Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Электричество из света, или солнце в каждый дом В последние годы нашу жизнь пополнило множество новых электрических приборов. Наряду со стандартным набором: телевизор, холодильник, стиральная машина, сегодня мало кто представляет свою жизнь без микроволновых печей, компьютеров, тостеров, электрочайников, всевозможных зарядных уст­ройств. В приусадебном хозяйстве мы используем электродрели, триммеры, сушильные шкафы и множест­во других полезных вещей. Все перечисленное, несомненно, свидетельствует об улучшении нашего быта. Однако у этого процесса есть и обратная сторона — счета за электроэнергию с каждым годом растут, а во время экономического кризиса грозят и вовсе обернуться для многих непосильным бременем. Между тем у нас перед глазами постоянно находится поистине неисчерпаемый источник возобновляемой, экологически чистой и бесплатной энергии — солнце. На Землю попадает всего лишь одна миллионная часть излучаемой им энергии, но даже 2% от этого количества достаточно для того, чтобы обеспечить людей светом и теплом на многие годы вперед. Ученые пока не придумали способ, как при помощи солнца избавиться от глобального энергодефицита, зато научились делать солнцеулавливающие установки, которые позволяют решать задачи попроще. «Ловушки» для солнца Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии в тепло и электричество — фототермический и фотоэлектрический. В первом случае теплоноситель (в са­мом простейшем варианте — во­да) нагревается в коллекторе, собранном из светопоглощающих труб и установленном на крыше таким образом, чтобы находиться на солнце в течение всего светового дня. Простейший солнечный коллектор площадью 1 м2 способен нагреть за день 70 л воды до температуры 80–90 °С, чего вполне достаточно для обогрева помещений и горячего водоснабжения. Работающие по такому принципу гелиоустановки снабжают горячей водой некоторые дома в южных районах страны. Но для северных широт больше подойдет второй способ, позволяющий напрямую преобразовывать солнечный свет в электрический ток с помощью полупроводниковых фо- тоэлектрических преобразователей (ФЭП). Для получения электричества из солнца нужна солнечная батарея, которая состоит из одного или нескольких фотоэлектрических преобразователей, которые изготавливаются из кремния и чаще всего имеют форму пластин. Когда на преобразователи падает солнечный свет, кремний поглощает часть световых квантов (фотонов). Погло­щен­ный фотон инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе, и в цепи появляется ток. Это явление называется в физике внутренним фотоэлектрическим эф­фектом. Фотоэффект был открыт еще в XIX в. Но научились им пользоваться только после того, как Альберт Эйнштейн разобрался с участвующими в этом процессе квантами и электронами, за что был удостоен Но­белевской премии. Впервые преобра­зовать солнечную энергию в элект­ри­ческий ток удалось лишь в 1930-е гг. И сделали это наши ученые из Физико-технического института под руководством академика А. Ф. Иоф­фе. А первая солнечная батарея была испытана в 1958 г. на космическом аппарате «Спутник-3», где с ее помощью подпитывался один из радиомаяков. Его работа продолжалась и после того, как основные химические источники питания «Спут­ника» исчерпали свой ресурс. КПД первых солнечных фотопреобразователей был невелик и едва доходил до 1%. С тех пор ученые всего мира трудились над повышением эффективности кремниевых преобразователей. К началу ХХI в. фотоэнергетика подошла со средним КПД преобразования 13–22%. Но уже в 2007 г. американским ученым из университета Делавэра с помощью новой расщепляющей солнечный спектр оптики удалось создать преобразователи с КПД=42,8%. И хотя пока результаты опытных испытаний не удалось повторить в промышленных условиях, работы в этом направлении продолжаются. Ведь повышение эффективности преобразователей имеет ключевое значение для развития солнечной энергетики: чем выше будет КПД, тем компакт­нее станет площадь, занимаемая солнечными батареями. Сейчас панели даже маломощных гелиоэнергетичес­ких установок зани­мают десятки квад­ратных