Наука и жизнь

02.08.2013

Константин Ранкс
Финляндия

Константин Ранкс

Морской геолог, журналист

Электростанция в шляпке?

Легко!

Электростанция в шляпке?
  • Участники дискуссии:

    13
    61
  • Последняя реплика:

    больше месяца назад

Когда солнце безумствует, устанавливая очередные температурные рекорды, так и хочется воскликнуть: эту-то энергию – да в мирных целях! Новейшие разработки ученых из Массачусетского технологического института позволяют нам немного помечтать.

Представьте: изнуряющая жара, навстречу идет милая девушка в пышном платье, и ей совсем не жарко – изнанка платья действует так же, как система охлаждения у космонавтов. Аналогичная система установлена в ее шляпке и создает приятный ветерок, обдувающий ее прекрасное личико...

Добравшись до пляжа и расположившись под большим зонтом, вы ставите на зарядку смартфон, в походном холодильнике остывает игристое вино и клубника с мороженым. Чуть в стороне молодые люди, приехавшие на электрокаре, надувают переливающийся всеми цветами радуги шар диаметром с некогда популярные зорбы. В небе парит огромный бесшумный полупрозрачный дирижабль, отправляющийся с очередной партией туристов к знойному Средиземноморью.

И все это может работать исключительно на энергии солнца, если станут реальностью прозрачные супертонкие батареи: их можно будет вшивать в ткань платья или шляпки, покрывать ими поверхности противосолнечных пляжных зонтов, делать из них трехмерные комплексы для зарядки электромобилей и даже заполнять ими емкости дирижаблей.


Погоня за киловаттом. Одним


В последние годы ученые потратили немало времени и сил, чтобы увеличить коэффициент полезного действия солнечных батарей. В этом был большой резон: к сожалению, количество энергии, которое несет наше светило, имеет вполне конкретный предел – на земной орбите он составляет 1367 Вт/м². Но атмосфера экранирует часть энергии, и на экваторе в полдень этот параметр едва превышает 1000 Вт/м².

К тому же в течение дня уровень солнечной инсоляции меняется в зависимости от высоты солнца над горизонтом. Поэтому применяется другой параметр – сколько всего электричества можно получить от батареи в сутки (или в день – где как удобнее считать). Есть месячные и годовые цифры. Но в принципе в северных широтах и там, где дни пасмурны и кратки, этот параметр может быть меньше 1 кВт·час/м², а на юге – 4–5 кВт·час/м².

То есть если бы у вас даже была уникальная солнечная батарея площадью 1 м² и коэффициентом преобразования 90%, все равно вы могли бы подключить к ней максимум не самый мощный чайник. Но на практике таких батарей нет. Долгое время очень хорошей отдачей считалось, если батарея преобразовывала в электричество 15% энергии, потом появились образцы, поднявшие показатель до 20%. То есть в этих идеальных условиях у вас будет всего 200 Вт. И теперь представьте: вашу машину с габаритами 2,5 х 4 м можно накрыть пластиной площадью 10 м² и получить... 3 лошадиные силы. Может, лучше на лошадях передвигаться? Они и резвее, и экологичнее, и могут скакать ночью.

Сейчас есть три основных способа установки солнечных батарей – горизонтально на плоской поверхности, наклонно либо с механизмом слежения за солнцем. И тут ясно, что каждый лишний процент эффективности батарей имеет значение. Но вот специалисты Массачусетского технологического института решили взглянуть на эту проблему по-иному. Не гнаться за процентами, а изменить сам подход к солнечным батареям.


Когда счет на атомы


Джеффри Гроссман и его коллеги решили разработать солнечную батарею на основе двумерных материалов, таких как графен и дисульфид молибдена. Да, эта супертонкая пленка из трех атомов преобразует солнечный свет в электричество всего лишь с 1–2-процентной эффективностью, но сами пленки безумно тонки – их толщина чуть более 1 нанометра. И каждый слой оптически прозрачен, а значит, их можно уложить один на другой. На единицу массы они производят до 1000 раз больше энергии, чем самые лучшие кремниевые батареи.

