Отличительной особенностью плоских солнечных коллекторов является большая площадь застекления и абсорбера, что обеспечивает эффективное использования солнечной энергии, попадающей на поверхность гелиоколлектора.

Плоский солнечный коллектор устанавливается на крыше, бак-накопитель с водой – в помещении, удобном для развода горячей воды.
Электронный контроллер автоматически поддерживает оптимальные параметры циркуляции и обеспечивает комфортную заданную температуру.

Мы предлагаем использовать в системах горячего водоснабжения плоские солнечные коллекторы как российского, так и зарубежного производства.

1. Солнечные коллекторы производства ООО “Новый полюс”. В коллекторах ЯSolar используются абсорберы с медными трубками и пластинами с селективным покрытием.
2. Солнечные коллекторы производства фирмы Wolf (Германия).
3. Выпускаются также коллекторы “Сокол” (НПО Машиностроения), они немного дороже коллекторов ЯSolar при аналогичном качестве.

Эта статья прочитана 5249 раз(а)!

Продолжить чтение

• 85

  Плоский солнечный коллектор ЯSolar Назначение Солнечные коллекторы ЯSolar являются основным элементом систем солнечного теплоснабжения или бытовых солнечных водонагревателей и в их составе используются для обеспечения горячей водой жилых зданий, промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов. Их можно использовать для нагрева не…

• 77

  Плоские и вакуумные солнечные коллекторы: правда и мифы Источник: svetdv.ru — сейчас уже не работает Когда нам рассказывают об очередной чудо-технологии, то обычно во всех красках расписывают достоинства и деликатно умалчивают о недостатках. Также очень часто потребителям дают нелестные отзывы…

• 75

  Пластинчатый TopSon F3-1/F3-Q Назначение Солнечные коллекторы разного типа позволяют получить тепловую энергию, которая, в первую очередь, используется для приготовления горячей воды, что особенно актуально в летний период года, когда наблюдается максимальная солнечная активность и максимальное потребление горячей воды. Фирма Wolf предлагает комплексное использование…

• 62

  Подготовка к работе и монтаж солнечных коллекторов Требования к расположению коллектора На месте эксплуатации коллекторы устанавливаются так, чтобы их остекление было направлено на юг с возможными отклонениями на восток до 20o, а на запад – до 30o. Превышение допускаемых отклонений…

• 54

  Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в…

• 54

  Вакуумный солнечный  коллектор с тепловыми трубками Солнечный коллектор с тепловой трубой состоит из стеклянной вакуумной и медной тепловых трубок. Вакуумная труба установлена наклонно, под определенным углом. Минимальный угол — около 5 градусов; это требуется для того, чтобы конденсат с верхней…

Google рекомендует

Реклама

sem-dv.nethouse.ru — Статьи

Плоский солнечный коллектор ЯSolar российского производства.    Солнечные коллекторы ЯSolar разработаны по европейским стандартам EN 12975-1 и -2 и производятся компанией ООО »НОВЫЙ ПОЛЮС» в России по полному циклу (включая изготовление абсорбера) на уникальном оборудовании.

В конструкции солнечного коллектора ЯSolar используются:

  — самое современное поглощающее энергию покрытие TiNOX,

  — полностью медный абсорбер,

  — сверхпрозрачное антибликовое стекло,

  — максимально эффективные утеплитель (60мм) и средства герметизации.

  Специально для коллектора ЯSolar был разработаны и запатентованы технология пайки медных абсорберов с профилированным листом TiNOX для улучшенной теплопередачи, специальный корпус и прижим стекла. После улучшений оптический КПД ЯSolar составил 83%, что значительно больше всех российских и многих импортных аналогов (включая вакуумные). При низких температурах теплопотери предлагаемого солнечного коллектора почти такие же как у трубчатых солнечных коллекторов, при этом при положительных температурах КПД солнечного коллектора ЯSolar выше. Отношение эффективной поглощающей поверхности (абсорбера) к габаритам у него больше, а снег не мешает нормальной работе. Также нет проблемы заиневания как у трубчатых солнечных коллекторов и отсутствует увеличение теплопотерь со временем. Солнечные коллекторы ЯSolar имеют удобное подключение с низким гидравлическим сопротивлением и гибкие точки крепления.

  Гарантия качества. Все элементы коллектора ЯSolar изготовлены из надежных материалов (медь и алюминий) в соответствии с наивысшими нормативами качества, благодаря чему на солнечные коллекторы ЯSolar распространяется 5-ти летняя гарантия, срок службы составляет более 25 лет.

  Высокая эффективность. Солнечный коллектор ЯSolar, имеющий высокоселективное покрытие TiNOX, обеспечивает превосходную производительность. Специальное оптическое стекло и инновационное паяное соединение формованного абсорбера и медных трубок по половине их поверхности (включая коллекторные трубы Ø22мм) позволяют использовать солнечную энергию даже в пасмурную погоду. В отличие от ультразвуковой сварки покрытие не повреждается.

 Минимальные потери тепла. Целостная герметичная жесткая конструкция солнечного коллектора ЯSolar и новейшая термическая двойная теплоизоляция с низким влагопоглощением толщиной 60 мм уменьшают коэффициент теплопотерь до минимума и позволяют более эффективно использовать солнечную энергию в суровом климате при отрицательных температурах.

  Область применения и назначение солнечного водонагревателя ЯSolar

  Плоский солнечный коллектор ЯSolar представляет собой специальный теплообменник, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую энергию и передающий её теплоносителю — жидкости, движущейся внутри каналов поглощающей панели (абсорбера) коллектора.

  Солнечный коллектор ЯSolar можно использовать для нагрева не только воды, но и других жидких теплоносителей, совместимых с материалом его поглощающей панели и применяемых в системах отопления, кондиционирования, хладоснабжения и промышленных технологических процессах.

  Солнечный коллектор ЯSolar соответствует требованиям ГОСТ Р51595-2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия» и требованиям стандартов большинства зарубежных стран.

  Солнечный коллектор ЯSolar разработан с применением современных материалов и технологий по европейским стандартам EN 12975-1 и -2. По своим характеристикам он соответствует уровню лучших зарубежных аналогов.

  Главной особенностью солнечного коллектора ЯSolar является оптическое селективное покрытие, эффективная конструкция паянного медного абсорбера с покрытием TiNOX и уникальная теплоизоляция. В отличие от «псевдо селективных» покрытий других производителей, обладает высокой степенью улавливания как видимых солнечных лучей, так и рассеянной солнечной радиации в облачную погоду. Из-за низкого коэффициента черноты обратное излучение тепла в инфракрасном спектре минимально (3-5%). Получается «солнечная ловушка» с высокими показателями эффективности в условиях низких температур и малой солнечной инсоляции. Площадь контакта медного листа с трубкой коллектора в десятки раз больше чем у лазерной сварки. Это позволяет эффективно использовать солнечную энергию в системах нагрева воды и отопления, снижает тепловые потери коллектора и увеличивает его теплопроизводительность на 25-30%.

  Мощность солнечного коллектора ЯSolar 1,5кВт при температуре 20°С и интенсивности излучения 900 Вт/м².

  При работе в составе систем солнечного теплоснабжения коллекторы ЯSolar не требуют постоянного наблюдения и регулярного обслуживания за исключением периодических внешних осмотров для контроля герметичности соединений один раз в год и периодической промывки остекления по мере его загрязнения для сохранения его светопропускания.

  Солнечные коллекторы ЯSolar размещаются на кровле зданий, располагаются на специальных опорах и площадках.

Наша продукция позволит Вам реализовать проекты по получению солнечной энергии любой сложности. Мы проектируем, комплектуем и монтируем системы для частных дом, нагрева бассейнов, гостиниц, фермерских хозяйств и промышленных объектов.

Советское и российское солнечное теплоснабжение — научные и инженерные школы | Архив С.О.К. | 2018

Солнечное теплоснабжение является одной из наиболее развитых в мире технологий преобразования солнечной энергии для отопления, горячего водоснабжения и охлаждения. В 2016 году общая мощность систем солнечного теплоснабжения в мире составила 435,9 ГВт (622,7 млн м²). В России солнечное теплоснабжение пока не получило широкого практического использования, что связано прежде всего с относительно низкими тарифами на тепловую и электрическую энергию. В том же году в нашей стране, по экспертным данным, эксплуатировалось только около 25 тыс. м² гелиоустановок. На рис. 1 представлена фотография самой большой в России гелиоустановки в городе Нариманов Астраханской области площадью 4400 м².

С учётом мировых трендов развития возобновляемой энергетики, развитие солнечного теплоснабжения в России требует осмысления отечественного опыта. Интересно отметить, что вопросы практического использования солнечной энергии в СССР на государственном уровне обсуждались в 1949 году на Первом Всесоюзном совещании по гелиотехнике в Москве [1]. Особое внимание было уделено активным и пассивным системам солнечного отопления зданий.

Проект активной системы был разработан и реализован в 1920 году физиком В. А. Михельсоном. В 1930-е годы системы пассивного солнечного отопления развивал один из инициаторов гелиотехники — инженер-архитектор Борис Константинович Бодашко (город Ленинград). В эти же годы д.т.н., профессор Борис Петрович Вейнберг (Ленинград) проводил исследования ресурсов солнечной энергии на территории СССР и разработку теоретических основ сооружения гелиоустановок.

В 1930–1932 годах К. Г. Трофимов (город Ташкент) разработал и испытал гелиовоздухонагреватель с температурой нагрева до 225 °C. Одним из лидеров развития солнечных коллекторов и гелиоустановок горячего водоснабжения (ГВС) был к.т.н. Борис Валентинович Петухов. В опубликованной им в 1949 году книге «Солнечные водонагреватели трубчатого типа» [2] он обосновал целесообразность разработки и основные конструктивные решения плоских солнечных коллекторов (СК). На основании десятилетнего опыта (1938– 1949 годы) сооружения гелиоустановок для систем горячего водоснабжения он разработал методологию их проектирования, строительства и эксплуатации. Таким образом, уже в первой половине прошлого века в нашей стране были выполнены исследования по все видам систем солнечного теплоснабжения, в том числе по потенциалу и методикам расчёта солнечной радиации, жидкостным и воздушным солнечным коллекторам, гелиоустановкам для систем ГВС, активным и пассивным системам солнечного отопления.

По большинству направлений советские исследования и разработки в области солнечного теплоснабжения занимали лидирующие позиции в мире. Вместе с тем практического широкого применения оно в СССР не получило и развивалось в инициативном порядке. Так, к.т.н. Б. В. Петухов разработал и построил десятки гелиоустановок с СК собственной конструкции на погранзаставах СССР.

В 1980-е годы вслед за зарубежными разработками, инициированными так называемым «мировым энергетическим кризисом», отечественные разработки в области солнечной энергетики значительно активизировались. Инициатором новых разработок стал Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского в Москве (ЭНИН), накопивший опыт в этой области с 1949 года.

Председатель Государственного комитета по науке и технике академик В. А. Кириллин посетил ряд европейских научных центров, начавших широкие исследования и разработки в области возобновляемой энергетики, и в 1975 году в соответствии с его поручением к работам в этом направлении был подключён Институт высоких температур Академии наук СССР в Москве (ныне Объединённый институт высоких температур, ОИВТ РАН).

Исследованиями в области солнечного теплоснабжения в 1980-е годы в РСФСР стали заниматься также Московский энергетический институт (МЭИ), Московский инженерно-строительный институт (МИСИ) и Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС, город Москва).

Разработки экспериментальных проектов гелиоустановок большой мощности выполнял Центральный научно-исследовательский и проектный институт экспериментального проектирования (ЦНИИ ЭПИО, город Москва).

Вторым по значимости научным и инженерным центром развития солнечного теплоснабжения был Киев (Украина). Головной организацией в Советском Союзе по проектированию гелиоустановок для жилищно-коммунального хозяйства Госгражданстроем СССР был определён Киевский зональный научно-исследовательский и проектный институт (КиевЗНИИЭП). Исследования в этом направлении выполняли Киевский инженерностроительный институт, Институт технической теплофизики Академии наук Украины, Институт проблем материаловедения АН УССР и Киевский институт электродинамики.

Третьим центром в СССР был город Ташкент, где исследованием занимались Физико-технический институт Академии наук Узбекской ССР и Каршинский госпединститут. Разработку проектов гелиоустановок выполнял Ташкентский зональный научно-исследовательский и проектный институт ТашЗНИИЭП. В советское время солнечным теплоснабжением занимался Институт солнечной энергии Академии наук Туркменской ССР в городе Ашхабаде. В Грузии исследования солнечных коллекторов и гелиоустановок проводили объединение «Спецгелиотепломонтаж» (город Тбилиси) и Грузинский НИИ энергетики и гидротехнических сооружений.

В 1990-е годы в Российской Федерации к исследованиям и проектированию гелиоустановок подключились специалисты из города Краснодара, оборонного комплекса (АО «ВПК «НПО «Машиностроения», Ковровский механический завод), Института морских технологий (город Владивосток), «Ростовтеплоэлектропроекта», а также Сочинского института курортологии. Краткий обзор научных концепций и инженерных разработок представлен в работе [3].

В СССР головной научной организацией по солнечному теплоснабжению являлся Энергетический институт (ЭНИН*, Москва) (прим. автора: Деятельность ЭНИНа в области солнечного теплоснабжения с исчерпывающей полнотой описана д.т.н., профессором Борисом Владимировичем Тарнижевским (1930–2008) в статье «Солнечный круг» из сборника «ЭНИН. Воспоминания старейших сотрудников» (2000 год) [4].), который организовал в 1930 году и возглавлял до 1950-х годов лидер советской энергетики, личный друг В. И. Ленина — Глеб Максимилианович Кржижановский (1872–1959).

В ЭНИН по инициативе Г. М. Кржижановского в 1940-е годы была создана лаборатория гелиотехники, которой руководил вначале д.т.н., профессор Ф. Ф. Молеро, а затем долгие годы (до 1964 года) д.т.н., профессор Валентин Алексеевич Баум (1904–1985), совмещавший обязанности заведующего лабораторией с работой заместителя директора ЭНИН.

В. А. Баум моментально схватывал суть дела и давал важные для аспирантов советы по продолжению или завершению работы. Его ученики с благодарностью вспоминали семинары лаборатории. Они проходили очень интересно и на действительно хорошем уровне. В. А. Баум был весьма широко эрудированным учёным, человеком высокой культуры, большой чуткости и такта. Все эти качества он сохранил до глубокой старости, пользуясь любовью и уважением своих учеников. Высокий профессионализм, научный подход и порядочность отличала этого незаурядного человека. Под его руководством были подготовлены более 100 кандидатских и докторских диссертаций.

С 1956 года Б. В. Тарнижевский (1930– 2008) — аспирант В. А. Баума и достойный продолжатель его идей. Высокий профессионализм, научный подход и порядочность отличала этого незаурядного человека. В числе десятков его учеников и автор этой статьи. В ЭНИНе Б. В. Тарнижевский проработал до последних дней жизни 39 лет. В 1962 году он переходил на работу во ВНИИ источников тока, расположенный в Москве, а затем через 13 лет снова возвратился в ЭНИН.

В 1964 году после избрания В. А. Баума действительным членом Академии наук Туркменской ССР он уехал в Ашхабад, где возглавил Физико-технический институт. Его преемником на должности заведующего лабораторией гелиотехники стал Юрий Николаевич Малевский (1932–1980). Он в 1970-е годы выдвинул идею создания в Советском Союзе экспериментальной солнечной электростанции мощностью 5 МВт башенного типа с термодинамическим циклом преобразования (СЭС-5, располагалась в Крыму) и возглавил масштабную команду из 15 организаций по её разработке и строительству.

