Впервые солнечные батареи применили в космосе в 1958 году, США и СССР оснащали ими свои спутники. В 1970-х стоимость производства снизилась, и технология спустилась на Землю. Батареи стали использоваться на железных дорогах, антеннах СВЧ-связи и в удаленных от «цивилизации» домах.
В начале 2000-х общая мощность солнечных электростанций в мире перевалила за гигаватт, а к 2016-му мировое потребление электроэнергии, выработанной с помощью солнечных батарей, составило 305 ГВт (для сравнения: в 2010-м было 50 ГВт). И сегодня это значение только увеличивается.
Расти большой
Энергетика в целом постепенно движется в сторону распределенной модели. Потребители самостоятельно строят локальные источники энергии для собственных нужд и направляют излишки электричества в общую сеть. По некоторым оценкам, к 2020 году 20% всего электричества будет поступать в глобальную сеть от локальных установок, а к 2030 году эта цифра вырастет до 30%.
Солнечная индустрия, напротив, стремится к централизации. Солнечные станции — масштабные поля из мощных солнечных панелей, простирающиеся на несколько километров. Так, ферма в пустыне Негев мощностью 300 мегаватт, которую строит Израиль, займет площадь в 4 км2, а замороженная 200-гигаваттная солнечная электростанция в Саудовской Аравии должна была разместиться на тысяче квадратных километров.
Стремление к «гигантизации» имеет свои преимущества: одна крупная станция обеспечивает электричеством из возобновляемых источников большое количество потребителей. Однако такой подход также привел к ряду сложностей.
Мало места
На первый взгляд, строительство солнечных парков логично, но в силу своего масштаба станции «запечатывают» гигантские территории. Конечно, такие страны, как Саудовская Аравия, имеют в своем распоряжении пустыню, и это — один разговор, но в случае с Китаем или Индией картина меняется. Эти государства могли бы использовать площади, занимаемые солнечными станциями, куда более рационально.
В России до 2024 года введут в эксплуатацию ,75 ГВт солнечных электростанций. В результате мы получим тысячи гектаров земли, занятых громоздкими конструкциями весом свыше 63 тысяч тонн. Кстати, их утилизация — дополнительная проблема для индустрии.
Решением может стать подход с размещением солнечных панелей на крышах домов и других городских построек. Так можно будет не тратить средства на возведение тяжеловесных металлических конструкций под солнечные модули, плюс появляется возможность сэкономить на кабеле, так как его не нужно тянуть до подстанции. Строить солнечные парки стоит только тогда, когда закончится последний квадратный метр крыши.
В России более чем у 70% строений плоские крыши, при этом среди таких строений не только жилые дома, но и сотни гипермаркетов, строительных магазинов и крупных торговых центров. С учетом технических построек каждый из этих магазинов в среднем имеет несколько тысяч квадратных метров кровли, по стране это десятки миллионов квадратных метров площади, где можно разместить солнечные электростанции. Для сотни гипермаркетов суммарная мощность станций составит более 100 МВт, что сравнимо с мощностью полноценной газотурбинной установки. Однако в этом случае не придется платить за топливо, потери в сетях и дорогостоящее обслуживание тяжелого оборудования.
Подобные проекты уже реализуются. По данным Ассоциации индустрии солнечной энергетики (SEIA) в США на 2018 год, бизнес оборудует свои торговые и офисные площади солнечными панелями, а их общая мощность уже перевалила за 2,5 ГВт. Так, компания Chronar вводит в действие 60-киловаттную станцию на крыше своей штаб-квартиры в Нью-Джерси, а корпорация Apple заключила партнерское соглашение с Daini Denryoku, чтобы установить более 300 солнечных систем на крышу офисного здания в Японии, и будет генерировать 18 000 МВт·ч ежегодно.
Неэффективные материалы
Развитие фасадного размещения солнечных панелей тормозят и технологические особенности специализированных устройств. Первые промышленные модули состояли из двух стекол и кремниевых ячеек между ними, алюминиевой рамки и токоснимателя. Развитие гигаваттных ферм потянуло за собой производителей алюминия, стекла и комплектующих. Так сформировалась неповоротливая индустрия, слабо восприимчивая к технологическим новшествам. Из-за этого конструкция солнечной панели значительно не менялась на протяжении последних 30 лет.
Но сегодня дело сдвинулось с мертвой точки: появляются новые композитные материалы и полимерные солнечные батареи. Они похожи на классические кремниевые, но главным преимуществом композитной панели является низкая стоимость, а также легкость и гибкость. В результате ее можно размещать на самых разных поверхностях. Примером может быть даже поезд, работающий исключительно на солнечных батареях. 16 декабря прошлого года такой состав вышел на маршрут длиной в три километра в Австралии. Гибкие панели расположили на крыше вагона и на промежуточных стоянках, где поезд может дополнительно подзарядиться.
Компании mPower Technology и Sandia пару лет назад представили технологию Dragon SCALE — солнечные панели, гибкие и тонкие, как бумага. «Чешуей» можно оборачивать водосточные трубы, различные распорки, даже столбы и деревья.
Сложные конструкции
Размещая классические солнечные установки на городских конструкциях, приходится делать поправку на устойчивость системы — учитывать балласт, чтобы панель не сдуло. По европейским нормам утяжеление может достигать 180 килограммов на м2. При проектировании крыш такие показатели редко закладываются, возникает риск повреждения кровли.
Решением проблемы занимается большое количество компаний и исследовательских организаций. Например, команда инженеров из Технологического института Джорджии и Чунцинского университета представила особый тип тканевого материала, который генерирует электроэнергию из солнца и ветра одновременно. Разработчики использовали промышленный текстильный станок, чтобы сплести полимерные волокна с турбоэлектрическими наногенераторами. По словам авторов технологии, «солнечную ткань» можно использовать для создания занавесок, тентов или баннеров.
Другой пример — инициатива Илона Маска. Он предложил встраивать солнечные модули в черепицу. Технология Solar Roof выдерживает падение крупных градин на скорости до 160 км/ч и стилизована под глину. Плиточный подход имеет право на жизнь, однако в этой области еще предстоит преодолеть ряд трудностей. Среди них высокий процент непроизводительной площади и большое число разъемов и соединений. Учитывая, что крыши периодически приходится чистить ото льда, есть вероятность повредить установку.
Что дальше
Число солнечных электростанций постоянно растет. Но чтобы они стали по-настоящему конкурентоспособными, установки должны быть эффективнее и удобнее имеющихся аналогов. Достичь этого помогут новые материалы и конструкции, которые достаточно универсальны и предоставляют больше гибкости с точки зрения формы и возможностей для расположения. Остается только не упускать такие возможности и использовать уже готовые и пригодные для размещения установок сооружения.