Экраны для солнечных батарей

Какими бывают стекла для защиты солнечных батарей

Cовременные фотоэлектрические панели представляют собой сложную многослойную конструкцию. Центральную ее часть занимают уложенные рядами полупроводниковые ячейки, чрезвычайно чувствительные к механическим повреждениям. Чтобы полностью исключить контакт преобразователей с внешней средой, применяется специальная защита солнечных батарей. Ее основой являются прочные прозрачные покрытия, от свойств которых зависит производительность гелио модулей и срок их службы.

Стекло для солнечных батарей – виды и характеристики

Существует пять основных разновидностей стеклянного покрытия, отличающихся технологией изготовления, содержанием химических элементов-«присадок» и физико-техническими параметрами.

1. Листовое «float» стекло.

Применяется в наиболее дешевых модулях, изготовленных преимущественно малоизвестными китайскими фирмами. Отличительные черты:

• толщина и прочность выше, чем у классического оконного;
• присутствует антибликовая технология;
• качественная полировка;
• прозрачность в диапазоне 90-91%.

Такое покрытие солнечных батарей наименее эффективно и наиболее чувствительно к влиянию внешней среды. Из-за этого эксплуатационные характеристики «флоат» модификаций начинают быстро ухудшаться, в частности:

• снижается коэффициент светопропускания по причине механических микроповреждений полировки твердыми частицами песка и пыли;
• возникают перепады внутреннего напряжения под влиянием структурных изменений материала;
• уменьшается уровень поглощения электромагнитного фотонного потока.

Весь комплекс указанных проблем приводит к ускоренной деградации ячеек. В результате уже через 10-15 лет первоначальный КПД системы снижается на 20 и более процентов, что требует глубокой модернизации либо полной замены панелей.

2. Каленое стекло для солнечных батарей

Представляет собой более надежную защиту по нескольким причинам. Основная из них – специальная процедура термической закалки заготовок при температурах более 650°C. Вспомогательная причина – изменение химического состава стекловидной массы, за счет пониженного содержания оксида железа (Fe2O3) и повышенного – окислов свинца (PbO) и бария (B2О3).

Следствием этого являются следующие эксплуатационные характеристики:

• прочность, позволяющая сохранять целостность поверхности при ударном динамическом воздействии крупного града или сравнимых по размеру камешков на скоростях порядка 90-95 км/ч;
• аналогичный безопасный уровень статической нагрузки, примерно равный весу взрослого мужчины;
• более устойчивая кристаллическая решетка;
• прозрачность 92-93%.

Такое механически и химически модифицированное покрытие для панелей в солнечных электростанциях практически не поддается деформации и сохраняет все эксплуатационные качества на протяжении не менее 25 лет.

3. Антибликовое стекло для солнечных батарей

Защита фотоэлектрических ячеек листами данного класса не только сверхнадежна, но и отличается повышенной прозрачностью – 94-97%. Физически материал защитной поверхности представляет собой сложную кристаллическую структуру, полученную следующим путем:

• закаливание кремний-силикатной смеси по специальному графику повышения и понижения температур;
• первичная полировка;
• травление поверхности с процедурой вытеснения атомов кальция;
• напыление ионизированной калий кобальтовой антибликовой пленки по нанотехнологии NSTM (Nano Selective Transmission Modeling).

Для сравнения: аналогичная последней процедуре технология используется при изготовлении стекла наиболее престижных марок смартфонов. Результатом становится материал, чрезвычайно устойчивый ко всем типам механического, химического и биологического воздействия, и при этом максимально прозрачный.

4. «Sandwich» — двойное стекло для защиты солнечных батарей

Иначе такую технологию именуют «glass-glass», и сейчас она применяется во всех модулях высшей категории качества. Ее отличие от предыдущих вариаций состоит в использовании сразу двух типов покрытия.

Лицевая сторона панели защищается антибликовым листом, а тыльная, вместо стандартного металлического или полимерного основания – каленым высокопрочным стеклом.

Главное достоинство такой конструкции – устранение различного коэффициента теплового расширения на передней и задней поверхностях. Поскольку оба стеклянных листа имеют одинаковый состав, толщину и физические свойства, в центральной части панели отсутствует деформационное искажение.

