Солнечные и ветроэлектростанции уже не кажутся фантастикой, так как в нашем регионе сегодня объекты возобновляемых источников энергии находятся в нескольких районах. Полученная ими электроэнергия вливается в общую сеть и направляется потребителям. Привычными стали и портативные солнечные электростанции, которые можно увидеть во дворах частных домов и даже на городских улицах. Но наука не стоит на месте. Ученые разрабатывают новые и доступные устройства получения «зеленой» энергии.
Мы с помощью сайта qazaqgreen.com решили познакомить наших читателей с некоторыми новшествами в этой области.
Им сносу не будет
Международная группа ученых под руководством исследователей Университетского колледжа Лондона (UCL) разработала долговечные солнечные элементы, которые эффективно вырабатывают энергию из искусственного света в помещениях. Это позволит в будущем отказаться от батареек в таких устройствах, как клавиатуры, пульты, сигнализации и датчики, сообщили в UCL.
В основе технологии - материал перовскит, который все чаще используется в уличных солнечных панелях. В отличие от традиционных кремниевых батарей, его состав можно настроить для более эффективного поглощения характерных длин волн искусственного света. Однако главный недостаток перовскита - микроскопические дефекты кристаллической структуры, так называемые «ловушки», из-за которых электроны застревают, а энергия теряется. Эти дефекты не только снижают КПД, но и ускоряют деградацию материала.
Как говорится в статье журнала «Advanced functional materials», исследователи нашли способ снизить количество дефектов с помощью комбинации химических добавок. В результате удалось создать перовскитовые батареи, примерно в шесть раз более эффективные, чем лучшие коммерчески доступные аналоги для работы в помещении. Они устойчивее к износу и могут работать не несколько недель или месяцев, а как минимум пять лет.
По словам доцента Института материаловедения UCL Моджтабы Абди Джалеби, миллиарды устройств с малым энергопотреблением сегодня зависят от замены батареек, что является неустойчивой практикой, особенно с ростом Интернета вещей.
- Современные солнечные элементы для помещений дороги и малопроизводительны. Мы разработали перовскитовые панели, которые вырабатывают гораздо больше энергии и служат дольше прототипов. Это открывает путь к питанию электроники за счет окружающего света, - отметил он.
Ученые уже ведут переговоры с промышленными партнерами о масштабировании технологии.
Для повышения стабильности материала команда добавила рубидий хлорид, обеспечив равномерный рост кристаллов с минимальными напряжениями, а также два органических соединения - N,N-диметилоктил аммоний йодид и фенэтил аммоний хлорид. Эти вещества стабилизировали ионы йодида и бромида, предотвращая их миграцию и снижение эффективности батареи.
В лабораторных условиях новые элементы показали рекордную для такого типа устройств эффективность - 37,6 процента преобразования света (при освещенности 1000 люкс, что соответствует ярко освещенному офису) в электричество. После 100 дней работы панели сохранили 92 процента первоначальной мощности, тогда как контрольные образцы - лишь 76 процентов. При жестком испытании в течение 300 часов при температуре 55 °C эффективность новых батарей снизилась до 76 процентов, тогда как у контрольных - до 47 процентов.
В исследовании участвовали ученые из Великобритании, Китая и Швейцарии. Проект поддержали Институт Генри Ройса по перспективным материалам, Британский совет, Лондонский университет Саут-Бэнк, а также инженерно-физический исследовательский совет Великобритании и Министерство энергетической безопасности и достижения нулевого углеродного баланса страны.
Чтобы надежды
не развеялись
Китайские исследователи сделали прорыв в области органических солнечных батарей, разработав новый материал для интерфейсного слоя, который способен вывести технологию на уровень масштабного коммерческого применения.
Работа, выполненная группой профессора Хуан Хуэй и доцента Цай Юньхао из Университета Китайской академии наук, опубликована в престижном журнале «Nature materials».
Органические солнечные батареи выгодно отличаются от традиционных кремниевых: они легкие, гибкие и могут производиться методами печатной электроники. Это открывает дорогу к созданию ультратонких, сворачиваемых и даже вшиваемых в одежду устройств, а также интеграции солнечных панелей в здания. Кроме того, технология позволяет использовать «зеленые» растворители и биоразлагаемые материалы, что делает ее экологически перспективной на всех этапах жизненного цикла - от производства до переработки.
Главным барьером для широкого применения долгое время оставалась сравнительно низкая эффективность преобразования энергии.
- Одним из ключевых узких мест был катодный интерфейсный слой, - поясняет Цай. - Обычные материалы не обеспечивали достаточную проводимость и стабильность, а также имели проблемы с качеством тонких пленок.
