Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 84.

Солнечный дом - солнечный город

«Солнце разлито поровну. Вернее, по справедливости. Вернее, постольку разлито, кто сколько способен взять», - писал поэт Владимир Солоухин. На самом деле даровой и нескончаемой солнечной энергии «разлито» по Земле столько, что, если «взять» от нее всего-навсего 2 %, этого хватит, чтобы обеспечить человечество светом и теплом на многие тысячелетия. Но люди еще не научились в полной мере использовать столь щедрый дар природы, они делают лишь первые шаги в создании солнечной энергетики.

Традиционная энергетика: две стороны медали

В наши дни люди обеспечивают себя энергией в основном традиционными способами: строят тепловые электростанции, работающие за счет сжигания естественного сырья (газа, угля и нефти), возводят каскады гидроэлектростанций, использующих энергию бурных рек, и атомные станции, извлекающие энергию атомных ядер. Эти три главные составляющие энергетики, которую называют «кровеносной системой» цивилизации, с одной стороны, обеспечивают высокий уровень жизни, с другой - наносят огромный вред окружающей среде.

Всем известно, что естественные ресурсы истощаются. Но дело не в близком, как недавно думали, их исчерпании (запасов угля, например, хватит еще на многие сотни лет) - тревожит в первую очередь пагубное влияние использования невозобновляемых энергетических ресурсов на среду обитания человека. Главный недостаток сжигаемого на тепловых электростанциях (ТЭС) ископаемого горючего - загрязнение окружающей среды вредными выбросами. Даже ТЭС, работающие с использованием современных высокоэффективных технологий, таких, как сжигание угля в кипящем или циркулирующем кипящем слое, с экологической точки зрения далеко не безупречны. Кроме того, невосполнимый урон наносят добыча, переработка, транспортировка топлива и абсолютно бесполезное факельное сжигание газа и нефти. Нельзя забывать и о том, что помимо естественного сырья на ТЭС сжигается атмосферный кислород, планетарные запасы которого тоже не безграничны.

Гидроэлектростанции, хотя их доля в мировой энергетике невелика (в среднем 15 %), также наносят огромный ущерб природе. Перекрытие рек плотинами, использование огромных территорий суши под водохранилища уже привели к серьезным экологическим нарушениям. Хорошо известны недостатки и атомной энергетики: хранение и переработка радиоактивных отходов, опасность радиационного загрязнения при авариях.

Когда-нибудь на смену существующим придут «чистые» и безопасные термоядерные станции, но произойдет это, исходя из результатов полувековых исследований, по-видимому, не скоро (слишком велики трудности получения высокотемпературной дейтерий-тритиевой плазмы в термоядерных реакторах). Между тем уже сегодня человечество потребляет в год около 10 млрд т условного топлива (1 т условного топлива при сжигании дает 8,14.103 кВт-ч электроэнергии). Этот показатель год от года увеличивается, во-первых, из-за неуклонного роста численности населения Земли (она уже перевалила за 6 млрд человек и, по прогнозам, к 2020 году достигнет 7,4 млрд), во-вторых, за счет роста уровня жизни людей, особенно в развивающихся странах, стремящихся получить те же блага, что и в промышленно развитых государствах. В США, например, на человека в среднем расходуется 10 кВт-ч электроэнергии в день, а в слаборазвитых странах, где проживает 2/3 населения Земли, - в десятки раз меньше.

По прогнозам специалистов, к 2020 году мировая потребность в электроэнергии возрастет в несколько раз и достигнет 34 млрд т условного топлива в год. Такое безудержное развитие энергетики, хотим мы того или нет, будет все более пагубно воздействовать на окружающую среду и, как считают ученые, может стать одной из причин необратимого изменения климата. Решить эту проблему поможет широкое и повсеместное использование альтернативных, или, как их еще называют, возобновляемых, источников энергии - значительно более «чистых» с экологической точки зрения, чем объекты традиционной энергетики.

Перспективы солнечной энергетики

Из возможных «преемников», которые могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников выглядит энергия Солнца, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб, например на широте 40° он составляет почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы. К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни. Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором.

СЭС мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие на пути их широкого распространения - высокая себестоимость электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.

Фотометрические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический.

В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 кв. м за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90 °С. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.

И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1 %, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.

