Япония и весь мир проиграли Китаю на рынке кремниевых солнечных панелей. По данным Международного энергетического агентства, китайские компании контролируют более 80 % в мировой цепочке поставок кремниевых солнечных панелей и ещё больше в сфере выпуска поликристаллического кремния для таких панелей. Переломить ситуацию можно только с помощью новых решений, которыми должны стать тонкоплёночные перовскитные солнечные панели.

Источник изображения: George Nishiyama/The Wall Street Journal

«Мы выиграли в технологии, но проиграли в бизнесе», — заявил Хироо Иноуэ (Hiroo Inoue), генеральный директор Японского агентства природных ресурсов и энергетики, добавив, что японские фирмы постигла аналогичная участь в производстве жидкокристаллических дисплеев и полупроводников. Но в Японии продолжают считать, что инженерный и научный персонал в стране всё ещё качественно опережает китайский.

Массовое производство тонкоплёночных перовскитных солнечных панелей может стать тем рычагом, который опрокинет доминирование Китая на рынке солнечных элементов. По крайней мере, власти Японии не жалеют средств, чтобы подтолкнуть отечественные компании к массовому производству перовскитных элементов. На эти цели, например, с недавних пор выделено свыше $400 млн и этим власти не ограничатся. В США также выделяются бюджетные средства на разработку перовскитных фотоэлементов.

Перовскитные фотоэлементы начали своё восхождение менее десяти лет назад. К сегодняшнему дню массовые кремниевые солнечные элементы имеют КПД не выше 22 %. Опытные перовскитные элементы, которые готовят к массовому производству, готовы стартовать с КПД от 25 %. К этому следует добавить намного менее энергоёмкое производство панелей с перовскитом, которое не требует обжига, как кремниевые пластины. Также перовскит может наноситься из жидкой фазы на плёнки, что позволит покрыть фотопанелями едва ли не любую поверхность. На ощупь они как фотоплёнка, только намного шире, говорят разработчики. Толщина перовскитного слоя составляет всего 1 мкм. Кремний раз в 20 толще и тяжелее. Это прошлый век, считают в Японии.

Одними из первых массовый выпуск фотопанелей из перовскита в Японии намерена начать компания Sekisui Chemical. Она будет выпускать перовскитные панели рулонами шириной 30 см. Строительство фабрики уже началось. Начало производства ожидается в 2025 году. Такие панели можно будет использовать также в помещении, собирая энергию от света везде, где только можно. Обычным солнечным панелям из кремния такое даже не снилось. Для гибких панелей есть столько места, что эта ниша будет ещё не скоро заполнена.

Важным моментом производства перовскитных панелей станет независимость от поставок сырья из Китая. Для Японии и других передовых стран это одно из самых больных мест. «Посмотрите, что Китай делает с полупроводниками. Это издевательство, — говорит учёный Цутомо Миясака, один из ведущих специалистов страны по перовскитам, имея в виду ограничения Пекина на экспорт редкоземельных элементов галлия и германия, используемых в чипах. — Компоненты из перовскитовых элементов могут быть изготовлены внутри страны».

В частности, для выпуска перовскитных фотоячеек требуется много йода. Япония является одним из крупнейших в мире поставщиком этого элемента. Треть йода на мировом рынке японского производства. Больше йода поставляет только Чили. Япония может не бояться зависимости от Китая в случае массового выпуска перовскитных ячеек.

Почти всё хорошо. Но значительным минусом перовскитных фотоэлементов остаётся их высокая чувствительность к влаге из окружающего воздуха. Это быстро приводит в негодность потенциально хорошие панели. Их нужно защищать от этого и японские учёные создали перспективный герметик, который не даёт панелям превратиться в слизь. Панели Sekisui Chemical смогут работать целых 10 лет и оставаться эффективными всё это время. Хвалёное долголетие кремниевых солнечных панелей, кстати, оказалось далеко от заявленных 25 лет. Они тоже начинают быстро деградировать после 10 лет эксплуатации.

Премьер-министр Японии Фумио Кисида пообещал сделать технологию производства перовскитных фотопанелей коммерчески жизнеспособной в течение двух лет. Япония импортирует около 90 % энергии и энергоносителей с тех пор, как закрыла большинство своих атомных станций после катастрофы на АЭС «Фукусима» в 2011 году. Цель Кисиды амбициозна, но японские инженеры и чиновники настроены оптимистично, ссылаясь на последние технологические достижения.

«Чем сложнее это [технология производства] будет, тем труднее китайцам будет скопировать её», — сказал Миясака, профессор Университета Тоин в Йокогаме и бывший сотрудник лаборатории компании Fujifilm в области солнечных технологий.

Управляющие крупными солнечными электростанциями по всему миру бьют тревогу. Появилось множество сообщений о случаях повреждения фотопанелей без видимых причин. Анализ ситуации по горячим следам показал, что в этом могут быть виноваты изменившиеся технологии производства панелей, что не в полной мере было учтено во время тестирования готовой продукции на производстве.

Источник изображения: PVEL

«Мы видели сообщения о разбитых без видимых причин стёклах [на панелях], поступающие из Бразилии, Чили, Австралии, США и других стран, — сказал Тристан Эрион-Лорико (Tristan Erion-Lorico), вице-президент по продажам и маркетингу лаборатории тестирования солнечного оборудования PVEL. — Это не зависело от региона, типа системы и производителя. Вот почему это так беспокоит».

