижняя половина оснащена светоконцентрирующими элементами, что позволяет сократить площадь, занимаемую солнечными панелями, без потери эффективности.

Защита фотоэлектрических элементов от неблагоприятных погодных условий, таких как дождь и снег, а также механических повреждений обеспечивается их расположением в нижней части шара. Для поддержания необходимого давления внутри конструкции предусмотрен выпускной клапан для газообмена. Четыре троса стабилизируют шар, а веревка и электрический кабель соединяют его с землей. Важно, чтобы шар находился на достаточной высоте для избежания затенения от окружающих объектов.

Команда исследователей провела тестирование системы и моделирование ее работы в пяти крупных городах мира. Результаты показали, что среднемесячное производство электроэнергии одним воздушным шаром составляет от 3,5 до 4 ГВт-ч. При необходимости можно гибко увеличивать объем энергии за счет использования нескольких воздушных шаров, что позволяет удовлетворять потребности конкретных мест.

Швейцарская компания Sun-Ways получила зеленый свет на трехлетний пилотный проект в западном кантоне Невшатель, который должен начаться весной 2025 года.

Поскольку климатический кризис требует ускорить переход Европы на новые источники энергии, разработчики видят новый потенциал в необычных поверхностях.

На обочинах дорог, водохранилищах и фермах нашлось место для солнечных систем, а другие компании экспериментируют с установкой фотоэлектрических элементов на железнодорожные шпалы.

Но Sun-Ways первой запатентует съемную систему при помощи EPFL, швейцарского федерального технологического института в Лозанне.

«Это будет первый случай, когда солнечные панели будут установлены на железнодорожном полотне, по которому проезжают поезда», - сказал генеральный директор Sun-Ways Джозеф Скудери.

Очень важно, чтобы панели можно было снимать, поскольку железнодорожные пути время от времени необходимо расчищать для проведения необходимых ремонтных работ».

Как солнечные панели устанавливаются на железнодорожные пути?

Швейцарская компания будет использовать механическую систему для установки съемных солнечных панелей. Поезд, разработанный швейцарской компанией по обслуживанию путей Scheuchzer, будет двигаться по рельсам, устанавливая по пути фотоэлектрические панели. Это «как разворачивающийся ковер», - говорят в Sun-Ways.

Специально разработанный поезд использует поршневой механизм для разворачивания метровых панелей, предварительно собранных на швейцарской фабрике. Утверждается, что в день можно установить до 1 000 м2 солнечных панелей.

Получение разрешения от властей оказалось нелегким делом. В прошлом году Федеральное управление транспорта отклонило запрос в качестве меры предосторожности, но после десяти месяцев строительства и тестирования прототипов Sun-Ways получила разрешение на применение технологии на открытой линии в Невшателе.

В течение трехлетнего этапа испытаний 48 панелей будут установлены на 100-метровом участке пути, обслуживаемом компанией общественного транспорта кантона transN, и обойдутся примерно в 585 000 швейцарских франков (623 000 евро).

Электроэнергия, произведенная фотоэлектрической системой, будет подаваться в электросеть и использоваться для питания домов, поскольку ее подача на железную дорогу была бы более сложным процессом.

Сколько энергии могут производить солнечные панели на железнодорожных линиях?

У стартапа большие амбиции в отношении своей эко-инновации. Теоретически панели могут быть установлены на всей железнодорожной сети Швейцарии протяженностью 5 317 километров. Фотоэлектрические элементы покрыли бы площадь размером с 760 футбольных полей.

Очевидно, что нет смысла протягивать солнечный ковер в туннели.

По оценкам Sun-Ways, национальная железнодорожная сеть может производить один тераватт-час (ТВтч) солнечной энергии в год, что эквивалентно примерно 2 процентам от общего потребления энергии в Швейцарии.

Помимо Швейцарии, компания участвует в аналогичных проектах, планируемых в Испании, Румынии и Южной Корее.

«В мире существует более миллиона километров железнодорожных линий», - сказал соучредитель Sun-Ways Баптист Даничерт.

«Мы считаем, что 50 процентов железных дорог в мире могут быть оборудованы нашей системой».

Однако компании еще предстоит многое доказать в рамках своего пилотного проекта. Международный союз железных дорог ранее выражал обеспокоенность тем, что панели могут иметь микротрещины, привести к повышенному риску пожаров в зеленых зонах и даже отвлекать машинистов поездов своими отражениями.

Компания Sun-Ways заявила, что ее панели более прочные, чем обычные, и могут иметь антибликовый фильтр, чтобы не попадать в глаза машинистам.

Встроенные датчики также обеспечивают их правильную работу, а щетки, прикрепленные к концу поезда, могут удалять грязь с поверхности панелей.

Некоторые отмечают, что лед и снег могут помешать использованию горизонтальных панелей, но у Sun-Ways есть ответ и на этот вопрос. Компания работает над созданием системы для растапливания замерзших осадков.

Десятки солнечных элементов в начале дня передаются ученым, которые приступают к экспериментам: настраивают их состав, испытывают на стресс в климатических камерах и приближают микроскопы, чтобы отделить хорошие элементы от плохих. 

