Наноматериалы в солнечной энергетике
Содержание
1.
Введение
.
Наноматериалы
.
Углеродные нанотрубки
3.1 Классификация нанотрубок
.2 История открытия
.3 Структурные свойства
.4 Возможные применения нанотрубок
.5 Получение углеродных нанотрубок
4. Основные принципы работы солнечных батарей
. Преобразователи солнечной энергии
5.1
Фотоэлектрические преобразователи
.2
Гелиоэлектростанции
5.2.1
Типы гелиоэлектростанций
5.3 Солнечный коллектор
<#"721874.files/image001.jpg">
Вероятность таких "чернобылей" всегда возможна в атомной
энергетике.
Между тем, людям уже сегодня нужны чистые, дешёвые и безопасные источники
энергии. Нобелевский лауреат в области физики полупроводников академик Ж.И.
Алфёров лет 15 назад на годичном Общем собрании Академии Наук СССР сообщил, что
если бы на развитие альтернативных источников энергии было затрачено только 15
% средств, брошенных на развитие атомной энергетики, то АЭС для производства
электроэнергии в СССР вообще не понадобились бы.
Таким образом, использование солнечной энергии является одним из весьма
перспективных направлений энергетики. Экологичность, возобновимость ресурсов,
отсутствие затрат на капремонт фотомодулей как минимум в течение первых 30 лет
эксплуатации, в перспективе - снижение стоимости относительно традиционных
методов получения электроэнергии - всё это является положительными сторонами
солнечной энергетики.
. Наноматериалы
Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными
характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры диаметром от
одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров,
состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых
плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.
Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных
форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые
замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных
атомов углерода.
Графен - монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в
Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно
использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и
уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной
температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой
зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который
заменит кремний в интегральных микросхемах.
А так же различные напыления всевозможных материалов с применением
нанотехнологий (Si,Ga и т.д.).
. Углеродные нанотрубки
Протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких
десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или
нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и
заканчиваются обычно полусферической головкой.
.1 Классификация нанотрубок
углеродный нанотрубка солнечный батарея
Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится
по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания
определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания
на вектора трансляции графитовой решётки.
По значению параметров (n, m) различают
· прямые (ахиральные) нанотрубки
· «кресло» или «зубчатые» n=m
· зигзагообразные m=0 или n=0
· спиральные (хиральные) нанотрубки
При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку,
поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо
переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо
переходят в себя с точностью до поворота.
Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки.
Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле
температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при
абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые
свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается
металлической, если (n-m), делённое на 3, даёт целое число. В частности,
металлическими являются все трубки типа «кресло».
.2 История открытия
Говоря об углеродных нанотрубках, нельзя назвать точную дату их открытия.
Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок
Ииджимой в 1991 г. , существуют более ранние свидетельства открытия углеродных
нанотрубок. Так, например в 1974-1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с
описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из
паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992
в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки
наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича
и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с
диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода
на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.
Существует множество теоретических работ по предсказанию данной
аллотропной формы углерода.
В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита.
В работе Л. А. Чернозатонского и др., вышедшая в тот же год, что и работа
Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не
только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и
высказал предположение об их большой упругости .
.3 Структурные свойства
Нанотрубки обладают упругими свойствами. Имеют дефекты при превышении
критической нагрузки. В большинстве случаев представляют собой разрушенную
ячейку-гексагон решётки - с образованием пентагона или септогона на её месте.
Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут
искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и
седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае
представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив
друга - это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре
устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке
образуется постоянный изгиб.
.4 Возможные применения нанотрубок
· механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы,
нановесы
· применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода,
прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
· для создания соединений между биологическими нейронами и
электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках
· капиллярные применения: капсулы для активных молекул,
хранение металлов и газов, нанопипетки
· оптические применения: дисплеи, светодиоды
· медицина (в стадии активной разработки)
· одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках
или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой
среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на
поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики
нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для
мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических
применениях.
· трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически,
могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить
достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось
до сих пор.
· листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве
плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.
