Сумеречная энергия: как создают малосолнечные батареи

Панели для преобразования света в электричество можно будет устанавливать в помещениях, а новые технологии помогут эффективно собирать не только зенитный, но и сумеречный свет. О многообещающем проекте мы беседуем с заведующим лабораторией перспективной солнечной энергетики Университета науки и технологий «МИСиС» Данилой Сараниным.

Солнечная батарея, которую разрабатывает группа ученых МИСиСа и Института синтетических полимерных материалов им. Ениколопова РАН, построена по принципу сэндвича: перовскит в пленках из органических полупроводников. Перовскит — ​гибкий и легкий полупроводниковый материал с довольно необычными свойствами и структурой. Как источник питания он не уступает и часто даже превосходит кремниевые аналоги по эффективности поглощения солнечного света. Зарядно­-транспортные функции выполняют органические полупроводники. Пленки из них ультратонкие, 10–20 нм. «В сотни раз тоньше, чем человеческий волос», — ​уточняет Данила Саранин.

На поверхности пленок легко образовываются микродефекты. Чтобы оперативно «залечивать» их, ученые ввели в конструкцию батареи органические самоорганизующиеся слои из 5,4‑дефиниламинофенилтеофин‑2‑карбоксиловой кислоты. В ходе экспериментов выяснилось, что есть ряд других полезных эффектов: значительно увеличилась стабильность работы и КПД батареи. «Кроме того, после интеграции в «сэндвич» органических прослоек мы обнаружили, что кратно возросла вырабатываемая мощность в условиях низкой освещенности», — ​рассказывает Данила Саранин. То есть батарея может работать и при облачности, и во время восхода и заката, когда угол падения солнечных лучей слишком мал, и в плотной городской застройке, и даже в офисных помещениях — ​это новое направление микрогенерации, индор-фотовольтаика.

Кстати

В декабре 2023 года ученые МИСиСа представили первую в России всепогодную портативную раскладываемую солнечную батарею на основе гибридных перовскитов. Разработка готова к промышленному масштабированию, натурные испытания показали эффективность. Идут эксперименты, которые помогут подтвердить огромный расчетный ресурс батареи — ​более 20 лет. Ее адаптируют для использования в автономном питании узлов связи и удаленных объектов на Крайнем Севере. Также ведутся исследования по интеграции батареи в системы обеспечения микроспутников на низких орбитах.

Эффективность инновационной батареи Данила Саранин иллюстрирует следующей аналогией. Если ведро с небольшой трещиной наполнять водой с сильным и стабильным напором, течь не будет критичной. Если поток воды будет слабым, то даже самая незначительная трещина помешает наполнить ведро. «Когда падающих на батарею фотонов ничтожно мало, все несовершенства и дефекты конструкции проявляются критично. Благодаря органическим полупроводникам мы сможем увеличить мощность батарей на 90 %, а КПД — ​на 2,42 %», — ​объясняет ученый.

Кроме того, перовскитная батарея кратно дешевле в изготовлении по сравнению с кремниевой. Но пока все равно слишком дорогая для частных домовладений. «Это же модульная энергосистема. Кроме батареи нужны трекеры мощности, инвертор и другие элементы. Необходимо постоянное техническое обслуживание надлежащего качества. Сэкономив на начинке батареи, мы снизим общую стоимость системы на 12–15 %. Для частного хозяйства цена все равно будет высокой, но для предприятий эти проценты означают существенную экономию», — ​говорит Данила Саранин.

Прототипы батарей с органическими самоорганизующимися слоями проходят лабораторные испытания. Опытное производство, как обещают разработчики, не за горами.

Словарь

Индор-фотовольтаика — ​преобразование в электроэнергию света от экранов мониторов, потолочных светильников и т. д. Для улавливания фотонов в помещении требуются новые фотоэлектрические материалы, поскольку даже в разгар рабочего дня освещенность, например, в офисе составляет всего 200–400 люкс. Для сравнения: Солнце в зените излучает 100 тыс. люкс.

Тенденции

В 2023 году прирост мощности зеленой энергетики приблизился к 510 ГВт, что почти на 50 % больше, чем в 2022‑м. Это самый высокий показатель за последние 20 лет, отмечается в докладе Международного энергетического агентства: в 2022 году прирост был 342 ГВт, в 2021 году — ​303 ГВт.

Авторы доклада делают несколько прогнозов. Так, в этом году ветряные и солнечные станции (ВЭС и СЭС) в совокупности произведут больше электроэнергии, чем гидростанции. В 2025‑м все станции, работающие на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), превзойдут по мощности угольные. Ветрогенерация обгонит атомную в 2025‑м, солнечная — ​в 2026‑м. В 2028 году на долю ВИЭ будет приходиться более 42 % генерации (в 2023‑м было 30 %), доля ветра и солнца вырастет до 25 % (с 13,4 % в 2023‑м).

В ближайшие пять лет в мире будет введено в эксплуатацию почти 3,7 тыс. ГВт мощностей на базе ВИЭ. Интенсивный рост обусловлен широкой политической поддержкой этого сектора в более чем 130 странах, говорится в докладе. 95 % глобального роста придется на солнечную и ветряную генерацию: к 2028 году прирост их мощности достигнет почти 710 ГВт.

Росту будет способствовать и то, что затраты на производство зеленой энергии снижаются. Так, в 2023 году 96 % новых солнечных и наземных ветростанций показали меньшие затраты на генерацию, чем новые угольные и газовые станции. Кроме того, цена солнечных панелей в 2023 году сократилась почти на 50 % в годовом выражении, а их производство утроилось относительно 2021 года.

Ожидается, что до 60 % мощностей зеленой энергетики, которые введут в мире до 2028 года включительно, построят в Китае. В первой половине этого года суммарная доля ВЭС и СЭС в национальном энергобалансе составила 38,4 % и превысила мощность угольных станций на 0,3 % (из отчета Совета по электроэнергетике КНР).

В России, по данным Ассоциации развития возобновляемой энергетики, за последние пять лет установленная мощность объектов генерации на базе ВИЭ удвоилась и к началу июня 2024 года достигла 6,16 ГВт. 2,6 ГВт — ​ветростанции, 2,2 ГВт — ​солнечные, 1,3 ГВт — ​малые гидроэлектростанции (МГЭС), остальное — ​геотермальные станции, станции, вырабатывающие энергию из биомассы, биогаза и свалочного газа. Пока они обеспечивают всего 1,12 % энергопотребления. ГЭС мощностью свыше 50 МВт и АЭС в подсчет не входят, поскольку относятся к низкоуглеродным, объяснили в ассоциации. Если суммировать мощности СЭС, ВЭС, МГЭС, ГЭС и АЭС, то это порядка 37 % генерации в нашей стране.

ТОП-5 НЕОБЫЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