Точной статистики повреждений панелей на проектах нет. По данным PVEL, речь идёт о сотнях МВт установленных мощностей. Некоторые случаи детально расследовались и даже были найдены объяснения повреждениям, в частности, доказан факт повреждения стеклянного покрытия слишком мощными роботизированными газонокосилками, которые швыряли камни в панели, но в большинстве случаев причины так и не были выявлены.

Отдельно операторы электростанций подчёркивают, что повреждённые фотопанели не подвергались воздействиям сильного ветра, дождя или града. Просто во время очередной инспекции вдруг обнаруживались новые трещины в стеклянном покрытии панелей, которых не было во время проведения предыдущих проверок.

Ранний анализ случаев растрескивания защитных стёкол фотопанелей показал, что во многих случаях прослеживается некоторая закономерность. Все они относятся к фотопанелям с двумя защитными стёклами — по одному на каждую сторону солнечного модуля. Ранее фотопанели закрывались только одним 3,2-мм защитным калёным стеклом с верхней стороны модуля, тогда как задняя часть модуля зашивалась пластиковой основой. Около 10 лет назад компании наладили выпуск фотопанелей с защитными стёклами с обеих сторон модуля, что должно было повысить их устойчивость к внешней среде и нагрузкам. Однако ради снижения массы модулей толщину защитных калёных стёкол пришлось уменьшить до 2 мм, что в конечном итоге увеличило вероятность их повреждения.

Нюанс в том, что панели с двумя стёклами проходят тестирование на соответствие отраслевым стандартам, но, конечно, не каждая из выпущенных панелей. Более того, стандарт разрешает смену поставщика защитного стекла без дополнительной сертификации. Для стекла толщиной 3,2 мм это не имело особого значения, но в случае более тонкого стекла, похоже, следовало быть разборчивее в выборе материалов.

Также специалисты отмечают, что технология закалки стекла даёт разное качество в зависимости от его толщины и присадок. Например, стекло должно быть относительно толстое, чтобы прогрев внутренней части был на заданном уровне. Для толстого стекла эти условия выдержать проще, чем для тонкого. В конечном итоге это вопрос затрат на изготовление. Если есть возможность сэкономить, то ею пользуются.

Наконец, снижение толщины стекла позволило облегчить каркас модулей, что увеличило нагрузку непосредственно на стекло. Это же касается используемых методов крепления (зажимов) фотопанелей к системам подстройки угла падения освещения и просто к стационарным стойкам. Производители панелей, со своей стороны, учитывают эти моменты (но не все), и выдают рекомендации по способам крепления и допустимым нагрузкам, но единой методики и стандарта нет. Поэтому в отрасли зреет необходимость пересмотра ряда стандартов, например, для тестирования панелей производителями и проведения новой сертификации.

В США проблему взялась решить Национальная лаборатория возобновляемой энергетики (NREL). Исследователи начали изучать случаи повреждений фотопанелей с анализа стёкол, их структуры, качества, химического состава и физических свойств. Задействовано специальное оборудование и прорабатываются научные методики, что обещает помочь с выработкой новых стандартов для проверки качества фотопанелей и их способности выдерживать механические нагрузки.

«Продукты меняются всё быстрее, и события опережать труднее, — сказала Ингрид Репинс, старший научный сотрудник группы надёжности фотоэлектрических систем NREL. — Эти треснувшие стёкла застали нас врасплох, хотя, я думаю, мы в какой-то степени знали, что в методиках тестирования были слабые места и пробелы. Теперь мы попытаемся понять первопричину и разработать тесты, чтобы подобное больше не повторилось. На данный момент у нас есть исследования, и у нас есть вопросы, но пока нет ответов».

Многолетние эксперименты с запасанием концентрированной энергии Солнца в высокотемпературных аккумуляторах позволили исследователям из Австралии найти интересное решение. Они отказались от традиционной в таких случаях системы на основе расплавов солей в пользу свободно падающей керамической пыли из частиц субмиллиметрового размера, чем сразу повысили температуру накопления с 600 до 800 °C.

Источник изображений: CSIRO

Опытная установка по сбору концентрированной солнечной энергии от отражений около 400 зеркал собрана в Ньюкасле (штат Новый Южный Уэльс) под патронажем Австралийской организации научных и промышленных исследований Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, более известной как CSIRO. Это самая мощная солнечная термальная система в Южном полушарии и единственная в Австралии. Площадка служит для проведения экспериментов и не предназначена для коммерческой эксплуатации.

Четыре сотни зеркал фокусируются на небольшом рабочем объёме аккумулятора энергии наверху башни. Раньше команда исследователей CSIRO подбирала составы солевых растворов, которые плавятся под воздействием сфокусированных солнечных лучей и могут долго сохранять высокую температуру для каких-либо целей, например, для выработки электрической энергии или для прямого использования накопленного тепла.

Максимальная температура для расплавов солей, которой удалось достичь, не превышала 600 °C. Другие теплоносители показывали худший результат, обеспечивая нагрев до 400 °C. Между тем, повышение температуры теплоносителя позволило бы использовать накопленное тепло для целого спектра промышленных процессов вплоть до плавления металлов, что дало бы надежду когда-нибудь отказаться от сжигания ископаемых ресурсов для обеспечения энергоёмких производств.

