Российский девелопер и производитель солнечных модулей создали совместное предприятие для продвижения энергогенерирующих солнечных фасадов при строительстве жилья. Эти панели могут использоваться как для жилой недвижимости, так и при возведении офисных зданий. В России уже построены несколько домов с подобной облицовкой, однако пока рано говорить о популярности такого решения.
И пока рынок присматривается к новой технологии, расскажем, как работают солнечные панели и правда ли, что в непогоду от них нет никакого толка.
Почему мы говорим именно о солнечной энергетике?
Солнце — гигантский термоядерный реактор, излучающий тепло, свет и плазму. Оно будет гореть еще миллиарды лет, и по сути единственная в нашей галактике звезда могла бы полностью закрыть потребности человечества в энергетике. Другие альтернативные источники — геотермальные, ветряные, приливные — не обладают подобным потенциалом.
Так, около 173 млн ГВт солнечной энергии попадает на Землю ежегодно. Это в десять с лишним тысяч раз превышает наши потребности в энергии. Для сравнения: в Китае действует крупнейшая в мире солнечная электростанция, способная вырабатывать до 6 тыс. ГВт·ч в год. Этой электроэнергии хватит, чтобы обеспечить комфортную жизнь 9 млн человек.
Чтобы использовать энергию Солнца — в пригодной для повседневных нужд форме — люди придумали фотоэлектрические солнечные панели, или солнечные батареи (от англ photovoltaic, photo означает «свет», а voltaic — «электричество»).
Как устроены солнечные батареи?
Фотоэлектрические панели состоят из модулей — упакованных в раму отдельных солнечных элементов (их еще называют фотоэлементами) размером около 20 см.
Каждый фотоэлемент состоит из двух кремниевых слоев. И поскольку чистый кристаллический кремний является плохим проводником электричества, в состав этих пластин примешиваются другие химические элементы. В одной пластине — фосфор, который создает избыток электронов (полупроводник n-типа, negative). Во вторую пластину добавляется бор, создающий недостаток электронов, так называемые «дырки» (полупроводник p-типа, positive).
При соединении двух пластин, электроны и дырки стремятся уравновесить друг друга, двигаясь навстречу и создавая в области контакта p-n-переход, где образуется электрическое поле. Это своего рода барьер, перейти который и помогает солнечный свет, состоящий из фотонов. Попадая на фотоэлемент, фотоны выбивают электроны и дырки из кристаллической решетки. Появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Из-за постоянного движения образуется электрический ток.
За накапливание и хранение энергии в солнечных батареях отвечают аккумуляторы. Контроллер — элемент, отвечающий за уровень мощности, подключает и отключает батарею, анализируя уровень заряда. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный. А защищает всю систему от скачков напряжения стабилизатор.
Дополнительно на солнечные панели устанавливаются заземлители, панель управления и указатели солнечного угла. Кроме того, кремний — очень блестящий материал, часть фотонов от него может просто отскакивать. Поэтому для уменьшения потерь солнечные элементы покрывают антибликовым слоем.
Насколько эффективны фотоэлектрические панели?
При выборе солнечных батарей часто используют понятие КПД — процент солнечного света, который преобразуется в электричество. Для современных технологий этот показатель равен 15–30%.
На уровень КПД влияют место расположения панели, метеорологические условия, правила эксплуатации и, конечно же, материал изготовления.
В настоящее время самым распространенным вариантом остаются кремниевые солнечные панели. Их делят на:
- Монокристаллические. Более дорогой метод производства, благодаря которому получается более качественная кристаллическая решетка и однородная поверхность панелей. Могут обеспечивать КПД до 28%. Максимально эффективны при вертикальном падении солнечных лучей, но теряют уровень генерации при отклонении угла от 90°.
- Поликристаллические. Более бюджетный вариант с панелями неоднородной структуры и КПД до 18–20%. Эффективны при угловом падении света.
