Подробное и простое описание работы солнечных панелей и прогнозы на будущее
Как пьют чай в Тибете
Наш недавний обзор солнечных панелей мог оставить у вас впечатление, что сбор солнечной энергии – дело новое, однако люди эксплуатируют её уже тысячи лет. С её помощью они обогревают дома, готовят и греют воду. Некоторые из самых ранних документов, описывающих сбор солнечной энергии, восходят к древней Греции. Сам Сократ говорил, «в домах, смотрящих на юг, зимнее солнце проникает через галерею, а летом путь солнца проходит над нашей головою и прямо над крышей, из-за чего образуется тень». Он описывает то, как греческая архитектура использовала зависимость солнечных путей от времён года.
В V столетии до н.э. греки столкнулись с энергетическим кризисом. Преобладавшее топливо, древесный уголь, заканчивалось, поскольку они вырубили все леса для готовки и обогрева жилищ. Были введены квоты на лес и уголь, а оливковые рощи приходилось защищать от граждан. Греки подошли к проблеме кризиса, тщательно планируя городскую застройку, чтобы удостовериться в том, что каждый дом может воспользоваться преимуществами солнечного света, описанными Сократом. Комбинация технологий и просвещённых регуляторов сработала, и кризиса удалось избежать.
Со временем технологии сбора тепловой энергии солнца только росли. Колонисты Новой Англии позаимствовали технологии строительства домов у древних греков, чтобы согреваться в холодные зимы. Простые пассивные солнечные водонагреватели, не сложнее покрашенной в чёрный цвет бочки, продавались в США в конце XIX века. С тех пор были разработаны более сложные солнечные коллекторы, прокачивающие воду через поглощающие или фокусирующие свет панели. Горячая вода хранится в изолированном баке. В замерзающих климатах используется двухжидкостная система, в которой солнце греет смесь воды с антифризом, проходящую через спираль в баке для хранения воды, выполняющего ещё одну роль, роль теплообменника.
Солнечные коллекторы на крышах Кипра
Сегодня доступно множество сложных коммерческих систем для нагрева воды и воздуха в доме. Солнечные коллекторы устанавливаются по всему миру, и больше всего их в пересчёте на душу населения стоит в Австрии, на Кипре и в Израиле.
Солнечный коллектор на крыше в Вашингтоне D.C.
Современная история солнечных панелей начинается с 1954 года, с открытия практического способа добычи электричества из света: лаборатории Белла открыли, что из кремния можно делать фотовольтаический материал. Это открытие стало основой сегодняшних солнечных панелей (устройств, превращающих свет в электричество) и запустило новую эру солнечной энергии. С помощью интенсивных исследований сегодняшняя эра солнечной энергии продолжается, и солнце намеревается стать главным источником энергии в будущем.
Что такое солнечный элемент?
Самый распространённый тип солнечного элемента – полупроводниковое устройство из кремния – дальнего родственника твердотельного диода. Солнечные панели делаются из набора солнечных элементов, подключенных друг к другу и создающих на выходе ток с нужным напряжением и силой. Элементы окружаются защитным кожухом и накрываются оконным стеклом.
Солнечные элементы генерируют электричество благодаря фотовольтаическому эффекту, открытому совсем не в лабораториях Белла. Впервые его в 1839 году обнаружил французский физик Александр Эдмон Беккерель, сын физика Антуана Сезара Беккереля и отец физика Антуана Анри Беккереля, получившего нобелевскую премию и открывшего радиоактивность. Чуть больше чем через сто лет в лаборатории Белла был достигнут прорыв в изготовлении солнечных элементов, что и стало основой для создания самого распространённого типа солнечных батарей.
На языке физики твёрдого тела, солнечный элемент создаётся на базе p-n-перехода в кристалле кремния. Переход создаётся через добавление в разные области кристалла небольших количеств разных дефектов; интерфейс между этими областями и будет переходом. На стороне n ток переносят электроны, а на стороне p – дырками, где электроны отсутствуют. В регионах, примыкающих к интерфейсу, диффузия зарядов создаёт внутренний потенциал. Когда в кристалл попадает фотон, обладающий достаточной энергией, он может выбить электрон из атома, и создать новую пару электрон-дырка.
Только что освобождённый электрон притягивается к дыркам с другой стороны перехода, но из-за внутреннего потенциала он не может перейти его. Но если электронам предоставить путь через внешний контур, они пойдут по нему и осветят по пути наши дома. Дойдя до другой стороны, они рекомбинируются с дырками. Этот процесс продолжается, пока светит Солнце.
Требуемая для освобождения связанного электрона энергия называется шириной запрещённой зоны. Это ключ к пониманию того, почему у фотовольтаических элементов есть присущее им ограничение по эффективности. Ширина запрещённой зоны – постоянное свойство кристалла и его примесей. Примеси регулируются таким образом, что у солнечного элемента ширина запрещённой зоны оказывается близкой к энергии фотона из видимого диапазона спектра. Такой выбор диктуется практическими соображениями, поскольку видимый свет не поглощается атмосферой (иначе говоря, люди в результате эволюции приобрели способность видеть свет с самыми распространёнными длинами волн).