Другая идея Ю. Н. Малевского состояла в создании на южном берегу Крыма комплексной экспериментальной базы по солнечному теплои холодоснабжению, которая одновременно являлась бы достаточно крупным демонстрационным объектом и центром исследований по данному направлению. Для решения этой задачи Б. В. Тарнижевский возвращается в 1976 году в ЭНИН. В это время лаборатория гелиотехники имела 70 человек. В 1980 году после смерти Ю. Н. Малевского лаборатория гелиотехники была разделена на лабораторию солнечных электростанций (её возглавил сын В. А. Баума — д.т.н. Игорь Валентинович Баум, 1946 г.р.) и лабораторию солнечного теплоснабжения под руководством Б. В. Тарнижевского, которая занималась созданием Крымской базы теплои холодоснабжения. И. В. Баум до поступления на работу в ЭНИН заведовал лабораторией в НПО «Солнце» Академии наук Туркменской ССР (1973–1983) в Ашхабаде.

В ЭНИН И. В. Баум заведовал лабораторией СЭС. В период с 1983 по 1987 годы он много сделал для создания первой в СССР термодинамической солнечной электростанции. В 1980-е годы работы по использованию ВИЭ и, в первую очередь, солнечной энергии достигли в институте наибольшего разворота. В 1987 году было завершено строительство Крымской экспериментальной базы в районе Алушты. Для её эксплуатации на месте была создана специальная лаборатория.

В 1980-е годы лаборатория солнечного теплоснабжения участвовала в работах по внедрению в массовое промышленное производство солнечных коллекторов, созданию установок солнечного и горячего водоснабжения, в том числе крупных — с площадью СК более 1000 м² и других масштабных проектов.

Как вспоминал Б. В. Тарнижевский [4], в области солнечного теплоснабжения в 1980-е годы была незаменима деятельность Сергея Иосифовича Смирнова, который участвовал в создании первой в стране солнечно-топливной котельной для одной из гостиниц в Симферополе, ряда других солнечных установок, в разработке расчётных методик для проектирования установок солнечного теплоснабжения. С. И. Смирнов был весьма приметной и популярной в институте личностью.

Мощный интеллект в сочетании с добротой и некоторой импульсивностью характера создавал неповторимое обаяние этого человека. Вместе с ним в его группе работали Ю. Л. Мышко, Б. М. Левинский и другие сотрудники. Группой по разработке селективных покрытий, которую возглавляла Галина Александровна Гухман, была разработана технология химического нанесения селективных поглощающих покрытий на абсорберы солнечных коллекторов, а также технология нанесения термостойкого селективного покрытия на трубчатые приёмники концентрированного солнечного излучения.

В начале 1990-х годов лаборатория солнечного теплоснабжения осуществляла научное и организационное руководство проектом по солнечным коллекторам нового поколения, входившим в программу «Экологически безопасная энергетика». К 1993–1994 годам в результате проведённых научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских работ удалось создать конструкции и организовать производство солнечных коллекторов, не уступающих зарубежным аналогам по теплотехническим и эксплуатационным характеристикам.

Под руководством Б. В. Тарнижевского был разработан проект ГОСТ 28310–89 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия». Для оптимизации конструкций плоских солнечных коллекторов (ПСК) Борисом Владимировичем был предложен обобщённый критерий: частное от деления стоимости коллектора на количество тепловой энергии, выработанной им за расчётный срок службы [5].

В последние годы СССР под руководством д.т.н., профессора Б. В. Тарнижевского были разработаны конструкции и технологии восьми солнечных коллекторов: один с панельным абсорбером из нержавеющей стали, два с абсорберами из алюминиевых сплавов, три с абсорберами и прозрачной изоляцией из полимерных материалов, две конструкции воздушных коллекторов. Разрабатывались технологии выращивания листотрубного алюминиевого профиля из расплава, технология изготовления упрочнённого стекла, нанесение селективного покрытия.

Конструкция солнечного коллектора, разработанная ЭНИН, серийно выпускалась Братским заводом отопительного оборудования. Абсорбер — штампосварная стальная панель с селективным гальваническим покрытием «чёрный хром». Корпус штампованный (корыто) — стальной, стекло — оконное, уплотнение стекла — спецмастика (герлен). Ежегодно (по данным 1989 года) заводом производилось 42,3 тыс. м² коллекторов.

Б. В. Тарнижевским были разработаны методы расчёта активных и пассивных систем теплоснабжения зданий. На стенде ЭНИНа с 1990 по 2000 годы были испытаны 26 различных солнечных коллекторов, в том числе все, производимые в СССР и в России.

В 1975 году к работам в области возобновляемой энергетики подключился Институт высоких температур Академии наук (ИВТАН) под руководством членакорреспондента РАН, д.т.н., профессора Эвальда Эмильевича Шпильрайна (1926– 2009). Работа ИВТАНА по возобновляемой энергетике подробно описана д.т.н. О.С. Попелем в статье «ОИВТ РАН. Итоги и перспективы» из юбилейного сборника статей института в 2010 году [6]. В сжатые сроки совместно с проектными организациями были разработаны и обоснованы концептуальные проекты «солнечных» домов для юга страны, развиты методы математического моделирования систем солнечного теплоснабжения, начато проектирование первого в России научного полигона «Солнце» на берегу Каспийского моря вблизи города Махачкала.

В ИВТ РАН была создана сначала научная группа, а затем лаборатория под руководством Олега Сергеевича Попеля, в которых совместно с сотрудниками Особого конструкторского бюро ИВТ РАН наряду с обеспечением координации и расчётно-теоретического обоснования разрабатываемых проектов были начаты исследования в области создания электрохимических оптических селективных покрытий солнечных коллекторов, разработки так называемых «солнечных прудов», систем солнечного теплоснабжения в комбинации с тепловыми насосами, солнечных сушильных установок, велись работы и в других направлениях.

Одним из первых практических результатов коллектива ИВТ РАН стало строительство «солнечного дома» в посёлке Мердзаван Эчмиадзинского района Армении. Этот дом стал первым экспериментальным энергоэффективным «солнечным домом» в СССР, оснащённым необходимым экспериментальным диагностическим оборудованием, на котором главным конструктором проекта М. С. Калашяном из Института «Армгипросельхоз» с участием сотрудников ИВТ РАН был проведён шестилетний цикл круглогодичных экспериментальных исследований, показавших возможность практически 100 %-го обеспечения дома горячей водой и покрытия нагрузки отопления на уровне более 50 %.

Другим важным практическим результатом стало внедрение на Братском заводе отопительного оборудования разработанной в ИВТ РАН М. Д. Фридбергом (совместно со специалистами Московского вечернего металлургического института) технологии нанесения электрохимических селективных покрытий «чёрный хром» на стальные панели плоских солнечных коллекторов, производство которых было освоено на этом заводе.

В середине 1980-х годов в Дагестане был введён в эксплуатацию полигон ИВТ РАН «Солнце». Расположенный на площади около 12 га полигон включал в себя, наряду с лабораторными корпусами, группу «солнечных домов» различных типов, оснащённых солнечными коллекторами и тепловыми насосами. На полигоне состоялся запуск одного из наиболее крупных в мире (на тот момент) имитаторов солнечного излучения. Источником излучения служила мощная ксеноновая лампа мощностью 70 кВт, оснащённая специальными оптическими фильтрами, позволяющими регулировать спектр излучения от заатмосферного (АМ0) до наземного (АМ1,5). Создание имитатора обеспечило возможность проведения ускоренных испытаний стойкости различных материалов и красок к воздействию солнечного излучения, а также испытаний крупноразмерных солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей.

К сожалению, в 1990-е годы в связи с резким сокращением бюджетного финансирования исследований и разработок большинство начатых ИВТ РАН проектов в Российской Федерации пришлось заморозить. Для сохранения направления работ в области возобновляемой энергетики исследования и разработки лаборатории были переориентированы на научное сотрудничество с ведущими зарубежными центрами. Выполнялись проекты по программам INTAS и TASIS, Европейской рамочной программы в области энергосбережения, тепловых насосов и солнечных адсорбционных холодильных установок, что, с другой стороны, позволило развить научные компетенции в смежных областях науки и техники, освоить и использовать в различных энергетических приложениях современные методы динамического моделирования энергоустановок (к.т.н. С. Е. Фрид).

По инициативе и под руководством О. С. Попеля совместно с МГУ (к.ф.-м.н. С. В. Киселёва) был разработан «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации», создана Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России» (gisre.ru). Совместно с институтом «Ростовтеплоэлектропроект» (к.т.н. А. А. Чернявский) разработаны, построены и испытаны гелиоустановки с солнечными коллекторами Ковровского механического завода для систем отопления и ГВС объектов специальной астрофизической обсерватории РАН в Карачаево-Черкессии. В ОИВТ РАН создан единственный в России специализированный теплогидравлический стенд для натурных тепловых испытаний солнечных коллекторов и гелиоустановок в соответствии с российскими и зарубежными стандартами, разработаны рекомендации для применения гелиоустановок в различных регионах РФ. Подробнее с некоторыми результатами исследований и разработок ОИВТ РАН в области ВИЭ можно ознакомиться в книге О. С. Попеля и В. Е. Фортова «Возобновляемая энергетика в современном мире» [7].

В Московском энергетическом институте (МЭИ) вопросами солнечного теплоснабжения занимались д.т.н. В. И. Виссарионов, д.т.н. Б. И. Казанджан и к.т.н. М. И. Валов.

В. И. Виссарионов (1939–2014) заведовал кафедрой «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии (в 1988–2004 годах). Под его руководством проводились работы по расчёту ресурсов солнечной энергии, развитию солнечного теплоснабжения. М. И. Валовым совместно с сотрудниками МЭИ в 1983–1987 годах были опубликованы ряд статей по исследованию гелиоустановок. Одной из самых содержательных книг является работа М. И. Валова и Б. И. Казанджана «Системы солнечного теплоснабжения» [8], в которой исследовались вопросы низкопотенциальных солнечных установок (принципиальные схемы, климатические данные, характеристики СК, конструкции плоских СК), расчёт энергетических характеристик, экономическая эффективность использования систем солнечного теплоснабжения. Д.т.н. Б. И. Казанджаном разработана конструкция и освоено производство плоского солнечного коллектора «Альтэн». Особенностью этого коллектора является то, что абсорбер выполнен из алюминиевого плавникового профиля, внутри которого запрессована медная трубка, а в качестве прозрачной изоляции применён сотовый поликарбонат.

Сотрудником Московского инженерностроительного института (МИСИ) к.т.н. С. Г. Булкиным были разработаны термонейтральные солнечные коллекторы (абсорберы без прозрачной изоляции и теплоизоляции корпуса). Особенностью работы являлась подача в них теплоносителя на 3–5 °C ниже температуры окружающего воздуха и возможность использования скрытой теплоты конденсации влаги и инееобразования атмосферного воздуха (гелиоабсорбционные панели). Теплоноситель нагретый в этих панелях догревался тепловым насосом («воздух–вода»). В МИСИ был сооружён испытательный стенд с термонейтральными солнечными коллекторами и несколько гелиоустановок в Молдавии.

Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС) разработал и выпускал СК со штампосварным алюминиевым абсорбером, заливной пенополиуретановой теплоизоляцией корпуса. С 1991 года производство СК было передано на Бакинский завод по обработке сплавов цветных металлов. В ВИЛС в 1981 году были разработаны Методические указания по проектированию энергоактивных зданий. В них впервые в СССР абсорбер был интегрирован в конструкцию здания, что улучшало экономику использования солнечной энергии. Лидерами этого направления были к.т.н. Н. П. Селиванов и к.т.н. В. Н. Смирнов.

Центральным научно-исследовательским институтом инженерного оборудования (ЦНИИ ЭПИО) в Москве был разработан проект, по которому в Ашхабаде построена солнечно-топливная котельная мощностью 3,7 МВт, разработан проект солнечно-теплонасосной установки гостиницы «Приветливый берег» в городе Геленджике с площадью СК 690 м². В качестве тепловых насосов применены три холодильных машины МКТ 220-2-0, работающие в режиме тепловых насосов с использованием тепла морской воды [9].

Ведущей организацией СССР по проектированию гелиоустановок являлся институт КиевЗНИИЭП, в котором разработано 20 типовых и повторно применяемых проектов: отдельно стоящей установки солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией для индивидуального жилого дома; унифицированной установки солнечного горячего водоснабжения общественных зданий производительностью 5, 7, 15, 25, 30, 70 м³/сут.; узлов, деталей и оборудования жилых и общественных зданий массового строительства; установки солнечного горячего водоснабжения сезонного действия производительностью 2,5; 10; 30; 40; 50 м³/сут.; технические решения и методические рекомендации по переоборудованию отопительных котельных в гелиотопливные установки.

Данным институтом были разработаны десятки экспериментальных проектов, в том числе системы солнечного горячего водоснабжения плавательных бассейнов, солнечно-теплонасосная установка горячего водоснабжения. По проекту КиевЗНИИЭП была построена самая большая в СССР гелиоустановка пансионата «Кастрополь» (село Береговое, ЮБК) в Крыму площадью 1600 м². На опытном заводе института КиевЗНИИЭП производились солнечные коллекторы, абсорберы которых выполнены из змеевиковых плавниковых алюминиевых труб собственного изготовления.

Теоретиками гелиотехники на Украине были д.т.н. Михаил Давидович Рабинович (1948 г.р.), к.т.н. Алексей Рувимович Ферт, к.т.н. Виктор Федорович Гершкович (1934–2013). Они являлись основными разработчиками Норм проектирования установок солнечного горячего водоснабжения [10] и Рекомендаций по их проектированию [11]. М. Д. Рабинович занимался исследованием солнечной радиации, гидравлическими характеристиками СК, гелиоустановок с естественной циркуляцией, солнечными системами теплоснабжения, солнечно-топливными котельными, гелиоустановками большой мощности, гелиотехническими системами [12]. А. Р. Ферт разрабатывал конструкцию стенда-имитатора и проводил испытания СК, исследовал регулирование гидравлических гелиоустановок, повышение эффективности гелиоустановок. В Киевском инженерно-строительном институте многосторонними исследованиями гелиоустановок занимался к.т.н. Николай Васильевич Харченко. Он сформулировал системный подход к разработке гелиотеплонасосных систем теплоснабжения, предложил критерии оценки их энергетической эффективности, исследовал вопросы оптимизации гелиотопливной системы теплоснабжения, выполнил сравнение различных методов расчёта гелиосистем. Одна из его наиболее полных книг по малым (индивидуальным) солнечным гелиоустановкам [13] отличается доступностью и информационностью. В Киевском Институте электродинамики над вопросами математического моделирования режимов работы гелиоустановок, СК, экспериментального исследования энергетических характеристик солнечных коллекторов работали к.т.н. А. Н. Стронский и к.т.н. А. В. Супрун. Над математическим моделированием гелиоустановок в Киеве работал также к.т.н. В. А. Никифоров.

Лидером научной инженерной школы гелиотехники Узбекистана (Ташкент) является д.т.н., профессор Раббанакул Рахманович Авезов (1942 г.р.). В 1966–1967 годах он работал в Ашхабадском Физико-техническом институте Туркменистана под руководством д.т.н., профессора В. А. Баума. Р. Р. Авезов развивает идеи учителя в Физико-техническом институте Узбекистана, который превратился в международный исследовательский центр.