Их секретный ингредиент? Перовскит, кристаллическая структура, которая повышает эффективность солнечных панелей при наложении на традиционные кремниевые элементы.

Компания Oxford PV, возникшая на основе исследовательского проекта Оксфордского университета и имеющая завод в окрестностях Берлина — лидер в производстве тандемных солнечных батарей на основе перовскита и кремния.

Сейчас Oxford PV пожинает плоды опережающего развития перовскита, имея широкие права на интеллектуальную собственность и заключив сделку с американской коммунальной компанией.

Никого не нужно убеждать в том, что будущее за солнечной энергией. Помимо того, что солнечная и ветряная энергия лучше для климата и энергетической безопасности, сейчас они являются самыми дешевыми способами производства электроэнергии почти в каждой стране.

Но традиционные кремниевые солнечные батареи уже на пределе своей эффективности - около 26 процентов солнечного света преобразуется в электрическую энергию. 

«Мы находимся в середине последней волны умирания солнечной энергетики, будь то в Европе из-за китайской конкуренции или в США из-за провала некоторых новых тонкопленочных фотоэлектрических компаний», - сказал генеральный директор Oxford PV Дэвид Уорд.

В последнее десятилетие мало кто оспаривал позиции кремния - а это зачастую минимальный срок, необходимый для прорыва новой инновационной технологии».

Основанная в 2010 году компания Oxford PV только сейчас видит, как коммерческий мир просыпается к потенциалу перовскита на кремнии, для которого она достигла мирового рекорда эффективности ячейки в 29,5 процента в 2020 году.

С тех пор в перовскито-кремниевом тандеме появилось, по словам Уорда, «множество компаний», которые в основном играют в догонялки.

«Переломный момент наступает очень быстро, и так было во всей фотоэлектрической промышленности во всех поколениях кремния», - добавляет Уорд.

Перовскит - это органический минерал, открытый в России в 1800-х годах, который был назван в честь минералога Льва Перовского. Он также описывает кристаллическую структуру этого типа минерала, который может содержать различные атомы.

Перовскит в Oxford PV производится машинным способом (что делает его дешевым) и является полупроводниковым материалом, хорошо подходящим для сбора солнечного света, объясняет заместитель директора по технологиям Эд Кроссланд.

В обычной солнечной батарее кремниевые слитки нарезаются на очень тонкие пластины и раскладываются так, чтобы покрыть максимально широкую площадь. Затем добавляются металлические контакты, которые активируют кремниевый материал. В общей сложности в панель помещается около 60 ячеек.

Для тандемных ячеек перовскит покрывается сверху еще более тонким слоем (около 1 микрона против 150 микрон кремниевой пластины), что фактически создает две ячейки в одной. Перовскит невидим невооруженным глазом, но поглощает более высокий спектр солнечной энергии, чем может принять кремний.

Вырабатывая больше энергии на панель, «перовскит на кремнии - это следующая технологическая идея, которая поднимет солнечную энергетику выше, чем это может сделать только кремний», - говорит Кроссланд. Если теоретический предел эффективности кремния составляет 29 процентов, то тандемный элемент может достичь 43 процентов.

Дополнительные затраты на добавление перовскитового слоя с лихвой перекрываются стоимостью этой дополнительной энергии, объясняет Уорд, что делает ее «несомненной» для коммерческих партнеров.

О своем интересе к перовскитовым солнечным панелям заявили самые разные потребители - от домовладельцев до крупных коммунальных компаний.

В сентябре 2024 года компания Oxford PV поставила свои панели неизвестной американской коммунальной компании в рамках первого в мире коммерческого развертывания перовскитной тандемной солнечной технологии.

Панели устанавливаются в углу нового солнечного поля и контролируются, чтобы американская компания могла сравнить их преимущества.

Помимо «основного» производства для солнечных крыш и полей, завод Oxford PV в Бранденбурге может выпускать ячейки для более специализированных применений, например, для авиации.

В китайской провинции Ганьсу завершается строительство солнечной электростанции. Ее особенность в использовании сразу двух башен для приема тепловой энергии от массива зеркал. Это позволит оптимально использовать свет Солнца в течение всего дня.

Электростанция спроектирована по классической схеме – поле гелиостатов из 30 тыс. зеркал окружает центральную башню и направляет отраженный солнечный свет на приемник. Там находится емкость с минеральной солью, которая плавится под действием полученного тепла. Расплав передает энергию на рабочую жидкость, которая превращается в пар и вращает турбину генератора.

Вторая башня электростанции расположена таким образом, чтобы в определенные часы светового дня зеркала передавали на нее большую часть световой энергии. Первая башня в это время «отдыхает», что снижает износ оборудования и повышает КПД всей системы. Расчетные показатели: + 24 % эффективности. Ожидается, что новая электростанция сможет вырабатывать 1,8 млрд кВт⋅ч в год.

Наука Космос Технологии 🐼 https://t.me/Science_techno_progress

Самые захватывающие открытия в сферах: науки, космоса и технологий

Здесь выкладываю старые посты, чтобы дать им 2 жизнь, прошу подписаться и там и здесь).