Цивилизация
Федеральное правительство США наложило запрет на разработку новых проектов по строительству объектов для преобразования энергии солнечного света в электричество. Поводом для запрета стало стремление Бюро по управлению государственными и общественными землями США подробнее изучить вред, который один из самых экологичных типов источников энергии наносит природе. Этот вред может заключаться в нерациональном использовании слишком больших по площади земельных участков, создании инфраструктуры для обслуживания солнечных комплексов и так далее.
Как бы там ни было, сторонники выработки солнечной энергии намерены перетянуть канат на свою сторону. Иными причинами публикацию в журнале Science, в которой львиная доля текста отводится скрупулезному подсчету стоимости киловатта энергии, которую можно генерировать с помощью описанной инновации, объяснить сложно. Достижение, описанное командой профессора Марка Бальдо из Массачусетского технологического института, заключается в применении так называемых органических солнечных концентраторов для более эффективного улавливания и преобразования солнечной энергии.
Для того чтобы полностью оценить выгоду от использования таких концентраторов, нужно представить себе, как работают современные промышленные солнечные электростанции. Как правило, они представляют собой систему зеркал, размещенную на площади в несколько гектаров. Эти искривленные зеркала фокусируют отраженный солнечный свет в определенной точке пространства, где и находится рабочее тело солнечного элемента.
Одна электростанция часто бывает оборудована несколькими такими преобразующими модулями. Это могут быть и обычные полупроводниковые солнечные батареи, и трубы с маслом, нагрев которого преобразуется сначала в механическую, а потом электрическую энергию, и даже вода, которую солнечный свет доводит до кипения, заставляя вращать турбины генератора — получается эдакий экологически чистый паровоз на солнечной энергии.
Такая система имеет ряд недостатков, одним из которых является необходимость размещения подобных систем в удаленных пустынных районах, поскольку комплексы занимают много места. Это же обстоятельство заставляет разработчиков очень неэффективно использовать земельный ресурс, расставляя отдельные модули на большом расстоянии, чтобы те не отбрасывали тень друг на друга. Кроме того, часть выработанной комплексом энергии тратится на поддержание системы слежения, которая постоянно вращает зеркала вслед за движением Солнца по небосводу. Еще одним минусом является необходимость охлаждать постоянно перегревающийся рабочий полупроводниковый элемент в случае использования этого преобразователя энергии.
Органические солнечные концентраторы позволят в будущем отказаться от систем концентрирования солнечного света с помощью системы зеркал.
Они позволяют концентрировать свет непосредственно в каждом солнечном элементе.
Суть концентратора сводится к тому, чтобы с помощью привычных фотогальванических преобразователей, эффективных лишь в узком диапазоне длин волн, тем не менее, уловить большую часть солнечного спектра. По словам разработчиков, их технология позволит в будущем добиться десятикратного снижения стоимости электричества, полученного с помощью солнечной энергии.
Как нетрудно догадаться, конструкция таких концентраторов не обходится без красителей. Сам концентратор представляет собой стеклянную пластину с высоким показателем преломления света, на одну сторону которой — обращенную к солнцу — нанесена смесь органических красителей. Один из красителей поглощает коротковолновую часть спектра и передает поглощенную энергию второму красителю, который переизлучает её в уже более длинноволновом диапазоне, который обычные оптические элементы улавливают гораздо лучше.
Переизлученный свет примерно на 20% рассеивается обратно в окружающее пространство, однако остальная его часть, благодаря эффекту полного внутреннего отражения, запирается внутри стеклянной пластины. Световые волны, отражаясь от поверхностей стекла без потери энергии, транспортируют энергию фотонов к граням пластины, на которых установлены фотогальванические преобразователи (обычные солнечные батареи).
Подобная система красителей уже использовалась для изменения длины волны лазерного излучения, однако все попытки адаптации технологии для солнечной индустрии примерно с начала 70-х годов не давали необходимого результата. Во многом это было обусловлено недостатками прежних красителей, которые поглощали львиную долю вновь переизлученного света, таким образом снижая концентрацию его в концентраторах.
Последние же достижения в области органических красителей, шедшие в ногу с разработкой органических светоизлучающих диодов, позволили Бальдо использовать низкие концентрации поглощающих красителей в сочетании с большими количествами переизлучающих. Это и помогло существенно снизить потери, связанные с вторичным поглощением света.
Кроме того, новые красители гораздо более долговечны по сравнению со своими предшественниками. Например, 4 4-(дицианометилен)-2-т-бутил-6-(1,1,7,7-тетраметилюлолидил-9-енил)-4Н-пиран, использованный в качестве переизлучающего красителя, стабилен в течение ста лет непрерывной работы. В сочетании с защитой от ультрафиолета вся система красителей может исправно работать в течение десятков лет.
Бальдо предлагает использовать сразу несколько концентраторов в тандеме. Это возможно благодаря тому, что, поглощая коротковолновый спектр солнечного излучения, прозрачный концентратор пропускает сквозь себя более длинноволновое, которое может быть уловлено вторым концентратором, затем третьим и так далее. Более того, такая прозрачность набора концентраторов позволяет водрузить всю пачку поверх существующих солнечных панелей, которые в этом случае будут превращать в электричество только самое длинноволновое излучение. Переработку же остальной части спектра возьмут на себя фотогальванические преобразователи, расположенные на боковых гранях концентраторов.
В предложенной американцами технологии нет ничего революционного, и инновации носят скорее техническую сторону реализации всей системы улавливания и преобразования света. Однако снижение стоимости солнечной энергии на фоне резкого роста цен на углеводородные носители наверняка позволит американским чиновникам вздохнуть глубже и отменить мораторий на солнечную энергию. Бескрайние просторы же нашей необъятной, но холодной и пасмурной родины вряд ли когда-либо позволят сколько-нибудь эффективно использовать солнечный свет для выработки электроэнергии. Зато мы лучше умеем держать в узде мирный атом.