Команда учёных Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) сообщила, что получила международный сертификат на самую эффективную в мире тандемную солнечную ячейку. Разработка HZB внесена в международный рейтинг и установила новую планку значения КПД для таких солнечных элементов, а именно 32,5 %.

Источник изображений: Eike Köhnen/HZB

Примечательно, что значение КПД на уровне знаковых 30 % впервые было преодолено летом этого года учёными из Швейцарии. Исследователи из Лозанны создали из перовскита и кремния тандемную солнечную ячейку с эффективностью 31,3 %.

В тандемных элементах каждый из двух расположенных один поверх другого слоёв — один из кремния, а другой из перовскита — поглощают свой спектр падающего света, делая это максимально эффективно в своём диапазоне фоточувствительности. Суммарная чувствительность не удваивается, но ощутимо выше, чем если бы использовался только один из материалов. Тем самым с одной и той же площади собирается больше энергии.

Новая тандемная фотоячейка HZB оптимизирована по «интерфейсу» и слоям. Учёные путём анализа структур подбирали как чередование фоточувствительных слоёв, так и их состав и состояние поверхностных слоёв. В каждом случае искали максимальный отклик материала. Слой из перовскита поглощал синюю составляющую спектра, а слой кремния — красную и инфракрасную составляющую в ближнем диапазоне.

Тонкая настройка элемента помогла добиться рекорда, на который теперь будут равняться учёные из других лабораторий. Ранее подобное значение КПД было достижимо только с использованием дорогих полупроводников из III/V групп таблицы Менделеева. Теперь в эту область ворвались дешёвые кремний и перовскит.

Сегодня солнечными панелями на крышах зданий в Токио оснащено 4 % строений. Согласно новым правилам, с 2025 года большинство новых зданий сразу получат солнечные батареи. Это снизит вредные выбросы и уменьшит стоимость жизни столичных жителей. Необходимые для этого поправки были приняты Токийской столичной ассамблеей в конце прошлой недели.

Источник изображения: Asia Chang/Unsplash

Разговоры о новой программе пошли ещё в сентябре. Власти намеревались обязать «крупных столичных застройщиков» принять практику обязательной установки солнечных панелей на всех или почти на всех новых зданиях. Подобная инициатива привела бы к увеличению стоимости проектов и более длительной окупаемости, за что, прежде всего, обязаны были бы заплатить покупатели жилья.

Установка солнечной батареи мощностью 4 кВт на жильё площадью менее 2000 м² (как требуют новые правила) ведёт к наценке в размере примерно $7200. Эти затраты могут окупиться в течение десяти лет или шести лет в случае получения государственных субсидий ($728 за кВт). Владелец жилья с солнечной батареей на крыше может как сам пользоваться солнечной энергией, так и продавать её в сеть. При желании можно будет установить аккумуляторы дома и, тем самым, защитить себя от перебоев с энергией. Тогда сработают сразу два фактора: чистая энергетика и повышение комфорта.

Считается, что в Токио главным источником углеродных выбросов являются жилые постройки. Программа по перестройке старого жилого фонда в новый уже утверждена и реализуется. С 2025 года солнечными панелями начнут оснащать даже небольшие жилища площадью менее 2000 м², что раньше делать не заставляли. Работами будут заниматься около 50 застройщиков, каждый из которых в год вводит в эксплуатацию в среднем 20 000 м² жилья. Если всё пойдёт по плану, к 2050 году Токио выйдет на нулевой выброс углекислого газа.

«Зелёная» энергетика дотянулась до Марса, но пока только в теории. Учёные показали, что на Красной планете может быть достаточно ветра для круглогодичного снабжения колонистов электрической энергией. Это особенно важно для полярных районов, где солнечная энергетика не эффективна.

Образованные сильным ветрами дюны на северном полюсе Марса. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech/ASU

Согласно всем предыдущим планам, космические базы на Луне, Марсе и дальше в космосе энергией должны снабжать портативные ядерные реакторы. Это относительно простое и надёжное устройство, которое люди давно научились делать и использовать. Новая повестка заставляет рассматривать иные альтернативы.

В принципе, в открытом космосе, на Луне, где нет атмосферы и даже на Марсе, где плотность атмосферы составляет всего 1 % от земной, солнечная энергетика отдаёт максимум от возможного. Однако по мере продвижения к полюсам ситуация меняется и падающих на планеты солнечных лучей уже недостаточно для сбора необходимых объёмов электроэнергии. Почему бы в таких районах не использовать ветер, подумали учёные? От него не веет «ядерной опасностью», а установку, теоретически, можно почти полностью собрать на месте из подручных материалов.

