Солнечные батареи обычно устанавливают там, где они могут получать прямой солнечный свет: на поверхности Земли, плавучих платформах и космических аппаратах. Однако значительная часть солнечного излучения способна проникать и под поверхность океана. Исследование учёных из Юньнаньского университета в Куньмине показало, что специально разработанные фотоэлектрические элементы могут эффективно использовать этот свет и вырабатывать электричество даже на глубине 10 метров.
По словам декана факультета материалов и энергетики Юньнаньского университета Вэнь-Хуа Чжана, технология потенциально позволит увеличить автономность подводных аппаратов. Погружённые солнечные элементы могли бы использоваться для подзарядки подводных лодок, автономных подводных аппаратов и мини-роботов. Кроме того, дополнительный источник энергии может оказаться полезным для подводных сенсоров, камер, осветительных устройств и систем связи.
Перспективность такого подхода связана с огромной площадью Мирового океана: вода покрывает более 70% поверхности Земли. При этом под водой солнечный спектр существенно отличается от наземного. Вода особенно сильно ослабляет длинноволновую часть солнечного излучения, тогда как на глубину в несколько метров лучше проникает преимущественно сине-зелёный свет с длиной волны примерно 400–600 нм.
Обычные кремниевые солнечные элементы рассчитаны на значительно более широкий диапазон солнечного спектра. Поэтому при погружении под воду часть их потенциально доступного излучения оказывается потеряна. Чжан и его коллеги решили адаптировать фотоэлектрический материал непосредственно к спектру света, который сохраняется на подводной глубине.
Исследователи изготовили перовскитовые солнечные элементы, оптимизированные для использования преимущественно коротковолновой части солнечного спектра. В стандартных условиях освещения, характерных для наземных применений, эффективность преобразования света в электричество составила 17,08%. Однако при освещении спектром, соответствующим условиям на глубине 10 метров, эффективность достигла 34,71%.
Таким образом, высокая эффективность в данном случае не означает, что под водой элемент получает больше солнечной энергии, чем на поверхности. Напротив, доступное излучение значительно слабее. Речь идёт о более эффективном использовании именно той части спектра, которая сохраняется после прохождения через воду.
Испытания в море
Чтобы проверить работу технологии не только в лаборатории, исследователи интегрировали фотоэлектрические элементы в небольшие подводные роботы с перезаряжаемыми литий-ионными аккумуляторами. Испытания проводились возле острова Вэйчжоу в Южно-Китайском море.
Для защиты от морской воды фотоэлектрические элементы заключили в многослойную оболочку из стекла, синтетического каучука и эпоксидной смолы. Роботы могли автоматически поддерживать заданную глубину, что позволило исследователям оценивать выработку энергии при различных условиях погружения.
При глубине 2 метра участок капсулированных элементов площадью 115 см² мог выработать за два часа около 1416 мВт·ч электроэнергии. На глубине 10 метров результат снизился до 324 мВт·ч за два часа. Несмотря на значительно более слабое освещение, полученный показатель оказался в три-шесть раз выше ожидаемого исследователями.
Для практических подводных систем важна не только эффективность преобразования, но и способность фотоэлектрического элемента сохранять свои характеристики в течение длительного времени. Здесь у перовскитовых элементов есть известная проблема: они чувствительны к условиям эксплуатации и в обычных условиях могут сравнительно быстро деградировать.
Однако подводная среда в некоторых отношениях может оказаться для них благоприятнее. Температура воды ниже, чем температура поверхности фотоэлектрических модулей, нагревающихся под прямыми солнечными лучами, а интенсивность освещения значительно меньше. Исследователи проверили стабильность разработанных элементов в лаборатории, подвергая их воздействию света, соответствующего спектру на глубине 10 метров.
При температуре 25 °C — примерно соответствующей среднегодовой температуре воды в районе острова Вэйчжоу — деградация элементов была минимальной. На основании результатов испытаний исследователи оценили, что при непрерывной эксплуатации элементы смогут сохранять не менее 80% первоначальной эффективности примерно в течение 5,5 года.
Для перовскитовой фотоэлектрики это существенный результат. При этом речь идёт именно об оценке на основании ускоренных или лабораторных испытаний, а не о подтверждённом пятилетней эксплуатацией ресурсе реального подводного модуля. В условиях океана на срок службы будут влиять дополнительные факторы, включая механические нагрузки, коррозию, загрязнение поверхности и обрастание.
Главная проблема — не только солнечный свет
Подводные солнечные элементы пока находятся на стадии исследования, и их практическое применение потребует решения целого ряда инженерных задач.
Одна из них — защита фотоэлектрического элемента от морской воды без чрезмерного снижения количества света, достигающего активного слоя. Другая — устойчивость конструкции к течениям и механическим нагрузкам. Не менее серьёзной проблемой может стать биообрастание: ракушки, водоросли и другие морские организмы способны постепенно покрывать поверхность модуля и уменьшать количество света, поступающего к фотоэлементу.
Поэтому результаты лабораторных и кратковременных морских испытаний ещё не означают готовности технологии к массовому размещению в океане. Для этого потребуются длительные натурные испытания, совершенствование защитных покрытий и разработка методов очистки поверхности.
В дальнейшем исследователи планируют проверить, на какой максимальной глубине их фотоэлектрические элементы смогут сохранять практически значимую производительность. Ещё одно направление — объединение подводной фотоэлектрики с системами накопления энергии. Такая комбинация могла бы позволить подводным устройствам накапливать энергию в периоды достаточного освещения и использовать её в условиях низкой освещённости.
Учёные также считают необходимой разработку стандартизированных протоколов испытаний подводных фотоэлектрических систем. Это позволит сопоставлять результаты разных лабораторий и оценивать эффективность устройств не только по паспортному КПД, но и с учётом глубины, спектрального состава света, температуры, прозрачности воды и продолжительности эксплуатации.
Если технология действительно сможет обеспечить стабильную работу в течение нескольких лет, подводные фотоэлектрические системы могут занять нишу в энергоснабжении распределённых автономных устройств — от океанографических сенсоров до подводных роботов.
Главный вопрос теперь заключается не столько в том, способны ли солнечные элементы работать под водой, сколько в том, сможет ли такая система обеспечить достаточно энергии и ресурса, чтобы её эксплуатация в океане оказалась практически оправданной.
Источник: https://spectrum.ieee.org/perovskite-underwater-solar-panels?itm_source=homepage&itm_medium=...
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
