Использование солнечной энергии: будущее транспорта на солнечных батареях
Плюсы и минусы солнечного электропитания транспорта
Конструктивно солнечные панели транспортных средств не отличаются от своих стационарных вариантов. Выработанная энергия используется как для обеспечения работы двигателя, так и для электропитания бортовых систем транспорта.
В процессе выработки энергия попутно может накапливаться в аккумуляторных батареях с целью дальнейшего использования. Применение солнечных элементов даёт возможность нарастить запас хода транспортных средств и при этом обойтись без подзарядки тяговых аккумуляторов от традиционной электросети.
Несмотря на то что внедрение солнечных панелей является достаточно перспективным направлением в энергетике, глобальному и быстрому переводу транспорта на использование таких систем препятствует целый ряд факторов. Так, эффективная работа батарей обеспечивается только в солнечную ясную погоду. Если же небо пасмурно, или машина работает в ночное и вечернее время, то применение солнечных панелей невозможно.
Таким образом, в большей части современного транспорта солнечные батареи могут использоваться только как вспомогательный энергетический компонент, в качестве дополнения к стандартным аккумуляторам.
Кроме того, следует учитывать и финансовую сторону внедрения солнечных батарей. Несмотря на то что генерирование энергии осуществляется бесплатно, сами солнечные панели довольно дороги. Большая часть их компонентов производится с использованием кремния на экологически опасных предприятиях, и это является одним из главных факторов торможения процесса перехода транспорта на солнечные панели.
Рядом недостатков солнечные батареи обладают в силу чисто конструктивных особенностей. Панели не способны противостоять сильным вибрациям и другим перегрузкам, характерным для движущегося транспортного средства. Также ввиду большого веса они утяжеляют машины, на которую устанавливаются, что негативно сказывается на мобильности транспорта.
В настоящее время, к примеру, автомобили с электродвигателями на солнечной тяге не могут конкурировать с классическими бензиновыми машинами, поскольку панели обладают намного более низким КПД — в среднем 15%. Машины на солнечных батареях смогут вытеснять бензиновых «собратьев» только на этапе, когда КПД панелей достигнет уровня минимум в 50%.
Тем не менее, упомянутые проблемы не создают значительных помех для развития солнечной энергетики в транспортной сфере. Доказательством тому служит постоянное воплощение в жизнь идей о создании разнообразных транспортных средств с солнечными энергоблоками во всём мире. Представляем вашему вниманию десятку самых популярных проектов реально существующих средств передвижения на энергии солнца.
1. Солнцемобили
Пожалуй, наиболее популярным видом транспорта из интересующей нас категории является автомобиль на солнечных батареях. До широкого практического применения таких машин ещё далеко и сейчас они представляют интерес пока ещё с точки зрения экспериментов и достижения специальных рекордов.
Основной проблемой машин на солнечной энергии является необходимость установки большой площади панелей, зачастую на весь корпус, а также требование максимального облегчения конструкции, что изначально ограничивает аэродинамику, а также возможности пассажирских и грузовых перевозок.
Первый концепт инновационного автомобиля появился ещё в 1955 году и был продемонстрирован на Чикагской автовыставке. С тех пор конструкция солнечных электромобилей была значительно усовершенствована. Если в 1982 году солнцемобиль Quiet Achiever пересёк Австралию со скоростью 20 километров в час, то в 1996 году машина Dream разгонялась местами до 135 километров в час и проехала при этом около 3 тыс. километров.
Рекордсменом считается автомобиль Sunswift IV, разработанный специалистами Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), который способен держать стабильную скорость в пределах 89 километров в час. Машина вошла в Книгу рекордов Гиннеса. После этого на состязаниях World Solar Challenge было введено ограничение максимальной скорости машин такого класса. С 2006 года в Монако впервые в мире стартовало серийное производство солнцемобилей — речь идёт о машинах Venturi Astrolab с двигателем мощностью 16 кВт.