Чтобы решить эту проблему, ученые предложили стратегию «двухкомпонентного синергизма» - особое сочетание органических и неорганических материалов, которые не просто смешиваются, а оптимизируются на уровне структуры, электронных свойств и механизмов взаимодействия. Такой подход значительно снизил количество дефектов, улучшил проводимость и однородность пленки, повысил эффективность передачи заряда и снизил потери.
Результат впечатляет: новая батарея показала лабораторную эффективность 21 процент, а сертифицированный показатель - 20,8 процента, что стало мировым рекордом для органических солнечных элементов.
По словам Цая, материал идеально подходит для гибких и легких источников питания - от носимой электроники и «умных» тканей до портативных зарядных устройств. Высокая фотостабильность и механическая прочность открывают перспективы использования в авиации, космосе, беспилотной технике и в экстремальных условиях.
Ученые уверены: разработка станет важным шагом к созданию устойчивых энергетических решений будущего и может сыграть ключевую роль в космических и промышленных проектах.
Вторсырье пошло
на пользу
Компания «Solarcycle», специализирующаяся на переработке солнечных панелей, совместно с Инженерной школой Фултона при Университете штата Аризона (ASU) объявила о значимом прорыве в сфере устойчивой солнечной энергетики. В результате совместных исследований был создан демонстрационный модуль солнечной панели, содержащий 50 процентов стекла, переработанного из отслуживших свое панелей, сообщается на сайте компании.
Исследования проводились под руководством заместителя декана по исследованиям и инновациям Зака Холмана. Команда ASU сравнила производительность мини-модулей, изготовленных с использованием переработанного стекла, с панелями на основе традиционных материалов. Результаты испытаний показали, что эффективность обеих групп была сопоставимой - различия в ключевых метриках не выявлены.
- Это как раз тот результат, которого мы добиваемся в партнерстве науки и индустрии, - отметил Зак Холман. - Мы доказали, что можно изготавливать панели более устойчивым способом без потерь в производительности.
«Solarcycle» намерена масштабировать успех и построить первое в мире предприятие по производству солнечного стекла из переработанного сырья рядом со своим перерабатывающим заводом в Джорджии.
- Создание эффективных панелей из переработанных компонентов - важный шаг на пути к устойчивой и независимой солнечной индустрии, - прокомментировал технический директор и сооснователь «Solarcycle» Пабло Диас.
Разработка панели - часть широкой исследовательской программы «Solarcycle», в рамках которой работают более 30 инженеров и ученых из США, Бразилии и Китая. Компания активно сотрудничает с ведущими научными учреждениями, включая ASU, для внедрения инноваций и развития кадрового потенциала в сфере «зеленых» технологий.
Не пускают пыль в глаза
Южнокорейские исследователи представили автономную систему для очистки солнечных панелей, которая работает только за счет энергии ветра. Разработка не требует внешнего питания и помогает бороться с пылью - одной из главных причин снижения производительности солнечных электростанций, сообщает Хайтек+ со ссылкой на «Interesting еngineering».
В ходе испытаний система достигла напряжения 1383 В и очищала панели с эффективностью 83,5 процента. После очистки производительность панелей восстанавливалась до 96 процентов от первоначального уровня. Технология особенно полезна в труднодоступных местах, таких, как пустыни, горы и даже космос.
Пыль, скапливающаяся на солнечных панелях, остается серьезной проблемой для солнечной энергетики. Загрязненные панели вырабатывают меньше энергии, а регулярная их очистка требует затрат и часто невозможна в труднодоступных или экстремальных условиях.
Традиционные системы очистки с помощью электродинамического экрана (EDS) уже используются для удаления пыли с поверхности панелей. Они создают электрическое поле, которое «сметает» пыль. Однако такие системы требуют внешнего источника высокого напряжения, что делает их малопригодными для автономного применения.
В 2024 году ученые из Института науки и технологий Тэгу Кенбук (DGIST) предложили однофазную версию системы EDS, питаемую от энергии ветра. Она позволяла избавиться от необходимости подключаться к электросети, но оставалась неэффективной: пыль перемещалась хаотично, а результат сильно зависел от угла наклона солнечной панели.
Новое решение, разработанное совместной исследовательской группой DGIST и Samsung Electronics, устранило эти недостатки. Команда создала трехфазную автономную систему очистки, использующую энергию ветра и не требующую внешнего электропитания.