Энергия фотонов квантуется. Фотон с энергией меньшей, чем ширина запрещённой зоны (например, из инфракрасной части спектра), не сможет создать переносчик заряда. Он просто нагреет панель. Два инфракрасных фотона тоже не сработают, даже если их общей энергии будет достаточно. Фотон излишне большой энергии (допустим, из ультрафиолетового диапазона) выбьет электрон, но лишняя энергия будет потрачена зря.
Поскольку эффективность определяется как количество энергии света, падающего на панель, делённое на количество полученной электроэнергии – и поскольку значительная часть этой энергии будет потерянной – эффективность не может достичь 100%.
Ширина запрещённой зоны у кремниевого солнечного элемента равна 1,1 эВ. Как видно из диаграммы электромагнитного спектра, видимый спектр находится в области чуть повыше, поэтому любой видимый свет даст нам электроэнергию. Но также это значит, что часть энергии каждого поглощённого фотона теряется и превращается в тепло.
В результате получается, что даже у идеальной солнечной панели, произведённой в безупречных условиях, теоретический максимум эффективности составит порядка 33%. У коммерчески доступных панелей эффективность составляет обычно 20%.
Перовскиты
Большая часть коммерчески устанавливаемых солнечных панелей делается из описанных выше кремниевых ячеек. Но в лабораториях всего мира ведутся исследования других материалов и технологий.
Одна из самых многообещающих областей последнего времени – изучение материалов под названием перовскиты. Минерал перовскит, CaTiO3, был назван в 1839 году в честь русского государственного деятеля графа Л. А. Перовского (1792-1856), который был коллекционером минералов. Минерал можно найти на любом из континентов Земли и в облаках, по меньшей мере, одной экзопланеты. Перовскитами также называют синтетические материалы, имеющие ту же ромбическую структуру кристалла, что и естественный перовскит, и обладающие схожей по структуре химической формулой.
В зависимости от элементов, перовскиты демонстрируют различные полезные свойства, такие, как сверхпроводимость, гигантское магнетосопротивление, и фотовольтаические свойства. Их использование в солнечных ячейках вызвало много оптимизма, поскольку их эффективность в лабораторных исследованиях возросла за последние 7 лет с 3,8% до 20,1%. Быстрый прогресс вселяет веру в будущее, особенно в связи с тем, что ограничения эффективности становятся всё яснее.
В недавних экспериментах в Лос-Аламосе было показано, что солнечные элементы из определённых перовскитов приблизились по эффективности к кремнию, будучи при этом дешевле и проще в изготовлении. Секрет привлекательности перовскитов в возможности просто и быстро выращивать кристаллы миллиметровых размеров без дефектов на тонкой плёнке. Это очень большой размер для идеальной кристаллической решётки, которая, в свою очередь, позволяет электрону путешествовать по кристаллу без помех. Это качество частично компенсирует неидеальную ширину запрещённой зоны в 1,4 эВ, по сравнению с почти идеальным значением для кремния – 1,1 эВ.
Большая часть исследований, направленных на увеличение эффективности перовскитов, связана с поиском путей устранения дефектов в кристаллах. Конечная цель – изготовить целый слой для элемента из идеальной кристаллической решётки. Исследователи из MIT недавно добились большого прогресса в этом вопросе. Они обнаружили, как можно «заживлять» дефекты плёнки, сделанной из определённого перовскита, облучая её светом. Этот метод гораздо лучше предыдущих методов, включавших химические ванны или электрический ток, благодаря отсутствию контакта с плёнкой.
Приведут ли перовскиты к революции в стоимости или эффективности солнечных панелей, пока неясно. Изготавливать их легко, но пока что они слишком быстро распадаются.
Множество исследователей пытается решить проблему распада. Совместное исследование китайцев и швейцарцев привело к получению нового способа формирования ячейки из перовскита, избавленной от необходимости движения дырок. Поскольку деградирует именно слой с дырочной проводимостью, материал должен быть гораздо более стабильным.
Перовскитовые солнечные ячейки на оловянной основе
Недавнее сообщение из лаборатории Беркли описывает, как перовскиты однажды смогут достичь теоретического лимита эффективности в 31%, и всё равно остаться более дешёвыми в производстве, чем кремниевые. Исследователи измерили эффективность преобразования различных зернистых поверхностей при помощи атомной микроскопии, измеряющей фотопроводимость. Они обнаружили, что у разных граней сильно отличается эффективность. Теперь исследователи считают, что могут найти способ производить плёнку, на которой с электродами будут соединены только самые эффективные грани. Это может привести к достижению ячейкой эффективности в 31%. Если это сработает, то станет революционным прорывом в технологии.
Другие направления исследований
Возможно производство многослойных панелей, поскольку ширину запрещённой зоны можно настраивать, изменяя добавки. Каждый слой можно настроить на определённую длину волны. Такие ячейки теоретически могут достигать 40% эффективности, но пока остаются дорогими. В результате их проще найти на спутнике НАСА, чем на крыше дома.
