На пути к городу Солнца

Если бы я хотел иметь веру, я обоготворил бы Cолнце.
Наполеон

Солнце – источник жизни на Земле. Оно дарит нам свет и тепло, заготовило впрок запасы нефти, угля, газа. Оно управляет земной погодой, на которую мы часто неосмотрительно жалуемся, забывая о том, что дано другим планетам. Миллиарды лет Солнце поддерживает хрупкое равновесие нашего климата между раскаленной пустыней (как на Венере) и замороженным миром (как на Юпитере и его лунах). Животворное влияние Солнца было осознано древними цивилизациями, в мифологии которых оно стало главным божеством, могучим и мудрым, управляющим жизнью природы. Солнце – первый объект пристального внимания человека, первое небесное тело, затронувшее его пробудившееся сознание.

Солнечная энергия

Энергетический поток солнечной радиации очень велик. За год на Землю приходит 1018 кВт•ч солнечной энергии. Почему бы ни использовать эту даровую энергию для хозяйственных нужд? 5% от этой величины сопоставимы со всеми мировыми запасами ископаемого топлива, составляющими 6 • 1012 тут*, и в сотни раз превышают современные потребности человечества. Солнечная энергия, если научиться ее разумно усваивать, может обеспечить эти потребности на века. К тому же солнечная энергетика по самой своей сути намного более экологически чистая, чем все другие виды (тепло-, гидро- и ядерная энергетика), на которых базируется сейчас наша промышленная цивилизация (рис. 1) [1].

Рис. 1. Доля разных источников в выработке энергии (слева) и, в частности, электроэнергии (справа) в 2002 г. [1]

Колоссальный вред окружающей среде наносят ТЭС, производящие около 80% всей энергии в мире, своими вредными выбросами, добычей и транспортировкой многотонного сырья, сжиганием атмосферного кислорода. Как показала Чернобыльская авария, очень опасны АЭС. В наше тревожное время они – заветная мишень международных террористов. Не лишены экологических недостатков и ГЭС (особенно на больших равнинных реках), грубо нарушающие установившийся природный режим (огромные стоячие водохранилища на месте пахотных и пастбищных земель, резкое изменение климатических условий, преграда водному транспорту, помеха рыбному нересту). На рис. 2 показаны изменения (уже произошедшие и ожидаемые в будущем) вкладов различных источников энергии в общемировое потребление, обусловленные как истощением природных ресурсов, так и стремлением улучшить экологическую ситуацию на планете.

Солнечные энергетические станции лишены этих недостатков: их можно располагать в отдаленных районах (пустыни, горы, тундра), не нанося ущерба сельскому хозяйству, для их работы не нужно завозить сырье, они не загрязняют атмосферу и не сжигают кислород.

Рис. 2. Вклад различных источников энергии в общемировое потребление [1]

Почему же их развитие только-только начинается? Главная причина – малая плотность энергетического потока, который на 3–4 порядка меньше, чем дают традиционные электростанции (ТЭС, АЭС, ГЭС). К тому же этот поток прерывистый, зависит от времени суток, сезона и погоды. Чтобы скомпенсировать недостатки, надо собирать солнечный поток с большой площади, применяя концентраторы, и запасать энергию на нерабочее время с помощью аккумуляторов. Пока это удается «малой энергетике», предназначенной для питания электроэнергией и теплом домов и небольших предприятий (подробнее на эту тему см. статью «Солнечная энергетика», «Физика» № 41/2001).

Солнечный дом

За последние 20 лет как грибы после дождя стали расти «солнечные» дома – хозяйства от коттеджа до поместья, большая часть энергетических потребностей которых обеспечивается Солнцем. В самом простом и наиболее распространенном варианте «солнечный» дом снижает затраты энергоносителей на 40–60% (в зависимости от конструкции и географической широты). Оснащенный специальной тепловой установкой, что, конечно, делает его более дорогим, «солнечный» дом может полностью обеспечить себя и не нуждается в других источниках энергии. Не надо подводить электрические провода и трубы теплоцентрали, делать запасы дров, угля, мазута, бороться с дымом, угаром, отсутствием тяги в трубе и т.д. Демонстрационные «солнечные» дома давно стоят на обочинах автотрасс Европы и Америки, около больших городов и в сельской местности – как реклама и пропаганда их высокой эффективности. Говорят, такой дом быстро (за несколько лет) окупается за счет экономии энергоресурсов. Однако до России «солнечная» мода еще не дошла, хотя климатические условия позволяют иметь такое удобство во многих наших регионах.

