Инновац нь дундад зууны үеэс эхлэн барилгын салбарын хөгжил дэвшлийн тэргүүн эгнээнд байсаар ирсэн. Сүүлийн хэдэн арван жилд барилгын салбарт хөгжүүлсэн инновацын үр дүнд барилгын аюулгүй байдал, эрчим хүчний хэмнэлт, эдийн засгийн үр ашигтай байдал зэрэг нь өсөн нэмэгдсээр ирсэн.

Архитектурын программ хангамж, барилгын машин механизм, материал зэрэг барилгын салбарын бүхий л салбарт байнга өсөн нэмэгдэж буй инновацын нөлөөг харж болно. Гэхдээ энэ бүх инновацын дотроос ирээдүйн барилгыг бүтээх хамгийн гайхалтай зүйл нь мэдээж барилгын материал юм. Эдгээрээс 18 материалыг ирээдүйн материалууд гэдэг бөгөөд эдгээрт тунгалаг модон материал, нэвт гэрэлтдэг бетон, өөрийгөө засдаг бетон, аэрографит, гидрокерамик, хөнгөнцагаан хөөс, ноосон тоосго, бионүүрснээс гарган авсан биопластик материал, нанокристалл, биореакторууд, хорт утаа шүүгч тоосго, 3D-графит зэрэг шинэ материалууд багтана.

Шинэ материалууд нь байгаль орчинд ээлтэй, эрчим хүчний хэмнэлттэй ногоон бүтээгдэхүүнүүд байдаг. Мөн түүнчлэн сэргээгдэх эрчим хүч нь дэлхийн дулаарлыг багасгахад ихээхэн нөлөөтэй байдаг боловч архитекторууд нарны коллекторууд буюу зайг барилгад ашиглахдаа төдийлөн дуртай байдаггүй. Учир нь барилгын гоо үзэмжид сөргөөр нөлөөлдөг гэж үздэг байна. Харин шинэ технологийн ачаар нарны эрчим хүчийг олон янзаар ашиглах боломжтой болсон. Тиймээс энэ нь барилгын техник технологийн салшгүй хэсэг болж байна.

Жишээ нь Швейцарын хотууд дундуур явж байхад нарны зай хураагуурыг байшингийн фасад болон дээвэр дээр хэрэглэсэн тохиолдол маш цөөн байдаг байна. Гэтэл нарны эрчим хүчийг барилгын фасадад ашигласнаар эрчим хүчний асар их нөөцийг бүрдүүлэх боломжтой ажээ. Эх үүсвэрээсээ хамааран 67 тераватт цаг хүртэл эрчим хүчний нөөц байдаг байна.

Харин энэ байдал инновацын ачаар өөрчлөгдөж байгаа. Өөрөөр хэлбэл нарны зай хураагуурыг төрөл бүрийн өнгөтэй үйлдвэрлэхийн зэрэгцээ уян налархай, тунгалаг, дээврийн вааран тоосгыг орлуулах боломжтой болсноос гадна дулаан, цахилгаан үйлдвэрлэдэг бүр ногоон байгууламжтай хослуулан хэрэглэх боломжтой болжээ. Нэг үгээр хэлбэл нарны зай хураагуур байгаа гэж харагдуулахгүйгээр барилгыг барих боломжтой болж байна.

Зураг 1. Цюрихын Швамендинген хотын "Архитектурын төлөөх тэмцэл" байгууллагын сэргээн засварласан орон сууцны байшингийн гадна талд нь нарны коллектор суурилуулсан байдал

Үүний нэг жишээ нь Швейцарын Мегазол ХХК-ийн нарны өнгөт зай хураагчууд юм. 2019 онд Цюрих хотноо зохион байгуулагдсан “Нарын эрчим хүчийг барилгад ашиглах нь” анхдугаар симпозиумд тус компани нь өөрийн бүтээгдэхүүнүүдээ дэлгэн харуулсан байна.

Зураг 2. Мегазол ХХК симпозиум дээр нарны эрчим хүчний өнгөт модулиудаа дэлгэн үзүүлсэн байна, 2019 он . Цюрих

Италийн эрдэмтэд нарны зай хураагуур дээр эртний вааран дээвэртэй маш ижил өнгийн полимер материалаар хучсанаар барилгын дүр зурганд өөрчлөлт оруулаагүй байна. Хамгийн сонирхолтой нь археологийн малтлага хийгдэж буй Помпей хотын хуучин барилгууд нь нарны эрчим хүч хэрэглэгчдийн анхдагч болжээ. Европын холбоонд эртний түүх дурсгалт байгууламжуудыг соёлын өв болгон хамгаалахын тулд орчин үеийн техник хэрэглэхийг хорьдог байна.

Зураг 3. Вааран дээр байрлах нарны зай хураагуурыг бодит тоосго мэт харагдуулах полимер материалаар бүрхжээ

Фотоволтайктай тоосго нь Италийн жуулчдын сонирхлыг татдаг үзвэрүүдийн гэрэлтүүлгийн системийг бүхэлд нь эрчим хүчээр хангадаг байна. Нарны зай хураагуурыг гар аргаар урласан бөгөөд Италийн “Дьякуа” гэр бүлийн компани үйлдвэрлэжээ.

