LOW←TECH MAGAZINE Polski

Czy da się zbudować low-techowy panel solarny?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

Zdjęcie: George Cove stoi przy swoim trzecim prototypie panelu słonecznego. Źródło: „Wytwarzanie energii za pomocą promieni słonecznych, *Popular Electricity*, wyd. 2, nr 12, kwiecień 1910 roku, strona 793.

Bardziej wydajne, mniej zrównoważone

Od czasu kiedy Laboratoria Bell’a zaprezentowały światu pierwszy panel fotowoltaiczny w latach 50. XX w. rozwój technologiczny skupił się na redukcji kosztów i zwiększaniu sprawności ogniw krzemowych. Badacze osiągnęli niemały sukces na tych polach. Sprawność paneli solarnych wzrosła z mniej niż 5% w latach 50. do ponad 20% dzisiaj, a koszt za jeden wat mocy szczytowej spadł z 30 dolarów w 1980 roku do 0.2 dolara w 2020 r. Niższa cena – do czego przyczynia się wyższa sprawność – jest uważana za kluczowy czynnik, który pozwoli fotowoltaice konkurować na rynku energii elektrycznej z paliwami kopalnymi.

Jednak pod względem zrównoważenia niewiele udało się poprawić. Chociaż minęło siedem dekad od powstania pierwszych krzemowych ogniw, ciągle nie nadają się one do recyklingu i w tysiącach ton lądują jako odpad na wysypiskach – w nadchodzących latach będzie ich coraz więcej. Panele solarne mają żywotność około 25-30 lat ((analiza rynku fotowoltaiki w Niemczech wskazuje, że ogniwa krzemowe mają krótszą żywotność, wynoszącą ok. 17-18 lat, przyp. tłum.), a większość z nich została zainstalowana niedawno. Badacze przewidują, że do 2050 roku prawie 80 milionów ton paneli słonecznych zakończy swój żywot. ¹ ² ³ Oznacza to ogrom zmarnowanych surowców i zagrożenie dla środowiska – złomowane panele zawierają toksyczne substancje i stwarzają ryzyko pożarowe.

Produkcja fotowoltaiki wymaga dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, a to blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórców.

Produkcja paneli fotowoltaicznych jest równie problematyczna. Generuje toksyczne substancje i wymaga globalnych łańcuchów dostaw, w tym: drogich fabryk, skomplikowanych maszyn, kopalń minerałów i ciągłego dopływu paliw kopalnych. W analizie cyklu życiowego paneli słonecznych naukowcy policzyli ile energii i materiałów potrzeba do ich zbudowania, jednak nie uwzględnili w obliczeniach ogromnych nakładów energii potrzebnych na powstanie i utrzymanie globalnych łańcuchów dostaw. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Taka analiza nie pokazuje więc prawdziwego kosztu paneli fotowoltaicznych, który wyraża się w zużytych paliwach kopalnych, wyemitowanych zanieczyszczeniach i gazach cieplarnianych. Co więcej, produkcja fotowoltaiki, wymagająca dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórcom.

Szukając inspiracji w przeszłości

Czy fotowoltaika musi być niezrównoważona, nierecyklingowalna i uzależniona od kapitałochłonnych zaawansowanych technologii wytwarzania? A może da się ją wytwarzać prostszymi metodami z lokalnie dostępnych i możliwych do recyklingu materiałów? Innymi słowy, czy można zbudować low-techowy panel fotowoltaiczny? A jeśli tak, to jakie będę koszty i sprawność?

Zanim postaramy się odpowiedzieć na te pytania, musimy zaznaczyć, że najlepszą low-techową alternatywą dla high-techowych paneli solarnych nie jest low-techowy panel, tylko bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej bez zamiany jej na elektryczność. Na przykład, sznurek na bieliznę i solarne grzanie wody są znacznie bardziej wydajne, zrównoważone i opłacalne niż suszarka bębnowa i bojler elektryczny zasilany fotowoltaiką. Energię słońca można wykorzystywać bezpośrednio, używając lokalnych materiałów, niezbyt zaawansowanych procesów technologicznych i krótkich łańcuchów dostaw.

Jednakże w tym artykule próbuję szczerze odpowiedzieć na postawione pytanie: czy możemy zbudować low-techowe urządzenia fotowoltaiczne, które zamieniają promienie słoneczne na elektryczność? W poprzednim artykule zobaczyliśmy, że z historii możemy czerpać inspirację do budowy bardziej zrównoważonych turbin wiatrowych. Czy historia zainspiruje nas również do poszukiwań bardziej zrównoważonych ogniw solarnych?

Prehistoria ogniw solarnych

Zaprezentowany w roku 1954 panel fotowoltaiczny Laboratoriów Bell’a nie wziął się znikąd. Korzenie krzemowych ogniw słonecznych sięgają prostszych urządzeń, które wytwarzały prąd elektryczny ze światła lub z ciepła.

W 1821 roku Thomas Seebeck odkrył, że w obwodzie wykonanym z dwóch różnych metali ze złączami o różnych temperaturach popłynie prąd elektryczny. Ten „efekt termoelektryczny” stanowił podstawę działania „generatora termoelektrycznego” — urządzenia, które przekształca ciepło (na przykład z pieca opalanego drewnem) bezpośrednio na energię elektryczną. W 1839 roku Antoine Becquerel odkrył, że światło można również zamieniać w elektryczność, a w latach 70. XIX wieku kilku naukowców odkryło ten sam efekt w ciałach stałych - zwłaszcza w selenie. „Efekt fotoelektryczny” stał się podstawą „generatora fotoelektrycznego”, który teraz nazywamy generatorem fotowoltaicznym lub ogniwem fotowoltaicznym. W 1883 roku Charles Fritts skonstruował pierwszy w historii moduł fotowoltaiczny wykorzystując selen na cienkiej warstwie złota. ¹² ¹³ ¹⁴

Od lat 20. XIX w. aż do lat 50. XX w. praktyczne zastosowanie urządzeń termoelektrycznych i fotoelektrycznych było ograniczone. Wynalazcy zbudowali wiele eksperymentalnych generatorów termoelektrycznych (zwykle zasilanych płomieniem gazowym), jednak ich sprawność nie przekraczała 1%. Podobnie panel słoneczny Charlesa Frittsa (i później wyprodukowane selenowe ogniwa słoneczne) osiągnęł zaledwie 1-2% wydajności w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną. ¹⁵ Mówiąc krótko, okres przed latami 50. XX w. nie wydaje się dawać wiele inspiracji do budowy bardziej zrównoważonych paneli fotowoltaicznych.

Zapomniany pionier energii solarnej

Historia paneli słonecznych zdaje się być niekompletna. W 2019 roku otrzymałem maila od czytelnika Low-tech Magazine, Philipa Pesavento:

„Badam od początku lat 90. [historię] wczesnego pioniera technologii ogniw solarnych z przed drugiej wojny światowej. Jestem już za stary, żeby w jakikolwiek sposób kontynuować [tę pracę], jednak jest jeden, lub dwa, artykuły naukowe o Panu Cove, jednak zupełnie mylą się co do tego, co on osiągnął. Załączam pdf z prezentacją PowerPoint, którą zrobiłem w 2015, ale nigdy nikomu nie pokazałem. Jeśli jesteś zainteresowany samemu napisać o nim, mogę przesłać ci pendrive ze wszystkimi materiałami, które zebrałem.”

Jeśli hipotezy i zebrany przez Philipa Pesavento materiał historyczny są rzetelne, to oznacza, że George Cove postanowił zbudować generator termoelektryczny, ale przypadkowo stworzył generator fotowoltaiczny (ogniwo fotowoltaiczne). Chociaż miało to miejsce na początku XX wieku, Cove uzyskał porównywalną moc wyjściową i wydajność z urządzeniem z Laboratoriów Bell’a z 1954 roku. Jego projekt wykazywał również znacznie wyższą wydajność niż selenowe ogniwa słoneczne budowane w latach 1880-1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

„To byłoby ekscytujące udowodnić, że stosunkowo wysokowydajne ogniwa solarne zostały wynalezione 40 lat przed opracowaniem ogniw krzemowych. Co ważniejsze, jeśli okaże się, że przed I wojną światową istniała fotowoltaika i system paneli fotowoltaicznych, może to nieść korzyści, takie jak: taniości surowców, niskiej energii wcielonej potrzebnej do przetwarzania rud na materiały metaliczne, [wyższej] wydajności końcowej ogniwa fotowoltaicznego i łatwości produkcji.”

Innymi słowy, jeśli historyczny opis i hipotezy Philipa Pesavento są prawdziwe, możliwe jest zbudowanie low-techowych paneli słonecznych.

Słoneczny generator elektryczny George Cove

George Cove zaprezentował swój pierwszy „słoneczny generator elektryczny” w 1905 roku w Metropole Building w Halifax w Nowej Szkocji. Poza jedną fotografią nie ma żadnych informacji o tym panelu, ¹⁷ jednak jego moc i wydajność były na tyle niezwykłe, że amerykańscy inwestorzy wysłali do wynalazcy swojego eksperta. W oparciu o oględziny urządzenia przeprowadzone przez rzeczonego eksperta, sprowadzili Cove’a do Stanów Zjednoczonych (Sommerville, stan Massachusetts), aby kontynuował rozwój swojego urządzenia.

W 1909 roku Cove zaprezentował w Sommerville swój drugi generator energii słonecznej. Ten panel o powierzchni 1,5 m² mógł wytwarzać 45 watów mocy i miał wydajność w przetwarzaniu energii słonecznej na energię elektryczną na poziomie 2,75%. W połowie 1909 roku Cove przeniósł się do Nowego Jorku, gdzie zaprezentował swój trzeci prototyp - moduł słoneczny składający się z czterech paneli słonecznych o mocy szczytowej 60 W każdy. Ładował on pięć akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Całkowita powierzchnia wynosiła 4,5 m², maksymalna moc wyjściowa 240 watów, a wydajność sięgnęła 5% – porównywalnie do pierwszego panelu fotowoltaicznego zaprezentowanego przez Laboratoria Bell’a. ¹⁸

Powyżej: Pierwszy panel słoneczny George Cove, zademonstrowany w 1905 roku. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Drugi panel słoneczny Cove, w którym brakuje jednej sekcji. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Panele są teraz pochylone pod kątem, a nie leżą płasko. Źródło: Literary Digest 1909 r, s. 1153.