Солнечные панели применяются и как вспомогательные блоки на гибридах — в частности, на Toyota Prius устанавливаются тонкоплёночные компоненты Solatec LLC, подзаряжающие аккумуляторы на 10%. Китайская компания Hanergy Holding Group также внедряет тонкоплёночные панели на галлиевой основе с КПД 31,6%. Подзарядка аккумуляторов автомобилей с такими компонентами осуществляется в течение 6 часов, чего хватает на 80 километров пробега.
2. Автобусы
В отличие от относительно компактных средств для перевозки пассажиров — автомобилей — автобусы в силу своих габаритов и, соответственно, значительной площади устанавливаемых батарей, имеют больше возможностей по грузоподъёмности и пробегу. Хотя монтаж солнечных батарей на крышах обычных автобусов для обеспечения дополнительной энергией бортовых систем уже стал привычным делом, здесь речь идёт о принципиально другой технике — полностью бестопливной.
Одним из примеров автобуса будущего является австралийский Tindo, осуществляющий с 2007 года бесплатные пассажирские перевозки в городе Аделаиде. Автобус вмещает до четырёх десятков человек, при этом условия проезда достаточно комфортны — машина оснащена климат-контролем и точками Wi-Fi. По расчётам экспертов, эксплуатация автобуса предотвращает ежегодный выброс 70 тонн углекислоты в атмосферу.
Аналогичный проект — автобус Solar Shuttle — был запущен в студенческом городке в Уинстон-Сейлеме (США, штат Северная Каролина). Кроме того, в ряде швейцарских городов курсируют по маршрутам прогулочные автобусы-поезда Swiss Road Trains, работающие исключительно на энергии солнца.
3. Солнечные велосипеды
Малоизвестным фактом является то, что первые попытки разработки транспорта на солнечной энергии были предприняты с велосипедами. Фактически такие велосипеды — это гибридные системы, двигающиеся за счёт подзаряжаемого солнцем аккумулятора.
Ранние разработки предусматривали постройку трёхколёсных веломашин с навесной крышей и прицепами, на которые устанавливались энергетические панели. Кроме того, были созданы велосипеды со складными солнечными батареями для подзарядки аккумуляторов во время стоянок, к примеру, модель Lune, в которой панели при простое раскрываются в форме полумесяца.
Значительный прорыв в технологиях создания солнечных велосипедов наметился в 2006 году, когда в Канаде был представлен концепт E-V Sunny Bicycle с панелями, встроенными в диски колёс. Машина способна развивать скорость до 30 километров в час. В прошлом году похожую конструкцию презентовала в Нидерландах компания Solar Application Lab.
4. Поезда
Солнечная энергетика становится важным подспорьем железнодорожной отрасли. Работа в этом сегменте ведётся в двух направлениях — обеспечение электропитания поездов путём установки батарей непосредственно на подвижном составе и генерация энергии для обеспечения работы электрифицированных магистралей.
К первой категории можно отнести венгерский проект Vili, движение которого полностью обеспечивается солнечными батареями. Состав следует по маршруту Киралирет–Кисмарос со скоростью около 25 километров в час и предназначается в основном для экскурсионно-туристических мероприятий.
В Индии между городами Калка и Шимла курсирует поезд «Королева Гималаев» на солнечной тяге. Конструкция энергоблоков позволяет ему обходиться без подключения к стационарной сети в течение двух суток. В качестве вспомогательного энергетического оборудования — для обеспечения работы систем освещения, кондиционирования воздуха — солнечные панели массово устанавливаются на поездах в Японии и Италии.
Ко второй категории относятся проекты, предусматривающие подключение к солнечным станциям энергосистем железнодорожных магистралей для обеспечения электропитания поездов. В частности, между Парижем и Амстердамом участок пути протяжённостью 3,4 километра оснащён солнечными батареями.
В Великобритании также реализуется проект энергоснабжения магистралей при помощи солнечной энергии. Оператор британских железных дорог — Network Rail — заинтересован в альтернативном энергообеспечении работы составов, поскольку затраты компании на электроэнергию достигают полумиллиарда фунтов стерлингов в год.
