Солнечная энергетика — один из трендов современности. В некоторых регионах при помощи солнечной энергии можно полностью удовлетворять свои нужды в электричестве. Для того, чтобы сделать фотоэлементы более эффективными, многие ученые готовы тратить время и ресурсы, причем немалые. Кому-то это удается, но пространство для маневра все равно остается.
Некоторые исследователи пытаются найти свой путь в этой сфере — например, сделать солнечные панели прозрачными. Это позволит расширить спектр их использования — размещать панели не только на крыше, но, например, в оконных проемах. Другими словами, заменять стекла в окнах на фотоэлементы.
Сообщения о прозрачных солнечных панелях появляются с завидной регулярностью, но пока что большинство экспериментов так и остаются экспериментами. Возможно, проект китайских ученых что-то изменит.
Дело в том, что они создали действительно прозрачные солнечные панели, где основную роль играет редкоземельный металл иттербий. Этот химический элемент способен излучать два «инфракрасных фотона» при поглощении одного «голубого». «Инфракрасные фотоны» игнорируются любыми материалами, кроме кремния, который, как известно, используется в качестве основного рабочего элемента солнечных панелей. Этот металл поглощает инфракрасные фотоны, излучая электрон. Получается, что на каждый «голубой» фотон кремний реагирует выделением двух электронов.
Получается, что прозрачные панели на 160% эффективнее обычных фотоэлементов (не на 200%, поскольку всегда есть потери).
Прозрачные фотоэлементы представляют собой полимерное стекло с включением наночастиц. Последние поглощают ультрафиолетовый свет, пропуская излучение других спектров. Все это позволяет добиться полной прозрачности фотоэлементов.
Положительным моментом является еще и то, что когда иттербий выделяет инфракрасные фотоны, они уходят в пространство под углом, который позволяет кремнию поглотить их. Как результат — можно создать окно, стекло в котором генерирует инфракрасные фотоны, а рамка, включающая кремний, способна поглощать их, генерируя электричество.
Правда, в конечном итоге мы получаем, мягко говоря, не очень эффективные солнечные батареи. Да, световое излучение синего спектра позволяет генерировать инфракрасные фотоны с эффективностью в примерно 180%. Но, к сожалению, прозрачные солнечные батареи способны поглощать свет синего спектра с эффективность лишь в 3%. Проблема состоит в том, что далеко не все фотоны улавливаются рамкой.
Тем не менее, даже это может быть отличным результатом, если прозрачные фотоэлементы внедрять повсеместно. КПД солнечных панелей такого типа можно улучшать, а если представить себе большое здание с окнами из прозрачных фотоэлементов, то речь идет о генерации значительных объемов электричества.
Возможно, увеличить эффективность солнечных батарей можно, изменив состав «стекла», что позволит получать больше «голубых» фотонов. Кроме того, кремний не единственный материал, который может использоваться для создания фотоэлементов. Есть и более эффективные — но они более дорогие (гораздо более дорогие).
Nanoletters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03966
Комментарии (37)
DmitrySpb79
16.12.2018 01:06Для офисных или некоторых бытовых помещений и полупрозрачные панели пошли бы — все равно от солнца приходится окно закрывать. Хотел такие вместо занавесок купить, не нашёл.
А так, чисто интуитивно думаю что 'не взлетит'. Обычные-то панели окупаются 5-10 лет, а у прозрачных КПД еще в разы меньше будет.DaneSoul
16.12.2018 04:32Есть куча специальных недорогих пленок которые клеятся на стекло.
Причем есть которые на вид не прозрачные (матовые, абстрактный рисунок), а свет пропускают не плохо.
Искать «витражная пленка на стекло».DmitrySpb79
16.12.2018 13:25Спасибо, пленки в продаже есть, да. Вопрос был именно чтобы полупрозрачную солнечную панель найти, но пока таких нет в продаже.
Как раз в виде пленки было бы идеально — наклеил такую на окно, подключил к преобразователю, и пусть мобилы заряжает или электричество в сеть отдает.
SergeyMax
16.12.2018 09:35Получается, что прозрачные панели на 160% эффективнее обычных фотоэлементов (не на 200%, поскольку всегда есть потери).
Китайские учёные так увлеклись подсчётом процентов эффективности (а переводчик ещё добавил от себя), что совсем забыли упомянуть, какой процент солнечного излучения приходится на ультрафиолет.
hdfan2
16.12.2018 10:08+1Получается, что прозрачные панели на 160% эффективнее обычных фотоэлементов (не на 200%, поскольку всегда есть потери).
