Зачем делать фотоэлементы скользкими и тонкими?

В реальной жизни фотоэлементы сталкиваются с проблемами часто неожиданного характера, от решения которых тем не менее зависит сам факт их выживания на энергорынке. Справятся ли они с этими «вызовами повседневности»?

Все развитые страны, располагающие таким атавизмом, как производство солнечных батарей, находятся под колоссальным прессингом со стороны развивающегося мира. Называя вещи своими именами — в основном под давлением КНР. Европейцы уже запретили китайцам ввозить в ЕС такую продукцию дешевле чем по €560 за киловатт установленной мощности, а японцы недавно узнали, что в среднем импортные чайна-фотоэлементы обходятся островным потребителям на $480 за кВт дешевле, чем собственно японские. Но иначе и быть не могло, хотя здесь, конечно, интереснее другое: под бурным напором экспорта из Поднебесной задыхающаяся японская индустрия пытается хоть как-то оторваться от преследователя, и поэтому у неё получается кое-что весьма интересное.

Лёгкий шаг по раскалённым крышам

Asahi Glass Co Ltd. в этом году решила оснастить крыши своего производственного комплекса в Такасаго солнечными батареями общей мощностью 5 МВт. Но вот беда: несущая способность значительной части крыш оказалась лишь 10 кг/м², а удельный вес стандартной солнечной батареи (благодаря защитному слою из стекла) равен 12,5 кг/м². Впрочем, это частая ситуация; в таких случаях батареи ставят реже, что снижает мощность «электростанции на крыше». В описываемом случае было решено пойти по другому пути, применив новые фотоэлементы Fujipream Corp, использовавшей стеклянное покрытие Leoflex производства той же Asahi Glass. Толщина такого стеклопокрытия при равной прочности равна всего 0,8 мм против 3,2 мм у нынешних кремниевых батарей. В итоге их удельная масса падает до 6,4 кг/м², и их смело можно монтировать почти на любой крыше, собранной даже из тонких листовых материалов.

Что не менее важно, теперь при креплении можно обойтись лёгкой рельсовой направляющей и зажимами, без необходимости дырявить крышу болтами, а сам процесс установки по времени сократился вдвое. Учитывая, что именно стоимость монтажа сегодня достигает трети цены фотоэлементных мощностей, это очень значимо для удешевления — настолько, что на этом фоне меркнет даже более высокая цена Leoflex. Впрочем, Asahi Glass утверждает, что массовое производство позволит серьёзно сбросить цену на Leoflex, ведь до сих пор продукт, по сути, был экспериментальным. С большой долей уверенности можно утверждать, что подобные облегчённые покрытия скоро начнут своё шествие и по остальном миру, удешевляя гелиомощности и повышая скорость их ввода.

В ряде областей лёгким фотоэлементам вообще нет адекватной замены: лёгкие средства транспорта, использующие энергию фотоэлементов для движения, часто весят считанные десятки килограммов. Солнечные батареи для них действительно полезны, благо покрывают до 60% энергопотребления, позволяя проехать много больше обычного. Но даже один квадратный метр фотоэлементов означает рост массы на 20% — а новые Fujipream-устройства снизят этот прирост вдвое.

Лёгкие батареи заняли значительную часть из 70 000 м² цеховых крыш. Это вызвало опасения производственников, ведь изготовление стекла — процесс, в котором выделяется огромное количество тепла, и для охлаждения помещений ранее использовались мощные разбрызгиватели водных капель, «поливавшие» крыши. Испарение жидкости охлаждало крышу, и вкупе с недешёвым кондиционированием воздуха помещений это снимало проблему. Предполагалось, что после установки фотоэлементов, из-за которых разбрызгиватели обессмыслились, затраты на охлаждение подскочат. Но на деле они уменьшились. Значительная часть энергии солнечных лучей преобразовывалась в электрическую, а другая часть переизлучалась в атмосферу в ИК-диапазоне, и в итоге температура в цехах даже упала, что позволило снизить затраты на кондиционирование: по сути, фотоэлементы как охладители оказались даже эффективнее былых разбрызгивателей!

Несколько неожиданная ситуация сложилась с эффективностью фотоэлементов в целом. При общей мощности в 5 МВт они генерируют в год 5,3 млн кВт, причём накопление пыли никак не влияет на эти цифры: панели установлены под углом 2°, из-за чего обычная дождевая вода смывает с них всё. Реальная энергоотдача оказалась даже несколько выше обещаний производителей, временами превышая потребности самой компании, особенно в летний полдень. Пользуясь ранее подключённой высоковольтной ЛЭП, Asahi Glass вынуждена продавать в сеть до 2 МВт выработки, по сути, из потребителя превратившись в одного из игроков энергорынка.

Рухнет ли солнечная энергетика под тяжестью снега?

Не менее интересные новинки можно увидеть на севере Японии. Климат там похолоднее, чем на юге европейской части России, то есть со снегом, который не даёт работать солнечным батареям, в тех местах всё в полном порядке. Для борьбы с ним можно увеличить угол установки батарей, однако пока в Японии не принято использовать фотоэлементы, отслеживающее положение солнца и постоянно меняющие угол наклона. Если же постоянный угол установки фотоэлементной панели сделать бóльшим (к примеру, 45°), то она покажет себя во всю силу даже зимой (солнце ходит низко). Правда, летом, когда светило стоит прямо над панелями, солнечные лучи, будут, так сказать, недоиспользованы. А уже при 35° снег с панелей почему-то сам не падает, что ставит энергобезопасность того же Хоккайдо под угрозу.

Из-за этого 5-мегаваттная вакканайская гелиоэлектростанция провела ряд опытов с обычными солнечными батареями, и оказалось, что снег можно заставить соскальзывать даже с батарей под углом 30° — оптимальным для неподвижных панелей. Рецепт «модификации» до смешного прост: достаточно было затереть щели между стеклянными поверхностями панелей силиконовой затиркой из ближайшего строймагазина. Как подчёркивается, в заводских условиях это можно сделать гораздо быстрее и дешевле (хотя операция и так вышла недорогой), однако производители, по всей видимости, просто не задумывались над эксплуатацией фотоэлементов в условиях снежной зимы. В то же время опыт показал, что даже при таких «скользких» панелях «снежная» проблема не исчезает, а лишь из краткосрочной угрозы становится долгосрочной: по мере выпадения осадков снег, скатывающийся с панели, скапливается под ней, со временем закрывая её уже в качестве сугроба. Впрочем, подняв панель на тонких стальных опорах на 2-метровую высоту, о снеге можно забыть.

В итоге, рапортует мэрия Вакканая, этот самый северный японский город показывает коэффициент использования установленных мощностей гелиоЭС в 10,1–11,8%, при общенациональном в 12%. Для сравнения можно сказать, что вышеупомянутая такасагская ЭС при мощности 5 МВт вырабатывает за год почти столько же, сколько вакканайская. Иными словами, солнечные электростанции вполне совместимы со снегом, и он довольно слабо влияет на их работу в целом — если, конечно, установка проводилась осмысленно и с учётом местных особенностей. Значимость этого вывода трудно переоценить, в том числе и для России: Вакканай — место похолоднее, скажем, Саратова или Воронежа, не говоря уже о более тёплых российских регионах, и при этом куда более облачное.