Інновації
Інноватори
про інновації
Фахівці KNESS RnD Center: українські дослідники, науковці та винахідники розповідають про те, над чим працюють їхні колеги по всьому світу

Розвиток технологій сонячних концентраторів
Розповідає
Олександр Горчинський,
начальник відділу з розробки продуктів девелопменту KNESS RnD Center
Концентрація сонячної енергії є досить перспективною технологією, яка вже застосовується й постійно вдосконалюється. Використання концентрованого сонячного випромінювання та багатоперехідних (multijunction) сонячних модулів значно зменшує вимоги щодо необхідної площі для сонячної енергетики, а ККД таких модулів у кілька разів перевищує ККД традиційних одноперехідних модулів. У той самий час ця технологія має суттєвий недолік – концентрувати можна лише пряме сонячне випромінювання. Це відомо кожному, хто коли-небудь намагався розпалити вогонь за допомогою збільшувального скла – якщо сонця не видно за хмарою, то нічого не вийде. Розсіяне сонячне випромінювання, наприклад, в умовах України, становить великий відсоток від загальної інсоляції. Будь-які концентратори за умов розсіяного випромінювання втрачають здатність концентрувати, і система, побудована на цьому принципі, не працюватиме. Крім того, оптика концентраторів є дуже чутливою до забруднення. А в умовах пустель хмарність – рідкісне явище, і концентрація була б гарним варіантом, проте тут у гру вступають пил та пісок. За відсутності опадів прибирати їх потрібно власноруч, що створює додаткові витрати на експлуатацію. Ідеальним середовищем для використання багатоперехідних фотоелектричних модулів з урахуванням вищеописаного є космос: сонячне світло нічим не розсіюється, і поверхня модулів не забруднюється. У світових аерокосмічних компаніях про це також знають, тому саме такі модулі й використовуються для живлення космічних апаратів.

Таким чином, використання концентраторів тієї чи іншої конструкції є досить нішевим варіантом, який має свої переваги та недоліки, але його важко назвати «проривним» рішенням, що суттєво впливатиме на розвиток галузі.

https://www.greenoptimistic.com/beta-ray-pv-thermal/

Розвиток технологій сонячних концентраторів
Розповідає
Богдан Козачук,
начальник відділу розробки автоматизованих систем керування технологічними процесами KNESS RnD Center
Уявіть собі ситуацію, коли споживачеві електроенергії невідомі такі речі, як передача показників електролічильника чи планування власного електроспоживання задля економії. Або іншу ситуацію – коли виробник електроенергії не стежить за частотою чи напругою у точці приєднання видачі його генеруючої одиниці. Замість споживача й виробника зі штатом найманих працівників усе це може робити комплекс певних технологій. Наприклад, розумні лічильники, набір спеціалізованих датчиків, нові системи аналізу та реагування (повністю автоматичні, незалежні від людського фактору). Цей комплекс технологій і є Smart Grid.

Smart Grid (розумні електромережі) – це комплекс технологій, що будують «новий» підхід до організації структури «генерація-мережа-споживач». Об'єднані в єдину платформу, ці технології дозволяють кожному вузлу мережі бути активним елементом для своєчасної та «точкової» коригувальної дії, спрямованої на стабільну роботу системи в цілому.

Система інтелектуальних електромереж покликана вирішити низку проблем для кожного вузла мережі.


