Когда-нибудь о поиске способа подзарядить смартфон — или даже электромобиль — можно будет забыть. В условиях предстоящего перехода на следующее поколение беспроводных источников энергии японские инженеры разрабатывают систему, способную передавать большие объемы электроэнергии на значительные расстояния.

Общая идея заключается в том, чтобы обеспечить передачу энергии на нашу планету с неба.

Конечная цель исследований связана с созданием огромной космической солнечной панели, не подверженной влиянию погодных условий на Земле. Панель будет непрерывно собирать большие объемы энергии и отправлять их на Землю посредством микроволнового излучения.

Конечно, для масштабных целей существующие прототипы слишком скромны, но все равно значительно превосходят те системы беспроводной зарядки, которые сегодня можно приобрести для смартфонов и других устройств.

Компания J Space Systems продемонстрировала антенны, предназначенные для приема больших объемов энергии, которая будет передаваться при помощи микроволн

На традиционной ежегодной выставке электроники Ceatec в Японии компания J Space Systems продемонстрировала антенны, предназначенные для приема больших объемов энергии, которая будет передаваться при помощи микроволн. Оборудование, названное «ректенной» (rectenna), представляет собой специальную антенну, настроенную на использовавшуюся в ходе испытаний частоту 5,8 ГГц.

Исследователям из J Space удалось успешно передать энергию на расстояние около 50 метров, хотя потери были довольно существенными. После передачи 1,8 кВт с помощью квадратной антенны со стороной 1,2 метра приемная антенна размером 2,6 х 2,3 метра получила 340 Вт.

Аналогичные исследования проводятся и в компании Mitsubishi Heavy Industries. В прошлом году здесь сумели передать 10 кВт на расстояние 500 метров, что стало новым рекордом.

Исследователи видят несколько вероятных областей применения новых технологий. Одной из них является передача электроэнергии на короткие расстояния в окрестностях промышленных предприятий.

Другая потенциальная сфера применения – передача электроэнергии с воздушных шаров в места природных катастроф, где системы энергоснабжения перестали функционировать. Для этой цели можно задействовать также дроны или другие объекты, парящие в воздухе.

Но все эти скромные проекты меркнут перед футуристической идеей вывода на орбиту солнечных панелей, которые будут собирать огромные объемы солнечной энергии и передавать их на Землю.

Но сначала предстоит преодолеть еще очень много трудностей, в том числе уменьшить потери при передаче.

Японское космическое агентство признает, что мысль собирать солнечную энергию в космосе не нова. Однако предыдущие проекты, которые пытались реализовывать в других странах, были свернуты, поскольку не получили достаточной политической поддержки.

Тем не менее космическое агентство продолжает подталкивать исследователей к поиску новых технологий. При этом там понимают свои реальные возможности. «Для того чтобы преодолеть множество препятствий на пути к реализации проектов космических систем электроснабжения на основе энергии солнца, потребуется еще очень много времени и усилий», – говорится в заявлении агентства.

Американская компания SolarCity объявила о начале производства самых эффективных в мире солнечных панелей, монтируемых на крышах зданий.

КПД фотогальванических панелей превышает 22%, то есть примерно на семь процентных пунктов превосходит средний на сегодняшний день уровень.

«Новая панель SolarCity генерирует больше энергии на квадратный метр, чем любая другая из находящихся ныне в эксплуатации», – говорится в пресс-релизе компании.

Работой SolarCity руководит Илон Маск, генеральный директор компании Tesla Motors. Основана она была Маском и его двоюродными братьями Питером Райвом и Линдоном Райвом.

Первые партии солнечных панелей начнут выпускаться на предприятии SolarCity мощностью 100 МВт в городе Фримонте. Массовое производство панелей будет развернуто на фабрике мощностью 1 ГВт в Баффало.

После того как производство будет выведено на полную мощность, предприятие сможет выпускать 9-10 тыс. солнечных панелей в день.

Открыть фабрику по выпуску солнечных панелей в Баффало планируется в начале 2017 года.

Согласно исследованиям независимого сертификационного центра Renewable Energy Test Center, эффективность солнечных панелей SolarCity составляет 22,04%.