Предыдущие программы по изучению силы ветров на Марсе были крайне обрывочным. В основном изучались ветры в районе посадок аппаратов на экваторе и обстановка вокруг горных гряд. Учёные из NASA адаптировали модель атмосферных движений Земли к марсианским условиям, включая географию. В основу расчётов были положены все известные данные о Марсе по наблюдениям за всё время.

Моделирование показало, что в приполярных областях и в других регионах Марса, особенно вдоль крупных кратеров и нагорий, достаточно ветра, чтобы одна мощная турбина круглогодично обеспечивала энергией группу из шести колонистов. В районах с меньшей силой ветра (ближе к экватору) ветер может дополнять солнечную энергетику во время сезона пылевых бурь и в тёмное время суток.

Для ветряных генераторов на Марсе необязательно строить башни с гондолами. Ветряные турбины можно поднимать на воздушных шарах. Но и для башен на Марсе можно найти местный строительный материал, чтобы не везти всё с Земли. Учёные ожидают, что инженерное сообщество подхватит идею и предложит интересные решения. А пока они опубликовали результаты работы в журнале Nature Astronomy.

Ежегодно ветряки убивают до полумиллиона птиц, но ещё больше от них погибает летучих мышей. Губят мышей не только лопасти. Летучие мыши погибают в зонах перепадов давления позади ветрогенераторов. Капилляры мышей быстро расширяются в зонах пониженного давления, и животные погибают от внутреннего кровоизлияния, что не угрожает птицам. Отпугнуть летучих мышей от опасной зоны должны помочь дроны с маячками.

Источник изображения: Tel Aviv University

Специалисты из Израиля разработали светошумовую обвязку для дронов, которая отгоняла бы летучих мышей световыми сигналами и сигналами в ультразвуковом диапазоне, к которому летучие мыши наиболее чувствительны. Просто установить отпугивающее оборудование на мачты генераторов нельзя. Во-первых, летучие мыши к нему привыкают и со временем начинают игнорировать. Во-вторых, таким образом невозможно отпугнуть животных от обширной опасной зоны позади лопастей, которая, к тому же, перемещается по мере смены направления ветра.

Исследователи из Тель-Авивского университета и Университета Хайфы предложили систему, которая может решить обе проблемы: яркие мигающие огни и ультразвуковые импульсы, подаваемые с дронов, которые летают перед турбинами. В ходе первых экспериментов дрон со светошумовыми маячками поднимался на высоту гондолы ветряка — это примерно 100 м, и затем совершал полёты по прямой в обе стороны на отрезке 100 м.

Наблюдения с помощью камер, радаров и лазерных LIDAR’ов подтвердили, что дрон с маячками способен отпугивать летучих мышей. Около 40 % животных начинали избегать полётов на высоте дрона, облетая его заметно выше. На следующем этапе учёные испытают систему отпугивания непосредственно с ветряными турбинами.

Возможно, они смогут подобрать комбинацию света и шума, чтобы отпугнуть ещё больше мышей от полётов вблизи ветряных турбин. Летучие мыши имеют большое значение для уничтожения насекомых-вредителей сельскохозяйственных растений. Без них выращивать овощи, фрукты и злаковые будет вреднее и сложнее.

Морская вода является бесконечным источником металлов, минералов, питьевой воды, кислорода и водорода. Учёные всех стран десятилетиями ищут возможность добывать эти богатства из морских и океанских глубин. Главная задача — делать работы экономически выгодно, но именно с этим связаны все барьеры на пути разработчиков. В Китае решили одну из этих проблем — научились простой добыче водорода без лишних затрат.

Источник изображений: Nature

Водород извлекается из воды в процессе электролиза. Это простая и понятная операция, но только если добывать этот газ из чистой воды. Добыча водорода непосредственно из морской воды требует предварительного опреснения или очень сложных установок. Растворённые в морской воде соли (ионы) металлов и минералов разрушают катализаторы электролизёров и другие узлы устройств, как и требуют работы насосов для прокачки морской воды.

Учёные из Нанкинского технического университета в Китае в журнале Nature рассказали об уникальной установке, которая лишена всех указанных выше недостатков. Без насосов и быстрого износа катализаторов она способна длительное время добывать водород и кислород прямо из морской воды.

