Неидеальная солнечная энергетика

Энергия солнца и ветра

Неидеальная солнечная энергетика

Позавчера мой коллега написал новость про то, что создана солнечная батарея с рекордным КПД в 44,4% и в комментариях задали закономерный вопрос - почему так мало? Почему не 90%, ведь в солнечной батарее нет никаких движущихся частиц и, казалось бы, энергия квантов света напрямую преобразуется в электрическую энергию. Откуда потери?

Начнем с самого очевидного: солнечная батарея не может быть абсолютно черной. Следовательно, она обязательно отразит часть упавшего на нее света, а это потери. Далее, солнечная батарея эффективно использует кванты только определенной энергии и потому часть спектра пропадает даром. Последнюю проблему решают путем комбинирования ячеек, восприимчивых к квантам разной энергии, но чем шире рабочая часть спектра, тем сложнее конструкция.

И даже если собрать конструкцию с сотней слоев, КПД не превысит 93%, причем это без учета потерь на отражение. Дополнительное ограничение связано с тем, что солнечную батарею можно рассматривать как тепловую машину, к которой применимы все те же ограничения, что ко всем прочим тепловым машинам. Расчет термодинамической эффективности солнечной батареи с более-менее вменяемым количеством слоев приводится, например, в журнале Applied Physics Letters за 1980 год (статья C.H.Henry) и результат, прямо скажем, далек от теоретически возможного для солнечной батареи с десятками переходов: всего 37% для одного перехода и всего 72% для 36 переходов, которые на практике навряд ли достижимы.

Значение термина "переходы" тут стоит пояснить отдельно. Солнечные батареи работают за счет фотоэффекта: явления, при котором квант света выбивает из материала электрон - только если из металлов электроны вылетают наружу, в солнечных батареях электроны и дырки (в полупроводниках носители заряда бывают двух типов, электроны и дырки распределяются по разным слоям. Наличие с одной стороны положительных, а с другой отрицательных зарядов создает разность потенциалов, то есть напряжение.

С напряжением и КПД связан нюанс. Дело в том, что напряжение на контактах солнечной батареи максимально тогда, когда к ней ничего не подключено. А ток, что логично, максимален в случае короткого замыкания. Некоторые производители умножают напряжение "на свободных контактах" на ток короткого замыкания, получая высокую, но заведомо нереальную величину - при реальной эксплуатации ток меньше тока короткого замыкания, а напряжение тоже падает. Это уже не теория, а вопрос приличия производителя, но на практике надо учитывать и такой фактор.

Вернувшись к физике, заметим так же то, что кванты света могут и пройти полупроводниковый слой без того, чтобы вызвать фотоэффект. Кроме того, эффективность растет при фокусировке света, которая производится с помощью зеркал или линз: далеко не идеальных, в уже процитированной работе Алферова и соавторов только использованные линзы давали эффективность 89%, одиннадцать процентов энергии терялось еще до каких-либо преобразований в электричество.

Может, эффективность фотосинтеза выше, раз уж биологические системы отлаживались эволюцией на протяжении миллиардов лет? А вот и нет, фотосинтез дает КПД еще меньше, чем современные массовые фотоэлементы: и если немного подумать, то удивлять тут нечему. Получить максимально эффективное преобразование света в какую-то иную форму энергии это далеко не та задача, без решения которой не появилась бы жизнь как таковая, так что все организмы начинали учиться фотосинтезу с примерно одинаковыми начальными условиями. Ни бактерии, ни растения не располагали, скажем, полупроводниками на основе арсенида галлия или индия - они были ограничены органическими молекулами, которые вовсе не обязаны допускать эффективное преобразование световой энергии. Физикам и технологам проще: что захотели, то и взяли.

Важно еще понимать, что фотоэлементы - далеко не вся солнечная энергетика и кроме них есть масса иных способов получения электроэнергии за счет солнечных лучей. Если оставить в стороне лабораторные эксперименты с наноантеннами (антенна, для которой свет выступает в роли радиоволн, работает с выпрямителем в комплекте, естественно) то мы придем к термальным солнечным электростанциям. Суть проста: свет греет трубы с теплоносителем, теплоноситель крутит турбину, запасенное теплоносителем тепло позволяет какое-то время работать после заката и эти термальные станции выгодно отличаются от солнечных батарей.

Gemasolar Thermosolar Plant

Такие установки уже существуют и самые мощные способны выдавать до нескольких сотен мегаватт электроэнергии. Выглядит, между прочим, весьма эффектно:

По очевидным причинам КПД подобных установок ограничен уже иными факторами, первое место из которых, впрочем, занимает все та же термодинамика. По теоретическим оценкам более-менее реалистичные параметры температуры нагревателя и холодильника дают 60-70%, а реально показанная на втором снимке электростанция имеет КПД всего 17%. Так что резерв для повышения мощности у термальных станций даже выше, чем у полупроводниковых, которым до теоретически предсказанного порога эффективности осталось меньше.

PS: я бы не хотел, чтобы после этого краткого обзора читатели решили, что солнечная энергетика бесполезна - увы, я регулярно слышу подобное мнение вместе с разного рода околополитическими домыслами про "тупых экологов в ЕС" или еще что похуже. Солнечная энергия, возможно, является будущим человечества по той причине, что это куда более эффективное преобразование изначальной энергии звезды в полезные нам формы энергии. Нефть, уголь, газ, биотопливо - та же солнечная энергия, но прошедшая большее число преобразований с неизбежными большими потерями. Да, сейчас мы не умеем пока запасать и транспортировать солнечную энергию туда, куда надо, но это сугубо технические проблемы. Сто лет назад люди и ядерных реакторов строить не умели, и вообще даже обычные тепловые электростанции на угле казались редкостным хайтеком. Рано или поздно мы перейдем на солнечную энергию, термоядерные реакции и прочие возобновляемые источники - вопрос только в том, когда именно. В ближайшие десятилетия, подозреваю, для России самым актуальным источником будет все-таки природный газ, а для США - уголь. Но не потому, что солнечные батареи бесперспективны, а потому что сменить все электростанции очень сложно.

Поделиться статьёй с друзьями:

Другие статьи раздела "Энергия солнца":

  1. 17.07.13 Солнечные CIgS панели
  2. 10.07.13 Солнечная электростанция мощьность 20 квт запущена в Якутии
  3. 26.06.13 Инновационные солнечные батареи - генерировать и сохранять!
  4. 25.06.13 Вращающиеся конусы V3 Spin Cell в 20 раз эффективнее плоских солнечных панелей
  5. 24.06.13 Неидеальная солнечная энергетика
Страница: 01 02 03 04 05 06 07 08