Зеркала для ловли солнца. Как в Архангельске создали мобильную электростанцию для Арктики
Получив когда-то в Северном Арктическом федеральном университете задание изучить работу гибридной ветро-солнечной электростанции, Кирилл Романов настолько увлекся темой, что решил разработать собственную электростанцию — только мобильную и использующую энергию солнца.
Аспирант Северного Арктического федерального университета (САФУ) Кирилл Романов разрабатывает мобильную солнечную электростанцию для работы в арктических условиях. Он говорит, что интерес к его проекту уже проявляют компании, которые занимаются прокладкой кабельных линий связи, ученые, которые отправляются в экспедиции на Крайний Север, и даже национальные парки.
Холод — это хорошо
Кирилл поступил в университет изучать электроснабжение промышленных предприятий. А в магистратуре уже плотнее занялся теплоэнергетикой. Незадолго до этого в САФУ установили гибридную ветро-солнечную электростанцию для исследования эффективности применения возобновляемых источников энергии на территории Архангельска.
«И нас с товарищем поставили разбираться в устройстве и принципах работы электростанции, чтобы впоследствии внедрить ее в общую систему энергоснабжения здания. Меня это очень увлекло», — вспоминает Кирилл.
Кирилл Романов © Ирина Скалина/ТАСС
До Романова в САФУ альтернативной энергетикой тоже занимались, только акцент делали на энергию ветра. Но после установки маленькой солнечной электростанции на здании Учебно-научного центра энергетических инноваций все убедились в эффективности ее работы: в солнечный день весной энергии всего шести панелей хватало, чтобы провести несколько занятий. Еще выяснилось, что панели работают даже лучше, чем ожидалось.
«Мы пришли к выводу, что в Архангельске солнечные панели работают эффективней, чем должны. У кремниевых фотоэлементов, которые встроены в панель, при работе повышается температура, а с повышением температуры падает КПД. А так как средняя температура в зимнее время была около минус 15 градусов, при этом происходило естественное охлаждение при помощи холодного воздуха окружающей среды, то фотоэлементы раскрывали весь свой потенциал даже в условиях низкой инсоляции (недостатка солнечного света — прим. ТАСС). Мы сделали вывод, что панели могут работать эффективно, есть потенциал для работы в Архангельской области солнечных панелей даже в зимнее время».
Получилось, что для солнечных панелей чем холоднее, тем лучше. Правда, при отрицательных температурах возникает проблема намерзания снега на их поверхности. Для предотвращения этого процесса нужны гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия. Их сейчас тоже исследуют, они требуются и для работы ветряных станций.
Солнечные панели на здании центра САФУ © Ирина Скалина/ТАСС
Солнечная энергия обычно ассоциируется с южными территориями, но во время полярного лета ее вполне можно использовать даже на Крайнем Севере. Ведь солнце с мая по сентябрь не заходит здесь вообще, и даже на самом северном архипелаге России и Евразии — Земле Франца-Иосифа количество солнечной энергии за сутки практически такое же, как на широте Москвы в середине лета.
Например, в национальном парке «Русская Арктика», который расположен на севере Новой Земли и Земле Франца-Иосифа, солнечную энергетику начали внедрять еще в 2013 году. Первый опыт был скромным — на мысе Желания архипелага Новая Земля при помощи энергии солнечных панелей вскипятили чайник.
Но эксперимент признали удачным и экологически чистую энергию решили использовать. Сейчас в летнее время базы на мысе Желания, в бухте Тихой, на острове Гукера и на острове Земля Александры полностью обеспечиваются электроэнергией за счет солнца. Экономия для каждого опорного пункта — примерно тысяча литров дизельного топлива за сезон, ну и, конечно, очень важно, что не загрязняется окружающая среда.
База на мысе Желания © Ирина Скалина/ТАСС
«Более того, мы продолжим внедрение солнечной энергетики в национальном парке. У нас уже закуплены панели для базы на острове Хейса, их нужно только доставить и смонтировать. Солнце показало себя очень хорошо. А мыс Желания у нас по-прежнему остается, так сказать, испытательным полигоном для альтернативной энергетики. Смотрим, как ветряки там себя покажут», — говорит директор «Русской Арктики» Александр Кирилов.
Правда, он отметил, что мобильные солнечные станции, которые сейчас предлагают производители, сложны в управлении, а если вырабатывают много электричества, то еще и громоздки. Они требуют высокого уровня профессионализма в работе со всеми этими контроллерами и инверторами. Если станция небольшая, то от нее можно максимум зарядить мобильный телефон.
Ловить солнце
Именно над решением этой проблемы и работает Кирилл Романов. Свою мобильную электростанцию он разрабатывает в рамках грантовой программы «Умник» от Фонда содействия инновациям. Программа поддерживает коммерчески ориентированные научно-технические проекты молодых ученых от 18 до 30 лет. По завершении должен получиться продукт, который можно внедрить в производство. Победитель получает грант 500 тыс. рублей на доработку своей идеи или проекта. Так и Романов совершенствует свой прототип.
