Светлая сила
Продолжая тему экологических направлений яхтенной энергетики, начатую в статьях «Электрическое движение» и «Водородное движение», опубликованных в двух предыдущих выпусках журнала, поговорим здесь о фотовольтаике. Этот уже устоявшийся термин относится к солнечной энергетике. Фотовольтаические системы (ФВС) используют фотоэлектрический эффект для преобразования фотонов в электроны, то есть преобразуют поток света в электрический ток, что делает весьма перспективным их применение на яхтах.
Солнечную энергию человечество использует с незапамятных времен, но критически важный этап в истории солнечной энергетики пришелся на 1839 год, когда французский ученый Эдмон Беккерель обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс создал первый селеновый элемент, работавший на основе фотоэлектрического эффекта. В 1954 году компания Bell Labs (США) выпустила первые коммерческие солнечные батареи, которые использовались в различных аппаратах.
В настоящее время солнечная энергетика является одним из наиболее быстрорастущих и перспективных направлений в области возобновляемых источников энергии. Различные страны инвестируют в ее развитие, строят солнечные фермы и парковки, устанавливают солнечные панели на крышах зданий, транспортных средствах и, конечно же, на океанских яхтах, позволяя им передвигаться по миру, используя этот неисчерпаемый источник энергии.
Что такое ФВС?
Фотовольтаические системы состоят из так называемых солнечных, или фотоэлектрических, панелей (ФЭП), содержащих множество ячеек из материалов с различными характеристиками, определяющими эффективность (КПД) преобразования светового потока в электронный, их долговечность, механические свойства и стоимость. В настоящее время наиболее распространенным типом солнечных панелей являются кремниевые. Они широко представлены на современном рынке. Однако развитие солнечной энергетики привело к появлению большого количества других типов ФЭП, которые принято разделять на три поколения в зависимости от материалов, используемых при их изготовлении.
Первое поколение включает в себя монокристаллические кремниевые солнечные элементы, которые можно легко отличить по равномерной окраске и форме, — прямоугольные ячейки со скошенными углами. Другой тип — поликристаллические панели из множества отдельных кристаллов; они имеют прямоугольную форму с неокругленными краями. К данному поколению также следует отнести панели на основе арсенида галлия (GaAs) — химического соединения галлия и мышьяка; они обладают большей эффективностью, однако из-за наличия дорогостоящих, редких и токсичных веществ не получили широкого распространения.
Второе поколение ФЭП появилось в результате решения вопроса стоимости панелей. К ним относятся различные типы тонкопленочных солнечных элементов. В свою очередь, они классифицируются в зависимости от фотоэлектрического материала, которым покрыта подложка: теллурид кадмия (CdTe), аморфный кремний (a-Si, некристаллический диоксид кремния), диселенид меди (CuSe2) и меди-индия (CuInSe2), фотоэлементы из меди, индия и галлия (CIGS). Такие солнечные панели дешевле в производстве, имеют гибкую структуру, а затенение и повышенные температуры оказывают меньшее влияние на их работу. Однако главный их недостаток — относительно невысокий КПД, что подвигло ученых к различным разработкам третьего поколения ФЭП.
К третьему поколению относятся тандемные солнечные панели, тонкопленочные структуры, а также новейшие виды фотопреобразователей, такие как солнечные элементы, сенсибилизированные красителем; солнечные элементы на основе квантовых точек; перовскитные солнечные панели (используют полупроводниковые материалы с кристаллической структурой); органические солнечные панели; солнечные элементы из сульфида меди, цинка и олова (CZTS). Наибольшим КПД (более 48%) в настоящее время обладают многопереходные полупроводниковые фотоэлементы. Можно также отметить быстрое развитие новых типов (emerging PV) фотоэлектрических преобразователей третьего поколения. Однако коммерчески оправданными в применении до сих пор являются ФЭП с КПД, не превышающим 23% при теоретическом максимуме 85–88%.
Тонкие пленки и инновации
Для применения в судовых системах в последнее время широкое распространение начинают получать панели третьего поколения, основанные на тонкопленочной фотоэлектрической технологии. От традиционных солнечных панелей их конструкцию отличает использование слоев фотоэлектрического материала на подложке, такого как стекло, пластик или металл. Эти слои могут быть более чем в 100 раз тоньше традиционных кремниевых пластин в стандартных солнечных панелях. В результате панели получаются гибче и легче, их можно устанавливать на самые разные поверхности, в том числе там, где традиционные панели не применить.