- Аморфные. Обладают «рыхлой» поверхностью, под электронным микроскопом напоминающей пену. Главное ее преимущество — практически постоянный показатель поглощения, независимо от углов наклона к солнцу. Кроме того, такие панели стали гибкими и долговечными. Но пока не дотягивают до предыдущих поколений по КПД — 14–16%.
Кремниевые служат несколько десятков лет, но дороги для масштабного применения. Поэтому ученые сосредоточены на поиске более дешевых материалов. Такой альтернативой, считают физики, могут быть дешевые тонкопленочные (~100 нм) полупроводниковые материалы, которые, например, можно быстро наносить из растворов на большие площади, используя в частности имеющиеся технологии полимерной и печатной индустрии.
Солнечные батареи будут вырабатывать энергию зимой?
Да, фотоэлектрические панели могут вырабатывать электроэнергию зимой, в пасмурную погоду, в дождь. При этом их эффективность может снижаться. Однако КПД будет зависеть от многих факторов. Например, в пасмурную погоду или при обильных осадках свет рассеивается, поэтому и выработка энергии будет ниже.
Конечно, как и любые устройства, солнечные батареи плохо выдерживают критические температуры — выше +30°С или ниже -40°С. Но при этом зимой их эффективность может оставаться на максимуме, особенно в солнечный день — из-за низкой температуры батарея не перегревается. В зимний период важно чистить панели от снега и наледи, чтобы не перекрывать доступ света к фотоэлементам. Кроме того, необходимо менять направление и угол наклона — в зимний период солнце находится ниже.
Солнечные модули не будут работать ночью. Поэтому владельцы батарей либо переводят их в режим ожидания, переключаясь на другую электросеть, либо используют аккумуляторы, которые накапливают энергию при солнечной активности, а в темное время суток отдают.
Почему переход на солнечную энергетику происходит медленно?
Среди причин замедления энергетического перехода часто могут назвать высокую стоимость солнечной энергетики или зависимость некоторых регионов от погоды. Но, к примеру, во многих странах солнечная энергетика стоит дешевле традиционных источников, а в некоторых российских регионах солнца больше, чем в европейских странах.
Ограничениями могут выступать проблемы хранения полученной энергии или необходимость большой территории для получения требуемого объема мощности. Однако в мире все чаще обсуждают интеграцию альтернативных источников в городское пространство и архитектуру.
«Различные здания по всему миру потребляют около 40% глобально производимого электричества, — говорит доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук. — При этом общую площадь фасадов, крыш и окон зданий оценивают в 230 млрд кв. м. […] Использование таких площадей под солнечные батареи могло бы дать около 11% глобального производства электричества к 2050 г. Кроме того, покрытые солнечными панелями внешние площади зданий могут улучшить их шумовую и термоизоляцию, а также электромагнитную защиту».
Одной из причин непопулярности фотоэлектрических панелей может стать влияние на окружающую среду. Установленные на огромных территориях солнечные батареи могут менять ландшафт или экосистему региона. Однако не всегда это приводит к негативным последствиям. К примеру, в Китае установка фотопанелей помогает бороться с опустыниванием территории.
Важной экологической задачей для человечества станет утилизация солнечных батарей после выхода из эксплуатации.
Самым большим вызовом для перехода на альтернативную энергетику может стать интеграция новых источников в существующие электросети.
По некоторым оценкам, солнечные и ветряные установки, способные вырабатывать электроэнергию, эквивалентную 480 ядерным реакторам, по-прежнему не подключены к передающим сетям в США и Европе.
Многие проекты в области возобновляемой энергетики, особенно солнечные и ветровые электростанции, реализуются в районах с ограниченной или устаревшей сетевой инфраструктурой, которая к тому же недостаточно финансируется и не выдерживает увеличения мощностей. Кроме того, для создания эффективной и устойчивой энергетической системы необходима интеграция новых источников в другие отрасли, к примеру, транспортную.
Читайте также:
Больше полезной информации для инвесторов вы найдете на BCS Express.
