Продолжая тему экологических направлений яхтенной энергетики, начатую в статьях «Электрическое движение» и «Водородное движение», опубликованных в двух предыдущих выпусках журнала, поговорим здесь о фотовольтаике. Этот уже устоявшийся термин относится к солнечной энергетике. Фотовольтаические системы (ФВС) используют фотоэлектрический эффект для преобразования фотонов в электроны, то есть преобразуют поток света в электрический ток, что делает весьма перспективным их применение на яхтах.
«Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе». (Жак-Ив Кусто)
Солнечную энергию человечество использует с незапамятных времен, но критически важный этап в истории солнечной энергетики пришелся на 1839 год, когда французский ученый Эдмон Беккерель обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс создал первый селеновый элемент, работавший на основе фотоэлектрического эффекта. В 1954 году компания Bell Labs (США) выпустила первые коммерческие солнечные батареи, которые использовались в различных аппаратах.
В настоящее время солнечная энергетика является одним из наиболее быстрорастущих и перспективных направлений в области возобновляемых источников энергии. Различные страны инвестируют в ее развитие, строят солнечные фермы и парковки, устанавливают солнечные панели на крышах зданий, транспортных средствах и, конечно же, на океанских яхтах, позволяя им передвигаться по миру, используя этот неисчерпаемый источник энергии.
.jpeg)
Что такое ФВС?
Фотовольтаические системы состоят из так называемых солнечных, или фотоэлектрических, панелей (ФЭП), содержащих множество ячеек из материалов с различными характеристиками, определяющими эффективность (КПД) преобразования светового потока в электронный, их долговечность, механические свойства и стоимость. В настоящее время наиболее распространенным типом солнечных панелей являются кремниевые. Они широко представлены на современном рынке. Однако развитие солнечной энергетики привело к появлению большого количества других типов ФЭП, которые принято разделять на три поколения в зависимости от материалов, используемых при их изготовлении.
Первое поколение включает в себя монокристаллические кремниевые солнечные элементы, которые можно легко отличить по равномерной окраске и форме, — прямоугольные ячейки со скошенными углами. Другой тип — поликристаллические панели из множества отдельных кристаллов; они имеют прямоугольную форму с неокругленными краями. К данному поколению также следует отнести панели на основе арсенида галлия (GaAs) — химического соединения галлия и мышьяка; они обладают большей эффективностью, однако из-за наличия дорогостоящих, редких и токсичных веществ не получили широкого распространения.
Второе поколение ФЭП появилось в результате решения вопроса стоимости панелей. К ним относятся различные типы тонкопленочных солнечных элементов. В свою очередь, они классифицируются в зависимости от фотоэлектрического материала, которым покрыта подложка: теллурид кадмия (CdTe), аморфный кремний (a-Si, некристаллический диоксид кремния), диселенид меди (CuSe2) и меди-индия (CuInSe2), фотоэлементы из меди, индия и галлия (CIGS). Такие солнечные панели дешевле в производстве, имеют гибкую структуру, а затенение и повышенные температуры оказывают меньшее влияние на их работу. Однако главный их недостаток — относительно невысокий КПД, что подвигло ученых к различным разработкам третьего поколения ФЭП.
К третьему поколению относятся тандемные солнечные панели, тонкопленочные структуры, а также новейшие виды фотопреобразователей, такие как солнечные элементы, сенсибилизированные красителем; солнечные элементы на основе квантовых точек; перовскитные солнечные панели (используют полупроводниковые материалы с кристаллической структурой); органические солнечные панели; солнечные элементы из сульфида меди, цинка и олова (CZTS). Наибольшим КПД (более 48%) в настоящее время обладают многопереходные полупроводниковые фотоэлементы. Можно также отметить быстрое развитие новых типов (emerging PV) фотоэлектрических преобразователей третьего поколения. Однако коммерчески оправданными в применении до сих пор являются ФЭП с КПД, не превышающим 23% при теоретическом максимуме 85–88%.
Тонкие пленки и инновации
Для применения в судовых системах в последнее время широкое распространение начинают получать панели третьего поколения, основанные на тонкопленочной фотоэлектрической технологии. От традиционных солнечных панелей их конструкцию отличает использование слоев фотоэлектрического материала на подложке, такого как стекло, пластик или металл. Эти слои могут быть более чем в 100 раз тоньше традиционных кремниевых пластин в стандартных солнечных панелях. В результате панели получаются гибче и легче, их можно устанавливать на самые разные поверхности, в том числе там, где традиционные панели не применить.
