Новый тренд на стыке отраслей — гелиоархитектура из солнечных панелей

Июнь 15, 2019
Автор: BreakFast

 

 

Есть уникальный метод остановить потепление и одновременно удешевить жизнь на планете. Это перейти к новому дизайну городов — гелиоархитекетуре. Но все по порядку…

Солнечные панели, как источник генерирования альтернативной энергии, долгое время считаются образцом инновации и перспективности. Не говоря уже о том, что на них полагается большая надежда в борьбе с мировым потеплением.

Но было замечено, что в течении нескольких первых часов использования происходит резкое падение их эффективности на 2%. Сегодня исследователи наконец-то поняли, в чем дело.

Это световое разложение связано с дефектом материала в силиконе, из которого состоит панель.

LID (Светоиндуцированная деградация) — это потеря характеристик, возникающая в первые часы пребывания на солнце с Кристаллическими модулями. 

 

 

Кристаллические кремниевые солнечные элементы p-типа, легированные бором, обычно демонстрируют снижение эффективности преобразования в течение первых часов воздействия солнечного света. Эта вызванная светом деградация (LID) связана с образованием хорошо известного кислородно-борного комплекса, который действует как вредный дефект и, соответственно, уменьшает длину диффузии неосновных носителей. Поэтому LID связан как с концентрацией бора, так и кислорода.

 

Абсолютное снижение эффективности на 2% может показаться незначительным, но если представить то количество солнечных ферм по всему миру, то сохранение этих 2% смогло бы сэкономить объем энергии в объеме 15 атомных станций. На протяжении 40 лет развития бизнеса солнечных батарей, ученные искали причину и вот теперь они обнаружили, что уменьшение количества генерируемой энергии вызвано изменениями в потоке электронов, из-за воздействия солнечного света на электронику.

 

 

Сегодня американские ученные уже разработали галогенидные первокситные солнечные элементы. Первоксит в основе солнечных батарей обладают новаторскими характеристиками.

Добавление цезия и рубидия в процесс синтеза смешанных галогенидных соединений перовскита делает полученный солнечный элемент более химически однородным. Весь элемент в этом случае получает однородную характеристику и делает солнечную панель более усточивой к разрушениям в первые часы выработки энергии.

 

Но японские ученые пошли дальше.

Они выявили, что производительность перовскитовых панелей все равно снижается из-за разрушения содержащегося в них диоксида титана. Японские ученые заменили его на диоксид олова, а также оптимизировали метод нанесения этого состава для повышения устойчивости, производительности, что привело к возможности увеличения самих перовскитных солнечных элементов. Перовскит с диоксидом олова служит в три раза дольше, чем имеющий в составе диоксид титана.

 

 

 

В слоистой структуре нового фотоэлемента каждый слой выполняет определенную функцию. Активный слой из соединений перовскита улавливает фотоны солнечного света, которые при столкновении с поверхностью создают отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дыры в нем. Ученые взяли под контроль их движение, поместив активный слой между двумя транспортными материалами и создав тем самым электрической поле.

Транспортным слоем для электронов в обычной перовскитовой панели служит диоксид титана; под действием солнечного света он вступает в реакцию с перовскитом и теряет свои транспортные свойства. При замене диоксида титана диоксидом олова удалось устранить этот дефект.

 

 

Транспортный слой создан напылением: заряженные частицы потоком атакуют слой диоксида олова, вымещая его на поверхность. Регулируя давление и скорость напыления, экспериментаторы создали тонкие транспортные слои однородной толщины на больших поверхностях.

Производительность перовскитового модуля с диоксидом олова превысила 20%, а возможности масштабирования были продемонстрированы покрытием рабочей поверхности модулями 5х5 см, при этом масштабированный блок показал конверсию более 12%. На следующем этапе ученые намерены еще более повысить эффективность увеличенных солнечных модулей.

 

 

 

Искусственный фотосинтез

Ещё одним шагом становится искусственный фотосинтез, при котором солнечные лучи участвует в химических реакциях, направленных на декомпозицию воды для образования водорода.

Изначально так назывался процесс ускорения фотосинтеза в самих р астениях. Группа немецких ученых во главе с Тобиасом Эрбом из Института микробиологии почвы Общества Макса Планка подробно описала искусственный способ преобразования диоксида углерода в органические элементы.