В исследовании учёных из Оксфорда и Института кремниевой фотовольтаики в Берлине многослойность объединили с перовскитами. Работая над проблемой разлагаемости материала, команда открыла возможность создавать перовскит с настраиваемой шириной запрещённой зоны. Им удалось сделать версию ячейки с шириной зоны в 1,74 эВ, что практически идеально для изготовления в паре с кремниевым слоем. Это может привести к созданию недорогих ячеек с эффективностью в 30%.
Группа из Нотрдамского университета разработала фотовольтаическую краску из полупроводниковых наночастиц. Этот материал пока ещё не настолько эффективный, чтобы заменить солнечные панели, но производить его проще. Среди преимуществ – возможность нанесения на разные поверхности. В потенциале его будет проще применять, чем жёсткие панели, которые необходимо крепить на крышу.
Несколько лет назад команда из MIT достигла прогресса в создании солнечного теплового топлива. Такое вещество может хранить солнечную энергию внутри себя долгое время, а затем выдавать её по запросу при применении катализатора или нагревании. Топливо достигает это через нереактивное преобразование своих молекул. В ответ на солнечное излучение молекулы преобразуются в фотоизомеры: химическая формула та же, но форма меняется. Солнечная энергия сохраняется в виде добавочной энергии в межмолекулярных связях изомера, который можно представить, как более высокоэнергетическое состояние изначальной молекулы. После запуска реакции молекулы переходят в оригинальное состояние, преобразуя хранившуюся энергию в тепло. Тепло можно использовать напрямую или преобразовывать в электричество. Такая идея потенциально устраняет необходимость в использовании аккумуляторов. Топливо можно перевозить и использовать полученную энергию где-то ещё.
После публикации работы из MIT, в которой использовался фульвален дирутения, некоторые лаборатории пытаются решить проблемы с производством и стоимостью материалов, и разработать систему, в которой топливо будет достаточно стабильным в заряженном состоянии, и способным «перезаряжаться», чтобы его можно было использовать многократно. Всего два года назад те же учёные из MIT создали солнечное топливо, способное испытать не менее 2000 циклов зарядки/разрядки без видимого ухудшения производительности.
Инновация состояла в соединении топлива (это был азобензол) с углеродными нанотрубками. В результате его молекулы выстраивались определённым образом. Получившееся топливо обладало эффективностью в 14%, и плотностью энергии схожей со свинцово-кислотным аккумулятором.
Наночастицы сульфида меди-цинка-олова
В более новых работах солнечное топливо изготовили в виде прозрачных плёнок, которые можно наклевать на лобовое стекло автомобиля. Ночью плёнки растапливают лёд за счёт энергии, набранной в течение дня. Скорость прогресса в этой области не оставляет сомнений, что солнечное тепловое топливо вскоре перенесётся из лабораторий в область привычных технологий.
Ещё один способ создания топлива напрямую из солнечного света (искусственный фотосинтез) разрабатывается исследователями из Иллинойсского университета в Чикаго. Их «искусственные листья» используют солнечный свет для превращения атмосферного углекислого газа в «синтез-газ», в смесь водорода и монооксида углерода. Синтез-газ можно сжигать или преобразовывать в более привычные виды топлива. Процесс помогает удалять лишний CO2 из атмосферы.
Команда из Стэнфорда создала прототип солнечной ячейки с использованием углеродных нанотрубок и фуллеренов вместо кремния. Их эффективность гораздо ниже коммерческих панелей, зато для их создания используется только углерод. В прототипе нет никаких токсичных материалов. Это более экологичная альтернатива кремнию, но для достижения экономической выгоды ей нужно поработать над эффективностью.
Продолжаются исследования и других материалов и технологий производства. Одна из многообещающих областей исследований включает монослои, материалы со слоем толщиной в одну молекулу (типа графена). Хотя абсолютная фотовольтаическая эффективность таких материалов невелика, их эффективность на единицу массы превышает привычные кремниевые панели в тысячи раз.
Другие исследователи пытаются изготавливать солнечные элементы с промежуточным диапазоном. Идея в том, чтобы создать материал с наноструктурой или особый сплав, в котором смогут работать фотоны с энергией, недостаточной для преодоления обычной ширины запрещённой зоны. В таком материале пара низкоэнергетических фотонов сможет выбить электрон, чего нельзя добиться в обычных твердотельных устройствах. Потенциально такие устройства будут более эффективными, так как задействуют больший диапазон длин волн.
Разнообразие областей исследования фотовольтаических элементов и материалов, и быстрый уверенный прогресс с момента изобретения кремниевого элемента в 1954 году вселяет уверенность, что энтузиазм принятия солнечной энергии не только сохранится, но и будет возрастать.
И эти исследования происходят как раз вовремя. В недавнем мета-исследовании было показано, что солнечная энергия по соотношению полученной энергии к затраченной, или по энергетической рентабельности, обогнала нефть и газ. Это существенный поворотный момент.
