Солнечные панели и батареи в архитектуре

Размещено на http://www.allbest.ru/

Солнечные панели и батареи в архитектуре

Киричук Ю.Б., Ким A.A.

ТОГУ; г. Хабаровск, Россия

Аннотация

солнечная батарея архитектура

В статье рассматриваются устройство и применение в архитектуре солнечных батарей и панелей, а также классифицируются фотогальванические модули по методике изготовления, структуре, видам, уровню КПД и т. д. Исследуются материалы, их получение, влияние на преобразование солнечной энергии в электрическую. Выделяются современные методы защиты солнечных батарей от внешних воздействий, обозреваются принципы работы систем самоочищения, монтажа модулей на крышу. Анализируются причины снижения уровня КПД и возможности его повышения в зависимости от применения современных технологий. Рассматриваются преимущества и недостатки солнечных батарей и панелей в использовании, нормы энергопотребления в России для физических и юридических лиц. Сравнивается зарубежный и отечественный опыт в проектировании солнечных домов с использованием фотогальванических модулей с описанием функционирования данной системы.

Ключевые слова: солнечные батареи, солнечные панели, «зеленая» архитектура.

Abstract

Kirichuk Iu.B., Kim A.A.

PNU; Khabarovsk, Russia

SOLAR PANEL AND BATTERY IN ARCHITECTURE

The article considers the arrangement and application of solar panels in architecture, as well as classification of photovoltaic modules, according to the method of manufacture, structure, type, efficiency level, etc. Materials, its extraction, its influence on the conversion of solar energy into the electrical energy are investigated. Contemporary methods of solar cell's protection from external influences are highlighted, principles of self-purification system's operation, module's installation on the roof are surveyed. The causes of the efficiency's level decrease and the possibility of its increase, depending on the application of modern technologies are analyzed. Advantages and disadvantages in use of solar cells and panels, standards of energy consumption in Russia for individuals and legal entities are considered. Foreign and domestic experience in the design of solar homes using photovoltaic modules with the description of the system's functioning are compared.

Keywords: Solar batteries, solar panels, “green” architecture.

Введение

Современный мир трудно представить без электричества, ведь это один из наиболее удобных и адаптированных способов получения энергии. В процессе эксплуатации электрических станций и установок неизбежно негативное влияние на окружающую среду. Более экологичным способом получения электрической энергии является использование солнечных батарей и панелей. Повышение энергоэффективности зданий и комфортных условий за счет использования природной энергии набирает популярность у архитекторов при проектировании зданий различного назначения.

1.Технические особенности

Конструкция типовых солнечных батарей представляет собой фотогальванические модули, заключенные в специальный корпус из дерева, алюминия или полимера. Верхняя часть покрыта стеклом, которое одновременно пропускает солнечные лучи и защищает от химических и механических воздействий. Сзади модули покрывает крышка из пластика с креплениями. Ячейки последовательно скреплены в модулях в серии для создания необходимого напряжения. Солнечное излучение, воздействуя на фотоэлементы за счет разности потенциалов, продуцирует электрический ток.

Основной классификацией солнечных батарей принято считать разделение по типу фотоэлектрических ячеек, но также их систематизируют по видам, типам защитного слоя, материалу, методике изготовления, степени мощности, принципу установки, уровню адаптивности и КПД в зависимости от количества солнечных дней, загрязненности (табл. 1).

Таблица 1. Типы фотоэлементов солнечных батарей

Тонкопленочные фотоэлектрические ячейки известны простотой и недорогой технологией производства. Следствием их малого КПД, всего 4-6 %, становится увеличение площади фотоэлементов.

Многопереходные (многослойные, тандемные) ячейки являются доминантными в производстве солнечных батарей. Основным материалом для таких элементов являются соединения галлия -- фосфид индия галлия, арсенид галлия и др. В прошлом году компания NREL, США, представила многопереходные ячейки эффективностью 45,7 %.

Существует еще одна разновидность полупроводников -- органические солнечные батареи. Они являются перспективным элементом в создании солнечных батарей, поскольку их можно производить в виде больших пластиковых листов. Недостатком таких полупроводников на сегодняшний день является низкий коэффициент преобразования световой энергии в электрическую [1].

2. Методы защиты

Таким образом, материалы, из которых изготавливаются солнечные батареи, очень разнообразны, но, как и любые, находящиеся в близком контакте с внешними воздействиями, конструкции, им необходим защитный слой. Большинство современных солнечных панелей покрыты ограждающим слоем из стекла или прозрачного пластика. Выбор таких материалов в качестве защиты вызван необходимостью: несмотря на хрупкость, светоотражение и быстрое загрязнение, способность к светопропусканию стекла и прозрачного пластика позволяет чувствительной поверхности фотоэлементов получать солнечную энергию и вырабатывать электрическую. Однако загрязнение (пыль, грязь, снег) защитного материала снижает КПД солнечной батареи на 50 %.