На КПД это не влияет, но срок эффективной эксплуатации модулей «glass-glass» сразу возрастает на 25-30%.

5. Полимерная защита солнечных батарей

Последняя разновидность поверхностной защиты – пластичные полимерные покрытия. Они используются для гибких тонкопленочных панелей и обладают хорошими показателями прозрачности и прочности при кратно меньшей толщине, чем стеклянные аналоги.

Благодаря применению полимеров гибкие солнечные батареи последних поколений, при сравнимом номинальном КПД с «классикой»:

• в 12-15 раз тоньше;
• в 5-7 раз легче;
• в 1,5-2 раза эффективнее при высоких температурах.

Источник

«Солнечные» экраны как решение проблемы быстрого расхода энергии смартфонами

Мы уже следим за 13 многообещающими стартапами, целью которых является улучшение уже существующих аккумуляторных технологий для различных индустрий, но есть и альтернативные идеи, которые не связаны напрямую с внутренностями аккумуляторов.

Французская компания SunPartner Group, занимающаяся солнечными батареями и другими решениями, использующими солнце в качестве источника энергии, рассматривает возможность создания экрана, который сможет питать смартфон с помощью солнечной энергии.

Накладной экран-прототип находится на стадии тестирования:

Использование солнца в качестве источника энергии для телефонов — идея не новая. Бюджетный телефон Samsung Crest Solar 2009 года добавлял около 5-10 минут разговорного времени на час, проведенный на солнце. Проблема заключалась в том, что фотоэлементы расположили на задней части телефона, что было не совсем удобно, так как, например, сидя в кафе телефон необходимо было класть экраном вниз, что часто приводило к пропущенным вызовам и повреждению экрана. SunPartner же создали прозрачный экран, в который поместили фотоэлементы, собирающие солнечную энергию через специальные линзы, которые позволяют более эффективно собирать солнечную энергию всей поверхностью экрана.
На данный момент прототип на 82% прозрачный — компания обещает довести это значение до 90% в ближайшем будущем.

Эта технология обещает увеличить работу смартфонов на одном заряде на минимум 20%. SunParner считают, что это будет первым серьезным шагом в данном направлении со времен повсеместного внедрения литий-ионных аккумуляторов.

Nokia уже ведет переговоры с SunPartner и обещает показать прототипы телефонов с такими экранами в течение 1-2 лет.

Источник

Спросите Итана: можем ли мы сделать солнечный экран для борьбы с изменением климата?

Обычно такие структуры, как показанный здесь IKAROS, рассматриваются, как потенциальные космические паруса. Но другим их применением, если расположить их в нужной точке, может стать блокирование части солнечного света, что поможет охладить Землю.

Глобальное изменение климата – одна из наиболее неотложных сегодняшних проблем человечества. Наука чрезвычайно ясно говорит, что происходит: Земля разогревается, причиной тому служат испускаемые в результате человеческой деятельности парниковые газы, и концентрация этих газов со временем только продолжает расти, не переставая. И хотя раздаётся множество призывов по уменьшению выбросов, сбору углерода, отказа от ископаемого топлива, мало чего эффективного было сделано. Земля продолжает разогреваться, уровень моря повышается, и глобальный климат изменяется. Можем ли мы предпринять иной подход, и частично закрыть свет, идущий от Солнца? Такой вопрос задаёт нам наш читатель:

Почему бы нам не рассмотреть строительство солнечного экрана в космосе, изменяющего количество света (энергии), приходящей на Землю? Все, испытывавшие полное затмение, знают, что температура уменьшается, а свет приглушается. Идея в том, чтобы сделать что-нибудь, располагающееся между нами и Солнцем целый год.

Это один из наиболее амбициозных, но также и наиболее разумных вариантов, которые мы можем рассмотреть в области борьбы с глобальным изменением климата.

В целом хорошо известно, что увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере является причиной глобального потепления, которое, в свою очередь, изменяет климат и погодные закономерности во многих аспектах. Последствия большей их части обычно считаются плохими для большинства людей в мире, поэтому и существует глобальное движение по борьбе с ними. Если не выбирать наиболее популярное решение, о возвращении атмосферных газов Земли к доиндустриальным уровням, то единственными оставшимися у человечества вариантами будут адаптация к изменениям или применение геоинженерных решений.

