Для большинства американцев уже сегодня идеальный дом должен иметь панорамные окна от пола до потолка, свободно пропускающие солнечный свет. Однако летом такие окна сильно нагреваются, а зимой служат плохой защитой от холода. В результате немалые суммы домохозяйства тратят на охлаждение и обогрев, и именно эту тенденцию решила изменить калифорнийская компания Ubiquitous Energy. Причем потенциально – в глобальном масштабе.
Директор по развитию бизнеса, Вирал Хардев, называет главной задачей компании «Вездесущая энергия» (именно так ее название переводится на русский язык) превращение любого домашнего остекления в сплошную, генерирующую энергию, поверхность.
Как зародилась «Вездесущая энергия»
Идея создания Ubiquitous Energy появилась в кампусе Массачусетского технологического института, когда ее соучредитель, Майкл Барр, работал над своей докторской диссертацией. В частых разговорах с двумя друзьями, профессорами MIT Владимиром Буловичем и Ричардом Лантом, он часто обсуждал варианты, как сделать солнечные батареи дешевле и доступнее. Ученые с головой погрузились в квантовую физику, ведя поиск оптимального метода манипулирования спектром и селективного поглощения света фотоэлектрическими элементами.
«Обычные солнечные панели стремятся поглотить всю энергию солнца. И в идеале преобразовать максимум этого объема в электрический ток», – пояснил Хардев. «Но мы решили разработать устройство, которое будет полностью пропускать излучение видимой части спектра, и поглощать лучи только ультрафиолетовой и инфракрасной зоны».
Ученые основывались на том, что любые прозрачные поверхности – окна и крыши домов, стекла автомобилей, стены теплиц – могут иметь дополнительную функцию. И состоять она будет в параллельном поглощении солнечного излучения, в обычных условиях не приносящего никакой практической пользы. В 2011 году идея друзей воплотилась в создание Ubiquitous Energy. При этом концепция полностью прозрачных панелей взяла первый приз на конкурсе MIT Clean Energy Prize в категории возобновляемых источников энергии.
«Мы можем произвести настоящую революцию в представлении обывателей об обычных окнах», — продолжил Хардев. «В мире людей, окруженных «умными» вещами, окна не должны быть исключением! Это продукт, который полностью созрел для эволюции. В настоящее время окна статичны и выполняют только одну функцию. Мы собираемся создавать их интерактивными, способными стать дополнительным источником энергии».
Сегодня компания работает над тем, чтобы ее солнечные окна гармонично дополняли традиционные солнечные батареи на крышах. По словам CEO Ubiqitous Energy Майлза Барра, комбинация обоих решений без проблем сможет обеспечить полную энергетическую автономию даже сколь угодно крупных зданий. Иначе говоря, гарантировать, что такие дома будут производить не меньше электроэнергии, чем потребляют.
Как работают солнечные окна?
Текущий продукт Ubiquitous Energy – это окна размером 14 на 20 дюймов (35,5х50 см). В настоящий момент — это минимальный порог, с которого элементы остекления в США подлежат сертификации и использованию. В ближайшем будущем команда Ubiquitous Energy планирует выпуск более крупных окон, а также значительный общий рост производства.
Полностью прозрачные стекла, произведенные по технологии Ubiqitous Energy, покрыты органическим напылением толщиной всего 0,001 мм. Именно этот слой улавливает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи солнечного спектра и преобразовывает их в электрический ток. Энергия с поверхности окон может использоваться как для питания частных домов и офисов, так и для накопления в аккумуляторных батареях.
Новая технология чрезвычайно важна еще по одной причине. Новые законы Калифорнии требуют, чтобы все новые здания с 2020 года были оборудованы установками производства электричества из солнечной энергии. Компания Ubiquitous Energy предлагает выгодное решение этого вопроса, а также планирует распространить технологию на производство генерирующих энергию стекол автомобилей и электронных гаджетов.
Профессор Хардев добавляет: «Большая часть энергетического потенциала находится в инфракрасном диапазоне. Если солнечная панель не задерживает излучение той части спектра, который видят наши глаза, вы можете сделать устройство прозрачным и одновременно поглощающим энергию. Да, пока КПД таких поверхностей ниже, чем традиционных панелей. Но зато вы можете поместить его куда угодно».
«Предстоит еще много работы над тем, как заставить солнечное окно питать частный дом или коммерческое здание более эффективно. Но уже в настоящем продукция Ubiquitous Energy легко встраивается в стены «умных домов» и увеличивает их функциональность. Кроме того, конструкция окон позволяет легко распределять электроэнергию в нужных направлениях и обеспечивать максимальную эффективность там, где это необходимо», — сказал в заключение мистер Хардев.
