Электростанция в шляпке? Легко!
Константин Ранк
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.