Чтобы повысить светопропускание, американские ученые изобрели тонкую, прозрачную, электрочувствительную пленку. Это покрытие отслеживает концентрацию оседающей пыли, и в тот момент, когда она достигнет критического значения, пленка, автоматически используя электрические разряды, оттолкнет пыль с поверхности. Для такой очистки нужно не более 3 минут и минимальное количество электроэнергии. Существует еще один способ избавиться от пыли и грязи на защитном слое солнечной батареи--ликвидация загрязнений на основе механической тяги. Данное устройство расположено над солнечным модулем и представляет собой два вала с пленкой. Подающий вал -- не автоматизированный рулон с намотанной на него пленкой, принимающий вал вращается через установленное время, перематывая пленку и вместе с ней механические частицы, осевшие на нее. Система крепится к солнечной батарее с помощью винтов, автоматическая прокрутка принимающего вала обеспечивается за счет электромотора, питающегося от солнечной батареи. Таким образом, происходит предотвращение загрязнения модуля [8].

Израильский ученый С. Бирюков предложил систему самоочищения солнечных батарей от загрязнений с использованием электромагнитного поля. В новой технологии ученый применяет два электрода с одинаковыми разрядами для отторжения негативно влияющего слоя. Защитой внешних воздействий также может служить использование электростатических решеток. Электростатическая пластина состоит из двух отделенных диэлектриком участков, один из которых (верхний) заряжен положительно, а другой (нижний) отрицательно, и верхняя полоска отталкивает пыль. Данная решетка препятствует осадке пыли на поверхности солнечных энергоустановок, но этот метод имеет ряд недостатков: отбрасывание тени от решетки на панель, неполное самоочищение и небезопасное использование. К 2012 г. канадской компанией Isolara Energy Services разработана система самоочистки солнечных батарей от снега, в которой используется сила ветра и эффект Дж. Вентури. Эта система состоит из четырех солнечных панелей, соединенных между собой последовательно и простого устройства над батареями, усиливающего поток воздуха. Эффект Вентури заключается в том, что воздух проходит через сужающиеся трубки, где уменьшается давление, а воздух ускоряется. Быстрый поток воздуха будет направляться на панели очистки от снега, чтобы сдуть его [6].

3. Методы повышения КПД

Для того чтобы добиться увеличения КПД помимо самоочищающих материалов и систем, используются сложные антиотражающие покрытия. Следуя законам оптики и современным технологиям, инженеры подбирают толщину, коэффициент преломления и другие параметры так, что удается уменьшить отражение до 1--2 %. Это позволяет создавать устойчивые к механическому, химическому и другим воздействиям, антиотражающие покрытия [4].

Еще одним фактором, негативно влияющим на КПД, является температурный режим. Обычно в качестве номинальной для работы солнечного элемента принимается температура 25° С.. При нагреве батареи теряется 0,4 % на каждый градус. В регионах с жарким климатом может применяться система охлаждения, сходная по устройству с плоским солнечным коллектором. Трубки коллектора располагаются под солнечной панелью или по периметру. Отводимый теплоноситель может быть применен для нагрева воды (в двухконтурной системе). В зимнее время такой коллектор может не справляться с объемом производительности, так как тепловой контур изолирован от прямых солнечных лучей, поэтому необходимо применять резервирующие источники тепла [9].

Работоспособность солнечных модулей зависит не только от уровня КПД, но также от правильной установки. Благодаря ей система фотоэлементов способна выдержать атмосферные воздействия, например сильные порывы ветра. При этом обеспечивается необходимый угол наклона для получения максимального количества солнечного света. Монтаж солнечных батарей может выполняться тремя способами. Первый способ -- наклонный, предназначенный для установки на любом типе ската крыши. Второй -- это горизонтальная конструкция, которая монтируется на плоские крыши. Третий тип представлен свободностоящей моделью, которая также может быть произведена на кровлю любого типа.

Помимо выработки энергии в настоящем времени, необходимо иметь устройства, позволяющие хранить солнечную энергию. Современные системы используют в качестве накопителя аккумуляторные батареи, которые нуждаются в доработке из-за имеющихся недостатков. Профессор Массачусетского технологического университета Д. Носера разработал технологию, позволяющую хранить солнечную энергию в топливных элементах. Система, разработанная Д. Носером, в теории довольно проста: при фотосинтезе из воды будет получаться водород и собираться в специальных ёмкостях для последующего использования в виде электрической энергии. По его подсчетам, такие элементы обойдутся покупателю дешевле аккумуляторов.

