Реклама

О нас
Цели и задачи
Новости, события
Созданные поселения
Объявления
Пресса о нас
Наши статьи и документы
Контакты
Библиотека
Идеология и философия
Экодом
Земледелие и растениеводство
Здоровье
Основы лечения травами
Просвещение
Получение земли
Караван любви солнечных бардов
Истотный русский язык
Жизнеустройство
Природные достопримечательности
Создание экопоселений
Ссылки
Единомышленники
Наши друзья в интернет
Это интересно
Форум!
Наши товары и услуги
Витрина наших товаров и услуг
Поддержи проект
Поддержать!

Внимание!
Проекты наших единомышленников!



Также открыта плотницкая школа


Внимание! Новинка!
История Будущего
Книга и проект Геннадия Коваленко "2030 год. История будущего"

Подпишитесь на нашу рассылку:

Новости движения "Звенящие кедры" в Приморском крае

Если вам понравился наш проект и вы хотите помочь его развитию,
вы можете разместить ссылочку на наш сайт!

Книги Владимира Мегре
Книги В.Н. Мегре


китайская лапша купить по низким расценкам .
Aline Poprawski

Региональное экологическое просветительское общественное движение
Звенящие Кедры
в Приморском крае
/ Дом восходящего солнца / Экодом / Главная /

Дом восходящего солнца. Энергоснабжение экодомов от ВИЭ

Для снабжения экодомов необходимым теплом и электроэнергией предпочтительны возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Для получения возобновляемой энергии могут использоваться солнечное излучение, ветер, течение рек и ручьев, низкотемпературная энергия земли, воды и воздуха, энергия биомассы, геотермальная энергия, приливы, волны, разность солености морской и речной воды, разность температур на поверхности и в глубине морей и т.д.

Согласно классификации ООН, к возобновляемым источникам энергии относятся энергия солнца, ветра, биомассы, приливов, разности температур слоев воды в океанах, геотермальная, гидравлическая и ряд других. Доступность у этих источников энергии разная, к самым распространенным относятся солнечная и ветровая, другие приурочены к отдельным регионам, как геотермальная, третьи доступны лишь для немногих мест.

Наибольший интерес для энергоснабжения жилищ представляет солнечная энергия, вплоть до высоких широт, порядка 60 — 70 градусов, ее приход вопреки расхожему мнению достаточно велик. Мнение энергетиков о том, что у солнечной энергии низкая плотность, пора считать архаизмом. Действительно, ее плотность такова, что в умеренных широтах энергия, падающая непосредственно на здание, многократно превышает потребности энергоэффективного дома в ней.

Было бы ошибочным утверждать, что ВИЭ экологически безупречны, но ущерб от них несравненно меньше, чем от традиционной энергетики. Строго говоря, крупные гидроэлектростанции и древесное топливо тоже представляют собой возобновляемые источники, однако они относятся одновременно и к традиционным источникам, в том числе подобно им наносят серьезный ущерб окружающей среде.

Использование ВИЭ в России имеет длительную историю. Так, в начале XX века их доля в общем топливно-энергетическом балансе страны достигала 90%, причем около 40% приходилось на дрова, около 20% — на ветер и столько же — на торф. Период индустриализации привел к полной централизации хозяйственной жизни, в том числе и энергоснабжения, вытеснив все автономные энергоустановки, к ним относятся и ВИЭ, доля которых составляет ныне не более 1%.

Солнечная энергия

Первичной энергией для жизни на Земле за небольшим исключением является солнечная. Она, как показывают расчеты, в большинстве районов Земли может быть и основным источником энергии для экодома. Идея «солнечного дома» имеет солидный возраст, а если обратиться к традиционным верованиям, имеет еще и мистическое обоснование. Экологически «сознательное» здание должно максимально полно использовать солнечное излучение.

При отсутствии атмосферы на Земле на перпендикулярную излучению площадку в 1 м падало бы 1400 Вт энергии. Эта величина называется солнечной постоянной. Она колеблется в зависимости от активности Солнца, но незначительно. При отсутствии облаков земная атмосфера рассеивает около 20% всей солнечной радиации. В целом, в ясный солнечный день около 80% энергии солнечного излучения достигает земной поверхности. В среднем же из-за экранирования облаками земной поверхности доходит 52% солнечной энергии. Всего на Землю на уровне моря приходит ежегодно около 800 триллионов мегаватт часов солнечной энергии, что примерно в восемь тысяч раз больше, чем вся современная выработка энергии человеком.