Поэтому специалисты CSIRO перешли на эксперименты с керамическими теплоносителями, температура которых способна достигать 1000 °C. И не зря: было найдено решение, когда свободно падающие под действием земной гравитации и окрашенные в чёрный цвет керамические частицы субмиллиметрового размера пролетают сквозь пронизанное сфокусированными солнечными лучами пространство башни, нагреваясь до высочайших температур. Разогретые таким образом частички скапливаются в нижнем отсеке башни, где размещаются теплообменники. Частички держат нагрев в течение 15 часов и могут быть использованы в любой момент в течение этого времени.

В процессе оптимизации работы установки возникла проблема: частички керамики размерами меньше половины миллиметра постепенно опускаются, открывая дорогу солнечным лучам, которые насквозь просвечивают рабочий объём и ничему не передают свою энергию. Чтобы этого не происходило, пришлось создать систему желобов, которые подхватывают падающие частички и повторно распределяют их по рабочему объёму.

В ходе экспериментов удалось создать накопитель тепла с температурой носителя 803 °C. В перспективе разработчики намерены поднять эту температуру до 1000 °C.

Шансы на скорейший отказ от ископаемых источников энергии достаточно высоки, завили немецкие климатологи после изучения динамики цен на киловатт возобновляемой энергии и батареи. Об этом сказано в свежей научной публикации Берлинского климатического института Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change (MCC), в которой сообщается о почти 90 % снижении цен за последние 10 лет как на солнечную энергию, так и на её накопители.

Источник изображения: Pixabay

«Некоторые расчеты даже позволяют предположить, что всё мировое энергопотребление в 2050 году может быть полностью и с минимальными затратами покрыто за счёт солнечных технологий и других возобновляемых источников энергии», — сообщает Феликс Кройтциг (Felix Creutzig), руководитель рабочей группы MCC по землепользованию, инфраструктуре и транспорту и ведущий автор исследования.

Учёные уточнили, что за последнее десятилетие стоимость солнечной энергии снизилась на 87 %, а стоимость аккумуляторных батарей — на 85 %. По мнению авторов исследования, такое снижение цен может сделать глобальный энергетический переход гораздо более жизнеспособным и дешёвым, чем предполагалось ранее. По крайней мере, такое будущее возможно, но оно потребует определённых усилий со стороны политиков и общества.

Научно-технический прогресс в технологиях производства возобновляемой энергии — рост КПД солнечной ячеек, увеличение их надёжности и снижение стоимости производства, а также массовое производство литиевых батарей на фоне также их массового производства для электромобилей привело к тому, что «зелёное» энергетическое оборудование стало более доступным для населения и компаний. Этому также способствовали льготы и субсидии со стороны местных властей.

В совокупности создаются условия для более быстрого снижения стоимости фотопанелей и батарей. Например, по сравнению с анализом двухгодичной давности, прогноз сокращения ценовой надбавки на аккумуляторы в 2030 году снижен со 100 % до 28 %.

Всё вместе позволяет строить новые модели для глобального энергетического перехода. Эти модели начнут проявлять себя в ближайшие годы и это может открыть неожиданный и более быстрый путь к углеродной нейтральности, построенной на экономике на основе возобновляемых источников энергии.

«Новые сценарные модели, некоторые из которых уже начинают изучаться, в обозримом будущем, вероятно, продемонстрируют, что глобальный климатический переход может оказаться не таким дорогим, как предполагалось ранее, и даже экономичным — при условии, что им наконец-то займутся», — резюмируют авторы работы, опубликованной в журнале Energy Research & Social Science.

Шведский автопроизводитель Scania представил первый в своём роде гибридный грузовик, оснащённый прицепом с десятками солнечных панелей, которые способны обеспечить энергию для преодоления до 10 000 км в год. Автомобиль уже успешно прошёл испытания на дорогах общего пользования, и теперь Scania надеется разработать подобную технологию для массового использования на коммерческом транспорте. Общая площадь солнечных панелей, размещённых на бортах и крыше прицепа длиной 18 метров, равна 140 м².

Источник изображения: Scania

«Никогда раньше солнечные панели не использовались для выработки энергии для силового агрегата грузовика, — заявил руководитель исследовательского отдела Scania Стас Крупения (Stas Krupenia). — Этот природный источник энергии может значительно снизить выбросы в транспортном секторе».

Энергия, вырабатываемая солнечными панелями, обеспечивает грузовику запас хода до 5 000 километров в год в Швеции, хотя в странах с большим количеством солнечного света, таких как Испания, этот показатель удвоится. Исследователи полагают, что в дальнейшем выработку солнечной энергии можно будет увеличить вдвое за счёт использования новых перовскитных фотоэлементов.

«Наши исследования в области эффективных и лёгких солнечных элементов будут действительно важны, особенно когда дело дойдёт до их применения в будущих грузовиках, — говорит профессор физической химии Уппсальского университета Швеции Эрик Йоханссон, участвовавший в проекте. — Это захватывающий проект, в котором научные круги и промышленность вместе пытаются уменьшить воздействие грузовых перевозок на климат. Результаты использования этого уникального грузовика будут очень интересными».

Гибридный грузовик является частью усилий компаний и учреждений по всему миру, направленных на исследование способов перехода от транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, к более экологичным решениям.

