Почему небоскребы не оборудованы солнечными батареями

Главным потребителем электричества в разных странах мира являются здания. По совокупному потреблению электроэнергии в некоторых странах здания опережают транспорт или промышленность. Чтобы разгрузить общую энергосистему, многие здания оснащаются сейчас солнечными батареями, которые могут не только обеспечить их электричеством, но и некоторую часть энергии отдавать в магистральную электросеть. Правда, гелиевыми энергоустановками оборудуются, в основном, малоэтажные здания. А как же небоскребы? Почему небоскребы не оборудованы солнечными батареями? Ведь площади их внешних поверхностей такие, что установленные на них солнечные батареи вполне смогли бы обеспечить электричеством не только сам небоскреб, но и соседние здания.

Солнечные небоскребы: «за» и «против»

Еще лет 15 назад вопрос о солнечных батареях на небоскребах вообще не стоял. Высоченные сооружения, имеющие в плане небольшую площадь, не могли разместить на своих крышах такое количество гелиевых панелей, которое обеспечивало бы небоскребу автономное электроснабжение. Размещение громоздких и тяжелых модулей по стенам небоскреба было чревато серьезными издержками. Во-первых, резко возрастал вес самого сооружения. Во-вторых, у такого здания стены представляли бы собой ассиметричную нагрузку: минимум одна стена (южная), а максимум три (восточная, южная и западная) весили бы значительно больше оставшихся. Следовательно, потребовались бы нестандартные решения при расчете прочностных характеристик.

Главным потребителем электричества в разных странах мира являются здания. По совокупному потреблению электроэнергии в некоторых странах здания опережают транспорт или промышленность. Чтобы разгрузить общую энергосистему, многие здания оснащаются сейчас солнечными батареями, которые могут не только обеспечить их электричеством, но и некоторую часть энергии отдавать в магистральную электросеть. Правда, гелиевыми энергоустановками оборудуются, в основном, малоэтажные здания. А как же небоскребы? Почему небоскребы не оборудованы солнечными батареями? Ведь площади их внешних поверхностей такие, что установленные на них солнечные батареи вполне смогли бы обеспечить электричеством не только сам небоскреб, но и соседние здания.

Солнечные небоскребы: «за» и «против»

Еще лет 15 назад вопрос о солнечных батареях на небоскребах вообще не стоял. Высоченные сооружения, имеющие в плане небольшую площадь, не могли разместить на своих крышах такое количество гелиевых панелей, которое обеспечивало бы небоскребу автономное электроснабжение. Размещение громоздких и тяжелых модулей по стенам небоскреба было чревато серьезными издержками. Во-первых, резко возрастал вес самого сооружения. Во-вторых, у такого здания стены представляли бы собой ассиметричную нагрузку: минимум одна стена (южная), а максимум три (восточная, южная и западная) весили бы значительно больше оставшихся. Следовательно, потребовались бы нестандартные решения при расчете прочностных характеристик.

Кроме того, неизбежно возник бы вопрос, какую часть стен покрывать гелиевыми модулями. Ведь, пока построено одно здание, стены его щедро освещаются солнцем, все солнечные панели работают на полную мощность, нет никаких проблем. Но вот рядом выстроят второй, третий небоскреб. И часть солнечных модулей будет, если не постоянно, то большую часть времени затенена и не сможет вырабатывать нужную мощность. Еще один существенный момент. Если располагать солнечные панели строго вертикально, образуя из них гладкую стену, то эффективность их будет значительно меньше расчетной, так как некоторая часть солнечного излучения будет отражаться от поверхности модуля, не участвуя в процессе фотоэлектропреобразования. А ставить панели под углом к вертикали – это дополнительные конструкции, а значит, и дополнительный вес.

Тем не менее заманчивость идеи превратить небоскреб в полностью автономный, энергонезависимый объект не оставляла всех, кто так или иначе был связан с гелиевой фотовольтаикой и строительной индустрией. Ученые во всем мире работали и работают над созданием таких фотоэлектрических преобразователей, которые органично вписывались бы в архитектуру и дизайн любого здания. В результате этих усилий появились тонкопленочные гелиевые фотоэлементы, которые принципиально изменили подход к проектированию зданий различной формы и величины, вплоть до гигантских небоскребов.

