IBM: свет, чистая вода и электричество
Исследовательское подразделение IBM Research совместно с рядом швейцарских научных институтов создало прототип солнечной электростанции, которая может «концентрировать» солнечную энергию для дальнейшего преобразования в электричество.
В принципе, в этой идее нет ничего революционного – всем известна способность выпуклых линз фокусировать солнечные лучи в одну точку. В ясный солнечный день так можно поджечь даже лист бумаги.
Казалось бы, очень удобно: можно «собрать» солнечные лучи и сфокусировать их на фотоэлементе, чтобы повысить выход электричества. Тем не менее вплоть до сегодняшнего времени ни одна солнечная электростанция такого метода не использовала. Причина в том, что обычный фотоэлемент просто не выдерживает высокой температуры, которая возникает из-за высокой концентрации на нем солнечных лучей в течение длительного времени. Также, несмотря на то что сконцентрировать солнечные лучи теоретически довольно просто, строительство таких установок является нерентабельным, если концентрация выполняется в небольшое число раз.
Однако ученые компании IBM смогли обойти все эти ограничения. Они разработали специальный параболический элемент для фокусировки солнечных лучей с большой площади на маленькую (High Concentration PhotoVoltaic Thermal). При этом фотоэлементы, превращающие солнечную энергию в электрическую, имеют водяное охлаждение, что дает возможность концентрировать на них солнечное излучение, превышающее обычное по меньшей мере в 2000 раз. «Без охлаждения фотоэлементы расплавились бы за секунду», – говорит Бруно Мишель (Bruno Michel), специалист IBM Research в Цюрихе (видео с рассказом доступно здесь).
Прототипом системы охлаждения стали водяные системы охлаждения суперкомпьютеров IBM. Когда компания решала эту проблему, то создала технологию капиллярного охлаждения процессоров. По аналогии каждый фотоэлектрический элемент, освещаемый солнцем, сконцентрированным параболической тарелкой, охлаждается системой микроканалов, схожей с капиллярным кровообращением в человеческом теле.
Фотоэлементы, которые осуществляют выработку электроэнергии, также не совсем обычные: они способны перерабатывать солнечный свет всех длин волн, проходящих через атмосферу – от среднего ультрафиолета до инфракрасного излучения. Это дает им преимущество над обычными фотоэлементами, которые способны «захватить» только ту длину волны, которая выбивает из него электрон. Остальные электромагнитные волны не могут быть захвачены, и соответственно лишь небольшая часть света преобразуется в полезную энергию. Полное преобразование энергии делает новые фотоэлементы несопоставимо более эффективными.
Охлаждение фотоэлементов холодной водой позволяет нагреть ее. Помимо простого нагревания, микроканалы в устройстве IBM способны еще и очищать полученную горячую воду, делая ее пригодной для питья. А при использовании морской воды ее можно будет опреснить с помощью входящей в состав устройства опреснительной установки: горячая вода испаряется, давая при конденсации пресную воду.
Общий коэффициент полезного действия всей установки (электричество + использование нагрева воды) может достигать, по оценкам разработчиков IBM, 80%. КПД же «чисто» электрического плана (то есть отношение поступившей солнечной энергии к полученной электроэнергии) составляет 50%. Мощность одной установки составляет 25 кВт.
Районы земного шара, пригодные для эффективной эксплуатации подобных солнечных параболических коллекторов, включают в себя южную Европу, Африку, Аравийский полуостров, юго-запад Северной Америки, север Южной Америки и всю Австралию. Однако особо перспективно размещение солнечных параболических коллекторов на тропических островах – ведь такая электростанция сможет обеспечивать эти регионы дешевой чистой пресной водой и электроэнергией одновременно.
Работа над новым типом солнечной электростанции продолжалась в течение трех лет, на проект потрачено $2,4 млн, которые были выделены Швейцарской комиссией по технологиям и инновациям (Swiss Commission for Technology and Innovation).