Солнечной энергетике без малого 70 лет. Часто так складывается, что бурное развитие сопровождает новые решения лишь на старте, со временем же находятся оптимальные решения, которым сформировавшаяся отрасль следует десятилетиями. Но это совсем не о солнечной энергии! Возможно, так динамично, как сейчас, она еще не развивалась. Рекорд устанавливается за рекордом, совершенствуются технологии, переосмысливаются концепции и области применения. Знакомим вас с основными на наш взгляд тенденциями развития фотогальваники в 2022 году.
Новая архитектура: TOPCon и HJT
На сегодняшний день восемь из десяти лучших солнечных панелей на рынке основаны на технологии PERC, и только одна в среднем выпущена на основе более высокоэффективных конструкций элементов, таких как TOPCon и HJT. Однако, технология PERC достигла своего предела эффективности 24–25%. Это стало основной движущей силой к более пристальному изучению других видов архитектуры фотогальванических ячеек.
Ряд крупнейших производителей фотоэлектрических модулей, включая Jolywood, LONGi Solar и Jinko Solar, выпустили продукты с технологией TOPCon в течение последнего года. Jinko Solar сосредотачивает свои инвестиции на передовых технологиях N-типа, а не на зрелых PERC, и подтверждает свой курс выпуском серии Tiger Neo. Их новейший модуль Tiger Neo 620 Вт имеет КПД преобразования энергии до 22,1% и имеет выходную мощность от 590 до 620 Вт. Модуль Jolywood Niwa Max с КПД 22,53% и выходной мощностью 700 Вт, также изготовленная по технологии TOPCon, представляет еще один тренд солнечной энергетики - переход на пластины крупного формата G12.
Солнечный элемент HJT состоит из трех чередующихся, как в сэндвиче, слоев кристаллического и аморфного кремния. По сути он объединил два разных поколения солнечных элементов в один, при этом показывая рекордную на сегодня эффективность преобразования. К этой технологии обратились такие крупные игроки, как Panasonic, Risen, Hevel, Huasun. Не обходят вниманием ее и молодые предприятия вроде китайской GoldenSolar или индийской Reliance Industries Limited.
Согласно последнему отчету немецкого союза VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) рыночная доля пластин n-типа увеличится в ближайшие 10 лет с нынешних 20% до 70%. Технология кремниевых гетероструктурных солнечных элементов отвоюет себе 19%, а классические панели BSF к 2024 году исчезнут из ассортимента большинства топовых производителей.
Размер имеет значение: M10 и G12
Одним из технологических трендов в промышленности по выпуску солнечных модулей является переход на кремниевые пластины более крупных форматов. Такой формат позволяет увеличить максимальную мощность модуля при том же количестве фотоэлектрических ячеек.
Увеличение размеров пластин, по большому счету, идет постоянно. Сорок лет назад стандартная длина стороны кремниевой пластины составляла всего около 100 мм. В 2012 году был внедрен тип M0 с длиной ребра 156 мм, в настоящее время абсолютно доминирующим стандартом стал размер М6 (166 мм).
Но по мнению аналитиков окончательный переход на большой формат неизбежен в ближайшие годы. В 2019 году компания Risen впервые представила солнечные модули G12 (210 мм), в 2020 - несколько производителей вывели на рынок формат М10 (182 мм), который многие назвали “золотым стандартом”. И уже во второй половине 2021 года доля крупных пластин M10 и G12 в совокупности впервые превысила 50% и продолжает расти, постепенно вытесняя все другие форматы. Прогноз китайской ассоциации солнечной промышленности (CPIA) обещает, что к 2027 году на рынке будут представлены только пластины размером 182 мм и больше.
Интеграция солнечных модулей в здания
К середине века почти 70% населения планеты станут урбанизированными, такой прогноз в 2018 году дал Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН. Это значит, что спрос на электроэнергию в городах будет только возрастать, что окажет негативное воздействие на окружающую среду и климат. Имея плотную застройку, города не могут похвастаться большими площадями для солнечных станций. Размещение же мощных ветроустановок в черте населенного пункта невозможно по санитарным нормам. Как же сделать города более экологичными в будущем?
Выход предлагает технология BIPV - Building-integrated photovoltaics. Она подразумевает замену некоторых традиционных строительных материалов энергогенерирующим оборудованием и превращает обычные городские здания в электростанции, вырабатывающие чистую и бесплатную электроэнергию.
Ярким примером BIPV являются прозрачные солнечные стекла. Они изготавливаются из новых тонкопленочных материалов: аморфного кремния или перовскита, материала активно изучаемого в последние годы. В результате получается стекло, которое совмещает в себе функции и окна (так как пропускает большую часть солнечного света), и устройства для выработки энергии (часть света все же будет преобразовываться в электричество). Солнечное окошко вполне может зарядить ваше мобильное устройство в ясный день. Но в сегодняшних реалиях этот материал все же достаточно дорог, поэтому относится скорее к перспективным.