Powyżej: Jeden z paneli słonecznych trzeciego zestawu solarnego Cove, ze zdjętą szklaną pokrywą. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Chociaż George Cove’a nie znajdziemy w większości opracowań historycznych o energii słonecznej, to jego generator zrobił wrażenie na niektórych popularnych czasopismach technicznych tamtych czasów. Na przykład, w 1909 roku Technical World Magazine napisał, że „ta maszyna jest tania i niezniszczalna jak asortyment kuchenny. Nawet w obecnym, nieco prymitywnym i eksperymentalnym kształcie, w dwa słoneczne dni zmagazynuje energię elektryczną wystarczającą do oświetlenia przeciętnego domu przez tydzień. Wynalazca udowadnia to od miesięcy w swoim zakładzie.” ¹⁹

Wtyki włożone w asfalt

Jak George Cove zdołał zbudować panel solarny wyprzedzający swoje czasy o 40 lat? Według Philipa Pesavento, który ma doświadczenie w inżynierii półprzewodników, Cove zamierzał zbudować udoskonalony generator termoelektryczny (ang. TEG przyp. tłum.), rozwijając eksperymentalne urządzenie Edwarda Westona (Weston stworzył pierwszy eksperymentalny termoelektryczny generator słoneczny w 1888 roku). Wystawił swój generator na działanie ciepła z pieca opalanego drewnem i bezpośredniej energii słonecznej. Intencje Cove’a były, z tego jak sam opisał swoje urządzenie, jasne:

„Ramka zawiera szereg tafli z fioletowego szkła, za którymi pod podkładem z mieszanki asfaltowej znajduje się wiele małych metalowych wtyków. Jeden koniec wtyku jest zawsze wystawiony na działanie promieni słonecznych, podczas gdy drugi koniec jest chłodny i osłonięty.”

Osiągnięcie jak największej różnicy temperatur jest kluczowe w produkcji energii termoelektrycznej, tak więc projekt Cove’a miał sens. Problem polegał na tym, że kiedy mierzył moc wyjściową swojego generatora nie reagował on na ciepło, tak jak powinien to zrobić generator termoelektryczny. Początkowo Cove zauważa, że jego wynalazek wykorzystuje zarówno ciepło, jak i światło do wytwarzania elektryczności pod wpływem energii słonecznej:

„Głównym elementem mojego wynalazku jest osobliwa kompozycja metalowych wtyków, na które słońce działa w taki sposób, że prąd jest generowany nie tylko przez promienie cieplne, ale także przez promienie fioletowe.”

Jednak po dalszych eksperymentach, zarówno z piecem opalanym drewnem jak i energią słoneczną, Cove stwierdza:

„Gdy maszyna jest wystawiona na działanie różnych źródeł sztucznego ciepła, w ogóle nie daje prądu. Poza promieniami cieplnymi słońca (podczerwień krótkofalowa), być może w wytwarzaniu prądu elektrycznego aktywne są promienie fioletowe lub ultrafioletowe.”

Głównym ogniwem panelu fotowoltaicznego Cove’a były trzycalowe wtyki, lub pręty metaliczne, ze stopów kilku pospolitych metali. Panel o powierzchni 1,5 m² miał 976 prętów, a zestaw o pow. 4 m² miał 4 razy po 1804 prętów. Nie miało to znaczenia, że chłodny koniec prętów był oddzielony od gorącego warstwą asfaltu. Ważne było to, że Cove przez przypadek zbudował złącze metal-półprzewodnik.

Pasmo wzbronione półprzewodników

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny – podobnie jak nikt inny w tym czasie. Dopiero praca Einsteina nad efektem fotoelektrycznym (z 1905 r.) i późniejsze odkrycia mechaniki kwantowej (lata 30. XX wieku i późniejsze) pozwoliły zrealizować koncepcję półprzewodnikowego pasma wzbronionego (inaczej przerwy energetycznej). Elektrony krążą wokół jądra atomu w różnych „stanach” tworzących obszary zwane „pasmami”. Te pasma utrzymują swoje elektrony na właściwym miejscu. Pomiędzy tymi pasmami znajdują się „pasma wzbronione” – stany, w których żaden elektron nie może się znajdować.

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny, podobnie jak nikt inny w tym czasie.

Przewodniki nie mają pasm wzbronionych, więc płyną przez nie elektrony. Dlatego właśnie drut miedziany przewodzi prąd. W izolatorach (takich jak drewno, szkło, tworzywa sztuczne czy ceramika) występują bardzo szerokie przerwy energetyczne blokujące przepływ elektronów. Za to w półprzewodnikach istnieją stosunkowo wąskie przerwy, co pozwala im działać jako izolator lub jako przewodnik. Półprzewodniki mogą stać się przewodnikami gdy absorbują „foton” (elementarną cząstkę światła) o potencjale energetycznym równym lub większym niż pasmo wzbronione materiału półprzewodnikowego. ²⁰

Zrozumienie działania półprzewodników doprowadziło w latach 50. XX w. do narodzin nowoczesnego ogniwa fotowoltaicznego. Poprawiła się również wydajność generatorów termoelektrycznych – jednak z innych powodów. Generatory termoelektryczne nie wykorzystują pasma wzbronionego półprzewodników, lecz półprzewodniki mają wyższe napięcia termiczne i niższe przewodnictwo cieplne, niż metale i stopy metali bez przerwy energetycznej, dzięki czemu generatory termoelektryczne są bardziej wydajne.

Złącze Schottky’ego

Aby efekt fotowoltaiczny mógł zaistnieć, musi istnieć pewna niejednorodność w systemie. W latach pięćdziesiątych naukowcom z Laboratoriów Bell’a udało się to zrobić za pomocą tzw. złącza p-n, które tworzy granicę między półprzewodnikiem naładowanym dodatnio i ujemnie. Półprzewodniki typu p mają luki elektronowe zwane „dziurami” (które przyciągają elektrony), podczas gdy półprzewodniki typu n mają dodatkowe elektrony. Na styku obu jest potencjał elektryczny.

Ogniwo fotowoltaiczne można zbudować również z tzw. złącza Schottky’ego, które łączy półprzewodnik z metalem. W tym przypadku metal działa jako półprzewodnik typu n. Philip Pesavento:

„Moja hipoteza jest taka, że George Cove natknął się na kontaktowe ogniwo fotowoltaiczne Schottky’ego dziesiątki lat przed tym, jak zostało opisane przez Waltera Schottky’ego. ²¹ Istnieje możliwość odpowiedzi fotowoltaicznych (głównie) i termoelektrycznych wychodzących z tych urządzeń. Złącze było wykonane ze stopu cynku i antymonu – o którym teraz wiemy, że jest półprzewodnikiem. Było on z jednej strony zamknięte przez [tzw.] nowe srebro (stop miedzi, niklu i cynku, przyp. tłum.) i miedź na przeciwległym końcu. W ten sposób powstał odpowiedni kontakt omowy i kontakt Schottky’ego. To jest właśnie urządzenie fotowoltaiczne.”

Przypadkowe odkrycie

Według Philipa Pesavento George Cove prawdopodobnie zaczął od nowego srebra jako materiału ujemnego na obu końcach wtyków i stopu antymonowo-cynkowego (ZnSb) jako materiału dodatniego. Były to wówczas najlepsze dostępne materiały termoelektryczne:

„Prawdopodobnie skończyło mu się nowe srebro i podstawiona miedź na dokończenie wiązki wtyków, ponieważ różnica w napięciu termoelektrycznym między miedzią a nowym srebrem była niewielka. Następnie, podczas testów, Cove zauważył, że te wtyki (z nasadką z nowego srebra na jednym końcu i miedzianą nasadką na drugim końcu) dają znacznie większe napięcie: 100s mV w porównaniu ze zwykłymi 10s mV dla generatora termoelektrycznego.”

Co z tego wyszło? Używając miedzi Cove nieświadomie zbudował złącze Schottky’ego. To zmieniło jego generator termoelektryczny w „generator termofotowoltaiczny”. Takie urządzenie działa tak samo jak ogniwo fotowoltaiczne, ale na innych długościach fali elektromagnetycznej. Widmo słoneczne obejmuje zakres od około 0,5 do 2,9 elektronowoltów (eV), od podczerwieni do ultrafioletu. Półprzewodnik z pasmem wzbronionym między 1,0 a 1,7 eV wydajnie przekształca światło widzialne w energię elektryczną (generator fotowoltaiczny), podczas gdy półprzewodnik z przerwą energetyczną między 0,4 a 0,7 eV sprawnie przekształca krótkofalową energię słoneczną podczerwoną w energię elektryczną (generator termofotowoltaiczny).

Powyżej: Rysunek z patentu [George Cove’ z 1906 roku](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) przedstawia stop cunku-antymonu “b”; nasadkę (omową) z nowego srebra”; i nasadkę zamykającą z miedzi lub cyny (Schottky) “f”. Wszystkie elementy są łączone na wcisk, ponieważ połączenia lutowane zmniejszyłyby wydajność.

Dzisiaj wiemy, że stop ZnSb (materiał ujemny we wtykach Cove’a) jest półprzewodnikiem o paśmie wzbronionym 0,5 eV. To w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego wynalazca początkowo zaobserwował, że jego generator solarny przetwarza zarówno ciepło, jak i światło na energię elektryczną. Generator termofotowoltaiczny dopasowuje się nie tylko do podczerwonego ogona widma słonecznego – dopasowuje się również do bezpośredniego widma płonącego płomienia lub gorącej do czerwoności powierzchni ogrzewanej spalaniem drewna czy gazu ziemnego. Przekształca także (z bardzo niską wydajnoscią) w energię elektryczną dolną część widma widzialnego.

Według Philipa Pesavento Georgowi Cove udało się następnie udoskonalić skład stopu zbliżony do Zn4Sb3 – stopu cynkowo-antymonowego o proporcjach 4 części cynku do 3 części antymonu. Dzisiaj wiadomo, że ten stop to również półprzewodnik. Ma jednak pasmo wzbronione 1,1 eV – bardzo zbliżone do pasma krzemu (1,2 eV). W konsekwencji tej zmiany, jego generator termofotowoltaiczny przekształcił się w generator fotowoltaiczny:

„Niesiony na fali entuzjazmu Cove wpadł na to, że użyje większej liczby wtyków i jakoś wyszły mu „złe” proporcje na jednej partii. Potem kiedy zmierzył napięcie,pomiar był jeszcze wyższy. Na końcu, skrupulatnie zbadał stopy cynku i antymonu i odkrył, że stop w proporcjach 40-42% cynku daje najwyższe napięcie (w porównaniu do udziału 35% cynku w ZnSb). Po (przypadkowym) odkryciu, że wyższe pasmo wzbronione półprzewodnika Zn4Sb3 oznacza, że nie działa on już wystawiony na ciepło z pieca [zaobserwował, że] działa nawet lepiej wystawiony na promieniowanie słoneczne – ponieważ teraz przekształca o wiele więcej pasma widzialnego światła słonecznego na elektryczność.”

Używając barwionych szklanych filtrów George Cove ustalił, że większość odpowiedzi układu pochodziła z fioletowego końca widma światła, a tylko niewielka z tak zwanych „promieni cieplnych”. Jego wcześniejsze wtyki PV reagowały równie dobrze na promienie „cieplne” i fioletowe, podczas gdy starsze generatory termoelektryczne (nowe srebro na obu końcach) w ogóle nie reagowały na promienie fioletowe.

