Наноиглы поглощают 99,5% солнечного света — новый рекорд для экстремальных условий

Испанские исследователи из Университета Страны Басков создали материал, который улавливает 99,5% солнечного излучения. Это рекордный показатель для систем, работающих при высоких температурах. Технология может изменить экономику концентрированных солнечных электростанций, где каждый процент эффективности определяет рентабельность проекта.

99,5% против 85–95%: цифры эффективности

Сравнительные показатели поглощения света: Наноиглы 99,5% | Обычные материалы 85–95% | Углеродные нанотрубки 99% | Чёрный кремний 95–97%

Наноиглы из кобальта и меди с покрытием из оксида цинка поглощают 99,5% входящего света. Обычные материалы теряют 5–15% излучения в виде отражения.

Углеродные нанотрубки достигают 99%, но быстро разрушаются при нагреве. Эксперименты проводились совместно с учёными из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Материалы испытывали в условиях, имитирующих работу солнечных башен: температура выше 500 °C, влажность, концентрированный свет.

Как работают наноиглы

Наноиглы — вертикальные структуры размером в несколько сотен нанометров. Нанометр — миллионная доля миллиметра.

Они создают на поверхности микрорельеф, который улавливает свет за счёт множественных отражений. Принцип напоминает чёрный бархат: ворсинки ткани не дают свету вернуться обратно.

Наноиглы делают то же самое на уровне длин волн солнечного излучения.

Структура наноигл: вертикальные элементы высотой несколько сотен нанометров создают микрорельеф, многократно отражающий и поглощающий свет

Покрытие из оксида цинка защищает металлическую основу от окисления. Это критично для солнечных башен, где температура достигает сотен градусов.

Материал сохраняет структуру после длительного воздействия тепла и влаги.

Сравнение с конкурентами

Характеристики материалов для солнечных электростанций:

Углеродные нанотрубки: эталон с коротким сроком службы

Вертикальные углеродные нанотрубки долгое время считались золотым стандартом. Они улавливают до 99% излучения и создают практически идеальную чёрную поверхность.

Проблема — быстрое разрушение при высокой температуре и влажности. В условиях солнечной башни их срок службы измеряется месяцами.

Замена материала требует остановки станции и значительных затрат.

Чёрный кремний: прочность против эффективности

Чёрный кремний — кремниевая поверхность с микроструктурой, похожей на наноиглы. Он поглощает 95–97% света и выдерживает температуру выше 600 °C.

Однако его эффективность уступает наноиглам на 2,5–4,5 процентных пункта. Кроме того, кремний чувствителен к длительному воздействию влаги.

Наноиглы из кобальта и меди сочетают высокую эффективность с механической прочностью. Это делает их перспективным кандидатом для промышленного применения.

Как работают концентрированные солнечные электростанции

Концентрированные солнечные электростанции (CSP) — системы, использующие зеркала для фокусировки света на башне-приёмнике. Башня поглощает энергию и нагревает теплоноситель — обычно расплав солей.

Нагретый теплоноситель передаёт энергию паровой турбине, которая вырабатывает электричество. Ключевое преимущество CSP — возможность накапливать тепло и генерировать энергию ночью.

Принцип накопления энергии

Расплавы солей сохраняют тепло в течение нескольких часов. Днём станция накапливает энергию, вечером и ночью — отдаёт её в сеть.

Традиционные фотоэлектрические панели генерируют электричество только при наличии света. CSP решает эту проблему, но требует более сложной инфраструктуры.

Мировые лидеры по установленным мощностям CSP: Испания (2,3 ГВт), США (1,8 ГВт), Китай (0,5 ГВт), Марокко (0,5 ГВт), ОАЭ (0,1 ГВт)

В Испании концентрированные солнечные электростанции производят около 5% от общей генерации. Это один из самых высоких показателей в мире.

В России коммерческие CSP-проекты практически отсутствуют. Развитие солнечной энергетики идёт через фотоэлектрические системы — совокупная мощность около 2,55 ГВт. Крупные проекты реализуются в Калмыкии, Астраханской области и Краснодарском крае.

Результаты испытаний: данные из лаборатории

Исследователи подтвердили, что наноиглы сохраняют оптические характеристики после длительного воздействия тепла и влаги. Материал не окисляется, не теряет структуру и продолжает поглощать свет с той же эффективностью.

Тепловые характеристики превзошли ожидания: наноиглы быстро передают энергию теплоносителю. Это минимизирует потери на излучение обратно в атмосферу.

Каждый процент потерь снижает общую эффективность станции. Для CSP-проектов это критично: разница в 1% эффективности может изменить окупаемость на годы.

От лаборатории к электростанциям

Исследования находятся на ранней стадии, но результаты указывают на возможность промышленного масштабирования. Основные вопросы — стоимость производства и долговечность материала в реальных условиях.

Если наноиглы подтвердят надёжность в долгосрочных испытаниях, они могут заменить углеродные нанотрубки в новых CSP-проектах. Это повысит эффективность станций и снизит затраты на обслуживание.

Практический контекст для России

Технология может изменить подход к энергоснабжению отдалённых регионов. В Астраханской области и Калмыкии солнечная инсоляция достигает 1400–1600 кВт·ч/м² в год. Это сопоставимо с показателями Испании и Марокко.

Внедрение CSP с наноиглами могло бы обеспечить стабильное энергоснабжение сельских районов, где прокладка линий электропередач экономически невыгодна.

Накопление тепла позволяет генерировать электричество круглосуточно, что критично для удалённых посёлков.

Перспективы развития технологии

Этапы развития технологии: лабораторные испытания (текущий этап) → полевые испытания → пилотные проекты → промышленное внедрение

Исследователи планируют изучить возможность покрытия наноигл материалами, повышающими электрическую проводимость. Это может расширить область применения — от солнечных башен до гибридных систем.

Ещё одно направление — адаптация технологии для фотоэлектрических панелей. Если наноиглы удастся интегрировать в традиционные солнечные модули, это повысит их эффективность без значительного удорожания.

По мнению экспертов, внедрение новых технологий может увеличить долю CSP в общем объёме генерации. Однако стоимость CSP остаётся выше, чем у фотоэлектрических систем. Это ограничивает их распространение в регионах с низкой солнечной инсоляцией.

Что это значит

Для энергетики:

• Повышение эффективности CSP на 4–14% по сравнению с существующими материалами
• Снижение затрат на обслуживание за счёт увеличения срока службы компонентов
• Возможность строительства станций в регионах с экстремальными климатическими условиями

Для науки:

• Подтверждение, что предел поглощения света ещё не достигнут
• Новый подход к созданию термостойких наноструктур
• Перспективы для гибридных систем генерации энергии

Для России:

• Потенциал для развития CSP в южных регионах с высокой инсоляцией
• Решение проблемы энергоснабжения отдалённых территорий
• Возможность накопления энергии для круглосуточной генерации

Наноиглы — это шаг к более эффективным и долговечным системам сбора солнечной энергии. Технология показывает, что материалы будущего могут быть одновременно простыми и высокотехнологичными.

Следующий этап — подтверждение надёжности в промышленных условиях.