Отсутствие мощных автономных источников питания остаётся проблемой не только электрического транспорта, но также робототехники и особенно той её части, которая стремится к миниатюризации. Частичным решением может стать возобновляемая и, конкретно, солнечная энергетика, что показали китайские учёные на примере системы управления мозгом птиц с резервным питанием от солнечных элементов.

Источник изображения: Journal of Biomedical Engineering

Управление живыми организмами с помощью раздражения тех или иных центров в головном мозге — это предложение не сегодняшнего дня. Миниатюризация электроники и продвижение в нейронауках позволяют делать это всё лучше и лучше, хотя вопрос питания продолжает оставаться слабым местом. В частности, в экспериментах китайских учёных из колледжа электротехники и автоматизации Шаньдунского университета науки и технологии вооружённые мозговыми имплантатами голуби могли летать под контролем людей до 45 мин. На большее прикреплённой к птице литиевой батарейки просто не хватало до тех пор, пока на её спину не установили небольшую солнечную панель.

С солнечным элементом размерами с половину экрана смартфона голубь управлялся в воздухе до двух часов. Птица поддавалась контролю — её можно было разворачивать в нужную сторону — с вероятностью 80–90 %. Добиться 100-процентного выполнения команд мешали различные сильные раздражающие факторы в окружающей среде, что, в общем-то, неудивительно. Управление разворотом обычно осуществляется с использованием болевых ощущений, что не всегда позволяет преодолеть инстинкты.

Увеличить длительность управляемого полёта позволили хитрые алгоритмы управления питанием. Алгоритм рассчитывал прогнозируемое потребление «мозгового» контроллера и оценивал запас энергии в батарее. Если разряд приближался к критически низкому значению, птице автоматически отдавались команды направляться в сторону лучшего освещения элемента солнцем. Таким образом, даже в пасмурный день время автономного полёта увеличивалось на 40 %.

В целом система показала способность управлять полётом птицы до двух раз дольше, чем хорошим коммерческим дроном. Подобное может пригодиться во время спасательных операций и в военных миссиях. С точки зрения обычного человека всё это выглядит негуманно, но человеческие жизни это может спасти. Главное не увлекаться и не проецировать эти технологии для использования на людях. Впрочем, верить в такое было бы наивно.

Амбициозные проекты по разработке орбитальных солнечных электростанций существуют во всех странах с собственными космическими программами. На орбите с каждого квадратного метра можно добывать в восемь раз больше энергии, чем на Земле и происходит это 24 часа в сутки без перерывов на ночь. Учёные из Калифорнийского технологического института намерены реализовать свой проект уже в декабре, запустив на орбиту первый прототип солнечной электростанции.

Источник изображений: Caltech

Проект Калтеха стартовал с рекордного пожертвования в 2013 году. Председатель совета директоров Irvine Company Дональд Брен (Donald Bren) передал на программу создания орбитальной солнечной электростанции чуть больше $100 млн. В 2015 году в проект влила средства компания Northrop Grumman, выделив институту $17,5 млн.

Разработка велась по трём направлениям. Одна группа учёных разрабатывала сверхлёгкие солнечные элементы, другая создавала сверхлёгкие и эффективные преобразователи электрической энергии от батарей в микроволновое излучение, а третья группа проектировала структуру солнечных полей для вывода в космос с учётом ограничений современных ракет-носителей.

Сейчас все три проекта воплощены в одном прототипе, который вскоре будет отправлен на орбиту. Созданные первой группой солнечные элементы обещают в 50–100 раз лучшее соотношение вырабатываемой мощности к весу, чем современные спутниковые солнечные панели, включая самые новейшие на МКС.

Вторая команда представила сверхлёгкое, миниатюрное и недорогое оборудование для преобразования постоянного тока от солнечных батарей в радиочастотный сигнал для последующей передачи на Землю. Решение направляет его с помощью манипуляции фазой сигнала, обещая высочайшую точность и скорость.

Сама панель выполнена в виде плитки площадью 10 см². В одном модуле расположены как двухсторонние солнечные элементы, так и модуль преобразования в радиочастотный сигнал. Вес одного модуля всего 2,8 г. Модули собираются в ленты шириной 2 м и длиной до 60 м в самой длинной части солнечной фермы. Из лент создаётся квадрат со сторонами 60 м, а само поле для отправки в космос сворачивается в очень компактную форму — почти как оригами. Из таких квадратов предполагается собирать солнечные фермы на орбите площадью 9 км². На орбите поля будут самостоятельно разворачиваться в квадраты, механизм для чего тоже придуман и он очень лёгкий — порядка 150 г на м².