Материалов для создания новых батарей много, дисульфидом молибдена и диселенидом, которые использовались в работе, палитра не ограничивается. Как сказал сам Гроссман, «там целый зоопарк из этих материалов, которые еще ждут изучения». Эти новые батареи мало того что прозрачны, они еще и удивительно прочны, они гибки, ими можно покрыть сложные криволинейные поверхности, которые при этом постоянно изгибаются.

Ими можно покрыть поверхность зонта от солнца, который всегда ориентируют на светило, и эта поверхность площадью около 2 м² вполне сможет сгенерировать достаточно энергии для насущных нужд отдыхающего. Уж сотню ватт для системы охлаждения платья или подзарядки мобильника – точно. Тем более что поверхность платья и шляпку можно обогатить всевозможными рюшечками и бутоньерками. И дело тут не в красоте.


Кубик Гроссмана


В 2009 году Гроссман отдыхал на берегу озера Тахо в Калифорнии и смотрел на листья деревьев. Они все ориентированы в разном направлении по отношению к солнцу, они все время движутся. Не может быть, что эволюция случайно так решила, подумал Гроссман и стал моделировать трехмерное расположение жестких, обычных солнечных батарей, которые бы состояли из отдельных пластин, как листья дерева.

В 2010 году, после долгого моделирования, группа Гроссмана пришла к выводу, что наилучшая форма для объемного «дерева» из солнечных батарей – это куб, в который вписано 64 треугольника.



а) Куб Гроссмана с 64 треугольными панелями б) Тот же куб из 24 треугольных панелей

Результаты моделирования показали, что если разложить где-нибудь 100 м² плоских солнечных панелей, то они смогут генерировать около 50 кВт·час в день. А вот если примерно те же 100 м² нарезать на треугольники и втиснуть в куб размером 2 х 2 х 2 м, то он соберет уже 60 кВт·час в день. Куб с ребром 2 м оказался эффективнее плоской поверхности 10 х10 м. А вот куб с ребром 10 м мог дать уже 1200 кВт·час.

Секрет кубика Гроссмана в том, что солнце всегда освещает какие-то поверхности под идеальным углом, а другие отражают свет на соседние поверхности. Куб поглощает свет всем своим объемом, его не надо специально крутить вслед за солнцем, его можно просто установить и пользоваться. По крайней мере так представлялось вначале.


Гармошка для солнца


Как говорится, гладко было на бумаге. Ученые начали работу с энтузиазмом и... скоро обнаружили, что радующие глаз компьютерные модели имеют мало общего с практикой. Слишком сложным оказалось изготовление таких треугольников в кубе. Сначала физики решили пойти по пути упрощения геометрии куба – вместо 64 плоскостей решили обойтись 24, как бы вдавив каждую грань куба внутрь.

Расчеты показали, что разница в мощности между такой упрощенной конструкцией и более оптимизированной составляет всего около 10–15 процентов. Но и такой кубик оказался сложным из-за того, что нужно было использовать нестандартные элементы солнечных батарей. И тогда исследователи порвали стереотип – они создали своеобразный столб-гармошку. Спаяли его из стандартных пластин и установили на крыше института.



Гармошка Гроссмана дает выигрыш в эффективности с одного квадратного метра от 2 до 20 раз в зависимости от внешних условий

Спустя несколько недель, весной 2012 года, они смогли заявить: трехмерная структура, занимая в разы меньше места, обеспечивала стабильный выход электроэнергии. В условиях, когда сами батареи стоят все меньше по сравнению со стоимостью инфраструктуры, плотность батарей на 1 м² становится все важнее. А система, которая, как листья деревьев, работает при любом положении солнца на небосводе, оказывается реально очень эффективной и простой в эксплуатации.