Зураг 4. Вааран дээвэр ба фотоволтайк

Одоогоор тус компани энэ технологийг Итали, Португалид амжилттай ашиглаж байна. Дээврийн фотоволтайктай хавтанг хасах -40°С-ээс  +85 хэмийн температурт ашиглахыг үйлдвэрлэгчээс зөвшөөрдөг. Хэмжээ нь 45 × 17 × 13 см байна. Уг систем нь усаар шүршихэд мөн галд тэсвэртэй ажээ. 

Тэгвэл Тесла дээврийн нарны хавтангийн хувилбараа танилцуулснаас хойш дээвэр дээр  фотоволтайк байрлуулахад шинэ түлхэц болсон байна.

Нарны тоосго нь хэрхэн ажилладаг вэ? Ерөнхийдөө нарны коллекторыг бэлэн дээвэр дээр угсардаг. Харин нарны хавтан нь дээврийн хавтанг бүрэн орлуулахын зэрэгцээ өөрийн үндсэн үүргээ мөн гүйцэтгэдэг байна. Мэдээж хэрэг угсралтын ажил нь илүү өндөр өртөгтэй байдаг байна.

 Зураг 5. Вааран дээврийн оронд нарны хавтанг ашигласан нь

Дээврийн нарны хавтан нь ердийн нарны зай шиг ажилладаг. Тэд нарны туяаг шингээж, цахилгаан энерги болгон хувиргадаг аж. Ердийн нарны зайн модуль нь 1.80 м×1.0 м хэмжээтэй байдаг бол дээврийн нарны хавтангууд нь дээврийн ваар эсвэл дээврийн хучилтын материалтай ижилхэн харагддаг байна.

Ихэнхдээ нэг айлын байшинд 50 квадрат метр талбайтай нарны хавтан байхад хангалттай байдаг. Гэсэн хэдий ч дээврийн талбайг бүхэлд нь нарны хавтангаар хучиж ч болох ажээ.

Зарчмын хувьд нарны хавтангууд нь ердийн вааран тоосго шиг тавигддаг боловч бага зэргийн ялгаа байдаг. Нэг системийг бий болгохын тулд тусдаа нарны дээврийн хавтангуудыг хооронд нь утсаар холбох хэрэгтэй. Иймээс угсралтын явцад зарцуулагдах цаг хугацаа илүү урт бөгөөд шаардлагатай нөү-хауг мэдэх шаардлагатай гэсэн үг юм.

Холболтын бүх кабель, залгуурын контактууд нь нарны хавтангийн доор байрлах тул цаг агаарын нөлөөллөөс бүрэн хамгаалагдсан байдаг. Ихэнхдээ нарны хавтанг үйлдвэрлэгчид фотоволтайкийн хувьсагч гүйдлийн хувиргагчтай нь нийлүүлдэг аж. Үүний зэрэгцээ нарны хавтанг угсарч дууссаны дараа цахилгаан төхөөрөмжийг холбох боломжтой ба үүний тулд дээврийн хучилтыг авах шаардлагагүй байна.

Нарны зайнаас гадна нарны хавтанг өөр өөр материалаар хослуулан хийдэг ажээ. Үндсэндээ дараах хоёр хувилбар байдаг. Үүнд:

●   Нарны дээврийн ховилтой хавтан: Эдгээрийг хуванцар, шавар, керамик эсвэл занараар хийх бөгөөд нарны зайг үл анзаарагдах байдлаар суулгасан байдаг.

●   Цутгаж хийсэн дээврийн нарны хавтангууд: Энд нарны зайнуудаар хавтанг цутгаж хийдэг бөгөөд тэдгээр нь ихэвчлэн кварцын шилээр хийгдсэн байдаг.

Ялангуяа кварцын шилээр хийсэн нарны дээврийн хавтанг анх харахад ердийн дээврийн хавтангаас ялгах аргагүй юм. Гэсэн хэдий ч дээврийн нарны хавтан нь дээврийн ердийн хавтангаас арай том хэмжээтэй байдаг ба ердийн вааран хавтангаас нэг их хүнд жинтэй биш аж.

Харин Кёльн хотын Технологийн Их Сургуулийн судалгааны баг болон “Паксос консалтинг ба инженерчлэл ХХК-тай хамтарсан судалгааны үр дүнд цахилгаан болон дулааныг нэгэн зэрэг гарган авах чадвартай нарны зайн модулийг хөгжүүлсэн нь амжилтад хүрчээ. Өргөн хүрээний туршилт судалгааны ажлын үр дүнд дээврийн нарны зайг ердийн фотоволтайк системтэй адил ажиллах боломжтойг тогтоожээ. Ингэснээр нарны эрчим хүчний тоног төхөөрөмжийн ашигт үйлийн коэффициентыг ихээхэн нэмэгдүүлж чаджээ.

