Солнечные батареи нового типа обещают КПД, сравнимый с бензиновыми ДВС

Принципиально новый процесс конвертации солнечного света в электрический ток был открыт и проверен на практике Николасом Мелошем, профессором Стэнфордского университета из солнечной Калифорнии (National Stanford University). В разработанных им фотоячейках генерация электричества в фотоячейке проходит при высокой температуре, а сам нагрев усиливает процесс такой генерации.

Практически все современные промышленные и бытовые солнечные панели построены на основе кремниевых фотоячеек, одна из проблем которых — существенное снижение КПД (вплоть до прекращения работы) с ростом температуры самой ячейки. Если вспомнить, что коэффициент полезного действия в случае с кремниевыми солнечными панелями и так не превышает 5% — 7%, то дальнейшее его снижение делает использование фотоэлектрических ячеек бессмысленным, если не отводить лишнее тепло. Предельная температура работы этих кремниевых "батарей" не превышает 80 градусов Цельсия, а при 100 градусах и выше они просто перестают вырабатывать ток.

В новых фотоячейках процесс выработки электроэнергии протекает при более высоких температурах — от 200 до 800 (в теории) градусов Цельсия. Автор разработки назвал этот процесс принципиально новым способом конверсии солнечного света в электричество: photon enhanced thermionic emission, PETE (дословно —  термионная эмиссия, улучшенная фотонами). Упрощенно, смысл ее в том, что процесс, происходящий в обычной солнечной батарее, здесь усиливается с ростом температуры ячейки, передавая электронам дополнительную энергию (путем нагрева) и усиливая образуемый ими ток. В теории идеальная PETE-ячейка должна была бы достигнуть КПД в 40%-50%, однако, на практике этот показатель составил чуть более 20%, что, однако, больше такого у "обычных" солнечных батарей.

Главное достоинство этих ячеек является своего рода зеркальным отражением главного недостатка кремниевых солнечных панелей — последние способны работать лишь с узким спектром солнечного излучения, теряя до 60% энергии, получаемой с солнечным светом в виде нагрева и последующего рассеивания тепла. Если же вспомнить, что с ростом нагрева падает КПД, то становится понятно, чем так выгодно отличаются новые "батареи". Здесь все наоборот — лишнее тепло только усиливает фотоэффект. Более того, излишнее тепло можно использовать дальше в классических тепловых машинах (напр. паровых турбинах), отводя его при помощи радиатора и какого-нибудь теплоносителя.  В таком случае полезность преобразования обещают повысить до 55%-60%, что уже может составить серьезную конкуренцию тепловым электростанциям на ископаемом топливе.

Материалы, необходимые для изготовления фотоячеек нового типа, вроде как не дорогие и широко используются в современной электронной промышленности. Конструктивно эти ячейки представляют из себя полупроводник, покрытый тонким слоем цезия.  В экспериментальной установке в качестве полупроводника был использован нитрид галлия. Пока это — единственный материал, который был способен выдавать РЕТЕ-эффект, оставаясь работоспособным при температуре выше 200 С. Однако, ограничение по температуре здесь составило около 400С, что не позволило добиться расчетного КПД в 50%, предсказанного компьютерным моделированием для материала, работающего при температуре 800С.  В данный момент ведется исследования по применению различных соединений в таких ячейках, наиболее перспективным из которых  является арсенид галлия. В любом случае, КПД в 20% сравним с таковым у бензинового двигателя внутреннего сгорания, что уже является большим прогрессом для альтернативной энергетики.

О стоимости материалов авторы разработки сообщают, что, в случае применения ячейки в солнечном концентраторе (система зеркал, собирающая солнечный свет и фокусирующая лучи в одной точке, нагревающей рабочее тело теплоэлектрогенератора), потребуется пластина диаметром около 6 дюймов, так что, стоимость материала здесь не играет большой роли. И это еще одна особенность выгодно, отличающая эту разработку от традиционных солнечных батарей, требующих квадратные метры кремниевого покрытия. В идеале, авторам видится простая модернизация существующих солнечных электростанций на основе концентраторов, суть которой — добавить туда эти самые пластины. Их форма разрабатывается как раз с учетом конструктивных особенностей электростанций такого типа.

В заключение Мелош сообщает, что даже если увеличение КПД его панелей по сравнению с традиционными солнечными батареями составит 10% (вместо теоретических 50%), это составит увеличение КПД традиционной солнечной электростанции с 20% до 30%…что, в итоге, и приведет к общему возрастанию КПД этой станции на 50%. Такая вот у него хитрая математика, не мытьем, так катанием. Если рассуждать таким образом и дальше, то, взяв типичную солнечную  электростанцию с КПД 10% и прибавив ей еще 10%, получим общий КПД в 20%, или — увеличение «полезности» в два раза, считай на 100%! 🙂

Мелош смотрит на нас как на любителей дешевой электроэнергии 🙂

На практике это будет означать удешевление получаемой таким образом электроэнергии, что, по мнению автора, должно будет означать революцию в коммерческой электрогенерации на основе солнечной энергии. Спонсорами данного исследования выступили Global Climate and Energy Project at Stanford, совместно с предприятием Стенфордского же университета и National Accelerator Laboratory, а так же — всем нам хорошо известное исследовательское подразделение Пентагона DARPA. Последние денег на ветер обычно не бросают, так что в ближайшем будущем можно ожидать промышленных образцов этих новых термофотоячеек. Если, конечно, проект не закроют нефтегазовые лоббисты.