Уже сейчас строители используют в своих проектах перспективные материалы и технологии, которые позволяют делать большие здания действительно энергонезависимыми. Наиболее перспективными на текущий момент считаются полимерные пленки на базе ячеек Гретцеля. Ярким примером их применения служит недавно построенный Конференц-центр в Швейцарии, в Лозанне.

Конференц-центр в Лозанне

В одной из лабораторий Германии ученые разработали строительный материал, который, обладая всеми характеристиками бетона, способен также преобразовывать энергию солнечного света в энергию электрическую. А исследователи другой лаборатории получили влаго- и термостойкую бумагу, на которую был нанесен фоточувствительный слой. В Нидерландах ученые работают над наноструктурами с переменным коэффициентом преломления, которые при нанесении на фотоэлектрические преобразователи могут в разы повысить их эффективность.

Небоскребы – солнечные электростанции

Появление тонкопленочных полимерных фотоэлектрических преобразователей сразу дало толчок к принципиально новому подходу к проектированию зданий. Строгие гладкие фасады небоскребов строители начали покрывать такими пленками, нанося их посекционно на облицовочные панели. С появлением прозрачных пленок ими стали покрывать оконные стекла, превращая каждое окно в миниатюрную электростанцию. Причем для таких пленок не имело значения, на какую сторону будут они ориентированы, так они могли генерировать электричество даже при рассеянном свете. Суммарная мощность, вырабатываемая всеми солнечными модулями, может доходить до десяти-двенадцати мегаватт.

Одним из примеров солнечного небоскреба может служить небоскреб Maintower (Главная Башня) банковской метрополии Франкфурта-на-Майне. Изначально этот небоскреб проектировался как обычная башня, высотой 200 метров и передающей антенной на самом верху, высотой почти 50 метров. Но на стадии проектирования электрики предложили архитекторам заложить возможность перевода сооружения на автономное электропитание от солнечных батарей. Архитекторы это предложение приняли, в результате был заложен солидный запас прочности, здание весом в 200000 тонн готово было принять и дополнительную нагрузку.

Главная Башня во Франкфурте-на-Майне

Как выяснилось впоследствии, такой запас прочности оказался излишним. Появились тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи, вес которых был неизмеримо меньше традиционных солнечных панелей. Однако строители не спешили начинать работы по переоборудованию Главной Башни.

Появились прозрачные тонкопленочные гелиевые преобразователи, которые можно было наносить на оконные стекла. Вот тогда и началась основная работа. 2550 окон небоскреба были покрыты тонкопленочными солнечными батареями. Суммарная мощность производимого электричества составила более четырех мегаватт. К концу 2015 года Главная Башня Франкфурта-на-Майне стала настоящей электростанцией, которая полностью обеспечивает электроэнергией все свои службы.

Английский Манчестер не особенно богат солнечными днями. Тем не менее до недавних пор именно в этом городе был самый крупный солнечный объект в Европе – башня Кооперативной Страховой Компании – CIS Service Tower. Эта башня высотой 122 метра с 25 этажами была построена в период с 1959 по 1962 год и была самым высоким зданием в Манчестере. Изначально фасады башни были покрыты небольшими мозаичными плитками. Но через 40 лет эксплуатации здания эти плитки были сбиты, и на их место были установлены солнечные батареи.

Башня CIS Service Tower

Эти батареи были смонтированы на трех фасадах здания – восточном, южном и западном. Общая площадь гелиевых панелей составила 3200 квадратных метров. Были использованы 5000 солнечных панелей по 80 ватт каждая. Общая мощность этих батарей составила 400 киловатт. Конечно, полностью обеспечить электроэнергией здание, в котором работают 4000 человек, имеются многочисленные рестораны, магазины, лифты, прочее электрооборудование эти панели не могут. Но они могут значительно снизить потребление электричества из общей энергосистемы.

Современные тонкопленочные технологии фотовольтаики находят самое широкое применение в строительстве. Достаточно сказать, что сегодня в ОАР, Сингапуре, Пекине, других городах строятся около десятка гигантских небоскребов, которые будут работать исключительно на солнечном электричестве. И не случайно в эту отрасль ежегодно вкладывается более восьми миллиардов евро во всем мире.