Генерація.
Ми з вами бачимо останні тенденції енергетики: збільшується частка відновлюваних джерел у загальному енергобалансі. Характерною особливістю таких джерел є непрогнозованість та нестабільність генерування. Для стабілізації їхніх параметрів роботи необхідно впровадити ряд заходів, що підвищують техніко-економічну ефективність їх використання.
Мережа.
Основною проблемою мережі є втрати під час передачі електроенергії. Звичайно, уникнути втрат неможливо, але значно зменшити їх – завдання реальне. Менше втрат – менше природних ресурсів для виробництва, що, зі свого боку, зменшує негативний вплив на навколишнє середовище.
Споживач.
Усі ми користуємось, наприклад, пральними машинами. Ефективно та економічно доцільно використовувати їх уночі, коли загальне електроспоживання та ціна електроенергії знижуються. Але всі ми звикли робити це вдень, тому варто навчити пральну машину автоматично працювати вночі.
Побудова розумних електромереж зараз у світі перебуває на етапі динамічного розвитку. До результатів кінцевої ідеології – ще досить довгий шлях. Але розбудова системи є необхідною, оскільки підвищення загальної енергоефективності є одним з головних векторів розвитку прогресивних країн світу. Перетворивши аналогові мережі електропередач на інтелектуальні, енергетичні компанії зможуть керувати всією мережею енергопостачання як єдиною системою,а споживачі – точно регулювати власні витрати енергії.

https://fuergy.com/en
https://www.hubhub.com/en/fuergy-brings-ecological-dimension-promise-earnings-energy-sector-2/


Органічна фотовольтаїка та нові
форм-фактори й концепти для генерації сонячної енергії

Розповідає
Марина Проворова,
інженер-дослідник відділу хімічних досліджень KNESS RnD Center
It is necessary to choose a visual aid that is appropriate for the material and audience.
На сьогоднішній день найбільш розповсюдженими є сонячні батареї на основі полікристалічного й аморфного кремнію. Недоліком таких батарей є вартість процесу їхнього виготовлення. На зміну їм іде низка нових, більш доступних технологій перетворення сонячної енергії. Найцікавішою з таких технологій є гнучкі органічні сонячні батареї.

Британська компанія Solivus розробила новий піддатливий сонячний матеріал на основі вуглецю, який може набувати будь-яких форм та склеюватися між собою. У майбутньому планується впровадження нових дешевих енергетичних рішень на його основі. Цей продукт екологічно чистий та стійкий, що відіграє важливу роль у сфері енергетики.

«Органічна фотоелектрична» (OPV) сонячна тканина працює як типовий поглинач сонячного світла для отримання енергії, але особливістю експлуатації цього матеріалу є можливість використання його на поверхні будь-якого розміру та форми й відсутність важких кріпильних кронштейнів у конструкціях. Продукт буде виготовлений німецькою компанією Heliatek, якій належить ідея OPV тканини.
Матеріал важить 1,8 кг на м² секції, що становить одну десяту частину ваги традиційних сонячних модулів з рамками. Він не містить токсичних та рідкоземельних матеріалів. Компанія гарантує 20 років використання. Результати лабораторних випробувань дозволяють оптимізувати ефективність тканини OPV приблизно в 13%, що дає можливість генерувати більше кВт·год, ніж традиційні фотоелектричні модулі. Heliatek заявили, що тканина може збирати більш широкий спектр світла, а це дозволяє обладнанню продовжувати виробляти енергію навіть у сірі дні без великої кількості сонячного світла. Вони очікують, що дах площею 10 000 м² зможе забезпечити близько 1 МВт енергії, чого було б достатньо для живлення цілого блоку будинків.

Продукт буде широко доступний у 2021-2022, роботи планують почати на великих комерційних об'єктах та стадіонах. З виходом цієї технології на споживчий ринок у світі відновлюваної енергетики відбудеться справжній переворот. Органічна фотовольтаїка, цілком імовірно, витіснить звичні кремнієві сонячні батареї з ужитку, адже для виробництва продукції цього спектру використовуються недорогі, доступні та екологічно чисті матеріали.

Також Solivus планує змінити спосіб накопичення енергії, використовувати кінетичні акумулятори, що не містять хімічних речовин. Ці модулі можуть бути застосовані в електромобілях.

Шосе та велодоріжки на сонячній енергії
Розповідає
Валентин Бурдейний,
інженер-конструктор відділу силової електроніки KNESS RnD Center
У Китаї завершують спорудження чергової дороги із вбудованими сонячними панелями.

Завдання нової ділянки швидкісної автомагістралі Цзинаня в 1,9 км – не лише генерація енергії для бездротової підзарядки електрокарів. Згодом вона буде ще й забезпечувати інформаційну підтримку автономних транспортних засобів.