метров. «Солнечный» дом Если говорить о «солнечном» доме как о целостной энергосберегающей системе, то начинать ее реализовывать надо даже не на этапе строительства, а с момента выбора места под застройку. Дом должен быть сориентирован по оси юг–север. Необходимо предусмотреть возможность оснащения солнечными панелями южной стороны, которая ни в коем случае не должна быть затенена. Северная стена должна располагать минимальным количес­т­вом окон, а кровельный скат над ней должен быть максимально пологим, чтобы размещенные там батареи могли дольше улавливать заходящее солнце. Существуют пассивная и активная системы энергосбережения «солнеч­ного» дома. Первая предусматривает использование некоторых технологических приемов, позволяющих снизить затраты на обогрев помещений. Это, прежде всего, усиленная теплоизоляция наружных стен; обустройство тепловых тамбуров на вхо­де; наличие за остекленной южной половиной дома массивной стены (так называемой стены Тром­ба), служащей аккумулятором дневного тепла. Необходима также организация в подвальном помещении воздушного теплообменника в виде ящика с гравием или емкости с водой, аккумулирующих до 80% тепла из выходящего наружу «отработанного» воздуха. Кроме того, следует предусмотреть использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), одновременно играющих роль тепловых аккумуляторов. Окна должны быть оборудованы двойными либо тройными рамами и воздушной прослойкой между стек­лами толщиной не менее 10 мм, что так­же способствует повышению уров­ня изоляции. С этой же целью между стеклами устанавливают жалюзи, которые закрываются либо вручную, либо с помощью термостата по разности внутренней и наружной температур. По заверениям проектировщиков, перечисленные меры лишь на 5–10% увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое снижают затраты на отопление. К активной системе энергосбережения «солнечного» дома относится фотоэлектрическая установка. В самом общем виде она состоит из солнечных батарей, инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный 220 В/50 Гц, аккумуляторов, сберегающих энергию для питания в темное время суток, контроллера, следящего за подзарядкой аккумуляторов, кабелей и отводов к электроприборам. Уже сейчас при наличии достаточного незатененного пространства любой желающий может оборудовать свой дом подобной установкой. Сердцем любой фотоэлектрической системы являются солнечные батареи, мощность которых варьируется от 5 до 30 Вт. От мощности зависит и цена на установки, которая может отличаться в несколько раз. Самая маломощная система с батареями в 5 Вт китайского производства обойдется в тысячу с небольшим долларов. При наличии достаточного количества таких батарей определенная часть потребляемой в доме энергии может восполняться, помимо централизованной электросети, за счет солнечного электричества. Более мощные системы позволяют использовать солнечные ватты не только для домашнего освещения, но и для обслуживания водяного насоса, бытовой техники, электроинструментов и т. п. При этом необходимо учитывать, что если летом при максимально длительном световом дне система способна работать на полную мощность, то зимой, когда солнечного света станет меньше раз в пять, снизится и количество генерируемой электроэнергии. Размещаться солнечные батареи могут как на крыше, так и на фасаде дома. Выбирая для них место, надо иметь в виду следующее: для того чтобы батареи работали с наибольшей отдачей, их придется периодически очищать от налипающей грязи. При монтаже панелей особое внимание следует уделить поддерживающей конструкции. Она должна обеспечивать правильный угол нак­лона панелей, а также необходимую жесткость крепления, чтобы солнеч­ные модули могли выдерживать порывы ветра, снегопады и другие внешние воздействия. Под­дер­жи­вающая конструкция может быть изготовлена из металла или полимерных материалов. Умелый человек, конечно, может сделать большую часть работы по монтажу фотоэлектрической системы самостоятельно, но для подключения к централизованной сети энергоснабжения лучше все-таки пригласить квалифицированного электрика. Солнечными батареями можно оборудовать