Научные направления исследований Р. Р. Авезов сформулировал в докторской диссертации (1990 год, ЭНИН, Москва), а её результаты обобщены в монографии «Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения» [14]. Он развивает в том числе методы эксергетического анализа плоских солнечных коллекторов, создания активных и пассивных систем солнечного отопления. Д.т.н. Р. Р. Авезов обеспечил большой авторитет и международное признание единственному в СССР и в странах СНГ специализированному журналу Applied Solar Energy («Гелиотехника»), который издаётся на английском языке. Его дочь Нилуфар Раббакумовна Авезова (1972 г.р.) — д.т.н., генеральный директор НПО «Физика-Солнца» АН Узбекистана.

Разработкой проектов гелиоустановок в Ташкентском зональном НИИ экспериментального проектирования жилых и общественных зданий (ТашЗНИИЭП) занимался к.т.н. Юсуф Каримович Рашидов (1954 г.р.). Институтом «ТашЗНИИЭП» были разработаны десять типовых проектов жилых домов, гелиодушевых, проект солнечно-топливной котельной, в том числе гелиоустановки производительностью 500 и 100 л/сут., гелиодушевые на две и четыре кабины. С 1984 по 1986 годы было реализовано 1200 типовых проектов гелиоустановок.

В Ташкентской области (посёлок Ильичевск) был построен двухквартирный солнечный дом с отоплением и горячим водоснабжением с гелиоустановкой площадью 56 м². В Каршинском госпединституте А.Т. Теймурханов, А.Б. Вардияшвили и др. занимались исследованиями плоских солнечных коллекторов.

Туркменскую научную школу солнечного теплоснабжения создал д.т.н. В. А. Баум, избранный в 1964 году академиком республики. В Ашхабадском физико-техническом институте он организовал отдел солнечной энергетики и до 1980 году руководил всем институтом. В 1979 году на базе отдела солнечной энергетики был создан Институт солнечной энергии Туркменистана, который возглавил ученик В. А. Баума — д.т.н. Реджеп Байрамович Байрамов (1933–2017). В пригороде Ашхабада (посёлок Бикрова) был построен научный полигон института в составе лабораторий, испытательных стендов, конструкторского бюро, мастерских с численностью работников 70 человек. В. А. Баум до конца жизни (1985) работал в данном институте. Р. Б. Байрамов совместно с д.т.н. Ушаковой Альдой Даниловной исследовал плоские солнечные коллекторы, солнечные системы отопления и солнечные опреснители [15]. Примечательно, что в 2014 году в Ашхабаде был воссоздан Институт солнечной энергии Туркменистана — НПО «ГУН».

В проектно-производственном объединении «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) и Грузинском НИИ энергетики и гидротехнических сооружений под руководством д.т.н. Нугзара Варламовича Меладзе (1937 г.р.) были разработаны конструкции и освоен серийный выпуск солнечных коллекторов, индивидуальных гелиоустановок горячего водоснабжения, гелиоустановок и солнечно-теплонасосных систем. Были определены условия окупаемости сооружения гелиоустановок в различных регионах Грузии, на испытательном стенде в натурных условиях испытывались различные конструкции солнечных коллекторов [16].

Солнечные коллекторы «Спецгелиотепломонтажа» имели оптимальную для своего времени конструкцию: абсорбер штампосварной стальной с лакокрасочным покрытием, корпус — из алюминиевых профилей и оцинкованной стали, стекло оконное, теплоизоляция — из пенопласта и фольгорубероида.

По данным Н. В. Меладзе, только в регионе Кавказа к 1990 году было установлено 46,9 тыс. м² солнечных коллекторов, в том числе в санаториях и гостиницах — 42,7 %, на промышленных гелиоустановках — 39,2 %, сельскохозяйственных объектах — 13,8 %, спортивных объектах — 3,6 %, индивидуальных установках — 0,7 %.

По данным автора, в Краснодарском крае в 1988–1992 годах было установлено 4620 м² солнечных коллекторов «Спецгелиомонтажа» [3]. Работа СГТМ осуществлялась в сотрудничестве с учёными из Грузинского НИИ энергетики и гидротехнических сооружений (ГруНИИЭГС).

Институтом «ТбилЗНИИЭП» были разработаны пять типовых проектов гелиоустановок (ГУ), а также проект солнечно-теплонасосной установки. СГТМ имела в своём составе лабораторию, в которой исследовались солнечные коллекторы, тепловые насосы. Были разработаны стальные, алюминиевые, пластиковые жидкостные абсорберы, воздушные СК со стеклом и без него, СК с концентраторами, различные конструкции термосифонных индивидуальных ГУ. По состоянию на первое января 1989 года «Спецгелиомонтажем» были построены 261 ГУ общей площадью 46 тыс. м² и 85 индивидуальных гелиоустановок для систем ГВС площадью 339 м².

На рис. 2 представлена гелиоустановка по улице Рашпилевской в Краснодаре, успешно работавшая 15 лет с коллекторами «Спецгелиотепломонтажа» (320 шт. общей площадью 260 м²).

Развитием солнечного теплоснабжения в СССР и в России со стороны властных структур занимался д.т.н. Павел Павлович Безруких (1936 г.р.). В 1986–1992 году он в должности главного специалиста Бюро Совета Министров СССР по топливноэнергетическому комплексу курировал серийное производство солнечных коллекторов на братском заводе отопительного оборудования, в Тбилиси в объединении «Спецгелиотепломонтаж» на Бакинском заводе по обработке цветных сплавов. По его инициативе и при непосредственном участии была разработана первая в СССР программа развития возобновляемой энергетики на 1987–1990 годы.

П. П. Безруких с 1990 году принимал самое активное участие в разработке и реализации раздела «Нетрадиционная энергетика» Государственной научно-технической программы «Экологически безопасная энергетика». Он отмечает главную роль научного руководителя программы д.т.н. Э. Э. Шпильрайна по привлечению к работе ведущих учёных и специалистов СССР по ВИЭ. С 1992 по 2004 годы П. П. Безруких, работая в Министерстве топлива и энергетики России и возглавляя отдел, а затем и управление научнотехнического прогресса, руководил организацией производства солнечных коллекторов на Ковровском механическом заводе, НПО «Машиностроение» (город Реутов, Московская область), комплексом научно-технических разработок по солнечному теплоснабжению, реализацией Концепции разработки и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики России. Участвовал в разработке первого российского стандарта ГОСТ Р 51595–2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия» и решении разногласий автора проекта ГОСТ Р д.т.н. Б. В. Тарнижевского и главного конструктора изготовителя коллекторов (Ковровского механического завода) А. А. Лычагина.

В 2004–2013 годах в Институте энергетической стратегии (Москва), а затем в должности заведующего отделения энергосбережения и возобновляемых источников ЭНИНа П. П. Безруких продолжает разработки, в том числе по солнечному теплоснабжению.

В Краснодарском крае работы по проектированию и строительству гелиоустановок начаты инженером-теплоэнергетиком В. А. Бутузовым (1949 г.р.) возглавившим перспективное развитие теплоснабжения производственного объединения «Кубаньтеплокоммунэнерго». С 1980 по 1986 годы были разработаны проекты и построены шесть солнечно-топливных котельных общей площадью 1532 м². За эти годы были налажены конструктивные отношения с изготовителями СК: Братским заводом, «Спецгелиотепломонтажом», КиевЗНИИЭПом. В связи с отсутствием в 1986 году в советских климатологических справочниках данных по солнечной радиации, с 1977 по 1986 годы с метеостанций Краснодара и Геленджика были получены достоверные результаты для проектирования гелиоустановок.

После защиты кандидатской диссертации в 1990 году, работы по развитию гелиотехники были продолжены организованной В. А. Бутузовым Краснодарской лабораторией энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства (Москва). Были разработаны и усовершенствованы несколько конструкций плоских СК, стенд для их натурных испытаний. В результате обобщения опыта проектирования и строительства гелиоустановок был разработаны «Общие требования к проектированию гелиоустановок и ЦТП в коммунально-бытовом хозяйстве».

На основании анализа результатов обработки значений суммарной солнечной радиации для условий Краснодара за 14 лет, а Геленджика — за 15 лет в 2004 году предложен новый способ предоставления месячных значений суммарной солнечной радиации с определением их максимальных и минимальных величин, вероятности их наблюдения. Определены расчётные месячные и годовые значения суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации для 54 городов и административных центров Краснодарского края. Установлено, что для объективного сопоставления СК различных производителей помимо сравнения их стоимостей и энергетических характеристик, полученных по стандартной методике на сертифицированных испытательных стендах, необходимо учитывать затраты энергии на их изготовление и эксплуатацию. Оптимальная стоимость конструкции СК определяется в общем случае соотношением стоимости выработанной тепловой энергии и затратами на изготовление, эксплуатацию за расчётный срок службы. Совместно с Ковровским механическим заводом разработана и серийно выпускалась конструкция СК, имевшая оптимальные для российского рынка соотношение стоимости и энергетических затрат. Разработаны проекты и осуществлено строительство типовых гелиоустановок горячего водоснабжения суточной производительностью от 200 л до 10 м³. С 1994 года работы по гелиоустановкам были продолжены в АО «Южно-Русская энергетическая компания». С 1987 по 2003 годы выполнена разработка и строительство 42 гелиоустановок, а также завершено проектирование 20 гелиоустановок [3]. Результаты работы В.А. Бутузова были обобщены в докторской диссертации, защищённой в ЭНИН (Москва).

С 2006 по 2010 годы ООО «Теплопроектстрой» разрабатывал и строил гелиоустановки котельных малой мощности, при установке в которых СК в летнее время сокращается эксплуатационный персонал, что снижает срок окупаемости гелиоустановок. В эти годы разрабатывались и строились самодренируемые гелиоустановки, при остановке насосов в которых вода сливается из СК в баки, предотвращая перегрев теплоносителя. В 2011 году создана конструкция, изготовлены опытные экземпляры плоских СК, разработан испытательный стенд для организации производства СК в Ульяновске. С 2009 по 2013 год в АО «Южгеотепло» (Краснодар) разработало проект и построило самую большую гелиоустановку в Краснодарском крае площадью 600 м² в городе Усть-Лабинск (рис. 3). При этом были выполнены исследования по оптимизации компоновки СК с учётом затенения, автоматизации работы, схемные решения. Разработана и построена геотермальная солнечная система теплоснабжения площадью 144 м² в посёлке Розовом Краснодарского края. В 2014 году разработана методика оценки экономической окупаемости гелиоустановок в зависимости от интенсивности солнечной радиации, КПД гелиоустановки, удельной стоимости замещаемой тепловой энергии [17].

Многолетнее творческое сотрудничество В. А. Бутузова с д.т.н., профессором Кубанского государственного аграрного университета Робертом Александровичем Амерхановым (1948 г.р.) реализовано в разработке теоретических основ создания гелиоустановок большой мощности и комбинированных геотермально-солнечных систем теплоснабжения [18]. Под его руководством подготовлены десятки кандидатов технических наук, в том числе в области солнечного теплоснабжения. В многочисленных монографиях Р. А. Амерханова рассмотрены вопросы проектирования гелиоустановок сельскохозяйственного назначения.

Опытнейшим специалистом по проектированию гелиоустановок является главный инженер проектов института «Ростовтеплоэлектропроект» к.т.н. Адольф Александрович Чернявский (1936 г.р.). Этим направлением он в инициативном порядке занимался более 30 лет. Им разработаны десятки проектов, многие из которых реализованы в России и других странах. Уникальные системы солнечного отопления и ГВС описаны в разделе института ОИВТ РАН [6]. Проекты А. А. Чернявского отличаются проработкой всех разделов, включая детальное экономическое обоснование. На основе солнечных коллекторов Ковровского механического завода разработаны «Рекомендации по проектированию солнечных станций теплоснабжения».

Под руководством А. А. Чернявского созданы уникальные проекты фотоэлектрических станций c тепловыми коллекторами в городе Кисловодске (6,2 МВт электрических, 7 МВт тепловых), а также станция в Калмыкии общей установленной мощностью 150 МВт. Выполнены уникальные проекты термодинамических солнечных электростанций установленной электрической мощностью 30 МВт в Узбекистане, 5 МВт — в Ростовской области; реализованы проекты гелиоустановок пансионатов на побережье Чёрного моря площадью 40–50 м² для систем солнечного отопления и ГВС объектов специальной астрофизической обсерватории в Карачаево-Черкесии. Для института «Ростовтеплоэлектропроект» характерен масштаб разработок — солнечные станции теплоснабжения жилых посёлков, городов. Основные результаты разработок этого института, проводимые совместно с ОИВТ РАН, опубликованы в книге «Автономные системы энергоснабжения» [19].

Развитием гелиоустановок в Сочинском государственном университете (Институт курортного дела и туризма) руководил д.т.н., профессор Садилов Павел Васильевич, заведующий кафедрой инженерной экологии. Инициатор возобновляемой энергетики, он разработал и построил несколько гелиоустановок, в том числе в 1997 году в посёлке Лазаревском (город Сочи) площадью 400 м², гелиоустановку Института курортологии [20], несколько теплонасосных установок.

В Институте морских технологий Дальневосточного отделения РАН (город Владивосток) заведующим лаборатории нетрадиционной энергетики к.т.н. Александром Васильевичем Волковым, трагически погибшим в 2014 году, были разработаны и построены десятки гелиоустановок общей площадью 2000 м², стенд для натурных сравнительных испытаний солнечных коллекторов, новые конструкции плоских СК, проверена эффективность вакуумных СК китайских производителей [21].

Выдающийся конструктор и человек Адольф Александрович Лычагин (1933– 2012) являлся автором нескольких типов уникальных зенитных управляемых ракет, в том числе «Стрела-10М». В 1980-е годы он в должности главного конструктора (в инициативном порядке) на военном Ковровском механическом заводе (КМЗ) разработал солнечные коллекторы, которые отличала высокая надёжность, оптимальное соотношение цены и энергетической эффективности. Он смог убедить руководство завода освоить серийное производство солнечных коллекторов, и создать заводскую лабораторию по испытанию СК. С 1991 по 2011 годы КМЗ произвёл около 3000 шт. солнечных коллекторов, каждая из трёх модификаций которых отличалась новыми эксплуатационными качествами. Руководствуясь «мощностной ценой» коллектора, при которой стоимости разных конструкций СК сравниваются при одинаковой солнечной радиации, А. А. Лычагин создал коллектор с абсорбером из латунной трубчатой решётки со стальными поглощающими рёбрами. Были разработаны и изготовлены воздушные солнечные коллекторы [22]. Высочайшая инженерная квалификация и интуиция сочетались в Адольфе Александровиче с патриотизмом, стремлением развивать экологически безопасные технологии, принципиальностью, высоким художественным вкусом. Перенеся два инфаркта, он смог специально за тысячу километров приехать в Мадрид, чтобы в музее Прадо два дня изучать великолепные полотна.