Powrót ogniwa solarnego Schottky’ego?

Ogniwa słoneczne ze złączem Schottky’ego nie zdobyły wiele uwagi wśród naukowców i korporacji – niewiele projektów ogniw słonecznych wykorzystuje metale w obszarze aktywnym (oprócz styków). ²² Niemniej jednak Philip Pesavento uważa, że warto byłoby spróbować wyprodukować niektóre ogniwa słoneczne Schottky’ego według projektu George Cove’a:

„Gdyby można było wykazać, że Zn4Sb3 (przerwa energetyczna 1,2 eV) może być wykorzystany w ogniwie fotowoltaicznym, to istnieje duża szansa, że taki projekt ogniwa słonecznego będzie zrównoważony (w sensie oddziaływania na środowisko, przyp. tłum). Byłby dobrym kandydatem do szybkiego EROI (to oznacza, że energie włożona w jego wyprodukowanie szybko by się zwróciła, przyp. tłum.) i miałby akceptowalnie długi okres eksploatacji z nadwyżką produkcji energii przez kilkadziesiąt lat. To zdumiewające, ale wydaje się, że wszyscy przeoczyli ten materiał i jego przydatność w ogniwach fotowoltaicznych, i że nie dokonano żadnego postępu [w jego użyciu] – nawet po tym, jak chwilowo badacze uznali go za możliwą początkową opcję [materiału] do połowy lat 80. XX wieku. Wpisuje się on w kategorię „przedwczesnego odkrycia”, co powinno znaczyć, że w dzisiejszych czasach może się bardzo szybko rozwinąć”.

Oprócz fotowoltaiki Philip Pesavento dostrzega potencjał wykorzystania termofotowoltaiki dla pieców na drewno, kolektorów słonecznych lub zastosowań tandemowych z dwoma złączami, wykorzystując ZnSb zamiast Zn4Sb3. Co więcej, uważa on, że jeśli ogniwa słoneczne typu plug-in okażą się skuteczne to pozwolą na budowę kolektorów słonecznych z połączonych koncentratorami liniowymi – takimi jak rynny paraboliczne lub nie-obrazujące koncentratory CPC – przy znacznie obniżonych kosztach.

Proste wytwarzanie

Podstawową zaletą wynalazku Cove’a byłaby prostsza metoda produkcji w porównaniu do popularnych ogniw krzemowych. W latach 70. i 80. naukowcy badali Zn4Sb3 pod kątem zastosowania w fotowoltaice i doszli do wniosku, że „oczywistymi zaletami tego materiału są prostota i stosunkowo niska temperatura potrzebna w procesie wytwarzania.” ²³ Temperatura topnienia Zn4Sb3 wynosi 570 stopni Celsjusza, a krzemu 1400 stopni.

W latach 70. naukowcy badali ogniwa słoneczne ze złączem metal-półprzewodnik oparte na innych typach półprzewodników niż Zn4Sb3. Chcieli opracować prostszy i tańszy proces produkcji w porównaniu z ówczesnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi ze złączem p-n. ²⁴ ²⁵ Ogniwa Schottky’ego nie wymagają wysokotemperaturowego etapu dyfuzji fosforu, który zwykle tworzy warstwę n złącza p-n w dzisiejszym ogniwie krzemowym - samo to zmniejsza wkład energii w proces o 35%. ²²

W latach 80. naukowcy poczynili znaczne postępy w rozwoju krzemowych złącz p-n i to doprowadziło do spadku zainteresowania alternatywami. Jednak w ostatnich latach zainteresowanie powraca. Na przykład, badania nad grafenowo-krzemowymi ogniwami słonecznymi Schottky’ego pokazują, że „jedną z zalet jest prosta i tania produkcja urządzeń, które nie wymagają wysokich temperatur”. ²⁶ W innych, niedawno przeprowadzonych badaniach, naukowcy dochodzą do wniosku, że „urządzenia selenowe typu Schottky’ego są… niezwykle proste i tanie w produkcji.” ²⁷ ²⁸ ²⁹ ³⁰

Łatwiejszy recykling

Kolejną zaletą ogniw słonecznych Schottky’ego może być ich łatwiejszy recykling. Moduły krzemowe są umieszczane pomiędzy dwoma warstwami laminatu (zazwyczaj EVA, czyli kopolimeru etylenu/octanu winylu). Warstwy te są niezbędne do zapewnienia żywotności modułu. ¹ ² ³ Aby poddać recyklingowi krzem – najcenniejszy składnik panelu słonecznego – warstwy laminatu muszą zostać oddzielone, ale nie można ich po prostu wypalić, bo to zniszczy moduły. Ogniwa krzemowe można poddawać recyklingowi tylko poprzez skomplikowane etapy obróbki termicznej, chemicznej i metalurgicznej. To kosztowny i nieobojętny dla środowiska proces. Chociaż można się spotkać z doniesieniami, że około 10% paneli fotowoltaicznych jest „poddawanych recyklingowi”, to bardziej prawdopodobne jest, że przechodzą tzw. „downcycling”. Moduły są po prostu rozdrabniane na kawałki, a powstały materiał stanowi wypełniacz w asfalcie i cemencie.

Ogniwa zbudowane przez George’a Cove dałoby się całkowicie przetworzyć. Nie wymagały warstwy ochronnej laminatu, ani nawet lutowanych styków. Philip Pesavento:

„Gdybyś miał zbudować ogniwa dokładnie tak, jak zrobił to Cove, [tj.] na wcisk montując nasadki, a następnie owijając je drutem dla szczelności, to byłyby prostsze do recyklingu, który stałby się w pełni mechaniczną czynnością. Nie potrzeba by było żadnych chemikaliów. Złożenie i rozłożenie byłoby pracochłonne, ale można by to zautomatyzować”.

Pesavento wierzy, że z materiału Cove’a można zbudować także płaskie ogniwa słoneczne, jednakże to, czy wymagałyby one warstwy ochronnej utrudniającej recykling, musi się dopiero okazać. W latach 70. ogniwa solarne Schottky’ego (oparte na innych materiałach) nie zawsze wymagały warstwy ochronnej, a osiągały żywotność dłuższą niż 20 lat. ²⁴

Sprawność

Jeśli moglibyśmy budować prostsze panele słoneczne, to jaką sprawność by one osiągały? Zdaniem Philipa Pesavento ogniwa Schottky’ego zrobione z tych samych materiałów są trochę mniej sprawne od złączy p-n, ponieważ złącza p-n dają wyższe napięcie – otrzymują więcej energii z zaabsorbowanych fotonów:

„Kiedy liczy się każdy ułamek procenta sprawności - robisz to [i używasz złączy P-N]. Jeśli twoim celem jest uproszczenie wytwarzania, posługując się ręcznymi lub rzemieślniczymi metodami, to dioda Schottky’ego będzie bardziej logicznym wyborem”.

Z drugiej strony, może da się zbudować ogniwo Schottky’ego cieńsze niż ogniwo krzemowe? To podniosłoby ich sprawność? Philip Pesavento:

„Nie znalazłem szczegółowych parametrów [m.in] prędkości nośnika, żywotności rekombinacji czy współczynnika absorpcji, żeby jasno to powiedzieć. Ale fakt, że Cove zrobił tak długie i cienkie ogniwa, oraz to że osiągnął tak wysoką wydajność, daje nadzieję, że mogłyby być cieńsze”.

Ostatnie badania nad ogniwami Schottky’ego oparte na innych materiałach wydają się to potwierdzać. Na przykład, w niedawnych eksperymentach z selenowymi ogniwami Schottky’ego osiągnięto grubość warstwy zaledwie 100 µm w porównaniu do 200-500 µm w przypadku ogniw krzemowych. ²⁷ ³¹ Naukowcy osiągnęli również 17% sprawności podczas eksperymentu dla grafenowo-krzemowego ogniwa Schottky’ego w porównaniu z 1,5% jeszcze dziesięć lat wcześniej. ²⁶

Powinniśmy dzisiejszą obsesję na punkcie wyższych wydajności wziąć w znak zapytania. Wiele osób będzie argumentować, że low-techowe panele słoneczne są mniej wydajne, więc będziemy potrzebować więcej paneli słonecznych, aby wytworzyć taką samą moc wyjściową. W efekcie zasoby zaoszczędzone dzięki prostszym metodom produkcji zostaną zniwelowane dodatkowymi zasobami zużytymi do budowy większej liczby paneli słonecznych. Jednak wydajność ma kluczowe znaczenie tylko wtedy, gdy przyjmujemy wysokie zapotrzebowanie na energię za pewnik. Spadek wydajności można równie dobrze zrekompensować zmniejszeniem zapotrzebowania na energię, zwłaszcza gdy doprowadzi to do większej trwałości ogniw i mniejszego zużycia surowców w całym łańcuchu dostaw. Podobnie jak w przypadku turbin wiatrowych, poświęcenie części wydajności może przynieść wiele korzyści w zakresie stopnia zrównoważenia.

Co się stało z George’m Cove?

Skoro panele solarne Cove były tak rewolucyjne, to dlaczego zostały zapomniane? Pod tym względem materiały zebrane przed Phillipa Pesavento czyta się jak kryminał. Wysiłki Cove’a nad produkcję i sprzedażą swoich paneli zakończyły się w tajemniczych okolicznościach.

Wynalazca zawarł znajomość z giełdowym spekulantem Elmerem Burlingame, który w 1909 i 1910 roku wypuścił na giełdzie akcje nie należące do niego, w tym akcje start-upu Cove’a tj. Sun Electric Generator Company. W Październiku 1909 roku Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego wynalazku. Policja jednak odrzuciła tę historię i uznała ją za przekręt. W 1911 roku Cove i Burlingame zostali aresztowani za defraudację akcji i spędzili rok w więzieniu. Chociaż po wyjściu na wolność Cove pracował nad różnymi wynalazkami, to jednak żaden z nich nie miał już nic wspólnego z energią solarną. ³²

W Październiku 1909 roku George Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego solarnego wynalazku.

