Тема исследования актуальна в свете обсуждения грядущей эры «зеленой энергетики», когда человечество будет использовать преимущественно «чистую» энергию, не связанную со сжиганием ископаемого топлива.
Инсоляцией (от латинского in solo – «выставлено на солнце») принято называть количество солнечного излучения, попадающего на поверхность земли за какую-либо единицу времени (обычно ее измеряют в кВт·ч/м2). В разных регионах цифры варьируются, но в некоторых уголках России инсоляция достигает 5–5,5 кВт·ч/м2 – примерно так же, как в северной Испании, где активно развивается солнечная генерация. Причем речь не только о Краснодаре или Кавказе. Примерно по 300 солнечных дней в году на Алтае и Дальнем Востоке, в Забайкалье и Южной Сибири.
Разработкой люминесцентного светоконцентратора занимается магистрант Школы естественных наук Александр Хребтов
Проблема в том, что существующие технологии использования энергии солнца далеко не всем подходят. Например, можно оборудовать солнечными панелями частный дом, но сложно представить себе такую установку на балконе городской многоэтажки. Поэтому тот поиск, который ведется сегодня на базовой кафедре химических и ресурсосберегающих технологий Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), может стать прорывным в области применения альтернативной энергетики.
Данный проект – это юношеский напор, помноженный на четверть века научных исследований и желание соединить теорию с практикой. Разработкой материала для люминесцентного светоконцентратора занимается магистрант Школы естественных наук по направлению «Химическая технология функциональных материалов» Александр Хребтов. Тему он взял по предложению научного руководителя, доцента базовой кафедры химических и ресурсосберегающих технологий Любови Лим.
– В России исторически развивали преимущественно фундаментальную науку. А сейчас мы поставлены в условия, когда необходимо начинать переводить прорывные отечественные разработки в область практического применения, и на это нет десятилетий, – говорит она. – Сегодня динамика внедрения результатов научных исследований в повседневную жизнь несопоставима с тем, что было еще 30 лет назад.
Что же такое люминесцентный светоконцентратор? Это способ увеличения эффективности традиционных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) электрического тока – солнечных батарей. Последние нацелены на работу с прямым излучением, из-за этого их необходимо ориентировать на солнце, для чего используются специальные движущие устройства – трекеры. При этом количество произведенной энергии напрямую зависит от площади батареи. То есть она должна быть большая, ее надо ориентировать на солнце, она не может преобразовывать диффузный и рассеянный свет. Солнечные батареи сложны в обслуживании и доступны ограниченному кругу потребителей, но интересны многим.
На основе светоконцентратора можно создать пленку и прикрепить ее на окно
А на основе светоконцентратора можно создать пленку, которую легко прикрепить на оконное стекло или любую другую поверхность. В торцах светоконцентратора размещается минимальный по площади ФЭП, который и трансформирует энергию. Поскольку такие преобразователи – дорогостоящие элементы, уменьшение их размера сильно удешевляет стоимость конструкций. И кроме того, светоконцентраторы можно разместить в плотной городской застройке.
Доцент базовой кафедры химических и ресурсосберегающих технологий ДВФУ Любовь Лим на занятиях со студентами
– Мы изучаем свойства полимерных пленок с добавками люминофора. Подбираем рецепт композиции, обладающей максимальной эффективностью, – поясняет Любовь Лим. – Вообще сама тема в плане фундаментальных знаний очень нагрузочная. Нужно проводить исследования в области химии люминофоров и высокомолекулярных соединений, оптики. На нашей базовой кафедре реализовывалось направление подготовки «Химическая технология». Александр Хребтов был в группе по профилю «Технология и переработка полимеров», проявил себя думающим студентом. Поэтому и тема для дипломной работы была ему предложена сложная, но перспективная. Он получил интересные результаты.
Новация в том, что в известных работах в данной области используются окрашенные концентраторы. Это сужает круг практического использования: все-таки мы привыкли к прозрачным стеклопакетам. И в ДВФУ пытаются создать неокрашенные светоконцентраторы, причем способные улавливать вредоносное ультрафиолетовое излучение. Это позволит использовать их именно в оконных конструкциях, причем в регионах с высокой интенсивностью УФ-излучения они будут особенно кстати.