В прошлом году голландский стартап Lightyear продемонстрировал автомобиль на солнечной энергии, способный проехать сотни километров на одной зарядке. Описанный как «самый эффективный и экологичный» автомобиль в мире, Lightyear One уже доступен для предварительного заказа и, как ожидается, станет первым четырехколёсным автомобилем на солнечной энергии, способным перевозить более одного пассажира, который выйдет на рынок.

В будущем стёкла с регулируемой прозрачностью станут необходимым элементом любого здания. И чем раньше будут разработаны такие стёкла с доступной стоимостью, тем скорее настанет этот момент. Китайские учёные пошли ещё дальше — они разработали стёкла, которые не только сами меняют прозрачность, но также сами себя обеспечивают питанием за счёт солнечных лучей.

Источник изображения: Henan University

В одном прототипе исследователи из Хэнаньского университета объединили солнечную генерацию на основе тонкопленочных фотоэлементов из кестерита (CZTSSe) и электрохромное стекло на основе биметаллического оксида никеля-кобальта (NiCoO₂). Представленный прототип не только реализует интеграцию функций самопитания и интеллектуальной регулировки уровня пропускания солнечного излучения, но и расширяет свои возможности до хранения энергии.

Учёные создали солнечный элемент на основе стеклянной подложки, покрытой молибденом (Mo), поглотителем из кестерита, буферным слоем на основе сульфида кадмия (CdS), слоем оксида цинка (ZnO), слоем оксида индия-олова (ITO), осаждённого методом магнетронного распыления, и с металлическими контактами из серебра (Ag).

Для получения электрохромных пленок NiCoO₂ для окон использовалась простая технология химического осаждения из ванны (CBD). Благодаря пористой структуре нанохлопьев и синергетическому эффекту взаимодействия никеля и кобальта, пленки NiCoO₂ и электрохромные «умные» окна на их основе показали отличные электрохимические, электрохромные и энергосберегающие характеристики.

Для накопления энергии в стекле в него была интегрирована плёнка оксида титан (TiO₂). Она одновременно характеризуется отличными электрохромными свойствами (меняет прозрачность и (или) цвет при подаче электричества) и свойствами накапливать ионы.

При испытаниях в стандартных условиях освещённости подготовленное таким образом стекло (окно) показало энергопотребление 318,3 мВт·ч/м² и общую эффективность 2,15 %, что, по мнению специалистов, сопоставимо с большинством разработанных на сегодняшний день окон с поддержкой фотовольтаики.

«В частности, благодаря пористой структуре массивов нанохлопьев и биметаллическому синергетическому эффекту электрохромные пленки NiCoO₂ демонстрируют большую оптическую модуляцию, высокую скорость переключения, исключительную электрохромную стабильность, а также отличную скоростную способность», — пояснили разработчики. Иначе говоря, новые стёкла быстро меняли прозрачность в широком диапазоне пропускания света и удерживали её уровень длительное время. При этом тонировка стёкол была нейтральная, что будет приветствоваться большинством пользователей (обычно она различных оттенков).

Учёные подчёркивают, что главной своей задачей они видели использование минерала кастерита для производства умных стёкол. Он доступен, легко синтезируется из широко распространённых химических элементов и поэтому идеален для массового внедрения. Они продолжат работать над проектом, чтобы улучшить КПД стёкол и отработать массовое производство, хотя не обещают прийти к этому в сжатые сроки. Но возможность модулировать свето- и теплопередачу в помещении, одновременно вырабатывая энергию за счет фотоэлектрических элементов, несомненно является заманчивой для дальнейшей работ над этим направлением.

Солнечная энергетика США на 90 % зависит от импорта фотоэлектрических панелей, преимущественно из Китая. Это расценивается как угроза национальной безопасности и исправление ситуации требует повышенного бюджетного стимулирования. Принятие нового закона об инфраструктуре предусматривает выделение $45 млн на целый спектр проектов в области возобновляемой солнечной энергетики от исследований до демонстраций и производства.

Источник изображения: Panasonic

От нового раунда финансирования законодатели ожидают помощи в дальнейшем снижении стоимости солнечной энергии, надеются увидеть разработку солнечных технологий следующего поколения и мечтают получить развитое производство солнечной энергии в США.

Исследовательские и демонстрационные проекты, запущенные в результате нового пакета финансирования, должны помочь в создании отечественного производства доступного оборудования для солнечной энергетики, увеличить долю компаний из США в стоимости этого оборудования, а также стимулировать отечественные технологические разработки, финансируемые налогоплательщиками.

Особое внимание должно уделяться инновационным продуктам или решениям, которые могут увеличить производство кремниевых фотоэлектрических элементов во всей цепочке поставок. Другие проекты ускорят разработку аппаратного обеспечения для фотоэлектрических систем «двойного назначения» в области совместного размещения солнечных ферм на сельскохозяйственных землях, создание плавучих фотоэлектрических систем, а также систем, интегрированных в транспортные средства и в здания.

Всего предусмотрено от 5 до 12 грантов на сумму от 1 до 10 млн долларов США. Отдельно будет приветствоваться совместная работа коммерческих структур и институтов. Система поощрений разделена на две большие области. Одна из них предусматривает финансирование 3–4 проектов стоимостью $1–10 млн каждый. В эту область включены проекты по увеличению производства фотоэлектрического кремния в стране и продукции на его основе по всей цепочке поставок. Сфера включает как работу с сырьём, так и разработку специального оборудования.

