М. Н. Стремаус
студент 2 курса кафедры инженерной геологии и геофизики
В последнее время активно обсуждаются глобальные климатические изменения, которые способствуют возникновению и учащению таких природных катаклизмов, как ураганы, наводнения, засухи. Проводятся конференции, лимитируется количество выбросов парниковых газов в атмосферу. Чтобы сократить выбросы вредных веществ в атмосферу, страны переходят от традиционных источников энергии (уголь, нефть, газ) к альтернативным. Наиболее «чистыми» и безопасными источниками альтернативной энергетики являются солнечная и ветровая.
Обширные регионы мира характеризуются солнечной и ясной погодой большую часть года.
Рисунок 1. Карта регионов Земли с высоким потенциалом использования солнечной электроэнергетики
Целесообразно использовать солнечную энергию для нужд хозяйства и решения проблемы глобальных климатических изменений. Однако экономически в большинстве случаев не выгодно применять солнечную энергетику по следующим причинам:
1) Высокая цена на фотовольтаические панели.
2) Смена дня ночью.
3) Невысокий КПД фотопанелей.
4) Ненадёжность поставки большого количества энергии для нужд промышленности.
5) Сравнительно низкая цена на энергию, полученную традиционными способами.
Большинство стран Африки, некоторые регионы Азии не имеют развитой системы электроснабжения, и домашние хозяйства могут полагаться только на собственные ресурсы. В этом случае применение солнечных панелей является примером правильного решения со всех сторон. Но остается одна проблема – высокая цена на солнечные батареи.
Геология, и ее раздел ‑ минералогия и вместе с физикой, и в такой ситуации не остаются в стороне. Существует перспективное и тщательно изучаемое направление – использования перовскита и перовскитовых структур в солнечной электроэнергетике.
|
|
Эмпирическая форма перовскита – CaTiO3 Химический состав CaO – 41,1%, TiO2 – 58,9%. В незначительных количествах в виде примеси присутствуют Fe (2%), иногда Cr, Al, Nb, Tr. Кристаллы перовскита по внешним формам имеют кубическую сингонию. Однако он оптически анизотропен и чаще представлен ромбической модификацией.
Атомы кальция располагаются в центре псевдокуба, по вершинам – Ti, и в серединах рёбер O. Твёрдость перовскита – 5,5–6 [1].
Рисунок 2. Идеализированная структура перовскита.
Атом Ca находится в центре куба, Ti – в центре куба, атомы О располагаются по центру граней куба или в вершинах октаэдров между атомами.
Эффективность солнечных панелей из перовскитных структур увеличилась с 4% в 2009 году до 23% в 2017 году, сделав это самой быстроразвивающейся технологией в солнечной энергетике [6].
Уже сейчас можно предполагать, что через несколько лет перовскит может стать более дешёвым и эффективным аналогом современных кремниевых солнечных панелей. Большим преимуществом перовскитных солнечных панелей является более лёгкий и дешёвый процесс их производства.
Существуют интересные идеи разработки жидких фотоэлементов. Так компания «Oxford Photovaltaics» обещает создать распылитель перовскита. Всё, что нужно для получения электроэнергии – это нанести тонкую плёнку на любой трёхмерный объект (дом, машина) и подключить её к аккумулятору. Однако КПД работы жидких солнечных панелей ещё очень низок и составляет только 5,4%.
|
|
Перовскит – редкий для поверхности Земли минерал, обычно он не образует крупных скоплений. Чаще всего встречается в виде вкраплений в мелилитовых и лейцитовых щелочных базальтах, в титаномагнетитовых и хромитовых месторождениях. Относительно крупные скопления перовскита находят на Урале в пределах Сарановского хромитового месторождения, в Назямских и Шишимских горах. Одни из крупнейших месторождений перовскита располагаются на Кольском полуострове, в массиве Африканда, в Хибинах, в карбонатитовых жилах на западе Кольского полуострова. Также к карбонатитовым скарнам приурочены месторождения перовскита в «Магнитной бухте» (Арканзас, США), к тальковым и хлоритовым сланцам Швейцарии [1].
В связи с неширокой распространённостью перовскита в мире используются заменители с подобной ему структурой, которые также обладают фотовальтаическими свойствами. Чаще всего используется галогенид свинца метиламмония. В январе 2018 года учёные из Нидерландов, разработали технологию, позволяющую достичь КПД в 66%. Добились они такого улучшения благодаря замене свинца оловом, что поспособствовало сокращению рассеивания энергии горячими электронами [3].
Строение перовскитных панелей чаще всего точно такое же, как и кремниевых солнечных батарей. Перовскитная солнечная батарея состоит из нескольких слоёв: катод, слой положительного заряда, отрицательно заряженный слой и анод. На границе положительно и отрицательно заряженного слоя образуется PN-переход. При воздействии солнечной света на перовскитную ячейку энергии оказывается достаточно, чтобы создать упорядоченное движение этих зарядов, что и называется электрическим током [6].
|
|
Рисунок 3. Строение перовскитной солнечной батареи [6]
Один из главных недостатков перовскита – неустойчивость и подверженность быстрому разложению в результате окисления и воздействия влаги и температуры. Уже сейчас ищут и находят решения этой проблемы. Учёные из Стэнфордского университета предложили использовать покрытие перовскитной панели схожее с фасетчатыми глазами насекомых, это позволило защитить сам перовскит, но не прибавило КПД [2].