Проект SPICE будет исследовать осуществимость одной из так называемых геоинженерных техник: стимуляция естественных процессов, выпускающих в стратосферу мелкие частицы, которые будут отражать несколько процентов приходящего к нам солнечного излучения, что охладит Землю. Но тут могут проявиться чрезвычайно нежелательные побочные эффекты.

Последний вариант, геоинженерия, не лишён рисков. Большая часть решений включает в себя дальнейшее изменение поверхности или атмосферы Земли, с по большей части неизвестными и непредсказуемыми последствиями. Из всех геоинженерных вариантов наименее рискованным будет предложенный нашим читателем: запустить что-нибудь в космос подальше от Земли, чтобы блокировать часть солнечного света. С уменьшением солнечного излучения можно контролировать температуру, даже если концентрация парникового газа в атмосфере будет продолжать расти. Если бы мы захотели полностью аннулировать влияние всего глобального потепления, произошедшего с начала промышленной революции, нам пришлось бы навсегда заблокировать примерно 2% солнечного света.

На Земле возможны солнечные затмения, они происходят, когда Луна выстраивается в плоскости Земля-Солнце во время новолуния. Объект может быть меньше или располагаться дальше, и не отбрасывать тени на нашё планету, но при этом уменьшить количество солнечного света, достигающего Земли.

Но, по крайней мере, теоретически, это легче осуществить, чем вам может показаться. Между Землёй и Солнцем существует гравитационно квазистабильная точка, которая, по сути, всегда будет находиться на пути солнечного света. Она известна, как точка Лагранжа L1, и является идеальным местом расположения спутника, который должен оставаться точно между Землёй и Солнцем. Во время движения Земли по орбите вокруг Солнца, объект, расположенный в L1, будет постоянно оставаться между Землёй и Солнцем, и никогда не отклоняться от этой точки в течение года. Её физическое расположение находится в межпланетном пространстве, примерно на 1 500 000 км ближе к Солнцу, чем к Земле.

Контурный график эффективных потенциалов системы Земля-Солнце. Объекты могут находиться на стабильных луноподобных орбитах вокруг Земли, или на квазистабильных орбитах, следуя впереди или за Землёй. Точка L1 идеальна для постоянной блокировки солнечного света.

На таком расстоянии даже объект размером с Землю не отбросит тень на нашу планеты, поскольку конус его тени закончится задолго до того, как дойдёт до нашего мира. Но одна тень, или несколько небольших теней, по сути, заблокируют достаточно света, чтобы уменьшить количество доходящего до Земли излучения. Чтобы достичь уровня уменьшения, достаточного для противостояния глобального потепления, то есть, чтобы уменьшить приходящее излучение на 2%, необходимо будет покрыть площадь в 4,5 млн кв. км. в точке L1. Это эквивалентно размеру объекта, занимающего половину площади поверхности Луны. Но, в отличие от Луны, мы можем поделить его на столько мелких объектов, сколько необходимо.

На рисунке показаны объекты диаметром в 60 см в точке L1. Они прозрачны, но размывают передаваемый свет в форме пончика, как это видно на примере звёзд на фоне. Солнечный свет тоже размывается, и проходит мимо Земли. Такой способ устранения света исключает влияние давления излучения, что в ином случае привело бы у деградации орбиты L1.

Одно из предложений, выдвинутых астрономом из Аризонского университета Роджером Эйнджелом, предлагает запустить группу малых космических кораблей в точку L1. Вместо огромной и тяжёлой структуры это будет массив из 16 триллионов предметов, каждый из которых представляет собой кружок порядка 30 см радиусом. Такой массив способен заблокировать достаточно излучения. Он не создаст никакой тени на Земле, но равномерно уменьшит общее количество света, доходящего до поверхности планеты, что будет равносильно огромному количеству тёмных пятен, рассеянных по поверхности Солнца.