Вторая область относится к перспективным и «двойным» проектам, куда входит «сельскохозяйственная», плавающая, транспортная и фасадная фотовольтаика. В этой области министерство готово профинансировать 2–8 проектов стоимостью $1–1,6 млн каждый.

Чешские учёные опубликовали работу, в которой сообщили о значительной переоценке срока эксплуатации солнечных панелей. Вместо обещанных 20–25 лет работы десятки солнечных ферм в стране показали резкую деградацию и повреждения уже на 11-м году эксплуатации. Инвесторы в солнечные проекты должны учитывать эти данные, иначе они окажутся обманутыми в своих ожиданиях рентабельности в сфере солнечной энергетики.

Источник изображения: Pixabay

Как сообщает источник, данные мониторинга 85 солнечных электростанций, построенных в Чехии в 2009–2010 годах, показали, что главной причиной деградации фотопанелей стало расслоение. Проектировщики с самого начала не имели точных представлений о «технических возможностях» солнечных панелей, которые закупались для проектов, и давали завышенные обещания. Кроме того, ситуацию усугубило стремление получить больше прибыли на фоне экономии на строительстве.

«Срок службы электростанций, построенных в 2009–2010 годах, сегодня подошёл к концу, — сообщают исследователи. — В 2009–2010 годах ожидаемый срок службы фотоэлектрических электростанций в Чешской Республике составлял 20–25 лет. Сегодня, спустя примерно 12 лет, выяснилось, что эта оценка была слишком оптимистичной, а реальный срок службы составляет около половины [заявленного]».

В процессе анализа состояния фотопанелей на солнечных фермах учёные использовали одну и ту же систему мониторинга — Solarmon-2.0. По всем объектам получены очень похожие результаты. Информацию о производителях панелей они не раскрывают, но говорят, что закупки были осуществлены у компаний первого звена. Все изученные панели устанавливались под углом 35 градусов, и большинство их них было покрыто ламинатом EVA TPT.

К сокращению срока службы фотопанелей привела также экономия на рамах — они были ослаблены, как и сокращено расстояние между рамами и фотопанелями. Также панели соединяли последовательно для повышения напряжения, что внесло свой вклад в процессы деградации.

«После 11-го года производительность панели без обновления силоксанового покрытия (или другого ремонтного средства) снижается настолько, что её необходимо полностью заменить», — сказано в статье. Первые 10 лет, тем не менее, работа фотопанелей соответствовала заявленным характеристикам.

Исследователи также провели экономический анализ результатов, полученных с помощью данных мониторинга, и обнаружили, что установки по-прежнему прибыльны, хотя и с гораздо меньшей маржой, чем планировалось изначально.

«При нынешних относительно высоких ценах на электроэнергию (конец 2022 года) срок окупаемости электростанций опускается значительно ниже 10 лет, что в нынешней ситуации было бы достаточно для покрытия инвестиционных затрат, — сказано в заявлении. — Однако любое сокращение срока службы панелей приводит к снижению окупаемости этих инвестиций».

Эти выводы перекликаются с недавним исследованием учёных из Ганы, которые тоже нашли заявленные производителями сроки эксплуатации солнечных панелей заметно завышенными.

Управление энергетической информации США (EIA) сообщило, что по мере роста внедрения солнечной энергетики в Калифорнии углубляется так называемая «утиная кривая», что говорит об увеличении разрыва между пиковой выработкой в полуденные часы и пиковым потреблением в вечерние и ночные часы. Это создаёт критическую нагрузку на энергосистему и требует скорейшего решения.

«Утиная кривая» — отношение выработки солнечной энергетики к потреблению электричества в течение суток. Источник изображения: EIA

Растущий дисбаланс усложняет задачу оператора (Калифорнийского независимого системного оператора, CAISO) по балансировке энергосистемы, что грозит авариями, отключениями и убытками для поставщиков электрической энергии. Всем очевидно, что с этим что-то надо делать. От возобновляемой и солнечной энергии в частности никто не собирается отказываться, а мощности на ископаемом топливе, как минимум, не планируют расширять. Выход из этой ситуации может быть только один — это массовая, если не повсеместная, установка резервных хранилищ для электричества. Энергия запасается в пик выработки, а в пик потребления, когда цены на электричество самые высокие, подаётся в сети.

В настоящее время дисбаланс устраняется за счёт регулярного оперативного вмешательства поставщиков энергии от мощностей на ископаемом топливе. Но в этом есть свои проблемы — это не даёт операторам время для согласования предложения и спроса. По крайней мере, в режиме реального времени это очень и очень сложно делать. Как итог операторы и поставщики несут убытки, а потребители рискуют оказаться без электричества.

Другим следствием разрыва между пиковой выработкой солнечной энергии в полуденные часы и пиковым вечерним потреблением стала практика отключения невостребованных мощностей. Так, по данным EIA, в 2020 году Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO) ограничил выработку солнечной энергии коммунальными предприятиями на 1,5 млн. МВт·ч, что составило 5 % от общего объёма производства. И это происходило регулярно, отчего солнечная энергетика стала наиболее распространенным источником энергии в штате, который подвергался отключениям. По данным EIA, 94 % отключений мощностей в 2020 году связаны с солнечной энергетикой.