· различные напыления и нанотрубки в солнечной энергетике.
.5 Получение углеродных нанотрубок
В настоящее время наиболее распространенным является метод термического
распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза
осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При
горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на
торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки
углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы
минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных
установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток
разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых
электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на
катоде.
Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они
нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в
цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно
покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая
осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок
заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание
нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.
Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое
диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают
ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления
воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к
стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем
нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке
кислорода и водорода в соотношении 1:4 при температуре 750°C в течение 5 мин. В
результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал,
состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около
10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее
время нанотрубки - дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов
США.
Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких
китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой
пользовались ученые по всему миру - технологию химического осаждения атомов
углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки
длиной до 18,5 сантиметров.
Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ,
которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки
китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества
находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части
спирта на 1 часть воды.
Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный
реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена - это были зерна для
затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины,
нанотрубок, - для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных
направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным
углеродом.
. Основные принципы работы солнечных батарей
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) - прибора для
преобразования энергии солнечного излучения - на основе монокристаллического
кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины р-типа сформирован
р-п-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины
нанесен сплошной металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные
пары. Электроны, генерируемые в р-слое вблизи р-n-перехода, подходят к p-n-переходу и
существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в р-слой
(рис. 2 а). В результате n-слой
приобретает дополнительный отрицательный заряд, а р-слой - положительный.
Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между р- и n-слоями полупроводника, и во внешней
цепи появляется напряжение (рис. 2 6). Отрицательному полюсу источника тока
соответствует n-слой, а р-слой - положительному.
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением
постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики
(ВАХ):
где
Is- ток насыщения, a Iph фототoк.
ВАХ
поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 4), включающая источник тока
/ph=SqN0Q, где S - площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q-
безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом
электронно-дырочных пар (5%) собирается р-n-переходом. Параллельно источнику
тока включен р-n-переход, ток через который равен Is[e4u/kT-1].
р-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него
быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается
ток /.
Уравнение
ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального
состава, изменяется лишь значение фототока Iрh.
Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в
режиме, отмеченном точкой а.
Максимальная
мощность, снимаемая с 1 см2, равна
где
£
- коэффициент формы или коэффициент
заполнения вольт амперной характеристики, IКЗ - ток
короткого замыкания, Uxx -напряжение холостого хода.
.
Преобразователи солнечной энергии
Гелиоэнергетика (гелио... [греч. Helios - солнце] - первая составная
часть сложных слов, означающая: относящийся к солнцу или солнечным лучам)
развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечными батареями
в просторечии называют и электрические и нагревательные устройства. Следует
подчеркнуть разницу между элементами.
Различают три основных преобразователя солнечной энергии в электрическую:
1. Фотоэлектрические преобразователи- ФЭП- полу-проводниковые
устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько
объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).
2. Гелиоэлектростанции (ГЕЭС)- солнечные установки, использующие
высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в
действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и
др.).
. Солнечные коллекторы (СК)- солнечные нагревательные
низкотемпературные установки.
5.1
Фотоэлектрические преобразователи
Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для
превращения солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой, одноступенчатый
переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи
(ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350
Кельвинов и Т солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 % . Это
означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя,
направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся
поднять практический КПД до 50% и более ( в лабораториях уже достигнут КПД 40%).
Теоретические исследования и практические разработки, в области
фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность
реализации столь высоких значений КПД с ФЭП и определили основные пути
достижения этой цели.
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте,
который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии
на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и
того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов) или
путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой
зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за
счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению
градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур ). Возможны
также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования
зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой
структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль
играет фотопроводимость , обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в
полупроводниках при облучении их солнечным светом. Принцип работы ФЭП можно
пояснить на примере преобразователей с p-n- переходом, которые широко
применяются в современной солнечной и космической энергетике.
Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки
монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом
проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание
поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация
легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация
примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы
нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать
проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате
перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным
положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти
зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный
барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных
носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно
пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство
p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП
солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители
заряда (электронно-дырочные пары ) разделяются на p-n-переходе: неосновные
носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход , а основные (дырки)
задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через
p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных
носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы
ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу
на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с
дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и
отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры
ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя
контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть
сплошными. Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
Ø отражением солнечного излучения от поверхности
преобразователя,
Ø прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
Ø рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии
фотонов,
Ø рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в
объёме ФЭП,
Ø внутренним сопротивлением преобразователя,
Ø и некоторыми другими физическими процессами.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно
применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
ü использование полупроводников с оптимальной для солнечного
излучения шириной запрещённой зоны;
ü направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры
путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
ü переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным
полупроводниковым структурам;
ü оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания
p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
ü применение многофункциональных оптических покрытий,
обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической
радиации;
ü разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области
солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
ü создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине
запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде
излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания
преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся
КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур,
предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные
области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с
последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.д.5
В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе
могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время
типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых
материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим
системам:
· высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе
работы;
· доступность исходных материалов в достаточном для
изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность
организации их массового производства;
· приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на
создание системы преобразования;
· минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением
системой преобразования и передачи энергии (космос),включая ориентацию и
стабилизацию станции в целом;
· удобство техобслуживания.
Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в
необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов
исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения
энергетических и эксплутационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания
сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового
производства при низкой стоимости и т.д. Высокая производительность может быть
достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП,
например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети
специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой
отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной
промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на
автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в
2-2,5 раза.
В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем
преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний
и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о
гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с
галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП,
теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает
с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей
солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.
Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения,
определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их
основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием
толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения
КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть
менее 50-100мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет
рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых
потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве
подложки удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например
синтетический сапфир (Al2 O3).
ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к
преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с
кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных
значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине
запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных
температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и , кроме того,
существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности
светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят
о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180 °С не
приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то
же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70 °С является почти
критическим - КПД падает вдвое.
Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП
позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая
температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими
температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к
30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно
прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей
фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же
использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей
жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.
Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые
ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий
вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых
значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того,
эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на
основе GaAs исчезает после их термообработки ( отжига) при температуре как раз
порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре
порядка 150 °С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой
на протяжении всего срока активного функционирования станций ( особенно это
касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и
размер ФЭП и высокий КПД).
В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные
характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям
СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний
является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем
арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного
сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология
изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется.
Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два
порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства,
позволяющих в частности, получать кремниевые ленты , солнечные элементы большой
площади и т.п.
Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30
раз с 70-100 долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и
продолжают снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент
перехода цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти
уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при
цене 1 ватта СБ 0,3-0,5 доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут
играют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности
государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально
действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день
более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния -
до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом
кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые
СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.
В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что
ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах,
необходимых для широкого внедрения.
Галлий добывается в основном из бокситов , однако рассматривается также
возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы
галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика,
выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты
на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства
ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии
(ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на
подложке} ), не развита ещё до такой степени, как технология производства
кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на
порядки) стоимости ФЭП из кремния .
В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные
батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным
материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для
космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании
концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает
потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с
использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира
(Al2O3).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной
технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость
системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs
может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния.
Таким образом, в настоящее время трудно до конца отдать явное предпочтение
одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов- кремнию или арсениду
галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой
вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных
энергетик. Постольку-поскольку СБ выдают постоянный ток, то встаёт задача
трансформации его в промышленный переменный 50 Гц ,220 В. С этой задачей
отлично справляется специальный класс приборов- инверторы.
5.2
Гелиоэлектростанции
Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах - от
северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Устройства, использующие
энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий,
небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства
используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства
с "солнечным приводом" : моторные лодки и яхты, солнцелеты и
дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным
автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не
уступающей обычному автомобилю. Концентраторы солнечного излучения. С детства
многие помнят, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно
зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются : они тяжелы,
дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью
вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в
котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала.
Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип
действия солнечных преобразователей прямого действия.
Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней
полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо
традиционные - стеклянные, либо из полированного алюминия.
Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических
элементов- зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности
концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь
зеркальные отражатели.
Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения
является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней
плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, падающего
на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце.
Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже Пред (Пред =
46 160 ), но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым
радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность
зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.
Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию,
близкую к форме поверхностей вращения второго порядка- параболоида, эллипсоида,
гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута
плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.
Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму:
цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы
Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими
формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь
широко распространены в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия
реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоид.
концентратора (45град.), близок к 60 град. Солнечная энергия может
непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется
двигатель Стирлинга ( двигатель внешнего сгорания, пример-паровоз). Если в
фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический
преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности достаточно,
чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 куб.м. воды в час. В реальных
гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой
стоимости. Первые попытки использования солнечной энергии на широкой
коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов
в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года
введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт.
Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности,
причем, стоимость 1 кВтч энергии - 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве
традиционных станций. (Атомные станции США ~ 15 центов за 1Квт.). В ночные часы
и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом в дневные часы - солнце. Фирма
Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует
систему параболоцилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе
проходит труба с теплоносителем - дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб
поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как
плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем.
На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная
электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала
фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте.
Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие
традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо
доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20
МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя
их друг к другу.
Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие
в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение
натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого
варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только
непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать
избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской
станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более
крупные - до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии
настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на
традиционных тепловых электростанциях.
По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно
преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического
эффекта в полупроводниках.
Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как
основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять
друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии
должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.
.2.1 Типы
гелиоэлектростанций
В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух
типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.
Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более
350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а
в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной
Европе, СССР и в других странах.
В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию
первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт;
1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каждый, имеющих коэффициент
отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде
открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.
В
башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов,
обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за
Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей.
Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в
тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 оС,
воздух и другие газы - до 1000 оС, низкокипящие органические жидкости (в том
числе фреоны) - до 100 оС, жидкометаллические теплоносители - до 800 оС.
Главным
недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая
площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га,
а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт
нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт , а высота башни 250 м.
В
СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей,
каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного
излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для
нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с
электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет
мощность 12,5 МВт.
При
небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны чем башенные. В СЭС
модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с
максимальной степенью концентрации около 100.
В
соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18
млн. км2 в океане.
СЭС
на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не
требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно
сооружать только в районах с жарким климатом.
В
солнечном пруду происходит одновременное улавливание и накапливание солнечной
энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных
соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 оС. Это обусловлено
высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия
нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется,
особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и
теплообмена с окружающим воздухом.
Солнечная
энергия, проникающая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается
окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате
чего температура ее может достигать 90-100 оС, в то время как температура
поверхностного слоя остается на уровне 20 оС. Благодаря высокой теплоемкости
воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество
теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое
в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит
сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны
пруда
Обычно
глубина пруда составляет 1-3 м. На 1 м 2 площади пруда требуется 500-1000 кг
поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.
Наиболее
крупный из существующих солнечных прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в
Израиле. Его площадь составляет 250 000 м 2 . Он используется для производства
электроэнергии. Электрическая мощность энергетической установки, работающей по
циклу Ренкина, равна 5 МВт. Себестоимость 1 кВт
ч
электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов.
Описанный
эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда
поддерживается градиент поваренной соли, направленный сверху вниз, т.е. весь
объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли по глубине
постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне.
Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном
слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости.
Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности
в соответствии с распределением концентрации соли. Солнечный пруд служит
одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью
по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Отвод теплоты из
солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в
нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник,
в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается
температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически
более эффективен и экономичен.
Солнечные
пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего
водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической
теплоты, в системах конденсирования воздуха абсорбционного типа, для
производства электроэнергии.