Мало сомнений в том, что солнечная энергия в результате превратится в значительную, если не в доминирующую, форму энергии как в промышленности, так и в частном секторе. Остаётся надеяться, что уменьшение необходимости в сжигании ископаемого топлива случится до того, как произойдёт необратимое изменение глобального климата.
Комментарии (56)
ivkomn
03.03.2017 15:30-1Картинки прикольные :)
На «быстрые нейтроны» статья не грепается, где же тут перспективы и инновации? Одно нано-хасано:)
Alexeyslav
03.03.2017 16:48Проблема нынче не в эффективности солнечных панелей а в их стоимости и необходимости АККУМУЛИРОВАТЬ энергию в больших количествах чтобы исправить неравномерность выработки энергии солнечными панелями.
Чтобы полностью покрыть все расходы энергии человечества даже с существующими уровнями потребления достаточно покрыть панелями небольшую площадь непригодных к жизни территорий. Но вот с неравномерностью выработки ничего поделать нельзя пока не будет ёмких и дешёвых аккумуляторов.lrsi
03.03.2017 17:10Емкие и дешевые аккумуляторы — это сказки для хипстеров и гиков, которые не понимают разницы между аккумулятором в их айфоне и необходимостью уметь выдавать мегаватты мощности. Извините, но единственный аккумулятор, который мы можем применять в промышленности для таких мощностей это ГЭС или как ее модно называть ГАЭС.
Чтоб вы понимали что это за мощности — мы как-то ради смеха считали сверхроводящее кольцо для аккумуляции энергии с целью сглаживания суточных колебаний потребления ДС-1. Это в несколько раз меньше чем необходимо для аккумулирования исходя из тех предположений что используется СЭС. С учетом ограничений по магнитному полю, сооружение получилось циклопическим — размером немного более МКАД и находиться рядом с ним — не рекомендовалось…
А потом мы взяли и посчитали что будет если на одном участке вдруг пропадет сверхпроводимость… Ну короче произойдет примерно такое, только в несколько раз сильней:
lingvo
03.03.2017 17:33Считаю, что все не так плохо. Мегаватты получаются, если суммировать потребление. Но в месте с этим среднесуточный график потребления одного отдельного домашнего хозяйства не такой уж страшный.
Через несколько лет с развитием электроавтомобилей и всяких Powerwalloв практически в каждом домашнем хозяйстве появится свой аккумулятор на 10-80кВтч, чего с лихвой будет хватать на компенсацию суточных графиков. Ведь энергию с электромобильного аккумулятора можно тоже не только на колеса использовать.
rusec
03.03.2017 20:19Угу, ночью используешь автомобильный аккум, а утром из дома не выехать, электричество кончилось.
А зачем тогда автомобиль покупать, если нельзя в любой момент воспользоваться?
lrsi
03.03.2017 20:26-2Powerwall… Не смешите мои тапочки. :) Ну пройстейшие расчеты показывают что этот Powerwall — полное фуфло, пригодное разве что на аварийное освещение. Утюг, кондиционер, холодильник, СВЧ, электрический чайник, стиральную машину, посудомойку, пылесос и т.д. — он запитать уже не может.
Krizai
04.03.2017 14:11Немного фактов с оф. сайта, для простейших расчетов:
Usable Capacity: 13.5 kWh
Power: 7kW peak / 5kW continuous
Итого, для средней семьи двух wall-ов вполне достаточно.lrsi
04.03.2017 14:28Ресурс посчитайте при таких режимах эксплуатации.
Krizai
04.03.2017 16:40Ресурс жизни аккумулятора или ресурс по емкости?
Если о жизни, то к сожалению не обалдаю данными и буду благодарен, если расскажете.
Если по емкости, то я беру за расчет среднемесячное потребеление в ~ 500 кВт, что составляет порядка 17 кВт в день.lrsi
04.03.2017 16:47У меня на двушку в ДС-1 — расход в два раза больше. Без кондея, отопления и электроплиты и поголовным светодиодным освещением. С учетом что это изделие ориентировано в первую очередь на американский рынок, с его частным сектором и обязательным кондеем… Боюсь цифру придется увеличить в несколько раз.
С ресурсом по емкости там вообще беда — оно собрано из отходов от теслы, то есть — на обычных китайских 18650. Я их использовал очень много и могу сказать — реально уже после первой сотни циклов наблюдается ощутимая деградация по емкости. Нет не смерть, но — заметно. Смерть — примерно после 500 циклов, но это совсем смерть — их после этого даже в фонарике использовать проблематично становится.
Сколько они эксплуатировались в тесле, до того как попасть в повервал — не знает никто. Собственно все создавалось именно чтоб решить проблему «куда девать дохлые батареи от теслы» — там если дохнет одна банка, то они меняют весь блок.…Krizai
04.03.2017 17:14По расходу позволю с вами не согласиться — двушка с кондеем, электроплитой и галогенками выходила максимум в 800 кВт, хотя все конечно зависит, но не скажу что мы особо экономили.
