Недорогая установка сможет преобразовывать 80% солнечной энергии

По данным исследования European Solar Thermal Electricity Association и Greenpeace International всего двух процентов площади пустыни Сахара было бы достаточно, чтобы удовлетворить потребность всего мира в электричестве за счет солнечной энергии. К сожалению, современные солнечные батареи слишком дороги, сложны в производстве, требуют редких минералов и имеют недостаточно высокую эффективность, чтобы сделать такие масштабные установки практичными.

По случаю Дня Земли учеными анонсирован международный проект по созданию фотоэлектрической системы, которая стоит в три раза дешевле других сопоставимых решений. Она будет способна концентрировать солнечный свет в 2 тыс. раз и использовать его с эффективностью 80% (30% — непосредственное преобразование в электроэнергию и еще 50% — утилизация выделяющегося тепла).

Трехлетняя программа исследований и разработки экономичной системы High Concentration PhotoVoltaic Thermal (HCPVT) обеспечена грантом Швейцарского Комитета Технологий и Инноваций в размере 2,4 млн долл., и предусматривает участие ученых IBM Research, компании Airlight Energy, Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zurich) и Interstate University of Applied Sciences Buchs NTB (Institute for Micro- and Nanotechnology MNT).

Концентратор прототипа HCPVT разрабатывается в ETH Zurich с применением численным алгоритмов трассировки лучей. Им будет служить адаптивный параболический отражатель, состоящий из множества зеркальных фрагментов, для каждого из которых следящая за положением солнца система определяет оптимальную ориентацию.

Приемник для концентрированного света будет состоять из сотен фотоэлектрических чипов с тройным переходом. Каждый из них имеет размеры 1×1 см и способен выдавать 200-250 Вт за типичный 8-часовой день в солнечном регионе. Для всего приемника плановая мощность составляет 25 кВт.

Фоточипы вмонтированы в микроструктурный радиатор, обеспечивающий подвод жидкого охладителя на расстояние всего в десятки микрометров от поверхности фотоэлемента. Это решение базируется на системе охлаждения высокопроизводительных компьютеров Aquasar, разработанной IBM в сотрудничестве с Египетским центром нанотехнологических исследований. Оно позволяет отводить выделяющееся тепло в 10 раз эффективнее пассивного воздушного охлаждения.

Прообразом конструкции микрожидкостного охлаждения послужила структура каналов с иерархическим ветвлением системы кровоснабжения человеческого организма. Для поддержания циркуляции требуется весьма небольшая мощность, при этом температура чипов сохраняется практически неизменной при росте концентрации солнечного света до 2000х и остается в безопасных пределах до 5000х.

Для максимального удешевления HCPVT планируется отказаться от применения дорогостоящих стальных элементов и зеркал, заменив их легковесными бетонными конструкциями и прессованной фольгой. За исключением небольших высокотехнологичных компонентов, производимых в Швейцарии, основная часть солнечной электростанции будет изготовляться и собираться на месте ее установки.

Все эти меры, по мнению участников проекта, позволять удержать себестоимость конструкции ниже $250 за квадратный метр занимаемой поверхности, что втрое меньше, чем у ближайших сопоставимых систем. Усредненная цена получаемой энергии будет менее 10 центов за киловатт час. Для сравнения, тарифы на электроэнергию в Германии сейчас превышают 25 центов за 1 кВт·ч, а себестоимость на угольных ТЭЦ составляет 5-10 центов за киловатт.

Прототип HCPVT в настоящее время тестируется в цюрихской лаборатории IBM Research. В рамках проекта дополнительные прототипы будут собраны в Рюшликоне и Биаске (Швейцария).