Спектральный состав солнечного излучения приведен в таблице 1. Устройства, преобразующие солнечную энергию в тепло, используют длинноволновую (инфракрасную) часть спектра, преобразующие в электроэнергию,— коротковолновую. Как видно из таблицы, тепловое солнечное излучение на уровне земной поверхности в энергетическом выражении в 1 , 2 раза превышает оптическое.

В ясную погоду, на какой бы широте и в какое бы время года мы ни находились, на перпендикулярную к солнечным лучам площадку поступит почти одинаковое количество энергии. Солнечная радиация в том или ином географическом районе характеризуется средними годовыми, месячными, суточными значениями приходящей энергии на единичную горизонтальную и вертикальную единичные площадки. Ясно, что при высоком стоянии солнца над горизонтом больше придет энергии на горизонтальную площадку, при низком — на вертикальную. Первые условия наблюдаются в приэкваториальной зоне, вторые — в северных широтах. В средних широтах, как правило, летом больше поступает энергии на горизонтальную площадку, зимой — на вертикальную. На наклонную ориентированную на солнце площадку придет больше энергии, чем на горизонтальную или вертикальную. Основными факторами, определяющими приход солнечной энергии в том или ином географическом районе, являются широта и облачность. При одинаковой широте континентальный климат, как менее облачный, будет более благоприятен для солнечной энергетики, чем морской.

В центральной Европе годовой приход солнечной радиации составляет 1 , 1 МВт-ч/м2-год, в районах Сахары — 2,3 МВт-ч/м -год. В России приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность колеблется от 0 , 7 МВт-ч/м2год на севере до 1 , 5 к В т - ч / м - г о д на юге. В таблице 2 приведены эти показатели для некоторых российских городов.

Элементарный расчет показывает, что в средней полосе России двухэтажный коттедж, занимающий в плане 100 м2, за год получает от солнца более 160 МВт-час энергии, что превышает всю его годовую потребность даже при нынешнем расточительном потреблении энергии. Или теоретически солнечного тепла, приходящего за год на 1 м , в Москве достаточно для того, чтобы вскипятить 10 кубометров воды. Однако технически сейчас можно полезно использовать только порядка трети приходящей солнечной энергии. Энергию солнечного излучения с помощью ге-лиоприемных устройств можно превратить в электрическую, химическую или тепловую. Это превращение может быть как прямым, так и многоступенчатым. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки.

Тепловые солнечные батареи

Тепловые солнечные коллекторы превращают энергию солнечного излучения непосредственно в тепло, нагревая теплоноситель — воду, антифриз, воздух. Достоинством тепловых солнечных преобразователей является высокий КПД и относительно низкая стоимость. У современных коллекторов КПД достигает 45—60%.

Однако, потребности в низкотемпературном тепле летом в доме невелики, а в связи с трудностью его длительного хранения до зимы его сохранить сложно. Технология же преобразования солнечного тепла в электроэнергию, используемая на крупных энергостанциях, для дома слишком сложна. Этими фактами определяются сравнительно небольшие площади, отводимые под гелио-коллекторы в энергоэффективных домах, которые используются, главным образом, для горячего водоснабжения.

С детства мы знаем, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. Эффективность солнечных коллекторов повышается, если они снабжены теми или иными концентраторами излучения. В зависимости от наличия или отсутствия концентраторных устройств тепловые коллекторы разделяются на плоские и концентраторные. Плоские коллекторы наиболее просты и дешевы, однако дают лишь низкотемпературное тепло, сфера применения которого в домовом энергохозяйстве ограничена. Концентраторные коллекторы более эффективны, но достаточно сложны, в том числе в эксплуатации, и дороги из-за необходимости поворотных систем слежения за Солнцем. Поэтому в домашней энергетике они почти не используются.

Плоский тепловой коллектор представляет собой плоский ящик с прозрачным покрытием, обращенным к Солнцу, и теплоизолированными, во избежание теплопотерь, остальными поверхности. Внутри находится система трубопроводов для теплоносителя (воздуха или жидкости) с крылышками из теплопроводного материала, увеличивающими эффективность теплосбора. В качестве прозрачного экрана используется стекло с максимальным пропусканием солнечного спектра. Крылышки и сами каналы покрываются каким-либо темным составом либо селективным покрытием. Последнее подбирается так, что хорошо поглощает солнечное излучение (соответствующее телу, нагретому до 6300°К), но в свою очередь слабо излучает при обычных земных температурах (порядка 300°К). Это уменьшает теплопотери коллектора собственным тепловым излучением, но удорожает изделие.

