CC BY
46
УДК 620.92
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ
С.В. Котеленко, Д.М. Прохорова
Рассмотрены новейшие способы генерации энергии солнца в электричество. Приведенные методы позволяют повысить эффективность сбережения энергии.
Ключевые слова: генерация, электроэнергия, энергопотребление, фотоволь-
таика.
Одной из важных задач в энергетике является экономия финансов и ресурсов благодаря энергосбережению. Солнце - неиссякаемый и общедоступный источник энергии. Солнечная энергетика относится к разряду альтернативной. Она динамично развивается, предлагая новые методы получения энергии от Солнца. Кратко рассмотрим одни из новых методов сбережения электроэнергии с помощью альтернативной энергии Солнца.
Стеклянные строительные блоки. Для преобразования света в электричество используют фотоэлектрический преобразователь, это так называемые солнечные ячейки - фотоэлектрические преобразователи в виде вырезанных из кремния пластин. Фотоэффект или фотоэлектрический эффект - это явление испускания электронов веществом (явление вырывания электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения. Солнечная ячейка или фотоэлемент -это полупроводник, следовательно, фотоэффект в нем происходит необычно, это внутренний фотоэффект, и он имеет даже специальное название «вентильный фотоэффект». Под действием солнечного света в p-n переходе (рис.1) полупроводника возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое. P-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда - электронам и дыркам - двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. И будучи присоединен к цепи нагрузки посредством верхнего и нижнего электродов, фотоэлектрический преобразователь, подвергаемый действию солнечного света, создаст во внешней цепи постоянный электрический ток [1].
Стартап-компания Build Solar представила свою инновационную технологию под названием «Solar Squared» (солнечный квадрат). Данная технология призвана обеспечить здания возможностью преобразовывать энергию солнца в электричество без необходимости использования традиционных солнечных батарей. Solar Squared или солнечный квадрат - это стеклянный блок, в который встроены фотоэлементы (рис. 2).
214
полупроводник р-типа © = электрон нижний электрод
Рис. 1. P-n переход
Рис. 2. Solar Squared
Этот блок может быть встроен прямо в конструкцию здания. Интеллектуальная оптика, содержащаяся в блоках, фокусирует поступающий солнечный свет, концентрируя его на квадратных площадках небольшого размера, увеличивая тем самым общую доступную энергию, которая генерируется каждым «кирпичом» в отдельности [2]. Данное изобретение имеется множество плюсов, среди них следующие.
1. Блоки могут выпускаться в различных размерах и цветах, чтобы отлично подходить к любому интерьеру.
2. По сравнению с солнечными батареями Solar Squared могут использоваться в многоквартирных домах, поскольку не занимают много места.
3. По сути, модульные прозрачные кирпичи из стекла заменят собой обычные кирпичи, блоки и раствор, но, в свою очередь, создают лучшую теплоизоляцию стенам и крышам, чем обычные стеклянные блоки.
4. Solar Squared представляют собой не просто преобразователи солнечной энергии, они одновременно являются своеобразными непрозрачными окнами, которые пропустят солнечный свет в здание, где они установлены.
В настоящее время запатентованная технология существует в виде прототипа. Проекты отлаживаются на экспериментальных участках до начала испытаний [2].
Новые прозрачные окна. Исследователи факультета материаловедения Миланского университета им. Биккока в Италии, совместно со своими коллегами из Центра передовой солнечной фотофизики в Лос-Аламосе, США разработали новое нетоксичное покрытие из квантовых точек, которое превращает любое стекло в прозрачный электрический генератор. Покрытие из квантовых точек образует люминесцентный - самосветящийся солнечный концентратор, который в дневное время способен поглощать солнечные лучи, проходящие сквозь прозрачное стекло[3].
Принцип действия. Фракция света, прошедшего через окно, поглощается наноразмерными частицами - органическими солями, диспергированными на оконное стекло, которые эмитируют фотоны в инфракрасном диапазоне, невидимом для человеческого глаза. Эти фотоны направляются на солнечные элементы, расположенные по краям окна, там его встречают узкие полоски из обыкновенных фотовольтаических панелей, которые и поглощают свет и генерируют электрический ток.
По мнению исследователей, прозрачное окно-генератор способно вырабатывать электричество, достаточное для питания домашнего кондиционера или обогревателя [3].
В России также развиваются технологии генерации альтернативной энергии, примером может служить разработка черепицы для крыши, выступающей в роли солнечной батареи. Данное изобретение производит с помощью солнечной энергии и фотогальванического способа горячую воду и электрическую энергию [4].
Рис. 3. Вид окна-генератора
216
Покрытия согласно изобретению выполнены совершенно совместимыми с окружающей обстановкой с помощью выбора правильного типа черепицы, зависящего от расположения, и, таким образом, удовлетворяющими эстетическим запросам и требованиям по водонепроницаемости.
Данная система позволяет не только покрыть всю крышу и стены, но и при этом обеспечить здание термоизоляцией, вентиляцией, не нанося ущерб окружающей среде. Она позволяет аккумулировать солнечную и фотоэлектрическую энергию, достаточную для производства горячей воды и/или электрической энергии.
Черепица состоит из двух элементов. Они содержат внутренние трубопроводы, смесительные схемы, поглощающие пластины и фотоэлектрические поглощающие элементы для производства электрической энергии, которые находятся снаружи, на верхней стороне.