Кроме того, ряд маршрутов по причине неразвитой инфраструктуры электрифицирован по традиционным схемам в недостаточной степени, что не позволяет вывести на линию дополнительные поезда и нарастить интенсивность движения. Таким образом, внедрение объектов солнечной энергетики на железной дороге поясняется в первую очередь экономическими факторами.
5. Канатная дорога
Сугубо экономическими целями было продиктовано и решение об организации «перевозок» туристов инновационным способом в швейцарской коммуне Тенна, расположенной в Альпах. Она живёт практически исключительно за счёт экстремалов и просто отдыхающих, приезжающих в регион в значительном количестве каждый горнолыжный сезон.
После того как стало известно, что канатная дорога, предназначенная для подъёма лыжников на склоны и спусков с них, требует ремонта, был внедрён необычный проект электропитания комплекса — за счёт солнечных батарей. Панели не уместились бы на крышах станций подъёмника, потому их установили непосредственно вдоль линии канатной дороги и оснастили механизмами поворота вслед за движением солнца.
В ясные дни батареи вырабатывают до 90 тыс. кВт·ч электроэнергии — это в два раза превышает потребление подъёмника. Излишки энергии поставляются в электросеть Тенны. Примечательно, что сообщения о решении с солнечными панелями заинтересовало туристов и количество любителей покататься на зимних склонах в регионе выросло.
6. Морские и речные суда
Энергия солнца движет не только наземный, но и водный транспорт. Впрочем, до 2007 года к морским катерам на солнечных батареях вряд ли относились серьёзно, пока команда энтузиастов в рамках проекта Sun 21 не пересекла на таком транспортном средстве Атлантику за 29 суток, попав к Книгу рекордов Гиннеса.
Первое кругосветное путешествие на энергии солнца завершило в 2012 году судно швейцарской разработки Turanor Planetsolar. Переход занял два года. Солнечные панели покрывают этот корабль на площади порядка 500 квадратных метров. Тридцатиметровое судно способно развивать скорость до 14 узлов. Сейчас Turanor Planetsolar работает в районе Гольфстрима, его команда занимается климатическими исследованиями.
Необычным проектом является Sun Sails компании Solar Sailor — судно, получающее энергию сразу от двух возобновляемых источников — солнца и ветра. Набирают популярность солнечные «речные трамвайчики», которые курсируют по водоёмам в Великобритании и ФРГ. Старт данной инициативе был дан компанией SolarLab, разработавшей «трамвайчики» линейки Solar Shuttle.
Опыт европейских коллег перенимают и арабские страны. В Дубае (ОАЭ) запущен деревянный прогулочный катер на солнечных батареях со сроком автономности в шесть часов и максимальной скоростью в 7,5 километров в час.
7. Самолёты
В 1981 году самолёт MacCready Solar Challenger, сконструированный американскими специалистами, поднялся в воздух и со скоростью 48 километров в час проделал путь в 258 километров. Уникальность первого в своём роде аппарата заключалась в том, что его силовая установка работала на энергии солнца.
Переводу летательных средств на солнечную энергию посвятили себя и швейцарские разработчики. В 2010 продукт их инженерной мысли — самолёт Solar Impulse — взлетел в воздух и не садился на протяжении 26 часов, меняя высоту от 1,5 до 8,5 километра.
Данная модель стала преддверием разработки усовершенствованного варианта инновационного самолёта Solar Impulse 2, с помощью которого швейцарцы хотели продемонстрировать возможность кругосветного путешествия по воздуху на одной лишь солнечной энергии. Планам было суждено сбыться — полёт стартовал в Абу-Даби в марте 2015 года и был завершён там же в июле 2016 года, правда, с промежуточными посадками в разных городах мира. Пронедра писали ранее, что на преодоление Атлантики воздушному средству понадобилось 70 часов.
