Солнце, ветер и спортивные площадки

Мы привыкли, что получаем электроэнергию в основном из тепло-, гидро- или атомных электростанций. Гораздо в меньшем количестве электричество производится альтернативными источниками энергии, например ветряными станциями или солнечными батареями. Но можно ли подобным образом генерировать электроэнергию не в промышленных масштабах, а самостоятельно и только для себя? Запросто, да еще и почти бесплатно!

«Энергичные» окна

Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) создали «солнечные» окна, которые вырабатывают электроэнергию, достаточную для питания целых зданий. Главный компонент изобретения — люминесцентные солнечные концентраторы (LSCs). Они могут собирать солнечный свет на больших площадях и обладают высокой фотостабильностью — ультрафиолет на них не повлияет. В LSCs есть флюорофоры, которые помогают окнам выполнять свою работу: после сбора света эти химические соединения повторно излучают фотоны. 


Для создания «солнечных» окон ученые использовали технику печати, чтобы нанести тонкий однородный слой точечно-полимерного композита на большие стеклянные плиты, которые можно помещать в здания. В перспективе «солнечные» окна могут превратить пассивные фасады домов в энергоблоки.
 

Магический шар

С помощью солнечных батарей  можно бесплатно получать электричество из неисчерпаемого источника, но они очень громоздки и стоят дорого. Бюджетная и портативная альтернатива солнечным батареям — сферический компактный шар Rawlemon, который получает энергию как от солнечного, так и от лунного света. Главное преимущество этой разработки в том, что она концентрирует лучи в одной точке — маленькой солнечной батарее, площадь которой — 1 см2, а мощность — 1,6 Вт. Сам шар состоит из акрилового полимера и имеет USB-порт, аккумулятор для хранения выработанной электроэнергии и два цветовых светодиода. К портативности шара Rawlemon добавляется универсальность: он может работать не только как зарядное устройство, но и в качестве «атмосферной» настольной лампы.

Разработка Университета ИТМО

При эксплуатации обычные солнечные панели желтеют от ультрафиолета, кроме того он разрушает герметик, защищающий от влажности элементы и электрические соединения. Решая эту проблему, ученые Университета ИТМО создали солнечные панели, которые перерабатывают разрушительную энергию ультрафиолета и используют ее для дополнительной подзарядки. Кроме этого, такие панели пропускают больше света, чем обычное стекло, которое устанавливают на солнечные батареи. Также разработку можно использовать в качестве светодиодов с улучшенной цветопередачей и большим сроком годности.

Полезные калории

Что насчет энергии, добываемой механическим путем? В Англии нестандартно подошли к способу получения электричества с помощью принципа динамо-машины: The Great Outdoor Gym Company разработала и установила 250 бесплатных зон для занятий на открытом воздухе. Сжигая калории на тренажерах, люди вырабатывают механическую энергию, которая преобразуется в электрическую. Кроме тренажеров на площадке устанавливается дисплей, отображающий количество полученной энергии. Сгенерированное электричество используют для освещения зоны тренажеров ночью, но им можно питать соседние здания. 

Ветром надуло

Ветроэнергетика также развивается в сторону снижения издержек и повышения мобильности: на рынке набирают популярность летающие генераторы, которые работают без фундамента и на значительных высотах, где ветер стабилен. Один из типов летающих генераторов — Energy Kite. Это устройство основано на тех же аэродинамических принципах, что и обычная ветряная турбина, но состоит из более легких материалов и управляется программным обеспечением. Energy Kite запускается с использованием роторов в качестве вертолетных лопастей с наземной станции до высоты 250 метров над землей. Система генерирует энергию, летая большими кругами по участкам, где есть постоянный сильный ветер. Роторы, установленные на генераторах-крыльях, производят электричество. Сильный проводящий трос удерживает летающий ветрогенератор, а также передает энергию на землю. Маршрут полета корректируется на основе данных, полученных с GPS и различных датчиков.
 

Комментарий Марины Кустиковой,
кандидата технических наук, заместителя заведующего кафедрой экологии и техно­сферной безопасности Университета ИТМО

NT: Сможет ли человечество отказаться от использования «классических» источников энергии — невозобновляемых природных запасов топлива?
М.К.: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии не связаны со сжиганием топлива, а результат их действия обусловлен переходом одних видов энергии в другие. Солнечная, геотермальная, приливная энергии, энергии ветра и волн преобразуются и поступают к потребителям в результате создания сложных систем, позволяющих аккумулировать и передавать энергию.

