Смогут ли солнечные окна превратить здания в производителей энергии?

Небоскребы и мы

Огромные площади стекольного покрытия в небоскрёбах и офисных зданиях представляют собой мощный потенциал в качестве превращения их в солнечные панели. Но основной проблемой здесь становится вопрос: могут ли специальные солнечные окна быть недорогими и эффективными для их массового внедрения в нашу жизнь?

Если вы вглядитесь в сверкающие окна американских небоскрёбов, что высятся в наших городах, то тогда становится понятной идея, что использовать эти гигантские стеклянные площади для производства солнечной электроэнергии может быть весьма привлекательным бизнесом. Только в 2009 году 437 млн. квадратных фунтов оконных поверхностей было установлено в США в нежилых помещениях. Такое гигантское количество солнечных стандартных панелей (если их ставить вместо стекла), позволили бы производить, по грубым подсчётам, не менее 4 гигаватт электроэнергии, что приблизительно равно всей емкости уже существующих солнечных панелей в США на сегодняшний день.

Этот значительный потенциал подводит инженеров и владельцев предприятий к все более широкому обсуждению идеи по замене стекол на солнечные панели с целью сделать из них некие мини-элетростанции. Так называемые солнечные окна – новый тренд в области, известной как встроенные в здания фото энергетические элементы. Эта идея зиждется на понимании, что как окна не требуют 100% прозрачности, так и солнечные панели не обязательно должны быть 100% непрозрачными. Сейчас существует несколько способов, как превратить окна в девайсы, производящие электроэнергию, начиная от тончайшей силиконовой пленки и сенсибилизированного красителем солнечного элемента до микроскопических органических фотоэлементов.

Некоторые эксперты полагают, что эта отрасль балансирует на грани исчезновения, и вполне возможно, что миру так и не удастся никогда увидеть небоскрёбы, полностью покрытые солнечными панелями. Но некоторые производители обещают, с другой стороны, организовать массовое коммерческое производство солнечных окон в ближайшие годы.

Болевые точки проекта

Пока еще стоимость и технические трудности, с которыми сталкивается эта новая, «неоперившаяся» технология, возможно, может быть внедрена в лишь возвышающиеся здания заводов, которые не будут производить вредных выбросов. Как и другие животрепещущие новинки в альтернативной энергетике, солнечные окна могли бы стать опорой экологичного будущего в ближайшие два десятилетия, но, так же они могут оказаться непрактичными и производить лишь малую толику от общей емкости солнечной энергетики.
«Самый важный здесь момент, болевая точка проекта, это возможно ли снижение цены конечного продукта и повышения электропроизводительности новых окон» — говорит известный в этой области специалист Национальной Лаборатории по Возобновляемой Энергии США Сара Куртз из штата Колорадо. «Существует целый ворох схем развития и стратегий в этом вопросе, и именно креативность становится основной идеей этой игры. Если удастся найти такое решение, благодаря которому солнечные окна стоили бы так же, как и привычные нам обычные стеклопакеты, ну, или чуть дороже, то в таком случае однозначно бы появился смысл действовать. «Заставить» ваши окна производить электричество».

Встроенные в здания солнечные панели продвигаются на рынок медленно, но они уже кое-где «окутывают» стены, кровельное покрытие и прочие части зданий. Младший аналитик GTM Research господин Шиао, сотрудник аналитического отдела в Кембридже, штат Массачусетс, говорит, что на рынке на данном этапе все еще представлено не более 1% (несколько сотен мегаватт за последний год) солнечной энергии. В большинстве своем панели устанавливают на крышах зданий по всему миру, а также на чердаках. Окна с функцией выработки электроэнергии представляются более амбициозным и сложным проектом, чем обычные солнечные панели на крышах и стенах, потому что, собственно, люди СМОТРЯТ на мир через окно. Поэтому сейчас мы можем наблюдать всего несколько примеров небоскребов, где были использованы солнечные окна. Наиболее яркий пример — Willis Tower (в прошлом ее называли Sears Tower) в Чикаго, где в 2011 году были установлены небольшие прототипы солнечных окон.