Своего пика отключения достигают в весенние месяцы, когда спрос относительно низок, а солнечная активность относительно высока. Например, в марте 2021 года в первые послеполуденные часы в среднем отключались мощности солнечной энергетики в объёме 15 %, о чём говорят цифры, предоставленные Министерство энергетики США.

Традиционные мощности по выработке электроэнергии также страдают, поскольку их круглосуточная работа становится нерентабельной и это может привести к их закрытию без замены на мощности на возобновляемой энергии.

Всё вместе взятое «открывает двери» для накопителей энергии, что станет дорогим удовольствием, но так необходимым для поддержки баланса энергосетей. Мощность аккумуляторных накопителей энергии в Калифорнии быстро выросла с 200 МВт в 2018 году до почти 5 ГВт сегодня. Согласно данным EIA, операторы планируют развернуть еще 4,5 ГВт накопителей в штате к концу текущего года, что говорит о том, что бум солнечной энергетики с батареями только начался. В то же время аналитики предупреждают, что подобные проекты станут окупаемыми не раньше 2038 года.

По данным аналитиков DNV, через 10 лет около 20 % солнечных проектов в мире будут строиться с использованием специальных накопителей, а к середине века таких проектов будет около 50 %. Это вынужденная мера и она сработает, хотя гражданам, как всегда, придётся заплатить за это из своего кармана. Да, и это касается не только Калифорнии. Такое происходит и будет происходить везде, где солнечной энергетике создают режим максимального благоприятствования не задумываясь о последствиях.

Учёные из Технологического института Карлсруэ (KIT) вместе с коллегами из Канады разработали фотопанель для выработки водорода с помощью одного только солнечного света. Панели стоимостью до $22 за квадратный метр можно будет располагать на крышах домов или в виде солнечных ферм, но на выходе будет не электричество, а водород, синтетическое топливо или даже чистая вода, что будет зависеть от выбора фотокатализатора.

Источник изображения: KIT

Перед учёными стояло две задачи. Во-первых, они должны были придумать самый оптимальный для поглощения света фотореактор, ведь эффективность реакции в нём будет определяться количеством падающего солнечного света в течение суток. Кроме того, реактор должен быть из простых материалов и удобен для массового производства и эксплуатации. Проще говоря, учёные взялись решить сложную конструкторскую задачу, с чем они успешно справились.

Лабораторная установка

Во-вторых, необходимо было разработать эффективный фотокатализатор для проведения соответствующей химической реакции. Эта часть проекта пока не завершена. Кроме того, химические реакции могут быть разными, например, позволяя синтезировать в реакторе под воздействием света искусственное углеродное топливо, воздействуя на углекислый газ и воду. Наконец, можно получать в таких реакторах чистую воду, что найдёт поддержку в странах с засушливым климатом.

О результатах своего исследования учёные рассказали в журнале Joule. Статья свободно доступна для прочтения. Там же представлен чертёж фотореактора, который может служить отправной точкой для разработки коммерческих установок.

Конструкция фотореактора

В общем случае фотореактор производится из полимерных материалов, но для лучшего переотражения света к фотокатализатору в рабочую зону его поверхность покрывают алюминиевой фольгой или напылением. Согласно предварительным оценкам, стоимость каждого квадратного метра такой панели не будет превышать $22. Представители института изучают вопрос массового производства подобных фотопанелей.

Чего только не придумаешь, когда в стране официально запрещена ядерная энергетика.

Аэрокосмическая компания Maxar представила разработку, которая с помощью специальных роботизированных зеркал позволит автономно перенаправлять солнечный свет для энергоснабжения оборудования с солнечными панелями на Луне. Это, например, позволит передавать энергию в области, скрытые в тени скал и кратеров спутника Земли.

Источник изображения: Maxar

Известно, что NASA поставила цель высадить астронавтов в районе лунного южного полюса в 2025 году в рамках программы Artemis. Лунный южный полюс богат ресурсами вроде водяного льда, но именно там солнечного света или нет подолгу, или он отсутствует совсем. В таких условиях производство энергии очень проблематично, перезарядить аккумуляторы и поддерживать работоспособность оборудования будет очень трудно, особенно с помощью солнечной энергии.

Новый проект Maxar, известный как Light Bender предназначен для решения проблемы нехватки солнечного света с помощью системы автономных зеркал, которые будут автоматически отражать его туда, где будут находиться солнечные панели оборудования, даже в постоянно затенённых районах лунной поверхности. На первый взгляд, отражение солнечного света в тёмные области — процесс довольно простой, но усложняет его необходимость частой подстройки зеркал без участия людей. В компании сообщают, что никаких исследований возможного использования NASA автоматизированных технологий перенаправления света раньше не проводилось.

Проект Light Bender предусматривает использование двух 10-метровых отражателей на 20-метровой телескопической мачте. Одно зеркало «отслеживает» Солнце, меняя своё положение таким образом, что свет отражается на второе, которое и перенаправляет лучи в сторону предполагаемого местонахождения солнечных панелей. Проект представляет собой плод сотрудничество Maxar и подведомственного NASA Исследовательским центром Лэнгли. Наземная демонстрация намечена на 2025 год. В мае 2023 года компания получила контракт в рамках программы NASA Announcement of Collaboration Opportunity (ACO). Само NASA отвечает за структурный дизайн конструкции, а Maxar займётся разработкой роботизированной составляющей.