По ресурсу, если все так как вы говорие, то да — печаль. Но в таком случае, не более чем через 2 года мы увидим много недовольных обладателей.lrsi
04.03.2017 18:06Судя по всему — мы не скоро увидим эти самые повервалы, судя по фотографиям на том месте где строят завод по их производству, еще конь не валялся…
Хотя Маск впишется в концепцию Трампа по возврату производства в США, с другой стороны-то… Так что — черт его знает, может выцаганит денег и на этот проект. А с другой стороны — Трамп явно не любит зеленых и их проекты. И опять же — Маск большой мастер по пиару, перекрасит этот проект если потребуется в 5 сек. :)
По расходу — опять же я не могу сказать как там с американским частным сектором, но наш — очень энергоемок, если жить круглогодично, то на круг выходит в несколько раз больше чем в городе. Даже при газовом отоплении, без него — вообще смерть к слову так.
Mad__Max
12.03.2017 00:27У них 10 лет гарантии, так что недовольных сроком службы покупателей не будет. В худшем случае будут очередные убытки у производителя (если если оценки не оправдаются и менять по гарантии больше запланированного придется).
А собеседник вам извиняюсь пургу гонит не владея вопросом.
PlayTime
03.03.2017 18:39В данный момент не до акумуляции.
Солечная энергия вырабатывается днем. В это время можно уменьшать мощности маневровых станций и использовать солнечную энергию. И ничего не нужно накапливать.
Только вот проблемы: нельзя все расположить в пустыне, нужны потребители, далеко энергию можно передать только с потерями. По этому электростанции располагаются равномерно по теретории.
В том же Норильске нельзя говорить о солнечной энергетике.
У меня в Днепре в то время когда мне нужна солнечная энергия ее нет. Толку с того что я летом смогу вырабатывать много енергии если у меня расход 200кВт*час в месяц. А зимой для отопления уже все. Мало того что солнечная инсоляция в 5 раз ниже чем летом так еще и тучи большую часть сезона.
Неокторые предприятия строят себе солнечные электростанции. Но эот было выгодно еще до обвала национальной валюты. Сейчас думаю что уже дешевле электричество покупать.
Хотя солнечные колекторы для ГВС на лето думаю это не плохо.gsaw
03.03.2017 19:22-1Вырыть глубокий колодец, опустить туда тяжеленную гирю, как в старых механических часах с кукушкой в соответствующем масштабе. Летом часть солнечной энергии тратить на подъем груза, а зимой пускай опускается и крутит генератор.
lingvo
03.03.2017 19:36+1Прикинем:
Масса Гири — 1000кг. Ускорение свободного падения 9,8 м/с2. Глубина колодца — 100м. Общая запасенная энергия E=mgh = 980 000 Дж = 272 Вт*ч. Я бы не сказал, что это много.
Далее, один литиевый аккумулятор 16850 имеет емкость около 12 Вт*ч. Итого надо 23 таких элемента, чтобы сделать аккумулятор, эквивалентный данному колодцу.
Я нигде не напутал?ntfs1984
04.03.2017 04:23С расчетами нет, а со смыслом — да. Потенциальная энергия != Мощность электрического генератора, который будет работать от кинетической энергии после пересечения точки равновесия. А в свою очередь мощность генератора не всегда кореллирует с работой которую должно выполнять электричество.
Чтобы немного яснее — представьте себе катушку на сердечнике, подключенную к амперметру, и себя с магнитом, которым вы водите возле катушки, затрачивая например килоджоуль СВОЕЙ кинетической энергии. Мощность на выходе катушки будет например киловатт. Вы и катушка — простейший электрический генератор.
Если вы увеличите количество витков в катушке — мощность на выходе катушки увеличится, хотя затраты ВАШЕЙ кинетической энергии останутся такими же самыми.
Это упрощенный пример.
Впрочем есть еще много много нюансов. Колодец, собственно как и гиря в часах — не совсем оптимальный вариант накопления энергии. Оптимальнее будет — торсионная пружина, которая за счет редуктора будет раскручиваться медленнее, и сможет вращать условный ротор с магнитами по бокам в горизонтальной плоскости (т.е. практически нивелируя действие гравитации) внутри огромного статора. Приблизительно как в наручных часах.
Плюс ко всему, мощность — не самая важная характеристика в доме. Куда важнее — выполненная работа. А ее уже можно считать в чем угодно: в градусах (здесь конечно корелляция почти линейная), в люменах (здесь не всегда линейно: затраченный ватт мощности в лампе накаливания выдаст меньше люменов, чем затраченный ватт мощности в светодиоде), гигафлопсах (уменьшаем техпроцесс а значит и энергопотребление) и тд.
В общем и в целом, использовать световую энергию там где есть овер9000 других видов энергии — неразумно, и даже глупо.
Рядом с нами находится Луна, которая создает миллиарды джоулей приливной энергии. Мы живем между двумя обкладками огромного конденсатора с огромной мощностью. Под нами находится сотни градусов, плавно переходящие в тысячи.