Czy George Cove był oszustem? A może był ofiarą oszustwa? Czy jego reputacja została zniszczona ponieważ jego wynalazki zagrażały interesom innych firm? Istnieje wiele historycznych przykładów tłumienia innowacji technologicznych przez wielkie amerykańskie korporacje. George Cove działał w tym samym czasie co Edison Electric Illuminating Company z Nowego Jorku, której pozbawione skrupułów praktyki wobec konkurencji są dobrze udokumentowane. Gdyby generator energii słonecznej Cove’a się upowszechnił, mógłby zmniejszyć rosnące zapotrzebowanie na elektrownie węglowe i olejowe Edison Company. ³² Wcześniej, w latach 80. XIX wieku, niesławna korporacja z Nowego Jorku kupiła firmę produkującą najlepszy w tamtych czasach generator termoelektryczny (ulepszony stos termoelektryczny Clamondsa) i następnie zatrzymała rozwój maszyny. ³³

Więcej zagadek

Chociaż można się pokusić o przedstawienie George Cove jako ofiary spisku, to brakuje nam wystarczających dowodów. Materiały archiwalne Phillipa Pesavento zawierają więcej tajemnic, jak np. patent Cove’a złożony w 1905 roku i zatwierdzony w 1906 r. W patencie wynalazca opisuje w szczegółach wykonanie swoich wtyków ze stopu Zn4Sb3. Na tej podstawie Pesavento oszacował moc wyjściową i sprawność modułówi słonecznych Cove’a. Jednak Cove opisuje swoje wtyki z przeznaczeniem do konwersji ciepła z pieca opalanego drewnem na energię elektryczną, co nie jest zgodne z jego własnym wyborem materiału. Aby generator zasilany piecem działał, wymagał wtyczek ZnSb z przerwą energetyczną 0,5 eV. Phillip Pesavento:

„Czy to było celowe wprowadzenie w błąd ze strony Cove’a, aby nie dopuścić innych do skopiowania projektu jego patentowego pieca? Nie wiem tego”.

Co jeszcze bardziej zaskakujące, zdjęcie przedstawiające Cove stojącego obok jednego ze swoich paneli słonecznych pojawia się w historycznym przeglądzie energii słonecznej Johna Perlina z 2013 r.: Let It Shine: The 6000-Year Story of Solar Energy (Niech świeci: 6000 tysięcy lat historii energii słonecznej). Jednak panel słoneczny na zdjęciu przypisywany jest Charlesowi Frittsowi, wynalazcy selenowego ogniwa słonecznego. Co więcej, sam George Cove zniknął z fotografii. Fragmenty książki oraz zdjęcie pojawiły się na kilku stronach internetowych. Philip Pesavento nie był zdziwiony, gdy zadzwoniłem po tym odkryciu:

„Odkryłem to samo kilka lat temu. Myślę, że ktoś bardzo potrzebował zdjęcia paneli słonecznych Frittsa, znalazł to zdjęcie, a następnie wyciął z niego George’a Cove’a. W końcu Cove jest całkowicie nieznany i uważa się, że wynalazł solarny generator termoelektryczny, a nie panel fotowoltaiczny. Jeśli przyjrzysz się uważnie tym dwóm fotografiom, zobaczysz, że góra prawego portyku kolumny za nim została wycięta i wklejona w miejscu, w którym stał Cove […].”

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎ ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩︎
Ekstrapolując parametry kolejnego panelu możemy zgadywać, że ten miał moc wyjściową ok. 25 W i sprawność trochę poniżej 3%. ↩︎
George Cove mówił, że zbudował jeszcze większy zestaw solarny o powierzchni 9 m², a nie żadne zdjęcie nie przetrwało. Podobno miał moc wyjściową 768 W i sprawność 8% przy 100 W/ft2 nasłonecznienia. Ten zestaw składał się z 8 paneli i łącznie 14 432 wtyków. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Dlaczego w panelach solarnych nie używa się przewodników? Ponieważ światło padające na przewodnik jest prawie w całości odbijane i tylko ułamek energii (albo nic) jest pochłaniany. Co więcej, w przewodnikach elektrony poruszają się chaotycznie, więc nie może być mowy o ukierunkowanym przepływie prądu. ↩︎
Cove nie był pierwszy. Ogniwo solarne Charles’a Frtiis’a również było zbudowane na złączu Schottky’ego. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selen można osadzać przez odparowanie termiczne w temperaturze zaledwie 200°C. Temperatura ta jest łatwo osiągalna dla technologii solarnych, co oznacza, że w zasadzie procesy te mogą być prowadzone przez bezpośrednie wykorzystanie energia słonecznej. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎

Piece Termoelektryczne: Fotowoltaika do Lamusa?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Ilustracja: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Jeśli popatrzymy na stary, dobry wiatrak (mający już z grubsza 2 tysiące lat) jak na przodka współczesnej turbiny wiatrowej.

Fotosynteza była fundamentem wszystkich historycznych źródeł energii mechanicznej: dzięki niej ludzie i zwierzęta otrzymywali paliwo w postaci pożywienia i drewna do budowy młynów i wiatraków. Chociaż ani staroświecki wiatrak, ani piec na drewno, nie wytwarzają elektryczności to oba można w łatwy sposób do tego przystosować. Wystarczy do wiatraka podpiąć generator prądu, a do pieca generator termoelektryczny.

Generator Termoelektryczny

Generatory termoelektryczne są bardzo zbliżone do generatorów „fotoelektrycznych” - dzisiaj nazywanych „fotowoltaicznymi” (albo ogniwami fotowoltaicznymi). Generator fotowoltaiczny bezpośrednio zmienia światło słoneczne w elektryczność, a generator termoelektryczny bezpośrednio zmienia ciepło w elektryczność. ¹

Generator termoelektryczny składa się z elementów półprzewodnikowych w kształcie sztabek, które są połączone szeregowo z paskami metalu. Z góry i z dołu, sztabki są izolowane ceramicznymi płytkami przewodzącymi ciepło (ale nie prąd elektryczny). Taki zestaw tworzy kompaktowy moduł o budowie „kanapki”. ² Gotowe moduły są dostępne w sprzedaży przez takich producentów jak Hi-Z, Tellurex, Thermalforce i Thermomanic.

Zdjęcie: Moduł termoelektryczny. Gerardtv (CCBY-SA3.0)

Moduł termoelektryczny. Zdjęcie wykorzystane za pozwoleniem Applied Thermoelectric Solutions LLC, [Jak Działa Generator Termoelektryczny](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Przyklej moduł termoelektryczny do powierzchni pieca na drewno, a będzie on wytwarzał energię elektryczną za każdym razem gdy piec będzie rozpalany do gotowania, ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania wody. W eksperymentach i prototypach, które są opisane bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu, uzyskano moc wyjściową na moduł od 3 do 19 watów.

Podobnie jak w przypadku paneli słonecznych, moduły termoelektryczne można łączyć ze sobą równolegle i szeregowo, aby uzyskać dowolne napięcie i moc wyjściową - przynajmniej tak długo na ile starczy nam powierzchni pieca. Tak, jak w ogniwie fotowoltaicznym, prąd elektryczny wytwarzany przez moduł/y termoelektryczny jest regulowany przez regulator ładowania i gromadzony w baterii, dzięki czemu nadwyżka energii jest dostępna również wtedy gdy piec nie jest używany. Piec termoelektryczny jest zwykle łączony z urządzeniami niskonapięciowymi na prąd stały, co pozwala uniknąć strat na konwersji wynikających z zastosowania falownika.

Piece termoelektryczne mogą znaleźć zastosowanie w wielu częściach świata. Większość badań nad ich wykorzystaniem celuje w „Globalne Południe”, gdzie prawie 3 miliardy ludzi (40% światowej populacji) jest zależnych od spalania biomasy do grzania wody i gotowania. Niektóre z tych gospodarstw domowych, używają pieców lub palenisk również do oświetlania (1,3 miliarda ludzi nie ma dostępu do elektryczności) oraz do ogrzewania pomieszczeń. Istnieją również badania nad wykorzystaniem pieców termoelektrycznych w społeczeństwach przemysłowych gdzie piece i kominki na biomasą, szczególnie poza miastami, zyskują na popularności.

Sprawność 100%

Od czasu kiedy efekt termoelektryczny został po raz pierwszy opisany przez Thomasa Seebecka w 1821 roku, generatory termoelektryczne cieszą się złą sławą ze względu na słabą sprawność konwersji ciepła na elektryczność. ³⁴⁵⁶ Dzisiejsze moduły termoelektryczne osiągają sprawność rzędu 5-6%, mniej więcej trzy razy niższą niż przeciętny panel fotowoltaiczny. ⁴

Jednak w połączeniu z piecem na biomasę, sprawność konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego przestaje być tak istotna. Jeśli moduł osiąga jedynie 5% sprawności, zamieniając energię termalną na elektryczną, to pozostałe 95% energii pozostaje do wykorzystania w postaci ciepła. Jeśli piec jest używany do ogrzewania pomieszczeń to nie można mówić o stratach energii, ponieważ 95% ciepła wykonuje zamierzoną pracę. Całkowita sprawność systemu (ciepło + elektryczność) zbliża się do 100% - energia się nie marnuje. Odpowiednio zaprojektowany piec może ponownie wykorzystać ciepło konwersji elektrycznej do gotowania czy grzania wody.

Bardziej Niezawodny Niż Panel Fotowoltaiczny

Moduły termoelektryczne dzielą wiele zalet z panelami fotowoltaicznymi: są modułowe, wymagają niewiele uwagi, nie mają ruchomych części, pracują bezgłośnie i ich żywotność jest długa. ⁷ Jednak moduły termoelektryczne, jeśli w domu regularnie używa się nieelektrycznego źródła ciepła, oferują coś więcej niż panel solarny.

Chociaż moduły termoelektryczne są prawie trzy razy mniej sprawne od fotowoltaiki, to piece termoelektryczne dostarczają elektryczności w bardziej przewidywalny sposób, ponieważ ich działanie nie jest uzależnione od kaprysów pogody, pory roku czy od obecności słońca na niebie. Używając żargonu inżynierów powiedzielibyśmy; że piece termoelektryczne mają wyższy „współczynnik wykorzystania mocy netto”.

Nawet, jeśli piec używany byłby jedynie do gotowania i grzania wody, to codzienne domowe prace gwarantują przewidywalną produkcję elektryczności bez względu na klimat. Co więcej, produkcja elektryczności przez piece termoelektryczne bardzo dobrze dopasowuje się do zapotrzebowania na prąd gospodarstwa domowego: w tym samym czasie kiedy używa się pieca, z reguły pojawia się potrzeba użycia elektryczności. Niestety, fotowoltaika generuje bardzo niewiele, albo wcale, energii elektrycznej wtedy kiedy potrzeba jej w domu.

Zdjęcie: Radziecki generator termoelektryczny oparty na lampie naftowej zasilający radio. 1959 rok. [Źródło: Muzeum Retrotechnologii](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Pamiętajmy, że ta przewaga znika kiedy generator termoelektryczny jest bezpośrednio zasilany energią słoneczną. Solarne generatory termoelektryczne (z ang. „STEGS”), w których moduł termoelektryczny nagrzewany jest skoncentrowaną wiązką promieni słonecznych, nie zrekompensuje niskiej sprawności modułu swoją wyższą przewidywalnością produkcji energii, ponieważ jest, tak samo jak fotowoltaika, skazany na zmienną pogodę. ⁸⁹¹⁰

Mniejsza Potrzeba Magazynowania Energii

Dzięki większej przewidywalności nie ma potrzeby zbytniej rozbudowy mocy wytwórczej i systemów magazynowania energii, żeby zrekompensować niższą produkcję prądu na jesieni i zimą (oraz w pochmurne dni), tak jak wymaga tego fotowoltaika. Baterie muszę mieć tylko tyle pojemności, aby energii starczyło pomiędzy jednym rozpaleniem pieca, a kolejnym i nie ma potrzeby montować dodatkowych modułów, żeby zrekompensować okresy niskiej produkcji.