Демонстрация возможностей на собственном примере
В конференц-зале в штаб-квартиры Redwood City компании Ubiquitous Energy свет горит круглосуточно. На первый взгляд это противоречит действующему в США негласному кодексу экономии энергии. Однако солнечные стеклянные окна генерируют ее намного больше, чем команда использует в конференц-зале. И потому назвать это расточительством нельзя.
Этот конференц-зал — первый тестовый образец новаторского продукта компании. 10 квадратных метров солнечных окон в нем снабжают энергией светодиодные лампы, а излишки генерации уходят в емкую аккумуляторную батарею. Вся электропроводка размещена внутри рам.
Изначально свет автоматически включался только на определенное время, когда в зал заходили люди. Но поскольку окна производили много избыточной мощности, а вывод ее в другие помещения не предусматривался, команда приняла решение перейти на круглосуточное освещение.
Следующий этап пилотной программы компании предполагал полное оснащение прозрачными солнечными панелями двух соседних коммерческих зданий. К сожалению, эпидемия COVID-19 временно приостановила запланированные работы. Однако в качестве демонстрации потенциала технологии Ubiquitous Energy профессор Хардев заметил, что во всем мире ежегодно устанавливается около 9 миллиардов квадратных метров стекол.
Сколько это будет стоить?
В американском «солнечном мире» все сводится к цене за киловатт-час. А для коммерческих потребителей электроэнергия в США очень дорога. По состоянию на начало 2020 года она составляет в среднем $1,80 за 1 кВт-ч. Анализ себестоимости Ubiquitous Energy показывает, что уже сейчас они находятся в диапазоне $1,50 кВт-ч. В целом этот показатель нельзя назвать низким для частного сектора, но коммерческим потребителям он выгоден. Кроме того, цена включает стоимость самих окон и их установку, что позволяет быстро вернуть свои инвестиции.
Высокая себестоимость связана со сравнительно небольшим сроком службы органической фотовольтаики. Однако этот показатель для панелей третьего поколения быстро растет, и обещает в ближайшем будущем сделать прозрачные окна выгодными для повсеместного внедрения.
Проблемы солнечных окон
В течение многих лет «солнечные» компании, специализирующиеся на монтаже фотоэлектрических батарей, сталкивались с рядом важных ограничений. Главные из них касались того, на крыши каких домов могли быть установлены классические панели – в зависимости от типа кровли, ее расположения и конструкций, способных затенять ячейки. Если объем солнечной инсоляции по расчетам оказывался недостаточным, установка системы теряла экономический смысл. Солнечные окна пока стоят перед аналогичными препятствиями.
Тем не менее, поскольку продукт Ubiquitous Energy все равно поглощают солнечное тепло, Хардев советует их установку в любом случае.
Во-первых, это позволит получать часть дополнительной энергии. Во-вторых, их наличие позволит существенно экономить электричество летом на работу кондиционеров. В-третьих, такие окна сами по себе более эргономичны, чем классические, что поможет снизить расходы зимой на отопление.
Как планируется продавать солнечные окна?
Текущие цены не позволяют Ubiquitous Energy рассчитывать на массовую продажу своей продукции уже сегодня. Руководители компании понимают, что выход на общенациональный уровень требует времени.
В настоящий момент «Вездесущая энергия» планирует сотрудничество с действующими поставщиками обычных окон, с целью обучения их предложению и установке инновационных конструкций Ubiquitous Energy. Это позволит продавать солнечные варианты в качестве отдельного «premium» предложения в магазинах крупных торговых сетей товаров для дома.
«Наше видение и великая миссия заключается в том, чтобы вывести эту технологию в мир и сделать ее доступной для всех», — говорит мистер Хардев. «Как и в случае с любой другой новинкой, поначалу она будет более дорогой с точки зрения стоимости. Но по мере роста масштабов продаж мы сможем быстро снизить текущие цены. В конечном итоге наша цель сделать так, чтобы получить эту технологию смог любой желающий».
Существует ли соревнование солнечных окон и крыш
Ubiquitous Energy не рассматривает производителей фотоэлектрических батарей для крыш как своих конкурентов. И не собирается вытеснять с рынка солнечные фермы.
«Мы считаем, что энергетически эффективная крыша сегодня является лучшим вариантом автономного обеспечения дома энергией», – говорит Хардев. «Но если у вас есть окна – они тоже должны быть солнечными».