Представьте себе пустой цилиндр, внутри которого с одной стороны — нанизаны большие магниты, уходящие к якорю на дно моря, а с другой стороны — стопицот витков катушки, выведенной на поверхность и прикрепленной к большому поплавку. Любое движение на поверхности воды (ветер, приливы\отливы) будет двигать катушку относительно магнитов, и вырабатывать сотни энергии. Этот генератор будет и мощнее и дешевле в производстве.
Подытоживая, скажу на своем опыте «умного дома»: яркое будущее солнечной энергетики тускнеет, как только берешь калькулятор и открываешь пару сайтов с солнечными панелями\аккумуляторами\инверторами :)maxpsyhos
04.03.2017 08:00мощность на выходе катушки увеличится, хотя затраты ВАШЕЙ кинетической энергии останутся такими же самыми.
Это, простите, с хрена ли? Откуда эта мощность там возьмётся, если входная останется такой-же?
BigBeaver
04.03.2017 08:16+1Там просто мощность с энергией вперемежку, но все равно дичь.
Мощность зависит от того, насколько быстро мы тратим энергию. В реальности при наращивании числа витков магнит просто станет тяжелее засунуть в катушку. Т.к. люди слабые, скорость скорее всего, упадет не линейно относительно усилия, а значит, упадет и мощность.
Ах да, тк КПД у людей плохой, то своей потенциальной энергии мы потратим больше (тк тратим энергию даже в статике).ntfs1984
04.03.2017 13:42С чего вы взяли что поводить магнитом около катушки с 20-тью витками будет тяжелее чем около катушки с 10-тью витками?
Вы хоть миллиард витков намотайте на статор двигла, а ротор останется тем же. Просто по мере угасания магнитного потока к дальним виткам, ЭДС будет меньше, да и все.BigBeaver
04.03.2017 15:40С ваших же слов. И если не выерны мои выводы, то не верны и ваши исходные посылки (которые я поленился проверить, но могу попозже заняться, когда высплюсь).
Если выше пиковая мощность на генераторе, то выше и поковая мощность на его приводе. Суммарные работы там и там, соответственно равны с точностью до КПД. Иначе у вас проблемы с законами сохранения.
p.s. ток это не мощность
ntfs1984
05.03.2017 01:39Нет, ваши выводы не верны.
Разумеется, если вы говорите за ГОТОВЫЙ генератор, то ток который он выдает, зависит только от скорости движения ротора, которая напрямую зависит от приложенных усилий.
Насчет КПД вы совершенно правы. В современных индукционных генераторах он небольшой, и единственный доступный способ его увеличивать — увеличивать эффективность обмотки. Увеличивать можно, и практически бесконечно, но это чревато огромными габаритами.
Вроде бы ТЕОРЕТИЧЕСКИ, от завода одних небольших механических часов, можно питать небольшую светодиодную лампочку. Когда-то делал похожий эксперимент, но не с часами а с беличьим колесом. Основная минус генераторов — статор находится на небольшом расстоянии от оси ротора, т.е. магниты за один оборот проходят небольшое расстояние. Если это расстояние увеличить — затрачиваемая энергия на увеличение оси — не увеличится, а расстояние пробега за один оборот, и как следствие площадь контура — увеличится.
Если пример с рукой непонятен, давайте лучше приведу пример с колесом. Вот у вас есть велосипед. Закрепите магнит на колесе около оси, покрутите педальки. Крутятся? Крутятся. А теперь переместите магнит ближе к внешнему радиусу колеса. Педальки стали тяжелее крутиться? Нет не стали. Но внешний радиус колеса вы сможете обтыкать бОльшим количеством катушечек, чем внутренний.BigBeaver
05.03.2017 14:26Мощность на выходе генератора ограничена сверху мощностью его привода, какие бы хитрые примеры вы не придумывали…
Мощность это работа в единицу аремени, а работа это интеграл силы по траектории. Рост тока в катушке дает рост напряженности поля. А значит, работа против магнитных сил будет больше. Рост магнитных сил можно нивелировать, уменьшив скорость ввода магнита, но тогда не будет и роста тока (и мощности).
Таким образом, если вы говорите, что мощность, снимаемая с генератора растет, это автоматически означает, что при равной амплитуде движений растет и усилие, преодалеваемое его приводом.
lingvo
06.03.2017 12:18Налицо полное непонимания электромагнитной индукции. Колесо будет легко крутиться, обвешайте вы его хоть сотней катушечек. Пока по ним не. Течет ток, сопротивления они не вызовут. Но как только вы начнете снимать с них нагрузку, в магните и колесе возникнет ЭДС самоиндукции, которая начнет ощутимо тормозить ваше колесо и педальки станет крутить значительно тежелее. И в итоге что с маленького радиуса, что с большого вы снимите одинаковое количество энергии
ntfs1984
04.03.2017 13:31Это простите, с банального закона ЭДС, и какая-то «входная мощность» здесь ни при чем.
Мощность (ток) кореллирует с площадью контура, если точнее, с количеством витков.maxpsyhos
05.03.2017 03:33Ток и мощность — это мягко говоря не одно и то же. Там в уравнении есть ещё и напряжение, которое, сюрприз, тоже может меняться.
ntfs1984
05.03.2017 12:56Вы спросили с хрена ли возрастет мощность при том, что входная не поменяется.