Нове покриття – тришарове. Прозорий бетон, що за своїми властивостями схожий на асфальт, вкриває сонячні панелі, стійкі до навантажень. Під шаром панелей – захист від вологого ґрунту. Дорога розрахована як на легковий, так і на вантажний транспорт.

Перше сонячне шосе в Китаї вже побудоване. Державна компанія Quilu Transportation Development Group використала для нього 660 квадратних метрів сонячних модулів.

Першопрохідцями подібних проектів стали Нідерланди: 2014 року вони створили сонячну велодоріжку. За ними ініціативу підхопила Франція, де збудували кілометр сонячної автомагістралі. Незважаючи на корупційні скандали навколо проекту, французи збираються збільшити протяжність фотоелектричних магістралей до 1000 км. Не відстають і США: піонером сонячних доріг там виступив штат Айдахо.

Будівництво доріг із сонячними панелями – досить цікаве та інноваційне рішення, особливо це стосується використання прозорого бетону. Проте технологія безпровідної підзарядки електрокарів залишається недостатньо розвинутою та малоефективною. Тим не менш, технології не стоять на місці, і разом з розвитком електротранспорту сонячні дороги мають значні перспективи. У порівнянні зі звичайними станціями сонячні дороги розташовані в безпосередній близькості до споживачів та не займають додаткової площі. Масове застосування таких доріг дозволить, зокрема, електрокарам отримувати постійний доступ до електроенергії.



Сонячна черепиця
Розповідає
Олексій Кордиш,
інженер-дослідник відділу хімічних досліджень KNESS RnD Center
Шведська компанія Benders презентувала новий тип фотоелектричних модулів (ФЕМ) для дахів SunWave. Ці модулі дозволять зберегти привабливий та естетичний вигляд дахів, адже повністю відтворюють форму черепиці, що дозволяє встановлювати їх зверху наявної або повністю її замінити. Дослідження компанії Vattenfall у Швеції виявило, що після встановлення ФЕМ на даху середня ціна будинку зростає на 14%.

Виробник запевняє, що процес виробництва модулів SunWave проводиться у Швеції лише за допомогою відновлюваної енергії й викидає в навколишнє середовище лише 10% вуглекислого газу в порівнянні з виробництвом традиційних кремнієвих елементів. Для виробництва модулів не застосовується кадмій.

Традиційні поверхневі кремнієві елементи мають товщину 35 мм і встановлюються на дахи за допомогою спеціальних кріплень. Тонкоплівкова панель SunWave заснована на технології CIGS і має товщину 1,5 мм. CIGS – суміш селенідів міді, індію та галію з хімічною формулою CuInxGa(1-x)Se2. Це напівпровідниковий матеріал, що може бути нанесений на гнучкі матеріали-основи для виготовлення надзвичайно гнучких та легких сонячних модулів. Такий метод виробництва порівняно з традиційними кремнієвими елементами дозволяє навіть у похмуру погоду підтримувати високу ефективність. Також перевагою цих елементів є низька чутливість до тіні дерев, димоходів тощо.
ФЕМ вішають на черепицю. Задля запобігання підняттю вітром використовуються затискачі для кріплення панелей до нижнього краю черепиці. Модулі з'єднані послідовно за допомогою супровідних кабелів. За шириною один елемент покриває 5 черепиць. На квадратний метр виробник обіцяє потужність приблизно 110 Вт. Кожний ФЕМ важить 2,3 кг, має вихід 55 Вт і містить 20 комірок. Якщо 1 комірка знаходиться в тіні, вихід модуля знижується на 5%, і хоч комірки з'єднані послідовно, затінення однієї не виводить з ладу інші.

Ціни встановлено на рівні від 2400 до 2700 євро за кіловат, залежно від загальної потужності установки.

Цей продукт та технологія дозволяють поєднати потреби споживача в енергоефективному будинку й естетичному вигляді даху.

