Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
При непохожести на первый взгляд – все это производные энергии солнца…
Схема устройства геотермальной электростанции по технологии Hot dry rock
Опытный образец решётки из наноантенн, напечатанных на подложке и сама плёнка
Телевизионный кадр из новостного репортажа, посвященного «звездной батареи»

Наноматериалы в солнечных батареях – новые перспективы альтернативной энергетики

Ключевые слова:  конкурс статей, периодика

Автор(ы): Мешков Павел Иванович, Институт Экономических Стратегий

Опубликовал(а):  Рюмин Иван Степанович

26 апреля 2008

Исчерпывающее обеспечение нужд человечества энергией с сохранением полного экологического равновесия, при котором возможно долгосрочное устойчивое развитие человеческого общества в гармонии с окружающей средой, можно достичь только при использовании неисчерпаемой энергии окружающей среды. В первую очередь такими источниками являются:

  1. Энергия солнечного излучения
  2. Энергия недр Земли
  3. Гравитация (силы притяжения небесных тел)

Энергия солнечного излучения

Солнечная энергия доступна для человечества как в непосредственном виде – световое излучение, так и в преобразованном – ветер, волны, биомасса, рассеянное тепло атмосферы и гидросферы. Соответственно для сбора солнечной энергии также могут быть использованы различные способы:

  • Превращение солнечного излучения (его суммарная мощность составляет около 1017 Вт) в электричество с помощью фотоэлементов, а также в тепловую энергию с помощью концентраторов
  • Использование энергии ветра на ветряных электростанциях (общий мировой ресурс, который технически может быть использован, оценивается в 53.000 ТВт-ч)
  • Утилизация энергии волн волновыми электростанциями (энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год)
  • Получение биотоплива из всех видов биомассы
  • Использование рассеянного тепла окружающей среды с помощью тепловых насосов и пр.

Строго говоря, залежи углеводородов (нефть, газ, уголь, сланцы и пр.) – это тоже солнечная энергия, аккумулированная в недрах Земли за миллионы лет.

Стоит отметить, что торф, из которого можно производить этанол – возобновимое полезное ископаемое! Ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд. м3 торфа, что примерно в 120 раз больше, чем в настоящее время используется.

Энергия недр Земли

Потенциал геотермальной энергетики колоссален. Он в 250.000 раз превышает ежегодные мировые потребности человечества.

Лишь в немногих районах Земли есть естественный выход геотермальной энергии на поверхность – гейзеры. В таких местах уже давно действуют геотермальные электростанции. Но в долгосрочной перспективе гораздо больший интерес представляет другая концепция извлечения энергии земного ядра: вода по глубокой скважине подается в недра, где тепло земного ядра превращает воду в пар, который из другой скважины выходит на поверхность и вращает турбину.
Еще более перспективно использование термоэлектрических генераторов для непосредственного превращения температурного градиента в электрический ток.

Гравитация

Ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца Общий объем энергии приливов на Земле оценивается примерно в 3 млрд. кВт-ч в год, что составляет примерно 15% всей потребляемой человечеством электроэнергии.

Анализ показывает, что наибольшей перспективностью обладают источники энергии смаксимальным потенциалом и позволяющие напрямую превращать энергию окружающей среды в электричество.

Электрический ток является наиболее удобным для использования в человеческих нуждах видом энергии, поэтому в первую очередь перспективны способы генерации электричества с использованием энергии окружающей среды, позволяющие миновать многочисленные промежуточные превращения видов энергии, сопряженные со снижением КПД установок, удорожанием их конструкций (как следствие – увеличение себестоимость кВт-ч энергии), снижением надежности конструкций и пр.

Всем перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют фотоэлементы – преобразовывают в электрический ток солнечное излучение, и термоэлектрические генераторы на основе термопар, способные превращать в электричество геотермальную и другую тепловую энергию.

Из-за сравнительно низкого КПД термопары до сих пор находят применение лишь в ограниченных приложениях – измерение температуры, небольшие переносные холодильники и пр.

Производство фотоэлементов в настоящее время – полноценная индустрия с миллиардными оборотами. Но, тем не менее, большая часть солнечных батарей производится из кремния и требует, как и компьютерные чипы, трудоемких производственных процессов, что обуславливает высокую себестоимость кремниевых фотоэлементов. Именно из-за этого солнечная энергия стоит в 3-4 раза дороже, чем энергия из традиционных источников. Последние достижения ученых показывают, что нанотехнология способна дать дополнительный мощный импульс для развития гелиоэнергетики, доказательством чему служат десятки различных исследовательских проектов во всем мире. Остановимся лишь на обзоре самых перспективных ноу-хау.

Ученые из Hациональной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory — INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (University of Missouri) создали уникальный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50.

Работа батареи основана на использовании решётки из наноантенн, отпечатанных на тонкой и гибкой подложке. Падение ИК-лучей на такую спираль наноантенны наводит в ней напряжение, то есть получение тока происходит не от света за счёт фотоэффекта, а по принципу металлической антенны. По предварительным расчетам КПД такой солнечной батареи составляет 36%.

Но главная особенность батареи в том, что она может выдавать ток даже ночью, утилизируя ИК-лучи, которые испускает ночью Земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

Кроме того, плёнка с наноантеннами гораздо дешевле классических солнечных батарей – для создания опытного образца такой экзотической солнечной батареи специалисты из INL воспользовались б/у полиэтиленовым мешком! Что до металла, то его расход также ничтожен — толщина узорного проводящего покрытия в новой батарее составляет всего тысячу атомов.