Мне кажется, или ту должны быть цифры 60% и 100%? Указанные были бы, если на одни поглощённый фотон излучается три.
seri0shka
16.12.2018 14:47Идеальная солнечная панель (сферический конь в вакууме) должна весь попавший на неё свет преобразовать в энергию. То есть по определению не может быть прозрачной. Я чего-то не понимаю?
ittakir
16.12.2018 16:42Нет никакой необходимости делать полупрозрачные элементы для зданий, стеклянную дорогу со встроенными фотоэлементами или другую подобную дичь.
Гораздо выгоднее использовать по максимуму обычную кремниевую технологию с КПД 20%, разместив панели на пустующих землях. А электричество отлично передается по кабелю до тех самых небоскребов.SergeyMax
17.12.2018 00:17Если уж есть необходимость лепить батареи на дома, то почему бы просто не клеить их на стены, ведь это гораздо проще, чем делать из них прозрачные окна (да и доступная площадь гораздо больше).
Zmiy666
17.12.2018 03:42а вы офисные здания видели? там часто оконная площадь куда больше, а иногда вообще НЕТ непрозрачных стен. Эта технология в первую очередь для них
u010602
17.12.2018 03:51Там угол атаки такой, что ставить их не эффективно. Их не эффективно ставить даже на восточные, северные и западные склоны крыши. На стенах эффективность еще ниже, не окупится. Само собой прозрачные панели, с поглощением в 3%, будут мизерные в плане эффективности, и дорогие из-за редкоземельных металлов. Я предполагаю, что они берут прицел на гос гранты, на небоскребы, и другие подобные применения. Это например может быть выгодным для ухода от налогов, или для втискивания в какие-то эко нормы. Мол мы небоскреб покрыли, и эмиссию чего-то там сократили, вот и бумажка у нас есть. А клеммы по итогу можно и не подключать даже. Или же это найдет применение где-то в другом месте, где очень много УФ излучения.
Kuvaldin
17.12.2018 11:47Как идея — меня вдохновило. И мне кажется скоро (надеюсь скоро) в этом направлении будет настоящий прорыв.
firedragon
Можно топить печку купюрами, но значительнее эффективней топить газом. Почему собственно не сосредоточится на биохимии? Простейшие водоросли которые бы поглощали CO2 и выделяли бы метан или метанол или этил?
Природа миллионы лет это делает, но человек полез в физику.
Zmiy666
может по тому, что покрытое водорослями окно будет выглядеть не очень то и симпатично, не говоря уже о выполнении функций именно окна… нет, можно конечно заменить стеклопакеты аквариумами с водорослями, но про прозрачность можно забыть.
vassabi
их можно устанавливать на крыше для освещения, или вместо стеклоблоков — т.е. в местах, где прозрачность и не нужна.
Zmiy666
Да но с поверхностями, не требующими прозрачности — проблем как-раз нет, нужны солнечные панели, которые прозрачные — потому как многие здания и так состоят из окон.
maverickcy
А ничего, что один куб воды весит тонну?
vassabi
а один куб железа весит почти 7.8 тонн, а куб бетона — около двух тонн.
И ничего — как-то из них крыши со стенами делают, не? Или вода обязана быть в виде куба и никак иначе?
maverickcy
Шар воды, объемом с куб, тоже весит тонну) Я же не про форму, а про дополнинельную нагрузку на здания, которые уже построены. Эта технология тем и хороша, что может быть внедрена в уже готовое строение без лишних хлопот, скажем так(Ну, в идеале, всё равно). Plug and play. Ну и еще такой нюанс, что крыша многих зданий по площади намного меньше, чем стены, так что, даже необходимое оборудование на крыше не установить, не то, что излишки в виде бассейна с водорослями.
vassabi
а-а-а, я понял откуда у нас с вами такое непонимание — вы себе видите это в виде бассейна, а я себе вижу в виде достаточно тонкого стеклопакета с принудительной прокачкой и небольшим весом на кв.м., который можно устанавливать как и обычную солнечную панель — на стену или на потолок, только он будет не 100% прозрачный (как окно) или 100%непрозрачный (как классическая солнечная батарея), а с рассеиванием.
Zmiy666
зачем тогда вообще напрягаться с живностью и панелями? Просто делаем стеклопакеты, обрабатываем внутренние поверхности теплоотражающим покрытием и гоняем теплоноситель через них. Толщина может быть весьма небольшая, главное оптическая прозрачность и высокое поглощение ИК спектра. А в подвале обратным холодильником извлекаем низкопотенциальное тепло и крутим турбину. И КПД довольно высокий и срок службы выше, чем у солнечных панелей, а производство и обслуживание в разы дешевле.