5.3
Солнечный коллектор <#"721874.files/image007.jpg">
Солнечный
водонагреватель-коллектор состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды,
бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50
с ориентацией на южную сторону. Холодная, более
тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и,
вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть
использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.
Для
нагрева 100 литров воды солнечная установка должна иметь 2- 3 м
солнечных коллекторов. Такая водонагревательная
установка в солнечный день обеспечит нагрев воды до температуры 90°С . В зимний
период до 50°С.
В
климатических условиях Центральной Азии солнечные водонагреватели-коллекторы
особенно эффективны.
Плоский
солнечный водонагреватель-коллектор - устройство с поглощающей панелью плоской
конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии Солнца.
Это
плоская тепловоспринимающая панель - абсорбер, площадью 1- 2 м, в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность
этой панели, обращенная к Солнцу - черная, для лучшего нагрева. Для снижения
тепловых потерь она устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы.
Снизу панель теплоизолированна, а сверху защищена прозрачной изоляцией -
специальным стеклом, пластиком или пленкой.
В
качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или
пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Металлические абсорберы
изготавливаются из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные
панели (труба в листе). Пластмассовые панели не находят широкого применения
из-за быстрого старения под действием солнечных лучей и малой теплопроводности.
Для
достижения более высоких температур теплоносителя поверхность панели покрывают
спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение
солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части
спектра. Слои создаются на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди
на алюминии, окиси меди на меди.
Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является
создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для
уменьшения тепловых потерь (вакуумные солнечные коллекторы четвертого
поколения).
.3.1 Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор
В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится черная
поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды ва
куумированным пространством, что позво ляет практически полностью устранять по
тери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на
излучение в значительной степени подав ляются за счет применения селективного
покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал,
теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120 - 160°С .
Существует несколько типов вакуумных солнечных
водонагревателей-коллекторов.
1. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор низкого давления (открытый
контур) с термосифонной системой.
Термосифонные системы работают на принципе явления естественной
конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак
должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора
нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть
бака. Тем временем, более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким
образом начинается циркуляция во всей системе. В маленьких системах, бак
объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому
термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из
вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы.
. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор магистрального давления,
термосифон со встроенным теплообменником.
Термосифон со встроенным теплообменником обеспечивает возможность работы
при магистральном давлении. Нагревается теплоноситель через теплообменник из
спиральной медной трубы, расположенный внутри теплоаккумулятора. Принцип работы
этого типа солнечного водонагревателя такой же как и у обычного термосифона
низкого давления. Но вместо того, чтобы использовать воду непосредственно в
теплоаккумуляторе, коллектор магистрального давления использует медный
спиральный теплообменник в баке. Преимущество в том, что систему можно
использовать при низком качестве воды, потому что практически отсутствует
коррозия и образование накипи внутри вакуумных трубок и теплоаккумулятора. Для
районов с низкими температурами теплоаккумулятор заполняют антифризом.
. Кран для заполнения и слива бака 2 . Вход коллектора 3. Теплоноситель
бака 4. медный спиральный теплообменник 5. Атмосферный канал 6. Выход
коллектора 7. Выход горячей воды 8. Теплоноситель теплоаккумулятора 9 . Вход
холодной воды
. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор с выносным баком (СВНУ
активного типа, закрытый контур).
Наиболее эффективные и распространенные солнечные водонагреватели. Легко
встраивается в существующие системы отопления или горячего водоснабжения.
Подходят для всех типов климата и рекомендуются для районов с низкими
температурами (до -50°С) и низкими значениями солнечной радиации. Оснащенный
контроллером, коллектор автоматически поддерживает самые оптимальные параметры
циркуляции, имеет режим антизамерзания, обеспечивает заданную температуру. При
не достаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительный
электронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе.
.Коллектор 2. Трубы 3. Солнечная станция (насос, клапаны, манометр) и
контроллер 4. Теплоаккумулятор
. Солнечная энергетика и нанотехнологии
Американским исследователям из института Санта Фе удалось
усовершенствовать конструкцию солнечных батарей на основе сенсибилизированных
красителей. Заменив диоксид титана и платину, использующиеся при производстве
этих батарей, на углеродные нанотрубки с дефектами, ученые добились прироста
производительности и удешевления конструкции. Работа опубликована в журнале
Nano Letters. В настоящее время они патентуют свое изобретение.