«Наша стратегия реализует эффективный, гибкий по размеру и масштабируемый прямой электролиз морской воды, аналогичный расщеплению пресной воды, без заметного увеличения эксплуатационных расходов», — сказал Цзунпин Шао (Zongping Shao), профессор химической инженерии из Нанкинского технического университета в Китае.

Для защиты катализаторов от воздействия морской воды — солей и ионов — предложено интересное решение. Покрытые катализатором электроды, на которых вырабатывается водород и кислород (один на катоде, а другой на аноде), никогда не контактируют с морской водой. От этого их защищает насыщенный электролит в виде гидроксида калия, в который эти электроды погружены. Как же туда попадает вода?

Электролит с обеих сторон электродов защищён мембраной. Богатая фтором мембрана пропускает водяной пар, но не жидкость. Через мембрану в электролит попадает только водяной пар, оставляя соли в морской воде. В электролите пар снова превращается в воду и расщепляется на водород и кислород как опреснённая вода без негативных последствий для катализаторов. Подкачка пара в электролит идёт за счёт внешнего избыточного давления и не требует насосов.

Насосы нужны разве что для прокачки морской воды, но в случае электролиза с пресной водой они тоже будут нужны, так что это не увеличивает накладные расходы. Более того, из воды с повышенной концентрацией солей удобно и выгодно добывать минералы и металлы, например, тот же литий или уран.

Исследователи на практике доказали работу инновационной установки. Демонстратор из 11 электролизных ячеек опустили в воды залива Шэньчжэнь, где он проработал без остановки 130 дней. Каждый час установка вырабатывала 386 л водорода. Затраты электричества шли только на подкачку свежей морской воды и на сам процесс электролиза. Система отлично себя показала в испытаниях, хотя о коммерческом внедрении говорить пока рано. Учёные планируют значительно повысить её эффективность, для чего необходимы эксперименты с разными составами электролита и катализаторов.

Не секрет, что в клетках растений во время фотосинтеза и жизнедеятельности протекают химических реакции с высвобождением электронов. Очевидно, что расположив электроды в теле растений можно сформировать из электронов поток электрического тока. И теперь группа учёных провела детальное исследование явления, выяснив, что растения можно применять в энергетике.

Источник изображения: Pixabay

Для экспериментов было выбрано растение Corpuscularia lehmannii из группы суккулентов. Эта группа растений отличается способностью запасать в клетках значительные объёмы воды, поскольку в основном произрастает в засушливых районах. Тем самым такие растения богаты электролитом естественного происхождения, баланс которого поддерживается жизнедеятельностью растений, включая фазу фотосинтеза.

Источник изображений: ACS Applied Materials & Interfaces

Как сообщают учёные в статье в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, один лист Corpuscularia lehmannii с воткнутыми электродами из железного анода и платинового катода показал напряжение 0,28 В и ток до 20 мкА/см² в цепи. Ток начинал течь под воздействием света на растение и мог вырабатываться в течение суток. Последовательное соединение нескольких листьев обещает увеличить напряжение, доведя его почти до возможностей «обычной щелочной батарейки».

Исследование было направлено на поиск таких режимов работы живого солнечного элемента, чтобы протоны во внутреннем растворе листьев объединялись с образованием газообразного водорода на катоде, и этот водород можно было собирать и использовать для других задач. Тем самым суккуленты могут обеспечить одновременно выработку электрической энергии и быть источником водорода. Интересно, доведут ли это исследование до практической пользы?

Французская компания Eolink получила финансовую поддержку для строительства первого в мире демонстратора плавучей ветряной турбины необычной конструкции. Вместо «пропеллера на палочке» предложено построить что-то типа «колеса обозрения» — стойки в виде пирамиды с пропеллером посередине. Разработчик утверждает, что пирамидальное шасси обеспечит значительную экономию материала и недорогое обслуживание — слабое место всех морских ветряков.

Источник изображений: Eolink

Наиболее сильные ветры регистрируются в открытом море, а не на шельфе с малыми глубинами. Если распространять на открытое море привычную для суши и шельфа конструкцию ветряка — длинный шест с горизонтально расположенным ротором, то стоимость материалов для башни, гондолы и противовеса станет заоблачной, и тем стремительнее она будет расти, чем длиннее лопасти и выше башня.

Пирамидальный каркас, напротив, исключает необходимость в большой гондоле-противовесе пропеллера, а две точки опоры повысят износостойкость подшипников. На саму башню даже из четырёх опор, собранных в пирамиду, понадобится меньше материала, чем на одну стойку, к прочности которой будут предъявляться намного большие требования. Наконец, башне из четырёх стоек на квадратной раме с поплавками в четырёх точках потребуется намного меньше подводного балласта для удержания равновесия на водной глади.