Не так давно появилось несколько технологий для солнечных окон, но пока они не приобрели большого значения. Флагманом является одна компания, которая максимально близка к началу коммерческого выпуска продукции, а именно Новые Энергетические Технологии (New Energy Technologies), со штаб квартирой в Колумбии, штат Мэриленд. Эта фирма разработала особую технологию напыления тончайшего слоя органического клеточного материала на поверхность стекла, прозрачность которого колеблется от 40 до 80 процентов для солнечного света, а остальной свет поглощается покрытием.

Уже подано 10 заявок на патенты. А если еще учесть, что вообще пока нет коммерческих прототипов продукции, то перспективы здесь весьма неплохие и компания раскрыла общественности некоторые детали. Например, что технология напыления способна снизить стоимость солнечных окон весьма значительно. На данном этапе Национальной Лабораторией Возобновляемой Энергии объявлено о изобретении большого солнечного топливного элемента — площадью 170 кв. см., и эта разработка может значительно удешевить солнечные окна.

Несмотря на имеющийся прогресс, компания сталкивается с основной точкой преткновения в производстве и использовании солнечных окон: эффективность. Величина, при которой солнечная панель превращает энергию солнца в электричество, важна для всех типов солнечных батарей, но особенно она важна для окон. «Проблема в том, что свет вы видите сквозь окно, и если вы его улавливаете с целью получения электричества, то это окно перестает быть именно окном» — говорит Куртз.
Вернемся к конкретным данным: доказанная эффективность органического солнечного фотоэлемента составляет 10%, но при работе практически никогда не достигается. В то же время традиционные солнечные модули выдают электричество с эффективностью от 15 до 20%. В итоге заявленная эффективность солнечных окон в 5% вряд ли может считаться экономически оправданной.

«Давайте взглянем на это с точки зрения физика» — продолжает Куртз. «Солнечная панель, которую поместили в пустыне в оптимальном месте — где нет недостатка в солнечном свете — способна вернуть затраты в течении года. Если оставить панель там же на срок в 20 лет, то тут уже мы получаем не просто экономическую отдачу для инвестора, но и для всего общества!»

Если бы солнечные окна могли бы достичь хотя бы 1/3 эффективности привычных солнечных панелей, то тогда бы и возврат инвестиций осуществлялся бы в три раза оперативнее.

Другие эксперты полагают, что это просто вопрос времени – когда эффективность солнечных окон поднимется до искомой величины – чтобы эти окна стали объектом привлекательным в плане инвестирования.

Андреас Афинитис, профессор отделения механики Колорадского Университет в Монреале, который работает над технологиями солнечных окон, говорит, что новые, наиболее современные технологии, такие как тончайшее напыление силикона, могут стать весомым решением в краткосрочной и среднесрочной перспективе. А в будущем более далеком, он все же делает ставку на органические материалы, которые отвечают долгосрочным планам по внедрению солнечных окон. «Я полагаю, недалек тот день, когда рынок солнечных окон станет большим, но пока эта сфера буксует, потому что сама технология солнечных окон «прорывная», и к ней пока мало кто готов».

Олигомеры

Другая фирма, «Heliatek», что использует технологии органических солнечных элементов, расположена в Германии и уже имеет в своем ассортименте панели, что достигают 8% эффективности. Компания в качестве органических материалов использует молекулы, названные олигомерами и отдает им предпочтение в линейке привычных полимеров. В плане производства это означает более дешевое, более понятное применение гальванических элементов. В «Heliatek» говорят, что в течение ближайших 5 лет они смогут производить солнечные окна с гальваническим элементом и получать электричество по цене 50 центов за киловатт/час, делая солнечные окна вполне конкурентоспособными с другими технологиями, использующими энергию солнца для получения электричества.