На Solar Impulse 2 работа швейцарцев в освоении новой транспортно-энергетической ниши не закончилась и в декабре 2016 года компания SolarStratos презентовала новый самолёт. Аппарат способен подниматься на высоту до 25 километров и непрерывно пребывать в воздушном пространстве в течение суток. Первый полёт солнечного самолёта SolarStratos анонсирован на 2018 год.
8. Беспилотники
Если возможность широкого применения технологий солнечных батарей в самолётах будущего пока ещё выглядит сомнительной, то перспектива энергии света в летательных аппаратах беспилотного типа является вполне реальной. На энергии солнца беспилотники могли бы находиться в воздухе непрерывно продолжительный период — месяцы или даже годы, поскольку при этом они не нуждаются ни в топливе, ни в стационарной подзарядке.
Таким образом, БПЛА могли бы если не заменить, то дополнить, как дешёвая альтернатива, парк космических спутников, запуск которых обходится операторам в колоссальные средства. В солнечных беспилотниках заинтересованы в том числе и военные структуры.
Впрочем, первый в мире квадрокоптер, работающий на солнечных батареях, сконструировали и запустили вовсе не военные, а представители мирного ведомства — Лондонского университета королевы Марии — в 2007 году.
Данный аппарат, хоть и способен продержаться в воздухе ограниченное время, не более 48 часов, всё же послужил доказательством возможности создания подобных систем для широчайшего круга задач, в том числе для патрулирования территории, спасательных и поисковых операций.
Специалисты оборонной сферы, тем не менее, тоже не сидели сложа руки. В 2010 году британское оборонное предприятие QinetiQ сумело поднять в воздух БПЛА Zephyr-6 весом в 30 килограммов, продержавшийся в беспосадочном режиме более двух недель.
9. Дирижабли
Солнечными батареями начинают комплектоваться и исторические предшественники самолётов — дирижабли. Один из таких проектов был реализован в Китае. Из города Ксилинхот запустили дирижабль нового типа Yuanmeng.
Аппарат длиной 75 метров и грузоподъёмностью более шести тонн, рассчитанный на высоту до 100 километров, стал первым в мире дирижаблем с автономным электропитанием. Последнее полностью обеспечивается солнечными панелями. В роли разработчика аппарата выступила Китайская академия инженерных наук.
Конструкция дирижабля предусматривает удалённое управление. Он оснащён системами связи и ретрансляторами, оборудованием для ведения наблюдения с высоким разрешением видеопотока. Цели запуска дирижабля не раскрываются, однако, по мнению экспертов, аппарат создавался для разведки и организации сетей радиосвязи.
Вслед за Китаем за дирижабли на солнечных батареях возьмутся и США. Американская компания Aeros заявила о планах разработки аппарата Aeroscraft ML866, длина которого составит 169 метров. Этот исполин сможет поднимать груз весом в 60 тонн. Аналогичной работой занята канадская компания Solar Ship, которая предложила собственный проект для выполнения гуманитарных миссий в Африке, а также в труднодоступных районах других регионов.
10. Космический транспорт
Самой крупной и сложной мобильной единицей, которая работает в том числе на энергии солнца, являются вовсе не наземные, морские и даже не воздушные машины, а транспорт космического назначения — МКС.
Панели двустороннего типа, способные улавливать не только лучи нашего светила, но и отражённый свет от поверхности Земли, установлены на «крыльях» станции. Батареи на 100% удовлетворяют потребности комплекса и экипажа в электроэнергии, а также в отоплении.
Установка солнечных батарей успешно практикуется и на космических аппаратах, предназначенных для других целей, в том числе на спутниках и зондах, а также на машинах, создаваемых для работы на других планетах — таких, как марсоходы, луноходы и другие исследовательские модули. Напомним, в Китае уже в текущем году впервые выведут на орбиту космический беспилотник на солнечных батареях.
Потребление солнечной энергии имеет очевидное преимущество в данной отрасли перед другими видами энергообеспечения, поскольку первое и главное требование к космическим аппаратам — это максимальное снижение веса, в том числе путём уменьшения запасов топлива.