Generatory termoelektryczne można łączyć z panelami fotowoltaicznymi, dzięki czemu stworzymy pewny, poza-sieciowy system korzystający jedynie ze skromnych magazynów energii. Taki hybrydowy system dobrze współpracuje z piecem służącym tylko do ogrzewania pomieszczeń. Moduły termoelektryczne dostarczają większości energii zimą, a fotowoltaika latem.

Tańsze w Instalacji, Łatwiejsze w Recyklingu

Drugą przewagą termoelektryki nad fotowoltaiką jest jej łatwiejszy montaż. Nie ma potrzeby budowania konstrukcji na dachu i połączenia elektrycznego ze światem zewnętrznym, ponieważ cała elektrownia znajduje się wewnątrz domu. Zapobiega to również kradzieży instalacji co, w przypadku fotowoltaiki, jest poważnym problemem w niektórych regionach świata.

Wszystkie te czynniki sprawiają, że piec termoelektryczny jest tańszy i bardziej zrównoważony w porównaniu do paneli fotowoltaicznych. Zaoszczędzimy sporo energii, surowców i pieniędzy, które trzeba by zużyć na wyprodukowanie baterii, modułów i infrastruktury towarzyszącej fotowoltaice.

Kolejną przewagą modułów termoelektrycznych jest ich wyższy stopień zrównoważania, ponieważ łatwiej od paneli słonecznych poddają się recyklingowi. Chociaż krzem w ogniwach fotowoltaicznych doskonale nadaje się do ponownego przetworzeniu to problemem jest to, że ogniwa otoczone są warstwą plastiku (przeważnie laminatem „EVA”, czyli etylenem/polimerem winylowym), który jest kluczowy dla długotrwałej sprawności modułu. ¹¹ Zdjęcie warstwy polimerowej bez uszkadzanie ogniw krzemowych jest technicznie możliwe, ale jest to proces tak bardzo złożony, że recykling fotowoltaiki staje się nieatrakcyjny zarówno ze względów finansowych jak i energetycznych. ¹²¹³ Moduły termoelektryczne nie posiadają żadnych elementów plastikowych. ¹⁴¹⁵¹⁶

Chłodzenie Modułów

Sprawność elektryczna generatora termoelektrycznego nie zależy jedynie od samego modułu. W dużej mierze jest związana z różnicą temperatur pomiędzy gorącą, a chłodną stroną modułu. Kiedy różnica temperatur spadnie o połowę to moduł termoelektryczny będzie generował tylko jedną czwartą mocy. W związku z tym, poprawa zarządzania ciepłem generatora termoelektrycznego jest głównym celem projektowania pieców termoelektrycznych, ponieważ umożliwia wytwarzanie większej mocy przy użyciu mniejszej liczby modułów.

Po pierwsze, polega to na zlokalizowaniu najgorętszych miejsc na piecu i zamocowaniu tam modułów - pod warunkiem, że są w stanie przyjąć tyle ciepła. Większość pieców ma temperaturę powierzchni od 100 do 300ºC, natomiast gorąca strona modułów z tellurku bizmutu (najbardziej przystępnych cenowo i wydajnych) wytrzymuje ciągłe temperatury od 150 do 350ºC, w zależności od modelu.

Po drugie, zarządzanie ciepłem sprowadza się do maksymalnego obniżenia temperatury strony chłodnej, co można osiągnąć na cztery sposoby: konwekcją wymuszoną chłodzoną powietrzem i wodą z wykorzystaniem wentylatorów i pomp elektrycznych albo chłodzoną powietrzem lub wodą konwekcją naturalną, która polega na zastosowaniu pasywnych radiatorów nie powodujących pasożytniczego obciążenia systemu.

Wymuszone chłodzenie ma zwykle wyższą wydajność, nawet jeśli weźmie się pod uwagę dodatkowe użycie wentylatora lub pompy. Z drugiej strony, systemy pasywne są tańsze, działają cicho i są bardziej niezawodne niż systemy aktywne. W szczególności awaria wentylatora może być problematyczna, ponieważ przegrzanie może doprowadzić do awarii modułu. ¹⁷

Piece Termoelektryczne Z Radiatorami

Pierwsze piece termoelektryczne na biomasę zostały zbudowane na początku XXI wieku, chociaż Sowieci byli pionierami podobnej koncepcji w latach pięćdziesiątych XX wieku, wykorzystując lampy naftowe do zasilania elektrycznych odbiorników radiowych. ⁶ W 2004 roku zespół libańskich naukowców doposażył typowy żeliwny piec opalany drewnem, powszechnie używany na terenach wiejskich, w wykonany przez zespół, pojedynczy moduł termoelektryczny o wymiarach 56 na 56 mm. ¹⁸

Zdjęcie: Żeliwny piec użyty do testów. [^18]

Naukowcy przykręcili gładką aluminiową płytę o grubości 1 cm do najgorętszego miejsca na powierzchni pieca, następnie do niej zamocowali moduł termoelektryczny, a do zimnej strony modułu dołożyli duży (180 na 136 na 125 mm) aluminiowy radiator żebrowany. Przy szybkości spalania wynoszącej 2,5 kg drewna sosnowego na godzinę, uzyskali średnią moc wyjściową równą 4,2 wata. Dziesięć godzin pracy pieca dziennie (z wyłączeniem fazy rozgrzewania) dostarcza zatem wiejskiemu libańskiemu gospodarstwu domowemu 42 watogodzin energii elektrycznej. Wystarczająco dużo na pokrycie podstawowych potrzeb.

Zdjęcie: Szczegóły budowy pieca termoelektryczny i jego umiejscowienia. [^18]

Zawsze można dodać więcej modułów i radiatorów w celu zwiększenia mocy wyjściowej, ale oczywiście powierzchnia pieca jest ograniczona, a wraz z dodawaniem modułów będą one umieszczane w obszarach o niższej temperaturze co pogorszy ich wydajność. Innym sposobem na zwiększenie produkcji energii jest zastosowanie jeszcze większego radiatora i / lub droższego radiatora wykonanego z materiałów o wyższej przewodności cieplnej.

Piece Termoelektryczne z Wentylatorami

Większość dotychczas zbudowanych pieców termoelektrycznych do chłodzenie modułu wykorzystuje wentylatory elektryczne w połączeniu ze znacznie mniejszym radiatorem. Chociaż wentylator może się zepsuć, i jest pasożytniczym obciążeniem systemu, to jednocześnie pozwala zwiększyć wydajność pieca poprzez wdmuchiwanie gorącego powietrza do komory spalania - zmniejszając tym sposobem zużycie drewna opałowego i zanieczyszczenie powietrza, mniej więcej o połowę. Ponadto, piece z wentylatorem nie potrzebują komina i zamiast niego wystarczy im pozioma rura dymowa. ¹⁹ Dzięki takim rozwiązaniom, piece z własnym zasilaniem, chłodzone wentylatorem umożliwiają zmniejszenie zużycia drewna opałowego i zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach na wiejskich obszarach Globalnego Południa, gdzie ludzie nie mają łatwego dostępu do elektryczności, ani środków na zbudowanie standardowego komina.

Podczas testów jednomodułowa, termoelektryczna kuchenka z wymuszonym nadmuchem osiągnęła moc wyjściową 4,5 W, z czego 1 W był potrzebny do zasilenia wentylatora. ²⁰ Produkcja energii netto (3,5 W) była niższa w porównaniu z piecem z samym radiatorem (4,2 W), jednak piec chłodzony wentylatorem zużył o połowę mniej drewna opałowego: wytwarzał 3,5 W energii elektrycznej netto przy szybkości spalania 1 kg drewna na godzinę, podczas gdy piec pasywnie chłodzony potrzebował 2,5 kg drewna do wyprodukowania 4,2 wata.

Zdjęcie: Kuchenka z wymuszonym ciągiem powietrza i modułami termoelektrycznymi. [^20]

W przeprowadzonym w Malawi, 80-dniowym teście podobnej konstrukcji przenośnej, terenowej kuchenki termoelektrycznej wykazano, że technologia ta była wysoko ceniona przez użytkowników, ponieważ piece wytwarzały więcej energii elektrycznej niż było to potrzebne. W całym okresie testów produkcja energii wynosiła od 250 do 700 Wh energii elektrycznej, a zużycie energii elektrycznej od 100 do 250 Wh. ²¹

Niektóre, dostępne w handlu termoelektryczne kuchenki do gotowania chłodzone wentylatorem, często są projektowane z myślą o turystach. Przykładami są produkty firm BioLite, Termomanic i Termefor, które podają moc wyjściową od 3 do 10 W, w zależności od konstrukcji kuchenki i liczby modułów termoelektrycznych. ¹⁷

Piece Termoelektryczne ze Zbiornikami Na Wodę

Najbardziej wydajne piece termoelektryczne to takie, w których zimna strona modułu (modułów) jest chłodzona przez bezpośredni kontakt ze zbiornikiem wody. Woda ma niższy opór cieplny niż powietrze, dzięki czemu skuteczniej chłodzi. Co więcej, jej temperatura nie przekroczyć 100ºC co zmniejsza prawdopodobieństwo awarii modułu z powodu przegrzania.

Obraz: Zasada działania pieca termoelektrycznego z pasywnym chłodzeniem wodnym. [^17]

Ciepło odpadowe, powstające podczas konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego chłodzonego wodą, nie służy do ogrzewania pomieszczeń, ale do ogrzewania wody użytkowej. Piece termoelektryczne chłodzone wodą mogą być aktywne (wyposażone w pompy) lub pasywne (bez ruchomych części). ¹⁷

Większość pieców termoelektrycznych z pasywnym chłodzeniem wodnym ma małe rozmiary i służy jedynie do podgrzewania stosunkowo niewielkich ilości wody. Z reguły, nie jest to klasyczny piec, a najczęściej garnek wyposażony w moduły termoelektryczne. Na przykład PowerPot, to dostępny w sprzedaży, turystyczny garnek do gotowania wyposażony w moduł termoelektryczny przymocowany do podstawy. Można go postawić bezpośrednio na kuchence, a wygeneruje 5-10 W mocy.

Obraz: Wielozadaniowy piec na drewno z pasywnym chłodzeniem wodą. [^22]

Znacznie większy i bardziej wszechstronny piec termoelektryczny z pasywnym chłodzeniem wodnym został zaprojektowany przez francuskich naukowców na podstawie dużego, wielofunkcyjnego pieca na drewno z Maroka. ¹⁹²²²³²⁴²⁵ Zainstalowali oni osiem modułów termoelektrycznych na dnie 30-litrowego zbiornika wody, który służył nie tylko jako radiator dla zimnej strony generatora, ale także jako źródło ciepłej wody użytkowej dla gospodarstwa domowego. Ponadto, piec wyposażono w wentylator elektryczny z własnym zasilaniem i podwójną komorę spalania podnoszącą efektywność spalania drewna.