«Новые панели вырабатывают на 30-40% больше электроэнергии по сравнению с существующими моделями, при одинаковых затратах на производство – примерно 0,55 цента на ватт, – сообщил пресс-секретарь SolarCity Джонатан Басс. – Мощность каждой панели размером 1,61x1,81 м составляет 355 Вт».

Панели SolarCity лучше других функционируют при высоких температурах, что позволяет ежегодно вырабатывать больше энергии, чем при использовании других солнечных панелей сопоставимых размеров.

По словам Тайлера Огдена, аналитика компании Lux Research, заявления SolarCity об установлении мирового рекорда и доведении эффективности солнечных панелей до уровня 22,04% «имеют под собой все основания».

Панели SunPower X-Series с эффективностью 21,5%, выпускаемые компанией SunPower, теперь сдвигаются на второе место. Компания SunPower, помимо солнечных панелей, выпускает высокоэффективные кристаллические кремниевые фотогальванические элементы и кровельную черепицу.

«Не следует, однако, забывать, что производители непрерывно совершенствуют свои производственные процессы, и, возможно, SunPower удастся еще увеличить первоначально объявленную эффективность, – отметил Огден. – Производители панелей Solar поднимают планку эффективности, внедряя новые технологии, которые позволяют улучшить достигнутый ранее результат еще на несколько десятых долей процента».

«Вывод эффективности на уровень 22% – весьма существенное достижение, но еще более важным представляется то, что новые панели позволяют вырабатывать на 30-40% электроэнергии больше по сравнению со стандартными панелями тех же размеров», – добавил Огден.

«В новых панелях SolarCity используются те же фотогальванические элементы, что и в предыдущих моделях, однако инженерам удалось разместить в том же пространстве больше элементов, минимизировав при этом энергетические потери, – сообщил Бен Хенг, старший вице-президент SolarCity по проектированию продуктов. – Конечно, развивать фундаментальные технологии солнечных элементов необходимо, но иногда мы забываем, что некоторые решения, позволяющие повысить общую эффективность, лежат на поверхности. В данном случае речь идет о размещении элементов».

В SolarCity утверждают также, что при повышении температуры окружающего воздуха эффективность новых панелей, в отличие от старых, не снижается.

«Ранее это считалось справедливым лишь для тонкопленочных модулей, выпускаемых компаниями First Solar и SolarFrontier, – заметил Огден. – А в странах с жарким климатом такой показатель может играть очень важную роль».

Первоначально в SolarCity планировали, что новые панели будут устанавливаться только на крышах зданий, но было бы неплохо размещать их везде, где имеются большие незанятые площади, в том числе и непосредственно на уровне земли.

К 2030 году объем продаж электроэнергии, полученной посредством солнечных батарей, достигнет 5 трлн долл., что в десять раз превышает нынешние показатели.

На сегодняшний день себестоимость энергии, получаемой с помощью солнечных панелей, которые монтируются на крыше без каких-либо субсидий, составляет от 0,08 до 0,13 долл. за киловатт-час, что на 30-40% ниже розничных цен на электроэнергию на большинстве рынков. Отсутствие субсидий означает, что правительства стран не стимулируют этот процесс каким-либо образом, например, путем налоговых послаблений.

На рынках, где существенная часть электроэнергии производится из угля, соотношение оптовых цен на такую электроэнергию к стоимости солнечной энергии еще четыре года назад составляло 1:7. Сегодня оно находится уже на уровне 1:2, а в ближайшие год-полтора затраты на электроэнергию, получаемую из угля и солнца, сравняются.

Согласно прогнозам авторов отчета, занимающего 185 страниц, объем генерирующих солнечных мощностей, развернутых в этом году, составит 12 гигаватт, а в следующем году он вырастет до 16 гигаватт. Таким образом, совокупная фотогальваническая мощность в США достигнет 50 гигаватт. Причем от 20 до 30 гигаватт приходится не на энергию, поставляемую коммунальными предприятиями, а на распределенную генерацию и установки, развернутые на крыше.

«Мы ожидаем, что через 20 лет почти 10% глобального производства электроэнергии будет основано на использовании энергии солнца, – пишет аналитик Deutsche Bank Вишал Шах. – Таким образом, солнечную индустрию ждут фундаментальные перемены, а ее потенциал сегодня высок, как никогда ранее».