Во-первых, электромагнитая индукция порождает ТОК, определенного напряжения. Напряжение здесь вторично, поскольку в принципе входит в состав ЭДС, там чуть поболее законов затрагивается, включая закон Ома, но суть остается та же — увеличивая количество витков, мы увеличиваем мощность, поскольку увеличиваем ампераж, и
Во-вторых, касательно домашнего применения, ток практически тождественен мощности, ибо наиболее затратна по большей части работа по нагреву. Вы наверное в курсе, что ваша небольшая хлебопечка жрет столько же, сколько ваш холодильник+ваш телевизор+два компьютера+все зарядки в доме и тд ?) Так вот эта самая работа, происходит в основном по закону Джоуля-Ленца. Ток в квадрате на сопротивление и время.
Если по-русски, это значит что ваша хлебопечка от 12 В аккумулятора работать БУДЕТ, а от электродов электрошокера со стопицот вольтами — нет, и догадайтесь сами, почему :)
Но мы отдалились от темы. Понятно, что в системе ротор-статор есть конечный предел витков, если их сделать больше — магнитное поле ротора попросту не будет до них доставать. Понятно что КПД выше 99.9% не будет. Однако, подытожу, что:
а) При улучшении параметров статора и неизменных параметрах ротора (рука, вращающая магнит), мощность генерируемая статором будет увеличиваться. Своеобразно и в разумных пределах разумеется;
б) Генерируемый ток (а значит и мощность) зависят от площади обмотки;
в) Ограничений на площадь обмотки нет. Увеличивать можно бесконечно долго, и кроме количества витков, увеличивать можно еще и угловой диаметр. Да да, генератор размерами с БАК;
г) Затрачиваемая мощность на вращение ротора от радиуса ротора не зависит. А вот от массы — вполне. Как я уже писал в примере про колесо — магнит на колесе ближе к оси, и магнит на колесе около наружного радиуса потребует одинаковых усилий педалей, но магнитов около наружного радиуса можно разместить побольше, и их количество а значит и масса, разумеется потребуют дополнительных усилий. Чтобы сделать эту зависимость нелинейной, это условное колесо-ротор потребуется разместить в горизонтальной плоскости. Тогда там будет действовать формула которую я бы предпочитал нарисовать на доске.
Как-то так.Alexeyslav
07.03.2017 14:21Рука-лицо… вообще-то квадрат тока на сопротивление это частный случай исключительно для активной нагрузки. Хотя вобщем-то формулы справедливы, но не отражают сути явлений. Откуда там возьмется ток? Есть ещё закон Ома, внутреннее сопротивление источника тока и т.д.
Лучше ответте так навскидку, какая мощность в цепи будет больше при 1000А или при 0.1А?
А если первая цепь это низковольтная холодная сварка с напряжением на контактах 1..2В, а вторая это рентгеновская трубка с напряжением в 70000В.
А хлебопечка будет работать как от 12В так и от 50000В вопрос лишь в нагревательном элементе. Если брать хлебопечку без модификации и подать на неё напряжение с электрошокера — начинает работать элементарный закон Ома, внутреннее сопротивление электрошокера очень высоко, в итоге на спирали хлебопечки сопротивлением в 10В от тех 50000В останется одна десятая вольта, и по закону джоуля-ленца соответствующая мощность. Если же электрошокер будет обладать таким же внутренним сопротивлением как и хлебопечка, то её разнесет в клочья, ибо выделится мощности по меньшей мере киловатт 25. Но такого разумеется не будет. Или будет? А почему нет… только запас энергии в электрошокере при таких мощностях будет порядка микросекунд, и да… таким образом делаются установки генерирующие ЭМИ с реально огромными пиковыми мощностями.
Так что чуда не будет. отбираемая мощность с катушек сильно затормозит колесо, вплоть до невозможности его крутить. Это, кстати, называется(и вполне себе используется в технике) — электродинамический тормоз, а по вашей теории он не должен работать в принципе.
PlayTime
03.03.2017 19:45А вы расчеты делали?
Мои расчеты.
А=mgh
Кубометр бетона имеет масу ~ 2500кг/m^3
допустим что у нас есть колодец глубиной 20 метров. Груз мы полностью вынимаем из колодца.
И того. При опускании этого кубометар бетона (без учета всяких потерь, наша система идеальная) получим.
А = 2500кг * 9,8Н/кг * 20м = 490 000 = 490кДж. В переводе в кВт*час это 0,136кВт*час.
Я надеюсь вы можете представить масштабы такого акумулятора чтобы обеспечить в день хотябы 3кВт*час (22м^3 с высотой шахты/вышки 20м).
Areso
03.03.2017 19:59Считал с водой. Мини ГАЭС. Невыгодно.
Интереснее тогда уж вариант с кинетической энергией посчитать, куда подевались все стартапы с супер-маховиками?BigBeaver
03.03.2017 20:08+1Тоже не выгодно.
rPman
05.03.2017 17:52где можно посмотреть расчеты по супермаховикам?