У Maxar уже имеется большой опыт в данной области. Например, именно эта компания стояла за разработкой роботизированной руки для марсохода Persevernace, а также имеет большой опыт в производстве спутников и разработке технологий орбитальной сборки. Ожидается, что автономные роботизированные системы сыграют ключевую роль в создании инфраструктуры для долговременного исследования Луны и других планет, поскольку обычные команды монтажников туда не доберутся. Кроме того, использовать роботов безопаснее, чем людей и это позволяет уменьшить состав команд.

Artemis 3 должна стать первой миссией современных США с высадкой астронавтов непосредственно на лунную поверхность у местного южного полюса. Миссию планируют выполнить не раньше 2025 года. Тем временем Artemis 2 с облётами Луны кораблём с экипажем астронавтов, запланирована уже на ноябрь 2024 года.

Учёные из Национального университета Сингапура (NUS) сообщили о взятии очередной планки в эффективности солнечных ячеек из перовскита. Одиночный элемент площадью 1 см² показал КПД на уровне 24,35 %. Рекорд подтверждён независимыми экспертами и зафиксирован изданием Progress in Photovoltaics Research and Applications.

Источник изображения: NUS

Предыдущий рекорд для одиночных перовскитных фотоэлементов площадью 1 см² составил 23,7 % КПД. Новая работа продвинула ячейку вперёд на неполный процент, но она оказалась намного интереснее по другому параметру — по надёжности работы в реальных, а не в лабораторных условиях. По крайней мере, так заявили разработчики. И дело вот в чём.

Солнечные ячейки и перовскитные в частности создаются по двум основным схемам: обычной и инвертированной. Конструктивно они отличаются порядком чередования полупроводниковых слоёв. В случае обычной схемы сразу после стекла идёт электронно-проводящий слой, затем слой перовскита и сверху дырочно-проводящий слой. В инвертированной схеме дырочно-проводящий слой первым лежит на пути света, а электронный — последним.

Источник изображения: OSSILA

Самый высокий КПД показывали обычные ячейки, а самыми стабильными в работе были инвертированные. Сингапурские учёные смогли создать инвертированную перовскитную солнечную ячейку с КПД выше, чем у обычной. Тем самым они представили не только элемент повышенной эффективности преобразования света в электричество, но также обещают более долговечную его работу.

Впрочем, исследователи из NUS пока разрабатывают технологию ускоренного старения своей ячейки, чтобы доказать гарантированную возможность её работы свыше 25 лет, без чего массовое производство даже не стоит затевать. Также учёные будут продумывать перенос технологии на производство ячеек большой площади.

Согласно предварительным данным Управления энергетической информации США (EIA), за первые пять месяцев этого года благодаря энергии солнца и ветра было произведено рекордное количество электроэнергии, превысившее объёмы генераций от угольных электростанций. Солнце и ветер сгенерировали 252 ТВт·ч электроэнергии, а уголь лишь 249 ТВт·ч с января по май включительно.

Источник изображения: Wikipedia

Согласно отраслевому изданию E&E News, впервые за всю историю наблюдений ветровая и солнечная энергетика превзошли угольную за период в пять месяцев. Если же учитывать гидроэлектроэнергию в числе возобновляемых источников энергии, то рекордный период длится более шести месяцев подряд, причём возобновляемые источники энергии опережают уголь по выработке электроэнергии, начиная с октября прошлого года, утверждает EIA. Для сравнения, ещё 10 лет назад угольные электростанции производили 40 % электроэнергии страны.

«С точки зрения производственных затрат, возобновляемые источники энергии — ветер и солнечная энергия — самые дешёвые в использовании. Таким образом, нам предстоит наблюдать всё больше и больше таких рекордов», — отметил Рам Раджагопал (Ram Rajagopal), профессор гражданской и экологической инженерии в Стэнфордском университете.

В течение многих лет угольная энергетика сокращалась, вытесняемая все более дешёвым природным газом. Но в прошлом году цены на природный газ подскочили после начала событий на Украине, и уголь начал отвоёвывать позиции, поскольку некоторые коммунальные предприятия в США и Европе заключили контракты на поставку электроэнергии с угольных электростанций.

В 2022 году потребление угля достигло нового максимума во всем мире, однако в США восстановление его позиций было недолгим, поскольку здесь угольные электростанции планомерно выводятся из эксплуатации. В этом году в США уже закрыли шесть угольных энергоблоков.

С вступлением в силу Закона о снижении инфляции, в рамках реализации которого выделяются миллиарды долларов на развитие экологически чистой энергии, использование возобновляемых источников энергии должно значительно вырасти. Но построить больше экологически чистых энергетических установок — это только полдела, говорит Раджагопал. Другая половина связана с подключением этих новых возобновляемых источников к национальной электрической сети, что занимает всё больше и больше времени.

Согласно отчёту Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (LBNL), в среднем на то, чтобы проект по строительству ветряной, солнечной или гибридной электростанций, запущенный в эксплуатацию в 2022 году, был принят в коммерческую эксплуатацию, потребовалось пять лет с момента подачи запроса на подключение к сети. Для сравнения, у проектов, построенных между 2000 и 2007 годами, на эту процедуру уходило менее двух лет.

По данным LBNL, сейчас в ожидании подключения к сети в стране находится более 10 000 проектов, способных обеспечить выработку 1350 ГВт электроэнергии.