Если откачать из коллектора воздух, то его собственные тепло-потери уменьшатся. Так устроены вакуумные коллекторы, однако в этом случае вакуум удается соблюсти только внутри цилиндрических стеклянных трубок, окружающих каналы с теплоносителем. Плоский лист стекла не в состоянии выдержать атмосферное давление, составляющее 10 тонн на квадратный метр. Выпускаются, однако, и коллекторы с пониженным давлением воздуха внутри, для противодействия атмосферному давлению их передняя стеклянная стенка укрепляется металлическими подпорками. Вакуумные и с пониженным давлением коллекторы дороже обычных, но лучше работают зимой и в облачную погоду. Зимой Солнце, вопреки расхожему мнению, не только светит, но и греет, и даже несколько сильнее из-за того, что ближе к Земле, поскольку на зиму в Северном полушарии приходится перигелий (минимальный радиус) земной, слегка эллиптической солнечной орбиты.

Наибольшее распространение получили жидкостные коллекторы; кроме собственно коллектора, они требуют наличия бака накопителя для нагретой воды, соединительных трубопроводов и запорно-регулирующей аппаратуры. Естественно, бак-накопитель и трубопроводы также нуждаются в утеплении. Если бак-накопитель расположен выше коллектора, то в системе возможна естественная циркуляция теплоносителя, в противном случае используется циркуляционный насос.

Применение автоматического регулирования повышает эффективность работы всей системы, в этом случае, в частности, возможен автоматический слив воды из коллектора при угрозе его замерзания, что важно при работе в холодное полугодие. Другой способ борьбы с замерзанием - использование антифриза. Однако все антифризы недешевы, особенно экологически безвредные, обладают меньшей теплоемкостью и большей вязкостью (вода по теплотехническим показателям — чемпион), требуют периодического технического обслуживания, поэтому их использование ограничено.

Еще одна разновидность солнечных коллекторов — накопительные. В них-бак накопитель совмещен с коллектором, т.е. внесен в теплоизолированный объем коллектора. Это, с одной стороны, упрощает конструкцию всей установки, а с другой — предъявляет повышенные требования к прочности несущих кровлю конструкций.

Тепло, полученное от солнечных коллекторов, может использоваться для горячего водоснабжения и отопления, напрямую или через теплообменники. Наилучшим образом с солнечными тепло-улавливающими установками сочетается водяное напольное отопление как самое низкотемпературное (требуемая температура теплоносителя 30—35°С). Оно же является наиболее гигиеничным и комфортным. Воздушные солнечные коллекторы проще жидкостных, однако, в связи с недостатками воздушного отопления они используются реже.

Объем бака-накопителя и угол наклона солнечной установки

Считается что на один м2 площади коллектора необходимо иметь не менее 50 литров объема бака-накопителя. Желательно делать бак-накопитель высоким и прямым, чтобы температура в нем располагалась слоями. Разность температур в таких накопителях может составлять 80 градусов. Трубопроводы между коллекторами и баком накопителем, в случае естественной циркуляции, должны прокладываться с уклоном не менее 1-2 градуса. Наилучшей для коллектора будет ориентация на юг, однако отклонения до 20 градусов от этого направления на производительность влияют мало. Оптимальный угол наклона к горизонту зависит от широты местности и задачи, которую решает солнечная установка. Максимум тепла коллектор даст, когда его ориентация по отношению к солнечным лучам будет в среднем по времени солнечного сияния ближе к перпендикулярной. Для летней установки обычно рекомендуют наклон, равный широте местности минус 15 градусов, зимней — плюс 15 градусов. В среднероссийских условиях ориентировать коллекторы на получение тепла зимой нет смысла — солнца все равно мало. На летний максимум тоже — тепла много, но потребность в нем обычно невелика. Можно рекомендовать ориентацию на межсезонье — на весну и осень. В этот период и солнце есть и потребность в тепле велика. Это означает угол наклона, равный широте местности или на несколько градусов меньший. Более точные рекомендации должны рассчитываться на основе параметров конкретного здания и его расположения с учетом затеняющих препятствий.

Существуют укоренившиеся заблуждения о том, что в России солнечной энергии мало, по крайней мере, в средней полосе, и что солнечные установки себя по этой причине не оправдывают (кстати, подобные заблуждения приходилось преодолевать и в европейских странах). Хуже того, иногда эта ложная информация исходит от так называемых специалистов. Например, в одном современном издании, посвященном утеплению домов, утверждается, что область эффективного применения солнечных коллекторов ограничивается в России Краснодарским краем и Черноморским побережьем, где годовой приход солнечной радиации более 800 кВт-ч-м2 . Но даже из школьного географического атласа можно узнать, что на большей части России, в том числе, и в средней полосе, годовое поступление солнечной энергии больше 800 кВт-ч-м2 . Для примера рассмотрим параметры использования солнечных тепловых систем в Московской области (годовой приход энергии солнца на горизонтальную площадку 1050 кВт-ч-м2 ).

