Традиционная солнечная энергия выходит из строя на продуваемом всеми ветрами севере. Два шведских изобретателя делают ставку на аэродинамическую устойчивость, чтобы преодолеть разницу в широте
Дени Эллис Бешар под редакцией Эрика Салливана
Когда взорвалась 47-я солнечная панель, Хенрик Эскильссон начал опасаться, что связался с сумасшедшим.
В своем внедорожнике он и Андерс Олссон разгонялись по шведскому аэродрому Лунда, буксируя прицеп, оснащенный стальной мачтой, на которой подвешивалась панель. Когда они набрали скорость, панель сделала нечто необычное: она поплыла, ловя ветер, как дельтаплан, оставаясь при этом закрепленной на мачте. Стрелка спидометра приблизилась к 100 километрам в час. Позади них устройство начало вибрировать. Внезапно он оторвался, пролетел в воздухе и разбился вдребезги на взлетно-посадочной полосе.
Эскильссон, который ранее основал компанию, производящую программное обеспечение для отслеживания движения глаз, остановил машину и задумался, почему он посвятил себя этому донкихотскому проекту: революционизировать солнечную энергетику для более чем половины людей, живущих на Земле. Многие районы в Северном полушарии и некоторые в Южном находятся в зонах, где традиционные солнечные батареи неэффективны, особенно зимой, а также утром и вечером. Когда солнце садится низко, его лучи падают на горизонтальные панели под небольшим углом, обеспечивая небольшое количество энергии. Вертикальные солнечные панели, которые следят за солнцем, даже когда оно едва выглядывает из-за деревьев, оказались слишком дорогими, поскольку для их вращения требуется несколько двигателей, слишком много бетона, чтобы их закрепить, и слишком много стали, чтобы ветер не разорвал их на части.
О поддержке научной журналистики
Разбитый прототип был частью усилий Олссона и Эскильссона по решению этой проблемы: Vaja, стартап по вертикальному отслеживанию, который они совместно основали в 2023 году. В течение многих лет Олссон мечтал о создании солнечных систем, которые двигались бы по ветру, как листья во время шторма. Он и Эскильссон консультировались с инженерами-механиками, которые сказали, что такой проект невозможен. Олссон не согласился. Эскильссон доверял ему, хотя и задавался вопросом, сколько еще панелей придется сначала уничтожить.
Они вышли из внедорожника, достали метлы с заднего сиденья и холодным зимним днем начали подметать взлетно-посадочную полосу.
Солнечная энергия является самым быстрорастущим источником электроэнергии в мире, на долю которого в 2024 году придется 7 процентов мирового производства электроэнергии, по сравнению примерно с 1 процентом десятилетием ранее. В 2010-х годах коммунальные компании вложили значительные средства в солнечные фермы с панелями фиксированного наклона — стационарные солнечные батареи, ориентированные к экватору, чтобы улавливать солнечный свет. Такие системы производят больше всего электроэнергии в середине дня. На рынках, где много солнечных электростанций, именно в это время цены на электроэнергию самые низкие, что делает панели менее рентабельными. Затем, когда солнце садится и спрос на электроэнергию резко возрастает, панели перестают работать.
Горизонтальные трекеры устраняют такие ограничения, следуя за солнцем. Панели, установленные по принципу «север-юг», наклоняются подобно качелям, поворачиваясь на восток на рассвете, ровно ложась в полдень и поворачиваясь на запад на закате. Они могут вырабатывать на 35% больше энергии, чем системы с фиксированным наклоном, при незначительном снижении стоимости. По словам Эскильссона, за последние 10-15 лет горизонтальное отслеживание «значительно расширилось».
Но горизонтальные трекеры страдают от тех же широтных недостатков, что и трекеры с фиксированным наклоном: если двигаться на север или юг от экватора, преимущества уменьшаются. Между 30-й и 40-й параллелями — примерно на одной линии с Хьюстоном и Филадельфией соответственно — соотношение меняется в пользу вертикальных трекеров: систем, предназначенных для перехвата падающего света низко висящего солнца, который в противном случае скользил бы по горизонтальному массиву.