АО «ВПК «НПО Машиностроения» (город Реутов, Московская область) занимается производством солнечных коллекторов с 1993 года. Разработка конструкций коллекторов и солнечных водонагревательных установок на предприятии выполняется конструкторским подразделением ЦКБ машиностроения. Руководитель проекта — к.т.н. Николай Владимирович Дударев. В первых конструкциях солнечных коллекторов корпуса и штампосварочные абсорберы изготавливались из нержавеющей стали. На основе коллектора 1,2 м² на предприятии были разработаны и изготавливались солнечные термосифонные водонагревательные установки с баками вместимостью 80 и 120 л. В 1994 году была разработана и внедрена в производство технология получения селективного поглощающего покрытия методом вакуумного электродугового напыления, в 1999 году дополнившаяся магнетронным способом вакуумного напыления. На основе этой технологии было начато производство солнечных коллекторов типа «Сокол». Абсорбер и корпус коллектора изготавливались из алюминиевых профилей. Сейчас НПО производит солнечные коллекторы «Сокол-Эффект» с листотрубными медными и алюминиевыми абсорберами. Единственный российский солнечный коллектор сертифицирован по европейским нормам институтом SPF из Рапперсвилла в Швейцарии (Institut für Solartechnik Hochschule für Technik Rappelswill).

Научно-производственное предприятие «Конкурент» (с 2000 года — «Радуга-Ц», город Жуковский, Московской область) с 1992 года выпускало солнечные коллекторы «Радуга». Главный конструктор — Вячеслав Алексеевич Шершнев.

Штампосварный абсорбер производился из листовой нержавеющей стали. Покрытие абсорбера — селективное PVD или чёрной матовой термостойкой краской. Годовая программа НПП до 4000 шт. Энергетические характеристики коллектора получены при испытании в ЭНИН. Производилась также термосифонная гелиоустановка «Радуга-2М» в составе двух СК по 1 м² и бака вместимостью 200 л. В баке были плоская греющая панель, в которую поступал теплоноситель от СК, а также дублирующий электронагреватель мощностью 1,6 кВт.

ООО «Новый Полюс» (Москва) — второй российский производитель, разработавший собственные конструкции и в настоящее время производящий плоские жидкостные, плоские воздушные, плоские воздушно-жидкостные, трубчатые вакуумные солнечные коллекторы, выполняет проекты и монтаж гелиоустановок. Генеральный директор — Алексей Викторович Скоробатюк.

Предлагаются четыре модели плоских жидкостных коллекторов типа «ЯSolar». Все жидкостные абсорберы данного производителя выполнены из медного листа с селективным Tinox-покрытием и медных трубок. Соединение трубок с листом паянное с обвальцовкой. ООО «Новый Полюс» предлагает также три типа вакуумных трубчатых СК собственного изготовления с медными абсорберами с U-образными трубками.

Выдающийся специалист, энергичный и высокоинтеллектуальный человек Геннадий Павлович Касаткин (1941 г.р.) — горный инженер и проектировщик с многолетним стажем — начал заниматься гелиотехникой в 1999 году в городе Улан-Уде (Бурятия). В организованном им Центре энергоэффективных технологий (ЦЭФТ) были разработаны несколько конструкций жидкостных и воздушных коллекторов, построено около 100 гелиоустановок различных типов общей площадью 4200 м². На основе выполненных им расчётов изготавливались опытные образцы, которые после испытаний в натурных условиях тиражировались на гелиоустановках Республики Бурятия.

Инженером Г. П. Касаткиным разработаны несколько новых технологий: сварки пластиковых абсорберов, изготовление корпусов коллекторов.

Единственный в России, он разработал и построил несколько воздушных гелиоустановок с коллекторами собственной конструкции. Хронологически его разработки солнечных коллекторов начались с 1990 года со сварных листотрубных стальных абсорберов. Затем появились варианты медных и пластиковых коллекторов со сварными и соединяемыми обжимом абсорберами и, наконец, современные конструкции с европейскими медными селективными листами и трубками. Г. П. Касаткин, развивая концепцию энергоактивных зданий, построил гелиоустановку, коллекторы которой интегрированы в кровлю здания. В последние годы инженер передал руководящие функции в ЦЭФТ своему сыну И. Г. Касаткину, успешно продолжающему традиции фирмы ООО «ЦЭФТ».

На рис. 4 представлена гелиоустановка гостиницы «Байкал» в городе Улан-Уде площадью 150 м².

Выводы

1. Расчётные данные солнечной радиации для проектирования гелиоустановок в СССР основывались на разнообразных методиках обработки массивов измерений метеостанций. В РФ эти методики дополнены материалами международных спутниковых компьютерных баз данных.

2. Ведущей школой по проектированию гелиоустановок в Советском союзе был институт КиевЗНИИЭП, которым были разработаны руководящие документы и десятки проектов. В настоящее время актуальные российские нормы и рекомендации отсутствуют. Проекты гелиоустановок на современном уровне выполняются в российском институте «Ростовтеплоэлектропроект» (к.т.н. А.А. Чернявский) и в компании ООО «ЭнерготехнологииСервис» (к.т.н. В.В. Бутузов, Краснодар).

3. Технико-экономическими исследованиями гелиоустановок в СССР занимались ЭНИН (Москва), КиевЗНИИЭП, ЦНИИЭПИО (Москва). В настоящее время эти работы ведутся в институте «Ростовтеплоэлектропроект» и в компании ООО «Энерготехнологии-Сервис».

4. Ведущей научной организацией СССР по исследованию солнечных коллекторов был Энергетический институт имени Г. М. Кржижановского ( Москва). Лучшую для своего времени конструкцию коллекторов производил «Спецгелиотепомонтаж» (Тбилиси). Из российских производителей Ковровский механический завод выпускал солнечные коллекторы с оптимальным соотношением цены и энергоэффективности. Современные российские производители собирают коллекторы из зарубежных комплектующих.

5. В СССР проектирование, изготовление солнечных коллекторов, монтаж и наладку выполняла фирма «Спецгелиотепломонтаж». До 2010 года по такой схеме работала фирма ООО «ЦЭФТ» (Улан-Удэ).

6. Анализ отечественного и зарубежного опыта солнечного теплоснабжения показал несомненные перспективы его развития в России, а также необходимость государственной поддержки. В числе первоочередных мероприятий: создание российского аналога компьютерной базы данных солнечной радиации; разработка новых конструкций солнечных коллекторов с оптимальным соотношением цены и энергоэффективности, новых энергоэффективных проектных решений с адаптированием к российским условиям.

Солнечный коллектор воздуха

Относительно недавно на рынке появились, и уже стали достаточно популярными, воздушные коллекторы на солнечных батареях. «Умельцы» собирают воздушные нагреватели из пивных банок и прочего мусора, снимают видео и обсуждают на форумах. В этой статье мы расскажем о конструкции воздушных коллекторов и о сфере их применения в строительстве домов.

Воздушный коллектор представляет собой некую плоскую камеру, черную изнутри, с одной прозрачной стенкой. С одной стороны в камеру заходит холодный воздух — с другой стороны выходит нагретый. Изготовить воздушный коллектор несложно, по крайней мере гораздо проще, чем водяной, но есть ряд тонкостей..

Насколько полезен воздушный солнечный коллектор?

Применяются воздушные коллектора либо для нагрева приточного воздуха в системах вентиляции, либо для нагрева воздуха в режиме рециркуляции. Вроде бы все просто, но возникает ряд логичных вопросов. Мы уже писали о сложностях солнечного отопления при помощи водяных солнечных коллекторов, с воздушными системами, ровно та же проблема —  солнце плохо светит зимой. Таким образом, применение солнечных коллекторов для отопления ограничено. Это могут быть:

• жилые дома в южных регионах;
• цеха, склады, производственные помещения;
• или дачи и теплицы, отапливаемые преимущественно в межсезонье.

Гораздо больший интерес представляет задача о нагреве приточного воздуха. Дело в том, что в зимний период, перед тем, как подавать свежий воздух в помещение, его нужно нагреть до температуры, близкой к комнатной, и именно для этих целей коллектор воздуха на солнечной энергии крайне полезен. Конечно, солнце зимой светит очень мало, но и приточного воздуха требуется не так уж много. 

Ранее, когда дома остекляли деревянными рамами, проблем с вентиляцией помещений не возникало. С санузле и на кухне работала естественная вытяжка, а свежей воздух поступал через щели в окнах. Сегодня ситуация иная — почти все окна заменены на пластиковые, квартира в целом становится герметичной и если нет дополнительной механической вентиляции, вытяжка не работает должным образом, а притока свежего воздуха практически нет. Между тем, для каждого человека нужно подавать до 60м³*час свежего воздуха, поэтому крайне важно летом открывать окна, а зимой иметь хоть какой-то приток.

Из этих соображений воздушный солнечный коллектор должен висеть на стене и подавать через эту самую стену воздух в комнату. При этом коллектор должен иметь свой вентилятор, работающей от небольшой солнечной батареи, находящейся там же, где и само устройство. Принцип работы довольно прост, солнце светит, воздух нагревается, вентилятор крутится, происходит приток. Если солнце не светит, вентилятор не вращается, и подачи воздуха не происходит.

Именно такие солнечные системы российского производства поставляет наша компания. Небольшая солнечная батарея и вентилятор находятся непосредственно внутри коллектора, плюс само устройство работает как крупнодисперсный фильтр воздуха, что в городских условиях довольно важно. В результате система работает сама по себе, без подключения к электросети и может быть полезна в автономных системах, где подключение к сетевому электричеству отсутствует. Системы комплектуются крепежными элементами для крыши или фасада и системой управления и поставляются в собранном виде с детальной инструкцией по установке.

Конечно, сфера применения воздушных СК не столь велика, однако, при их помощи можно довольно просто и недорого решать очень важную задачу – приток свежего воздуха в помещение в зимний период.

Самые популярные модели воздушных солнечных коллекторов

Полный ассортимент и цены представлены в разделе каталога Солнечные коллекторы воздуха

Перейти к другим полезным статьям..

Альтернативная энергия и варианты её применение » Солнечные водонагреватели: виды и установка

Солнечные водонагреватели (СВ) являются, по сути, солнечными коллекторами – концентраторами, которые преимущественно применяются для нагрева воды в системе отопления и в разных резервуарах. В быту подобные системы называют солнечным накопителем или солнечным тепловым коллектором.

Смонтированный водонагреватель на крыше здания

По подсчету ученых солнечная энергия, поступающая на Землю, превышает энергопотребление населения планеты за год в 30 тысяч раз и намного раз больше запасов топлива на земном шаре. Но поток солнечного излучения поступает рассеяно и имеет низкую концентрацию. Даже в солнечную погоду на юге страны плотность солнечной энергии за год 1400-1600 кВт⋅ч, а в полдень не превышает 1800 Вт/м². А на севере этот показатель за год составляет 550-1200 кВт⋅ч, а в полдень – 1000 Вт/м². Поэтому в расчете солнечных коллекторов учитывают количество солнца и требуемое количество воды в сутки, исходя из количества проживающих людей в доме.

Хотя человечество тысячелетиями использовало энергию Солнца для разных своих нужд, в том числе для нагрева воды, все эти действия были малоэффективными, и человек никогда не добивался желаемого результата. Поэтому возникает необходимость использовать этот дешевый и неисчерпаемый источник энергии более эффективно.

На этой почве появилась новая отрасль энергетики – гелиоэнергетика, задачей которой является более эффективное использование тепловой энергии Солнца для человеческих нужд. Она особо развивается в странах, где невозможно или трудно воспользоваться энергиями воды и ветра, отсутствуют запасы каменного угля и нефти. Основными объектами гелиоэнергетики являются гелиоустановки, которые рассчитаны на преобразование солнечной энергии в другой вид энергии и разделяются на 2 основных типа:

• солнечные коллекторы – для производства тепловой энергии;
• солнечные батареи – для выработки электроэнергии.

Примитивная схема работы солнечных водонагревателей

Солнечный водонагреватель состоит из наружной части (солнечный коллектор) и внутренней части, называемой резервуаром-теплообменником. Например, для дома работают по такому принципу: резервуар-теплообменник с помощью внешнего коллектора нагревает воду, которая поступает в систему отопления. Воду в резервуаре можно использовать и как горячую воду для других нужд. Но тут нужно принимать дополнительные меры, чтобы резервуар-теплообменник, наряду с солнечной энергией, также смог работать от других источников домашнего отопления, когда солнечной энергии будет недостаточно. Встречаются самодельные солнечные водонагреватели для дома из пластиковых бутылок либо других абсорберов, но эффективность их оставляет желать лучшего.

Различают следующие типы солнечных водонагревателей, исходя из вида коллектора:

• плоские;
• вакуумные;
• пластиковые.

По способу монтажа и комплектации различают активные и пассивные системы.

Солнечные водонагреватели с плоскими коллекторами

Плоский солнечный нагреватель

Плоский простой солнечный коллектор (СК) представляет собой прямой абсорбер (поглотитель) солнечного излучения для нагрева воды. Абсорбер в коллекторе – это металлическая пластина или отлитая резина высокого качества с собирательными и распределительными трубками, которые должны быть устойчивыми к перепаду температуры от -50 °С до +120 °С и сохраняющими при этом эластичность и гибкость. Падающий поток солнечной энергии повышает температуру поглотителя. Чтобы избежать потери тепла, коллекторы покрываются стеклом толщиной не менее 4 мм с высоким коэффициентом пропускания света K>92%. Плоские солнечные коллекторы имеют большую площадь, которая пропорциональна площади поверхности нагреваемой воды в отношениях 0,5-0,8 к одному.

Плоский вакуумный солнечный коллектор – разновидность СК, где вакуум позволяет увеличить теплоизоляцию коллектора. Используемые медные трубки со стенками, стойкие к высокому давлению, изготавливаются в форме меандра и имеют клапаны для сохранения и создания разрежения в них.

Солнечные водонагреватели с вакуумными коллекторами

Ваккуумный солнечный водонагреватель

Вакуумные солнечные коллекторы или вакуумированные трубчатые коллекторы имеют то же назначение, что и плоские. В них поток солнечного излучения попадает во внутреннюю поверхность стеклянных трубок. Трубки вакуумированы и их внутренняя поверхность покрыта поглотителем. Благодаря вакууму и внутреннему поглотителю потеря тепла не происходит. Тепло от коллектора передается в теплообменник. Жидкость в трубке теплообменника нагревается. Часть жидкости превращается в пар, который поступает в конденсатор, где вновь превращается в жидкость. Она опять возвращается в теплообменник. При процессе конденсации выделяется теплота, которая передается потоку обогреваемой воды.

Некоторые вакуумные коллекторы конструктивно созданы таким образом, что коллектор представляется в виде неглубокой коробки, и она заполнена стеклянными трубками. Эти трубки с двойной стенкой, создается эффект, что одна труба находится внутри другой. Воздух в пространстве между двумя трубками откачивается, и создается вакуум. Кроме того, внутренняя трубка имеет поверхность, покрытую слоем абсорбера (поглотителя), и этот слой находится в вакууме между двумя трубками. Внутренняя трубка наполнена легкоиспаряемой жидкостью. Под воздействием потока солнечных излучений жидкость на горячем конце трубки испаряется, и пар переходит на холодный конец трубки, конденсируется и превращается в жидкость. Этот замкнутый цикл жидкость – пар – конденсат – жидкость повторяется бесконечно, пока действует солнечная энергия. При каждом цикле тепловая энергия передается обогреваемой воде.

Солнечные водонагреватели с пластиковыми коллекторами

Пластиковые солнечные коллекторы изготавливаются из полиэтилена марки ПЭВП методом заводской штамповки. Эти коллекторы дешевы и практичны. Их можно напрямую подключить к системе горячего водоснабжения. Не имеют теплоизоляционные покрытия, поэтому они не используются в холодное время года. Их невозможно установить в регионах с сильными ветрами.