В прошлом году Международное энергетическое агентство опубликовало ряд прогнозов, из которых следует, что к 2050 году энергия солнца превратится в основной источник электроэнергии в мире.

«К 2017 году прогнозируемое снижение поставок электроэнергии коммунальными предприятиями будет компенсировано мощью распределенной генерации», – говорится в отчете, опубликованном под заголовком «Пересечение пропасти».

За последние двадцать лет ежегодное увеличение электроэнергии, вырабатываемой из солнца, составляло в среднем 30%. При этом на солнечную энергию приходится лишь 1% из 6 тыс. гигаватт генерирующих мощностей на рынке, оборот которого составляет 2 трлн долл. Основная часть электроэнергии сегодня добывается из угля. Чтобы полностью перейти на солнечную энергию, мощность соответствующих генерирующих ресурсов нужно увеличить в 120 раз.

В ближайшие 20 лет объемы продаж на энергетическом рынке удвоятся и достигнут 4 трлн долл. В последующие два десятилетия оборот солнечной индустрии возрастет до 5 трлн долл., и к 2050 году на солнечную энергию будет приходиться 30% всех генерирующих мощностей в мире.

«В 2013 году десятка ведущих стран в области производства электроэнергии выработала свыше 16 тыс. тераватт-часов, – говорится в отчете. – Для получения такого же количества электроэнергии из солнца понадобилось бы около 12 тыс. гигаватт генерирующих мощностей. Ясно, что потенциальные объемы рынка здесь просто огромны».

Ожидается, что темпы роста электроэнергии, добываемой из солнца, в развивающихся странах окажутся выше, чем в государствах с развитой экономикой. Китай и Индия, например, к 2022 году намерены увеличить объем генерирующих мощностей на 100 гигаватт, хотя пока не слишком понятно, каким образом каждая из стран будет добиваться этого.

Сегодня совокупная мощность солнечных генераторов в Индии составляет около 280 гигаватт. По оценкам Шаха, к 2035 году она должна превысить 800 гигаватт.

«Если к 2022 году общая мощность солнечных генераторов достигнет 400 гигаватт, на солнечную энергию будет приходиться 25% от совокупного объема добычи электроэнергии, и почти 60% вновь развертываемых мощностей будут относиться к солнечному сектору», – указал Шах.

Во многих штатах США стоимость закупки солнечной электроэнергии уже равна стоимости энергии, добываемой из других источников. Даже до предоставления государством субсидий в виде налоговых вычетов электроэнергия, полученная посредством солнечных панелей, была вполне конкурентоспособна в 14 американских штатах.

По прогнозу Deutsche Bank, в следующем году затраты сравняются уже в 47 штатах, в том числе в федеральном округе Колумбии и столице Вашингтоне.

Одним из факторов, способствующих столь стремительному росту, стали налоговые льготы, исходящие от федерального правительства, и близость завершения их предоставления. Начиная с 2008 года налоговый вычет для местных жителей и предприятий, устанавливающих необходимое оборудование, находится на уровне 30%. В 2016 году произойдет его снижение до 10%.

«Особенно заметный рост ожидается в частном сегменте, а крупные поставщики постараются смонтировать как можно больше оборудования, пока экономические условия благоприятствуют этому», – отмечается в отчете.

Затраты на небольшие (мощностью до 20 киловатт) распределенные генерирующие системы, устанавливаемые на крышах зданий, обычно составляют от 2,50 до 4,00 долл. на киловатт-час получаемой электроэнергии.

«Мы видим, что солнечная энергия превращается в источник все более массового потребления по мере того, как стоимость вырабатываемого из нее электричества становится сопоставима с традиционными формами генерации, – пишет Шах. – Сегодня некоторые коммунальные предприятия сопротивляются этому процессу, поскольку он угрожает их бизнес-модели, но в долгосрочной перспективе экономическая целесообразность в любом случае должна одержать верх».

К середине XXI века cолнце может стать основным источником электроэнергии, если учесть, что мощность солнечных батарей, установленных во всем мире, ежедневно увеличивается на 100 мегаватт.

