MOLDOVENII.MD

Проект «Подсолнух» от IBM – энергия 2000 звезд в одном устройстве

Научно-исследовательское подразделение IBM совместно со швейцарской компанией Airlight Energy представили свою разработку – высокотехнологичную систему, преобразующую солнечный свет и тепло в электроэнергию. В рамках проекта под названием «Подсолнух» (Project Sunflower) была разработана установка HCPVT (highly efficient concentrated photovoltaic/thermal), которая помимо электричества, может обеспечивать близлежащие здания горячим водоснабжением.

Конструкция «hi-tech подсолнуха» оснащена высокоэффективными фотоэлементами, которые способны преобразовывать собранные рефлекторами в точке фокуса солнечные лучи в электричество при высоких температурах. В основном, элементы и решения, применяемые в HCPVT достаточно известны, исключение составляет лишь одна технология – одновременное использование двух методов генерации солнечной энергии: термального (используются высокие температуры) и светового (фотоэлементы).

Система HCPVT сможет (при необходимости) обеспечивать горячее водоснабжение или кондиционирование воздуха

Рефлекторы (отражатели) «подсолнуха» представляют собой вогнутые зеркала, материалом для которых послужила алюминиевая фольга. Специалисты проекта выбрали его из-за относительной дешевизны и высокой отражающей способности. Кроме того, тонкий слой алюминия (толщина 0,2 мм) достаточно надежен и для его защиты не требуется специальных приспособлений.

«Солнечный цветок» с поверхностью 40 м2 имеет внешний вид параболической антенны и состоит из 36 эллиптических «лепестков», каждый из которых включает в себя 6 рефлекторов. Рефлекторы создают точку фокуса световых лучей, в которой размещены 6 коллекторов, по одному на каждый блок из шести отражателей.

Именно коллекторы и являются «ноу-хау» системы. Прежде всего, каждый коллектор покрыт слоем фотоэлементов из арсенида галлия (GaAs). Это химическое соединение преобразует свет в электроэнергию с гораздо большим КПД (около 38%), чем это делает лучшие аналоги из кремния (около 20%). GaAs более дорогостоящий материал, тем не менее в «фотогальванических подсолнухах» арсенида галлия применяется немного – им покрывается лишь небольшая область, в которой фокусируется свет. Один коллектор устройства содержит покрытие арсенида галлия площадью всего несколько см2, но в итоге, получившейся энергоэффективности фотоэлемента на сегодняшний день нет равных. Генерирующая способность каждого коллектора находится в пределах 2 кВт, а в общем фотоэлектрческая система HCPVT выдает до 12 кВт энергии.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии при нагревании теряют определенную часть эффективности. Даже GaAs ограничен температурой около 105 C. Основная проблема – это высокие температуры (выше 1500 C) в точке фокуса и, похоже, исследователи IBM нашли решение.

Специалисты компании применили оригинальный метод, который уже применялся IBM для охлаждения суперкомпьютеров – это жидкостная система охлаждения, в которой в качестве хладагента выступает горячая вода. Но в случае с HCPVT все несколько по-другому – используется «водяной массив», представляющий собой кремниевый блок с микрожидкостными каналами. Таких каналов делается несколько тысяч, и по ним вода поступает к нагреваемым элементам устройства. Такая технология позволяет значительно увеличить количество тепла, которое можно рассеять, микроканалы в этом плане гораздо более эффективны, чем обычные каналы, какие используются в стандартной системе охлаждения.

"Технология прямого охлаждения при очень небольшой мощности накачки используется для охлаждения фотовольтаических чипов. Создавая эту систему, мы вдохновлялись решением природы – разветвлённой системой кровоснабжения в организме человека", — поясняет один из авторов исследования Бруно Мишель (Bruno Michel), сотрудник IBM Research.

Эти «охладители» закрепляются на задней стороне фотоэлементов, что позволяет охлаждать площадки до требуемой температуры в 105 С. В результате система, которая производит 12 кВт электрической энергии, дополнительно выдает 21 кВт тепловой энергии.

Установка HCPVT дополнительно может быть настроена таким образом, чтобы обеспечивать людей питьевой и горячей водой, а также предоставляла возможность для кондиционирования воздуха. Так, вода, содержащая соли проходит через нагревательные трубки, а затем переходит в дистилляционную систему с проницаемой мембраной, где она опресняется и выпаривается. Для получения холодного воздуха отходящее тепло можно пропускать через адсорбционную холодильную машину, которая представляет собой обычный теплообменник с испарителем и конденсатором, использующего воду в качестве хладагента.

Но у «подсолнуха» от IBM есть и свои недостатки, главным из которых является его высокая цена (первые «пилотные» системы обошлись создателям в десятки тысяч долларов). Однако инженеры компании надеются в будущем значительно снизить стоимость HCPVT за счет налаживания массового производства. Кроме того, «солнечный цветок» может работать только при оптимальных погодных условиях (ясное небо, отсутствие дождя и т.д.), а его эффективность ограничена местоположением солнца – расположенный только под прямым углом к светилу HCPVT будет показывать максимальный КПД. Впрочем, и для этого нашлось решение – на «подсолнух» были установлены системы позиционирования – так называемые «солнечные треккеры».

Одно устройство HCPVT сможет вырабатывать столько энергии, сколько хватит для 3-4 домохозяйств, не более, причем работать система будет только ограниченную часть дня — пока Солнце не опустилось за горизонт. Для того, чтобы обеспечить потребности даже небольшого поселения при помощи «солнечных цветков», понадобится соорудить СЭС с десятками таких «хай-тек растений».

Срок службы каждого " Sunflower " может составлять приблизительно в 60 лет при соответствующем обслуживании, замене фольги и зеркал-отражателей каждые 10-15 лет (в зависимости от среды эксплуатации). Фотоэлементы нужно будет заменять каждые 25 лет.

Готовый продукт - первые коммерческие модели HCPVT планируется выпустить на рынок к 2017 году, а для тестирования «подсолнухи» IBM будут поставляться потенциальным клиентам уже в 2016 году. На видео ниже демонстрируются рабочие образцы, которые требуют некоторых доработок в системах дистилляции и охлаждения.

Источник: ecotechnica.com.ua