Солнечный КПД в пятьдесят процентов

Ирик Имамутдинов

Группа исследователей из отделения радиофизики и физической электроники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработала и запатентовала наноматериал на основе углерода. Особые свойства нового материала позволяют создать дешевый, простой и эффективный термоэлектронный преобразователь — ключевой узел электрогенерирующей гелиостанции нового поколения (этот проект вышел во второй тур проходящего сейчас седьмого Конкурса русских инноваций). Теоретические расчеты ученых показали возможность достижения КПД солнечной станции не менее 50%.

Нужно признать, заявка университетских ученых на такой уровень КПД в солнечной энергетике (сопоставимый с эффективностью, например, парогазовых установок традиционной тепловой энергетики) кажется на первый взгляд довольно наглой. Основная проблема и состоит в том, что, несмотря на все старания и многомиллиардные расходы на НИОКР, многократно превышающие прок от существующих солнечных электростанций, пока не удается достичь приемлемых параметров эффективности их работы. Прежде всего это касается так называемого фотоэлектронного преобразования в полупроводниках. На полупроводниковые батареи сейчас приходится практически вся выработка солнечной электроэнергии (установленная мощность таких станций в мире немногим превышает один гигаватт). В фотоэмиссионных устройствах свет, падая на поверхность прибора, вызывает фотоэмиссию, выбивая из атомов полупроводника электроны. Основные трудности в эффективной реализации этой технологии заключаются в том, что если энергия фотона меньше так называемой ширины запрещенной зоны полупроводника (например, у кремния это 1,1 электронвольта), то энергии выбитого им электрона недостаточно для преодоления этой зоны. В результате происходит разогревание кристалла, еще более снижающего КПД всего устройства, и уменьшение его срока службы. За 50 лет развития фотоэмиссионной технологии КПД таких преобразователей сумели поднять до 20% для кремниевых преобразователей и до 30% — для устройств на основе арсенида галлия, при чрезвычайной дороговизне и недолговечности самих полупроводников.

Преобразовать солнечную энергию в электрическую пытаются и с помощью двигателя Стирлинга. В нем чередуются циклы нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре, на определенной части которого фокусируется поток света. Но и здесь куча проблем: двигатель Стирлинга сложен в изготовлении, а КПД на самых совершенных устройствах не превышает 15%.

Еще один способ преобразования солнечной энергии в электрическую — парамагнитный тепловой двигатель. В таких устройствах диск (ротор) помещается в постоянное магнитное поле (магниты находятся на статоре). Часть диска нагревается солнечным лучом выше температуры Кюри (когда ферромагнетик становится парамагнетиком), в результате чего под действием магнитного поля возникает крутящий момент. Но говорить о практических результатах исследования в этой области пока еще рано.

«Устройство термоэлектронного преобразования (ТЭП) — самое простое и дешевое в производстве и эффективное для генерации электричества за счет тепловой энергии солнечных лучей», — говорит Александр Шаф, руководитель проекта «Электрогенерирующая гелиостанция нового поколения». Само явление термоэлектронной эмиссии известно уже более ста лет, но до сих пор низкий КПД ТЭП (достигнутый не превышает 10%) серьезно ограничивал области применения технологии. Например, термоэмиссионные источники питания, получавшие энергию за счет распада ядерных материалов, работали на некоторых советских спутниках. Солнечное термоэмиссионное устройство представляет собой вакуумный корпус (с окном для солнечного пучка), в котором размещены катод, анод и система охлаждения анода. Рабочий диапазон температур катода, выполненного в предложенной разработчиками конструкции на основе металлокерамики или графита, составляет 1200–1800 градусов Цельсия, а в качестве анода как раз и используется новый материал на основе наноуглерода с работой выхода всего около 0,4 эВ. Это и есть «порог вхождения» практически любого электрона, выбитого из катода фотоном даже с низкой энергией.

На основе новых наноуглеродных материалов можно строить не только солнечные термоэмиссионные устройства. Возможно также дополнять этими ТЭП контуры когенерации в традиционных паросиловых блоках на ТЭС и АЭС. Но освоение хотя бы части из 89x10¹⁵ Вт ежегодно приходящей на Землю энергии Солнца представляется ученым более соблазнительным.

Статьи на тему: «Нанотехнологии»