Установка и применение солнечных нагревателей

Установка водонагревателей производится с размещением солнечных коллекторов на крыше домов и других зданий, или на стенах в виде козырьков, или на поверхности земли на разных конструкциях. Лицевую сторону панелей и коробок коллекторов нужно установить в направлении юга. Угол наклона плоскости панелей выбирают дифференцированно для местности. Он зависит от географической широты.

На стенде: схема работы водонагревателей на солнечной энергии

Активные и пассивные системы

Пассивная система солнечных водонагревателей характеризуется тем, что абсорбция и аккумулирование происходит само собой элементами конструкции. Солнечные лучи прямо подаются на объект без их регулирования. Отсутствуют механизмы и другие движущие части. Это просто и дешево. Но такая система работает неравномерно и недостаточно полно. Примитивным примером такой системы может служить зачерненный бак над летним душем для обогрева воды.

В пассивном режиме работают одноконтурные гелиосистемы с естественной циркуляцией. При естественной циркуляции применяется термосифонная система: горячий теплоноситель под действием законов механики поднимается вверх на бак-накопитель. Следовательно, в этой системе бак-накопитель должен устанавливаться выше солнечного коллектора, что порой создает неудобство. Этот недостаток устраняется с применением активного режима.

Активная система солнечных водонагревателей – это, когда солнечные лучи поступают в специальные устройства и превращаются в тепловую энергию нужных параметров. Потребителю и баку-аккумулятору систематически передается тепловая энергия. Активный режим достигается применением принудительной циркуляции одноконтурных и двухконтурных гелиосистем. Будут использованы электродвигатели для поворота панелей и насосов подпитки, применяется аппаратура измерительная, контроля и управления.

Простая схема подключения солнечных коллекторов

Заключение

Солнечные водонагреватели нашли широкое применение в Европе, Израиле, Саудовской Аравии, Мальте и других странах. На отечественном рынке наряду с продукцией таких известных фирм, как VIESMANN, SOLVIS, VAILANT, представлены и качественные изделия российских производителей. Солнечные водонагреватели – экологически чистое оборудование с малыми затратами и большой долговечностью. По сообщениям Сети, панель солнечного коллектора российского производства с площадью абсорбера 188 м² летом на широте города Львова при угле наклона 35 нагревает до 55 градусов 141 литр воды. Если вы собрались изготовить солнечный коллектор своими руками, то на разных сайтах можно встретить инструкции, чертежи и схемы по сборке водонагревателей из серии «сделай сам».

Солнечные коллекторы ЯSOLAR российского производства

     Солнечные коллекторы ЯSolar разработаны и производятся на российском предприятии. Конструкция солнечного коллектора ЯSolar, в котором используются самые современные утеплители и средства герметизации. Специально для коллектора ЯSolar был разработаны и запатентованы многослойное оптическое селективное покрытие, прижим стекла, технология пайки медных абсорберов с профилированным листом с улучшеной теплопередачей. После улучшений оптический КПД ЯSolar составил 82%, что значительно больше всех российских и многих импортных аналогов (включая вакуумные). По показателем теплопотерь при низких температурах солнечный коллектор ЯSolar близок к вакуумным водонагревателям, при этом при положительных температурах КПД его выше. Отношение поглощающей поверхности (абсорбера) к габаритам больше, а зимой снег не мешает его нормальной работе. Также нет проблемы ухудшения их работы со временем.
     При окружающей температуре до -5…-10°С данная конструкции солнечных коллекторов эффективнее. Солнечный коллектор отлично работает зимой. Поэтому общая годовая производительность тепловой энергии у солнечного коллектора ЯSolar будет выше. По опыту, при -21°С в декабре 200 литров нагреваются одним (!) солнечным коллектором ЯSolar с +8°С до +35°С. 
 

 
   Любые солнечные коллекторы, установленные под углом до 50-70°, часто засыпаются снегом, после чего они не работают. Только у плоских солнечных коллекторов ЯSolar возможно реализовать режим принудительной оттайки, путем пропускания горячего теплоносителя через солнечный коллектор. Выпавший снег из-за минимальных теплопотерь через стекло соскальзывает.  Также только плоские солнечные коллекторы ЯSolar могут монтироваться вертикально для получения максимум тепловой энергии в зимний период. Термосифонные системы (без электричества) с естественной циркуляцией антифриза круглогодичного использования возможны только с плоскими солнечными коллекторами.  

Технические характеристики ЯSolar:

Конструкция солнечного коллектора Яsolar

Область применения солнечного коллектора ЯSolar

Строится первый в России завод по производству тонкопленочных солнечных элементов в Саранске — Пресс-центр

Россия сделала еще один шаг к тому, чтобы сделать альтернативные виды энергии доступными для обычных потребителей. Саранск, столица Мордовии, вскоре станет центром производства инновационных солнечных панелей, которые можно легко интегрировать в различные типы материалов, используемых для покрытия крыш и даже фасадов зданий.Из этих панелей можно делать гибкую черепицу и мягкие кровельные материалы, такие как рубероид, а также облицовочную плитку, которая будет вырабатывать электричество для владельцев здания, а не просто нагреваться на солнце. Группа РОСНАНО делает возможным преобразование любого здания в небольшую электростанцию ​​без необходимости установки тяжелых кремниевых батарей на крыше.

Центр нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия, входящий в инвестиционную сеть Группы РОСНАНО — Фонд инфраструктурных и образовательных программ, заключил договор со своим шведским партнером Midsummer на поставку производственной линии для производства встроенная солнечная панель.Это первый заказ по соглашению о разработке гибких несиликоновых фотоэлектрических устройств в России и Евразийском экономическом союзе, подписанному между Группой РОСНАНО и Ивановым летом 2019 года. Стоимость оборудования будет в пределах стандартной ассортимент производственных линий этого типа — от 3,5 до 5 млн долл. США.

«Мы очень рады, что наконец-то стали частью российского рынка по производству интегрированных солнечных панелей. Мы с нетерпением ждем первых поставок панелей российского производства на европейский рынок, так как в Европе спрос превышает текущие производственные мощности Midsummer », — заявил Свен Линдстрём , генеральный директор шведской компании.

Оборудование производственной линии производится на фабрике Midsummer в Ярфалле, недалеко от Стокгольма, и будет доставлено на фабрику Stilsan в Саранске к концу 2020 года. Новое предприятие в настоящее время готовит производственные помещения — площадью почти 1000 кв. территория Технопарка Мордовия. С нуля монтируются все инженерные сети, обустраиваются чистые помещения. Управлять предприятием будут Центр нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия и компания Solartek, входящая в группу ТехноСпарк, которая с 2015 года продвигает солнечные кровельные решения на основе тонкопленочных фотоэлектрических панелей.

Этот объект запускается для удовлетворения спроса на интегрированные солнечные крыши в коммерческом секторе. Мы предлагаем уникальные продукты — ряд различных кровельных материалов, содержащих встроенные солнечные элементы. Технология Midsummer идеально подходит для этой цели. Мы надеемся, что благодаря передаче технологий и локализации производства гибких солнечных элементов в Саранске мы сможем развивать бизнес по производству солнечных крыш в России и за рубежом », — сказал Дмитрий Крахин , директор Solartek.И он считает возможным, что в будущем, когда в России полностью заработает система зеленых тарифов, спрос на солнечные крыши среди владельцев частных домов будет расти.

Завод «Стилсан» будет производить солнечные панели и модули по перспективной технологии тонкопленочного селенида меди, индия, галлия (CIGS). Средний КПД составляет 15%, но модули также смогут работать в условиях рассеянного солнечного света и в пасмурную погоду. Планируемая производственная мощность — 10 МВт в год.

Основным рынком сбыта планируемой продукции будут сегменты коммерческого строительства и ремонта в России и других странах Евразийского экономического союза (Армения, Беларусь, Казахстан и Кыргызстан). Но предприятия в других странах также проявляют интерес к продвижению солнечных элементов и модулей, которые будет производить Саранский завод. Интерес к гибким интегрированным модулям быстро растет в мировом секторе солнечной энергетики. Крупнейшие мировые производители строительных материалов (полимеров, стекла и стали) усиленно работают над разработкой решений, в которых используются интегрированные фотоэлектрические элементы.

Поставка оборудования позволит передать в Россию уникальную технологию — производство интегрированных несиликоновых фотоэлектрических элементов. В будущем Фонд инфраструктурных и образовательных программ может инвестировать в дальнейшее развитие отрасли и обновление приобретенных технологий с помощью новых российских инноваций в отрасли.

Российский рынок солнечной энергии

Российская Федерация планирует расширить и диверсифицировать использование возобновляемых источников энергии при производстве электроэнергии.В соответствии с текущими планами и политикой правительства к 2030 году на возобновляемые источники энергии будет приходиться почти 5% от общего потребления электроэнергии в стране. Более того, согласно оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), возобновляемые источники энергии могут составлять более 11% энергобаланса России. Чтобы использовать этот потенциал, необходимо к 2030 году инвестировать 300 млрд долларов в сектор возобновляемой энергетики.

Артикул

Фонд инфраструктурных и образовательных программ создан в 2010 г.211-ФЗ «О реорганизации Российской корпорации нанотехнологий». Фонд нацелен на развитие инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий и реализацию образовательных и инфраструктурных программ, уже начатых РОСНАНО.

Высшим коллегиальным органом управления Фондом является Наблюдательный совет. Согласно Уставу Фонда, в компетенцию Наблюдательного совета, в частности, входят вопросы определения приоритетных направлений деятельности Фонда, а также его стратегии и бюджета.Председателем Правления — коллегиального органа управления — является Председатель Правления ООО «УК« РОСНАНО » Куликов Сергей Владимирович .

* * *

Midsummer — ведущий разработчик и поставщик передовых решений в области солнечной энергии для производства и установки гибких тонкопленочных солнечных панелей. Компания производит оборудование для производства солнечных элементов, а также фотоэлектрические системы, интегрированные в здания (BIPV).

Запатентованная технология летнего солнцестояния основана на процессе быстрого производства гибких тонкопленочных солнечных элементов с использованием напыления слоев CIGS.

Акции компании (MIDS) торгуются на Nasdaq First North Stockholm.

Для получения дополнительной информации посетите midsummer.se

* * *

Центр нанотехнологий и нанотехнологий y и наноматериалов Республики Мордовия является участником инвестиционной сети, созданной Фондом инфраструктуры и образовательных программ. занимался созданием, а затем продажей новых производств в сырьевых отраслях. Сетевой подход к организации наноцентров позволяет сконцентрировать разработки и инфраструктуру в одном наиболее подходящем месте, чтобы получить доступ к нескольким экосистемам региона одновременно.Он специализируется в основном на таких областях, как силовая электроника, светотехника, приборостроение и нанотехнологии продукции для строительной отрасли.

Более подробную информацию о компании можно найти на сайте cnnrm.ru.

солнечных панелей достигли своего предела. Эти кристаллы могут это изменить.

Когда в конце марта администрация Байдена объявила об инициативе на 128 миллионов долларов по сокращению затрат на солнечную энергию, значительная часть этих денег пошла на исследования материалов, названных в честь малоизвестного русского геолога и дворянина XIX века: Льва Перовски.

Среди перечисленных проектов: 40 миллионов долларов на исследования и разработки так называемых перовскитных материалов, которые ученые используют, чтобы раздвинуть границы того, насколько эффективными и адаптируемыми могут быть солнечные элементы.

И хотя перовскиты не являются чем-то новым — они были впервые обнаружены на Урале в России в 1839 году, и они довольно распространены, — их недавнее применение в солнечной энергетике породило надежду на то, что люди будут использовать их, чтобы лучше использовать тысячи людей. мегаватты энергии солнца, падающего на Землю каждый час.

«Я бы сказал, что перовскиты — одна из самых интересных возможностей для солнечных батарей в ближайшем будущем», — сказал Дэвид Митци, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, изучавший материалы с 1990-х годов.

Любая новая солнечная энергетическая технология должна конкурировать с кремниевыми солнечными элементами, которые используются уже более 50 лет, сказал Митци. Но перовскиты обладают потенциалом как для повышения эффективности кремниевых ячеек, так и, возможно, для прямой конкуренции с ними: «Я думаю, что определенно есть возможности.”

Эффективность — это лишь одна из характеристик. Перовскитные элементы могут быть легко изготовлены из различных материалов, вырабатывающих электричество, и при гораздо более низких температурах — и, следовательно, потенциально более низких затратах — чем кремниевые элементы. Но прежде чем они смогут полностью заменить кремний, необходимо будет решить проблему стабильности и долговечности перовскитных ячеек.

Ученые открыли целый класс перовскитных материалов, которые имеют определенную структуру, включающую три различных химических вещества в кубической форме кристалла.Несколько лет назад они осознали, что некоторые перовскиты являются полупроводниками, например кремний, используемый в электронике. Но только в 2009 году исследователи обнаружили, что перовскиты также можно использовать для создания солнечных элементов, которые превращают солнечный свет в полезное электричество.

Первые перовскитные элементы имели очень низкий КПД, поэтому большая часть падающего на них солнечного света не использовалась. Но они быстро улучшились.

«Эффективность, с которой солнечные элементы, содержащие эти перовскитные материалы, преобразуют солнечный свет в электроны, выросла с невероятной скоростью, до такой степени, что теперь эффективность приближается к эффективности кремниевых солнечных элементов в лаборатории», — сказала Линн Лу. профессор химической инженерии в Принстонском университете и директор Центра Андлингера по энергии и окружающей среде.«Вот почему мы так рады этому классу материалов».

Перовскитные солнечные элементы также могут быть изготовлены относительно легко — в отличие от кремниевых элементов, которые необходимо очищать при очень высоких температурах и поэтому для их производства требуется много энергии. Перовскиты могут изготавливаться в виде тонких листов при низких температурах или в виде чернил, которые можно эффективно «печатать» на подложках из других материалов, таких как гибкие рулоны пластика.

Это может привести к их использованию на поверхностях, где кремниевые солнечные элементы не будут быть практичными, например, снаружи автомобилей или грузовиков; или они могут быть даже напечатаны на ткани для питания носимой электроники.Другой вариант — нанести тонкие пленки перовскита на оконные стекла, чтобы они пропускали большую часть света, а часть его использовали для выработки электроэнергии.

Но одно из самых многообещающих применений перовскитных ячеек — объединить их с кремниевыми элементами, чтобы они использовали больше солнечной энергии, чем только кремний. Лучшие кремниевые элементы приближаются к своей теоретической максимальной эффективности около 29 процентов. Но перовскитные элементы можно настроить для выработки электричества из длин волн света, которые кремниевые элементы не используют, и поэтому покрытие кремниевых солнечных элементов полупрозрачными пленками перовскитных элементов может преодолеть этот фундаментальный предел.

Физик Генри Снайт из Оксфордского университета, ведущий исследователь перовскитных солнечных элементов, видит в этом способ объединить промышленное господство кремния с технологическими преимуществами перовскитов. Он считает, что «тандемные» кремниевые и перовскитные элементы с эффективностью выше 40 процентов могут получить широкое коммерческое распространение в течение 10 лет, и что вскоре за ними могут последовать многослойные элементы с эффективностью более 50 процентов.

Потенциал перовскитных солнечных панелей также привлек внимание правительства как здесь, так и за рубежом.Помимо создания новых коммерческих возможностей для американских компаний, перовскиты могут стать относительно недорогим способом для солнечной энергетики бросить вызов ископаемым видам топлива для производства электроэнергии. «Я думаю, что у многих из нас есть стремление к тому, чтобы технология действительно начала решать некоторые проблемы изменения климата, которые необходимо решить к 2050 году», — сказал физик Джо Берри, который возглавляет исследования солнечных перовскитов в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голден, Колорадо.