Солнечные батареи на основе сенсибилизированных красителей
(Dye-sensitized solar cells или DSC) были изобретены в 1991 году. В настоящее
время схема элементов батареи следующая: на стеклянной основе располагается
слой прозрачного проводящего ток диоксида титана с вкраплениями
сенсибилизированных красителей (красители с химически повышенной
чувствительностью к ультрафиолету). Между слоем диоксида и стеклом находится
слой платины. Электрический ток возникает в результате химических реакций,
которые происходят во вкраплениях красителей под воздействием солнечного света.
Эти реакции катализируются платиной.
Группа американских исследователей из института Санта Фе заменила оксид и
платину на слой из углеродных нанотрубок. Как оказалось "обычные"
нанотрубки для этой цели не подходят: полученный слой не обладает прозрачностью
и проводимостью оксида и катализирующими свойствами платины. Для получения
первых двух свойств ученые добавили слой более длинных нанотрубок.
Чтобы получить каталитический эффект, исследователи решили внести в
нанотрубки дефекты. Предположительный механизм катализа с помощью дефективных
нанотрубок заключается в том, что дефекты являются "посадочными
площадками" для атомов реагирующих веществ. Исследователи поместили
нанотрубки в озон - крайне активное химическое соединение. Воздействие озона
вызвало разрушения в структурах трубок, то есть, образованию необходимых
дефектов. Катализирующие свойства батарей при этом выросли в десятки раз.
Применение углеродных нанотрубок призвано решить ряд принципиальных
проблем солнечных батарей на основе сенсибилизированных красителей. Во-первых,
новая конструкция обладает большой выходной мощностью. Батареи традиционной
конструкции по этому параметру уступали широко распространенным кремниевым.
Во-вторых, уменьшается тепловыделение, что позволяет использовать в качестве
основы для батареи не только термостойкие материалы. В третьих, производство
батарей на основе нанотрубок существенно дешевле, так как при этом не используется
дорогая платиновая пленка.
Уче6ным же из Корнельского отделения исследований в области
нанотехнологий (Cornell NanoScale Science and Technology Facility) удалось
создать элемент солнечной батареи, в которой вместо кремния также используются
углеродные нанотрубки. По словам нанотехнологов, новая батарея, как показывают
расчеты и тесты, будет намного эффективней переводить солнечную энергию в
электрическую.
По словам ведущего проект ученого, профессора физики Пола МакЭвена, его
команда изготовила фотодиод нового типа на основе углеродных нанотрубок и
провела испытания, подвергая его облучения потока света. Результат показал, что
такой фотодиод выделяет намного больше электричества, чем традиционный.
Для его создания ученые использовали одностеночную нанотрубку размером с
молекулу ДНК. Эта трубка была подсоединена к двум контактам и помещена между
источниками положительного и отрицательного заряда. Затем трубка освещалась
лучом лазера разного спектра под разными углами. Учеными было замечено, что усиление
потока света приводило к многократному увеличению выделяемой электроэнергии.
Дальнейшее исследование показало, что за счет цилиндрической формы
электроны как бы выдавливаются из трубки, а проходя вдоль нее они вырывают
новые электроны. По словам ученых, это делает трубку очень эффективным
солнечным элементом, поскольку энергия свободных электронов также задействуется
для выработки электричества. Это явное преимущество по сравнению с
традиционными фотоэлементами, в которых много энергии уходит впустую на
нагревание.
В настоящее время ученые занимаются дальнейшими исследованиями физических
свойств процесса при изменении внешнего воздействия.
Ученых продолжает привлекать мир насекомых, как источник новых уникальных
технологий. Ранее "Нано Дайджест" уже рассказывал о создании
английскими учеными математической компьютерной модели полета саранчи. Недавно
ученым из Университета Пенсильвании и их испанским коллегам из Автономного
Университета Мадрида удалось разработать технологию, которая позволяет
воспроизводить биологические структуры, такие, как крыло бабочки, на
наноуровне. Получившиеся биоматериалы могут использоваться в оптически активных
структурах, таких, как, например, светорассеиватели в солнечных батареях.