Prototypowy piec wygenerował w teście 28 watów mocy przy użyciu dwóch modułów, spalając 1,5 kg drewna do gotowania i / lub ogrzewania. Wentylator zużywał 15 W, co oznaczało, że do pozostałych zastosowań zostało 13 W mocy. Praca pieca dostarczała 60 litrów ciepłej wody na godzinę. W zależności od tego, ile czasu zajmowało gotowanie na piecu (dwa razy dziennie), w akumulatorach zgromadzono w ciągu doby od 35 do 55 Wh energii elektrycznej. Zwróćmy uwagę na to, że badacze uwzględnili w obliczeniach straty wynikające z pracy regulatora ładowania, akumulatora 6 V i wentylatora.

Piece Termoelektryczne z Pompami

Pasywne chłodzenie wodne ma istotną wadę. Wraz ze wzrostem temperatury wody w zbiorniku różnica między zimną, a gorącą stroną modułu zmniejsza się, przez co spada sprawność pieca. Musi minąć odpowiednio dużo czasu, pomiędzy kolejnymi rozpaleniami pieca, aby woda w zbiorniku dostatecznie ostygła. Można również regularnie wymieniać ciepłą wodę (i używać ją do prac domowych) na zimną, a żeby się ciągle nie męczyć i ręcznie nie wymieniać wody, wystarczy zamontować pompę, która zrobi to za nas.

Zdjęcie: Prototyp pieca termoelektrycznego z modułami chłodzonymi wodą. [^26]

Przyjrzyjmy się teraz prototypowi pieca z 2015 roku. W tej konstrukcji pieca opalanego drewnem, służącego do gotowania i ogrzewania pomieszczeń oraz wody, umieszczono 21 modułów termoelektrycznych z aktywnym systemem chłodzeniem wodnym. Testy wykazały produkcję mocy na poziomie od 25 W (spalanie 1 kg drewna sosnowego na godzinę), przez 70 W (4 kg drewna / godzinę), do 166 W (9 kg drewna / godzinę). ²⁶ Moc wyjściowa na jeden moduł wyniosła aż 7,9 wata, co stanowi prawie dwukrotność mocy wyjściowej na jeden moduł pieca z pasywnym chłodzeniem powietrznym. Pompa zużywała 5 W. Prototyp posiadał dodatkowy wentylator (pobierający 1W) zwiększający efektywność spalania. ²⁷²⁸

Gazowe Kotły Termoelektryczne?

W obecnej infrastrukturze energetycznej społeczeństw ery przemysłowej lepiej odnajdą się generatory termoelektryczne z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zwłaszcza w gospodarstwach domowych z systemami centralnego ogrzewania. Można zwiększyć liczbę zainstalowanych modułów, dzięki czemu wzrośnie produkcja energii elektrycznej, tak potrzebna w „wysokoenergetycznym” stylu życia. Niestety pojawiają się tutaj pewne trudności. Po pierwsze, systemy centralnego ogrzewania są używane tylko do ogrzewania pomieszczeń i wody, a nie do gotowania, co sprawia że ilość energii, którą wytwarzają zmienia się sezonowo. Po drugie, tylko niektóre systemy CO spalają biomasę lub pelet drzewny. Większość działa na gaz, olej opałowy, węgiel lub prąd.

Zdjęcie: Prototyp opalanego peletem drzewnym kotła termoelektrycznego. [^30]

Gdy źródło ciepła jest elektryczne, nie ma oczywiście sensu przyklejać do niego modułu termoelektrycznego. System termoelektryczny jest nie do pogodzenia z wizją nowoczesnego, zrównoważonego budynku, w którym ogrzewanie odbywa się za pomocą elektrycznej pompy ciepła, gotowanie odbywa się na kuchence elektrycznej, a ciepłą wodę dostarcza bojler elektryczny.

Jednakże, gdy źródłem ciepła w domu jest gaz lub olej opałowy, to kocioł termoelektryczny jest niskoemisyjnym dostawcą elektryczności, na równi z systemem fotowoltaicznym umieszczonym na dachu. ²⁹ Taki termoelektryczny system grzewczy nie uniezależni jednak gospodarstwa domowego od paliw kopalnych, podobnie jak nie uczyni tego instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci energetycznej. Opiera się on bowiem na centralnej sieci energetycznej (w dużej mierze zasilanej paliwami kopalnymi), aby uniknąć niedoborów energii i pozbyć się nadwyżek, a do ogrzewania pomieszczeń i wody wykorzystuje z reguły system CO zasilany paliwami kopalnymi.

Zdjęcie: Jedno kilowatowy generator termoelektryczny z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zaprojektowany do wykorzystania niskotemperaturowego ciepła geotermalnego. [^31]

Termoelektryczny system grzewczy zasilany paliwami kopalnymi wypada korzystniej w porównaniu z dużą elektrociepłownią, która wychwytuje ciepło odpadowe z produkcji energii elektrycznej i rozprowadza je do indywidualnych gospodarstw domowych. W termoelektrycznym systemie grzewczym ciepło i moc są wytwarzane i konsumowane na miejscu. W przeciwieństwie do centralnej elektrociepłowni, nie ma potrzeby utrzymywania rozbudowanej infrastruktury dystrybucji ciepła i prądu. W ten sposób, oszczędza się zasoby i zapobiega stratom energii podczas przesyłu, które wynoszą od 10 do 20% w przypadku dystrybucji ciepła, i od 3 do 10% (lub znacznie więcej w niektórych regionach) w przypadku elektryczności.

Elektrociepłownia jest bardziej energooszczędna (25-40% sprawności konwersji) w procesie przetwarzaniu ciepła w energię elektryczną. Termoelektryczny system cieplny dostarcza znacząco więcej ciepła niż energii elektrycznej w porównaniu do elektrociepłowni. Nie jest to jednak problem ponieważ średnio, nawet w Europie, 80% zużywanej w gospodarstwach domowych energii schodzi na ogrzewanie pomieszczeń i wody.

W obu przypadkach praca może zostać odwrócona. Kiedy prąd elektryczny popłynie w module termoelektrycznym, ten będzie działał jak grzejnik albo chłodziarka. Kiedy w module fotoelektrycznym popłynie prąd to wytworzy się światło – jest to zasada działania LEDów. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Generatory termoelektryczne, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17.5 (2014): 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. ↩︎
Gayathri, Ms D. Binu Ms R., Mr Vijay Anand Ms R. Lavanya, and Ms R. Kanmani. “Thermoelectric Power Generation Using Solar Energy.” International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 5, Issue 03, 2017. ↩︎
Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎
Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). ↩︎
Balva, Maxime, et al. “Dismantling and chemical characterization of spent Peltier thermoelectric devices for antimony, bismuth and tellurium recovery.” Environmental technology 38.7 (2017): 791-797. ↩︎ ↩︎
Jeśli chodzi o skład wagowy modułu to: 5 gramowy moduł termoelektryczny zawiera aluminium i płytki ceramiczne (44% masy), miedź na styki (28% masy), tellur (10%), bizmut (6%), antymon (2%) na „nóżki” termoelektryczne, małe ilości cyny do lutowania, selen jako wzmocnienie tellurków bizmutu i pastę sylikonową w formie spoiwa (jedyny komponent polimerowy). W modułach termoelektrycznych zwartość antymonu, telluru i bizmutu jest znacznie większą niż w rudach tych pierwiastków, więc ich recykling jest bardzo opłacalny. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Nuwayhid, Rida Y., Alan Shihadeh, and Nesreen Ghaddar. “Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convection cooling.” Energy conversion and management 46.9-10 (2005): 1631-1643. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
O’Shaughnessy, S. M., et al. “Field trial testing of an electricity-producing portable biomass cooking stove in rural Malawi.” Energy for Sustainable development 20 (2014): 1-10. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
Badacze podają możliwy sposób na wyeliminowanie pompy z systemu: zbiornik wodny można umieścić na wysokości 1 metra, co zapewni przepływ konwekcyjny gorącej wody, która zostanie zmagazynowana w izolowanym termicznie zbiorniku, a do chłodzenia modułu w jej miejsce napłynie zimna woda. ↩︎
Kolejny prototyp wygenerował średnio 27 W mocy tylko z dwóch modułów, znacznie więcej niż potrzeba było do zasilenia pompy wodnej (8 W). Produkcja energii netto wyniosła 9,5 W na moduł. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
W rzeczywistości, pierwsze eksperymentalne wykorzystanie systemów ogrzewania termoelektrycznego datuje się na rok 1990, i miało ono na celu opracowanie samo-zasilających się kotłów gazowych. Systemy CO pobierają z sieci średnio 250-400 W elektryczności do zasilania elementów systemu tj. wentylatorów, pomp, nagrzewnic i paneli sterowania. Dokładając do systemu moduły termoelektryczne, zachowuje on możliwości działania nawet w sytuacji długich przerw w dostawie prądu. Jeśli podłączyć taki system do sieciowej fotowoltaiki to jego działanie uzależnia się od obecności słońca na niebie. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎

Rowy owocowe: Uprawa roślin południowych w mroźnym klimacie

Thu, 16 Apr 2020 00:00:00 +0000

Zdjęcie: Rów owocowy w Touapsé.

Owoce cytrusowe (pomarańcze, cytryny, mandarynki, grejpfruty, limonki i pomelo) to najbardziej dochodowe owoce w handlu międzynarodowym. Drzewka cytrusowe nie są odporne na mrozy i mogą być uprawiane jedynie w regionach tropikalnych i subtropikalnych - chyba, że umieści się je w ogrzewanej paliwami kopalnymi szklarni. Jednakże, w pierwszej połowie dwudziestego wieku cytrusy zaczęto uprawiać daleko na północ od regionów (sub)tropikalnych, w których zwykle można je spotkać. Rosjanom udało się hodować cytrusy pod gołym niebem, w regionach gdzie temperatura spadała nawet do -30ºC, bez użycia szkła i paliw kopalnych. W 1950 r. Związek Radziecki posiadał 30 tysięcy hektarów upraw drzewek cytrusowych, dających rocznie 200 tysięcy ton owoców.

Ekspansja Produkcji Cytrusów w Związku Radzieckim

Szacuje się, że przed Pierwszą Wojna Światową, w Carskiej Rosji było zaledwie 160 hektarów upraw cytrusowych, skoncentrowanych prawie w całości na zachodnim wybrzeżu Gruzji. Dzięki bliskości Morza Czarnego region ten cieszy się łagodnymi zimami. Piętrzące się od północy pasmo gór Kaukazu, zapewnia zimą ochronę przed mroźnymi, północnymi wiatrami wiejącymi z zachodniej Syberii.