Несколько компаний предлагают статичные вертикальные панели. В Европе норвежские компании Over Easy Solar и немецкие Next2Sun и SOLYCO Solar предлагают различные вертикальные солнечные панели, которые собирают утренний, вечерний и зимний свет. Гораздо сложнее изготовить вертикальные трекеры, которые вращаются вокруг вертикальной оси, как вращающаяся дверь. Все вертикальные панели ловят ветер, как паруса. Можно изготовить стационарные установки, которые будут противостоять сильным порывам ветра, но вертикальные трекеры более хрупкие, поскольку они мобильны и установлены на одной стойке. Представьте себе тяжелый придорожный знак, установленный на столбе: ветер не только давит на знак, но и пытается скрутить столб. Скручивание вокруг вертикальной стойки более опасно, чем вокруг низко расположенной опоры горизонтального трекера, что может привести к поломке панелей и двигателей. Усилия по их усовершенствованию привели к тому, что они перестали существовать. «Такие вертикальные трекеры даже сегодня стоят примерно в четыре раза дороже, чем горизонтальные», — говорит Эскильссон. Разработчики на севере страны придерживались статичных систем, используя больше панелей, чтобы компенсировать потерю производительности.
Олссон, которому сейчас 51 год, заинтересовался солнечной энергией в 2017 году, еще до того, как она стала широко распространена в его стране. Во время лыжной прогулки он сказал другу, что в Швеции недостаточно солнечного света, чтобы технология заработала. Друг не согласился и показал ему математические расчеты. «Когда я увидел цифры, я понял, что solar действительно имеет смысл», — говорит Олссон. Этот момент пробудил в нем любовь к сложным задачам, и он всю дорогу домой на поезде писал бизнес-план.
Soldags, первая компания Олссона по производству солнечных панелей, начала устанавливать панели для потребителей, как правило, на крышах. Но через два года он заключил контракт на установку панелей на земле, для чего требовалось закрепить их бетонными блоками. «Эти штуки весили в 10 раз больше, чем солнечные панели», — говорит Олссон. Инженер-физик по образованию и моряк-любитель, он знал, какой сильный крутящий момент может создать ветер. И все же природа при этом процветала — деревья изгибались, листья распускались. Почему ему пришлось тратить деньги на то, чтобы удерживать панели на месте?
Он поделился своими мыслями со своим другом и коллегой-моряком Фредриком Лунделлом, профессором гидродинамики и экспертом по аэродинамике. Разговаривая, они делали наброски поворотного крепления, которое могло бы позволить панелям развеваться на ветру.
<исходный код="(минимальная ширина: 0 пикселей)" srcSet="https://static.scientificamerican.com/dam/m/7af834c32abc4a6b/original/saw0326Indu02.jpg?m=1768260450.677&w=600 600 Вт, https://static.scientificamerican.com/dam/m/7af834c32abc4a6b/original/saw0326Indu02.jpg?m=1768260450.677&w=750 750 Вт, https://static.scientificamerican.com/dam/m/7af834c32abc4a6b/original/saw0326Indu02.jpg?m=1768260450.677&w=900 900 Вт, https://static.scientificamerican.com/dam/m/7af834c32abc4a6b/original/saw0326Indu02.jpg?m=1768260450.677&w= 936 936w" размеры="(минимальная ширина: 936 пикселей) 936 пикселей, (минимальное разрешение: 3dppx) 50 В, (минимальное разрешение: 2dppx) 75 В, 100 В"/>
На коктейльной вечеринке в 2023 году Олссон обратился к Эскильссону, которого он считал шведом, наиболее способным вывести компанию на международный уровень. Эскильссон, которому сейчас 51 год, с юности любил бизнес. В 15 лет он начал покупать и продавать компьютеры. Затем, будучи студентом по обмену в Канаде, он увидел свой первый батут и начал поставлять его в Швецию. Позже он стал соучредителем компании по отслеживанию движения глаз Tobii, которая в 2007 году купила у Олссона патент; Олссон получил его и проработал в компании 10 лет.
