Устройства, напрямую преобразующие свет в электрический ток, которые мы называем солнечными батареями, на бытовом уровне хорошо известны уже давно
Их можно было видеть на макетах космических аппаратов, затем солнечные
батареи появились на небольших бытовых приборах – таких как калькуляторы или
часы.
С развитием технологий размеры батарей увеличивались, их элементная
база совершенствовалась.
В настоящее время они уже не являются редкостью.
Их можно встретить на улицах городов или в парках
У солнечной энергетики имеются и очевидные недостатки. Это и сезонная, погодная, суточная нестабильность и относительно маленький энергетический поток. Поступление солнечной энергии на поверхность Земли зависит от географического расположения территории и особенностей местности. Поэтому актуальным является вопрос о экономической эффективности применения солнечных панелей в различных регионах. Исследования в этой области ведутся по всему миру, в том числе и в России, хотя российский опыт пока невелик.
Отметим, что в России массовое использование фотовольтаики не менее важно, чем для других стран. Сейчас более 10 миллионов граждан России не имеют доступа к централизованному электроснабжению. При этом для обеспечения солнечной энергией одного миллиона граждан (около 2 киловатт-часов на человека в сутки), потребуется создать более пятисот мегаватт пиковой мощности.
Вторым потенциальным и огромным потребителем энергии, выработанной на основе фотовольтаики, является сельское хозяйство, которое само по себе в состоянии использовать в год сотни мегаватт энергии солнечных электростанций. А если к этому добавить еще и рынок автономных солнечных энергосистем для телекоммуникаций, навигации, систем для туристического и курортного бизнеса, коттеджей, уличных фонарей и т.п., то суммарные потребности в России могут составить более одного гигаватта в год.
Важно отметить, что среднегодовое поступление солнечного излучения в ряде южных районов России больше, чем в Италии, Испании и Германии. Проведенные нами модельные расчеты показывают, что имеющиеся на рынке решения для обеспечения солнечной энергией небольшого загородного дома или дачи (с потреблением от 365 до 700 кВт∙ч/год) имеют срок окупаемости от 8 до 12 лет в зависимости от региона (рассматривались Сочи, Москва и Петрозаводск) и особенностей системы.
Перейдем к рассмотрению примеров применения тонкопленочных солнечных панелей из зарубежного опыта. Следует отметить, что с точки зрения архитектурных решений, солнечные панели имеют ряд ограничений, наиболее заметным из которых является их характерная ячеистая структура и темный цвет. Прозрачность панелей, очевидно, снижает выработку панелью энергии, поскольку свет проходит сквозь нее. Изменение цвета также влияет на эффективность работы панели, хотя на мировом рынке представлены и панели, имеющие различные оттенки и степень прозрачности.
Наиболее эффективным с точки зрения выработки энергии является применение солнечных панелей на крыше отдельно стоящих сооружений, поэтому существует уже множество примеров использования солнечных панелей для беседок, крыш автомобильных стоянок, детских площадок и т.п. Эффективнее такого расположения могут быть только системы, в которых батареи устанавливаются на собственные опоры с регулируемым углом наклона и слежением за положением Солнца.
Однако гораздо интереснее с архитектурной точки зрения является применение солнечных панелей в качестве элементов фасада или другой части оболочки здания. Такие приемы проектирования на Западе получили общее наименование BIPV, Building-integrated photovoltaics. Например, на рисунках 6 и 7 приведены примеры как вертикальной установки панелей, так и наклонной.
Следует обязательно сказать, что помимо самих солнечных батарей, система обеспечения здания солнечной энергией включает в себя целый ряд сложных компонентов, схематично представленных на рисунке 8.
Новейшие достижения в разработке компонентов для строительных применений фотовольтаики демонстрировались на прошедшей прошлой осенью выставке Glasstec2012. Авторы отметили для себя несколько новинок, которыми хотели бы поделиться здесь с читателями:
- для подложек и защитных стекол солнечных панелей применяется все более тонкое закаленное и химически упрочненное стекло, качество которогопостоянно растет (рис.9)
- Кроме плоских панелей появились технические возможности для производства изогнутых (моллированных) панелей и параболических зеркалконцентраторов, позволяющих сфо-
кусировать поток света на солнечном модуле (рис. 10).
- Солнечные модули интегрируются в изолированные стеклопакеты, что особенно актуально при использовании остекления в холодном климате, атак же обеспечивает защиту от шума и защиту от жары летом.
Отметим, что поворачивающиеся внутри стеклопакета солнечные модули не только могут выполнять роль жалюзи, но и способны устанавливаться при необходимости в оптимальном положении относительно Солнца для увеличения выработки энергии, необходимой для кондиционирования помещения.
- Разрабатываются решения, позволяющие интегрировать в оболочку здания не только тонкопленочные модули, но и более эффективные модули других конструкций. В частности, Институт Фраунгофера представил прототип компактной солнечной панели с концентраторами светового пучка .
В качестве заключения хочется привести перспективы развития тонкопленочных солнечных панелей на ближайшие годы как они сформулированы ассоциацией тонкопленочной фотовольтаики PVthin:
- следует ожидать падения стоимости солнечных модулей ниже 0,5 USD/Вт, 50 USD/м2;
- эффективность тонкопленочных модулей вырастет до 16 % и более;
- произойдет расширенные возможности комбинирования видов остекления и солнечных батарей.
Полезные источники информации
- Раздел «Статьи» на сайте ОАО «ГИС» (http://glassinfo.ru/index.php?page=page42).
- Некоммерческая организация PVthin (http://www.pvthin.org).
- EPIA (European Photovoltaic Industry Association, http://www.epia.org).
Подписи под рисунками:
Рис 6 и 7. Примеры вертикальной и наклонной установки панелей.
Рис. 8.
Солнечная энергетика в здании:
(a) Фотоэлектрические модули;
(b) Контроллер заряда батареи (при отсутствии выхода в сеть или в гибридной системе);
(c) Система хранения энергии или подключения к сети;
(d) Преобразователи напряжения, включая инвертеры постоянного тока модулей в переменный ток сети;
(e) Резервные источники энергии;
(f) Соответствующее монтажное оборудование, проводка и аварийная автоматика.
Рис. 9.
Наиболее тонкие из представленных на выставке солнечных панелей имели толщину не более 2 мм.
Рис. 10. Представленные на выставке моллированные солнечные панели и параболические зеркала на основе закаленного стекла с толщиной от 3 мм.
А.Г. Чесноков, ОАО «Институт стекла»,
С.А. Чесноков, ОАО «Институт стекла»,
С.Г. Прилипко, Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ
