Швейцарские солнечные панели для французского проекта

Один из аэростатов проекта STRATEOLE готов к испытательному полету. © Romain Gaboriaud

В швейцарском кантоне Невшатель производят одни из самых эффективных с точки зрения КПД солнечных энергетических ячеек в мире. Эта прорывная технология, как ожидается, поможет европейской промышленности наладить производство фотогальванических элементов на качественно новом уровне. Но сначала их нужно протестировать в рамках воздухоплавательного проекта, организованного французскими соседями. 

Перевод с французского: Лейла Бабаева.

Создаются эти ячейки специалистами «Швейцарского центра электроники и микротехнологий» (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique CSEMВнешняя ссылка). Каждая ячейка тестируется в так называемых климатических камерах (climate chamber, закрытая автоклавах, позволяющих точно моделировать агрессивное воздействие окружающей среды). Однако настоящие испытания ячейкам еще только предстоят и произойдет это через несколько месяцев, когда она поднимутся в стратосферу на аэростате, подготовленном и снаряженном французскими коллегами. 

Воздушные шары в стратосфере над экватором

Если мы хотим понять, что происходит с погодой и климатом, то мы должны внимательнее приглядеться к экваториальным регионам. Именно здесь зарождаются атмосферные явления, влияние которых может простираться вплоть до полюсов. Несмотря на это, данные регионы все еще малоизучены и в недостаточной степени представлены в существующих метеорологических и климатических моделях. С целью восполнить недостаток информации о регионе, за которым трудно и дорого наблюдать с орбиты, и был спланирован французский проект STRATEOLE-2. 

Его реализация осуществляется под эгидой французского космического агентства CNES и «Национального центра научных исследований» (Centre national de la recherche scientifique CNRS, является крупнейшим французским научно-исследовательским учреждением, объединяет государственные организации Франции, специализирующиеся в области прикладных и фундаментальных исследований, координирует их деятельность на национальном уровне). 

Участие в нем принимают также ведущие метеорологические и океанографические учреждения США, один из австралийских университетов, а также итальянские и индийские лаборатории. Осенью 2021 года из акватории Индийского океана будет запущена флотилия из двадцати гелиевых стратостатов. Еще одна такая же флотилия будет запущена через три года. Ожидается, что зонды два-три раза облетят планету по экватору на высоте от 18 до 20 километров, затем они опустятся на Землю.

Аппаратура, смонтированная на аэростатах будет фиксировать такие показатели, как степень концентрации в атмосфере водяного пара, озона, диоксида углерода, мониторить наличие взвешенных частиц льда, температуру воздуха, динамику атмосферного давления и т. д. Некоторый объем информации будет регулярно передаваться в распоряжение Всемирной метеорологической организации (WMO), что поможет сделать более точными прогнозы погоды в экваториальной и тропической зонах планеты.

Швейцария, электроника и микротехнологии? Как, а разве страна шоколадок и перочинных ножиков способна производить такие вещи? Еще как способна, и происходит это именно здесь, на западе страны в нескольких шагах от Невшательского озера, там, где встречаются прошлое и настоящее и где возникает будущее. В целом это очень интересный регион страны, хотя и малоизвестный среди туристов. 

Здесь расположен, например, археологический музей Laténium, который бережно сохраняет и изучает историю так называемых «свайных поселений», возводившихся в эпоху позднего неолита по берегам озер на территории, которой предстояло стать Швейцарией. А вот научно-внедренческий технопарк Innoparc, один из филиалов CSEM, центр разработки инновационных микро-, нано- и прочих технологий, включая системы получения энергии из солнечного света.

Именно здесь была разработана очень ответственная процедура так называемой инкапсуляции фотогальванических элементов, предназначенных для французского проекта, в рамках которого аэростаты помогут исследовать верхние слои атмосферы в регионе над экватором. Поэтому от швейцарцев требовалось создать прочные, износостойкие, а главное доступные по цене фотогальванические ячейки.

Пьеррик Дювуазен (слева) и его коллега Кристоф Шаррьер (Christophe Charrière). © Reto Duriet

«Французы сами позвонили нам», — говорит старший научный сотрудник CSEM Пьеррик Дювуазен (Pierrick Duvoisin), специалист по дизайну солнечных модулей. «Мы еще никогда не работали с ними, но они знали нас благодаря Рафаэлю Домжану (Raphael Domjan) и его проекту стратосферного самолета SolarStratosВнешняя ссылка, для которого мы делали электрические солнечные панели. Нам пришлось конкурировать с самыми разными научными институтами, мы сделали им предложение в рамках предложенной нам сметы — и получили в итоге заказ».

Сами ячейки, квадратные пластинки размером с коробку для компакт-диска, производятся не в Швейцарии, их выпускает американская фирма Sun Power на заводах в Малайзии. Затем из них необходимо собрать (инкапсулировать) солнечные панели, способные выдержать экстремальные условия стратосферы. Тут-то как раз и пригождается ноу хау, разработаенное в Невшателе.

С точностью до… нано-миллиметра!