Пока другие ученые пытаются создать новые улучшенные аккумуляторы, Вольфрам Уолтер из Германии усовершенствовал уже существующую солнечную батарею и в домашней лаборатории создал систему Sonnenspeicher (в переводе с немецкого -- Солнечное Хранилище). В. Уолтер спроектировал собственную смесь электроники и программного обеспечения, которая управляет электроэнергией, вырабатываемой солнечными панелями, контролируя, сколько энергии сохраняется и сколько отдается в центральную электросеть. Sonnenspeicher помогает увеличить срок службы аккумуляторов, а также их эффективность.

Несмотря на разнообразие видов, солнечные батареи и панели обладают общими преимуществами и недостатками. Энергетическая независимость (полная или частичная), несомненно, является одним из положительных качеств солнечных модулей, так как во время отключения электроэнергии они могут служить подстраховкой. Экологичность, отсутствие шума и токсичности благоприятно скажется на окружающей среде. Выработанная солнечными батареями энергия -- это бесплатное электричество высокого качества. Кроме того, оборудование требует минимального ухода и, несмотря на высокую стоимость, быстро окупается. Отрицательных качеств немного, но некоторые из них способны оттолкнуть заказчика. Эффективность солнечных батарей зависит от климатических условий. Как упоминалось выше, дождь, туман, снег снижают КПД солнечных батарей, ночью модули неработоспособны, и это увеличивает срок окупаемости. Поэтому возникает необходимость приобрести аккумуляторы [3].

4. Применение в архитектуре

Применение солнечных батарей характерно для солнечной и «зеленой» архитектуры. Родоначальником этого направления считается канадско-американский архитектор Фрэнк Гери. Это наиболее ресурсосберегающие, эргономичные и мировые тенденции в архитектуре. В последнее время солнечная и «зеленая» архитектура очень востребованы, так как человечество беспокоит истощение природных ресурсов и проблемы окружающей среды, возникшие в результате энергетического кризиса. В этом направлении работают такие архитекторы и дизайнеры, как НорманФостер, ЗахаХадид, Карим Рашид и др.

На сегодняшний день большинство зарубежных стран на государственном уровне стараются использовать солнечную энергию. Хорошим примером заграничного опыта является эргономичный Солнечный дом Шмидта в г. Регенсбурге, Германия. 70% энергии на отопление и горячую воду производит коллектор площадью 62 м² и резервуар объемом в 12м³. Накопитель установлен на крыше, скат которой спроектирован под уклоном 60°. Все здание отапливается солнечной энергией и небольшим количеством дров, что дает возможность владельцам такого жилища не наносить вреда окружающей среде и сохранять свой бюджет [2].

Следует отметить, что электрическая энергия относится к наиболее дорогостоящим видам коммунального обслуживания. С 1 июля 2014 г. в России действует экспериментальная программа социальных норм потребления энергии. Суть заключается в том, что при потреблении электричества в пределах обозначенной нормы тарифы будут несколько снижены, а за ее пределами -- повышены. Социальную норму устанавливают в каждом районе индивидуально. Российские граждане не могут уложиться в подобные рамки, поскольку по самым скромным расчетам затраты электричества на самую необходимую электротехнику составляют не менее 140 кВт/ч ежемесячно. По статистике на человека приходится 120400 кВт/ч. Поэтому в среднем жители РФ тратят на услуги ЖКХ 11 % своих средств, а беднейшие слои населения -- 30%. По постановлению от 18 декабря 2015 г. для жителей города Хабаровска во время дневной (пиковой и полупико- вой) зоны 3,22 кВт/ч, в ночное время -- 0,83 кВт/ч с использованием счетчиков.

Юридическим лицам необходимо оформлять энергопаспорт -- документ, в котором требуется декларировать энергетическое обследование, в том случае, если их энергопотребление превышает 50 млн. рублей в год, остальные имеют выбор. Минэнерго РФ осуществляет сбор, обработку, систематизацию, анализ, использование данных энергетических паспортов, составленных по результатам обязательных энергетических обследований, а также по результатам добровольных обследований.

Несмотря на дороговизну электроэнергии, Россия в солнечном домостроении отстает от индустриального мира, хотя климатические условия во многих районах позволяют использовать эту технологию. Не так давно в МГСУ был разработан проект жилого дома «СОЛ-1», руководителем которого является архитектор Т. В. Захарова. В этом проекте использованы исключительно элементы пассивной системы энергосбережения: две стены Тромба (отделанные черным керамогранитом, которая при нагреве отдает тепло в дом), гравийные накопители тепла в полуподвальном помещении, массивные полы, перекрытия и стены. Хорошим аккумулятором тепла служат сад и теплица, расположенные на втором этаже, в зимнее время придется использовать дополнительные источники тепла.