Фотоэлектрические преобразователи света

Будущее солнечной энергетики – за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов. Это предвидел в 30-х гг. прошлого века академик А.Ф.Иоффе, основатель Физико-технического института (ФТИ), воспитавший блестящую плеяду физиков и создавший отечественную школу по полупроводникам. Он указал на использование солнечной энергии еще тогда, когда КПД фотоэлементов едва доходил до 1%. Предвидение полностью подтвердилось с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.

Вся современная электроника основана на монокристаллах кремния (одного из самых распространенных элементов в природе). В фотоэлектрических преобразователях используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р–n-переходом. В р-слое полупроводника создается дырочная проводимость, в n-слое – электронная проводимость. На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению электронов и дырок из одного слоя в другой, и ток в полупроводнике не течет. Когда на фотоэлемент падает свет, 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 ЭДС – он становится источником электрического тока. Величина фотоЭДС возрастает с интенсивностью светового потока.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (КПД = 10–20%), и все же за нее идет постоянная упорная борьба, т.к. увеличение КПД приводит к уменьшению необходимой площади солнечных батарей, а она даже в «малой энергетике» достаточно велика (десятки квадратных метров). Большим достижением стала разработка кремниевых фотоэлементов, работающих при концентрации света до тысяч «солнц» и обладающих КПД до 40%. Другое важное направление – создание более дешевых и удобных преобразователей – ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Созданы составные полупроводники с полосой поглощения, наиболее соответствующей спектру солнечного излучения. За последние 20 лет эффективность полупроводниковых фотоэлементов выросла в среднем в 5 раз (рис. 3) [2]. Сейчас нет необходимости в прямом солнечном свете. Современные фотоэлементы хорошо «усваивают» и рассеянный, пробившийся через облака свет, так что пасмурная погода им не помеха

Рис.3. Рост эффективности полупроводниковых преобразователей солнечной энергии за последние 25 лет

Отличную перспективу имеют полупроводниковые гетероструктуры, за исследование и внедрение которых директор ФТИ академик Ж.И.Алферов, продолжатель работ А.Ф.Иоффе, получил недавно Нобелевскую премию. Их эффективность в два раза выше, чем у простых кремниевых p–n-структур. Таким образом, отечественные полупроводники могли бы стать базой успешного развития солнечной энергетики в нашей стране.

Концепция «солнечного» дома

Концепция современного жилого дома с экономным расходованием энергии была предложена давно. Главное в этом подходе – максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование поступающего солнечного излучения, превращение его в тепло и сохранение тепловой энергии с наименьшими потерями. Результат – максимальное сокращение всех других источников энергии, что приводит к значительной экономии средств и улучшению экологии окружающей среды. В атмосферу выбрасывается меньше продуктов горения, она не перегревается выбросами бесхозного тепла, дороги не засоряются подвозимыми тоннами топлива, леса не вырубаются на дрова и т.д. Концепция солнечного дома – это не только выход из грозящего энергетического кризиса, но и путь решения запутанного клубка экологических проблем.

«Cолнечным» домом называется жилище, спланированное так, чтобы по возможности лучше использовать солнечную радиацию. Это здание с эффективным использованием энергии. Вот краткий перечень необходимых архитектурно-строительных приемов при проектировании «солнечного» дома:

ориентация дома по оси юг–север с большим застекленным южным фасадом, не затеняемым в течение дня;
северный пологий скат дома, практически без окон;
минимальное отношение периметра дома к его внутреннему объему;
двойное остекление южной стены с узкой (~10 см) воздушной прослойкой, обеспечивающей термоизоляцию; между стеклами можно установить жалюзи, закрываемые на ночь;
усиленная термоизоляция наружных стен (в 2–3 раза по сравнению с обычным домом);
тепловые тамбуры на входе в дом;
массивная стена за остекленной южной стороной, служащая аккумулятором дневного тепла (стена Тромба);
теплообменник (с гравием или водой) в подвальном помещении, позволяющий извлекать из выходящего воздуха «отработанное» тепло (до 80%);
теплицы и атриумы (помещения с верхним светом), играющие ту же роль тепловых аккумуляторов;
тройные рамы на окнах.