Технология, описанная учеными, помимо более эффективного преобразования углекислого газа в атмосфере, может также использоваться для дальнейших практических разработок: например, продукты переработки углекислого газа потенциально могут применяться для создания основанного на углероде корма для крупного рогатого скота.

 

 

Во время фотосинтеза растения и другие организмы, такие как водоросли и цианобактерии, превращают солнечную энергию в химическую, которая впоследствии используется в качестве топлива для дальнейшей жизнедеятельности. В растениях световая энергия солнца заставляет электрон быстро перемещаться по клеточной мембране, и он никогда не возвращается в исходную точку. В искусственных солнечных элементах электроны часто возвращаются, теряя энергию. Именно поэтому поглощение солнечной энергии в растениях настолько эффективно.

Перенос электронов из инвертированной области был описан Рудольфом Маркусом еще в 1992 году, за что он даже получил Нобелевскую премию по химии. До сих пор этот механизм не был смоделирован в естественных условиях.

Растения для этого используют хлорофилл. Он содержится в листьях и захватывает солнечный свет, а набор ферментов и других протеинов использует этот свет, чтобы расщепить молекулы воды в водород, электроны и кислород (протоны). Электроны и водород используются, чтобы превратить СО2 в питательные вещества для растения, а кислород выходит в атмосферу.

Чтобы воссоздать фотосинтез в искусственных условиях необходимо два ключевых этапа: способность собирать солнечную энергию, и способность расщеплять молекулы воды.

Но в отличие от природного фотосинтеза, необходимо, чтобы выходом был не кислород, а водород (или другой биогаз, например, метан).

Универсальной такой установки нет. Искусственный фотосинтез пока процесс исключительно экспериментальный и для того, чтобы его запустить ученые используют совершенно разные подходы. И все они пока только для лабораторий. Но есть общее понятие для среды, в которой происходит искусственный фотосинтез — «искусственный» лист.

 

 

 

Искусственный лист — то самое место, куда помещают полупроводники и живые бактерии, на которые светит солнечный свет. Впервые искусственный лист (фотосинтетическую биогибридную систему) успешно испытали не так давно — в апреле 2015.

Есть ученые, которые разрабатывают полностью искусственный фотосинтез (абиотичный). Они имитируют естественный процесс, без привлечения живых организмов.

Есть разработки, которые используют живые организмы (пока только бактерии и отдельно взятые клетки), заставляя их генерировать энергию в виде водорода, или другого биотоплива. Сегодня именно это направление считается одной из самых перспективных технологий развития искусственного фотосинтеза. 

В Лаборатории Algenol во Флориде проводят такой эксперимент на цианобактериях (тоже способны к фотосинтезу, но значительно проще поддаются генетическому вмешательству, чем клетки хлоропласта в листьях).

 

поля искусственных листьев Algenol

 

В отношении солнечных панелей — это аналогия работает по тому же принципу.

Такие устройства еще не достигли уровня реальных коммерческих продуктов, поскольку для поддержания химической реакции часто требуется дополнительный источник энергии. Но концепция снабжения электролизера солнечной энергией для выработки водорода стремительно развивается.

 

 

Сотрудники американской лаборатории Lawrence Berkeley совместно с коллегами из Германии изобрели уникальную гибридную технологию, позволившую одновременно получать водород за счет расщепления воды и электричество с помощью фотовольтаики.

Ученые продемонстрировали пилотную модель, которая уже вырабатывает два вида энергии с помощью водородного и кремниевого фотоэлементов.

Устройство называется «Гибридные фотоэлектрохимические и фотовольвические элементы для одновременного химического топлива и выработки электроэнергии».

Эта инновационная солнечная панель способна поглощать более 20% солнечного света и выдавать 6,8% водорода и 13,4% электричества.

 

 А что же в Украине?

В Виннице начал работу первый завод по производству солнечных панелей. Инвестиции составили 5.млн. евро от компании KNESS. Компания только недавно перестроилась на зеленую энергетику. Они уже установили 33 солнечных станции по 225 МВт в 7 областях Украины.

Сейчас завод по производству рамочных и безрамочных панелей площадью 6,6 тыс. кВ. м построили за год. Фотоэлементы закупают за рубежом.