На Дальнем Востоке также разработали проект солнечного дома «Экодом Solar-5 » в г. Владивостоке. Поскольку пасмурных дней в этом регионе всего около 10-12 с ноября по март, то архитектор П. А. Казанцев совместил принципы «пассивного дома» и активного солнечного отопления. Форма здания подчинена годовому движению солнца и сезонной смене муссонных ветров. Это позволяет снизить потери тепла на 37 % и отказаться от традиционных источников тепла в зимний период. В архитектуре здания учтены оптимальные углы размещения солнечных коллекторов, установленных под углом 90° к лучам январского солнца, и фотоэлектрических панелей. «Экодом Solar-5» проектировался так, чтобы получить максимальное количество солнца и потерять минимальное количество тепла [5].

Помимо того, что фотоэлектрические модули являются энергообеспечивающей частью конструкций здания, они нашли свое место в дизайне экстерьера. Прекрасным примером того, как подобная конструкция вписалась в архитектурный образ можно наблюдать в доме «SpillerHouse», Лос-Анджелес, на крыше которого установлены две скрепленные солнечные батареи [10].

Желание архитекторов проектировщиков использовать солнечные батареи и панели в дизайне экстерьера дало возможность инженерам разработать «солнечную» черепицу. Это новая система солнечных панелей в виде черепицы, которая выполняет сразу две функции: защитную и энергодобывную. Срок эксплуатации таких фотогальванических элементов составляет от 20 до 50 лет [7].

Итальянские инженеры разработали автоматические навесы-тенты из солнечных панелей. Технология дает возможность использовать солнечную энергию там, где крыша здания и ее кровля не позволяют этого сделать. Козырьки-навесы защищают помещения от перегрева, в то время как солнечные батареи из аморфного кремния, установленные на них, вырабатывают электроэнергию. Кроме того, они оснащены сенсорами солнечного света, дождя и ветра, что позволяет автоматически закрывать и открывать маркизу без человеческого вмешательства. При необходимости навес изменяет угол наклона для оптимальной выработки энергии.

Заключение

Подводя итог, хотелось бы отметить, что использование солнечных батарей в архитектуре не только экономически и экологически выгодно, но и повышает уровень комфортности, защищенности от внешних воздействий и энергообеспеченности зданий. Зарубежный опыт применения фотогальванических модулей показывает, насколько эффективными и доступными могут быть подобные способы получения электричества. Применение ресурсосберегающих технологий является перспективным направлением в проектировании городов будущего, а также в сохранении энергоресурсов и окружающей среды.

Список использованных источников и литературы

солнечная батарея архитектура

1. Абдуллина Р., Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей. [Электронный ресурс] -- URL: http://altenergiya.ru/sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html(дата обращения: 06.12.2016).

2. Богатова Т.В., БондарукЯ. С. Анализ зарубежного опыта архитектурно-типологического формирования домов с солнечными батареями // Высокие технологии. Экология. Изд-во Научный Вестник, Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, 2010.-- №1-- С. 143--147.

3. Достоинства и недостатки использования солнечных панелей. [Электронный ресурс] -- URL:http://genport.ru/artide/dostomstva-i-nedostatki-ispolzovaniya-solnechnyh-paneley(дата обращения: 06.12.2016).

4. Константинова Ю. А. Антиотражающее покрытие для солнечных батарей.// Научные исследования: от теории к практике. Изд. Общество с ограниченной ответственностью «Центр научного сотрудничества «Интерактив плюс»». -- 2015. -- №3 (4) -- С. 198--200.

5. Копылова Л., Дальневосточный прорыв. [Электронный ресурс] -- URL: http://ec-a.ru/index.php?mn=razdel&mns=e51p8l2fm26sl_ru(дата обращения 14.12.2016).

6. Самоочищающиеся солнечные панели. [Электронный ресурс] -- URL:http://facepla.net/the-news/energy-news-mnu/3504-dusting-off-solar-cells.html (дата обращения: 14.12.2016).

7. Солнечные панели и черепица: два в одном. [Электронный ресурс] -- URL: http://samstroy.com(дата обращения: 14.12.2016).

8. Троицкий А. О., Серадская О. В., Соломин Е. В., Устройство ликвидации и загрязнения солнечных модулей на основе механической тяги пленки. // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. --2016. -- Т.4. -- №1. -- С. 284--287.

9. Троицкий А. О., Серадская О. В., Кирпичникова И. М. Основные факторы снижения КПД солнечных установок и способы поддержания номинального КПД // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. -- 2015. -- Т. 3. -- № 1. -- С. 222--225.

10. Шарафян. В. Солнечные модули как элемент архитектурного дизайна. [Электронный ресурс] -- URL: http://green-city.su/%EF%BB%BFsolnechnye-moduli-kak-element-arxitekturnogo-dizajna/ (дата обращения: 06.12.2016).

Размещено на Allbest.ru