Как приручить солнце? Солнечная энергия в современной архитектуре

Мировой рынок солнечной энергетики начал свое развитие в 1999–2000 годах, и за прошедшее десятилетие общий объём вырабатываемой энергии достиг мощности 70 ГВт. Этого количества вполне хватает для того, чтобы обеспечить электричеством почти 20 миллионов домашних хозяйств. Рынок развивается стремительно, и в контексе назревающего энергетического кризиса никто не может сказать точно, не займет ли он лидирующую позицию уже через пару десятков лет.

Фото: http://pronlo.net

Что существует уже сегодня

Все, что касается использования солнечной энергии, можно разделить на две большие части - это фотовольтаика, т.е накопление энергии, и её концентрация. В первом случае солнечный свет при помощи специальных панелей превращается в ток. Во втором - тот же самый свет превращается в тепло, но уже при помощи солнечных коллекторов.

Фотовольтаика

Метод основан на использовании солнечных батарей (или панелей), которые преобразуют попавший на них свет непосредственно в электрический заряд. Всё это происходит в специальных фотоэлектрических преобразователях (ФЭП), которые принято делить на три поколения.

Фото:http://www.panificiozorzi.com

ФЭП первого поколения работают на основе кремниевых пластинок. На сегодняшний день это наиболее распространённый вид получения солнечной энергии, что объясняется, прежде всего, его достаточно высокой экономической эффективностью.

Второе поколение ФЭП подразумевает вакуумное нанесение тонких пленок, за что элементы этого вида называют тонкоплёночными. Этот метод требует меньше затрат и позволяет выпускать гибкие, дешёвые преобразователи, однако коэффициент преобразования у них намного ниже по сравнению с элементами первого поколения.

Идея создания третьего покления ФЭП заключается в ещё большем снижении себестоимости и, что важнее, отказом от высокотоксичных и дорогих материалов в сторону органики. Важнейшим отличием преобразователей третьего поколения является возможность нанесения слоёв печатными методами, слой за слоем (именно эта технология лежит в основе 3-D печати). В настоящее время бо́льшая часть проектов в в этой области находится на стадии исследований.

«За» и «против»

Солнечная энергетика в целом и фотовольтаика в частности использует неисчерпаемый источник энергии, а также является экологически чистой на стадии непосредственной выработки энергии. Солнечная энергия, помимо всего прочего, гораздо дешевле электрической. Но при этих очевидных достоинствах фотовольтаика обладает целым рядом недостатков.

В первую очередь, это зависимость от времени суток и погодных условий. Ночью, по понятным причинам, фотоэлектрические преобразователи работать не могут, а утром и в сумеречное время работают с гораздо меньшей эффективностью, чем днём. При этом пик потребления энергии приходится именно на это время. Поток солнечного света, который падает на фоточувствительный элемент, варьируется в зависимости от широты, сезона и климата. Кроме того, различные атмосферные явления, такие как облака, пыль или туман, не только снижают интенсивность солнечной энергии, но и коренным образом меняют соотношение рассеянного и прямого солнечного излучения. 

Из всего этого автоматически вытекает необходимость запасать солнечную энергию. Но как это сделать?

Фото: http://ab-travel.ru

Для аккумулирования энергии на солнечных электростанциях могут использоваться привычные нам электрические аккумуляторы, с которыми все же связано несколько проблем, одна из которых – слишком быстрая разрядка. В качестве альтернативных способов: гидроаккумулирующая станция (перераспределяет вырабатываемую и потребляемую энергию); солнечная аэростатная электростанция (ветер и солнце), а также водородная энергетика. Тем не менее, проблема накопления достаточного количества солнечной энергии для обеспечения автономной работы гелиостанции ещё не решена до конца.

Кроме того, существует потенциальная опасность изменения теплового баланса, влажности и направления ветров в местности, на которой установлены солнечные элементы. Причина заключается, с одной стороны, в затенении большой площади поверхности, а с другой, в противоположность затенению, нежелательном нагреве воздуха вблизи солнечной батареи при прохождении через неё солнечного излучения. 

Среди других проблем, связанных с экологией – утилизация отработанных фотоэлементов. Современные ФЭПы, в среднем, имеют срок службы 30-50 лет. По истечении этого срока такой способ утилизации, как вывоз на свалку, становится категорически неприемлем из-за содержания в них кадмия и кремния. Доступный и экологически чистый способ утилизации этих веществ до сих пор не разработан.

Геотермальная энергетика

В качестве альтернативного способа преобразования солнечной энергии выступает сегодня гелиотермальная энергетика, котоая способна сгладить некоторые недостатки, присущие фотовольтаике. Суть метода заключается в фокусировании солнечного света на сосуде с водой для дальнейшего ее применения в отоплении или паровых генераторах. Но фокусировать энергию можно сразу несколькими различными способами, поэтому в качестве отдельной отрасли гелиотермальной энергетики выделяются солнечные системы концентрирующего типа (CSP – Concentrated solar power).

В начале сентября текущего года в прессе начали появляться необычные сообщения о строящемся лондонском небоскребе «Walkie-talkie», который стал причиной плавления автомобилей на соседней улице и порчи имущества в близлежащих кафе, а также лёгких ожогов у прохожих и строителей. Местные жители, правда, нашли в этом случае не только проблему, но и повод посмеяться – англичане научились жарить на раскаленном асфальте утреннюю яичницу. 

Фото: www.skyscrapercity.com

Случай с лондонским небоскрёбом как нельзя лучше демонстрирует принцип работы концентрирующих солнечных систем. Вогнутая поверхность здания естественным способом фокусировала солнечный свет на противоположной улице, нагревая её до предела.

«Концентрировать солнечное тепло гораздо эффективнеее, чем просто накапливать его», – считает Йоахим Маас, сооснователь Solar Tower systems. Для концентрации излучения можно использовать, во-первых, вогнутые поверхности (как в случае с небоскрёбом), и, во-вторых, так называемые солнечные башни. Причем, как отмечает исследователь, солнечные башни наиболее приемлемы, так как лучше концентрируют энергию и стоят намного меньше.

Йоахим предположил, что если построить специальный солнечный остров, состоящий из большого количества солнечных башен и гелиостатов, то получаемой от него энергии хватит, чтобы отказаться от использования полезных ископаемых по всему миру.

Солнечная экономика

На сегодняшний день на рынке солнечной энергетики доминирует фотовольтаика. Только установленные в 2012 году по всему миру солнечные батареи суммарно произвели, по подсчётам индустрии, около 29 гигаватт электроэнергии, что приблизительно равно мощности пяти АЭС. Общемировая мощность термальной энергетики в то же время составляет чуть больше 1 ГВт.

Россия многократно отстаёт от европейских стран по уровню развития солнечной генерации как в фотовольтаике, так и в термальной энергетике. К 2020 году у нас запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей, в то время как в Европе уже сегодня вырабатывают более 70 ГВт энергии.

«Сейчас отрасль отечественной фотовольтаики находится в переходной точке её дальнейшего развития», – уверен Дмитрий Похлебкин, консультант в аналитической компании Frost & Sullivan. Он считает, что развитию индустрии в РФ помешала, прежде всего, её экономическая непривлекательность и малая стабильность. Тем не менее, специалист отмечает, что с должным уровнем инвестиций и государственным стимулированием уровень использования солнечной энергии вполне может сравняться с европейским.

Еще по теме:

Урбанисты

Эволюция парков в современном городе

Urban Sketchers: блокнот вместо фотоаппарата

Оставить комментарий