Принцип космической линзы. Основная её функция – смягчить глобальное потепление, преломляя свет так, чтобы он уходил мимо Земли. На самом деле потребуется линза меньше и тоньше, чем показано здесь

Ещё одно предложение, выдвинутое аж в 1989 году Джеймсом Ёарли, состоит в размещении в космосе очень большой линзы. Можно сделать стеклянный щит, работающий, как линза, и рассеивающий большое количество света в сторону от Земли. Огромная космическая линза, или набор маленьких линз, которым надо быть толщиной всего в несколько миллиметров, чтобы преломлять свет, и тогда довольно много света, который мог бы столкнуться с Землёй, будет перемещён в межпланетное пространство. В точке L1 линза (или набор линз) должна будет покрыть порядка миллиона кв. км., чтобы уменьшить солнечную энергию, достигающую Земли, на 2%.

В принципе, звучит просто, и потенциально, это решение проблемы глобального потепления с малым риском и большой пользой. Но с ним есть две проблемы.

Самый первый запуск Falcon Heavy 6 февраля 2018 стал успешным. Ракета достигла низкой орбиты, успешно доставила груз, а главные двигатели вернулись на мыс Кеннеди, где успешно приземлились. Обещание многоразовой ракеты стало реальностью, и оно может снизить стоимость запуска грузов до $2000 за килограмм.

1) Стоимость запуска. Космическая программа человечества в состоянии отправить объект в точку L1. Мы делали это много раз – именно туда отправляются почти все миссии со спутниками, наблюдающими за Солнцем. Но стоимость запуска даже очень тонких и лёгких космических кораблей будет нереальной. Если взять предложение Эйнджела касательно прозрачных тонких плёнок, и каждая плёнка будет толщиной всего в 1/200 мм и весить один грамм, общая масса их составит 20 млн тонн. Даже если стоимость запусков технологий следующего поколения, таких, как Falcon Heavy, сможет снизиться до $2000 за кг (в десять раз меньше, чем сейчас), у нас всё равно получатся сотни миллиардов долларов. А мы ещё не дошли до второй проблемы.

НАСА задумало спутник солнечной энергии в 1970-х. Если в точке L1 разместить несколько спутников для сбора солнечной энергии, они смогут не только блокировать часть солнечного света, но и обеспечить полезную энергию для других целей. Но точка L1 нестабильна.

2) Орбитальная стабильность. Точка L1 лишь квазистабильна, то есть, либо всё, что мы туда запускаем, необходимо поддерживать при помощи двигателей на нужной орбите, либо оно в итоге уплывёт оттуда и перестанет блокировать солнечный свет. И это случится слишком быстро по нашим меркам: на временных отрезках от нескольких лет до нескольких десятилетий, в зависимости от успешности изначального вывода на орбиту. А это значит, что для блокирования света нам понадобятся расходы в десятки миллиардов долларов в год только для поддержки запусков: а это сравнимо с ежегодным бюджетом НАСА. И это только если стоимость запусков уменьшиться в 10 раз от сегодняшней.

Так же, как тень на Земле может понизить температуру, уменьшив количество приходящего солнечного света, так и несколько блокирующих свет аппаратов в космосе могут уменьшить количество света, доходящего до Земли

Большое преимущество удалённого блокирования света состоит в отсутствии риска появления долговременных отрицательных эффектов на Земле, связанных с геоинженерными решениями. Другие идеи, такие, как крупномасштабное изменение атмосферы, множество спутников на низкой орбите вокруг Земли, впрыск формирующих облака веществ или отражающих частиц в небо или океан, потенциально могут иметь катастрофические непредсказуемые последствия. Но самыми большими препятствиями сегодня являются проблемы стоимости и долговременной стабильности.

Концентрацию диоксида углерода в атмосфере Земли можно определить как по измерениям ледяных кернов, так и благодаря станциям отслеживания атмосферы. Увеличение количества CO₂ в атмосфере с середины XVIII века поражает, и продолжает идти, не ослабевая.

Тем временем, планета продолжает разогреваться, уровень CO₂ продолжает расти, и никаких эффективных стратегий для изменения ситуации не существует. Идеи таких экранов, которые обычно называют «космическим тентом», могут стать наилучшим нашим вариантом. И хотя его стоимость невозможно высока, в долгосрочной перспективе это может стать наиболее дешёвым вариантом, который мы захотим реализовать. Но годы, десятилетия, века и тысячелетия проходят, и нашим потомкам придётся иметь дело с последствиями наших действий или бездействия в течение следующих поколений.

Источник