Чтобы сделать станцию максимально эффективной, Романов предлагает несколько решений. Первое — это зеркала, точнее, зеркальные концентраторы. Они будут направлены к панелям под углом, чтобы ловить как можно больше солнца. Причем выдвигаться они должны автоматически и только когда датчики зафиксируют, что освещения недостаточно.
© Ирина Скалина/ТАСС
«Если температура +20 градусов и они будут выдвинутые стоять целый день, то фотоэлементы выйдут из строя из-за перегрева. А если ближе к вечеру температура падает и датчик показывает, что температура фотоэлемента находится в пределе номинальных рабочих значений, то тогда начинают работать зеркальные концентраторы», — рассказывает Кирилл.
Зеркальные концентраторы должны убираться и при усилении ветра, чтобы конструкция не упала и ее хрупкие элементы не разбились. Есть проблема с поиском материала для зеркал. Концентраторы в первом прототипе оказались непрочными и тяжелыми. Сейчас молодой исследователь изучает возможность использования тонкопленочных рефлекторных гибких материалов, способных выдерживать силу воздействия порывов ветра.
«Нужна очень тонкая пленка, у которой коэффициент отражения будет идеальный, без искажений», — подчеркивает Кирилл.
Движение за светом
Самое сложное — сделать так, чтобы солнечная станция не была статичной, а следила за солнцем, причем как по вертикали, так и по горизонтали наподобие арктических цветов, например полярных маков. Их желтые бутоны похожи на маленькие солнечные батарейки: поверхность, обращенная к пестикам и тычинкам, — глянцевая, как зеркальная чаша. На тонком стебельке цветок в течение всего полярного дня поворачивается за солнцем.
Но перенести это на механическую конструкцию не так просто. Нужен двухосевой трекер, который позволит установке следовать за солнцем как вправо-влево, так и вверх-вниз. Здесь много нюансов, например, чтобы вся эта система не замерзла в мороз. Также надо предусмотреть, как будут работать механические детали и какие противообледенительные жидкости можно применить. Все эти вопросы — самое сложное в проекте, признается Кирилл.
Он свою мобильную солнечную электростанцию хочет сделать максимально удобной. Важный момент — транспортировка и удобство для пользователя, тот самый принцип «для чайников», которого, как говорит директор «Русской Арктики» Александр Кирилов, нет в существующих предложениях.
Романов планирует, что его станцию можно будет разместить в автомобильном прицепе или коробе, который можно перевезти на место вертолетом, самолетом или судном. На месте ее достаточно будет просто развернуть и включить.
«И чтобы это работало по принципу Plug and Play. Просто нажал на кнопку, и за тебя микрокомпьютер все решает, определяет геоданные, смотрит, где солнце в этом регионе, и подстраивает движения солнечного трекера под движение солнца, чтобы были самые благоприятные условия для работы солнечных батарей», — объясняет Кирилл.
Искусственное солнце
Весна в этом году в Архангельске не слишком солнечная, поэтому Кирилл сделал искусственное солнце прямо в лаборатории. Это система из инфракрасных ламп и прожекторов. Так он проверяет эффективность зеркал и разных типов панелей.
«Основной спектр поглощения солнечных батарей — это спектр видимого излучения, ближе к инфракрасному, — рассказывает ученый. — На лампы дневного света солнечная панель практически не реагирует, она больше даже на спичку реагирует, чем на светодиодную лампу. В данный момент я занимаюсь исследованием эффективности работы монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей. Существует определенный миф, что поликристаллические панели в облачную погоду работают лучше, чем монокристаллические. Интересно посмотреть на разницу в условиях отрицательных температур».
Инфракрасный излучатель © Ирина Скалина/ТАСС
Есть у Кирилла и одна интересная находка. Это панели, между фотоэлементами которых находится прозрачный материал. Сквозь него проходят лучи и, отражаясь от снега, падают на заднюю поверхность панели, где тоже находятся солнечные элементы. Для Арктики, где много снега, такой вариант двусторонних панелей тоже может оказаться эффективным. Вместо снега, кстати, тоже можно использовать зеркало.
Кирилл Романов определил свою целевую аудиторию. Это научно-исследовательские экспедиции в удаленные точки, например за полярный круг или в горы; вахтовики, которые ремонтируют или строят что-то в Арктике, например прокладывают трубопроводы или линии электропередачи. Для них может быть изготовлен комбинированный вариант: к солнечной батарее запасным будет дизель-генератор. Еще солнечные станции могут использовать путешественники и рыбаки.
«И также я рассматривал объекты культурного наследия, — говорит Кирилл. — В национальных парках или музеях, где старинные сооружения, нужно сохранить экологически благоприятную среду. Там зачастую нельзя использовать дизель-генератор, а должно быть освещение там, где могут быть установлены маленькие магазинчики или старые домики, где проводятся экскурсии».
Работу над зеркальными концентраторами Кирилл Романов планирует завершить к концу мая, а прототип мобильной солнечной станции будет готов показать уже к новому году.
Ирина Скалина