Вслед за солнцем. О гелиотропии и подвижности солнечных батарей
Солнечные батареи кажутся мне одним из самых интересных изобретений XIX века, значительно опередивших свое время. В них сочетается простейшая, бионическая по сути идея (будем ловить солнечную энергию напрямую, как это делается в солнечных листьях) и монструозная материально-техническая составляющая, пока во многом девальвирующая эту идею. Солнечные батареи оказались громоздким, недолговечным и уязвимым источником энергии. А с учетом мер по их переработке и захоронению они, к тому же, и не слишком экологичны. Но, в конце концов, солнечные батареи отлично прижились как на «Мире», так и на МКС — поскольку лучше всего подходят для работы в космосе. Ведь там нет ни облачности, ни пыли, ни снега, а главное — нет иных источников энергии, зато круглый год светит солнце, и лучи его не рассеиваются в атмосфере за неимением таковой. Но на поверхности Земли технология солнечных батарей по-прежнему страдает от множества «детских болезней». Интересное направление НИОКР, значительно повышающее эффективность солнечных батарей — дальнейшее обогащение их подлинно растительными чертами. Правильная солнечная батарея должна быть гелиотропом — то есть, поворачиваться в течение суток, следуя за солнцем. Также она должна сворачиваться в плохую погоду, как цветок. Именно о таких разработках пойдет речь под катом.
Исторический контекст
В течение XIX века вместе со множеством исследований в области электричества развивалась и фотохимия. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект, показав, что свет может напрямую превращаться в электричество. Разумеется, эффективность такого преобразования зависит от улавливающего материала. Первый рабочий образец солнечной батареи был создан в 1883 году американским инженером Чарльзом Фриттсом, изготовившим из селена первую миниатюрную солнечную панель. При этом он опирался на случайное открытие другого американского ученого, Уиллоби Смита, в 1873 году участвовавшего в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля и обнаружившего, что электропроводность селеновых стержней возрастает, если на них падает свет. КПД селеновой батареи Фриттса составлял 1%.
Тем не менее, такие устройства оставались лабораторными изысками вплоть до 1912 года, когда ими занялся итальянский химик армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичан. Тогда, выступая на 8-м Международном химическом конгрессе, он заявил:
«На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»
Таким образом, еще до первой мировой войны осознавалась важность солнца в качестве источника энергии, но широкое использование солнечных батарей оставалось невозможным до решения, как минимум, двух фундаментальных проблем:
Повышения фотохимической эффективности фотоэлемента.
Коррекции отражательных показателей батареи, так, чтобы она поглощала достаточное количество света, но при этом не перегревалась.
Кратко остановлюсь на том, из чего состоит современная солнечная батарея.
Солнечная батарея является многослойной конструкцией, состоящей (сверху вниз) из следующих элементов:
1) Рама
2) Закаленное стекло
3) Шинопроводы (электропроводящие полоски)
4) Фотоэлемент на основе кремния. Как правило, изготавливается из кварца
5) Алюминиевая подложка
6) Распределительная коробка
Итак, в 1948 году инженеры «Bell Laboratories» Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чейпин и Джеральд Пирсон продемонстрировали первую коммерчески выгодную модель солнечной батареи с КПД 6%. Уже в 1958 году солнечными батареями были оснащены первые космические аппараты — американский «Авангард-1» и советский «Спутник-3». К началу XXI века (в 2007 году) компания General Electric добилась от солнечных батарей КПД 16% и более, но фундаментальные проблемы до сих пор не позволяют этим устройствам полноценно заменить ТЭЦ и прочие генераторы электричества, работающие на ископаемом топливе. В жарких засушливых областях, которые мечтал застелить солнечными батареями Чамичан, просто живет не так много людей и не развернуто серьезной промышленности, которую можно было бы питать солнечной энергией. А в густонаселенных областях умеренного пояса не хватает свободных площадей под солнечные батареи. Кроме того, чтобы сравниться с растениями в эффективности сбора солнечной энергии, необходимо реализовать искусственный фотосинтез или его аналог, возможно — приблизить фотоэлементы по свойствам к искусственным хлоропластам, которые улавливали бы свет в максимально широком спектре.