Издание South China Morning Post сообщает, что учёные из Нанкинского университета создали самую эффективную в мире солнечную ячейку из двух слоёв перовскита. КПД новой ячейки достиг значения 29 %. Но самое интересное, что учёные создали компанию для начала массового производства перовскитных солнечных элементов, линии которой разовьют достаточную мощность уже к сентябрю этого года.

Источник изображения: Nanjing University

Группа китайских исследователей побила собственный рекорд, установленный в июне прошлого года. Тогда КПД тандемной перовскитной ячейки достиг 28 %. За год группа улучшила результат и теперь заявляет о достижении самой высокой в мире эффективности для данного типа ячеек — на уровне 29 %.

Отметим, тандемные ячейки из перовскита и кремния показывают более высокие результаты. По последним данным — это 33,2 %. Тем не менее, тандемные ячейки из одного лишь перовскита, точнее, из двух соединённых друг с другом перовскитных плёнок, в перспективе обещают оказаться предпочтительнее иных вариантов.

Перовскит при массовом производстве будет дешевле кремния. Китайцы, например, рассчитывают снизить цену на солнечные ячейки из перовскита в два раза по сравнению с кремниевыми. Кроме того, ячейки из перовскита можно выпускать по струйной технологии и делать их очень и очень тонкими, а это даст возможность наложить плёнку на поверхность едва ли не любой кривизны.

Добиться рекордного КПД для тандемной ячейки из одного лишь перовскита учёные смогли благодаря оптимизации промежуточного слоя, который должен был быть максимально прозрачным и обладать максимально возможной проводимостью для электронов. Верхний слой перовскита в тандеме был подобран для поглощения более коротких длин волн солнечного света, а нижний — более длинных.

Имитация длительного времени службы показала, что новые ячейки сохраняют эффективность на уровне 90 % после 600 часов непрерывной работы под солнечным светом.

Для коммерческого продвижения разработки учёные создали стартап Renshine Solar. В этом году компания подписала соглашение о совместном промышленном проекте с правительством города Чаншу в провинции Цзянсу и построила производственную линию, которая должна достичь мощности 150 МВт уже к сентябрю (в новости не уточняет, но это скорее, годовая мощность производства). О перовскитных ячейках много говорят учёные, и было бы интересно увидеть их в живой природе.

Развёртывание солнечных ферм — это инвестиции в будущее. Эффект от немалых вложений в солнечные фермы проявит себя через многие-многие годы. И тем более досадно, что производители дают весьма завышенные оценки продолжительности эффективной работы солнечных панелей. Как показало новое исследование, в своей массе современные солнечные панели вырабатывают свой ресурс гораздо быстрее заявленных 25 лет.

Измерение вольт-амперных характеристик фотопанели от одного из производителей в исследовании. Источник изображения: Energy Conversion and Management

В статье в журнале Energy Conversion and Management группа учёных из Ганы исследовала 48 солнечных панелей от 12 производителей. Фотопанели были отобраны по 4 штуки от каждого бренда методом стратифицированной случайной выборки с ферм, проработавших в одинаковых условиях от 5 до 9 лет даже без частичного затенения. Все панели, уточним, это массовые недорогие фотоэлементы из поликристаллического кремния. У более дорогих фотопанелей из монокристаллического кремния результат, вероятно, будет лучше, но за редкостью использования они пока не могут формировать статистику. Также следует учитывать, что в Гане, где была проверена скорость деградации поликристаллических фотопанелей, жаркий и одновременно влажный климат, что могло сказаться на сокращении срока службы солнечных панелей.

В целом оказалось, что фотопанели 11 производителей деградировали настолько быстро, что они выйдут из строя раньше 20 лет эксплуатации, не говоря об обещанных 25 годах гарантированной работы. Фотопанели 12-го производителя в целом деградировали в соответствии с заявленными характеристиками и могут считаться надёжными, хотя исследователи не могут утверждать о характеристиках иных партий фотопанелей этого производства. Поэтому, в частности, имена компаний-производителей фотопанелей держатся в секрете. Без глобального исследования было бы опрометчиво ругать одних и хвалить других.

В исследовании участвовали образцы фотопанелей мощностью от 100 до 460 Вт. Во-первых, сначала был проведён визуальный осмотр образцов согласно методике, разработанной Национальной лабораторией возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL). После этого каждая панель была проверена в работе с помощью тестера PV210 компании Seaward.

Тестирование показало, что минимальная скорость деградации анализируемых модулей составила 0,79 % в год, а максимальная — 1,67 % в год. Скорость деградации модулей была разная: в диапазоне 0,78–1,95 % в год при средней и медианной скорости деградации 1,36 % в год и 1,38 % в год.

Фотопанели только одного производителя деградировали менее чем на 0,8 % в год, в то время как модули остальных производителей деградировали более чем на 1,0 % в год. Это означает, что панели могут выйти из строя гораздо раньше 20 лет эксплуатации. Шесть модулей из 48, скорее всего, проработают больше 20 лет и только четыре — заявленные производителем 25 лет. При этом учёные отметили, что скорость деградации не зависела от возраста модулей. Одинаково быстро деградировали как более «молодые» панели, так и более «старые».

В своей статье учёные подчеркнули, что по имеющимся у них данным, подобная скорость деградации поликристаллических солнечных панелей замечена исследователями в других странах. Было бы неплохо внести ясность в этот вопрос.