В России большая часть метеорологических измерений производится с периодичностью в три часа. Для многих применений этого недостаточно, в частности этого недостаточно для прогнозирования производительности солнечных коллекторов при установке их в конкретном районе. В то же время международный стандарт — типичный метеогод предполагает определение хода метеопараметров с шагом в один час. Существуют программы, которые позволяют с хорошей точностью рассчитывать производительность солнечных коллекторов по международному стандартному метеогоду. Однако до недавнего времени у нас даже для Подмосковья невозможно было обоснованно предсказать тепло-производительность солнечного коллектора.

Недавно специалисты института высоких температур с помощью интерполяционных методик рассчитали типичный метеогод для московского региона. На его основе, в свою очередь, вычислили распределение по месяцам ожидаемой производительности стандартного солнечного водяного коллектора. Результаты показаны на диаграмме. Они опровергают расхожее мнение, что в Центральной России солнца мало, и потому солнечные коллекторы здесь неэффективны. Выход солнечной энергии мал только в течение четырех месяцев в году, в остальные месяцы он составляет от 15 до 47 кВтчм коллектора. Если исходить из расхода 50 литров горячей воды на человека в день, то на нагрев ее нужно 3 кВт-ч тепловой энергии. Три м2 коллекторов на человека обеспечат его горячей водой с избытком в течение 7 месяцев в году и один месяц (октябрь) обеспечит половину этой нормы. Если увеличить площадь коллекторов, можно, направив излишки тепла на обогрев дома, заметно разгрузить систему отопления, уже начиная с февраля.

Реальная годовая теплопроизводительность среднего промышленного солнечного коллектора составит около 300 кВт-ч, Зная эту цифру и сопоставляя ее с существующими ценами на солнечные коллекторы, можно рассчитать срок окупаемости солнечного коллектора той или иной конструкции в Подмосковье. Разброс цен на отечественные солнечные коллекторы составляет от 20 до 250 долл./м . Для сравнения в Германии аналогичный разброс цен составляет от 350 до 750 долл./м2. Наилучшим соотношением цена/качество на российском рынке обладают плоские солнечные коллекторы Ковровского механического завода, по состоянию на начало 2002 года их стоимость составляла 90 долл./м2. Солнечная тепловая установка в сборе включает в себя помимо коллектора утепленный бак-накопитель для горячей воды, трубопроводы, вентили, управляющую аппаратуру. Все это несколько увеличивает цену готовой системы. Для солнечной установки на основе ковровских коллекторов автором выполнены ориентировочные расчеты сроков их окупаемости относительно альтернативной системы теплоснабжения на сетевом природном газе.

Обычно при подсчете сроков окупаемости солнечных установок совершают «детскую» ошибку, учитывая только стоимость сэкономленного или замещенного топлива. Но тепло в индивидуальном доме имеет еще и аппаратную составляющую стоимости. Для типичного современного коттеджа сюда входит стоимость газового подвода к дому (или подъезда для топливозаправщика), котла, горелки и регулярного технического обслуживания их. Если рассчитывать стоимость «беспроблемного» газового отопления, т.е. такого, когда закупается качественное проверенное оборудование и не экономятся деньги на должное техническое обслуживание, в обмен на надежную работу, то, по оценкам специалистов, при условии безаварийной работы, она составляет на сегодня в Подмосковье 2 цента/кВт-ч тепла. Присовокупляя сюда ту или иную стоимость топлива, можно получить оценку срока окупаемости солнечной установки. Так, при сохранении текущих внутренних цен на газовое топливо, составляющих порядка 7 долл./1000 м3 (по последним данным Госстроя, цена на газ для предприятий в 2001 году уже составила 20 долл./1000 м3), солнечная установка в Подмосковье окупится за 10—12 лет. Однако такой сценарий поведения цен представляется утопическим. Если же предположить, что внутренние цены на топливо дорастут до европейских к 2010 году, которые сами, по прогнозу, несколько возрастут (текущая цена в Германии для потребителей 330 долл./1000 м3, ожидается скорое повышение до 550 долл./1000 м3 ), то срок окупаемости солнечной установки, даже без государственных дотаций, составит 3 года. Далее солнечная установка в течение оставшегося срока службы (сейчас он оценивается не менее чем в 20 лет) будет давать бесплатное тепло.