по мне так отличный вариант.
p.s. еще химические не рассматривали, какое-нибудь производство (м)етана с использованием окружающего углекислого газа и сжигая бытовой мусор (я говорю про министанции для домашнего применения а не для крупных потребителей типа домохозяйства и заводы), хранить долго его неудобно, а вот сутки другие — очень даже отличный вариант.
Gryphon88
05.03.2017 22:37Это как-то совсем радикально. Читал про аккумуляторы на сжижении воздуха или закачке газа под давлением.
Mad__Max
12.03.2017 00:54+1Достаточно посмотреть на их примерные стоимости — и считать ничего не нужно, так все ясно.
Они более-менее конкурентоспособны относительно других накопителей только по параметру выдаваемая мощность/$. Но проигрывают всем основным видам аккумуляции энергии по самому главному параметру: емкость/$.
lingvo
04.03.2017 00:01Вроде наиболее выгодно с температурами играться: теплоемкость воды 4200Дж*град/л. Т.е. берем ту же тонну воды и греем на 50 градусов, получаем 58квтч. Уже профит.
Еще круче с фазовыми переходами — там, вроде еще больше можно получить.
Но в обоих случаях с теплоизоляцией проблемы, хотя на сутки должно хватитьPlayTime
04.03.2017 00:11но вы же должны понимать что это тепловая енергия а не электрическая.
Вы предлагаете гдето хранить пар? Да, там при фазовом переходе выделится/поглотится много енергии.
Только вот толку…
Разве что на отопление. Но я таким поболел, проследил зиму, посмотрел готовые проекты. 300квт*час в январе с 20(или 25) метров квадратных как то не очень при потреблении 1500 квт*час.
А летом воду только на ГВС можно пускать.lingvo
04.03.2017 09:18Я читал, что сейчас многие успешно экспериментируют с переходами лед-вода. В этом случае для «перекачивания» энергии туда-сюда используется обыкновенный тепловой насос. Основное неудобство пока — расширение льда — требуются «мягкие» емкости.
impetus
04.03.2017 09:21Нет никаких проблем превратить электричество в тёплую воду.
И нет никаких работающих решений достать его оттуда обратно.
Doka_7
03.03.2017 20:22+1Прмер по факту: http://alter-eco.su/otoplenie-solnechnymi-kollektorami-na-yuzhnom-urale-magnitogorsk-opyt-ekspluatacii-v-sezone-2015-2016-godov/
Основная проблема — ёмкий теплоаккумулятор, например, дом Ленера с отплением на 100% солнцем имеет водяную бочку на 40м.куб.
ittakir
04.03.2017 06:58В наших широтах, как минимум можно преобразовывать солнечную энергию сразу в тепло для отопления жилья.
В солнечные дни это позволит сэкономить очень много традиционной энергии (уголь, газ, электричество).
При чем, устройство солнечного коллектора тривиально — черный лист железа под стеклом. Стоимость за квадратный метр очень низкая.
Только какой в этом смысл, если у нас в многоквартирных домах температуру регулируют путем открытия форточки, а не перекрыванием теплоносителя? Сколько бы ты не наэкономил, а платить будешь по все более высоким тарифам, потому что так решили власти.
isden
04.03.2017 11:33А ничего не слышно про преобразователи на основе наноантенн? Читал несколько лет назад новости, что удалось вырастить из нанотрубок антенное поле для ИК и видимого диапазонов, и можно напрямую ЭМ излучение преобразовывать в электричество.
Gryphon88
05.03.2017 01:04на GT тоже проскакивало. В обсуждении приводились ссылки, что пока чудовищно высокая цена и быстрая деградация.
Psychosynthesis
05.03.2017 02:23При этом самые эффективные и относительно доступные батареи — на арсениде галия.
В статье ни слова вроде как о них?
SerJ_82
07.03.2017 13:51А где в списке эффективности находятся наши разработки, на неких гетероструктурах? Якобы они позволяют даже из лунного света вырабатывать ток…
Mad__Max
12.03.2017 00:46+1Они в уголке высокая эффективность/очень высокая цена. Про которое мельком упомянуто в обзаце
Возможно производство многослойных панелей, поскольку ширину запрещённой зоны можно настраивать, изменяя добавки. Каждый слой можно настроить на определённую длину волны. Такие ячейки теоретически могут достигать 40% эффективности, но пока остаются дорогими. В результате их проще найти на спутнике НАСА, чем на крыше дома.
Наши насколько помню были 3х слойными + оптические концентраторы.
В результате насколько знаю производство загнулось уже из-за нерентабельности.
Как обычно идеи/разработки у нас хорошие, а как доходит дело до практической реализации и налаживания массового производства и сбыта, так пиши пропало. С внедрением и коммерциализацией дело швах.
lifecom
Солнечные коллекторы на крышах Кипра... -> это Израиль
t13s
Ну это если к надписям присмотреться. А в целом все выглядит так же уныло, как и на Кипре.:)