Якщо порівняти з теперішнім мейнстрімом у сонячній генерації, а саме з кремнієвими панелями, тонкоплівкова технологія в перспективі дозволяє наносити фотоелектричний шар на будь-яку поверхню, тому можна буде виготовити виріб для генерації будь-якої форми. Також за рахунок тонкого покриття сама панель важить набагато менше за традиційну, що робить її більш простою в установці. Проте порівняно зі звичайними кремнієвими панелями така технологія на сьогодні є дорожчою, через що її наразі не використовують у промисловості. Якщо ж використовувати її для ФЕЛ з великою потужністю, такі панелі поки покажуть себе нерентабельними. У найближчі 15-20 років ця технологія ще точно не зможе посунути традиційні кремнієві панелі, адже вона використовується здебільшого в індивідуальних випадках з невеликою потужністю: наприклад, коли йдеться про енергоефективний дах у будинках преміум-класу чи використання в електромобілях замість скла чи покриття корпусу. Проте, якщо знайти спосіб здешевити технологію до рівня кремнієвих панелей, вона зможе витіснити останні з ринку.

https://www.benders.se/en-gb/sunwave/?market=DEFAULT

Перовскіти
Розповідає
Юлія Зюбрицька,
інженер-дослідник відділу хімічних досліджень KNESS RnD Center
Більшість сонячних електростанцій в якості перетворювача енергії сонця на електрику використовують кремнієві елементи, які – за незаперечних переваг – мають низку суттєвих недоліків, зокрема: залежність роботи від часу доби, високу вартість, важкість утилізації фотоелементів та найголовніше – порівняно низький ККД на рівні 22%.

Одним зі шляхів покращення ефективності роботи сонячних панелей є використання альтернативного матеріалу, а саме перовскіту. Це тверді кристали, що вперше були відкриті в природі 1839 року, а зараз легко синтезуються з різними модифікаціями. Основними перевагами перовскітів є їхня здатність поглинати світло майже на всіх видимих довжинах хвиль, висока ефективність перетворення енергії та відносна легкість виготовлення. Варто зауважити, що покриття перовскіту на сонячній панелі не перевищує 2 мм. Завдяки унікальним властивостям матеріалу можна регулювати колір панелей.

Незважаючи на свій великий потенціал, технологія використання перовскіту все ще перебуває на ранніх стадіях комерціалізації порівняно з іншими, оскільки існує низка проблем. Дешеві сонячні батареї з перовскіту мають короткий термін експлуатації. Матеріал також швидко псується за наявності вологи. Масштабування – ще одна проблема: зафіксовано високі показники ефективності за допомогою невеликих комірок, що чудово підходить для лабораторних тестувань, але вони занадто малі, щоб їх можна було використовувати в реальній сонячній панелі.

Тим не менш, перовскітні сонячні батареї, без сумніву, – висхідна зірка в царині фотоелектрики. Незважаючи на проблеми з використанням такого покриття, воно вважається матеріалом майбутнього. Зокрема, така компанія, як Hunt Perovskite Technologies зосереджена на вдосконаленні цього матеріалу з перспективою його комерційного використання в майбутньому. Також у 2015 Saule Technologies підписала інвестиційну угоду з японською інвестиційною компанією Hideo Sawada. Компанія Saule має на меті поєднувати сонячні батареї з перовскіту з іншими наявними на сьогодні продуктами.

https://cleantechnica.com/2020/02/29/super-secret-perovskite-solar-cell-company-bursts-out-of-stealth-mode/

Антисонячні батареї:
фотоелектрична комірка, що працює вночі

Розповідає
Володимир Голодюк,
керівник відділу силової електроніки KNESS RnD Center
Однією з найбільших проблем сонячної енергетики сьогодні є очевидна залежність генерації від рівня освітленості та сонячної активності. На думку Джеремі Мундая, професора кафедри електронної та обчислювальної техніки в UC Davis, чудовим вирішенням цієї проблеми були б «сонячні» панелі, що могли б генерувати електроенергію не лише серед білого дня.