Перечисленные, очевидные по назначению, технические приемы, незначительно увеличивая стоимость строительства (5–10%), заметно (более чем вдвое) способствуют снижению затрат на отопление жилья. Используемые средства составляют пассивную систему энергосбережения «солнечного» дома. К активной системе относятся тепловые солнечные коллекторы (системы светопоглощающих труб, через которые пропускается теплоноситель, обычно вода), панели фотоэлектрических элементов, регулирующая автоматика, компьютерное управление и другая высокоэффективная техника, используемая для максимального усвоения солнечной (а также ветровой, водяной и прочих возобновляемых видов) энергии и превращения дома в полностью автономное жилище.

От «солнечного» дома к городам Солнца

Реализованных проектов солнечных домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, сейчас в мире многие тысячи. Как было сказано, они пробили себе дорогу не только в теплых краях, где встречаются на каждом шагу (Египет, Израиль, Турция, Япония, США), и не только в странах с умеренным климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска).

Темп роста «солнечных» домов во всем мире резко возрастает. Ежегодно в западных странах вводятся сотни тысяч квадратных метров нового экономичного жилья. Созданы крупные фирмы, занимающиеся строительством таких домов, специализированные предприятия, выпускающие для них оборудование и материалы. Во многих передовых странах развитие «солнечных» домов стало государственной политикой. Много занимаются вопросами энергосберегающего строительства ЮНЕСКО, Европейская комиссия, Департамент энергии США. Создана и успешно действует всемирная организация ОРЕТ по развитию и распространению энергетических технологий. Международное общество по солнечной энергии (ISES), образованное еще в 1954 г., издает журнал Solar Energy по всем вопросам освоения и рационального использования солнечной радиации.

Особенно успешно и гармонично внедряются «солнечные» дома в Германии. Даже в слаборазвитых странах солнечные панели становятся привычной деталью деревенского пейзажа. Футурологический прогноз на третье тысячелетие, составленный группой немецких ученых, указывает, что уже в начале века начнется массовое строительство «солнечных» домов с тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах. К 2015 г., согласно тому же прогнозу, число электромобилей (часть из которых будет на солнечных батареях) в мире превысит число машин на бензине.

По-видимому, мы стоим на пороге бурного половодья солнечной энергетики.

«Солнечное» домостроение в России

Россия, к сожалению, по «солнечному» домостроению продолжает прогрессирующим образом отставать от индустриального мира.

20 лет назад в Московском архитектурном институте был создан эскизный проект загородного «солнечного» дома. Тепловой коллектор площадью 21 м2, расположенный на южной стене, должен был нагревать воздух, который путем естественной конвекции поступал бы в комнаты. Теплый воздух должен был пропускаться через гравийно-галечный накопитель в подвале. Было предусмотрено три режима отопления: от солнечного коллектора, от теплового аккумулятора и обычный – от печки или электрокамина. Еще один солнечный коллектор предусматривал нагревание воды для душевой. Экономия топлива составляла, по оценкам, 50%. Неизвестно, был ли реализован в каком-либо виде этот проект.

В настоящее время фронт работ расширился. С 1994 г. в Москве действует Интерсолцентр (вскоре ставший ассоциированным членом ОРЕТ), целью которого стала интеграция с ЮНЕСКО и другими международными организациями и мониторинг российских проектов по «солнечному» дому, включенных в мировую солнечную программу (1996–2005 гг.). По инициативе Интерсолцентра и при поддержке Минтопэнерго и Миннауки
России были проведены Московский солнечный саммит (1996 г.), международный конгресс и выставка «Бизнес и инвестиции в области воспроизводимых источников энергии в России» (1999 г.).