Оптимизация солнечной энергетики
О недостатках солнечных панелей сказано немало, в частности, на Хабре и в отраслевых источниках. Они связаны преимущественно с 1) присутствием токсичных веществ в составе панелей 2) сложностью переработки панелей — в особенности по сравнению с тем, чтобы просто отвезти их на свалку, 3) крайней неравномерностью инсоляции — в некоторых регионах панели будут простаивать из-за облачности, а в других — перегреваться и требовать дополнительного отвода тепла. Тем не менее, как указал уважаемый @leventov в комментарии к вышеупомянутой хабростатье, все это — вызовы, требующие решения, но не отменяющие перспектив солнечной энергетики как отрасли. Действительно, солнечные электростанции, развернутые в регионах с жаркой и безоблачной погодой, могли бы обеспечивать энергией потребителей из умеренных широт. Великобритания готова инвестировать в солнечные электростанции в Марокко, проложив из Африки на свою территорию кабели длиной более 2500 км, чтобы к 2030 году примерно на 8% покрыть маррокансккой солнечной энергией собственные потребности в электричестве. Что касается охлаждения солнечных батарей, было бы удобно обеспечивать охлаждение за счет морской воды, и для этого развертывать солнечные фермы на искусственных островах, статью о которых я уже публиковал на Хабре. Кроме упомянутого в той статье «энергетического острова», возводимого Данией в Северном море, существует аналогичный голландский проект: остров близ Амстердама на 73500 солнечных панелей, который позволит обеспечить энергией около 8500 домохозяйств. Отличие этого острова от более ранних проектов — в использовании солнечного трекера.
Солнечные трекеры
Несмотря на прогнозы Чамичана, до сих пор не реализованы региональные мегапроекты с полями солнечных батарей в жарких незаселенных пустынях. Препятствий на пути у таких проектов немало — они связаны как с затруднениями при доставке выработанного электричества к потребителю, так и с техническим обслуживанием панелей, и даже с тем, что для их эксплуатации нужна сильная освещенность, но не слишком сильная жара. Подробнее о том, почему Сахара пока не застелена солнечными панелями, рассказано в следующем видео (на английском языке):
Поэтому пока мы наблюдаем не горизонтальное масштабирование солнечных панелей, а распределение их по домохозяйствам. Как правило, полотно обычной солнечной панели устанавливается на (скатной) крыше и запитывает дом по следующему принципу:
В этой схеме обратим внимание на то, что батарея обеспечивает дом как постоянным, так и переменным током, а также дает энергию в аккумулятор. Таким образом, в интересах владельца батареи, чтобы она накапливала энергию на протяжении всего светлого времени суток. Поэтому желательно делать панель подвижной, чтобы ее положение относительно солнца можно было менять. Именно для этого и применяются солнечные трекеры.
Можно исходить из того, что солнце движется относительно конкретной точки земной поверхности строго с востока на запад, и чем ближе к экватору — тем точнее это допущение. Но в относительно высоких широтах солнце может визуально располагаться в северном или южном полушарии неба. Следовательно, положение солнца можно отслеживать по двум осям: в направлении зенит-надир (по долготе) или по азимуту (по широте). Вот как это выглядит:
По состоянию на 2018 год в США солнечными трекерами было оснащено 70% всех новых солнечных батарей. Ценность таких устройств стала расти с удешевлением солнечных панелей. Следовательно, частный владелец может позволить себе такое солнечное полотно, от положения которого принципиально зависит объем вырабатываемой энергии.
Все существующие солнечные трекеры можно разделить на две обширные категории: одноосные и двухосные. В то время, как некоторые одноосные трекеры ориентированы только по угловой высоте солнца, другие могут отслеживать только движение солнца с востока на запад. Двухосные трекеры, в свою очередь, отслеживают солнце в обоих этих направлениях сразу.
Следовательно, двухосный трекер может значительно улучшить энергетический выход от панели, поскольку она будет практически всегда расположена перпендикулярно к падающим на нее лучам. Такие трекеры могут работать на основе фоторезистора, на основе отслеживания тени, на основе алгоритмов, либо с участием человека, который корректирует положение панели вручную. Вот как это делается с солнечной панелью российской компании «Русветер»:
В принципе, солнечный трекер для домашней солнечной панели является несложным электронным устройством, который можно самостоятельно собрать из Arduino. Здесь описана полноценная модель солнечного трекера для настольной солнечной панели:
Вот ее принципиальная схема, в которую входят:
Солнечная панель
Микроконтроллер ATmega328
Два фоторезистора (LDR)
Три потенциометра 10KΩ
Сервопривод
Чип 16MHz
Два фарфоровых конденсатора на 22 пФ
Кнопка «Пуск»
Макетная плата
Картон
Провода
Вот код с логикой работы солнечного трекера, взят из репозитория elktros.
#include
Servo myservo;
int ldr1 = 4;
int ldr2 = 5;
int val1;
int val2;
int pos=90;
void setup()
{
myservo.attach(11);
Serial.begin(9600);
myservo.write(pos);
}
void loop()
{
val1 = analogRead(ldr1);
val2 = analogRead(ldr2);
val1 = map(val1, 0, 1023, 0, 180);
val2 = map(val2, 0, 1023, 0, 180);
if(val1 > (val2+50))
{
if(pos<180)
pos=pos+1;
myservo.write(pos);
Serial.println("backward");
delay(10);
}
else if(val2 > (val1+50))
{
if(pos>0)
pos=pos-1;
myservo.write(pos);
Serial.println("forward");
delay(10);
}
} Приведенные примеры подтверждают, что при распределенном подходе к установке солнечных батарей (по потребностям каждого домохозяйства) подвижность солнечных батарей и их работа по гелиотропному принципу (следование за солнцем в суточном и сезонном ритме) приобретают принципиальное значение. Рассмотрим несколько наиболее ярких архитектурно-технических находок, реализующих такую гелиотропию.
Это вращающийся солнечный дом. Его построил для себя во Фрайбурге немецкий архитектор и экоактивист Рольф Диш. На снимке заметно, что на крыше дома установлены солнечные панели. Сам дом в течение года медленно вращается, подставляя панели солнцу, но и они сами по себе являются подвижными и могут автоматически менять угол, исходя из данных солнечного трекера.
Солнечные панели этого дома с расчетной мощностью 6,6 кВт каждая производят примерно в 5–6 раз больше энергии, чем требуется на обеспечение здания, поэтому дом даже позволяет запасать избыточную энергию. Батареи вращаются независимо от здания не только для оптимизации освещенности, но и для того, чтобы они могли противостоять сильному ветру.
Более совершенным решением является австрийская разработка Smartflower.
Это мобильная система, которая может устанавливаться во дворе или на крыше. Ее солнечные панели складываются или раскрываются подобно цветку. Устройство работает без выделенного солнечного трекера; солнце отслеживается по GPS, мощность базового образца составляет 3,2 кВт. Умный цветок реагирует на облачность, силу ветра и на наступление ночи (частично или полностью сворачивая лепестки в зависимости от погоды или времени суток). Работает при температуре лопастей от -20 до +60 градусов. Также цветок обладает функцией самоочищения. Производитель предлагает три разновидности этой установки:
корпоративная (энергетическая «клумба» может опоясывать производственный комплекс и управляться как в ручном режиме, так и автономно, по показаниям датчиков)
домашняя. Поскольку на крыше или во дворе можно установить один-два умных цветка, они рассчитаны на аккумулирование энергии, в первую очередь в качестве резервного источника энергии, не предполагающего отключение дома от коммунальных электросетей
автомобильная. Облегченная установка действует исключительно как аккумулятор и зарядка для электромобиля. Вот как она действует в динамике:
Еще одна альтернатива плоской солнечной батарее, появившаяся в 2022 году — это вращающийся солнечный конус V3Solar. Он работает вот так:
Такой прибор генерирует на 20% больше солнечной энергии, чем плоская солнечная панель. Более того, за счет быстрого вращения конус не перегревается и, соответственно, фотоэлементы не выгорают, дольше сохраняя работоспособность. Вообще V3Solar обладает следующими преимуществами:
Благодаря вращению, в конусе возникает «стробоскопический» эффект. Из-за этого фотоэлементы конуса быстрее отдают электроны и, следовательно, производят больше электричества.
Фотоэлементы оснащены специальной оптикой. С одной стороны, стекло защищает фотоэлементы от перегрева, но, кроме того, состав стекла подобран так, чтобы фотоэлементы улавливали солнечную энергию в максимально широком спектре.
При помощи обычного инвертора конус может генерировать переменный ток.
Конус V3Solar устойчив сам по себе. Соответственно, не требуется никакой рамы или опор, на которые он бы устанавливался. Его можно установить на ровной поверхности и просто подключить проводами к тому устройству, которое мы собираемся запитывать, а также заземлить такую батарею.
Представленная картина позволяет предположить, что магистральное развитие солнечных батарей направлено в сторону их компактификации, а не расширения. В целом эти устройства все сильнее напоминают умные подсолнечники. Возможно, со временем солнечные батареи будут слагаться из все более мелких (и даже миниатюрных) фрагментов, напоминающих лепестки или соты. Это позволило бы легко ремонтировать их, не выводя из эксплуатацию всю установку, а также аккумулировать энергию, защищать фотоэлементы от снега или града и адаптивно подходить к изменению инсоляции. В условиях глобального потепления и непредсказуемого изменения метеорологии «умные цветы» и «солнечные конусы» могут превратиться в целый класс всепогодных энергетических установок.
