Возможность применения альтернативных источников солнечной энергии при проектировании многоквартирных домов в центральном регионе России

Рассматривается задача внедрения такой технологии, как альтернативные источники солнечной энергии при проектировании многоквартирных домов для увеличения их энергоэффективности и, как следствие, улучшения экологии и экономики страны в целом. Цель работы: показать, что применение солнечных панелей и модулей в условиях России — это вполне реальная возможность улучшения качества электроснабжения и жизни людей, а также экономии материальных средств. Рассмотрение новейших разработок в области солнечной энергетики различных стран, перспектив развития данной отрасли энергетики в России на следующие десятилетия в целом.

Ключевые слова: электроэнергетика, альтернативные источники энергии, солнечная энергия, солнечные батареи, жилые дома.

Французский ученый А. Э. Беккерель в 1839 г. открыл фотоэффект, благодаря экспериментам с электродами и электролитом, дав мощный старт и развитие такой области, как солнечная электроэнергетика. В наше время уже существует множество различных вариаций как солнечных панелей, так и модулей с разными характеристиками и погодными условиями работы. В настоящее время использование энергии Солнца стало актуальной задачей. Ведь это самый дешевый и экологически чистый способ получения электроэнергии и тепла. По сравнению с ТЭС, конечная цена электроэнергии для потребителя обходится на 80 % дешевле, а окупаемость колеблется в среднем от 5 до 15 лет. Потребность в альтернативных источниках недорогой электроэнергии повысила спрос на солнечные батареи, а конкуренция между производителями дала стимул научным разработкам новых технологий.

Теоретическая часть

Расчет любой системы, основанной на солнечных батареях, начинается с изучения инсоляции выбранного региона страны [1]. Месячная и годовая инсоляция Москвы и других городов представлена в таблице 1. На величину инсоляции на тот или иной участок поверхности зависит от многих факторов. Для более точного расчета необходимо использовать так называемые таблицы солнечной инсоляции, в которых указаны средние значения солнечной освещенности на 1 кв.м. за сутки в разных регионах нашей страны [2]. Также не стоит забывать про постоянное усовершенствование и новейшие разработки в области солнечных батарей, что в свою очередь, постоянно повышает их КПД и делает возможным их активное применение в областях с достаточно низкой или средней инсоляцией, таких как центральный регион России.

Таблица 1

Годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м². Оптимальный наклон площадки

Для создания модулей применяется множество материалов, самыми эффективными по лабораторным исследованиям оказались многослойные фотоэлементы типа GaInP/GaAs/Ge, показавшие коэффициент фотоэлектрического преобразования 32 %. При этом в реальности были установлены значительно большие рекордные показатели. Компания Sharp в 2013 г. создала трехслойный фотоэлемент на индиево-галлий-арсенидной основе, который показал результат КПД 44,4 %. Их рекорд в этом же году превзошли ученые Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера. В конструкции своего фотоэлемента они применили линзы Френеля, чем добились показателя в 44,7 %. Через год они превзошли сами себя и, благодаря особой фокусировке, линзы смогли достичь КПД 46 %.

Одно из перспективных направлений ‒ преобразование в электроэнергию всех спектров излучения, которые представлены на рисунке 1. Разработки в этом направлении ведутся многими компаниями, институтами, научными центрами и результаты уже есть [2]. Эта, одна из нескольких, разработок, с помощью которой, можно получать солнечную энергию из различных световых спектров, делает возможным применение солнечных панелей в почти любых погодных условиях и местностях.

Рис. 1. Спектры излучения.

«Солнечное стекло».

Американская компания New Energy Technologies создала прозрачную солнечную батарею, которую можно вставлять вместо окна. Пленка представлена на рисунке 2. В настоящее время фирма разработала прозрачное покрытие, которое наносится на стекло или гибкий пластик и способно генерировать электричество, улавливая только ультрафиолет. Покрытие может быть разных оттенков, что даёт дополнительнве возможности дизайнерам и архитекторам. Если для работы обычных солнечных батарей необходим прямой свет, поэтому их размещают преимущественно на крышах, то технология Solar Window делает эффективной всю поверхность окна. Для производства электроэнергии подходит любой солнечный свет, затененное освещение и даже искусственный ультрафиолет. То есть генерировать электричество смогут огромные площади остекления современных небоскребов и торговых центров, которые в большинстве случаев сделаны из стекол [3]. Если покрыть все стеклянные поверхности современного небоскреба или многоквартирного дома составом от SolarWindow, то 30–50 % необходимой зданию энергии можно будет получать от солнца. Затраты на установку солнечных панелей в таком здании окупятся через год. В компании также утверждают, что «солнечные» окна будут вырабатывать в 50 раз больше энергии, чем сопоставимые фотоэлектрические элементы на крыше. При этом покрытие вырабатывает электричество не только от солнечного света, но и от искусственного.

Главная проблема технологии SolarWindow — это невозможность сделать окна полностью прозрачными. Углеродный слой делает стекло затемненным, а повышение энергоэффективности делает тонировку еще более заметной. Кампания уже 7 лет совершенствует технологию, но максимум, которого удалось достичь, — это 80 %-ная прозрачность [4].

Рис. 2. «Солнечное стекло».