В Московском государственном строительном университете разработана программа «Солнечный дом» и создан проект жилого дома СОЛ-1 (руководитель – архитектор Т.В.Захарова), награжденный золотой медалью на выставке «Жилище-99». В нем используются только элементы пассивной системы, но в большем числе – 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. Практически только в зимнее время приходится пользоваться дополнительными источниками тепла, расход которых сокращен на 70%. Из интервью с автором проекта стало известно, что стадия рабочего проектирования завершена, однако первый объект по СОЛ-1 будет построен в Германии. Ведутся, правда, переговоры о строительстве подобных домов в Московской области и в южных районах России.

Планируется создание «солнечной» деревни в Краснодарском крае. Есть промышленные организации – изготовители необходимой техники: фирма «Солнечный ветер» (Краснодар), завод «Красное знамя» (Рязань). Развитие идет, но ни одного «солнечного» дома в нашей стране еще не построено. По сравнению с широким фронтом подобных работ в западных странах то, что сделано у нас, – это капля в море.

Слышатся голоса, что отечественная промышленность и строительство не могут освоить новую энергосберегающую технику, нет квалифицированных кадров и в нашей стране надо поступать совсем по-другому. Опять знакомое «мы пойдем другим путем»? Уже ходили – и по доморощенной электронике, и по громоздким компьютерам. Наши промышленность и проектные институты могут внести свою лепту в общую мировую копилку по «солнечному» дому, например, разработанными у нас тепловыми коллекторами, высокоэффективными фотоэлементами, изделиями из древесины (традиционно отечественного материала), влаго- и огнестойкой после специальной обработки. Возможно, наши «солнечные» дома, особенно в сельской местности, будут больше тяготеть к деревянным конструкциям, чем на Западе. 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, изготавливаемых у нас и за рубежом. Мы должны интегрироваться в этом деле со всем остальным миром, иначе безнадежно отстанем и будем вынуждены импортировать «солнечные» дома за валюту.

Прогресс все-таки виден: «солнечные» дома западных фирм стали появляться на страницах отечественных рекламных журналов («Красивые дома», «Современные дома» и др.). Пройдет немного времени, и они заполонят российский строительный рынок, задушив нашу неспешную и робкую инициативу.

Когда-нибудь солнечная энергия обязательно войдет в каждый дом. И так же, как за первой ласточкой появляются стаи перелетных птиц, придут на смену сегодняшним задымленным городам чистые и светлые «солнечные» города. За это счастливое будущее надо бороться уже сейчас!

Солнечная энергетика еще в самом начале пути. Ее вклад в общее мировое энергопотребление не превышает 0,1%, а среди возобновляемых источников (энергия биомассы, геотермальные и приливные станции, ветровые турбины и др.) ей принадлежит около 1%. Но технический прогресс, достигнутый в этой области за последнее десятилетие, так велик, а осознание настоятельной необходимости сохранения окружающей среды настолько серьезно, что солнечная энергетика продолжает развиваться все ускоряющимися темпами. Специалисты прогнозируют, что уже к середине XXI в. солнечная энергетика наряду с другими возобновляемыми источниками энергии займет ведущее положение в мире.

Пока за солнечную энергетику «бьются» только ученые и небольшая часть общественности. Однако на ее сторону все больше приходит влиятельных людей из промышленных и правительственных кругов. Президент США Дж.Буш, выступая недавно по вопросу ограничения вредных выбросов в атмосферу (дискуссия по так называемому Киотскому протоколу), высказался в пользу стимулированного развития «солнечных» домов и энергосберегающих технологий через систему экономических льгот, государственных и общественных субсидий. А архитектор Т.В.Захарова в своем интервью по проекту СОЛ-1 высказалась просто и доходчиво: «Такие здания (энергосберегающие «солнечные» дома) должны стать не только источником экономии средств, но и предметом моды!» Тогда солнечная энергия действительно войдет в каждый дом. Очень хотелось бы, чтобы это «солнечное половодье» пришло и на нашу улицу.

Литература

1. Андреев В. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. – Соросовский образовательный журнал, 1996, № 7.
2. Семенов А. Солнечный дом. – Наука и жизнь, 1985, № 12.

* 1 т условного топлива (тут) = 7 • 109 кал = 8,14 • 103 кВт • ч

Архив

Физика + экология

Проф. Б.И.ЛУЧКОВ, МИФИ, г. Москва