Ко времени проведения вечеринки Эскильссон ушел с поста генерального директора Tobii и подумывал о спокойной жизни в совете директоров. Затем Олссон отвел его в сторону, чтобы рассказать о том, как «вывернуть физику наизнанку» на солнечных фермах, вспоминает Эскильссон.
Задача была не просто захватывающей — она была неотложной, говорит Эскильссон. В настоящее время, когда солнца мало, другие источники энергии компенсируют снижение выработки солнечной энергии. Но некоторые исследования показывают, что к 2050 году на долю солнечной энергии может приходиться 40% мирового производства электроэнергии. При таких темпах разница между спросом и предложением была бы слишком велика, чтобы ее можно было компенсировать другими источниками энергии. «Достичь 40-процентного проникновения практически невозможно, если вы собираетесь использовать стационарные солнечные батареи», — утверждает Эскильссон. Но отслеживание солнечной энергии остается недоступным в значительной части земного шара. «Кто-то должен уметь осуществлять вертикальное отслеживание таким образом, чтобы это было действительно экономически эффективным», — говорит он.
Они начали работать в сентябре того же года, и заходящее осеннее солнце напоминало о том слабом свете, который они намеревались запечатлеть. Их задача состояла в том, чтобы создать панель, которую не смог бы разрушить ветер. Менее чем за месяц у них были прототипы, которые поворачивались рядом с аэродинамическим центром, чтобы они могли двигаться в шторм.
Лунделл стал консультантом. В Шведском Королевском технологическом институте KTH, где Лунделл является профессором, была аэродинамическая труба, но она была переполнена, и ожидание настоящих штормов было медленным. Он порекомендовал им построить «перевернутую аэродинамическую трубу», вдохновленную испытаниями хвостовой части SpaceShipOne американской аэрокосмической компанией Scaled Composites в 2003 году, в ходе которых опытные образцы везли на грузовике по пустыне Мохаве. Примерно через неделю Олссон, Эскильссон и их первые три сотрудника построили свой «трейлер-лабораторию» и арендовали его на время на аэродроме Лунда, в 110 километрах к северу от Стокгольма.
Первые месяцы стало ясно, почему никто этого не сделал. «Все сломалось», — говорит Эскильссон. Сначала они использовали жесткие пластиковые листы вместо солнечных панелей. Когда прототипы стабилизировались, команда переключилась на солнечные панели и продолжила доводку. Они не могли загрузить раму металлом и увеличить ее вес и стоимость. Вскоре во время тест-драйвов они разогнались до 80 км/ч. Панель за панелью вибрировали, пока не отломились. Каждый раз они останавливали машину и возвращались обратно по взлетно-посадочной полосе со своими метлами.
«Турбулентность вызывает различные виды колебаний и резонансные эффекты», — говорит Эскильссон. «Это могут быть такие явления, как флаттер; это могут быть явления кручения и так далее, которые усиливаются резонансом». Если вы смотрели видео, на котором видно, как мост Такома-Нарроуз в штате Вашингтон раскачивается, когда торсионный флаттер разрушил его в 1940 году, у вас может возникнуть ощущение, что ощутите аналогичный эффект в игре с солнечными батареями. Во время штормов ранние солнечные батареи были превращены в современное искусство.
У Эскильссона есть летний домик на острове в Балтийском море, и он и его коллеги установили панели на причале с возможностью съемки на камеру. Дома, когда в новостях объявили о шторме, они сидели за компьютерами и ели попкорн, а ветер разрушал их работу. Иногда, когда начинался шторм, они выходили в море на лодке и под проливным дождем с отвертками в руках устанавливали панели. «Если вы сделаете это немного неправильно, все начнет трепетать», — говорит Олссон.