Преимущества тонкопленочных фотоэлектрических технологий весьма существенны. Во-первых, они малочувствительны к температурам вплоть до +60–70 °C, в то время как кремниевые модули при таком нагреве теряют около 20% генерации. Во-вторых, для их производства требуется меньше материалов, что снижает стоимость и уменьшает воздействие на окружающую среду. Кроме того, такие панели лучше работают в условиях недостаточной освещенности и могут сохранять высокую эффективность при более высоких температурах, что делает их востребованными для различных климатических условий и установки, в частности, на яхтах.
Росту популярности тонкопленочной фотоэлектрической технологии способствовал ряд инноваций. Достижения в области материаловедения привели к разработке высокоэффективных и долговечных тонкопленочных элементов с использованием теллурида кадмия и селенида меди-индия-галлия. Кроме того, разработчики повышают экологичность тонкопленочных фотоэлектрических элементов за счет материалов, пригодных для вторичной переработки и экологически безопасных. Например, такие продукты, как клейкая пленка EVA с высокой проницаемостью и свойствами снижения деградации ФЭП, повышают долговечность и производительность тонкопленочных солнечных панелей, сводя к минимуму их воздействие на окружающую среду.
Настоящим прорывом в тонкопленочных панелях можно назвать появление упомянутых перовскитных модулей. Перовскитные технологии основаны на использовании материалов с кристаллической структурой перовскита (титаната кальция CaTiO3), которые широко применяются в солнечной энергетике и электронике. Они демонстрируют высокий потенциал благодаря своей эффективности и низкой стоимости производства. Тонкопленочные солнечные элементы на основе перовскитов могут быть дешевле и эффективнее традиционных кремниевых. Они достигают высокого КПД преобразования светового потока, сопоставимого с кремниевыми, их можно изготавливать различной формы и размеров, что расширяет спектр применения. Перовскит — распространенный на Земле минерал. Уже первые эксперименты ФЭП на перовскитах подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже «классики» из кремния. Но при этом удельное поглощение одного и того же количества излучения достигалось при толщине ФЭП в 180 раз меньшей, чем у традиционной кремниевой пластины.
Перовскитные солнечные панели сегодня можно напечатать на 3D-принтере среднего уровня. Более того, на выходе несложно получать рулоны пленки с возможностью дальнейшей нарезки при сохранении эксплуатационных качеств каждого отрезка. Пленки на базе CaTiO3, в том числе гетероструктурные, не содержат в своем составе экологически опасные химические элементы. Это упрощает процесс их последующей утилизации и не требует установки дорогостоящих улавливателей канцерогенов на стадии производства.
Очевидно, что для применения в судостроении тонкопленочные фотоэлектрические панели по сравнению с традиционными выигрывают. Помимо вышеупомянутых (более низкой стоимости и лучшей производительности в сложных условиях), тонкопленочные панели обладают эстетическими и монтажными преимуществами. Гибкость позволяет интегрировать их в такие судовые поверхности, как палубы и борта, мачты и гики парусных яхт. Однако важно отметить, что пока тонкопленочные фотоэлектрические технологии имеют более низкий КПД, чем самые высокоэффективные традиционные кремниевые панели. Тем не менее разрыв неуклонно сокращается благодаря постоянным исследованиям и разработкам в этом секторе.
Будущее за органикой?
У солнечной технологии есть и свои «темные пятна». Одним из самых заметных является деградация, или PID (Potential Induced Degradation). Как и любое другое оборудование, фотоэлектрические системы со временем теряют свои эксплуатационные качества. В зависимости от обстоятельств деградация может быть обратимой и необратимой, а снижение ее скорости является одной из важнейших технологических задач фотовольтаики.
Не будем останавливаться на физике процессов PID, скажем только, что нормой считается вырождение со скоростью 1–1,2% КПД в год. То есть при среднем сроке службы панели 20 лет КПД к концу ресурсного периода падает на 20% и более при условии отсутствия механических повреждений (явление нередкое). Традиционными путями снижения PID являются повышение технологической чистоты элементов, инкапсулирование чувствительных к воздействию окружающей среды узлов, а также использование новых физических принципов воздействия фотонов наподобие графитовых бамбукоподобных нанотрубок, упомянутых в статье о водородных ячейках.
Еще один способ повышения времени жизни ФЭП — внедрение технологии фотоорганики. Это следующее перспективное направление, переход с кремниевых на органические солнечные панели для автомобилей и самолетов. Одной из проблем «солнечной» органики являются слабые молекулярные связи. Решение ученые нашли в создании тандемных ячеек, каждый слой которых состоит из органических материалов разного типа и поглощает волны различной длины.
Пока солнечные панели на органических красителях не получили широкого распространения. Но их важным достоинством является теоретически почти бесконечный срок жизни. Ведь многие поколения бактерий (поэтому и органика) постоянно будут сменять друг друга, и при правильно подобранных условиях колония на подложке может жить и давать ток сколь угодно долго. Рекорд КПД нынешней фотоорганики составляет 25% при, заметим, сверхслабой освещенности всего 220 люкс (аналог довольно темной комнаты).