Все дело в пленках

И вот последние разработки Гроссмана в области гибких сверхтонких батарей дополняют его исследования о пользе многонаправленных поверхностей. Почти прозрачные гибкие солнечные батареи можно будет и вшивать в одежду, и укладывать во всякие там бутоньерки на шляпках. Как раз в форме бутоньерок они будут работать максимально эффективно.

Когда же электроавтомобилистам надо будет подзарядить батареи своей самобеглой коляски, они смогут вытащить из багажника сложенный пластиковый пакет, который, надувшись, превратится в прозрачный шар-зорб, внутри которого будут переливаться десятки полупрозрачных поверхностей-батарей. Шар диаметром два с половиной метра подключат к зарядке, и этот эквивалент куба Гроссмана, весело качаясь на ветру, сможет за день дать в наших широтах (по оценочным прикидкам) дополнительные 50–60 кВт·час энергии.

Если же покрыть этой пленкой поверхность дирижабля, а еще круче – разместить полотна-батареи прямо в газонаполненных баллонах дирижабля, то это электрическое чудо не будет нуждаться в десятках тонн топлива. Он будет постоянно и почти бесшумно скользить в небе, даря туристам невообразимые ощущения от настоящего воздухоплавания...

Вот до чего могут дойти фантазии в жаркий день, когда антициклон изливает потоки солнечной энергии на наши головы. Но шутки шутками, а за Гроссманом надо приглядывать, потому что он быстрее других движется вперед, ломая стереотипы, создавая неожиданный и прекрасный электрический мир.

Подписаться на RSS рассылку
Наверх
В начало дискуссии

Еще по теме

Хищные вещи XXI века

Пётр Капица о бесперспективности альтернативной энергетики

Павел Потапейко
Беларусь

Павел Потапейко

Кандидат исторических наук, переводчик, публицист

На пороге технологической революции — 2

10 самых влиятельных технологий

Павел Потапейко
Беларусь

Павел Потапейко

Кандидат исторических наук, переводчик, публицист

На пороге технологической революции

Распечатанная еда и смартфон-переводчик

Владимир Алексеев
Латвия

Владимир Алексеев

Автор интернет-проекта «Этот день в истории»

Маленькая заметка по поводу

К 160-летию установления телеграфной связи между Европой и Америкой

Апология Греты, или Девочка с особенностями против людей в дорогих костюмах

Вы вообще-то в школе учились ?!? Вероятно двоечник тогда. Вспомните...класс наверное пятый, а Грета ещё НЕ ЗАБЫЛА видимо этих знаний, которая только что получила.

СКОЛЬКО ВЫ СТОИТЕ

Что значит "не обеспечивает воспроизводства рабочей силы"? Работники рожают недостаточно детей, чтобы впоследствии занять их места?Но это же абсурд: в развитых странах, где уровен

«Нам нужна другая Франция»: всеобщая забастовка на родине революций

Дурку не гоняйте....просто украинцы налоги НЕ ПЛАТЯТ вообще, как местные рабочие ПОЛОВИНУ своей зарплаты....сообразили ? (надеюсь).

КАК ВОЗРОЖДАЕТСЯ ХРАМ В ЮРМАЛЕ

Я так и написал - ты не понимаешь то что сам пишешь. Это бесы тебя корчат. Кстати откуда у тебя в лексиконе слово "мракобесие" неверующим не положено, это церковный термин.

НОВАЯ ШЛЯХТА: КАЗУС ЕГОРА ЖУКОВА

Грузия захотела независимости, и ей ее дали без возражений. В ответ Абхазия захотела независимости от Грузии - а получила карательную экспедицию.Абхазы вовсе не хотят войти в соста

Мы используем cookies-файлы, чтобы улучшить работу сайта и Ваше взаимодействие с ним. Если Вы продолжаете использовать этот сайт, вы даете IMHOCLUB разрешение на сбор и хранение cookies-файлов на вашем устройстве.