Но и в обычных окнах, карнизах, витражах они тоже могут применяться… Учитывая, что с помощью люминесцентных светоконцентраторов можно улавливать диффузный и рассеянный свет, в теории все стены домов можно превратить в светоулавливающие поверхности. Далее солнечный свет, преобразованный в электрическую энергию, будет запасаться аккумуляторами и расходоваться для освещения, работы бытовых приборов, отопления – на усмотрение хозяина дома.
С этим проектом Александр Хребтов вышел в финал всероссийского конкурса «Научно-техническое творчество молодежи», который проходил в апреле в рамках международного салона «Образование». Разработка была отмечена в числе лучших среди более чем 500 проектов.
– Участие молодого исследователя в престижном конкурсе – успех всей Школы естественных наук, – говорит Любовь Лим. – В нем были собраны разработчики из ведущих технических вузов России. Студент ДВФУ был единственным представителем Дальнего Востока в финале.
В регионах с высокой интенсивностью УФ-излучения пленки будут особенно кстати
…Несколько лет назад выпускник одной из владивостокских школ Александр Хребтов, с удовольствием играющий на гитаре и зачитывающийся книжками, поступая в ДВФУ, ничего подобного не планировал:
– Думал, отучусь и пойду работать на завод. Выпускники нашей кафедры работают по всей России, я был уверен, что и у меня проблем с трудоустройством не будет. Но курсе на третьем пришло осознание, что тема применения полимерных соединений необъятная, а научный поиск – дело интересное. Сейчас мы пытаемся получить ровную пленку на поверхности стекла, пока остановились на использовании пневмонапыления.
Впереди – еще год магистратуры и продолжение работы.
– Время. Только время нужно мне для продолжения изысканий, – говорит Александр Хребтов. – Нужно получить все образцы, исследовать их. Все это происходит, в общем-то, в свободное от других учебных занятий время. И когда оно есть, иду в лабораторию и делаю образцы. Иногда работа идет прямо как по маслу: придешь и сделаешь больше запланированного, иногда все застрянет на каком-нибудь мелком моменте – уходишь без результата.
Семья и любимая девушка молодого ученого в его научной деятельности поддерживают, тем более что она имеет уже далеко не умозрительный характер. Сам он о своей разработке рассказывает охотно, но предпочитает обходиться без иллюзий:
– Много ожиданий и планов, хотя понимаю: рисков тоже много. Как только будут получены все необходимые образцы пленки, мы апробируем их, можно будет заняться получением патента. И только потом буду думать о применении. К производителям пластиковых окон нужно идти уже с конкретными предложениями. Рассчитываю, что к окончанию магистратуры эти предложения у меня уже будут. И точно знаю: я хочу заниматься этим дальше.
Андрей Сосорев,
научный сотрудник лаборатории органической электроники кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:
Солнечная энергетика – очень перспективное направление. Ученые из ДВФУ фактически предлагают встать на следующую ступень ее развития, задействовав новый способ сбора солнечного света. Это замечательная идея, но для меня пока остается не совсем ясным то, как разработчики планируют передавать направленный пучок энергии со светоконцентратора на электрогенерирующие элементы, а не распылять ее хаотичным образом в разные стороны.
Говоря о размещении подобных пленок на окнах жилых домов, необходимо учитывать еще одну вещь: если мы часть солнечной энергии забираем, то света в жилище будет меньше. Можно сделать так, чтобы электрогенерирующая пленка была настроена в первую очередь не на видимый спектр излучения, а например, на ультрафиолетовую его часть, которая вредна человеку. В таком случае пленка будет модифицировать стекло, которое сможет работать в том числе как фотофильтр. Однако если ориентироваться только на ультрафиолет, то от этого значительно пострадает КПД изделия, из-за чего в части выбора используемого спектра разработчикам придется идти на определенный компромисс. Кроме того, прозрачность стекол будет зависеть от результатов подбора конкретного материала пленки, в процессе поиска которого сейчас находятся ученые.
Илона Бербер, Александр Буланов