Если балласта будет меньше и он не упрётся в мелкое дно, то такую стойку удобно будет обслуживать в доке, а не в открытом море с огромной почасовой арендной платой за морской кран. Отсутствие балласта и хорошая плавучесть также позволит упростить систему ориентации ветрогенераторов по ветру. Повороты башни больше будут не нужны, что дополнительно упростит и удешевит всю конструкцию. Плавучая «трапеция» сама будет поворачиваться для работы под оптимальным к ветру углом чисто в силу законов физики, воле морского течения и силе ветра — тут главное будет правильно закрепить её на дне, чтобы она свободно вращалась вокруг якорного троса.

Некоторое время назад компания Eolink получила гарантии на инвестиции на сумму около $23 млн от испанской компании Acciona Energy и фирмы по управлению проектами Valorem. На эти деньги будет построен 5-МВт прототип, который к 2024 году будет проверен на испытательном полигоне SEM-REV в французских водах Атлантического океана.

Вес прототипа достигнет 1100 т. Диаметр лопастей составит 143 м, а каждая сторона квадратного основания стойки-пирамиды будет достигать 52 м. После испытания компания обещает собрать достаточно данных, чтобы приступить к следующему этапу проекта — созданию 20-МВт «пирамидальной» плавучей морской турбины. Экономия на материалах и обслуживании обещает сделать электрическую энергию, добываемую такими ветряными турбинами, на 20–25 % дешевле, чем у «ветряков на палочках».

Инженеры Массачусетского технологического института разработали ультратонкие солнечные батареи на тканевой основе, которые могут быстро и легко превратить любую поверхность в источник энергии. Новинка обладает способностью вырабатывать в 18 раз больше энергии на каждый килограмм своего веса, чем обычные солнечной панели. Для крыш, палаток первой помощи и даже плащей спасателей — это возможность получать энергию без существенных физических нагрузок.

Источник изображений: Melanie Gonick, MIT

Около шести лет назад команда исследований из США разработала технологию производства легчайших солнечных элементов. Например, такие элементы могли свободно удерживаться на вершине мыльного пузыря. Впрочем, технология производства таких панелей была довольно сложной, поскольку сопровождалась процессами осаждения вещества в вакууме. Команда MIT взялась усовершенствовать процесс производства легчайших солнечных элементов, чтобы со временем довести его до масштабного коммерческого производства.

Многолетние эксперименты позволили приблизиться к лабораторному производству тончайших солнечных элементов довольно простым способом — с помощью «электронных» красок, наносимых через трафарет и штампами. Краски и электроды послойно наносятся на подложку толщиной всего 3 мкм. Затем готовая солнечная панель толщиной меньше волоса человека отделяется от подложки и дальше закрепляется на подложке из синтетической ткани.

Учёные специально отделили процесс производства элемента от закрепления на ткань, поскольку так они могут предложить широкий выбор основы, не учитывая её влияния на техпроцесс производства ячеек (химическую, температурную и другую совместимость). После нанесения ячейки на ткань её предложено ламинировать — помещать в герметичную среду, поскольку на открытом воздухе ячейки из «электронной» краски быстро деградируют.

Ячейка без тканевой основы и упаковки генерирует до 730 Вт на кг. На синтетической ткани Dyneema, выбранной учёными за свою удивительную прочность и лёгкий вес (всего 13 г на м²), тонкая ячейка вырабатывает 370 Вт на кг, что примерно в 18 раз больше мощности на кг, чем у обычных солнечных батарей.

«Типичная солнечная установка на крыше в Массачусетсе выдаёт около 8 000 Вт. Чтобы генерировать такое же количество энергии, наши тканевые фотоэлектрические элементы добавят на крышу дома всего около 20 кг (44 фунта)», — сказал один из авторов работы.

Учёные пока не готовы передавать разработку в коммерческое производство. Предстоит ещё много исследований и работы по улучшению характеристик тончайших панелей.

Учёные Университета Осаки (Osaka Metropolitan University) придумали усилитель для сбора энергии от нестационарных вибраций, например, возникающих во время ходьбы. Предложенное решение собирает в 90 раз больше энергии, чем прежние разработки. Открытие обещает привести к созданию носимой электроники, которая будет постоянно заряжаться сама и избавит пользователя от необходимости часто ставить её на подзарядку.