не только дом, но и множество других полезных в садовом и дачном хозяйстве вещей. Сущест­вуют, например, светодиодные садовые фонари, которые легко втыкаются в землю или снег. Подзаря­дившись за день солнечным светом, в темное время суток такой светильник сможет подсказать вам, где кончается садовая дорожка и начинаются ступеньки или гаражный въезд. Предлагается также большой выбор садовой скульп­туры — нимфы, гно­мы, Микки-Маусы — с солнечными фонарями в руках или отдельные фонарики, которые прикручиваются к стене, как обычные бра, или вешаются на крючок, подобно китайским бумажным фонарикам. Все эти приборы заряжаются днем от солнечных лучей, а вечером благодаря встроенному сенсору сами включаются, не требуя специального обслуживания. Европейский подход Реализованных проектов «солнеч­ных» домов, частично или полностью обеспечивающих себя энергией солнца, в мире довольно много. Их строят, прежде всего, в таких богатых солнечным светом странах, как Израиль, Египет, Турция или ОАЭ. Но в лидерах, как ни странно, находится Европа с ее довольно умеренным климатом. Сегодня в мире всего 1% энергопотребления приходится на все альтернативные источники энергии, включая солнце, ветер и малую гидро­энергетику. Однако в странах Евросоюза эта цифра достигает 6%. По прогнозам Мирового энергетического конгресса, к 2020 г. доля альтернативных источников в мировом энергопотреблении может до­стичь всего лишь 5,8%, но Евро­союз взял на себя повышенные обязательства довести их долю до 20% уже к 2010 г. Европейский энтузиазм объясняется тем, что традиционные энергоносители для бережливых европейцев — удовольствие не из дешевых. А самым энергоэффективным, а в скором будущем, возможно, и самым дешевым источником альтернативной энергии станет именно солнце. Сейчас развитие солнечной энергетики сдерживается невысоким КПД фотоэлектрических установок и нерегулярностью солнечного излучения, которое попадает на Землю лишь в светлое время суток. В то же время энергопотребление осуществляется круглосуточно. Для целого ряда производств с непрерывным циклом, как и для большинства рядовых потребителей, это не слишком удобно. Поэтому для накопления энергии используются аккумуляторы. Самые распространенные из них, свинцово-кислотные, производятся с использованием опасных для окружающей среды свинца и кислот. Производство «чистого» кремния для фотоэлектрических преобразователей тоже со­пряжено с образованием токсичных отходов. Оба эти момента не позволяют пока причислить солнеч­ную энергетику к экологически безопасным технологиям. Однако настойчивые европейцы не собираются сворачивать с избранного пути. Например, Швейцарией еще в 1991 г. была принята программа «Солар-91». Ее целью является обеспечить каждую коммуну (муниципальное образование) — а их насчитывается 3029 тыс. — хотя бы одной собственной гелиоэнергетической установкой. Географическое положение Швейцарии позволяет собирать в долинах с 1 м2 поверхности «урожай» в 1100 кВт·ч/год, а в горных районах — до 1500 кВт·ч/год. Тридцати квадратных метров солнеч­ных батарей хватает, чтобы полностью обеспечить теплом и энергией потребности среднего швейцарского домовладения в горах и на 65% в долинах. Солнечные батареи и водонагревательные коллекторы размещаются в Швейцарии повсеместно: на крышах и фасадах зданий, автостоянках и пустырях, ограждениях автомагист­ралей. Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов даже собственные гелиостанции мощ­ностью до 500 кВт. В строящихся зданиях солнечные панели применяются для декоративного оформления фа­садов. Важно отметить, что для реализации программы «Солар-91» швей­царцам не пришлось пожертвовать ни одним квадратным метром сельхоз­угодий, лесов или лугов. Владелец солнечной установки может не только располагать солнеч­ными киловаттами для освещения, отопления, питания кондиционеров и других электроприборов, но и сдавать излишки дневной энергии в сеть общего пользования, как в банк, чтобы воспользоваться ими уже после захода солнца. Электронные счетчики бдительно следят за тем, чтобы оплачивалась лишь разница между количеством сданной и потребленной энергии. Швейцарская