Тэгвэл Массачусетсийн Технологийн Их Сургуулийн (MIT) судлаачид цаас шиг нимгэн нарны зайг хэвлэж чадсан байна. Тэд нанотехнологийн тусламжтайгаар бараг ямар ч төрлийн гадаргуу дээр маш үр ашигтайгаар цахилгаан эрчим хүч гарган авах боломжтой гэж үзжээ.

Зураг 6. Цаас шиг нимгэн нарны зай

Өнөө үед сум нэвтэрдэггүй хантааз, ажлын хувцас зэрэгт өргөн ашиглагддаг маш бат бөх динема (хэт өндөр молекул жинтэй полиэтилен материал) хэмээх материал дээр хагас дамжуулагч бэхээр хэвлэж өгснөөр нарны зайг гарган авдаг байна. Энэ нь зөвхөн нанотехнологийн тусламжтайгаар хийгдэх боломжтой ажээ.

Гэвч энэхүү технологи нь тийм ч шинэ санаа биш байна. Олон жилийн өмнө эрдэмтэд нарны зайг нимгэн материал дээр хэвлэж чадсан боловч  тэр үед үнэ нь маш том хязгаарлах хүчин зүйл байсан. Хагас дамжуулагч бэх, ялангуяа тогтвортой динемагийн тусламжтайгаар энэ байдал удахгүй өөрчлөгдөж магадгүй байна. Ингэснээр нарны зайг жишээлбэл майхан, дарвуулт онгоц эсвэл дрон дээр хэвлэх боломж бүрдэх юм.  Мөн энэхүү технологиор гарган авсан нарны зай нь ердийн фотоволтайк модулиудаас 100 дахин хөнгөн төдийгүй илүү үр ашигтай ажилладаг ажээ. Эрдэмтдийн судалгааны үр дүнд ийм хэвлэмэл нарны зайны үр ашгийг ердийн төхөөрөмжтэй харьцуулахад 18 дахин нэмэгдсэн байгааг харуулжээ. Гэхдээ энэхүү технологи маань одоохондоо зах зээлд нэвтрээгүй байна.

1990-ээд оны дундуур Брайн О'Реган болон Майкл Грэтцел нарын зохион бүтээсэн месоскоп будагт мэдрэмтгий нарны зай (DSCs) буюу дэлхий даяар алдартай Грэтцелийн  зай гэж нэрлэгддэг тунгалаг зайны талаар одоо авч үзье.

Зураг 7. Нарны тунгалаг зай

Энэхүү зай нь гэрэл мэдрэгчээр дамжуулан гэрлийг цахилгаан болгон хувиргадаг байна. Энд будагч бодисууд нь гэрлийг шингээгээд электронуудыг оксидын наноталстад суулгаж өгснөөр цахилгаан үүсгүүр болдог аж.

Энэхүү нарны зай нь тунгалаг бөгөөд тэдгээрийг олон өнгөөр харьцангуй хямдаар хийх боломжтой. Тэдгээрийг шилэн фасад, цонх, хүлэмжид ашиглаж болох юм. Нэмж дурдахад хамгийн хөнгөн, уян хатан хувилбаруудыг нь чихэвч, таблет гэх мэт зөөврийн электрон төхөөрөмжүүдэд цахилгааны үүсгүүр болгон ашиглах болно хэмээн тус зайг зохиогчид “Nature” сэтгүүлд нийтэлсэн тухай өгүүлжээ.

Мөн зохиогчид "Бидний үр дүн өндөр хүчин чадалтай нарны тунгалаг зайг хялбар хэрэглэх замыг нээж, орчны гэрлийг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигласнаар бага хүчин чадалтай электрон төхөөрөмжүүдийн тэжээлийн хангамж, батарейг солих зэрэг хэрэглээнд ирээдүйтэй хэтийн төлөвийг санал болгож байна." хэмээн ярьжээ.

Цахилгаан болон дулаан гаргадаг нарны коллектор болон фотовольтайк  нь өнөөг хүртэл өндөр өртөгтэй хөрөнгө оруулалт байсан цаг үе бий. Харин өнөө үед тэдгээрийн үнэ өртөг буурч төрөл бүрийн дизайнтайгаар хийгдэх болсноор барилгад маш өргөн хүрээгээр хэрэглэгдэх боломжтой төдийгүй эрчим хүчний хэмнэлт авчрах улмаар мөнгөний эх үүсвэр болох, дэлхийн дулаарлыг бууруулахад ихээхэн үүрэг гүйцэтгэх технологи болоод байна. Барилга нь эрчим хүч үйлдвэрлэгчийн хувиар мөнгөний эх үүсвэр болох нь ирээдүй аж. Иймээс "Чи яагаад шинэ байшиндаа нарны систем суурилуулаагүй, мөнгө тарааж байгаа юм бэ?" гэдэг асуулт зүй ёсоор тавигдаж эхэлжээ.

Г.Саран, ШУТИС-ийн Материал судлалын төвийн захирал, доктор (Ph.D), дэд профессор

Р.Долгоржав, ШУТИС, Хэрэглээний шинжлэх ухааны сургуулийн ХИС-ын багш, МУ-ын мэргэшсэн инженер