Солнечная энергетика берёт уроки у подсолнуха

Что нужно предпринять в ситуации, когда солнечная батарея статична, а Солнце, увы, нет? Надо учиться у подсолнухов, считают американские исследователи. Ведь эти растения постоянно отслеживают положение светила, поворачиваясь вслед за ним.

Угол между солнечной батареей и падающими на неё лучами чрезвычайно важен для достижения максимальной эффективности абсорбции света, а потому вместе с дорогими солнечными панелями принято поставлять сложную и не менее дорогую систему моторов и приводов. Причём панели для домашнего использования такой поворотной системой, к сожалению (или к счастью — для нашего кармана), не оснащаются, со всеми вытекающими последствиями для эффективности установки. Таким образом, становится очевидной потребность в создании простой и дешёвой технологии механической подстройки, которая могла бы пригодиться обывателю.

Понаблюдав за подсолнухами, сотрудники Университета штата Висконсин в Мэдисоне (США) разработали нанокомпозит, способный скручиваться и двигаться в ответ на нагрев солнечными лучами. Применение такого материала при монтаже батареи позволило резко увеличить её общую эффективность.

Жёлтые стрелки символизируют падающий на композит свет, который заставляет материал скручиваться, снова подставляя панель под лучи солнца. (Иллюстрация Wiley-VCH.)

Разработанный светочувствительный композит (вернее, теплочувствительный, поскольку нагревают его солнечные лучи) основан на использовании жидкокристаллических эластомеров (LCE), которые способны изменять свой внутренний порядок в ответ на облучение светом. Это изменение порядка (или ориентации) внутри материала приводит к осязаемым механическим изменениям: материал начинает «скручиваться», попав в солнечный свет, а затем, оказавшись в тени, релаксирует в исходное состояние. В самих LCE ничего сверхнового нет, но учёным удалось сделать их гораздо более чувствительными, добавив одностенные углеродные нанотрубки.

Дело в том, что LCE чувствительны только к специфическим длинам волн света, которые они, нагреваясь, способны эффективно поглощать, в то время как бóльшая часть солнечного света будет просто пропадать. Углеродные нанотрубки, наоборот, эффективно поглощают в широком диапазоне длин волн, генерируя тепло, которое и обеспечивает фазовый переход в LCE-матрице. И тогда становится возможным использовать простое параболическое зеркало, размещённое за LCE-матрицей для концентрации света.

Конечный механизм выглядит так, как показано на иллюстрации: колонны из LCE-композита поддерживают солнечную панель таким образом, чтобы в течение светового дня одна или две колонны всё время находились прямо против светила и, нагреваясь, наклоняли батарею под нужным углом (см. видео ниже). Авторы разработки утверждают, что как в лабораторных, так и в полевых тестах система с LCE-позиционированием продемонстрировала значительно более высокий фототок по сравнению с обычной панелью.

Лишь два момента представляются здесь сомнительными: хорошо, когда панель маленькая и лёгкая, как в видео, но ведь и толку тогда от неё не очень много. А сможет ли LCE-композит выдержать (а тем более — двигать вверх-вниз) батарею, пригодную для домашнего использования? А батарею солнечной электростанции? И сколько этого композита понадобится? И второе: неужели LCE и углеродные нанотрубки «в одном флаконе» в шести колоннах дешевле пары сервоприводов, датчика освещённости и небольшого управляющего компьютера?..

Подробное описание новой композитной системы позиционирования солнечных батарей можно найти в журнале Advanced Materials.