Окраска насекомых и их способность менять цвет в зависимости от угла
зрения, которую ученые называют «иридисценцией», а также наличие у насекомых
металлических цветов связано с тем, что в их покрове присутствуют наноразмерные
фотонные структуры. Именно эти наноструктуры и их способность испускать свет
привлекли ученых.
По словам одного из ведущих проект ученых, Рауля Х. Мартина-Палмы, они
создали «свободные реплики хрупких пластинчатых хитиновых структур, которые
являются репликами крыла бабочки. Причем внешний вид этих структур зависит не
столько от пигмента на их поверхности, сколько от их регулярной наноструктуры.
Ранее ученым для воссоздания биоматериалов приходилось использовать
сложную технологию, предполагающую использование агрессивных сред, коррозионных
атмосфер и высокого давления. Новая методика позволяет воссоздавать
нанобиоматериалы при комнатной температуре без участия агрессивных сред.
Для создания этого биоматериала ученые использовали соединения германия,
селена и сурьмы и применили технологию, известную в англоязычной специальной
литературе, как Conformal-Evaporated-Film-by-Rotation (CEFR). Данная технология
предполагает сочетание термического напыления с вращением подложки в камере
низкого давления. Затем ученые погружали пленку в водный ортофосфорной кислоты
раствор чтобы растворить хитин.
Как указывают ученые, полученные искусственным образом наноструктуры,
основанные на строении крыла бабочки могут использоваться при создании
различных активных оптических структур, например, светорассеивателей или
покрытий, максимизирующих поглощение света в солнечных батареях. Кроме того, по
словам разработчиков, данная методика позволяет воспроизвести и другие
биоструктуры, такие, как жучиный панцирь, фасетчатые глаза мухи, пчелы ил осы,
на основе которых можно сконструировать миниатюрные камеры и оптические
сенсоры, и многое другое.
. Заключение
Среди всех научно-технических отраслей только нанотехнологиям присущи
эффекты молекулярных воздействий и квантовые эффекты. Дальнейшее развитие
нанотехнологий раскрывает возможность создания машин, с помощью которых
электроэнергия в КПД 90% может получаться из солнечной энергии. В любом
производстве будут использоваться атомы кислорода, углерода, азота, водорода и
другие, наиболее часто встречающиеся. Проблема с сырьем практически исчезнет.
Именно на нанотехнологии возлагаются особые надежды в дальнейшем освоении
Вселенной, именно они будут играть огромную роль в открытии и изучении новых
планет.
. Список используемой литературы
1. Базаров
Б.А., Заддэ В.В., Стебков Д.С. и др. Новые способы получения кремния солнечного
качества. Сб. "Солнечная фотоэлектрическая энергетика". Ашхабад, 1983
. Углеродные
нанотрубки: строение, свойства, применения / П.Н. Дьячков. - М.: Бином, 2006. -
293 с.
. Нанотрубки
и фуллерены: учебное пособие / Э.Г. Раков . - М.: Логос, 2006. - 376 с.
. Косаковская
З. Я. Нановолоконная углеродная структура / З. Я. Косаковская, Л. А.
Чернозатонский, Е. А. Фёдоров // Письма в ЖЭТФ. - 1992. - № 56 - С. 26-28.
. Андреев
С.В. Солнечные электростанции- М.:Наука 2002
. Грилихес
В.А. Солнечные космические энергостанции - Л.: Наука, 1986.
. Бутузов B.
A. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в системах теплоснабжения
Краснодарского края. - Краснодар: ККП Союза НИО CCCP, 1989.
. Харченко
Н.В. Индивидуальные солнечные установки М. Энергоатомиздат 1991
. Косаковская
З. Я. Нановолоконная углеродная структура / З. Я. Косаковская, Л. А.
Чернозатонский, Е. А. Фёдоров // Письма в ЖЭТФ. - 1992. - № 56 - С. 26-28.