Источник изображения: Osaka Metropolitan University

Энергия из вибраций считается одним из перспективных способов сбора электричества из окружающей среды. Вибрация стен высотных зданий, работа двигателей и механизмов открывают путь к получению электричества вне зависимости от погодных условий и времени суток. Обычно для этого используются пьезоэлектрические преобразователи, которые превращают механические деформации определённых материалов в электрический заряд.

Аналогичным образом предполагается собирать энергию для подзарядки носимой электроники, которой будет всё больше и больше. Но в отличие от стационарных методов добычи электричества из вибраций, ходьба и в целом физическая активность человека сопровождаются нерегулярными и случайными по силе и интенсивности вибрациями. Собирать энергию из такого источника чрезвычайно сложно и японские учёные приложили немало усилий, чтобы повысить эффективность этого процесса.

Предложенное решение для усиления сбора энергии микроэлектромеханической матрицей (MEMS) на основе пьезоэлемента выглядит как U-образная конструкция. Решение чисто механическое, хотя материалы в основе этого «динамического умножителя» могут быть с особыми свойствами. В ходе экспериментов устройство собирало в 90 раз больше энергии, чем без «усилителя». Учёные ожидают, что практическое применение разработки приведёт к появлению самоподзаряжающейся носимой и карманной электроники, о чём они рассказали в статье в издании Applied Physics Letters.

В декабре в японском городке Аомори стартуют испытания необычной системы производства электричества. Электроэнергия будет вырабатываться благодаря разнице температур между обычным снегом и окружающим воздухом. Раньше городские службы Аомори сбрасывали собранный на улицах снег в море, тогда как теперь ему нашлось неожиданное применение в качества одного из источников энергии.

Источник изображения: Kyodo

Городские службы совместно с ИТ-компанией Forte и Токийским университетом электросвязи оснастили бассейн в местной закрытой школе системой теплопроводных трубок и жидкостью. Коммунальщики будут сбрасывать в бассейн собранный с улиц снег, тогда как с другой стороны трубки будут выведены на открытый воздух и подставлены лучам Солнца. За счёт разницы температур по трубкам начнётся конвекционное движение жидкости. Жидкость, в свою очередь, будет приводить в действие микротурбину. Чем выше разница температур, тем больше будет отдаваемая мощность.

Растаявший в бассейне снег можно утилизировать как обычную талую воду, а обычно снежные в этом районе зимы не дадут бассейну пустовать.

Испытания системы продлятся до марта. Ожидается, что её эффективность сравнится с выработкой энергии солнечными панелями, а экологическая чистота будет выше, чем у ветряной генерации. И действительно, отходов у предложенного решения со снегом и бассейном практически не будет, тогда как солнечные панели и ветряные турбины подлежат со временем утилизации и не имеют возможности для полной переработки.

В Восточном Йоркшире, что в Великобритании, завершаются работы по созданию крупнейшего в Европе накопителя энергии на основе батарей Tesla Megapack. Система сможет хранить до196 МВт·ч электричества и отдавать его с мощностью до 98 МВт. Полного заряда батарей хватит примерно на 2 часа обеспечения электричеством 300 тыс. домов.

Источник изображения: Harmony Energy

Батарея на днях была подключена к подстанции местной сети энергораспределения. Работы проводились с опережением графика в преддверии сложной зимы на фоне энергетического кризиса в Европе. В то же время основной поставщик электричества для батареи проекта Pillswood всё еще не готов и будет подключён к сети в течение следующего года. Это крупная морская ветряная электростанция Dogger Bank — гигантский и амбициозный проект Великобритании, который по завершению в 2026 году будет выдавать до 4,8 ГВт электричества.

Первые две фазы ввода ветряной электростанции Dogger Bank в строй будут завершены в 2023 году, чем сполна воспользуется батарейный комплекс Pillswood. Батарея сможет сглаживать пики потребления и запасать энергию в часы наименьшей нагрузки на электросети. Без этого комплекса ветряные генераторы пришлось бы останавливать в часы низкого потребления.

Для компании Tesla это третий проект по развёртыванию в Великобритании батарей Megapack. Всеми проектами занимается местная компания Harmony Energy Limited. Ранее Tesla исполнила для заказчика батарейные блоки ёмкостью 15 и 68 МВт·ч. При всём удобстве литиевых аккумуляторов для хранения энергии они обладают одним неприятным свойством — это вероятность случайного воспламенения. Батареи Megapack уже горели в Австралии и США.