Учёные рассматривают два варианта орбиты для своих солнечных орбитальных ферм — геосинхронную с постоянным направлением на одну приёмную станцию на Земле и менее затратную по стоимости запуска более низкую орбиту, но с несколькими «кочующими» по орбите станциями с рассредоточенными по Земле приёмными станциями. Последний вариант представляется предпочтительнее. Пять солнечных ферм на средней орбите потребуют 39 запусков и обеспечат от $1 до $2 за киловатт-час. Это от 10 до 20 раз дороже, чем сегодня в США в среднем стоит один киловатт-час электрической энергии, но с точки зрения экологической чистоты эффект обещает быть существенным.

Установки по хранению энергии в сжатом воздухе не являются чем-то новым. Проблема заключалась в их относительно низкой энергоэффективности, которую успешно решили китайские учёные. На основе разработки в провинции Хэбэй создана, испытана и до конца года будет введена в коммерческую эксплуатацию самая передовая в мире воздушно-компрессионная система накопления энергии мощностью 100 МВт.

Источник изображения: SCMP

Первый в мире проект CAES (compressed air energy storage system) коммунального масштаба был реализован в Германии в 1978 году. Установка работает до сих пор, обеспечивая выходную мощность 290 МВт. Оборудование CAES нагнетает атмосферный воздух в пустоты в земле, сжимая воздух до давления порядка 140 атмосфер. КПД немецкой установки составляет 40 %, что существенно ниже гидроаккумулирующих электростанций с запасом энергии в процессе перекачки водяных масс на большую высоту (КПД до 75 %) и батарейных накопителей, КПД которых достигает 90 %, но реализуется в ходе серьёзнейших финансовых вливаний.

В процессе сжатия воздуха установкой CAES выделяется много тепловой энергии. Немецкий проект не использует это тепло, а при выпуске сжатого воздуха для его подогрева использует сжигание ископаемого топлива, что в комплексе сильно снижает эффективность решения (дополнительный подогрев многократно повышает давление выходящего воздушного потока и усиливает производимую им работу — вращение турбин генераторов).

Китайские инженеры научились захватывать и эффективно хранить возникающее в процессе сжатия воздуха тепло и затем повторно использовать его уже на нагревание воздуха, подающегося на турбины. Согласно результатам испытаний, эффективность хранения тепла сохраняется на уровне 98,95 % через восемь часов и 98,73 % через 16 часов, что является самым высоким показателем среди существующих теплоаккумулирующих устройств CAES.

Параллельно в Китае реализуются другие проекты по системам сбора энергии от возобновляемых и поэтому нестабильных источников энергии, таких как Солнце и ветер. Например, в Даляне строится система хранения мощностью 100 МВт на основе ванадиевых проточных батарей, а во Внутренней Монголии, Нинся и других регионах запущены проекты по накоплению энергии как в обычных литиевых аккумуляторах, так и в более экзотических вариантах, таких, как использование маховиков. Китай стремится стать лидером в сфере накопления энергии и испытывает все возможные варианты добиться поставленных целей.

Исследователи из Стэнфордского университета изучили проблему повышения нагрузки на электрические сети при увеличении числа электромобилей. Работа должна помочь найти оптимальную стратегию для выбора места и времени зарядки электрокаров. Выяснилось, что сегодня всё делается неправильно. Главный вывод — льготные ночные тарифы необходимо отменить, чтобы заряжать электромобили дома в ночные часы было невыгодно.

Источник изображения: Pixabay

Опубликованная в журнале Nature Energy работа учёных основывалась на данных, собранных для штата Калифорния и других западных штатов США. Однако для других штатов она также будет во многом соответствовать истинному положению дел. Льготные ночные тарифы на электроэнергию — это распространённая практика, которая традиционно поощряла бытовых потребителей снижать нагрузку на электросети в дневное и вечернее время, когда промышленная и офисная деятельность выступают основными потребителями энергии. Обычным людям позволяли со скидкой нагружать бытовые электроприборы поздним вечером и в течение всей ночи. В новых условиях всё должно быть иначе.