Широкое распространение в западных странах солнечного теплоснабжения объясняется не только более высокой ценой топлива, но и многочисленными льготами и субсидиями со стороны государств, поскольку социальные, экологические и другие преимущества использования солнечной энергии весьма велики.

Многими специалистами отмечается, что в условиях России наиболее выгодными являются дешевые солнечные коллекторы, несмотря на их меньший КПД. Действительно, если цена ниже в четыре раза, а энергетическая эффективность — в два, то за счет Увеличения площади дешевого коллектора можно получить лучшее соотношение цена — производительность. На сегодняшний день наиболее удачными из дешевых солнечных установок являются установки конструкции А.И. Широкова (Белоруссия). Срок их окупаемости при ориентировочной цене менее 20 долл./м2, как видно из того же графика, составляет порядка 2-3 лет. Эффективность этих коллекторов заметно возрастет в южных районах, там сроки окупаемости будут еще меньше.

Солнечные установки имеют еще одно преимущество, которое не всегда принимается во внимание: они позволяют снизить летом число включений и время работы водогрейного котла и тем самым продлить срок его службы и периоды между его техническим обслуживанием.

Для стран с жарким климатом возможно использование солнечной энергии для приготовления пищи. Разработаны различные конструкции солнечных плит. В нашем климате вполне оправдано использование солнечных кипятильников, в том числе переносных, которые уже можно купить в магазине.

К настоящему времени в мире производится большое количество разнообразных солнечно-термальных установок бытового назначения и целесообразность применения их, по крайней мере, для горячего водоснабжения домов, признана повсеместно. В некоторых странах, например в Израиле, уже едва ли не вся горячая вода для бытовых нужд нагревается солнцем. В Израиле и Греции строительными нормами уже запрещено строительство домов ниже трех этажей без солнечных тепловых батарей.

Теплоулавливающие стены

Одним из простейших солнечных устройств является широко известная стена Тромба. Снаружи у нее расположен тонкий темный слой, поглощающий солнечное излучение, за ним воздушная прослойка, воздух в которой в ясный день нагревается и поступает через верхние отверстия самотеком или принудительно в помещение. Через нижние отверстия обеспечивается отток холодного воздуха из помещения обратно в нагревательную полость, с повторением цикла.

Несколько лет назад появилась другая интересная технология — стены с прозрачной теплоизоляцией. У такой стены снаружи расположен слой прозрачного теплоизоляционного материала, за счет открытоячеистой структуры уменьшающего конвективную теплоотдачу в окружающую среду. Следующий слой является приемником солнечной энергии, он в свою очередь нагревает основной материал стены и через него внутренние помещения. Появились технологии, когда изоляционный и солнцеприемный слои можно наносить на стены в виде паст. По сути дела, такая конструкция превращает стену в пассивный солнечный элемент с той разницей, что теплосъем происходит со всей тыльной поверхности массивом стены, а не с помощью жидкого или воздушного теплоносителя.

Еще один вид прозрачной теплоизоляции использует механизм, реализованный природой в шерсти белого медведя. Последняя является не только прекрасным теплоизолятором, но одновременно и своеобразной солнечной батареей — ее волокна являются световодами, которые проводят лучистую солнечную энергию к коже, где она поглощается в виде тепла. Повторяющая ее теплоизоляция изготавливается из прозрачного поликарбоната или специального стекла в виде массива тонких световодов.

Принцип действия прозрачной теплоизоляции.

Эффективность улавливания лучистой энергии различными типами стеновой прозрачной изоляции составляет 30—65%. Наилучшее соотношение эффективность/цена имеют системы с КПД 30—40%. Цены на оба вида прозрачной теплоизоляции колеблются от 250 до 800 долларов за м2; таким образом, эти технологии не относятся к дешевым.

Стены Тромба и стены с прозрачной теплоизоляцией перспективны в первую очередь для реконструкции существующих зданий с целью повышения их энергоэффективности. Они приспособлены для районов с относительно мягкой и солнечной зимой, где дом может эффективно обогреваться зимним солнцем. Прозрачную теплоизоляцию целесообразно устанавливать только на южной полусфере здания. Она неплохо зарекомендовала себя в Западной Европе. В летний период такие стены во избежание перегрева помещений часто необходимо закрывать специальными жалюзи.

Теплопередающие стены являются по сути дела солнечными коллекторами с прямой передачей тепла без теплоносителя. Они не могут быть серьезно утеплены, иначе они не смогут передавать тепло внутрь помещений. Полезными эти стены будут, когда теп-лопоступления через них будут заметно превышать теплопотери. Теплопоступления будут пропорциональны времени солнечного сияния в холодный период, теплопотери — степени холодности климата. В холодном климате с редким солнцем зимой (что характерно для большей части территории России) целесообразнее иметь хорошо утепленные стены. В странах с мягкой и солнечной зимой выгоднее могут оказаться «солнцепроводные» стены. Таким образом, целесообразность применения теплопередающих стен зависит от особенностей климата в месте строительства.