«Инкапсулировать ячейки для стратосферы — это работа, которая требует микроскопической точности», — говорит Пьеррик Дювуазен. «Панели, которыми будут покрыты гондолы аэростатов, должны выдержать как минимум три месяца, получая куда более сильные дозы ультрафиолета, чем на поверхности Земли. Кроме того, панели должны выдерживать перепады температуры от – 90 до + 120 градусов Цельсия, поскольку аэростаты будут вращаться вдоль вертикальной оси и панели будут оказываться то в тени, то на солнце».

Для этого инженерам CSEM пришлось разработать специальный полимер и изготовить его в виде сверхлегких и одновременно очень прочных пленок. Они начали с того, что протестировали в климатических камерах около двух десятков образцов. Отобрав три или четыре образца, они снова проводили испытания, чтобы выбрать наилучший экземпляр.

Затем они изготовили 30 панелей для новых тестов, проведенных уже совместно с «Национальным центром космических исследований» (Centre National d’Études Spatiales, CNES), французским космическим агентством. Эксперты комбинировали разные виды внешнего воздействия, подвергая панели экстремальным перепадам температуры, мощному ультрафиолетовому излучению, повышенной влажности. Затем ученые проверяли их состояние, выясняя, способны ли ячейки производить достаточно электричества для запитывания научных приборов, находящихся на борту аэростата.

Известно, что, когда идет речь о безопасности, то лучше, как говорится, перестараться, поэтому французские специалисты также сами проводили полевые испытания панелей зимой 2019 -2020 гг., смонтировав их сразу на восьми аэростатах. Для инженеров CSEM такой эксперимент на большой высоте не является новинкой. В рамках проекта SolarStratos им уже приходилось приклеивать ячейки на несущие плоскости самолета, что во многом облегчало инженерам задачу: крылья были твердыми и ячейки находились в стабильном положении. 

А вот гондолы аэростата – это совсем уже нечто новое. Так что ячейки, которые будут использоваться во французском проекте STRATEOLE-2, должны были быть как легкими, так и прочными. Эти изделия должны были представлять собой нечто среднее между наземными модулями, которые обычно устанавливают на крышу дома, и панелями, используемыми на спутниках и космических зондах. Только они должны были быть намного дешевле, будучи такими же эффективными и износоустойчивыми.

Пробил час Европы

Маленькая Швейцария, имея такие НИИ, как CSEM, является живым доказательством того, что в настоящее время национальное лидерство, в том числе и прежде всего в области инновационных технологий, не зависит от физической площади контролируемой данной страной территории. Сегодня лидерство возникает в умах инженеров и в руках эффективных менеджеров.

В настоящее время основной объем мирового производства солнечных панелей приходится на Азию. Европа же если где и способна конкурировать с ней, то только и исключительно в производстве эксклюзива. «Швейцария, например, специализируется на дорогих и очень специфических моделях солнечных батарей. Здесь, например, были разработаны уникальные фотогальванические элементы, интегрируемые в фасады зданий, а также инновационные инженерные решения в области автономной, и не только, мобильности», — поясняет нам инженер CSEM Джонатан Шамплио (Jonathan Champliaud).

По его словам, задача этого НИИ состоит в том, чтобы «быть как бы мостиком между фундаментальными исследованиями, бизнесом и экономикой». Его специалисты занимаются, в частности, разработками для компании Meyer Burger, отделение которой как раз расположено тут же недалеко в технопарке Innoparc. Эта швейцарская компания недавно открыла свои производственные линии в Германии и намерена совместно с CSEM производить солнечную энергию с использованием фотогальванических панелей с пометкой „сделано в Европе“».

Именно в сотрудничестве с Meyer Burger в невшательском CSEM впервые была разработана солнечная ячейка, КПД которой составила 25%, а позднее этот показатель удалось увеличить и до 25,4%. Это означает, что такая панель способна преобразовать в электричество четверть получаемой от солнца энергии.

На первый взгляд кажется, что это довольно-таки мало, но следует помнить, что КПД обычных домашних панелей составляет 22%, а редкие модели с производительностью выше 25% изготовлены с использованием очень дорогих и трудоемких технологий, из-за чего те по своим затратам и себестоимости очевидно проигрывают панелям, созданным неа основе технологий, разработанных в CSEM.

«Повышение КПД солнечных панелей — это, конечно, прекрасно. Ведь чем выше их производительность, тем меньше нам понадобится ресурсов», — подтверждает Маркус Шретьен (Markus Chrétien), директор ассоциации Solarspar, которая входит в число пионеров использования солнечной энергии в Швейцарии. И это прекрасные перспективы с точки зрения для вывода производства солнечных панелей в Европе на качественно новый уровень.

«Когда мы в CSEM в 2013 годусоздали отделение фотовольтаики, то у нас было около 20-ти сотрудников. Сегодня их больше 80-ти», — отмечает Джонатан Шамплио. «Мы по праву гордимся нашими инновационными изделиями. То, что мы делаем сегодня, например в сфере транспорта, никто нигде не делал еще каких-то пять лет назад. И таких проектов, находящихся уже на стадии реализации, у нас очень много».