 

Все характеристики производимых солнечных панелей отвечают мировым стандартам, что позволит реализовывать продукцию не только в Украине.

 

А тем временем…

Уже двусторонние солнечные батареи делают «первые шаги» в коммерческих проектах. До этого их активно использовали в космосе. Впервые они появились  в 2005 году, а рабочие образцы бытового форматта были показаны — в 2012.

Для изготовления двухсторонних батарей используют фотоэлементы, способные «впитывать» солнечное излучение двумя поверхностями — лицевой и тыльной. Поэтому электроэнергии выдают они больше, чем односторонние классические устройства.

 

 

Величина получаемой дополнительной энергии двухсторонними системами солнечными зависит напрямую от солнечного света, попадающего на обратную сторону двухсторонней солнечной батареи.

Помимо солнца, участвует в росте эффективности внутреннее освещение объекта, падающее на обратную сторону панели с наступлением темноты и преобразующееся фотоэлементами в электричество. Угол, под которым располагают двустороннюю конструкцию подбирается в каждом конкретном случае. Эффективность выработки энергии при этом, по сравнению с односторонними, может вырасти на 50%.

 

 

Лицевая и тыльная стороны имеют одинаковую возможность к поглощению энергии Светила.  Прямые лучи на панель двухстороннюю попадают в разное время дня.

При отражении от травы и земли (коэф. отражения 25%) – это дополнительные 10%;

От бетонной поверхности серого цвета, имеющий коэффициент отражения 50 % — 25%;

От крыши светлого цвета (коэфф. Отражения 78%) – 25%;

От снега (коэфф.90%) – 30%.

 

Сегодня продвинутые дизайнеры о панели двусторонних устройств интегрируют в постройки – рестораны, гостиницы, агрокомплексы, конференц-залы. 

Такое применение открывает новые перспективы.

 

Гелиоархитектура.

В мире строится немало эффектных конструкций, тем или иным способом использующих солнечную энергию, вот несколько примеров, демонстрирующих чудеса современной гелиоархитектуры.

Гелиоархитектура – это не просто солнечные панели, закрепленные на внешней стороне здания. Экологически ориентированные архитекторы, использующие солнечные системы, должны учитывать и такие моменты, как максимальное воздействие солнца, оптимальная форма для правильного распределения тепла, а также выполнить все таким образом, чтобы это было эстетично.

 

 

 

Башня Chicago Solar Tower

Этот небоскреб почти всегда остается защищенным от солнца благодаря улавливающим лучи солнечным панелям, которые вращаются подобно подсолнечнику, следуя за солнцем в течение дня.
Панели расположены так, чтоб обеспечивать тень для полов в здании, но при этом не препятствовать обзору. Дизайнеры не сомневаются, что внешний вид конструкции обеспечит жителям города новые и незабываемые впечатления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Башня Almeisan Tower

Словом «Almeisan» арабы называют одну из самых ярких звезд на небосклоне из созвездия Близнецов. Оно отлично подходит в качестве названия для башни, которую, несомненно, можно будет легко увидеть с большого расстояния благодаря сиянию на ее верхушке.

 

 

Эта поразительная башня, спроектированная архитектором Робертом Перри, обеспечивает энергией не только себя, но и в полной мере остальную часть парка. Больше двухсот больших отполированных зеркал на верхней платформе башни вращаются, чтобы уловить солнечные лучи, отражая их в центральный накопитель. Полученная энергия используется для создания пара, который, в свою очередь, приводит в движение турбину.
Кроме прочего, башня станет отличным культурным центром. Обзорная площадка на верхней части обеспечит фантастические виды.

 

Башня Solar City Tower

Башня “Солнечный город” (Solar City Tower) – это целый завод по производству солнечной энергии; эта конструкция будет питать и Рио, и Олимпийскую деревню, в том числе и по ночам, когда энергия будет генерироваться благодаря системе перекачки морской воды. Башню можно будет использовать как городскую плазу и амфитеатр, на площадке, которая будет находиться на высоте 60 метров над уровнем моря, будут поводиться общественные встречи и собрания. На высоте 105 метров, со стороны Атлантического Океана, за водопадом, будет кафе и магазин.