Изобретатели панели считают, что в будущем на гибкой плёнке можно будет печатать сразу несколько типов преобразователей. Причём с обеих сторон. Таким образом, солнечные батареи будущего смогут преобразовывать в ток широкий спектр излучения, как идущего от Солнца напрямую, так и отражённого от земли, а ещё и излучение, выдаваемое грунтом и асфальтом ночью.

Весьма перспективный принцип получения дешевой солнечной энергии разрабатывают нанотехнологии Калифорнийского института технологии. Здесь изучают наноматериалы, которые имитируют архитектуру травы и фотосинтеза, чтобы впоследствии создать устройства для утилизации энергии солнца.

Ученые внедряют наночастицы в такие дешевые и распространенные продукты как краска и облицовочные материалы. В случае успеха проекта нанокраска для домов, крыш или кровельной плитки может заменить черные, зеркальные фотогальванические элементы, которые обычно состоят из кристаллического кремния, являются громоздкими и очень дорогими при изготовлении. Кроме зданий, эта инновационная технология в будущем сможет обеспечивать энергией сотовые телефоны, портативные компьютеры и даже автомобили.

Технологию, основанную на похожем принципе, разрабатывают в Центре исследований наноматериалов при Университете Мэсси в Новой Зеландии. Принцип тот же – использование специальных красящих составов, способных преобразовывать солнечную энергию в электричество. В частности, исследователи создали состав на основе синтетического хлорофилла. Кроме того, ученые проводят опыты с гемоглобином.

По словам разработчиков, новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.

Исследователи из Технологического Института Нью-Джерси (NJIT) разработали новый тип солнечных батарей, отличающийся невысокой стоимостью и возможностью производить их путем печати на гибкой пластиковой подложке.

Суть технологии заключается в том, что углеродные нанотрубки комбинируются с фуллеренами и формируют, таким образом, структуры наподобие «змеевиков». Солнечный свет, падая на полимерную основу, возбуждает в полимере ток, и фуллерены захватывают электроны. Однако фуллерены не обладают электропроводностью, и здесь свою роль играют нанотрубки, проводящие ток аналогично медным проводникам. Захваченные электроны, двигаясь по нанотрубкам, создают в них ток. Самое интересное, что с использованием новой технологии солнечные батареи можно печатать на простом домашнем принтере, что, по словам разработчиков, позволит обеспечить домовладельцев недорогим альтернативным источником энергии.

Но без сомнения самая уникальная разработка, способная произвести настоящую революцию в энергетике, принадлежит российским ученым.

В 2006 году ученые Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединённого института ядерных исследований (Дубна) представили сенсационную разработку – «звездную батарею».

В основе технологии создания батареи лежит гетероэлектрик – новое вещество на основе наночастиц золота и серебра. Особенность этого материала в том, что он «загоняет» состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает общий КПД батареи.

Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ), преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости при малом объеме, который полученную энергию накапливает. Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали «звездной батареей».

В настоящее время неконкурентоспособность солнечной энергетики обусловлено низкой эффективностью преобразования энергии (~20%), отсутствием возможности получения электроэнергии ночью и в облачную погоду и отсутствием эффективных и экологически безопасных источников накопления энергии. У продемонстрированного отечественными учёными фотоэлемента эти недостатки отсутствуют, о чем говорят показатели первого прототипа: эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию – 54%, инфракрасного света в электроэнергию – 31%. Это значительно превышает существующие мировые показатели – анонсированные прототипы зарубежных устройств имеют КПД преобразования прямого солнечного излучения около 42%. Кроме того, фототок гетероэлектрического фотоэлемента в 4 раза выше, чем у современных солнечных батарей, при этом ГЭФ имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у существующих аналогов.

Предварительные расчеты показали, что себестоимость производства гетероэлектрического фотоэлемента «звездной батареи» также ниже себестоимости фотоэлемента обычной кремниевой.

***

В статье рассмотрен лишь один аспект использования наноматериалов – для генерации «альтернативной» электроэнергии, что является только частью колоссального потенциала нанотехнологии по развитию экологически чистой энергетики. Но ведь произвести тепло и электричество – это только начало. Дальше требуется эффективно передавать, хранить, экономно потреблять энергию. Во всех этих процессах именно достижения нанонауки способны обеспечить принципиально качественные изменения.



Средний балл: 9.5 (голосов 6)

 


Комментарии
В отличие от [a href=" http://www.n...id/90"] пессимистического рассмотрения проблем альтернативной энергетики эта публикация Павла Ивановича внушает нам всеобщий оптимизм!
Это как раз и есть наглядная демонстрации автором "Эффекта бабочки" - эффект определяется тем, с какой статьи начать читать

А также полностью в стиле "предсказания экономики" - результат малопредсказуем вне зависимости от "стратегий" : или "нанопурга" или "нанонирвана" , но автор заранее сумел полностью "предсказать" оба варианта
Интересно, почему автор пропустил ещё одну разработку Калифорнийского университета ( http://www.p...im-kremniy/), тут заявленный КПД порядка 80%.

Очень интересная статья. А может ли К.П.Д. батареии приблизиться к 1 (единице) и на сколько?
Хотелось бы, чтобы мы смогли увидеть эти батареи в жизни и смогли использовать. Будем оптимистами. Ждём.

Посмотрела предложенные ссылки и увидела, что
"Силиконовые волокна, созданные Этватером и его коллегами, способны превращать от 90 до 100% абсорбированных фотонов в электроны - говоря техническим языком, волокна обладают почти идеальной внутренней квантовой эффективностью. «Хорошее поглощение в сочетании с высокой способностью к конвертации - условия создания высококачественных солнечных батарей»...".
Так ли это?
И как это будет реализовано на практике?


Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Изображение опала
Изображение опала

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.