Насправді, спеціально розроблена фотоелектрична комірка могла б генерувати до 50 Вт енергії на квадратний метр в ідеальних умовах уночі. Це приблизно чверть того, що звичайна невелика фотоелектрична панель може генерувати в денний час, згідно з концептуальним документом Мундая та аспіранта Трістана Деппе. Статтю було опубліковано у випуску ACS Photonics за січень 2020 року.

Мундай стверджує, що цей процес схожий на те, як працює нормальна сонячна панель, але навпаки. Предмет, що є більш нагрітим, порівняно з оточенням, буде випромінювати тепло як інфрачервоне світло. Звичайна фотоелектрична панель є прохолодною в порівнянні з сонцем, тому вона поглинає світло. Космічний простір, дійсно, дуже холодний, тому якщо у вас є теплий предмет і ви спрямуєте його на небо, він буде випромінювати тепло до нього. Люди використовують це явище для нічного охолодження протягом сотень років.


Насправді таке явище, відоме як термо-випромінювальна фотогальваніка, майже не досліджене на сьогоднішній день. Тим не менш, у разі належного розвитку, воно має великий потенціал для забезпечення людства доступом до цілодобової відновлюваної енергії.

Найцікавіше в цій технології – це можливість заповнити час відсутності сонячної генерації і відтак у майбутньому зменшувати залежність від традиційних джерел електроенергії – звісно ж, лише в разі масового застосування технології. На жаль, поки це концепт, оцінити цю технологію не так просто. Однозначно, це новий, зовсім відмінний тип фотоелектричних елементів, «денні» властивості яких є поки не до кінця зрозумілими.

У майбутньому цікаво було б комбінувати поля звичайних ФЕМ з «нічними».

Як було сказано в статті, ефективність таких панелей у 4-6 рази менша ніж у випадку традиційних фотоелектричних модулів. Проте, з огляду на специфіку застосування цієї технології, а саме у нічний час, коли споживання електроенергії є на 20-30% меншим, їхнє використання може бути дуже цікавим.

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200129174512.htm

Калієвий металевий акумулятор як конкурент літій-іонної технології
Розповідає
Андрій Бондар,
керівник відділу хімічних досліджень KNESS RnD Center
Половина всього, що ми використовуємо в житті, містить «батарейки». Мобільний телефон, УПС до комп'ютера, електроавтівка – усе це містить засіб зберігання та відтворення електроенергії. Для розвитку та поширення відновлюваних джерел енергії конче потрібні дешеві та доступні системи її зберігання у великих масштабах. Наразі домінуючою є технологія літій-іонних акумуляторів, що поєднують у собі високу енергетичну ємність та зручність у практичній реалізації на сьогодні.

Дослідники з Політехнічного Інституту Ренсселера (США) пропонують альтернативу Li-ion технології, а саме акумулятори на основі калію, що є більш доступним та дешевим матеріалом у порівнянні з літієм. Сутність цієї технології в тому, щоб замінити графітовий анод на металевий калій. Це одночасно підвищить густину енергії (масогабаритні показники) та здешевить сам пристрій.

Проте науковців спіткала проблема утворення дендритів при кількаразовому розряді-заряді цього девайсу. Самі ж дендрити становлять небезпеку у зв'язку зі створенням можливості «закорочення» пристрою, його займання та вибуху. Дослідники вирішили цю проблему через підняття та регулювання температури батареї задля підвищення активності дифузії металевого калію по поверхні аноду. За допомогою цього ефекту під час відсутності заряду чи розряду дендрити самовирівнюються і згладжують поверхню, не допускаючи прориву сепаратора акумулятора.

Для реалізації масштабних проектів з використанням вказаної технології ще потрібно провести не одне дослідження впливу температури на самолікування батареї, проте ця технологія та сам принцип використання дешевого та легкого металу в якості носія енергії – один з небагатьох шляхів перейти від Li-ion технології, що є не досить «чистою» у зв'язку з деструктивним видобутком кобальту та використанням менш поширеного, у порівнянні з калієм, літію.

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200302153613.htm