Перовскитовые солнечные элементы по-прежнему сталкиваются с проблемами, и ключевой из них является стабильность.Частично из-за того, что перовскитовые ячейки просты в изготовлении, они также быстро разлагаются под воздействием влаги и тепла. Некоторые экспериментальные перовскитные ячейки оставались стабильными в течение десятков тысяч часов, но им еще предстоит пройти долгий путь, чтобы соответствовать 25 или 30 годам использования кремниевых элементов, сказал Снайт.

Некоторые из наиболее многообещающих перовскитных материалов для солнечной энергетики также содержат свинец, который может выделяться в окружающую среду при разложении перовскитных элементов. Исследователи изучают альтернативы перовскитам на основе свинца, такие как перовскиты на основе олова, и аналогичные кристаллические структуры, содержащие другие, более безопасные вещества.

«Я думаю, что впереди нас ждут некоторые проблемы», — сказал Лу. «Будет ли [перовскиты] играть значительную роль, зависит от того, сможем ли мы преодолеть эти проблемы».

Том Меткалф

Том Меткалф пишет о науке и космосе для NBC News.

Реальность, лежащая в основе следующего звездного материала солнечной энергии

Исследователь на экспериментальном заводе Oxford PV в Бранденбурге-на-Хафеле, Германия, испытывает солнечный элемент промышленного размера, изготовленный путем наложения перовскита на кремний.Кредит: Oxford PV

Отель Henn na в Нагасаки, Япония, не стесняется опробовать футуристические технологии. В 2015 году он утверждал, что это первый в мире отель, укомплектованный роботами, но сократил автоматизацию после того, как его роботы-консьержи разочаровали некоторых клиентов и не сократили расходы. Сейчас Henn na тестирует еще одну привлекательную новинку: с декабря ее вывеска питается от изогнутой стены из прототипов солнечных элементов, установленных на территории отеля. В элементах, созданных польской начинающей фирмой Saule Technologies, используются тонкие микрометровые пленки, сделанные из материалов, называемых перовскитами, которые всего за десять лет превратились из лабораторного любопытства в новую яркую перспективу солнечной энергетики.

Япония — не единственное место, где за последние 18 месяцев солнечные элементы, содержащие перовскит, вышли за пределы лабораторий. Сауле повесил их высоко на офисном здании недалеко от своей штаб-квартиры в Варшаве; ведущая британская фирма в этом секторе Oxford PV испытывает их на пилотной производственной площадке в Бранденбурге-на-Гавеле, Германия; китайские фирмы Microquanta Semiconductor и WonderSolar проводят полевые испытания в городах Ханчжоу и Эчжоу. Более десятка компаний по всему миру (см. «Солнечные надежды»), представляющих собой смесь признанных гигантов электроники и стартапов, надеются вскоре продавать панели, сделанные из перовскитов.По словам Маргарет Гальярди, аналитика BCC Research в Веллесли, штат Массачусетс, в производстве материалов для продуктов задействованы еще десятки людей.

На протяжении десятилетий плиты кристаллического кремния преобладали в солнечной промышленности. Другие материалы, которые можно наслаивать в тонкие пленки, такие как селенид меди, индия, галлия (CIGS) и теллурид кадмия (CdTe), заняли менее 5% рынка, потому что их трудно сделать такими же эффективными или дешевыми, как обычные солнечные панели. . Другое дело — перовскиты.Их производство должно быть дешевле, и они должны казаться впечатляюще эффективными при преобразовании солнечного света в электричество — по крайней мере, в лабораторных условиях.

Однако даже самые ярые сторонники технологии не думают, что перовскитные элементы быстро вытеснят кремний. Вместо этого некоторые фирмы накладывают на кремний слой недорогих кристаллов перовскита, чтобы создать «тандемные» устройства, которые преобразуют больше солнечной энергии, чем любой другой материал в отдельности. Oxford PV, например, намерен в этом году производить тандемы, которые, по его словам, будут на одну пятую эффективнее, чем коммерческие солнечные панели высшего класса.Если бы эта технология была распространена на всю отрасль, общая мощность солнечных панелей, производимых ежегодно, увеличилась бы на ту же пропорцию. По словам Криса Кейса, технического директора фирмы, за этим последуют дальнейшие улучшения. И это могло бы помочь ускорить внедрение технологии, которая по-прежнему обеспечивает всего 2% мировой электроэнергии. «Миру нужно столько солнечной энергии, сколько мы можем получить», — говорит Кейс.

Saule и другие фирмы тем временем стремятся покрыть пластик перовскитными пленками для создания легких и гибких продуктов.Хотя эти устройства менее эффективны, они могут быть использованы там, где не могут быть установлены тяжелые панели со стеклянной подложкой, например, на крышах автомобилей, лодок, самолетов, на слабых крышах, в съемных фотоэлектрических жалюзи или даже на парусах, которые служат солнечными батареями.

Но есть еще фундаментальные вопросы о новых материалах. Неясно, будут ли перовскиты достаточно прочными, чтобы выдерживать дождь, ветер, интенсивное солнце и отрицательные температуры в течение 25 лет, которые обещают силиконовые панели. Большинство перовскитных устройств содержат свинец, что вызывает опасения по поводу токсичности, и исследователи не уверены, что результаты лабораторных исследований пригодны для коммерческого использования.Между тем, обычные солнечные панели становятся все дешевле и эффективнее. Из-за этого новому материалу трудно превзойти их и ускорить борьбу с изменением климата. «Я не стала бы класть все яйца в эту корзину для решения мировых проблем, но я также не исключаю этого», — говорит Сара Курц, эксперт по фотоэлектрической энергии из Калифорнийского университета в Мерседе.

Рыбалка для эффективности

В исследовательской лаборатории Oxford PV, в 15 минутах езды к северу от Оксфордского университета, рабочие в белых халатах и ​​с сеткой для волос проверяют блестящие черные клетки размером 1 квадратный сантиметр.Они изучают новые комбинации материалов, которые более эффективно преобразуют свет в электричество. Готовый продукт, к которому они стремятся, лежит поблизости на скамейке: большой, покрытый перовскитом солнечный модуль размером со стандартный кремниевый элемент, 243 см ² , расположенный между двумя листами стекла. «Мы измерили сотни тысяч устройств, — говорит Кейс.

У исследователей есть много вариантов, потому что «перовскит» описывает большую вселенную кристаллических структур (см. «Перовскиты на Солнце»).Первоначально этот термин относился к минералу оксида титана кальция (CaTiO ₃ ), который был обнаружен на Урале в России в 1839 году и назван в честь русского минералога Льва Перовского. Но перовскиты в солнечных элементах имеют мало общего с этим минералом, только их структура ABX ₃ .

Предоставлено: структура перовскита адаптирована из C. Eames et al. Природа Коммуна . 6 , 7497 (2015)

С точки зрения солнечной энергии, важным качеством этих материалов является то, что падающий свет переводит их отрицательно заряженные электроны в более высокоэнергетические состояния, оставляя после себя вакансии или «дыры», которые действуют как положительно заряженные частицы.Если эти несущие заряд электроны и дырки могут избежать рекомбинации достаточно долго, чтобы достичь электродов выше и ниже перовскитной пленки, тогда может течь электрический ток.

Первые фотоэлектрические устройства на перовските, о которых было сообщено в 2009 году, преобразовали всего 3,8% энергии, содержащейся в солнечном свете, в электричество. Но поскольку кристаллы так легко изготовить в лаборатории — смешивая недорогие солевые растворы вместе, чтобы сформировать тонкую пленку, исследователям быстро удалось улучшить их характеристики. К 2018 году эффективность выросла до 24.2%, установленное исследователями из США и Южной Кореи, что близко к лабораторному показателю кремния в 26,7% ¹ . Теоретический предел для обоих материалов составляет чуть менее 30%, но типичные коммерческие силиконовые панели колеблются на уровне 15–17%, а наилучший — около 22%. К сожалению, рекорды эффективности перовскита устанавливаются на крошечных образцах размером менее 1 см ² , и производительность не увеличивается. Для сравнения: текущий рекордный лабораторный кремниевый элемент имел размер 79 см ² и все еще составлял 26.Эффективность 6% на расстоянии 180 см ² (см. «Размер имеет значение»).

«Люди еще не продемонстрировали способность создавать высокоэффективные ячейки в формате большой площади», — говорит Курц. Одна из проблем заключается в том, что на больших площадях сложнее получить однородное покрытие. Другой заключается в том, что при работе с крошечными клетками в лаборатории ученые собирают электрический ток, используя прозрачные электродные пленки, которые пропускают много света, но также обладают небольшим сопротивлением, что означает, что они блокируют некоторый ток. В более крупных масштабах это удельное сопротивление становится более серьезной проблемой, поэтому в коммерческих элементах используются более непрозрачные электродные пленки, что снижает эффективность.Например, в международной электронной компании Panasonic исследователи сообщили о перовскитовой ячейке размером 6,25 см ² с эффективностью 20,6% ² . Но это упало до 12,6%, когда 35 ячеек были объединены в модуль 412 см ^{2 3} . Microquanta является сертифицированным мировым рекордсменом по производству перовскитных «мини-модулей» ¹ с эффективностью 17,3%, состоящей из семи ячеек, покрывающих около 17,3 см ² .

Источник: исх. 1

Тем не менее, перовскитовые элементы проще и дешевле в изготовлении, чем кремниевые.Производство кремния начинается с нагрева песка до 1800 ° C. Изготовление плит высокой чистоты может включать растворение материала в соляной кислоте при 300 ° C. Для сравнения: Saule может просто создавать решения, используя струйный принтер для нанесения крошечных количеств материалов на пластиковые пленки. Компания заявляет, что таким образом изготавливала модули умеренно больших размеров (100 см ² ) с КПД 10%. Некоторые фирмы используют узорчатые валики для нанесения перовскитных красок. Swift Solar в Сан-Карлосе, Калифорния, пытается объединить два разных типа перовскитных ячеек вместе, чтобы создать легкий тандемный модуль.

Но самым быстрым путем к повышению эффективности могло бы стать добавление в кремний перовскита. В прошлом году Oxford PV сообщила о тандемном элементе размером 1 см ² с КПД 28%, который был изготовлен путем нанесения слоя перовскита с КПД 17% поверх кремния. Перовскит может поглощать более коротковолновый сине-зеленый свет, позволяя кремнию поглощать более длинноволновый и более красный свет. К концу этого года компания нацелена на производство тандемных ячеек коммерческого размера с КПД 27%, превосходящих лучшие кремниевые панели, чтобы их компании-партнеры (которые она не назовет) могли собирать в модули.По словам Кейса, эти модули станут общедоступными к концу 2020 года. Теоретический предел тандемов составляет 45%, а практическая цель — 35%, говорит Кейс, что будет вдвое ниже эффективности современных коммерческих кремниевых панелей.

Долго ли они?

Однако основная проблема для перовскитов заключается в том, могут ли они прослужить столько же, сколько кремниевые панели, на которые обычно предоставляется 25-летняя гарантия. Стабильность перовскита «должна приближаться к нормам, установленным для кремния», и это «сейчас выглядит все более маловероятным», — говорит Мартин Грин, который исследует перовскиты и другие солнечные материалы в Университете Нового Южного Уэльса в Сиднее, Австралия.Его команда работает над материалами с двумя крупными китайскими производителями солнечных панелей, Trina Solar и Suntech.

Перовскиты чувствительны к воздуху и влаге, но это не должно быть серьезной проблемой. В коммерческих солнечных панелях для защиты фотоэлектрические материалы уже заключены в пластик и стекло. Это, вероятно, сработает и для большинства перовскитов. Более глубокая проблема заключается в самих кристаллах. В некоторых случаях структуры смещаются при нагревании перовскитов; изменение обратимо, но влияет на производительность.

Исследователи много работали над решением этой проблемы: в Швейцарском федеральном технологическом институте в Лозанне (EPFL) группа под руководством Михаэля Гретцеля разработала структуры с тремя или четырьмя различными катионами «А» в структуре ABX ₃ . Команда объединяет катионы метиламмония и формамидиния с небольшими количествами цезия и рубидия, например, ⁴ . Комбинация предотвращает структурные изменения, вызванные температурой и влажностью при использовании отдельных катионов.

Другая проблема заключается в том, что когда свет падает на кристаллы перовскита, маленькие анионы «X» могут начать перемещаться внутри структур. Это может произойти, если есть какие-либо зазоры там, где должны быть анионы, что запустит цепочку событий, которые могут изменить состав и эффективность кристалла или привести к отказу устройства. По словам Курца, у большинства солнечных технологий есть некоторые различия в эффективности. «У перовскитов это гораздо больше».

Польская фирма Saule Tech использует струйный принтер для изготовления гибких солнечных модулей на основе перовскита.Кредит: Марек Марзейко

Тем не менее, исследователи добиваются прогресса. «Дела улучшились», — говорит Гретцель. Например, в 2017 году его команда сообщила, что ⁵ 0,16 см ² перовскитных ячеек с эффективностью более 20% и которые сохранили 95% своей производительности при полном солнечном свете в течение 1000 часов или 41 дня. Он говорит, что его команда удвоила это время по неопубликованной работе.

Полевые испытания

Большинство фирм по производству перовскита не публиковали свои результаты по стабильности.Но все они говорят, что следуют стандарту сертификации, установленному для кремниевых солнечных панелей, установленному Международной электротехнической комиссией (IEC) в Женеве, Швейцария. Этот стандарт, известный как IEC 61215, включает испытания в помещении, в которых модули нагреваются до 85 ° C в течение 1000 часов при относительной влажности 85%. Панели также подвергаются циклическому изменению от -40 ° C до 90 ° C до 100 раз и даже подвергаются бомбардировке градом.

Если силиконовая панель по-прежнему работает после этих испытаний, предполагается, что она имеет хорошие шансы прослужить 25 лет при типичной погоде.Но поскольку перовскиты обладают нестабильностью, отличной от кремния, они могут пройти эти испытания и все равно не сработать в реальном мире. Например, перовскитные модули Microquanta соответствуют стандарту IEC 61215, говорит Буй Ян, вице-президент компании. Тем не менее, полевые испытания в Ханчжоу показывают, что в среднем продукция ухудшается до 80% от первоначальной производительности в течение 1-2 лет. «По сравнению с сроком службы кремниевых панелей 25–30 лет, это серьезный недостаток», — говорит он. Его соучредитель, Цзичжун Яо, исполнительный директор компании, говорит, что новые модули деградируют медленнее, но что еще слишком рано делиться подробностями.

Тандемные модули Oxford PV также прошли испытания на уровне IEC 61215, говорит Кейс. «Означает ли это, что это продлится 25 лет?» — спрашивает он, указывая на ближайший модуль. «Не знаю. Все они являются показателем долговечности. Это хороший показатель, но в конечном итоге их недостаточно ».

Грин говорит, что он согласится с тем, что проблемы со стабильностью будут решены, если перовскитовый модуль появится в верхней половине отраслевого табло, выпущенного норвежской специализированной испытательной компанией DNV.Фирма получает несколько панелей от каждого производителя, проводит их собственные электрические, оптические и температурные тесты и сравнивает результаты. Тесты аналогичны IEC 61215, но предназначены для лучшего определения долговременного ухудшения характеристик. Перовскитовые компании пока не значатся в списках.