maverickcy
Я думаю, кпд такой установки будет даже ниже солнечных панелей, потому что кроме сбора тепла, нужно, чтобы оно еще и не улетучивалось. И не стоит забывать про отсутствие механических деталей у классических панелей. Кроме того, увеличение объема энергии влечет за собой увеличение шума и вибраций, а так же, требует наличие механика, который бы это всё обслуживал. Возможно, это еще и не безопасно. Может КПД турбины и выше, но сам процесс переноса и сохранения тепловой энергии — тот еще геморрой. Я видел дом, который отапливается сонцем напрямую, без преобразования. Но там был еще здоровенный термос на 5 тонн. Эту всю кухню, повторюсь, нужно обслуживать, к тому же, есть неплохой износ от теплоносителя (воды — коррозия, гниль, отложения). Это хороший выбор, когда в доме уже есть центральное отопление на воде, которое остается только доработать. Но я бы выбрал более универсальный вариант — место на крыше использовать под электропанели. Таким образом, можно и погреться, и электроэнергию запасти/отдать в сеть. И опять таки, вся сложность обслуживания — щеткой помахать. Да и подключается всё это даже школьником.
maverickcy
Ну, я уж не вкурсе, про возможности данной технологии) Хорошо, если так можно)
Moskus
Теоретики…
Солнечная панель — это просто несколько листов разных материалов.
Пустотелый пакет с жидкостью внутри, «прокачкой» (которая немалую потребляет энергию) и т.п. — это куда более сложная конструкция. А еще она ниже определенной температуры уже не работает, а ниже нуля ее вообще нужно слить и осушить, иначе она разрушится.
Zmiy666
смотря какая жидкость, не вода же) Или газ… Хотя жидкость может и самотеком течь, благо гравитация еще работает, ее только наверх закачать.
А так да… солнечная панель даже с хреновым КПД все равно лучше и проще, чем подобные системы, хоть она и дороже.
Moskus
Если не вода, то что? (Теоретики — на марше.)
Чтобы жидкость текла самотеком, ее нужно, как вы верно отметили, сначала закачать наверх. Что по закону сохранения энергии будет практически эквивалентно постоянной прокачке под давлением в части необходимой для этого энергии.
vassabi
(раз назвали теоретиком — значит буду включать фантазию. тег :) )
а жидкость будет течь сама — через тонкие трубки, под воздействием конвекции, горячая будет всплывать, а снизу будет притекать холодная.
… вот как сделать чтобы там водоросли могли жить, и при этом не засорять систему — это я еще не придумал. Но еще не вечер! (уходит читать википедию)
Zmiy666
хм… ну вот само по себе здание с окнами — отличный поглотитель света и тепла, нужно просто покрыть окна изнутри, чтоб они не выпускали тепло… кондиционеры там есть, и они переносят тепло из помещения наружу, Нужно сделать так, чтоб они переносили тепло и совершали работу. Тогда они и себя питать будут и энергию вырабатывать, ибо без кондеев офисное помещение превратиться сначала в духовку, а потом в филиал ада — столько тепла там будет… нужно просто взять и использовать, и не придется лепить еще кучу систем.
SEVENID
Потому что максимальная теоретическая эффективность фотосинтеза около 11% (реальная — до 8%), а солнечные батареи уже спокойно выдают 20% и более без лишних промежуточных звеньев.
vershinin
Да ну. Теоретическая — 30%, а дальше начинаются нюансы с длинной волны (никто не мешает создать искусственные хлорофиллы, которые будут чувствительны к более широкому спектру). Кроме того, эффективность солнечных батарей со временем падает, а вот биологические будут сами поддерживать своё состояние.
SEVENID
Как показывает история, «поддерживать своё состояние» — это, скорее, «не вымирать окончательно»… тогда о каком «максимальном» КПД идёт речь?
Если обсуждать сугубо теоретически, то солнечные батареи могут выдавать КПД в 85%, если будут на основе наноантенн. Что, опять же, больше органических аналогов.
vershinin
В биологических процессах эффективность не самое главное — есть масса нюансов в виде легаси, сложности синтеза хлорофиллов, конкурентной среды и так далее… Если этого не будет, то эффективность можно поднять.
e_sha
Что-то такое делает компания B-Energy, а именно производит метан из органических отходов. Только, видимо, во многих местах это неоправданно дорого.
APXEOLOG
Я думаю поддерживать живую экосистему (водоросли ведь живут в воде, их надо питать, там заводятся другие бактерии и прочие организмы и т.д.) сложнее, чем поставить панель и протирать ее тряпочкой периодически
bro-dev0
Потому, что метан сейчас добывают более простым способом, вот когда нефть закончится настолько что будет невыгодно ей добывать, тогда будет бум биохимии и возможно всё что сейчас на бензине будет на спирте.
halted
Сейчас декабрь и тут на улице не видно ни водорослей, ни обычной растительности.