Таким образом, если будет решён вопрос устойчивости перовскитовых панелей и повышения их КПД, то будет налажено их массовое производство как основного типа солнечных батарей.
Республика Беларусь не обладает значительным потенциалом для развития солнечной электроэнергетики. За год в среднем насчитывается около 20–35 ясных солнечных дней, в то время как пасмурных около 150. Продолжительность солнечного сияния за год составляет 1700–1950 часов. Однако повышенные КПД перовскитных батарей дают возможность использовать то небольшое количество поступающей на территорию Республики Беларусь энергии более эффективно. Использование солнечной энергии становится возможным для локальных целей. Наиболее подходящими в экономическом плане площадками для расположения солнечных электростанций являются юго-восток, юго-запад и в целом юг Беларуси. Следуя примеру стран Западной Европы, актуально размещать солнечные панели точечно вдоль автомагистралей для обеспечения электроэнергией светофоров, фонарей, светящихся дорожных знаков, систем видеонаблюдения.
Рисунок 4. Точечное использование солнечных панелей [5], [4]
Не обладая широкими возможностями использования солнечной радиации, Республика Беларусь имеет потенциал для производства перовскитных батарей. Работают десятки предприятий, занимающихся полупроводниками и точной электротехнической промышленностью, то есть уже сегодня имеются квалифицированные кадры, способные работать с этой новой технологией. Закупки перовскитного сырья можно осуществлять с территории Российской Федерации или искусственно синтезировать сходные с перовскитом структуры в Беларуси.
Таким образом, производство перовскитных солнечных батарей поспособствует созданию новых рабочих мест, диверсификации белорусского экспорта и внедрению новых технологий в промышленность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бетехтин А.Г. Курс минералогии: учебное пособие / А.Г. Бетехтин. – М.: КДУ, 2007. – 720 с.
2. Перовскит [Электронный ресурс] / Хайтек – Режим доступа: https://hightech.fm/2018/01/08/2017-perovskite. – Дата доступа: 23.03.2018.
3. Перовскит. КПД перовскитных солнечных батарей [Электронный ресурс] / Хайтек – Режим доступа: https://hightech.fm/2018/01/17/hybrid_perovskite. – Дата доступа: 27.03.2018.
4. Солнечные батаери на знаках [Электронный ресурс] / Geliomaster. – Режим доступа: https://geliomaster.com/catalog/sunelectro/sunelectro_52107.html. – Дата доступа: 31.03.2018
5. Солнечные панели на фонарях [Электронные ресурс] / Светодиодные системы. – Режим доступа: https://www.tom-svet.ru/about.html. – Дата доступа: 31.03.2018
6. Perovskite [Electronic resource] / Perovskite solar cell. Wikipedia – Mode of access: https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite_solar_cell. – Date of access: 25.03.2018.
Рецензент В.И. Зуй
V Межвузовская студенческая конференция с международным участием «Демографические риски XXI века»
V Межвузовская студенческая конференция с международным участием «Демографические риски XXI века», посвященная Международному дню народонаселения
Студенческая конференция состоится
18 мая 2018 г. по адресу: 220030, г. Минск, ул. Ленинградская, 16,
Белорусский государственный университет, географический факультет, к. 212.
Тематика конференции:
ü Региональные проблемы социально-экономического развития.
ü Демографическое развитие и социальные риски стран и регионов мира.
ü Миграция населения в условиях глобализации.
ü Региональные проблемы развития туризма.
ü Геоэкологические аспекты развития стран и регионов мира.
В рамках семинара планируется мастер-класс «Геоинформационные технологии в региональном управлении и моделировании социально-экономических процессов» (отв. ст. преп. Безрученок А.П., ст. преп. Шавель А.Н.).
Организационный комитет студенческой конференции
Клебанович Н.В. - председатель Организационного комитета, декан географического факультета БГУ, профессор, д.с/х.н.
Антипова Е.А. – сопредседатель Организационного комитета, заведующая кафедрой экономической и социальной географии БГУ, профессор, д.г.н.
Запрудский И.И. – преподаватель кафедры экономической и социальной географии.
Сливинская Т.В. – преподаватель кафедры экономической и социальной географии.
Жигальская Л.О. - аспирантка кафедры экономической и социальной географии.
Титов А.Н. - аспирант кафедры экономической и социальной географии.
Красовская Ю.А. – студентка магистрату ры географического факультета.
Хачковская М.И. – студ. 4 курса специализации «Демография» географического факультета.
Материалы направлять по адресу:
220030, г. Минск,
ул. Ленинградская, 16,
Белорусский государственный университет, географический факультет.
E-mail: demorisks@gmail.com
Телефон +375 (017) 209-54-94
+375 (025) 910-01-43
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
|