Jednak to nie wystarcza, aby klimat zachodniej Gruzji można było uznać za optymalny dla uprawy cytrusów. Chociaż średnia temperatura zimą jest dodatnia, to może ona spadać o tej porze roku do -8, -12ºC. Mróz jest zabójczy dla drzew cytrusowych, nawet chwilowy przymrozek. Dobrym tego przykładem był krotki przymrozek (między -3, a -8ºC), który pod koniec dziewiętnastego wieku prawie całkowicie zniszczył plantacje cytrusów na Florydzie.

Zdjęcie: Obszary uprawy cytrusów w ZSRR.

W latach dwudziestych XX w. Sowieci zaczęli zajmować pod uprawę cytrusów obszary, uważane za jeszcze mniej nadające się pod ich hodowlę. Początkowo plantacje rozszerzano w kierunku zachodnim, wzdłuż wybrzeża Morza Czarnego, w miejsca niechronione przez pasma wysokich gór, w których temperatury potrafiły spadać do -15ºC. Takim regionem było m. in. Soczi - miasto, które gościło Zimowe Igrzyska Olimpijskie w 2014 r. - i południowe wybrzeże Krymu. W tym samym czasie, plantacje cytrusów zaczęto zakładać w Azerbejdżanie, na zachodnim wybrzeżu Morza Kaspijskiego.

Kolejnym krokiem było zakładanie sadów cytrusowych w miejscach, gdzie temperatura w zimie potrafiła spaść do -20ºC, a grunt zamarzał na 20-30 cm głębokości. Uprawy pojawiły się w nowych, jeszcze mniej odpowiednich obszarach (regionów o których pisaliśmy wcześniej), oraz na terenie Dagestanu, Turkmenistanu, Tadżykistanu, Uzbekistanu i na południu Ukrainy i Mołdawii. Końcowym etapem sowieckiej ekspansji było przesunięcie zasięgu plantacji cytrusów bardziej na północ, w rejony gdzie zimą temperatury spadały do -30ºC, a grunt zamarzał nawet do głębokość 50 cm.

Mróz nie był jedyną przeszkodą w uprawie cytrusów w tej części świata. Upalne lata i silne, suche wiatry nie ułatwiały sadownikom pracy.

Od Uzależnienia od Importu do Samowystarczalności

Przed pierwszą Wojną Światową, prawie wszystkie owoce cytrusowe sprzedawane w Carskiej Rosji pochodziły z zagranicy. Głównymi dostawcami była Sycylia (cytryny) i Palestyna (pomarańcze). Roczny import cytrusów wynosił około 20 do 30 tys. ton owoców. Cytryny stanowiły prawie 3/4 tej wartości, ponieważ Rosjanie namiętnie używali ich jako dodatku do swojego narodowego napoju - herbaty.

Poczynając od 1925 roku, kiedy zawierucha Rewolucji Październikowej i wojny domowej ucichła, a Carska Rosja przeobraziła się w Związek Radziecki, hodowla cytrusów zaczęła podlegać centralnemu planowaniu. Parta Komunistyczna była zdeterminowana do tego, aby Kraj Rad był samowystarczalny w cenne owoce i nie szczędzono wysiłków, żeby to osiągnąć. Założono liczne ośrodki badawcze, szkółki cytrusowe oraz uprawy eksperymentalne w ponad pięćdziesięciu lokalizacjach.

W 1940 roku, areał upraw cytrusowych osiągnął 17 tys. hektarów, z których zbierano do 40 tys. ton owoców rocznie. To dwa razy więcej, niż wynosił roczny import za czasów carskich. W roku 1950 drzewka cytrusowe rosły już na obszarze 30 tys. hektarów (56% mandarynki, 28% cytryny, 16% pomarańcze), a produkcja sięgała 200 tys. ton rocznie.

Zdjęcie: Uprawa cytryn w Nowym Afonie, Abchazja.

Tak znaczny udział drzewek mandarynkowych można tłumaczyć tym, że są to najbardziej odporne na mróz cytrusy, znoszące przymrozki do około -2ºC. Cytryny to, dla porównania najmniej odporne na przymrozki cytrusy.

Są trzy powody, dlaczego Sowietom udało się hodować cytrusy w regionach, które były (i nadal są) uważane za całkowicie to tego nieodpowiednie. Po pierwsze, wyhodowali odmiany bardziej odporne na mróz. Po drugie, tak radykalnie przycinali i prowadzili drzewka, że stały się one bardziej wytrzymałe na chłód, upał i wiatr, co w końcu doprowadziło to powstania form płożących (nie przekraczających 25 cm wysokości). Po trzecie, sadzili drzewka w różnych, niekiedy zaskakujących miejscach, np. w głębokich na dwa metry rowach.

“Stopniowe Hartowanie na Zimno”

Przywiezione z zagranicy odmiany cytrusów przyjęły się jedynie w kilku izolowanych miejscach na wybrzeżu Morza Czarnego, gdzie znalazły sprzyjający mikroklimat. Aby móc przygotować drzewka cytrusowe do chłodniejszych, cięższych warunków, sowieccy sadownicy zastosowali metodę zwaną „stopniowym hartowaniem na zimno”.

Polega ona na wysiewaniu roślin z nasion (ważne, żeby nie sadzić ich jako sadzonek), trochę bardziej na północ od miejsca gdzie zabrano nasiona. Następnie czeka się, aż nowa roślina wyda nasiona i proces się powtarza. Tym sposobem, powoli przesuwa się zasięg upraw w coraz mniej sprzyjające tereny.

Tę metodę Rosjanie wypróbowali wcześniej na brzoskwiniach i winogronach. Rezultaty były obiecujące. Udało się wyhodować odporniejsze odmiany brzoskwiń, które sadzono w chłodnym Miczurinowsku (miasto, które imię zawdzięcza genialnemu radzieckiemu sadownikowi Iwanowi Władimirowiczowi Miczurinowi, który był inicjatorem wielu działań opisanych w tym artykule przyp. tłum.), 650 kilometrów na północ od ciepłego Rostowa, gdzie drzewka zaczęły swoją „wędrówkę” (bezpośrednie wysadzanie w Miczurinowsku nasion z Rostowa okazało się nieskuteczne). Opierając się na tych doświadczeniach, Sowieci zaczęli „hartować na zimno” cenne cytrusy.

Zdjęcie: Karłowaty drzewko grejpfrutowe.

Sadownicy i tym razem odnieśli sukces. Nowe, odporniejsze na chłód odmiany dawały wysokie zbiory owoców dobrej jakości. Równolegle z procesem „hartowania na zimno”, Sowieci od 1929 roku prowadzili skrupulatną selekcje najbardziej odpornych odmian i krzyżowali je z najlepszymi lokalnymi odmianami. Dzięki temu, Związek Radziecki mógł pochwalić się wyjątkowym bogactwem odmian cytrusów, reprezentujących prawie wszystkie gatunki rodzaju Cytrus.

Karłowate i Pół-karłowate Drzewka Cytrusowe

W najważniejszych światowych regionach upraw cytrusów, przycinanie drzewek należy do rzadkości. Herold Hume, uznany kanadyjsko-amerykański botanik, radził: “trzymajcie sekatory jak najdalej od plantacji cytrusów”.

Jednak w Sojuzie przycinanie drzewek było konieczne. Po pierwsze i najważniejsze, przycinanie skraca wysokość drzewka. Tradycyjne odmiany cytryn dorastają nawet do 5 metrów wysokości, a pomarańcze potrafią osiągać wysokość 12 metrów. Cytrusy uprawiane w Rosji (nawet przed rokiem 1920) wyprowadzano do wysokości zaledwie od 1 do 2 metrów. Niskie drzewka przycinano jeszcze radykalniej, kształtując ich korony w kompaktowe formy.

Bardziej kompaktowe, niskie drzewka mają swoje zalety. Po pierwsze, bliżej gruntu wahania temperatur są mniejsza, a prędkość wiatru jest niższa. Po drugie, niskie drzewka łatwiej chronić przed żywiołami. W Związku Radzieckim, w regionie o najłagodniejszym klimacie (region Chakvi w Gruzji, przyp. tłum.), w którym założono na początku 160 hektarów sadów cytrusowych, drzewka sadzono często na terasach lub stromych zboczach, wykorzystując każdy skrawek ziemi gdzie mikroklimat był sprzyjający.

Ilustracja: \"Zbiory mandarynek w kołchozie Chakvi\", obraz autorstwa Mikhaila Beringova, 1930 rok.

W czasie zimy, pojedyncze drzewka otulano warstwami etaminy lub słomianych mat, wspartych na lekkiej ramie z żerdzi. Plantacje otaczano wiatrochronami, ustawionymi tak, aby zatrzymywać zarówno mroźne, zimowe wiatry oraz gorące, suche letnie wiatry. Zadaniem tych konstrukcji było również kierowanie z dala od sadów, zimnych mas powietrza spływających ze szczytów wzgórz.

Jeszcze wyższy poziom ochrony przez chłodem i wiatrem, uzyskano sadząc drzewka bardzo blisko siebie. Zagęszczenie dochodziło nawet do 3 tysięcy drzewek na hektar. Z letnimi upałami, zagrażającymi roślinom, radzono sobie bieląc przez opryski górną cześć korony drzewek, co obniżało temperaturę liści o około 4ºC. Wszystkie te metody można było stosować na nieprzycinanych, wysokich drzewach, jednak najlepiej (i najtaniej) sprawdzały się w przypadku drzewek o wysokości od 1 do 2 metrów.

Płożenie Cytrusów

Wyhodowanie małych drzewek cytrusowych było kluczem do rozpowszechnienie ich na wybrzeżu basenu Morza Czarnego. Żeby móc przesunąć zasięg plantacji cytrusów jeszcze na dalej północ, znów posłużono się nietuzinkową metodą - rośliny zaczęto przycinać i prowadzić do form płożących. W wyniku takiego prowadzenia, zmniejszono wysokość drzewek do zaledwie 25 cm.

Korony płożących cytrusów formowano na dwa sposoby. Pierwsza metoda, polegała na przyginaniu pnia do ziemi już w momencie, w którym zaczął wyrastać z gleby. Główne łodygi korony formowano w równoboczny wachlarz dotykający gruntu (owoce również dotykały ziemi). Drugą metodą, było pozostawienie prostego pnia o wysokości około 10-15 cm i prowadzenie głównych gałęzi prostopadle do niego - korona takiego drzewka oglądana z góry przypominała pajęczynę. W tym drugim wypadku, ani gałęzie, ani owoce nie stykały się z gruntem. Z czasem druga metoda okazała się skuteczniejsza.

Zdjęcie: Prowadzenie drzewka do formy płożącej, w tym wypadku jabłoni: [Źródło:](https://frukti-yagodi.ru/formirovanie-kroni-molodoj-yabloni-sxema/).

