За последние десятилетия технологии значительно расширили возможности использования природных источников энергии: солнечный свет превращается в электричество, энергия ветра и волн используется для выработки энергии, а исследователи продолжают искать решения для сред, где раньше подобные технологии считались малоприменимыми.
Более 70 % поверхности Земли занимает океан - огромное пространство, где солнечная энергетика пока практически не используется. Однако часть солнечного света проникает под воду, и ученые пытаются понять, можно ли использовать его для питания расположенного там оборудования.
Именно этим вопросом занялись китайские исследователи, испытав солнечные элементы в открытом море на глубине до 10 метров.
Исследователи из Университета Юньнань, расположенный в городе Куньмин юго-западной провинции Юньнань, во главе с профессором Вэньхуа Чжаном провели испытания в Южно-Китайском море у острова Вэйчжоу. Разработанные ими солнечные элементы проверили на глубине 2, 6 и 10 метров.
За два часа система произвела 1416 мВт·ч энергии на глубине 2 метров, 752 мВт·ч на глубине 6 метров и 324 мВт·ч на глубине 10 метров.
Чтобы представить объем полученной энергии, 324 мВт·ч — это лишь небольшая доля полного заряда современного смартфона. Однако для подводных устройств, которым требуется значительно меньше энергии, такой объем уже может иметь практическое значение.
Во время эксперимента полученную электроэнергию использовали для зарядки литий-ионных аккумуляторов и питания подводного роботизированного оборудования.
Профессор Вэньхуа Чжан рассказал «Анадолу», что идея использовать солнечную энергию под водой возникла из простого вопроса: если солнечные элементы уже широко применяются на суше и обеспечивают работу спутников в космосе, почему бы не использовать их и для питания систем в океане?
По его словам, масштаб потенциального применения очень велик, поскольку океан занимает примерно три четверти поверхности Земли.
Чжан отметил, что подводные солнечные элементы в перспективе способны увеличить дальность работы автономных подводных аппаратов и продолжительность их миссий.
Кроме того, технология может использоваться для питания различных электронных устройств и в будущем поддерживать создание подводной сети Интернета вещей (IoT), считает профессор.
Однако солнечный свет под водой существенно отличается от света на поверхности. По мере увеличения глубины вода поглощает значительную часть красного и инфракрасного излучения, поэтому до подводных устройств преимущественно доходят синие и зеленые участки спектра. В результате доступный солнечный спектр становится значительно уже.
Именно поэтому китайские исследователи использовали солнечный элемент на основе перовскитного материала с шириной запрещенной зоны около 1,96 электрон-вольта.
По словам Чжана, выбранный материал практически соответствует солнечному спектру, сохраняющемуся на глубине 10 метров.
Такая настройка позволяет эффективнее использовать высокоэнергетические фотоны, получать более высокое напряжение и увеличивать эффективность преобразования доступного под водой света в электричество.
Перовскитные материалы дают исследователям возможность изменять диапазон поглощаемого света в зависимости от их состава. Это позволяет адаптировать солнечные элементы к условиям, в которых традиционные наземные панели работают менее эффективно.
Доцент кафедры электротехники и электроники Университета ODTÜ Сельчук Йерджи отметил в комментарии «Анадолу», что главная ценность технологии заключается не в замене наземных или плавучих солнечных электростанций, а в возможности непосредственно обеспечивать энергией подводные устройства.
По его словам, для подводных датчиков, систем акустического мониторинга и автономных подводных аппаратов одной из основных проблем остается ограниченное время работы аккумуляторов.
Прокладка кабелей с поверхности может быть дорогой и сложной, тогда как подъем оборудования для замены или зарядки батарей увеличивает эксплуатационные расходы.
Подводные солнечные элементы потенциально позволяют получать энергию непосредственно в воде без необходимости регулярно поднимать оборудование к поверхности.
Йерджи отметил, что особенно перспективным может быть использование технологии в первых 10–15 метрах глубины, где при подходящих условиях освещенности можно обеспечивать работу маломощных электронных систем в течение длительного времени.
При этом, по его словам, речь не идет о переносе обычных солнечных электростанций под воду.
Для выработки больших объемов электроэнергии наземные и плавучие солнечные установки остаются принципиально другим решением.
По оценке Йерджи, подводные солнечные элементы могут найти применение в автономных подводных аппаратах, системах наблюдения и мониторинга, подводных камерах, средствах связи и датчиках.
В частности, они могут использоваться для контроля качества воды и состояния рыбных хозяйств, работы камер и сенсоров на глубине, а также в геофизических системах и станциях раннего предупреждения.