система удобна тем, что направляют в сеть энергию в одном месте, а получают и расходуют там, где она в данный момент необходима. Как и банковский, энергетический вклад может передаваться в сеть краткосрочно или на длительное время. Важно только, чтобы в течение длительного времени не наблюдалось минусовое сальдо между сданной и потребленной энергией. Конечно, в «энергетическом банке» неизбежны и потери, например, на сопротивление в проводниках, но, что поделаешь, всем клиентам приходится платить за банковские услуги. Иной подход к вопросу сбережения солнечной энергии демонстрирует Германия, где тоже почти два десятилетия действует государственная программа «2000 солнечных крыш», выросшая из проекта «1000 крыш». Государство не только освобождает пионеров гелиоэнергетики от налогов и оплачивает «солнеч­ные» издержки, но и позволяет владельцам гелиоустановок неплохо заработать. Излишки дневной солнеч­ной энергии покупаются у них по повышенным ценам, а после захода солнца «входящие» киловатты стоят для них в 4 раза дешевле, чем для владельцев обычных домов. Российский вклад В середине прошлого века наша страна была пионером в области солнечной энергетики. Потом большинство исследований в этом направлении были свернуты. Тем не менее в 2000 г. именно за открытие гетероструктурных полупроводников, эф­фек­тивность которых в 2 раза выше, чем простых кремниевых фотопреобразователей, академик Жорес Ал­феров получил Нобелевскую премию. Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники являются той базой, на основе которой и развивается современная солнечная энергетика. До недавнего времени в нашей стране уделялось мало внимания развитию солнечной энергетики, однако из-за резко обострившегося в последние годы энергодефицита, особенно в крупных городах, в этом вопросе наметились кое-какие подвижки. В 2007 г. столичные власти опробовали солнечные батареи в одном из элитных домов в центре Москвы, где живет преимущественно творческая интеллигенция. Установ­ленные батареи способны работать не только от солнечного света видимого диапазона, но и от ультрафиолетового излучения, т. е. даже в пасмурную погоду, которая в центре России не редкость. Днем они накапливают энергию в аккумуляторах, а с наступлением темного времени су­ток автоматически включается освещение. Причем свет горит не постоянно, поскольку в доме установили датчики движения. Стоит жильцу только выйти из квартиры — свет включается, если же в подъезде никого нет — гаснет. Как утверждают московские власти, уже сейчас любое ТСЖ может приобрести комплект, состоящий из четырех секций солнечных батарей, аккумуляторов и датчиков движения, за 147,604 тыс. руб. Согласно расчетам, годовая экономия электроэнергии на один лишь подъезд составит 74 тыс. руб. В Московском государственном строительном университете была разработана программа «Солнечный дом» и создан проект жилого дома «СОЛ-1» (руководитель — архитектор Т. В. Захарова). 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, размещенные на втором этаже. По расчетам, в жилище, пост­роенном по проекту «СОЛ-1», пользоваться дополнительными источ­никами тепла придется только в зимнее время, т. е. расход тепловой энергии сокращен на 70%. В 2009 г., если не помешает кризис, в Санкт-Петербурге планировалось начать строительство первого в России завода по производству фото­энергетических установок. Про­ект, поддерживаемый Военно-промышленной комиссией правительства, предусматривает выпуск солнечных батарей в объеме 75 МВт/год. В свою очередь, международная компания Nitol Solar, основные производственные мощности которой расположены в России, изучает возможность размещения в Иркутской области производства поликристаллического кремния в объеме 3700 т/год. Кроме того, Nitol Solar намерена инициировать создание в России ассоциации солнечной энергетики. Конечно, это лишь капля в море в сравнении с тем, что делается для развития солнечной энергетики в европейских странах. Но главное —начать, а там, глядишь, и сбудутся слова Жореса Алферова, который уверен, что в XXI в. Россия станет крупнейшим в мире поставщиком солнечных батарей. Марина Народовая