Эти данные приведены в двух докладах, опубликованных Международным энергетическим агентством. Авторы прогнозируют, что к 2050 году солнечные батареи будут вырабатывать 16% мирового электричества, а солнечно-тепловые электростанции — 11%. Последние основаны на принципе превращения воды в пар под действием сконцентрированных солнечных лучей; пар, в свою очередь, вращает турбины.

С конца 2013 года по настоящее время во всем мире были установлены фотоэлектрические панели общей мощностью 137 ГВт, — отмечают в МЭА, агентстве, ведущем статистику глобального потребления электроэнергии.

Как отмечается в докладе, не менее важно то, что в следующие четыре десятилетия солнечная энергия позволит сократить выброс двуокиси углерода больше чем на 6 млрд тонн.

К середине века половину всех фотоэлектрических панелей составят солнечные панели на крышах зданий, — в немалой степени благодаря тому, что им нет равных среди распределенных источников энергии, уверены авторы.

В Соединенных Штатах мощность солнечных электростанций с 2010 года выросла к настоящему времени уже вшестеро, отмечают в Энергетической информационной администрации — ведомстве, отвечающем за ведение статистики производства энергии для всех рынков.

Вместе с тем в докладе МЭА прогнозируется, что стоимость солнечной энергии к 2050 году во всем мире упадет до 4 центов за киловатт/час. Сейчас в США электричество стоит примерно 13 центов за кВт/ч для бытовых абонентов и 7 центов для промышленных.

Исполнительный директор МЭА Мария ван дер Хювен подчеркнула, что доклады, опубликованые ее агентством, «не являются прогнозом», — как и другие технологические дорожные карты агентства, они излагают цели и меры, которые нужны, чтобы этих целей достичь к 2050 году. Наряду с этим глава МЭА отметила, что стоимость оборудования солнечных энергетических систем быстро снижается.

«Стремительное падение цен на фотоэлектрические системы, наблюдаемое в последние несколько лет, открыло новые перспективы применения солнечной энергии в качестве серьезного источника электричества в ближайшие годы и десятилетия, — заявила она. — Но пока что солнечные энергетические технологии очень дорогостоящи, причем практически все капиталовложения нужно делать вначале. Снижение капитальных затрат, таким образом, является задачей первоочередной важности для достижения целей, изложенных в наших дорожных картах».

В результате появления солнечных панелей на крышах в предстоящие восемь лет прибыли энергетических компаний могут уменьшиться на 15%. К такому выводу пришли составители доклада, подготовленного по результатам исследования, в котором участвовали две коммунальные службы — на Юго-Западе и Северо-Востоке Соединенных Штатов.

В этом докладе, опубликованном Управлением энергоэффективности и возобновляемой энергии, также содержится прогноз о том, что доля рынка электроэнергии, принадлежащая солнечным панелям на крышах, к 2022 году вырастет по сравнению с нынешним с 0,2% до 10%.

По подсчетам авторов доклада, если принять рыночную долю фотоэлектрических панелей равной 10%, доходы акционеров юго-западной компании упадут на 8%, а доходы акционеров северо-восточной — на 15%. При определенных условиях соответствующие показатели возрастают до 13 и 41%.

Перспективы

Существует несколько технологий, обещающих повысить эффективность фотоэлектрических элементов. На сегодня у кремниевых солнечных панелей КПД около 20%, то есть 80% солнечного излучения, попадающего на крышу, теряется.

Массачусетский технологический институт опубликовал доклад о новом материале, который мог бы идеально подойти для преобразования солнечной энергии в тепловую — благодаря возможности регулировки диапазона поглощаемого света.

«Данный материал может поглощать практически весь спектр света, попадающего на поверхность Земли с Солнца», — говорится в пресс-релизе МТИ.

Материал, о котором идет речь, — металлический диэлектрик, фотонный кристалл одноатомной толщины. Его преимущества — возможность поглощать солнечный свет, падающий почти под любым углом, и способность выдерживать очень высокие температуры — до 1000 C. Новый материал вначале преобразует солнечную энергию в тепло, излучая свет. Свет, в свою очередь, можно конвертировать в электричество.

Однако важнее всего то, что данный материал можно выпускать дешево в больших количествах, указывают в МТИ. Поскольку он способен эффективно поглощать свет, падающий под разными углами, не понадобятся солнечные трекеры, отметил Джеффри Чоу, один из разработчиков материала. Трекеры используются в солнечных электростанциях большой площади — они поворачивают панели так, чтобы обеспечить максимальную выработку электроэнергии.