В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р-слое полупроводника создается «дырочная» (положительная) проводимость, а в n-слое - электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и «дырок») из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон-«дырка», которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10-20 %), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики - создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий-галлий-мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Большую перспективу открывают гетероструктурные полупроводники, эффективность которых в два раза выше, чем простых кремниевых образцов. За открытие гетероструктур и их внедрение продолжатель работ А. Ф. Иоффе директор ФТИ академик Ж. И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию. Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники - это та база, на основе которой можно успешно развивать солнечную энергетику.

Концепция солнечного дома

За последние 15-20 лет «солнечные» дома стали расти как грибы после дождя. В самом простом и наиболее распространенном варианте большая часть энергетических потребностей такого дома обеспечивается солнечным светом и теплом, за счет чего затраты других энергоносителей снижаются на 40-60 % (в зависимости от конструкции здания и его местоположения). А «солнечный» дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить запросы его обитателей в тепле и свете даже без использования других источников энергии. И при этом - никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или мазута.

Главное в концепции «солнечного» жилого дома - максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование солнечного излучения, превращение его в тепло и сохранение тепловой энергии в доме с наименьшими потерями. Реализация такого подхода дает значительную экономию средств и улучшает экологическую обстановку (за счет минимального применения всех других источников энергии): в атмосферу выбрасывается меньше продуктов горения, дороги освобождаются от тяжелого транспорта, перевозящего миллионы тонн топлива, леса сохраняются от вырубки на дрова и т. д.

Существуют пассивная и активная системы энергосбережения «солнечного» дома. Первая из них предусматривает использование некоторых архитектурно-строительных приемов на стадии проектирования: ориентация дома по оси юг-север; отсутствие затенения южной стены; наличие северной пологой стены с минимальным количеством окон, наличие остекленной южной стены (окна с двойными или тройными рамами и воздушной прослойкой толщиной 10 мм между стеклами, способствующей термоизоляции.

С этой же целью между стеклами можно установить жалюзи, которые будут закрываться вручную или управляться термостатом по разности внутренней и наружной температур); усиленная термоизоляция наружных стен; обустройство тепловых тамбуров на входе; наличие за остекленной южной стеной массивной стены, служащей аккумулятором дневного тепла (стена Тромба); организация в подвальном помещении воздушного теплообменника (в виде ящика с гравием или емкости с водой), аккумулирующего до 80% тепла из выходящего наружу «отработанного» воздуха; использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), играющих роль тепловых аккумуляторов.

Перечисленные технические приемы лишь незначительно (на 5-10 %) увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое снижают затраты на отопление жилья.

Активная система энергосбережения «солнечного» дома - это тепловые солнечные коллекторы, панели фотоэлектрических элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий тепловым и световым режимами, и другая высокоэффективная техника для максимального усвоения солнечной энергии.

Реализованных проектов «солнечных» домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, в мире довольно много. Их строят не только в теплых краях (Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США) и в странах с умеренным климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска). Ежегодно в западных странах вводятся сотни тысяч квадратных метров жилья в энергосберегающих «солнечных» домах. Специализированные предприятия выпускают для них оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные фирмы, такие, например, как Concept Construction (Канада) или Enercon Building Corporation (США).

Во многих передовых странах развитие «солнечного» домостроения стало одним из направлений государственной политики. Вопросами энергосберегающего строительства занимаются ЮНЕСКО, Европейская комиссия ООН, департамент энергии США. Создана и успешно действует всемирная организация по развитию и распространению энергетических технологий ОРЕТ. Международное общество по солнечной энергии ISES, образованное еще в 1954 году, издает журнал «Solar Energy» по вопросам усвоения и рационального использования солнечной радиации.

Особенно широко внедряются «солнечные» дома в Германии. Согласно прогнозу группы немецких ученых, уже в 2005 году начнется массовое строительство домов с тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах зданий. (По тому же прогнозу, к 2015 году число электромобилей в мире превысит число машин на бензине.) По-видимому, мы стоим на пороге бурного развития солнечной энергетики.

«Солнечное» домостроение в России

К сожалению, Россия в вопросе развития «солнечного» домостроения продолжает отставать от индустриального мира, хотя ее климатические условия позволяют строить «солнечные» здания во многих регионах. Еще 20 лет назад в Московском архитектурном институте был создан первый отечественный эскизный проект загородного «солнечного» дома, который так и не был реализован. Впрочем, у нас долго и трудно пробивали себе дорогу многие революционные технические достижения (электроника, компьютеры, средства коммуникации).