Когда нанятые группой эксперты по механическому проектированию заявили, что сомневаются в осуществимости проекта, Олссона это не смутило. Эскильссон вспоминает: «Двое из них отвели меня в сторону в коридоре, где не было Олссона, и сказали: «Хенрик, ты же понимаешь, что это невозможно».»Поскольку прототипы продолжали ломаться, у него были моменты, когда он боялся, что они могут оказаться правильными.
Лунделл вспоминает, что за секунду до выхода из строя одной из панелей он заметил отчетливое подрагивание, запечатленное на видео из трейлера и аэродинамической трубы. По его словам, при обычном темпе тестирования на понимание такого явления могут уйти годы. Но высокоскоростная видеосъемка действовала как замедленная съемка разрушений, позволяя команде отобразить каждое колебание в реальном времени. «Несколько недель спустя у нас была теория, — говорит Ланделл, — математическая модель аэродинамического центра, точной точки поворота, в которой ветер будет перемещать панель в нейтральное положение, а не расшатывать ее.
Теперь они могли собрать все по кусочкам. Для изготовления вертикальных панелей не требуется бетон, а ряд из более чем 100 панелей можно поворачивать с помощью одного двигателя и тросовой системы, подобно тому, как веревка перемещает планки в жалюзи поворотом стержня. Когда приближается шторм, двигатель «опускает» панели так, чтобы ветер дул им в спину. «Если ветер дует прямо из-за панелей, у вас практически нет крутящего момента», — говорит Олссон.
Олссон и Эскильссон назвали компанию Vaja, что в переводе со шведского означает «колебаться». В настоящее время у Vaja пять испытательных площадок, и, когда прогнозы обещают проблемы, они по-прежнему хватаются за ноутбуки, чтобы посмотреть их солнечные батареи. «Я смотрю прогноз погоды четыре раза в день», — говорит Эскильссон. «Я не люблю солнечную погоду».
Согласно их данным, система Vaja вырабатывает на 25-30 процентов больше энергии в год, чем статическая массив на многих северных широтах. Большая часть финансирования компании была получена за счет государственных грантов в размере 1,6 миллиона долларов и аналогичной суммы от инвесторов; ей потребуется привлечь гораздо больше средств для расширения своей деятельности. На данный момент у нее есть четыре платных пилотных клиента. Шведская компания Rabbalshede Kraft, независимый производитель возобновляемых источников энергии, запускает пилотный проект side-by-side: трекеры Vaja в дополнение к обычным решеткам. Датчики должны «выдерживать суровые климатические условия», — говорит генеральный директор компании Питер Весслау. «Также будет увеличено производство, потому что панели будут перемещаться в течение дня. Учитывая, что мы сможем производить продукцию в более выгодные часы, мы также ожидаем, что будем зарабатывать больше денег. «Если Vaja выполнит то, что Эскильссон «пообещал кровью», — говорит Весслау, — в производство вступит гораздо больше проектов в области солнечной энергетики. деньги в северных регионах.»
Эскильссон развеял все сомнения. Он любит шутить, что они с Олссоном зашли так далеко, потому что у них есть три отличительных признака предпринимательства: здравый ум, крепкий лоб, которым можно биться о стену, и достаточная наивность, чтобы продолжать попытки.
На взлетно-посадочной полосе все еще проводятся тесты для проверки качества панелей, снимаемых с производства. Внедорожник разгоняется и достигает скорости, при которой не так давно все шло наперекосяк. Вскоре они преодолевают силу, эквивалентную штормовому ветру. На мачте панель опускается, спокойная, как птица, плывущая по течению. Они отпускают педаль и плавно останавливаются. Метла остается в багажнике.