Перовскитный солнечный элемент

Вещество, известное ученым уже более ста лет, только сегодня, в начале XXI века, оказалось весьма перспективным материалом для производства дешевых и эффективных солнечных элементов. Перовскит, или титанат кальция, впервые найденный в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году, и названный в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года, оказался наиболее подходящим претендентом на роль альтернативы кремнию в производстве солнечных батарей. Преимуществом перовскитных элементов является то, что с ними более удобно работать, их легче производить, чем аналогичные кремниевые элементы. Примечательна способность перовскита к переизлучению. Ученый из Кембриджского университета, Феликс Дешлер, обнаружил, что перовскит обладает уникальным свойством. Когда на материал попадает свет, энергия фотонов не просто преобразуется в электроэнергию, часть заряда обратно превращается в фотоны.Если панель сможет повторно использовать эти фотоны, то собираемой энергии станет еще больше. Группа Дешлера провела эксперимент, в котором сконцентрировала луч лазера на срезе перовскита толщиной в 0,5 микрона, и свет переизлучался в другом месте образца. Кремний, например, не обладает способностью перемещать внутри себя энергию и вновь ее испускать. При массовом производстве перовскитных фотопреобразователей цена одного ватта электроэнергии могла бы достигнуть $0.10. Но специалисты считают, что до тех пор, пока перовскитные гелиевые ячейки достигнут максимальной эффективности и начнут выпускаться в промышленном количестве, стоимость «кремниевого» ватта электричества может быть существенно снижена и достигнуть того же уровня в $0.10.

Всепогодные солнечные панели

Китайские ученые разработали инновационные солнечные батареи, которые могут генерировать электричество в тени и даже ночью, а также при плохой погоде. Над разработкой работали ученые из Китайского университета океанологии г. Циндао, пров. Шаньдун и Юньнаньского педагогического университета. Для того чтобы солнечные панели могли вырабатывать энергию даже ночью, китайские ученые добавили в их состав специальный люминофор с длительным послесвечением. Вещество с люминофором представлено на рисунке 3. Днем, когда светит солнце, коэффициент полезного действия таких панелей повышается незначительно, зато энергия непоглощенного фотоэлементами солнечного света сохраняется внутри люминофора и перерабатывается ночью, сказал профессор Китайского университета океанологии Тан Цюньвэй, один из главных конструкторов инновационных солнечных батарей. Ночью сохраненная энергия выделяется одноцветным видимым излучением, которое поглощает абсорбент и передает в виде электричества. Таким образом, инновационные солнечные батареи могут работать не только днем, но и ночью, что делает их очень привлекательным вариантом при проектировании многоквартирных домов, которые буду генерировать электроэнергию при любых погодных условиях и в любое время суток. И хотя, в темное время суток эффективность преобразования солнечной энергии в электричество на новых солнечных панелях составляет 25 проц. и больше, и в таком режиме батареи могут работать несколько часов [4].

Рис. 3. Вещество с люминофором.

Заключение

Подводя итоги видно, что разработки в области солнечной энергеткики продвинулись далеко вперед и низкие показатели инсоляции с каждым новым открытием перестают быть критичным показателем в пользу альтернативных источников солнечной энергии. По разным оценкам, на данный момент в России суммарный объем введенных мощностей солнечной генерации составляет не более 5 МВт, большая часть из которых приходится на домохозяйства. Самым крупным промышленным объектом в российской солнечной энергетике является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт (для сравнения, самая крупнейшая солнечная электростанция в мире располагается в Канаде мощностью 80000 кВт).

Существуют маленькие установки в Москве: в Леонтьевском переулке и на Мичуринском проспекте подъезды и дворы нескольких домов освещаются с помощью солнечных модулей, что сократило расходы на освещение на 25 %. На Тимирязевской улице солнечные батареи установлены на крыше одной из автобусных остановок, которые обеспечивают работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi, а также уже строительство первого энергоэффективного дома в микрорайоне Никульно-2. Все это дает понять, что у солнечной энергетики в России есть огромное будущее.

Литература:

1. Медведев Ю. А. Батареи просят солнца [Электронный ресурс] // Таблицы инсоляции для расчета ФЭС: [сайт] URL: https://rg.ru/2016/05/24/novye-solnechnye-elementy-ustroili-revoliuciiu-v-alternativnoj-energetike.html

2. Сапожников Д. А. Как рассчитать солнечную электростанцию и выбрать оборудование для нее [Электронный ресурс] // Как рассчитать солнечную электростанцию и выбрать оборудование для нее: [сайт] URL: https://oporasolar.ru/
3. Матвеев С. Современные солнечные панели [Электронный ресурс] // Новые технологии в солнечных панелях: [сайт] URL: https://qwizz.ru
4. Юрьев А. М. Солнечное стекло [Электронный ресурс] // SolarWindow научили обычные окна вырабатывать электричество: [сайт] URL: https://hightech.fm/2016/09/02/solar_window
5. Мосолов В. Перечень самых эффективных солнечных батарей [Электронный ресурс] // Перечень самых эффективных солнечных батарей: [сайт] URL: https://econet.ru/articles/163752-perechen-samyh-effektivnyh-solnechnyh-batarey
6. Ивакин Ю. Китайские ученые разработали всепогодные солнечные элементы [Электронный ресурс] // Китайские ученые разработали всепогодные солнечные элементы: [сайт] URL: https://econet.ru/articles/161441-kitayskie-uchenye-razrabotali-vsepogodnye-solnechnye-elementy
7. Тимофеев А. Альтернативная энергетика в России — два пути [Электронный ресурс] // Альтернативная энергетика в России — два пути: [сайт] URL: http://altenergiya.ru/apologiya/alternativnaya-energetika-v-rossii-dva-puti.html
8. Мырзакулов Б. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии // Наука, новые технологии и инновации . 2013. 18–24с./
9. Комолова Н. Роль возобновляемых источников энергии в российской и европейской системах энергоснабжения // Энергосбережение. 2007. № 7