Гораздо проще интегрировать в постройки полупрозрачные панели на основе кристаллического кремния. В них используются такие же солнечные элементы, как и для обычных модулей, но располагаются не по всей площади стекла, оставляя свободные места для проникновения света. Такие панели дешевле, так как фотоэлектрические модули для них производятся серийно, стабильнее в работе и обладают более высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в сравнении с перовскитными аналогами.
К этому же тренду можно отнести и солнечную черепицу - покрытие, совмещающее в себе кровельный материал и солнечную мини-электростанцию. Solar Roof, новинку в мире солнечной энергии, Илон Маск представил публике в конце 2016 года, однако повсеместной популярности разработка до сих пор не приобрела. Дело не только в высокой стоимости, но и в сложности монтажа, а также в огромном количестве точек подключения проводки. Но сама задумка по-прежнему будоражит умы разных корпораций, то и дело представляющих аналогичные продукты с более низкой стоимостью или более простым способом установки.
Где солнце встречается с водой: плавающая фотогальваника
Плавающие солнечные станции - относительно новая разработка. Первые патенты на эту технологию появились лишь в 2008 году. Но аналитики уже назвали ее одной из опор мирового рынка фотоэлектрических систем. Что собой представляет плавучая электростанция? Массив из фотоэлектрических модулей закрепляется на специальной плавающей платформе, удерживающей их над поверхностью воды. Чаще всего такие системы располагаются на искусственных водоемах и озерах, где нет больших волн. Однако, в Азии уже есть примеры расположения и на относительно спокойных морских участках.
По оценкам экспертов в настоящее время в 40 странах мира действует около 400 электростанций на воде общей мощностью более 3 ГВт. В течение ближайших четырех лет по прогнозам мощность плавающих фотоэлектрических установок будет ежегодно увеличиваться более чем на 20%, причем две трети этого роста ожидается на таких рынках, как Китай, Индия, Индонезия, Южная Корея, Тайвань, Таиланд и Вьетнам. В Азии особенно заметен размах новой технологии: в конце 2021 года Китай запустил крупнейшую в мире плавучую солнечную станцию мощностью 320 МВт на одном из водохранилищ страны рядом с ТЭС.
Последние 5 лет в Европе также наблюдается тенденция по увеличению количества плавучих установок. На искусственных озерах бывших угольных шахт в Германии возможно разместить до 56 ГВт плавающих фотоэлектрических систем. Греция в этом году планирует начать строительство нескольких подобных объектов в центральной области страны общей мощностью 265 МВт. Голландские исследователи определили потенциал своей страны с использованием только внутренних вод в 25 ГВт.
Плавучие ФЭС все еще могут расцениваться как нишевая область, особенно в Европе, но с каждым годом это решение становится все более привлекательным. Основная причина этого заключается в том, что солнечные станции на воде помогают разрешить конфликт землепользования с сельскохозяйственным сектором, который рассматривает крупные наземные фотоэлектрические установки как растущую угрозу для своего и без того сокращающегося запаса сельскохозяйственных земель. Стоит также отметить, что плавучие станции могут генерировать больше энергии на гектар, чем их наземные аналоги. Это связано с тем, что охлаждающий эффект воды увеличивает производительность солнечных модулей на несколько процентных пунктов. Кроме того, есть данные о том, что в водоемах, над поверхностью которых установлены панели, заметно сокращается разрастание водорослей и испарение воды.
Почему при всей кажущейся привлекательности такого рода объекты до сих пор не заполонили все технические водоемы мира? На то есть значимая причина - более высокая стоимость в сравнении с традиционными установками, которая, впрочем, будет снижаться по мере дозревания технологии.
Внедрение солнечных технологий на поля и пастбища: агровольтаика
Агровольтаика. Еще одно модное словечко в солнечных кругах. Молодая отрасль - симбиоз энергетики и сельского хозяйства - предусматривает одновременное использование территорий и для получения урожая, и для выработки чистой энергии. Причем фотоэлектрические модули могут размещаться не только на полях, но и в плодовых садах, пастбищах и рыбных фермах. Ранее мы уже касались этой темы.