Сегодня, правда, фронт работ по строительству «солнечных» зданий расширился. Этому способствует деятельность созданного в 1994 году в Москве «Интерсолцентра», вскоре ставшего ассоциированным членом ОРЕТ. Его задача - интеграция с ЮНЕСКО и другими международными организациями, а также мониторинг российских проектов по «солнечному» дому, включенных в Мировую солнечную программу на 1996-2005 годы. По инициативе «Интерсолцентра» и при поддержке Минтопэнерго и Министерства промышленности, науки и технологий России в 1996 году был организован Московский солнечный саммит, а в 1999 году прошли Международный конгресс и выставка «Бизнес и инвестиции в области воспроизводимых источников энергии в России».

Не так давно в Московском государственном строительном университете была разработана программа «Солнечный дом» и создан проект жилого дома «СОЛ-1» (руководитель - архитектор Т. В. Захарова), получивший золотую медаль на международной выставке «Жилище-99». В этом проекте использованы исключительно элементы пассивной системы энергосбережения: две стены Тромба, гравийные накопители тепла в полуподвальном помещении, массивные полы, перекрытия и стены. Хорошим аккумулятором тепла служат сад и теплица, расположенные на втором этаже. По расчетам, в жилище, построенном по проекту «СОЛ-1», только в зимнее время придется пользоваться дополнительными источниками тепла, расход которых сокращен на 70 %. Проект наш, российский, однако первый объект по «СОЛ-1» будет построен в Германии, хотя в перспективе собираются возводить подобные дома и в южных районах России. Кроме этого у нас разработан проект СЭС мощностью 1,5 МВт для детского санатория в Кисловодске, а в Калмыкии уже ведется строительство подобной станции. Успешно работают над «солнечной» программой НПО «Астрофизика» и АО «Ставропольэнерго», создавшие автономные гелиоэнергетические установки и блочные модульные электростанции с параболическими концентраторами и зеркалами, оснащенными системами слежения за Солнцем. Наконец-то появился план «солнечной» деревни в Краснодарском крае. Фирма «Солнечный ветер» (г. Краснодар) и завод «Красное знамя» (г. Рязань) готовы поставить для нее солнечные модули и фотоэлементы. И все же по сравнению с тем, что делается в области солнечной энергетики в западных странах, - это капля в море. А ведь наша промышленность и проектные институты давно готовы внести свою лепту в мировую копилку разработок по «солнечному» домостроению. Это и тепловые коллекторы, и высокоэффективные фотоэлементы, и изделия из специально обработанной влаго- и огнестойкой древесины.

Возможно, российские «солнечные» дома, особенно в сельской местности, будут больше тяготеть к деревянным конструкциям, чем на Западе, где дерево в большом дефиците. Но основная концепция энергосберегающего дома, по-видимому, должна быть единой - в Европе ли, в Америке или на необъятных просторах России. Нужна технологическая совместимость элементов «солнечного» дома, изготовляемых у нас и в других странах. Мы должны интегрироваться в зарубежное производство, иначе безнадежно отстанем и будем вынуждены покупать «солнечные» дома за границей, где уже сейчас 1 кв. м гелиоколлекторов, поставляемых западными фирмами, стоит в среднем 400 долларов.

Наша страна не богата теплом. Ее не защищают от холодных арктических ветров высокие горы, не обогревают теплые океанские течения. Но у России огромная и богатая природными ресурсами территория. Солнце, хотя и не так щедро, как другим странам, дарит ей свет и тепло. Надо только научиться по-хозяйски использовать этот экологически чистый и неиссякаемый источник энергии.

Солнечная энергетика еще в самом начале пути. Ее вклад в общее мировое энергопотребление не превышает 0,1 %, а среди возобновляемых источников ей принадлежит около 1 %. Но технический прогресс, достигнутый в этой области за последнее десятилетие, так велик, что специалисты дают весьма оптимистические прогнозы: уже к середине XXI века солнечная энергетика наряду с другими возобновляемыми источниками (геотермальные и приливные станции, ветровые турбины и др.) может занять ведущее положение в мире.

Что касается «солнечного» домостроения, то, как считает автор проекта «СОЛ-1» Т. В. Захарова, «энергосберегающие «солнечные» дома должны стать не только источником экономии средств, но и предметом моды». Тогда солнечная энергия войдет в каждый дом и на смену сегодняшним задымленным городам придут чистые и светлые. Очень хотелось бы, чтобы это «солнечное половодье» пришло и в нашу страну.

Борис Лучков, доктор физико-математических наук

В восемьдесят пятом выпуске читайте: «Семейное ремесло»