Испанская компания «Onyx Solar» тоже предлагает ряд технологий в области солнечного стекла. И хотя их стекла могут пропускать не более 30% солнечного света, но нужно помнить сколько света теряется впустую в самом здании! В различных вариантах, говорят в компании, их аморфно-силиконовое солнечное стекло – это такой тип гальванического элемента с тончайшим силиконовым напылением – способен дать вплоть до 9% эффективности.

Однако, все эти возможности солнечных окон не принимают во внимание несколько практических ограничений по покрытию площади зданий небоскрёбов солнечными окнами.

«Оптимальная установка солнечных окон подразумевает, что они будут смотреть на юг, и они должны быть немного наклонены. Должен быть хороший доступ солнца, чтобы ничто не затеняло эти панели» — говорит господин Шиао, из компании «GTM Research». «Проблема с небоскрёбами в нашем вопросе состоит в их вертикальной ориентации: существует только одна южная сторона здания, и очень высока вероятность, что рядом стоящий небоскрёб будет затенять как раз эту сторону высотки».

Подобные трудности и вызывают у Шиао и иных экспертов скептицизм по вопросу, имеют ли солнечные окна яркие перспективы. «Слишком много дизайнерских и технических трудностей, которые преодолеть, по большому счету, очень трудно, если говорить честно» — признается Шиао. «Весь проект особо не имеет смысла, вне зависимости от стоимости. Ну, разве что, если кому-то удастся производить панели почти бесплатно или что-то типа того, и тогда, может быть, и будет смысл в установке солнечных окон на такие огромные объекты, как небоскребы».

Радужные планы

Но не все так пессимистичны и эти препятствия не особо сдерживают молодые и динамичные фирмы. Например, «Oxford Photovoltaics» обнародовала исследование, проведенное Оксфордским Университетом, в котором компьютер смоделировал 700 футовый небоскреб в Техасе. Если покрыть его солнечными окнами, то они дадут 5,3 мегаватт электричества ежедневно. Этого достаточно, что «запитать» энергией 165 домовладений или даст достаточно электричества небоскребу, чтобы полностью обеспечить себя освещением.

Оксфордская технология подразумевает включение в работу особенного элемента солнечных окон, который называется «сенсибилизированный красителем солнечный элемент». Этот элемент в своей работе использует фото-электрохимический процесс для выработки электричества, что значительно удешевляет себестоимость всего проекта. Прозрачные солнечные панели «Oxford Photovoltaics» способны выдавать 6% эффективности и компания уже намерена в ближайшее время вывести свой товар на рынок.

Где ждать прорыва?

Назир Херани, профессор в области инженерии университета в Торонто, полагает, что экономическая составляющая проекта солнечные окна может быть привлекательной для новых зданий с нулевым чистым потреблением энергии (это здания которые выдают столько же энергии за год, сколько потребляют), но не для модернизации уже введенных в эксплуатацию небоскребов. «При достаточно внимании к дизайну и при применении бесшовных технологий, вполне можно допустить, что подобные здания постепенно будут строиться в местах, где в основном возводят здания с нулевым чистым потреблением энергии. Это могут быть как города, так и сельские поселения» — рассуждает Херани.

Еще несколько компаний заявляют о будущем солнечных окон: в ближайший год-два они будут готовы вывести на рынок этот новый продукт. Они также подчеркивают, что эффективность солнечных окон будет и дальше расти, а цены снижаться, так же, как это имело и имеет место с обычными солнечными панелями.

Что же побуждает изобретателей и предпринимателей продолжать исследования и вкладывать деньги в проект солнечные окна? Огромный потенциал для сохранения и экономии энергии. Здания потребляют 41% всего американского потребление электричества, больше, чем такие отрасли, как производство и транспорт! Поэтому солнечные окна столь привлекательны.

«Я бы не стал сбрасывать со счетов эту технологию и ее возможности» — заявляет Куртз. «Когда произойдёт прорыв в индустрии солнечных окон? Я не берусь судить. Потому что нахожу это весьма опасным занятием — предсказывать будущее»

(Дейв Левитан, опубликовано 3 мая 2012г в США, перевод Михаила Берсенева )