В начале года президент Франции Эммануэль Макрон назвал агровольтаику одним из основных столпов энергетической системы Франции наряду с крышными и наземными станциями. И слова не расходятся с делом. Один из пионеров отрасли, компания Sun'Agri, недавно сообщила о начале очередного проекта по выращиванию персиков, абрикосов и вишни под солнечными панелями, расположенными на специальных опорах. Engie Green, подразделение французской энергетической компании, строит демонстрационную вертикальную фотоэлектрическую систему мощностью 100 кВт на пастбище. Проект предназначен для изучения воздействия солнечных модулей на микроклимат лугов, а также поведения крупного рогатого скота и совместимости с использованием сельскохозяйственной техники.
Активно изучается “дуальное фермерство” и в азиатском регионе. Несколько лет под солнечными панелями в Китае успешно выращивают ягоды годжи. А недавно страна заявила о завершении строительства крупной солнечно-рыбной фермы мощностью 550 МВт на пруду в провинции Чжэцзян. По заверениям разработчиков рыба прекрасно себя чувствует под крышей из 1,4 миллиона монокристаллических солнечных модулей.
Мы видим, как год от года обостряется конфликт между аграрным сектором и возобновляемой энергетикой за землю. Для предотвращения глобальной экологической катастрофы нужны территории для наращивания количества солнечных и ветряных энергоустановок. Эти же площади нужны и для удовлетворения спроса на продовольствие растущим населением Земли. Как разрешить эту затруднительную ситуацию? Наиболее очевидным является размещение электростанций на воде (предыдущий тренд) или совместное использование одних и тех же земель. Вероятнее всего, тренд на агровольтаику укрепится и со временем станет повсеместной реальностью.
Новые области применения в транспортном секторе
Автономность. Солнечные компании интегрируют фотоэлектрические системы с каждым аспектом нашего окружения, сводя к минимуму потребность в дополнительном землепользовании. В более ранних материалах можно прочитать о применении солнечных панелей для функционирования различных автономных объектов вроде осветительных приборов, камер видеонаблюдения или электрических пастухов. Сегодня чуть больше о симбиозе фотогальваники с транспортным сектором.
Чтобы покупатели охотнее сменили дизельные автомобили на электрокары, необходима развитая сеть зарядных устройств, причем не только в крупных городах, но и на трассах. Все чаще новые зарядные станции выглядят так:
Их можно установить в любом месте вне зависимости от наличия линий электропередач. Плюс ко всему автомобиль получает абсолютно экологически чистое “питание”.
Вдалеке от шума автострад. Идея объединения шумозащитных экранов с солнечными панелями родилась еще в 1989 году. Однако широкого распространения конструкция не получила ввиду незрелости технологий и их дороговизне. Сегодня на эту технологию снова смотрят с интересом, ведь она позволяет расширять фотоэлектрическую мощность и при этом не требует дополнительных земельных участков. Кроме того, это эстетически привлекательное решение.
Для сооружения таких экранов могут использоваться звукопоглощающие двусторонние модули, либо обычные, прикрепленные к уже существующим заграждениям. Идею интеграции солнечной энергии в шумозащитные экраны рассматривают не только для применения на автострадах, но и для железной дороги. В ряде европейских стран подобные проекты уже реализованы, в частности в Германии, Австрии, Нидерландах и Швейцарии. Появились соответствующие новости и из азиатского региона. Особенно заинтересовалась этой возможностью Южная Корея, начав масштабные проект по установке солнечных экранов вдоль железнодорожных путей.
Гибридные решения
Приверженцы и противники солнечной энергетики знают ее самое слабое место - непостоянство генерации, связанное с плохой погодой и естественной сменой дня и ночи. Преодолеть это обстоятельство ученые пробуют по-разному: кто-то разрабатывает солнечные ячейки, способные работать в сумерках, а кто-то пытается совместить разные технологии в одном устройстве. Посетители последней выставки InterSolar 2022 в Мюнхене смогли увидеть, например, солнечную панель с мини-ветрячками по краю.
Больше внимания разработчики стали также уделять тепловой солнечной энергии и выпустили на рынок гибридный солнечный тепловой и фотоэлектрический коллектор.
“Собирая” солнечную энергию, он может и подогреть воду до 100 °C, обеспечивая горячее водоснабжение и отопление помещения, и одновременно вырабатывать электричество. В настоящее время в эксплуатацию вводятся считанные объекты такого плана, в том числе для культурных достопримечательностей стран Европы. Тем не менее, эксперты считают технологию недооцененной и ожидают, что к 2026 году мировая гелиотермальная отрасль вырастет до 36 млрд долларов. По данным Международного энергетического агентства, к 2050 году солнечная тепловая и геотермальная энергия будет удовлетворять 75% всего спроса на тепло.
«Солнце — эта электростанция в небе — снабжает Землю достаточным количеством энергии, чтобы многократно удовлетворить все мировые потребности в энергии. Оно не выделяет углекислый газ. Оно не иссякнет. И это бесплатно».