Ключевым элементом новой технологии стал вращающийся трибоэлектрический наногенератор (RTENG), который преобразует силу ветра в электричество. Оно подается на модернизированный трехфазный электродинамический экран, который перемещает пыль в одном направлении независимо от наклона панели.
Испытания показали, что система может достигать напряжения до 1383 В и очищает панели с эффективностью до 83,5 процента, что в 1,6 раза выше по сравнению с предыдущей однофазной версией. Производительность панели после очистки восстанавливается до 96 процентов от начального уровня.
По словам разработчиков, эта технология не только повышает КПД солнечных установок, но и сокращает затраты на их обслуживание. Она особенно перспективна для автономных и удаленных объектов, где традиционные способы очистки невозможны или слишком дороги.
Хранит вечно
Ученые из Германии совершили прорыв в области устойчивой энергетики, создав первую в мире органическую солнечную батарею, способную не только собирать солнечный свет, но и хранить полученную энергию на протяжении 48 часов с сохранением 90 процентов емкости, сообщает «NV Техно».
Разработка объединила усилия специалистов Мюнхенского технического университета, Института исследований твердого тела Общества Макса Планка и Штутгартского университета.
Новое устройство построено на базе двумерного ковалентного органического каркаса, созданного из нафталиндиимида. Этот материал отличается высокой пористостью и устойчивостью, а главное - полностью органическим составом без использования металлов и редких элементов. Он аккумулирует солнечную энергию в течение дня и высвобождает ее в виде электричества по мере необходимости, оставаясь эффективным даже спустя двое суток.
Впервые удалось достичь стабильности индуцированных светом зарядов в водной среде. Молекулы воды образуют тонкий энергетический барьер, предотвращая рекомбинацию заряда и позволяя хранить энергию для последующего использования. Исследования показали, что материал имеет емкость 38 мА·ч/г, что превосходит показатели большинства существующих органических фотоактивных материалов.
Эта разработка открывает путь к созданию устойчивых автономных источников энергии, где солнечная батарея и аккумулятор объединены в одном легком, экологичном устройстве, что особенно актуально для бытовых и промышленных решений будущего.
Далеко на нём уедут
Китайская компания «SEVB» представила первую в мире батарею на 1400 А, способную обеспечить электромобилю более 150 километров пробега всего за одну минуту зарядки. Аккумулятор работает даже при -40°C, а специальная система охлаждения и термоизоляция делают ее безопасной. Благодаря этой разработке электромобили смогут заряжаться так же быстро, как заправляются бензиновые автомобили, сообщает «Хайтек+» со ссылкой на «Interesting еngineering».
Заправка машины с двигателем внутреннего сгорания занимает около пяти минут. А вот зарядка электромобиля до сравнимого запаса хода длится намного дольше. Производители аккумуляторов для электрокаров хотят это изменить и стремятся увеличить скорость зарядки, которую измеряют в C. При 4°C батарея заряжается за 15 минут. Новая разработка «SEVB» поднимает планку: она заряжает аккумулятор при 12°C, то есть полная зарядка занимает всего пять минут.
В основе технологии - собственная архитектура компании «Tianqing», которая обеспечивает высокую плотность энергии и использует термоэлектрическое разделение. Быстрая зарядка стала возможной благодаря встроенному жидкостному охлаждению и применению гибких печатных плат внутри аккумуляторов, что позволило сэкономить место и повысить безопасность.
Еще одна разработка - «Xinxingchi 2.0 kiloamp extreme charging edition». Это решение предназначено для станций быстрой зарядки. Оно позволяет заряжать аккумулятор током до 1400 А, используя в автомобиле систему на 1000 В. Благодаря этому мощность зарядки достигает 1,4 МВт. Этого достаточно, чтобы по скорости зарядки электромобили сравнялись с бензиновыми.
Также есть версия «Star Chaser 2.0» с увеличенным запасом хода. При температуре 6°C она обеспечивает пробег более 800 километров - рекордный показатель.
Компания решила проблемы безопасности аккумуляторов - риск перегрева и возгорания при зарядке. Система многослойного охлаждения увеличила эффективность теплоотвода на 50 процентов, а применение аэрокосмических изоляционных материалов обеспечило дополнительную защиту. Быстро зарядиться можно будет даже в сильные морозы. Компания заявляет, что при -20°C аккумулятор сохраняет 90 процентов энергии и нормально работает при -40°C.
«SEVB» намерена сделать электромобили выгоднее машин с двигателями внутреннего сгорания. В компании заявляют, что их новые батареи обеспечат более низкую стоимость владения за три года по сравнению с традиционными авто.
Подготовила Лариса РУБЦОВА