Фотоэлектрические системы

Можно сказать, что одна и та же сумма в конвертируемой валюте имеет большую ценность или лучшее качество, чем в неконвертируемой. Подобно этому и различные виды энергии имеют разную ценность или разное качество при равном количестве. Разница в качестве определяется способностью преобразовываться в другие виды энергии, храниться и передаваться. Наименее качественной считается тепловая энергия из-за того, что круг ее потребления ограничен, преобразуется она в другие виды с большими потерями, хранение и передача ее затруднены. Различают тепловую энергию высоко- и низкопотенциальную, т.е. при высокой и низкой температуре. Низкопотенциальная имеет наименьшую ценность.

Как форма энергии электроэнергия имеет первостепенное значение благодаря своей универсальности и той простоте, с которой ее можно передавать, распределять и контролировать расход. Ее химические, магнитные, механические, тепловые и световые эффекты могут быть с легкостью получены там, где они необходимы. Недостатками электроэнергии являются ее дороговизна из-за низкого КПД ее производства, а также трудности аккумуляции в большом количестве. Поэтому электроэнергия относится к качественным видам энергии и потребность в ней в экодоме достаточно велика. Вот почему экспериментальные дома имеют, несмотря на низкий по сравнению с тепловыми батареями КПД, большие площади, покрытые фотоэлектрическими солнечными приемниками. Еще одним преимуществом электрических преобразователей является отсутствие в них движущихся частей и, следовательно, простота и надежность конструкции.

Первые опыты по преобразованию солнечной энергии непосредственно в электрическую проводились еще более ста лет назад.

Но эффективные преобразователи удалось создать лишь после применения для этой цели полупроводников в середине нашего века. Первоначально солнечные полупроводниковые батареи в силу их дороговизны применялись только на уникальных объектах, где стоимостной фактор отходил на второй план, например на космических аппаратах. Однако к настоящему времени постоянно действующая тенденция повышения их КПД и снижения стоимости сделала их доступными для бытового применения. Каждые пять лет стоимость батарей снижалась в два раза. В настоящее время серийно выпускаемые ФЭП на основе монокристаллического кремния имеют КПД 10-12%. В лабораториях созданы двухслойные фотоэлектрические преобразователи с КПД 35%, и это не предел, поскольку возможно появление преобразователей, использующих красную часть спектра. Срок жизни солнечных элементов достигает нескольких десятков лет, что вполне удовлетворительно для применения в доме.

В последнее время получили развитие гибридные солнечные батареи,   совмещающие в одном элементе свойства тепловых и электрических преобразователей солнечной энергии. Коэффициент полезного действия их довольно высок, в настоящее время он превышает 60%. Такие батареи весьма перспективны для использования, поскольку в экодоме необходимы одновременно как тепловые, так и электрические гелиоприемники. Использование гибридных батарей позволит более рационально использовать площадь южного фасада и в том числе позволит оптимизировать конструкцию пристроенной теплицы. Недавно российские ученые сообщили о разработке нанотехнологии, которая, по их расчетам, позволит создать фотобатареи с КПД 90%. Они смогут работать даже ночью.

Общим недостатком солнечных устройств является нерегулярность поступления энергии и несовпадение этих поступлений с графиком основных потребностей в ней, в связи с чем, они могут успешно применяться только в сочетании с другими электроисточниками и энергоаккумуляторами.

Двадцать лет назад киловатт-час электричества, полученный за счет использования энергии Солнца, стоил 2,5 доллара. В настоящий момент его стоимость снизилась до 20—25 центов, т.е. десятикратно. Но это еще в 4—5 раз выше стоимости энергии топливных электростанций. Уже сейчас удается снизить стоимость фотоэлектрической энергии применением зеркальных концентраторов в 3—5 раз.

В настоящее время фотоэлектрические батареи сравнительно дороги (энергия от них обходится в несколько раз дороже сетевой) и массовое применение их возможно только при административной финансовой поддержке государственных структур. Наибольших успехов добилась на этом пути Германия. В 1990—1995 гг. там действовала и была существенно перевыполнена программа «1000 крыш» по установке фотоэлектрических систем на частных и общественных зданиях. Она послужила образцом для последующего принятия аналогичных программ в других странах. В самой Германии ей на смену пришла программа «100 000 крыш».