Интересным предложением являются и фотоэлектрические элементы в виде прочных тканевых волокон. Специалисты прогнозируют, что к 2030 году в источник электричества можно будет превратить любую ткань. Уже сейчас их массово начинают вплетать в одежду, обувь, сумки и, конечно же, в паруса.
Реалии нашего времени
Какой можно сделать вывод? Для применения фотовольтаики на яхтах более всего подходят тонкопленочные ФЭП как наиболее гибкие, надежные и менее подверженные механическим повреждениям, с более стабильным КПД при меняющейся освещенности. Кроме того, полупрозрачные ФЭП можно использовать в качестве остекления для иллюминаторов и световых панелей. Тонкопленочные ФЭП менее чувствительны к углу падения светового потока по сравнению с жесткими кремниевыми, и поэтому их можно устанавливать не только на горизонтальных, но и практически на любых поверхностях. Они герметичны и не имеют провалов в КПД при снижении освещенности.
«Солнечная энергия — это энергия будущего. Она бесплатна, чиста и доступна в изобилии». (Томас Эдисон)
Мировым лидером производства ФЭП является Китай из-за доступности редкоземельных элементов на его территории. Ведущие американские производители ФЭП, такие как Solar Power, давно «прописались» в КНР, и теперь этот бренд неразрывно связан с Китаем. Именно его панели использует на своих лодках польская верфь Sunreef Yachts, выпускающая линейку «солнечных» катамаранов длиной от 50 до 100 футов, анонсировавшая 210‑футовый тримаран с общей площадью жилых палуб до 1000 кв. м и «экоэксплорер» длиной 140 футов. Sunreef Yachts утверждает, что, взяв за основу ФЭП от Solar Power, доработала их, и это позволило размещать их практически на любых свободных поверхностях лодок. Sunreef выпускает версии яхт как с гибридными силовыми установками, так и c электрическими с подзарядкой только от ФЭП.
Пионером «круизной чистой электрики» стала верфь Silent Yachts с производством в Италии, начавшая свои эксперименты в этой области в 2009 году и выпустившая в 2016 году чисто «солнечную» лодку Silent 64, установившую немало рекордов по дальности. Сегодня компания успешно развивает свое направление и выпускает круизеры 60‑, 80‑ и 120‑й серий практически без ограничения запаса хода.
.JPG)
Структура перспективных фотоорганических ячеек (источник: mdpi.com/2079-4991/13/8/1308)
LiF (фторид лития) Ультратонкий слой, который используется для улучшения инжекции электронов из катода в активный слой.
CBP (4,4ˈ-bis(carbazol‑9‑yl)biphenyl) Органическое соединение, может использоваться как материал для инжекции или блокировки зарядов.
Ag (серебро) Этот слой используется в качестве катода, часто вместе с LiF, для улучшения контакта и сбора электронов.
MoOЗ (оксид молибдена) Используется в качестве транспортного слоя для положительных зарядов pn-перехода (hole transporting layer, HTL). Он помогает эффективно собирать положительные заряды (дырки) и переносить их к ITO-аноду.
PM6: Y6 Это активный слой, состоящий из донора (PM6) и акцептора (Y6) электронов. Именно в этом слое происходит поглощение света и генерация электрон-дырочных пар.
ZnO (оксид цинка) Используется в качестве транспортного слоя для электронов (electron transporting layer, ETL). Он помогает собирать отрицательные заряды (электроны) и переносить их к катоду.
PH1000 (PEDOT: PSS) Слой, который обычно используется для улучшения контакта c активным слоем. Он помогает эффективно собирать дырки.
Ag (сетка из серебра) Cлужит в качестве катода.
В ряды производителей круизных яхт с ФЭП удачно встроилась Индия со своими моделями Indra, Avalon и Barracuda, выпускаемыми на верфи Navalt Solar & Electric Boats. В мире также есть несколько пассажирских паромов, работающих с ФЭП и накопителями энергии. Это Alstersonne в Германии, MobiCat в Швейцарии, Solar Sailor в Австралии. Можно еще упомянуть научно-исследовательские суда с ФЭП, хотя они выпускались, как правило, в единичных экземплярах для проверки и отработки технологий. На данный момент все перечисленные яхты, за исключением Barracuda, являются круизными судами, двигающимися в водоизмещающем режиме. Полагаю, что по мере повышения КПД ФВС и эффективности накопителей энергии в недалеком будущем мы сможем увидеть и быстроходные прогулочные суда с бесконечным запасом энергии и дальностью хода.