Из-за истощения месторождений ископаемого топлива приходится думать об усложнении технологий его добычи и перемещения, которое, в свою очередь, неизбежно приведет к удорожанию топлива. И самый главный вопрос: на сколько лет нам его хватит? По оценкам, населению Земли нефти хватит на 50 лет, природного газа — на 60; в России нефть закончится через 21 год, газ — через 78 лет. Нет сомнений, что постепенно будет происходить сокращение объемов использования ископаемого топлива и увеличение доли альтернативной энергетики.

Сейчас стоимость энергии, полученной альтернативным способом, существенно выше стоимости энергии, выработанной традиционным. Поэтому идут работы по совершенствованию оборудования: не только создаются новые системы получения энергии, обладающие высоким КПД, но и изменяется инфраструктура энергетических систем в целом, что требует немалых инвестиционных вложений. 

Энергия, полученная из альтернативных источников, имеет высокую себестоимость. Поэтому, скорее всего, будет наблюдаться возврат ряда стран к использованию гидро- и атомных электростанций, но с применением безопасных технологий производства. 

NT: Почему использование солнечной энергии все еще не распространено массово?
М.К.: Россия не испытывает зависимости от углеводородного сырья: технологии нефте- и газодобычи обеспечивают энергетические потребности как промышленных объектов, так и социально-бытового сектора. Для развития и получения эффекта от альтернативных источников требуются объемные вложения в их разработку. Только негативные последствия антропогенной деятельности, приводящие к значительному истощению природных запасов сырья, техногенные катастрофы, обусловленные  нерациональными действиями, позволят найти аргументы в пользу замещения традиционной энергетики возобновляемыми источниками. 

Кроме того, в зависимости от фотоэлектрических преобразователей КПД солнечных систем — 15–20 %. Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли в России, составляет примерно 1 020 Вт/м2. При условии, что КПД солнечных элементов приблизительно равен 16 %, в среднем можно получить 160 Вт (при полезной площади батареи 1 м2). Помимо низкого КПД массовое распространение солнечной энергетики ограничивают дороговизна фотоэлементов, их краткий срок службы, сложный вопрос утилизации солнечных батарей.

Энергетика в цифрах

Соотношение различных видов энергетики в мире: 38 % — нефть, 27 % — уголь, 23 % — газ, 6 % — атомная энергия, 6 % — альтернативные источники.

Соотношение различных видов энергетики в России: 52 % — газ, 23 % — нефть, 19 % — уголь, 4 % — атомная электроэнергия, 2 % — альтернативные источники энергии.

Наибольшая доля энергетических ресурсов, получаемых с использованием возобновляемых источников энергии, в России производится в Сибирском федеральном округе — 47,4 %, Дальневосточном федеральном округе — 35, 9 %, Северо-Западном федеральном округе — 11,1 %.

NT: Эффективно ли использовать солнечные батареи в хмуром Петербурге?
М.К.: Если есть желание уйти от традиционных решений по энергообеспечению и принять экологически оправданное, но экономически не всегда выгодное решение, то да. Хотя оценить эффективность использования солнечных батарей можно только учитывая период наибольшей инсоляции: с мая по сентябрь. При этом следует рассчитать максимальную, исходя из совокупности электрических приборов, потребляемую мощность и суточное количество расхода электроэнергии. И уже после этого определить, какое количество солнечных батарей потребуется. В ряде работ, посвященных оценке эффективности использования солнечных батарей для Санкт-Петербурга и Ленинградской области, был сделан вывод об окупаемости солнечных батарей — более 100 лет при сроке службы, указанном в характеристиках, в 10 лет. 

NT: Как вы оцениваете вероятность массового внедрения портативных альтернативных источников энергии?
М.К.: Да, рынок заполнен портативными зарядными устройствами для карманной электроники. Однако если возникают проблемы с зарядкой ноутбука в походе, такого источника будет недостаточно. А возможности «серьезных» портативных источников энергии весьма ограничены, причем вес ощутимый: в различных вариантах от 6 до 14 кг — не на каждый день. 

Если же говорить не о портативных, а о локальных источниках, то они имеют больше перспектив. Мне нравятся локальные системы для зарядки световых табло на остановках транспорта, для работы светофоров, для подзарядки телефонов. 

Фотография на обложке предоставлена М. А. Кустиковой

Материал опубликован в журнале NewTone