Płożące formy cytrusów radziły sobie z mrozem i zimnymi wiatrami jeszcze lepiej niż formy karłowate i pół-karłowate, ponieważ płożąca się korona tworzyła własny mikroklimat, łagodzący letnie maksima temperatur i zimowe minima. Podczas dziesięcioletniej próby, wykazano, że zimą na wysokości płożącej korony, warstwa powietrza jest średnio o 2-3 stopnie Celsjusza wyższa niż powietrze na wysokości 2 m powyżej gruntu. W lecie różnica temperatury pomiędzy obiema warstwami przekraczała nawet 20ºC.

Płożenie zapewniało jednocześnie należytą ochronę przed wiatrem. Prędkość wiatru na wysokości 2 metrów nad gruntem wynosiła średnio 10.4 m/s, a na wysokości płożących koron było to jedynie 1.8 m/s. Dzięki temu, korona nie była silnie przesuszana, zatrzymywała więcej wody, co dawało oszczędności podczas podlewania.

Zdjęcie: Płożące rośliny.

To logiczne, że bardzo małe wymiary płożących roślin powodowały, że znacznie łatwiej było je chronić przed żywiołami. Co więcej, ta strategia okazała się tak skuteczna, że podczas zimy na przełomie 1942-1943 roku, kiedy temperatury na wybrzeżu Morze Czarnego spadły do -15ºC, płożące się cytryny, zabezpieczone wiatrochronami i przykryte podwójną warstwą etaminy, w żadnym stopniu nie ucierpiały od mrozu. Wysokie drzewka cytrynowe, zabezpieczone w podobny sposób, przemarzły do korzeni.

Możliwe, że płożące cytrusy dawały wyższe plony niż pół-karłowate drzewka. Owoce dojrzewały wcześniej i było ich więcej – szczególnie w pierwszych latach owocowania.

Uprawa Cytrusów w Rowach

Jednak żadna, z wcześniej wymienionych metod ochrony drzewek cytrusowych, nie była wystarczająca w regionach gdzie zimą zamarzał grunt, a temperatura spadała poniżej -15ºC. Radzieccy sadownicy poradzili sobie i z tym problemem sadząc cytrusy… w rowach. Ciepło ziemi poniżej poziomu zmarzliny chroniło drzewka przed mrozem. Oczywiście te metoda sprawdzała się jedynie w uprawie karłowatych – a częściej płożących – drzewek.

Głębokość tych „rowów owocowych” wahała się od 0.8 do 2.0 metrów, w zależności o lokalnych temperatur, głębokości do której zamarzał grunt i od wysokości lustra wody gruntowej. W rowach drzewka sadzono w jednym lub w dwóch rzędach. Rowy miały zwykle przekrój trapezu, co zwiększało dostęp światła. Szerokość podstawy wynosiła około 2.5 metra, a na górze 3 metrów, przy jednym rzędzie drzewek, a przy dwóch rzędach 3.5 metra na dole i 4 metry na górze.

Zdjęcie: Uprawa cytrusów w rowach, Odessa, 1956 rok.

Rowy kopano w płaskim terenie lub na delikatnie nachylonych stokach. Ich przebieg orientowano ze wschodu na zachód, żeby uzyskać najlepsze nasłonecznienie w zimowych miesiącach. Jeśli w rowach sadzono drzewka w jednym rzędzie, to rowy były odsunięte jeden od drugiego na odległość 3-5 metrów. Kiedy w rowie były dwa rzędy drzewek, odległość pomiędzy nimi wynosiła 4-6 metrów. Rowy były czasem połączone ze sobą przekopami, co ułatwiało pracownikom pielęgnacje roślin. Wewnątrz rowów drzewka sadzono w odległości 1.5 metra od siebie. Jeśli cytrusy sadzono w dwóch rzędach, to drzewka w pierwszym rzędzie znajdowało się pomiędzy dwoma drzewkami z drugiego rzędu, tworząc zygzakowatą linię. W razie potrzeby, ściany rowów wykładano gliną lub wzmacniano je cegłami albo płytami z wapienia.

Odstęp pomiędzy rowami pozwalał na postawienie różnych konstrukcji zacieniających w tym sadzenia roślin dających naturalne zacienienia. Dzięki temu utrzymywano wyższą wilgotność, a cytrusy były latem chronione przed przegrzaniem. Długość rowów zależała od ukształtowania terenu, ale z reguły nie przekraczała 50 metrów.

Zdjęcie: Uprawa drzewek cytrusowych w kołchozie Stalin, tereny rolne w pobliżu Taszkientu.

Przykrywanie Rowów

Podczas lata drzewkami zajmowano się w ten sam sposób jak w czasie „normalnych” warunków. Z nadejściem zimy rowy przykrywano drewnianymi płytami grubości 2 cm i jedną lub dwoma, w zależności od warunków klimatycznych, warstwami słomianych mat. Zatrzymywały one w ciepło w rowach, jednocześnie nie dopuszczając do nich opadów. Jeśli nakrycie przysypała warstwa śniegu, to pozostawiano ją na miejscu, jako dodatkową izolację. Drewniane płyty były pochylone pod kątem 30-35º. Jeśli temperatura zimą, za dnia wzniosła się powyżej zera, przykrycie podnoszono od południowej strony lub całkowicie zdejmowano.

Chociaż wykorzystanie rowów okazało się skuteczne w uprawie cytrusów, to niestety nie można zastosować tej metody dla wszystkich roślin. Cytrusy znoszą bardzo niski poziom nasłonecznienie przez 3-4 miesiące w roku, jeśli zapewni się im temperaturą na wysokości korony w zakresie 1-4ºC. W tej temperaturze metabolizm drzewek zwalnia, podnosząc ich odporność na zimno.

Zdjęcie: Karłowate drzewko cytrusowe w rowie.

Zdjęcie: Cytrusy uprawianie w rowach.

Szkła używano rzadko. Drewniane płyty zapewniały znacznie lepszą ochronę przed mrozem, były zdecydowanie tańsze i można je było wykonać z lokalnie dostępnych surowców. Rośliny potrzebowały jednak za dnia trochę ostrego światła słonecznego, więc mniej więcej jedna czwarta powierzchni osłony rowów była postawiona na szklanych ramach, które przykrywano słomianymi matami i ziemią z gliną na wierzchu. W przykryciu było niewiele otworów przez które wpadało światło i powietrze.

Chociaż uprawa drzewek cytrusowych w rowach jest pracochłonna, to jednak nie wymaga dużych inwestycji i zapewnia wysokie zbiory, wysokiej jakości tropikalnych owoców (80 do 200 owoców z drzewka na rok). W rowach udało się hodować wszystkie gatunki cytrusów.

Inne Metody Uprawy

Obok rowów, Sowieccy plantatorzy korzystali z różnych, innych sposobów zabezpieczenia drzewek - wszystkie z nich najlepiej sprawdzały się w przypadku niskich roślin (często odmian karłowatych). Niektóre metody korzystały z niewielkiej pomocy paliw kopalnych.

Pierwszym przykładem, niech będzie coroczne przesadzanie drzewek. Rośliny spędzały wiosnę i lato w sadach, a przed nadejściem zimy były wykopywane (pozostawiając odpowiednią ilość ziemi dookoła korzeni), transportowane do zimowych przechowalni i tam umieszczane do czasu kiedy miną mroźne dni. Na wiosnę drzewka wracały do sadów. W regionach o niezbyt srogich zimach, rośliny zimowały w lekkich, drewnianych budynkach, z reguły nieogrzewanych. W zimniejszych regionach schrony były murowane, częściowo zagłębione w gruncie i zaopatrzone w systemy ogrzewania.

Zdjęcie: Limoniarnia

Oranżerie i limoniarnie położone na wybrzeżu Morza Czarnego, były półkolistymi szklarniami, zbudowanymi na terasach, dobrze nasłonecznionych stoków wzgórz. Drzewka sadzono w szpalerach - metoda przypominająca mury owocowe w północnej Europie, które umożliwiały uprawę brzoskwiń i innych południowych owoców w północnych szerokościach geograficznych.

Ogrzewane szklarnie, wykorzystujące ogrzewanie elektryczne, automatyczne sterowanie poziomem dwutlenku węgla i wilgotności, były spotykane jedynie w miastach przemysłowych poza Kołem Podbiegunowym.

Na koniec, warto wspomnieć, że obywatele Związku Radzieckiego we własnych mieszkaniach, szkołach, budynkach publicznych (nawet w fabrykach i warsztatach) na własny użytek hodowali cytrusy w donicach i skrzynkach, korzystając z ciepła odpadowego sieci ciepłowniczych i procesów przemysłowych.

Sporo zainwestowano w badania nad rozpoczęciem krajowej produkcji cytrusów w ZSRR. Chociaż większość metod nie wykorzystywała paliw kopalnych, i korzystała z tanich i lokalnie dostępnych materiałów, to jednak były one pracochłonne. Niewiele, z spośród wyżej wymienionych metod uprawy cytrusów, byłaby opłacalna w systemie gospodarki rynkowej.

Krajowa produkcja cytrusów w ZSRR była możliwa jedynie dzięki ochronie - nie tylko przed mrozem, ale również przed konkurencją.

Edycja Alice Essam. Podziękowania dla Alexandrine Maes.

Żródła:

Les Agrumes en U.R.S.S., Boris Tkatchenko, in Fruits, vol.6, nr.3, pp.89-98, 1951. http://www.fruitiers-rares.info/articles21a26/article24-agrumes-en-URSS-1-Citrus.html & http://www.fruitiers-rares.info/articles51a56/article53-agrumes-en-URSS-2-Citrus.html

М. А. КАПЦИНЕЛЬ, ВЫРАЩИВАНИЕ ЦИТРУСОВЫХ КУЛЬТУР В РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ РОСТОВСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО Ростов-на-Дону —1953. (“Growing citrus cultures in the Rostov region”, M.A. Kaptsinel). http://homecitrus.ru/books.html

Katkoff, V. “The Soviet Citrus Industry.” Southern Economic Journal (1952): 374-380. https://www.jstor.org/stable/1054452?seq=1. Full version here: https://sci-hub.tw/https://www.jstor.org/stable/1054452?seq=1

Volin, Lazar. A survey of Soviet Russian agriculture. No. 5. US Department of Agriculture, 1951. https://archive.org/details/surveyofsovietru05voli/page/n3/mode/2up. See page 151.

Мандарин – туапсинский господин?, СВЕТЛАНА СВЕТЛОВА, 16 ДЕКАБРЯ 2018 https://tuapsevesti.ru/archives/40995

http://www.agrumes-passion.com/plantation-entretien-f49/topic4913.html

https://www.supersadovnik.ru/text/yablonya-neobychnye-sposoby-formirovaniya-1003334

https://selskoe_hozyaistvo.academic.ru/2847/стелющаяся_культура

http://viknaodessa.od.ua/old-photo/