Не только в МТИ разрабатывают новые более эффективные фотоэлектрические материалы: специалисты Университета Огайо в журнале Nature Communications описали созданную ими систему, состоящую из солнечного элемента и аккумуляторной батареи.

Фотоэлектрическая панель изготовлена из материала ячеистой структуры, пропускающей электроны в батарею. Как объясняют разработчики, свет от солнечной панели и кислород участвуют в химической реакции, заряжающей аккумулятор. Йийинг Ву, профессор биохимии Университета Огайо, уверен, что со временем подобные системы позволят снизить стоимость установок для получения солнечной энергии на 25%.

«На современных солнечных электростанциях свет улавливается с помощью фотоэлектрических панелей, и эта энергия сохраняется в недорогих батареях, — написал Ву в докладе о системе. — Мы совместили обе функции в одной установке, что позволило снизить стоимость солнечной энергетической системы».

Иллюстрация: Стоимость оборудования солнечных энергетических систем быстро снижается. Источник: Wikipedia

В условиях, когда эффективность батарей оставляет желать лучшего, ученые продолжают искать новые способы энергоснабжения различных устройств. Недавно в журнале Advanced Optical Materials был опубликован материал о том, как исследователи из университета штата Мичиган разработали прозрачный пластик, который одновременно может выступать в роли экрана устройств и солнечной батереи.

Исследователи и конструкторы постоянно ищут способы встраивания генераторов электроэнергии в крышу и стены зданий. Источник: WIkipedia

Руководитель коллектива разработчиков Ричард Лант заявил, что материал будет выглядеть достаточно эстетично для поверхности любого назначения, будь то стеклянный экран гаджета или окно, через которое можно любоваться солнечным закатом.

«Его легко встроить в сенсорный экран планшета или электронного ридера, – утверждает Лант. – Создавая его, мы заботились о том, чтобы он подходил для всех поверхностей, как подходит пленка, защищающая экран устройства от царапин».

Материал продолжает совершенствоваться – в настоящее время уровень его КПД составляет менее 1%. Но несмотря на то, что для энергоснабжения устройств он пока не подходит, команда исследователей решила направить основные усилия на превращение стеклянных окон в источник энергии.

Фотогальванические ячейки часто размещают на крыше, чтобы уменьшить счета, приходящие за энергопотребление. По мере того как панели становятся все более эффективными и менее дорогостоящими, развивается и концепция «интегрированной фотогальваники здания» (building-integrated photovoltaics, BIPV). Идея эта зародилась еще в 70-х годах XX века. И сегодня исследователи и конструкторы постоянно ищут способы встраивания генераторов электроэнергии в крышу и стены здания.

Выяснилось, однако, что решить задачу повышения энергоэффективности при сохранении прозрачности окон не так просто. Окна Pythagoras Solar состоят из двух панелей стекла и воздушной прослойки между ними. Оптика пропускает поток солнечного света через окно на фотогальванические ячейки, генерирующие электроэнергию. Добавление в стекло отражающей окраски позволяет добиваться концентрации солнечной энергии на краях панели.

Именно в этой области Лант и намерен проводить дальнейшие исследования. Сегодня при использовании красителей прозрачность составляет около 86%, что не сильно уступает параметрам чистого стекла. Причина отсутствия препятствий на пути прохождения света, в котором содержится много энергии, заключается в том, что энергия эта используется не особенно эффективно.

Материал поглощает лишь невидимое инфракрасное излучение. Небольшие органические молекулы улавливают лучи, падающие на окно. Используя принципы, аналогичные тем, что применяются в волоконно-оптических кабелях, материал направляет световую энергию к своему краю, где солнечные элементы поглощают энергию.

Пока технология находится на ранней стадии своего развития. Лант создал компанию, которая будет заниматься разработкой материалов, но стоит отметить, что производители применяют к ним достаточно жесткие требования, особенно при оценке параметров толщины, прозрачности и сенсорных функций. Да и до целевой эффективности, которая должна составлять по крайней мере 5%, группе Ланта еще довольно далеко.

Так что пока какое-то время нам еще придется пользоваться традиционными батареями.