Потребление электроэнергии во всем мире продолжает расти, следовательно, необходимо снижение затрат на ее выработку и передачу. Энергия должна вырабатываться без использования невозобновляемых природных ресурсов и без загрязнения окружающей среды. Кроме того, передача энергии также должна стать более эффективной. Реализация вышеописанных задач положительно повлияет на жизнь всего человечества.
Очевидным решением является локальная выработка электроэнергии с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), которые генерируют электричество непосредственно из солнечной энергии. Фотоэлектрический метод основывается на использовании полупроводниковых солнечных элементов. Ввиду того, что стоимость этих элементов постоянно снижается, данный метод видится наиболее перспективным для выработки постоянного тока. А благодаря тому, что солнечная энергия доступна практически по всему миру, фотоэлектрический метод не подвержен обычным геополитическим ограничениям. Таким образом, фотоэлектричество может произвести настоящую революцию в энергетике, аналогичную информационной революции, которую в свое время произвел Интернет, и продолжает менять мир по сей день.
Раджендра Сингх (Rajendra Singh), профессор из отделения электровычислительной техники Университета Clemson, а также аспирант Джитин Ф. Алэпэтт (Githin F. Alapatt) наряду с другими учеными из Государственного Университета Пенсильвании недавно изучили все самые многообещающие типы солнечных элементов и сделали выводы относительно их перспектив.
Профессор Сингх сказал, что, как он и предсказывал еще в 1980 году, основная масса фотоэлектрических элементов (порядка 90%), используемых сегодня, изготовлена из кристаллического кремния. Суммарная мощность таких систем составляет 100 ГВт. Кремний – второй по распространённости элемент в земной коре.
Вывод ученых следующий: ввиду недостаточной надежности и рентабельности, фотоэлектрические системы на основе солнечных концентраторов не смогут оказать большого влияния на мировую энергетику. ФЭП, включающие органические элементы и элементы на органических красителях, также не смогут сыграть важную роль без фундаментальных прорывов в производительности.
А вот использование тонкопленочных полупроводников, таких как теллурид кадмия, аморфный кремний и арсенид индия-галлия, должно оказать главное коммерческое влияние.
Исследователи предложили новую многотерминальную, многоточечную архитектуру для недорогого производства электроэнергии посредством ФЭП. Ее КПД превысит максимально достижимые на сегодня 25%. Предложенная архитектура основывается на использовании уже существующих кристаллических и тонкопленочных солнечных элементов, произведенных из материалов (таких как оксид меди), которые изобилуют в земной коре. Управление потоком фотонов проходящих через солнечные элементы, как ожидают, повысит эффективность последних. Но дополнительные затраты, связанные с реализацией новой технологии, еще предстоит оценить.
Кроме выработки электроэнергии посредством фотоэлектричества ученые оценили перспективы ее локального производства и распределения. По словам Профессора Сингха, создание микросети питания с постоянным током сэкономит энергию, растрачиваемую при передаче и преобразовании постоянного тока в переменный, а затем обратно. Большинство электроприборов работает от постоянного тока, тем самым на двойное преобразование приходится до 30% всех потерь.
На сегодня выработка электроэнергии посредством фотоэлектричества, плюс ее распределение за счет микросетей постоянного тока является наиболее эффективным способом электрифицировать отдаленные населенные пункты, а также заменить устаревающую энергосистему развитых стран.