Ректенна — альтернатива солнечным панелям

Дата публикации: 2 октября 2015

Ректенна — что это такое?

Наиболее широко известным способом преобразования энергии солнечного света в электроэнергию являются фотоэлектрические (или фотовольтаические) панели. Между тем появились сообщения, что разрабатываются другие устройства, способные выполнить такие преобразование — ректенны. Википедия дает такое определение этого устройства:

Ректенна (от англ. rectifying antenna — выпрямляющая антенна) — устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например, диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решётки.

Ректенны были разработаны в рамках исследований по беспроводной передаче энергии и технологии беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия. В 1976 году американскому физику Вильяму Брауну удалось передать СВЧ-пучком мощность 30 кВт на расстояние в 1 милю (1,6 км). КПД ректенны в этом эксперименте был чуть больше 80 %. Разработки ректенн велись и в нашей стране, о чем свидетельствует, например, патент Российской Федерации RU2505907 от 10.07.2012 г.

Ректенны поглощают волны в частотном диапазоне от 3 килогерц до 300 гигагерц и преобразуют их в электричество. В прошлом предпринимались попытки создать устройства, выпрямляющие оптические волны, но при низком уровне развития технологий эти антенны оказались неэффективными.

Первые выпрямляющие антенны появились больше 40 лет назад. Их использовали для поглощения и преобразования энергии разных частот, в том числе инфракрасных волн. В последние годы технология нашла применение в устройствах, работающих на основе NFC (Near field communication) и обеспечивающих высокочастотную беспроводную связь на малом расстоянии. Сегодня NFC рассматривают в качестве альтернативы Bluetooth. Однако попытки адаптировать ректенны к приему видимого света до сих пор не приводили к ощутимым результатам.

Проект Сколтеха

Но разработки продолжаются. Один из проектов использования ректенн для получения электричества разрабатывается студентами Сколтеха. Адель Галимов, один из разработчиков проекта пояснил, что основное применение — это дополнение или вытеснение с рынка уже существующих солнечных панелей для сбора солнечной энергии. Дело в том, что в ректенне используется альтернативный подход к сбору солнечного излучения, в котором солнечный свет рассматривается не как поток фотонов, а как электромагнитная волна.

Существующие выпрямляющие антенны показывают эффективность до 90% в микроволновом диапазоне, мы же хотим использовать подобный подход для преобразования инфракрасного излучения, на который приходится около половины энергии падающего на поверхность Земли солнечного света.

А поскольку существует поглощение инфракрасного света Землей и предметами с последующим его излучением, значит, есть возможность собирать энергию и в темное время суток. Для это необходимо создать и синхронизировать части ректенны, основные из которых — это антенна и диодный выпрямитель (устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток). Задача студентов Сколтеха как раз и состоит в разработке и производстве этих элементов с удовлетворяющими характеристиками.

Будет ли новый прорыв?

На этой неделе появились сообщения о том, что, используя нанокомпоненты, американские ученые создали новый тип ректенны для преобразования света непосредственно в постоянный ток.

Первая оптическая ректенна преобразовывает свет в постоянный ток

Первая оптическая ректенна преобразовывает свет в постоянный ток

В устройствах, разработанных инженерами Технологического института Джорджии, углеродные нанотрубки работают как антенны, «захватывающие» излучение Солнца или других источников. Когда световая волна попадает на антенны из нанотрубок, они создают колеблющийся заряд, движущийся через миниатюрные выпрямители, встроенные в стенки трубок, которые включаются и выключаются на петагерцовой частоте или 10 в 15 степени Гц, что в миллион раз больше чем Ггц. Результатом становится небольшой постоянный ток, созданный напрямую, а не при помощи ступенчатого процесса, подобного тому, как работают большинство солнечных панелей.

«Физика и основные принципы уже были понятны, – пояснил руководитель разработок Баратунде Кола (Baratunde Cola). – Настало время для того, чтобы опробовать новые идеи на практике и заставить устройство работать. Это стало возможным благодаря успехам, достигнутым в развитии производственных технологий».

Представители научной группы расположили на кремниевой подложке миллиарды вертикальных углеродных нанотрубок, изолированных друг от друга тонким слоем оксида алюминия. Конструкцию завершили прозрачные пластины из алюминия и кальция. При попадании света нанотрубки начинают осциллировать. Генерируется заряд, который затем проходит через выпрямители. Они преобразуют переменный ток в постоянный благодаря своей способности включаться и выключаться с огромной частотой – до квадриллиона раз в секунду.

Устройство ректенны

Миллиарды ректенн, объединенные в массив, смогут давать ток значительной величины, хотя эффективность продемонстрированных устройств пока остается ниже 1%. Исследователи надеются резко повысить параметры своей разработки с помощью оптимизации, и уверены, что ректенна, имеющая коммерческий потенциал, может появиться в течение года.

«Мы смогли наконец создать солнечные элементы, которые имеют вдвое большую эффективность при стоимости в десять раз меньше, и для меня это возможность значительно изменить мир, — рассказывает Баратунде Кола (Baratunde Cola), доцент Школы механической инженерии им. Джорджа В. Вудроффа при Технологическом институте Джорджии. — Как надежные, высокотемпературные датчики, эти ректенны смогут стать прорывной технологией, если мы сможем получать эффективность порядка одного процента. Если мы сможем получать большую эффективность, мы сможем применить их в технологиях преобразования и использования солнечной энергии».

Результаты исследования, проведенного при поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), Центра космических и военно-морских систем (SPAWAR) и Научно-исследовательского управления армии США (ARO) были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Наверх