Как известно, возобновляемая электроэнергия и, в первую очередь, солнечная энергия пик выработки даёт днём и до наступления сумерек. Тем самым бытовые потребители пропускают этот период, используя льготное и уже не «зелёное» электричество из сети ночью. Чтобы поддержать ночную нагрузку с постоянным ростом парка электрокаров придётся строить огромные накопительные батареи. Например, если на дорогах западной части США электромобили составят 50 % транспортного парка, это потребует резервных накопителей мощностью свыше 5,4 ГВт. В противном случае придётся строить пять новых атомных реакторов типичной мощности.

Отказ от зарядки в ночное время и перенос этой процедуры на день с зарядкой у места работы позволит снизить мощности необходимых буферных хранилищ энергии до 4,2 ГВт. Очевидно, что сегодня никто не придерживается такой стратегии, поскольку те же тарифы на электроэнергию для юридических лиц намного выше тарифов для населения. Работодателю невыгодно размещать зарядные станции на своей территории, как и отсутствует льготная суточная тарифная политика с учётом новых реалий.

Кстати, речь идёт не только о возможности обеспечить необходимые по мощности источники энергии, её ещё нужно доставить к месту потребления, к чему современные распределительные сети во многом не готовы. По крайней мере, если говорить о доставке электричества потребителям в США в жилые районы. С условием сохранения ночной зарядки электромобилей дома пиковый спрос на электроэнергию вырастет на 25 % уже к 2035 году.

«Мы смогли показать, что при меньшем количестве домашних зарядок и большем количестве дневных зарядок, Западным США потребуется меньше генерирующих мощностей и накопителей, и они не будут тратить столько солнечной и ветровой энергии, — сказала один из авторов работы. — И это не только Калифорния и западные штаты. Всем штатам, возможно, придется пересмотреть структуру ценообразования на электроэнергию по мере роста потребностей в зарядке электромобилей и изменения сети».

Рабочие характеристики перовскитных солнечных элементов значительно превосходят аналогичные параметры кремниевых панелей. Однако у перспективных солнечных батарей из перовскитов есть один большой недостаток — это высокая чувствительность к окружающей среде. Они быстро деградируют даже в лабораторных условиях, а на открытом воздухе такие процессы только ускоряются. Решить эту проблему смогла международная группа учёных с участием специалистов из России.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Исследователи из НИТУ МИСИС, Университета Гренобль Альпы и Римского университета Тор Вергата предложили технологию стабилизации перовскитных батарей и повышения их коррозионной устойчивости с помощью максенов (MXenes) — двумерных карбидов или нитридов переходного металла. Решение представлено в виде «интерфейса» — тончайшей прослойки из максенов между катодом и n-слоем элемента. Самое важное в этом открытии — технология очень проста для адаптации к массовому производству солнечных панелей из перовскита. Фактически «стабилизирующий» материал добавляется в краску для печати солнечных элементов, что делает техпроцесс предельно простым.

Толщина фотоэлементов из перовскита порядка 1 мкм. Для сравнения, толщина кремниевых фотоэлементов в среднем достигает 200 мкм. Перовскитную солнечную панель можно банально напечатать на любой поверхности, что делает технологию дешевле и с едва ли ограниченным охватом. Солнечные панели могут появиться на любой свободной поверхности произвольной кривизны. Перейти к практической реализации этой идеи в основном мешает быстрая деградация панелей в присутствии влаги, с чем вместе научились разбираться учёные из России, Италии и Франции. По крайней мере, предложенная технология в пять раз продлевает срок службы перовскитных панелей.

«Эксперименты подтвердили, что добавление гибрида батокупроина и максена в качестве "интерфейса" между n-слоем и катодом не только повышает КПД перовскитного солнечного элемента, но и способствует долгосрочной стабилизации между слоями. Максен предотвращает химическое разложение и повышает износостойкость устройства», — говорится в пресс-релизе НИТУ «МИСИС».

В совместной статье в издании Small учёные поясняют, что наилучший образец прослойки был выявлен при концентрации батокупроина в изопропаноле 0,5 мг/мл, а максена — 0,75 мг/мл. КПД этого образца составил 17,46 % против 16,45 % образца без добавления максена. При проверке термической стойкости при 80 °C КПД солнечного элемента с максеном снизился до 80 % от первоначального значения через 1080 часов работы, в то время как элемент без максена — уже через 330 часов. Тест на поглощение света выявил, что благодаря максену КПД снизился на 4 % от исходного значения через 2300 часов, КПД образца без максена снизился до 80 % за 430 часов.

На следующем этапе команда разработчиков приступила к адаптации метода для промышленной реализации, что в итоге приведёт к пилотному прототипированию на широком формате.