Частью программы «1000 крыш» была обширная система наблюдений и анализа за работой установленных фотоэлектрических систем (ФЭС). Использование аккумуляторов не предусматривалось, в качестве резервуара для излишков энергии использовалась электросеть. В процессе выполнения программы выявилось, что слабым звеном тогдашних ФЭС были инверторы, в функцию которых входило преобразование постоянного тока от солнечных панелей в переменный, обычных стандартов, и передача излишков в сеть. В процессе выполнения программы инверторы были усовершенствованы и жалобы на них прекратились. Важную роль играл, ранее недооценивавшийся коэффициент затенения. Выяснилось, что в пределах Германии различия в производительности коллекторов по естественным причинам составили 30%.

Полное годовое электропотребление домохозяйства составило 2800 кВт-ч, выработка ФЭС 1400 кВт-ч, т.е. 50%. Площадь фото-элекрических панелей составляла 15 м2. Для сравнения на том же рисунке приведена характерная диаграмма получения энергии от ветроагрегата (установленного в другом районе). Из сравнения диаграмм видно, что временная производительность обоих систем находится в противофазе, поэтому их целесообразно использовать совместно в одной упряжке.

Многие из производящихся в России фотоэлектрических систем не только соответствуют мировому техническому уровню, но и превосходят его по ряду параметров. Так, фотоэлектропреобра-зователи из моно- и поликристаллического кремния имеют устойчивый КПД — 16% при стоимости модуля мощностью 50 Вт около 5 долл./Вт (пик), что соответствует средней стоимости подобных преобразователей на мировом рынке. Цель реализуемого в настоящее время проекта — снизить стоимость до 2—3 долл./Вт.

О месте под солнцем

Гелиоустановки обычно размещают на фасадах и крышах, ориентированных на юг, юго-восток и юго-запад. У проектировщиков в этой связи появилось новое понятие — энергетическая крыша. Оптимальная ориентация зависит от климата, рельефа местности, характера затененности и других условий. В принципе вся площадь ограждающих конструкций западной, южной и восточной ориентации, за исключением окон, может быть занята гелиоприемниками. Они могут устанавливаться как неподвижно, так и на подвижных и трансформируемых платформах, позволяющих менять их ориентацию и конфигурацию в зависимости от положения Солнца.

Не только в плотной городской застройке, но и в сельской местности может возникнуть проблема взаимного затенения гелио-приемников деревьями, домами или другими сооружениями. На этот случай должны быть приняты нормативные акты и проектировочные правила, защищающие определенный сектор солнечного облучения домовладения от затенения высокими деревьями или другими объектами на соседних участках. Опыт законодательного регулирования доступа к солнцу домовладений имелся еще в Древней Греции. Согласно канонам древнего китайского учения об обустройстве жилища Фэн-Шуй, южный фасад дома не должен ничем затеняться для беспрепятственного освещения дома солнцем. В английском праве существует тезис о «правах света», по которому домовладелец имеет право пользоваться солнечным освещением в течение определенного времени. Таким образом, предполагается, что при планировании застройки должно сохраняться определенное пространственно высотное соотношение между зданиями. Даже в неблагоприятных условиях современного города удается иногда найти компромиссное решение. Так, один токийский домовладелец, малоэтажный дом которого был затенен стоящим рядом небоскребом, установил на его крыше следящий отражатель так, чтобы он отражал солнце на его дом.

Расчеты показывают, что при достаточно плотном шахматном расположении домов взаимное затенение остается в допустимых пределах. Футурологи предсказывают, что типичный городской пейзаж близкого будущего будет включать тысячи расположенных на крышах домов накопителей солнечной энергии, которые станут таким же элементом повседневности, как и телевизионные антенны сегодня.

В будущем предстоит создать для районов, подверженных стихийным бедствиям, солн-цеприемные устройства, достаточно устойчивые к их воздействию, подобно тому, как это уже сделано для ветроуста-новок, мачты или лопасти которых автоматически складываются при опасном ветре. Уже сейчас некоторые фирмы начали производить фоточерепицу (черепицу со встроенными фотоэлементами), покрытую бронированным стеклом, выдерживающим попадание камня.

Вращающиеся дома

На протяжении тысячелетий дома строились статичными, а их ориентация определялась традициями и местными условиями. Один из способов повышения энергоэффективности дома состоит в том, чтобы южные фасады делать с увеличенным остеклением и солнечными батареями, северные — с минимальным остеклением и наиболее утепленными стенами. Поворотные устройства для солнечных батарей, установленных на домах, практически не применяются, однако существуют целиком вращающиеся дома.