В свою очередь, Вэньхуа Чжан также назвал среди возможных применений автономные подводные аппараты, подводные детекторы, светодиодное освещение и коммуникационные модули.
По его словам, одно из ключевых преимуществ заключается в том, что расположенное в море оборудование сможет получать энергию непосредственно на месте работы, а не подниматься к поверхности для подзарядки.
Исследователь также считает, что в перспективе подобные системы могут стать частью более широкой подводной инфраструктуры, включающей большое количество автономных электронных устройств.
Йерджи считает, что необходимые научные и технические возможности для разработки подобных систем существуют и в Турции.
По его словам, исследовательские центры страны обладают опытом работы с современными перовскитными материалами, широкозонными солнечными структурами и технологиями долговечности солнечных модулей.
Перспективность конкретного региона при этом будет во многом зависеть от прозрачности воды.
По оценке Йерджи, отдельные районы Средиземного и Эгейского морей могут быть особенно подходящими для подобных испытаний благодаря относительно высокой прозрачности воды.
В то же время в некоторых районах Черного и Мраморного морей более высокая концентрация частиц и органических веществ может значительно ограничивать проникновение солнечного света.
При этом, по словам эксперта, в Турции пока не было публично объявлено о специализированном национальном проекте, направленном непосредственно на создание солнечных элементов для работы на глубине.
Это, по его мнению, оставляет пространство для нового направления исследований и разработок.
Несмотря на успешные испытания, до широкого практического применения технологии еще предстоит решить ряд инженерных задач.
Йерджи назвал одной из наиболее серьезных проблем биологическое обрастание поверхности солнечных элементов.
В морской воде на прозрачных поверхностях могут накапливаться водоросли, бактерии, мидии и другие организмы, снижая количество света, достигающего солнечного элемента. Другой проблемой остается герметичная защита конструкции, сказал он.
Перовскитные материалы чувствительны к влаге, поэтому необходимо обеспечить надежную изоляцию от морской воды и устойчивость к давлению на глубине, подчеркнул эксперт.
Кроме того, по его словам, мутность воды, течения и штормовые условия могут приводить к резким изменениям количества света, поступающего на поверхность элемента, что потребует адаптации системы управления энергией.
Отдельного внимания, по мнению Йерджи, требуют экологические вопросы.
В частности, необходимо оценивать возможные последствия повреждения содержащих свинец перовскитных элементов, долговечность защитных материалов и потенциальное воздействие противообрастающих покрытий на морскую среду.
Комментируя влияние морской воды, коррозии, биологического обрастания и снижения уровня освещенности с глубиной, Чжан отметил, что все эти факторы в определенной степени влияют на практическое применение подводных солнечных элементов.
При этом, по его оценке, существующие ограничения пока нельзя считать критическими для самой технологии.
«Подводные солнечные элементы уже сейчас могут работать во многих условиях», — отметил ученый.
Чжан подчеркнул, что подводная фотовольтаика остается новым направлением, поэтому для раскрытия ее потенциала необходимо участие большего числа исследовательских групп, работающих над различными аспектами технологии.
По его мнению, дальнейшее развитие также может потребовать участия компаний, способных переводить лабораторные разработки в пилотные проекты и реальные морские системы.
Чжан подчеркнул, что проведенные испытания являются одним из этапов развития новой технологии и требуют продолжения исследований.
В числе следующих задач он назвал определение максимальной глубины, на которой солнечные элементы смогут эффективно работать.
Это, по его словам, позволит точнее определить реальные области применения технологии.
Еще одним важным направлением ученый считает интеграцию подводных солнечных элементов с системами хранения энергии.
Цель заключается в создании автономных комплексов, которые смогут не только вырабатывать электричество под водой, но и самостоятельно накапливать его для дальнейшего использования.
По оценке Чжана, именно объединение генерации и хранения энергии в единую систему может значительно ускорить практическое применение разработки.
Еще одной задачей остается создание единых стандартов испытаний подводных фотоэлектрических систем, сказал он.
По словам ученого, стандартизация позволит исследовательским группам в разных странах сопоставлять результаты, ускорит развитие направления и поможет приблизить подводную солнечную энергетику к реальному применению.
Если эти задачи удастся решить, технология может получить применение прежде всего не в производстве электроэнергии для сети, а там, где даже небольшое количество энергии способно значительно увеличить автономность оборудования — от датчиков и камер до подводных роботов и систем мониторинга, резюмировал эксперт.
contact_the_ombudsman
is_there_an_error_in_this_story