Свинцовая токсичность

Еще одним потенциальным камнем преткновения для перовскитных клеток является то, что лучшие из них содержат свинец, токсичный металл. Исследователи пробовали альтернативы, такие как олово, но производительность снижалась.Это не означает, что клетки нельзя использовать. Анализ жизненного цикла тандемных ячеек Oxford PV показывает, что небольшое количество свинца, которое они содержат, не окажет большого влияния на токсичность для окружающей среды в случае его утечки. Анализ также утверждает, что кремниевые элементы в целом оказывают худшее воздействие на окружающую среду из-за ресурсов, используемых при их производстве.

Но некоторые исследователи говорят, что включение свинца исключает возможность использования перовскитов в одноразовых изделиях. Гретцель считает, что они могут найти применение на больших солнечных фермах, куда люди редко бывают.«Если кто-то хочет продавать гибкие устройства, он ошибается», — говорит он. «Что будет, если ребенок проткнет пластиковую крышку? Нет никаких компромиссов в отношении токсичности свинца ».

Пресс-конференция, на которой демонстрируются перовскитовые ячейки Сауле в отеле Henn na в Нагасаки, Япония. Фото: Saule Technologies

Сауле возражает против этой точки зрения. «Его легкие печатные модули содержат очень мало свинца», — говорит Конрад Войцеховски, главный научный сотрудник компании. По его словам, даже после того, как инкапсулированные модули оставались замачиваться в воде в течение года, уровень оставшегося свинца «все еще был ниже установленного Всемирной организацией здравоохранения предела содержания свинца для питьевой воды».А главный технический директор Сауле Ольга Малинкевич, основавшая фирму в 2014 году, когда она защитила докторскую диссертацию, подчеркивает, что продукты будут надежными. «Ребенок не сможет случайно разложить и расслоить перовскитную панель», — говорит она.

Более дешевая солнечная энергия?

Для производителей перовскита, которые надеются, что их продукция снизит затраты на солнечную энергию, возникает другая проблема: кремниевые панели и так дешевы, и цена падает. «Хотя я считаю, что сектор солнечной энергетики более интересен, чем когда-либо, он не нуждается в техническом прорыве», — говорит Дженни Чейз, руководитель отдела солнечного анализа BloombergNEF в Цюрихе, Швейцария.«Это уже один из самых дешевых источников электроэнергии во многих странах. Технология кристаллического кремния достаточно хороша, и ее трудно превзойти. Перовскиты могут в конечном итоге снизить стоимость на несколько центов за ватт, но это не то, чего нам нужно ждать ».

Случай не согласен. Он утверждает, что тандемные модули его компании будут стоить дороже кремниевых, но более высокая эффективность снизит затраты на производство солнечной энергии на 17–23% через несколько лет. Эта перспектива вызвала интерес у некоторых крупных компаний.В марте Oxford PV получила 31 миллион фунтов стерлингов (39 миллионов долларов США) от компаний, включая китайский гигант по производству ветряных турбин Goldwind; Всего было собрано 76 миллионов фунтов стерлингов.

Хунвей Хан из Wonder Solar (слева) и исследование EPFL Майкл Гретцель присутствуют на полевых испытаниях стеклянных перовскитных солнечных панелей в Эчжоу, Китай. Фото: Wonder Solar

Между тем, большинство фирм, производящих модули только из перовскита, заявляют, что не ожидают выхода на основной рынок солнечных панелей — по крайней мере, не сразу, — поэтому они сосредотачиваются на легких пленках.Сауле хочет продавать гибкие однослойные перовскитные солнечные пленки в 2021 году, а токийская компания Sekisui Chemical, второй по величине обладатель патентов на перовскит после Oxford PV, планирует продавать гибкие элементы в 2020 году. Она участвует в большом консорциуме с Panasonic и его коллегами. Японский гигант электроники Toshiba.

Некоторые компании уже покинули рынок перовскита. Многонациональная фотографическая фирма Fujifilm является третьим по величине держателем патентов на перовскит в области солнечной энергии. Но после фундаментальных исследований перовскитных солнечных элементов компания больше не занимается разработкой элементов или материалов, используемых для их изготовления, — говорит представитель компании Шохей Кавасаки.А австралийский разработчик перовскита GreatCell Solar перешел в администрацию в декабре; ему не удалось привлечь достаточно инвестиций для создания прототипа объекта, несмотря на то, что он начал партнерство с одним из крупнейших мировых производителей солнечных панелей, JinkoSolar в Шанхае, Китай.

Эти неудачи намекают на то, что преимущества перовскитов не так просты, как надеялись защитники. И они подчеркивают важность испытаний на открытом воздухе. Гретцель вспоминает, что прошлым летом он посетил испытательный полигон китайской фирмы WonderSolar в Эчжоу, что необходимо гораздо больше.«Наружная температура была 28 ° C, но панели были при 70 ° C. Я вспотел, и панели тоже », — говорит он. «Посмотрим, как они поживают».

британская компания сможет произвести самые эффективные панели в мире к 2021 году | Обрабатывающий сектор

На крышах британских домов к лету следующего года может произойти прорыв в новой солнечной энергетике. Кристалл, впервые обнаруженный более 200 лет назад, поможет использовать больше солнечной энергии.

Оксфордская компания, занимающаяся солнечными технологиями, надеется к концу года начать производство самых эффективных в мире солнечных панелей и стать первой, кто будет продавать их населению в течение следующего года.

Oxford PV утверждает, что солнечные панели следующего поколения будут способны генерировать почти на треть больше электроэнергии, чем традиционные солнечные панели на основе кремния, за счет покрытия панелей тонким слоем кристаллического материала, называемого перовскитом.

Этот прорыв станет первым крупным шагом вперед в производстве солнечной энергии с момента появления технологии в 1950-х годах и может сыграть важную роль в преодолении климатического кризиса за счет увеличения объемов чистой энергии.

Покрывая традиционный солнечный силовой элемент перовскитом, солнечная панель может увеличить выработку электроэнергии и снизить общие затраты на чистое электричество, поскольку кристалл способен поглощать различные части солнечного спектра, чем традиционный кремний.

Обычно кремниевый солнечный элемент способен преобразовывать до 22% доступной солнечной энергии в электричество. Но в июне 2018 года перовскит-на-кремнии солнечные элементы Oxford PV превзошли самые эффективные солнечные элементы, состоящие только из кремния, установив новый мировой рекорд в 27,3%.

Панели с перовскитным покрытием тоже будут выглядеть иначе. Вместо синего оттенка, который обычно ассоциируется с традиционными силиконовыми панелями, панели Oxford PV будут выглядеть черными и лучше вписываться в сланцы крыш.

Минерал перовскит, также известный как кристаллический титанат кальция, был впервые обнаружен российским минералогом на Урале в 1839 году. За последние 10 лет ученые всего мира участвовали в гонке по созданию химических соединений на основе кристаллическая структура перовскита, но они способны производить больше возобновляемой электроэнергии с меньшими затратами.

Доктор Крис Кейс, технический директор Oxford PV, сказал, что использование перовскита представляет собой «истинное изменение» для солнечной технологии, которое осталось относительно неизменным с момента появления кремниевых панелей, разработанных в 1950-х годах.

«Кремний достиг своего апогея», — сказал он. «Есть остаточные улучшения, которые необходимо сделать, и стоимость производственных возможностей, но с точки зрения производительности это предел эффективности. Материал перовскита — это что-то совершенно инновационное для солнечной энергетики ».

Компания получила 100 000 фунтов стерлингов финансирования от правительства Великобритании в 2010 году, прежде чем привлечь инвестиции в акционерный капитал норвежского нефтяного гиганта Equinor, Legal & General Capital и китайского гиганта возобновляемой энергетики Goldwind.

Франк Авердунг, генеральный директор Oxford PV, сказал, что компания сможет выиграть первые коммерчески доступные солнечные панели, в которых используется перовскит для улучшения выработки солнечной энергии по сравнению с конкурентами.

«Конечно, есть другие компании, работающие над перовскитом, и эти другие компании в конечном итоге будут иметь коммерческую направленность, но ни одна из этих компаний не уделяет такого же внимания комбинации кремния и перовскита, как мы», — сказал он.

В эту статью 19 августа 2020 г. были внесены поправки для лучшего описания перовскита.

Минусы солнечной энергии (примеры)

Поскольку стоимость электроэнергии растет на 3–5% каждый год, вы можете рассмотреть альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия. Но прежде чем вы установите солнечную систему в своем доме, необходимо взвесить некоторые серьезные недостатки.

Учитывая, что солнечная энергия имеет самые высокие начальные затраты по сравнению с любым другим возобновляемым источником энергии, вы можете подумать, что это было бы неплохо. Но на самом деле у солнечных батарей низкий КПД.

Если вы находитесь в отличном месте, вам повезет с коэффициентом конверсии более 22% при использовании лучших и самых дорогих доступных технологий.

Кроме того, солнечные панели могут быть повреждены штормами. Помимо затрат на замену солнечных панелей, с поврежденными следует обращаться и утилизировать должным образом из-за токсичных соединений, используемых внутри.

В этой статье будут обсуждаться основные недостатки солнечной энергии, которые следует принять во внимание, прежде чем принимать решение о переходе на солнечную энергию.

См. Соответствующие статьи , в которых мы рассматриваем преимущества солнечной энергии.Мы также сравниваем плюсы и минусы солнечной энергии. Перевешивают ли положительные стороны отрицательные?

Каковы недостатки солнечной энергии (и окружающей среды)?

1. Местоположение и доступность солнечного света

Ваша географическая широта — один из основных факторов, определяющих эффективность солнечной энергии. Не все места получают одинаковое количество солнечного света в год, при этом эффективность солнечной энергии резко падает по мере удаления от экватора.

Это означает, что жители таких мест, как Канада и Россия, находятся в невыгодном положении с точки зрения солнечной энергии.Однако в таких местах, как Гавайи, где в среднем 277 дней в году с дождем и облаками, их местоположение по отношению к экватору не имеет значения, потому что им просто не хватает незамутненного солнечного света, достигающего земли.

Солнечная эффективность также зависит от сезона. Летом вы можете производить больше электроэнергии, чем вам нужно, потому что земля наклонена так, что солнце находится ближе к вашему местоположению. Зимой из-за наклона земли вы перемещаетесь дальше от солнца, поэтому вы не можете вырабатывать достаточно электроэнергии для удовлетворения своих потребностей.

Как и все остальное, что остается на солнце, солнечные панели будут разрушаться под воздействием ультрафиолетовых лучей. Такие вещи, как ветер, град, снег, грязь и колебания температуры, также представляют серьезную угрозу для солнечных батарей.

2. Область установки

Для домовладельцев, которые хотят установить солнечные панели, область установки не будет такой большой проблемой, особенно когда большую часть времени они устанавливаются на крыше. Однако крупным компаниям, которые хотят производить много электроэнергии, потребуется очень большая площадь для установки, чтобы обеспечивать электричеством на постоянной основе.

Самая большая солнечная электростанция расположена в Испании на площади около 173 акров и обеспечивает электроэнергией почти 12 000 домашних хозяйств. Это 173 акра земли, которую нельзя использовать ни для чего другого, например, для выпаса животных.

3. Надежность

Одним из недостатков солнечной энергии является то, что она зависит от солнца, электричество не может вырабатываться в ночное время, что требует либо хранения избыточной энергии, произведенной в течение дня, либо подключения к альтернативному источнику питания, например локальные инженерные сети.Это означает, что вам придется платить больше помимо высокой стоимости солнечных батарей.

Облака и штормы также ограничивают количество энергии, которое вы можете произвести, блокируя световые лучи, которые в противном случае были бы поглощены солнечной панелью.

4. Неэффективность

По данным Группы качественного обоснования Северо-Западного университета, большинство солнечных панелей в домах людей преобразуют в энергию только 14% доступной энергии. Даже самые эффективные сегодня солнечные панели преобразуют в энергию только 22% доступной энергии.

Согласно второму закону термодинамики, солнечные элементы никогда не достигнут 100% эффективности. Наивысший теоретический максимальный КПД составляет 85%, и это касается зеркал и двигателей, которые следуют за солнцем.

Для системы, которая не отслеживает солнце, наивысшая теоретическая максимальная эффективность составляет всего 55%. То же самое и с системами, отслеживающими солнце в пасмурные дни.

5. Загрязнение и воздействие на окружающую среду

Воздействие на окружающую среду, связанное с солнечной энергией, — это использование земли и воды и загрязнение, потеря среды обитания и использование особо опасных материалов в производственном процессе.

Если вернуться к месту установки, то использование земли за счет солнечных полей может быть массовым, и, в отличие от энергии ветра, совместное использование земли для использования в сельском хозяйстве не вариант. Солнечная энергия также влияет на землепользование, когда дело доходит до добычи полезных ископаемых и производства материалов, необходимых для производства фотоэлектрических элементов.

В состав солнечных панелей входят кадмий и свинец, чрезвычайно токсичные металлы. В производстве солнечных панелей используется ряд других токсичных и опасных материалов, включая арсенид галлия, диселенид меди, индия, галлия, соляную кислоту, серную кислоту, азотную кислоту, фтороводород, 1,1,1-трихлорэтан и ацетон.

В США производители обязаны обеспечивать переработку этих ценных веществ, а не их утилизацию. Однако в других странах, таких как Китай, Малайзия, Филиппины и Тайвань, где производится более половины фотоэлектрических элементов, эти опасные материалы безответственно утилизируются на полях, загрязняя воздух, воду и почву.

Мы написали более подробную статью, в которой описываются причины и последствия загрязнения, а также их влияние на окружающую среду.

6. Дорогой накопитель энергии

Большинство считает хранение большого количества электроэнергии самым большим препятствием при производстве солнечной энергии в промышленных масштабах. В настоящее время варианты аккумуляторной системы хранения для хранения солнечной энергии в качестве электрической энергии очень дороги.

Компания Tesla создала аккумулятор Powerwall для хранения солнечной энергии для дальнейшего использования. Однако, учитывая, что одна батарея на 14 кВтч стоит около 7100 долларов с установкой, эти батареи очень дороги.Если вы хотите иметь запас энергии на один день для дома с четырьмя спальнями, вам понадобятся три батареи Tesla, что на сумму в 18 300 долларов.

7. Высокая начальная стоимость

Это стоит от 15 000 до 29 000 долларов для систем среднего размера, вырабатывающих от 4 до 8 кВт мощности. Эти затраты включают солнечные панели, инвертор, монтажное оборудование и проводку, установку, разрешения, ремонт, мониторинг и расходы на техническое обслуживание, а также дополнительные эксплуатационные и накладные расходы.

Вы можете заметить, что сюда не входит аккумуляторная система хранения, за которую взимается дополнительная плата.Аккумуляторные системы хранения не требуются, если вы планируете пополнить свои потребности в энергии путем подключения к местной энергосети.

Если вы учитываете стоимость аккумуляторной системы хранения, как описано ранее, вы смотрите на потенциальную общую стоимость от 33 300 до 47 300 долларов для надежного обеспечения энергией, днем ​​и ночью, для среднего домохозяйства с четырьмя спальнями. Даже в этом случае, в зависимости от климата и вашего местоположения, вам, возможно, придется сократить потребление и быть более экономным в том, как вы используете свою энергию.