Фотоэлектрическими элементами могут служить:
1) выпуклые металлические пластины, снабженные с наружной стороны экранами и различными фильтрами;
2) пластмассы, изготовленные из углепластиков или подобных им пластиков;
3) рельефные и/или штампованные производные кремния.
Эти материалы изготовлены с покрытием и специальными цветными пленками, что позволяет им выглядеть с внешней стороны как традиционная черепица. При этом имеют низкую общую стоимость и очень высокую выработку энергии [4].
Тонкоплёночный термоэлектрический генератор. Данное изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано для построения устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно термоэлектрических приборов, основанных на эффекте Зеебека [5].
Термоэлектрический генератор содержит тонкопленочные слои полупроводниковых материалов р-типа и п-типа, изолирующего материала, термоизоляционного материала, токопроводящие токосъемные контакты и площадки для теплового контакта с низкотемпературной и высокотемпературной средами. Между слоями тонкопленочного диэлектрического материала, контактирующими с низкотемпературной и высокотемпературной средами, расположены электрически контактирующие посредством р-п перехода полупроводниковые слои и электрически изолированные между собой слои, являющиеся продолжением полупроводниковых слоев, которые термически и электрически изолированы от них. При этом полупроводниковые слои и слои, являющиеся продолжением полупроводниковых слоев, чередуются со слоями термоизоляционного диэлектрического материала и диэлектрического материала. Слой из тонкопленочного диэлектрического материала и слой
из тонкопленочного термоизоляционного диэлектрического материала, расположенные в области термического контакта р-n перехода с низкотемпературной или высокотемпературной средой, выполнены с вырезами в виде окон.
Задачей представленной модели является упрощение конструкции, а также снижение стоимости производства термоэлектрического генератора при одновременном повышении производительности процесса его изготовления.
Солнечная энергия при всех ее достоинствах имеет явные недостатки, выраженные в зависимости от погодных условий, дороговизна оборудования, а также обширная занимаемая площадь. Эти недостатки устраняются за счет быстрого развития новых технологий и новых технических решений в этой области, позволяющие использовать солнечную энергию во многих областях жизни. Солнечная энергетика развивается не только за рубежом, но также имеет достойный ответ и в России, что подтверждает множество патентов и постепенное внедрение новых технологий в электроснабжении. Различные изобретения, связанные с выработкой энергии от Солнца могут стать устойчивым и гибким источником электроэнергии, имеющие возможность совмещать в себе несколько источников энергии. Оборудование для солнечной энергии отличается высокой стоимостью, но новые технические решения позволяют сокращать срок окупаемости и тем самым удешевлять электроэнергию, выработанную за счет солнца.
Список литературы
1. Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую [Электронный ресурс]. URL: http://electricalschool. info/ spravochnik/poleznoe/1914-kak-proiskhodit-process-preobrazovaniia.html (дата обращения: 10.09.2019).
2. Стеклянные строительные блоки - генераторы электроэнергии [Электронный ресурс]. URL: http://electrik.info/main/news/1547-steklyannye-stroitelnye-bloki-generatory.html (дата обращения: 10.09.2019).
3. Новые прозрачные окна, генерирующие электричество от энергии солнца [Электронный ресурс]. URL: https://www.vzavtra.net/stroitelnye-texnologii/ novyj- prozrachnye- okna- generiruyushhie- elektrichestvo- ot-energii-solnca.html (дата обращения: 10.09.2019).
4. Де Нардис Маурицио. Патент на изобретение. Черепица для крыши, выступающей в роли солнечной батареи, производящая с помощью солнечной энергии и фотогальванического способа горячую воду и электрическую энергию. № 2457579, МПК H01L 31/058 (2006.01). Опубликовано: 27.07.2012. Бюл. № 21.
218
5. Голоденко А.Б. Патент на полезную модель. Тонкоплёночный термоэлектрический генератор. №181193. МПК H01L 35/32 (2006.01). Опубликовано: 05.07.2018. Бюл. № 19.
6. Сабади П.Р. Солнечный дом: руководство / пер. с англ. Н.Б. Гладковой. М.: Стройиздат, 1981. 113 с.
7. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы. Перевод с английского с сокращениями. М.: Мир, 1986. 435 с.
8. Сарнацкого Э.В., Чистовича С. А. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. М.: Изд-во Стройиздат, 1990. 325 с.
9. Gevorkian P. Alternative energy systems in building design // The McGraw-Hill Companies. 2009. 545 p.
10. Умаров Г.Я., Ершов А.А. Солнечная энергетика. М., 1974. 64 c.
11. Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В. А. Кузнецова, Н.К. Малинин. М.: Издательский Дом МЭИ, 2008. 320 c.
Котеленко Светлана Владимировна, канд. техн. наук, ассистент, S. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Прохорова Дарья Михайловна, студентка, dashamayer 71@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
NEW TECHNOLOGIES OF SOLAR ENERGY GENERATION IN POWER SUPPLY
S. V. Kotelenko, D.M. Prokhorova
The latest methods of generating solar energy into electricity are considered. These methods can improve the efficiency of energy conservation.
Key words: Generation, electricity, energy consumption, photovoltaics.
Kotelenko Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, assistant, S. [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Darya Mikhailovna Prokhorova, student, dashamayer 71 amail. ru, Russia, Tula, Tula State University