 

 

 

 

Вертикальная деревня Vertical Village

Целые комплексы солнечных панелей сверкают под палящим солнцем пустыни, но настоящий гений вертикальной деревни в том, как расположены все элементы структуры. Ведь благодаря точному дизайну здание остается прохладным, обеспечивая в то же время максимальное накопление солнечной энергии. Каждая стена направляет расположенные на ней панели в сторону солнца, затеняя при этом помещения благодаря точно рассчитанному положению.

 

 

Комплекс Vertical Village был спроектирован специалистами из компании GRAFT Architects для Дубая, ОАЭ. Он включает в себя жилые и развлекательные зоны, а также отель. Архитекторы пообещали научить дом аккумулировать энергию самого мощного из возобновляемых источников энергии пустыни – Солнца.

Комплекс организован так, чтобы свести к минимуму поступление в помещения излишнего солнечного тепла с помощью тени, отбрасываемой зданиями, и обеспечить максимальную выработку электроэнергии.

 

 

В южной части площадки сконцентрированы солнечные коллекторы, зафиксированные под оптимальным углом по отношению к Солнцу. Здание должно получить как минимум рейтинг Gold по стандартам энергоэффективности LEED.

 

 

Каждое из высотных зданий, в которых разместятся отель и квартиры, получило свою собственную форму. Тем не менее, благодаря общим элементам и материалам комплекс смотрится действительно однородным и гармоничным.

 

 

 

Здание-яйцо Cybertecture Egg

На создание конструкции дизайнеров вдохновил, по их словам, взгляд на мир как на планету, являющуюся автономным объектом с экосистемой, которая позволяет жизни существовать, расти и развиваться.
Яйцеобразная форма офисного здания служит не только для внешнего эффекта.

 

 

В нем будет использоваться пассивная солнечная система, необходимая для регулирования температуры внутри здания путем уменьшения накопления тепла и снижения энергетической нагрузки. Внутри будут расположены сады, обеспечивающие тень и природную эстетику. Так, в верхнем острие яйца будет находиться висячий сад, который поможет охладить здание.
Конструкция будет получать энергию от солнечных панелей и ветротурбин на крыше, а орошения сада будет обеспечиваться водой, собранной в самом здании.

 

 

Фрайбург – город на солнечных батареях

Одно дело – построить энергетически автономный дом или здание, а совсем другое – создать целое поселение, которое производит больше энергии, чем потребляет. Именно это удалось воплотить в жизнь дизайнерам солнечного города во Фрайбурге, Германия.

 

 

Здесь построили сразу два жилых комплекса – Solarsiedlung и Sonnenschif.  Эти здания полностью соответствуют стандартам пассивных домов (Passivhaus).

Расположенные на крышах комплексов солнечные панели производят энергии в 4 раза больше, чем это необходимо для функционирования самих зданий. 

Продуманные технологии и использованные материалы привели к тому, что Solarsiedlung и Sonnenschif практически не испытывают нужды в дополнительных источниках искусственного освещения. Внутренние помещения через большие окна получают огромное количество солнечного света. Кровля зданий выполнена так, что летом она выполняет функцию навеса и защищает здание от перегрева, в зимнее время, наоборот, крыша пропускает солнечные лучи и позволяет помещениям нагреваться.

 

 

В комплексе Sonnenschiff имеются пентхаусы, которые могут похвастаться своими висячими садами, которые не дают крыше нагреваться. На крыше здания установлена система сбора дождевой воды, используемой для полива растений и технических нужд.

Верхняя часть домов в поселении сделана из фотоэлектрических панелей, и все они точно направлены в нужную сторону, действуя при этом еще и как гигантский противосолнечный козырек. Таким образом, даже когда солнце нещадно нагревает крыши, жители домов могут наслаждаться прохладой.

 

 

Сердцем этого солнечного поселения является коммерческое здание Sonnenschiff, которое представляет собой еще одно чудо гелиоархитектуры. В действительности оно является первым коммерческим зданием в мире, обеспечивающим своих обитателей солнечной энергией.

Технологии экомии света, тепла и энергии продолжаются. В любом случае — просто изнывать от жары и тратить Солнце по напрасну нынче — почти преступление.

 

 

 

Комментарии 0

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.