Еще один фактор, который следует учитывать при оценке первоначальной стоимости, — это срок окупаемости. Для системы стоимостью 18 000 долларов вы рассчитываете на 20 лет, прежде чем вы вернете деньги за счет экономии, полученной за счет солнечной энергии. Это не очень разумно для большинства людей и их финансов.

8. Солнечные батареи могут повредить вашу крышу

Мы все хотим потреблять меньше электроэнергии, когда мы ее не используем. Мы можем использовать солнечные панели для выработки электроэнергии, но они могут повредить вашу крышу в процессе.

Неправильная установка солнечных панелей может оставить отверстия в крыше, что приведет к утечке воды и нанесет значительный ущерб как снаружи, так и внутри вашего дома. Чтобы избежать этого, обязательно проведите надлежащее исследование компаний, занимающихся установкой, и убедитесь, что у них есть хорошие отзывы.

Солнечные панели нуждаются в дополнительной опоре для надежной установки из-за веса панелей. Если крыша недолговечна или имеет слабые места, панели могут привести к растрескиванию или «сплющиванию» крыши со временем из-за дополнительного веса.Мы рекомендуем провести надлежащую оценку целостности вашей крыши, чтобы убедиться, что крыша может выдержать вес панелей.

Если панели установлены под крутым углом, они могут со временем споткнуться, что приведет к повреждению крыши. Если панели расположены слишком высоко или низко на крыше, могут возникнуть проблемы на чердаке или помешать правильной работе желобов.

Эти потенциальные проблемы могут привести к аннулированию любой текущей гарантии на крышу. Важно проконсультироваться с вашей компанией по установке крыш, чтобы убедиться, что установка солнечных панелей не нарушит покрытие.

Заключение

Хотя солнечная энергия считается неисчерпаемым возобновляемым ресурсом, то, как мы в настоящее время используем эту энергию, имеет множество недостатков — от недоступности до неэффективности. Однако солнечные технологии все еще находятся в зачаточном состоянии, и многие хорошие идеи начинают появляться.

Например, исследование вопросов хранения энергии выявило два различных метода, которые можно было бы использовать для хранения электроэнергии в будущем.

Черпая вдохновение в существующих технологиях, ученые создают проточные батареи, в которых используются небольшие органические молекулы, которые помогают растениям ревеня накапливать энергию, называемые хинонами, а не токсичные и очень дорогие ионы ванадия.Исследователи предсказывают, что эта технология может снизить текущую стоимость с 0,02 доллара за киловатт-час до 0,0025 доллара за киловатт-час.

Другой метод, который действительно весьма изобретателен, использует солнечную энергию для создания метанола из углекислого газа вместо электричества. План состоит в том, что завод будет сжигать метанол в качестве топлива, которое преобразовывает его обратно в углекислый газ, который будет повторно улавливаться и храниться. Цель состоит в том, чтобы сократить выбросы за счет повторного использования углерода, вместо того, чтобы позволить улетучиваться в атмосферу.

Одно можно сказать наверняка. Солнечная энергия (не только для обычного уличного солнечного освещения) еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем она станет доступной, эффективной и экологически чистой.

Если у вас есть вопросы или комментарии, вы можете продолжить этот разговор в разделе комментариев.

Ресурсы

Показанное изображение Кредит: Activ Solar @ Flickr

Старая скала может привести к солнечным элементам следующего поколения

После 170-летней задержки открытие странной металлической породы, обнаруженной в Уральские горы в России в 1839 году вызвали мировую технологическую гонку за более дешевый и эффективный солнечный элемент.Это может серьезно подорвать мировой рынок солнечной энергии, на котором в настоящее время доминирует Китай.

Особенности породы привели к пониманию того, что речь идет не о конкретном минерале, а о классе минералов, которые имеют общую кристаллическую структуру кубов и алмазоподобных форм. Структура была названа в честь Льва Перовского, российского специалиста по минералам, который первым ее изучил. Он умер в 1856 году. Позже исследователи обнаружили, что месторождения полезных ископаемых, содержащие структуры перовскита, были дешевыми и широко распространенными во всем мире.

Но ученые не знали, что с ними делать до 2009 года, когда японский исследователь обнаружил, что перовскит может поглощать солнечный свет и превращать его в электричество. Он был очень похож на готовые кремниевые элементы. Только перовскитные ячейки отбирали более сильные фотоны солнечного света и обещали быть намного дешевле в приготовлении, чем кремниевые ячейки, для производства которых требуется 14 этапов, включая приготовления, требующие использования высокой температуры, дорогостоящей автоматизации и чистых помещений.

Потенциально более дешевая стоимость материалов и производства привела к появлению первой волны коммерческих предприятий по производству перовскита, в том числе по крайней мере два, которые формируются в Соединенных Штатах.Они нацелены на продукты, которые могли бы бросить вызов доминированию Китая на мировом рынке солнечной энергии и помочь распространить производство по всему миру.

«Удивительно, насколько быстро это произошло», — сказал Мэтью Бирд, химик и старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Боулдере, штат Колорадо, одного из по меньшей мере 20 исследовательских центров и университетов по всему миру, которые работают с перовскитом. .

Он сказал, что, хотя экспериментаторы все еще борются с проблемой стабильности перовскитных солнечных элементов, которая до сих пор давала им более короткий срок службы, чем кремниевые солнечные элементы, есть способы решить эту проблему.Берд и другие исследователи NREL считают, что новые кристаллические материалы могут стать основой для более конкурентоспособной промышленности США и связанных с этим рабочих мест.

По данным NREL, в настоящее время солнечная промышленность в США, которая изобрела фотоэлектрическую (PV) электроэнергию на солнечных батареях, создает в США 73000 рабочих мест, а количество сотрудников в ней растет в 17 раз быстрее, чем экономика США.

Но Китай, после шестилетнего финансового спринта по предоставлению щедрых государственных субсидий своему рынку солнечной энергии и своей промышленности, остается далеко впереди.Его солнечные продукты на основе кремния стали достаточно дешевыми и надежными, чтобы контролировать 70 процентов мировой торговли солнечными модулями. Между тем, согласно новому исследованию Стэнфордского университета ( Climatewire , 22 марта), Соединенные Штаты производят около 1 процента.

В исследовании также отмечалось, что перовскитовый солнечный элемент «вызвал огромный интерес среди исследователей солнечной энергии за последние четыре года» и что его эффективность в производстве электричества из энергии солнечного света — на основе лабораторных экспериментов — выросла с 15% до более 22% всего за три года, достигнув уровня, конкурентоспособного с модулями, произведенными в Китае.

Kodak перепрофилирован

В интервью E&E News Борода из NREL сказал, что одним из «критических факторов» надвигающейся рыночной встряски «является возможность быть дешевле кремния». Другой, как он отметил, заключался в том, что химики, как и он сам, видят множество потенциальных способов настроить перовскитные клетки на более высокий уровень эффективности.

Третий новый фактор, разрабатываемый исследователями из Стэнфордского университета и других организаций, — это использование перовскитных ячеек для работы в «тандеме» с коммерческими кремниевыми ячейками, спаривая их вместе, чтобы быстро повысить их эффективность.

Возможно, самое амбициозное предприятие США по производству перовскита выросло из оборудования, первоначально разработанного Eastman Kodak, — для нанесения на фотопленку тонких покрытий, которые образовывали мили целлулоидной пленки, чувствительной к свету. Технология высокоскоростной печати «с рулона на рулон», которую компания Kodak первой использовала для доминирования на мировом рынке фотопленок, используется компанией для покрытия пластиковых пленок тонким слоем материалов на основе перовскита.

После того, как его компания в лабораторной лаборатории определила, что элементы на основе перовскита будут работать, Стефан ДеЛука, президент и генеральный директор Energy Materials Corp., расположенная в Рочестере, штат Нью-Йорк, в бизнес-парке Eastman, ранее называвшемся Kodak Park, где начинающие компании используют бывшие производственные мощности и здания Kodak для разработки новых продуктов.

Когда-то в компании Kodak работало 15 000 человек. Компания ДеЛуки имеет доступ к своим машинам для разработки производственного процесса по производству наиболее распространенного солнечного продукта — квадратных солнечных модулей, устанавливаемых на крышах домов, магазинов и промышленных крыш.

Как объяснил ДеЛука, оборудование ускорит процесс изготовления основного перовскитового материала для превращения солнечного света в электричество.Затем на него будет нанесено защитное покрытие из стекла и инкапсулировано для защиты от воды и других веществ.

«Я бы сказал, что если вы сделаете их правильно, они будут стабильными», — сказал он, отметив, что кремниевые солнечные модули также должны быть тщательно изготовлены и защищены. «Вы должны быть обеспокоены взаимодействием с другими материалами».

ДеЛука сказал, что, насколько ему известно, ни одна компания не начала коммерческий процесс использования перовскита для производства модулей в больших количествах.«Мы еще не достигли этого, но мы находимся в процессе расширения».

Но он полон надежд, потому что «оборудование, которое вам нужно, намного дешевле, чем то, что вам нужно для кремния. Это значительно снизит стоимость ватта ».

Компания ДеЛука разработала этот процесс совместно с Цзиньсонгом Хуангом, доцентом кафедры механики и обработки материалов в Университете Небраски. Хуанг возглавляет группу исследователей, которые разрабатывают недорогие технологии изготовления перовскитных модулей.

Хуанг, получивший гранты от Министерства энергетики и Национального научного фонда, объяснил, что его конечная цель — не конкурировать с кремниевыми модулями, а создать продукт, достаточно дешевый, чтобы конкурировать с ископаемыми видами топлива, такими как уголь и природные источники. газ.

«Кремний слишком дорог, чтобы конкурировать с ископаемым топливом и углем», — сказал он недавно в интервью Nebraska Today , которое публикуется Университетом Небраски. «Прежде чем солнечные элементы получат широкое распространение, нам необходимо снизить стоимость вдвое, чтобы быть конкурентоспособными с другими источниками энергии.”

Хуанг, который переводит свои исследования в Университет Северной Каролины, подсчитал, что дальнейшие разработки могут поднять уровень эффективности пленок с перовскитным покрытием до 25 процентов «в течение трех-пяти лет».

Добавление перовскита в кремний

Прошлым летом на базе лабораторий Стэнфордского университета было создано второе коммерческое предприятие в США. Он называется Iris PV, и его управляющий директор Колин Бейли считает, что его компания может быстрее достичь более высокой солнечной эффективности, сочетая перовскитные солнечные элементы со стандартными кремниевыми элементами.Работая в тандеме, два устройства могут извлекать больше энергии из солнечного света. Одна австралийская лаборатория недавно объявила, что эффективность такого массива достигает 26,4%.

Он объясняет, что прыжок с уровня ниже 10 процентов до этого уровня эффективности за семь лет, по его словам, сделал перовскит самой быстро улучшающейся фотоэлектрической технологией в истории. «Это, безусловно, довольно близко к тому, на что способен лучший кремний», — сказал Бейли, который разрабатывает бизнес-модель, нацеленную на использование тандемных модулей в качестве пути к более дешевой солнечной энергии.

Изготавливая перовскитные элементы в своей лаборатории, он надеется произвести линейку более мелких, нишевых продуктов, таких как тандемные солнечные элементы для питания спутников, и удовлетворить потребности военных США в более мелких и легких системах генерации энергии на местах.

Если это предприятие сработает, Iris PV стремится изменить отрасль солнечных модулей, покупая дешевые коммерческие кремниевые солнечные элементы, сделанные для модулей, которые в настоящее время устанавливаются на крышах домов. Компания завершила бы модули, вставив второй слой перовскитного материала, тонкое покрытие, напечатанное на стеклянной панели, которое будет служить внешней капсулой для тандемного солнечного элемента.По мнению Бейли, два слоя, работающие вместе, будут конкурировать с наиболее эффективными кремниевыми элементами на коммерческом рынке за небольшую часть их стоимости.

Готовый продукт, упакованный вместе на небольшом, относительно простом модульном заводе, расположенном недалеко от места установки модулей, будет беспроигрышным предложением. Как объяснил Бейли, они помогут производителям солнечных модулей конкурировать с ископаемым топливом, предоставят установщикам панелей более дешевые продукты для продажи и помогут распространить растущую солнечную промышленность в США.С. и во всем мире.

«Это наше долгосрочное видение», — сказал Бейли.

Есть и другие игроки, которые разделяют схожие взгляды на глобальный бизнес по производству солнечной электроэнергии на основе перовскита. Одним из них является Oxford Photovoltaics Ltd., компания, возникшая из Оксфордского университета в Англии, которая недавно заключила соглашение с производителем солнечных панелей об открытии коммерческого предприятия по производству солнечных панелей, работающих на перовските, в Германии.

Предприятие получило финансовую поддержку от Statoil Energy Ventures, дочерней компании норвежской Statoil ASA, которая является одним из крупнейших производителей нефти и газа в мире.

Гарет Бернс, управляющий директор дочерней компании, сказал, что компания хочет дополнить свой нефтегазовый портфель «прибыльными возобновляемыми источниками энергии». В заявлении для прессы он описал это предприятие как «прекрасную возможность стать частью технологического развития, которое может повлиять на следующее поколение солнечных элементов».

Перепечатано с сайта Climatewire с разрешения E&E News. E&E ежедневно освещает важные новости энергетики и окружающей среды на сайте www.eenews.net.

Солнечные диски, которые могут привести Землю в действие

Возможности на этом не заканчиваются. Хотя в настоящее время мы полагаемся на материалы с Земли для строительства электростанций, ученые также рассматривают возможность использования ресурсов из космоса для производства, таких как материалы, найденные на Луне.

Но одной из главных проблем впереди будет возвращение энергии на Землю. План состоит в том, чтобы преобразовать электричество солнечных элементов в энергетические волны и использовать электромагнитные поля для передачи их вниз к антенне на поверхности Земли.Затем антенна преобразует волны обратно в электричество. Исследователи во главе с Японским агентством аэрокосмических исследований уже разработали конструкции и продемонстрировали орбитальную систему, которая должна это делать.

В этой области еще предстоит проделать большую работу, но цель состоит в том, чтобы солнечные электростанции в космосе стали реальностью в ближайшие десятилетия. Исследователи в Китае разработали систему под названием Omega, которую они планируют ввести в действие к 2050 году. Эта система должна обеспечивать 2 ГВт энергии в энергосистему Земли с максимальной производительностью, что является огромным объемом.Чтобы производить столько энергии с помощью солнечных батарей на Земле, вам потребуется более шести миллионов штук.

Спутники на солнечной энергии меньшего размера, такие как те, что предназначены для работы луноходов, могут быть введены в эксплуатацию еще раньше.

Во всем мире научное сообщество вкладывает время и усилия в разработку солнечных электростанций в космосе. Мы надеемся, что однажды они могут стать жизненно важным инструментом в нашей борьбе с изменением климата.

–

Аманда Джейн Хьюз — преподаватель энергетики в Ливерпульском университете, где ее исследования включают разработку солнечных элементов и оптических инструментов.Стефания Сольдини — преподаватель аэрокосмической техники в Ливерпульском университете, и ее опыт включает численное моделирование для проектирования и управления космическими кораблями, навигации и управления, астероидов и полетов на солнечном парусе.

–

Эта статья первоначально появилась в The Conversation и переиздается по лицензии Creative Commons. Это также является причиной того, что в этой истории нет оценки выбросов углерода, , как обычно бывает в рассказах о «Планете будущего» .

–

Присоединяйтесь к миллиону поклонников Future, поставив нам лайк на Facebook , или подписывайтесь на нас в Twitter или Instagram .