Вращающиеся дома до недавних пор существовали только в сказках. В одном из них жила Баба-Яга. Позднее появились вращающиеся радиолокационные кабины. Первые вращающиеся дома были построены два-три десятилетия назад для очень богатых людей. В настоящее время, они становятся доступными для рядовых граждан. Максимальная скорость вращения составляет 8 сантиметров в минуту, что практически незаметно.

Такой дом возводится на металлической вращающейся основе, которая стоит на опорах, и может быть сооружен практически из любого материала — бетона, дерева, стекла или стали. Основание для узла вращения заглубляется на ту же величину, что и обычный фундамент. Поворотный механизм не требует регулярного обслуживания, а только периодических осмотров, как и ходовая часть автомобиля. Дополнительным достоинством вращающихся домов является их сейсмоустойчивость.

Обычно предлагаемые дома могут делать один полный поворот, после чего должны совершить круг обратного вращения. Модели, которые могут вращаться в одном направлении непрерывно, стоят дороже в связи с усложнением конструкций подводящих энергию и воду коммуникаций.

Дома, диаметр которых не превышает 14 метров, могут иметь общую площадь в 150—200 кв. м. Их строительство обходится на 5—8% дороже возведения статичного дома, однако это компенсируется повышенной энергоэффективностью таких домов. Для домов большей площади удорожание оказывается более значительным.

Вращающиеся дома построены уже в США, Канаде, Англии, Франции, Австралии, Новой Зеландии. Возникли фирмы, специализирующиеся на строительстве таких домов.

Ветровые энергоисточники

Ветер дует везде — на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением Земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.

Ветровая энергия порождается энергией Солнца и представляет одну из ее разновидностей. Энергия ветра используется уже несколько тысячелетий, еще в древней Персии работали ветряные мельницы с вертикальной осью вращения. Позже появились мельницы с горизонтальной осью, использовавшиеся вплоть до недавнего времени. В 1890 году подобная установка в Дании впервые была применена для получения электроэнергии.

В России к началу XX века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт. Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция.

Принцип действия лопастных ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат. Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Ветроагрегаты делятся на две группы:

  • ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые);
  • ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные).

Основной энергетический показатель ветрового режима местности — средняя многолетняя скорость ветра. Для возможности установки ветроэнергоисточника она должна составлять не менее 4—5 м/сек для обычных установок и не менее 3 м/сек для многолопастных и вихревых.

Ветроэнергоресурсы являются достаточно распространенными. В особенности они велики в прибрежных районах и на акваториях. Особую ценность им придает то, что во многих районах, в частности в России, они имеют зимний максимум. Таким образом, они оказываются в состоянии компенсировать зимний минимум солнечной энергии и давать, в отличие от гелиоустановок, энергию в период максимальной потребности в ней. Образно говоря, они являются той ложкой, которая дорога к обеду. Ветроус-тановки с экологической точки зрения обладают рядом недостатков. Они требуют изъятия земель, производят шум, изменяют ландшафт, создают помехи теле- и радиосвязи, могут приводить к гибели птиц, небезопасны при авариях. Технический прогресс последних лет позволил значительно снизить эти неблагоприятные воздействия — появились малошумящие лопасти, не отражающие электромагнитного излучения, мачты, автоматически складывающиеся при опасном ветре, и т. д.

Ветродвигатели во многих случаях целесообразно размещать группами на отдельных площадках, достаточно удаленных от жилья и с хорошими аэродинамическими условиями. Площади под установками могут использоваться в сельскохозяйственных целях. Ветродвигатели способны превращать в электрическую энергию более 30% энергии ветрового потока. Для ветроэнергетики справедлива общая для возобновляемых источников тенденция быстрого снижения стоимости капитальных затрат и стоимости вырабатываемой энергии. Последняя за двадцать лет с 1980 г. упала в десять раз и достигла значения 5 центов за кВт-час, что делает вполне конкурентоспособной по сравнению с традиционной энергетикой. По прогнозам, к 2010 году стоимость ветроэнер-тии упадет до 3,5 цента за кВт-час., что будет почти вдвое ниже стоимости энергии топливных станций.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, поэтому часто ветроустановки комбинируют с другими ВИЭ, например солнечными.

P.S. Если вы считаете, что данную информацию стоит сообщить другим, поделитесь в соцсетях:



Ещё ссылки по теме:


Rambler's Top100


© 2002-2016 Звенящие кедры в Приморском крае
Создание и поддержка сайта: Александр Журавлёв

Вы можете разместить новость, статью или другой материал на нашем сайте: обращайтесь!
Также разрешается републикация материалов с обязательным указанием активной прямой ссылки на наш сайт.

Карта сайта