Модуль 2

Сонячна енергія

1. Сонячна радіація

Енергія Сонця є джерелом життя на планеті. Сонце нагріває атмосферу та поверхню Землі. Завдяки сонячній енергії дмуть вітри, здійснюється кругообіг води в природі, нагріваються моря та океани, розвиваються рослини, тварини мають корм. Саме завдяки сонячному випромінюванню Землі існують викопні види палива. Сонячна енергія може бути перетворена на теплоту або холод, рушійну силу та електрику.

Сонячна радіація - це електромагнітне випромінювання, зосереджене переважно у діапазоні хвиль довжиною 0,28…3,0 мкм. Сонячний спектр складається з:

  • ультрафіолетових хвиль довжиною 0,28...0,38 мкм, невидимих для наших очей і становлять приблизно 2 % сонячного спектру;
  • світлових хвиль в діапазоні 0,38...0,78 мкм, що становлять приблизно 49% спектру;
  • інфрачервоних хвиль довжиною 0,78 ... 3,0 мкм, на частку яких припадає більшість залишилися 49% сонячного діапазону.

Інші частини спектру відіграють незначну роль у тепловому балансі Землі.

Малюнок 1

Скільки сонячної енергії потрапляє на землю?

Сонце випромінює величезну кількість енергії - приблизно 1,1x10 кВт/год кВт/год. Кіловатт·година - це кількість енергії, необхідна для роботи лампочки розжарювання потужністю 100 Вт протягом 10 годин. Зовнішні шари атмосфери Землі перехоплюють приблизно одну мільйонну частину енергії, що випромінюється Сонцем, або приблизно 1500 квадрильйонів (1,5 x 1018) кВт·год. Однак через відображення, розсіювання та поглинання її атмосферними газами та аерозолями лише 47% усієї енергії, або приблизно 700 квадрильйонів (7 x 1017) кВт·год, досягає поверхні Землі.

Малюнок 2

Сонячне випромінювання в атмосфері Землі ділиться на так зване пряме випромінювання і на розсіяне на частинках повітря, пилу, води тощо, що містяться в атмосфері. Їхня сума утворює сумарне сонячне випромінювання.

Малюнок 3

Кількість енергії, що падає на одиницю площі в одиницю часу, залежить від ряду факторів:

  • широти;
  • місцевого клімату;
  • сезону року;
  • кута нахилу поверхні по відношенню до Сонця.

Час та місце

Кількість сонячної енергії, що падає на поверхню Землі, змінюється внаслідок руху Сонця. Ці зміни залежать від часу доби та пори року. Зазвичай опівдні на Землю потрапляє більше сонячної радіації, ніж рано-вранці чи пізно ввечері. Опівдні Сонце високо над горизонтом, і довжина шляху проходження променів Сонця через атмосферу Землі скорочується. Отже, менше сонячної радіації розсіюється і поглинається, отже більше досягає поверхні.

Малюнок 4

Кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, відрізняється від середньорічного значення: в зимовий час - менше ніж на 0,8 кВт·год/м2 на день на Півночі Європи і більш ніж на 4 кВт·год / м2 на день у літній час у цьому ж регіоні. Відмінність зменшується у міру наближення до екватора.

Кількість сонячної енергії залежить і від географічного розташування ділянки. Чим ближче до екватора, тим більше.

Наприклад, середньорічне сумарне сонячне випромінювання, що падає на горизонтальну поверхню, становить:

  • у Центральній Європі, Середній Азії та Канаді - приблизно 1000 кВт·год/м2;
  • у Середземномор'ї - приблизно 1700 кВт·год/м2;
  • у більшості пустельних регіонів Африки, Близького Сходу та Австралії - приблизно 2200 кВт·ч/м2.

Таким чином, кількість сонячної радіації суттєво різниться залежно від пори року та географічного положення (див. таблицю). Цей фактор необхідно враховувати під час використання сонячної енергії.

Таблиця 1. Кількість сонячної радіації у Європі та країнах Карибського басейну, кВт·ч/м2 в день.

Південна Європа Центральна Європа Північна Європа Карибський регіон
Январь 2,6 1,7 0,8 5,1
Февраль 3,9 3,2 1,5 5,6
Март 4,6 3,6 2,6 6,0
Апрель 5,9 4,7 3,4 6,2
Май 6,3 5,3 4,2 6,1
Июнь 6,9 5,9 5,0 5,9
Июль 7,5 6,0 4,4 6,0
Август 6,6 5,3 4,0 6,1
Сентябрь 5,5 4,4 3,3 5,7
Октябрь 4,5 3,3 2,1 5,3
Ноябрь 3,0 2,1 1,2 5,1
Декабрь 2,7 1,7 0,8 4,8
Год 5,0 3,9 2,8 5,7

Хмари

Кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі, залежить від різних атмосферних явищ та від положення Сонця як протягом дня, так і протягом року. Хмари - основне атмосферне явище, що визначає кількість сонячної радіації, що досягає Землі. У будь-якій точці Землі сонячна радіація, що досягає поверхні Землі, зменшується зі збільшенням хмарності. Отже, країни з переважною хмарною погодою отримують менше сонячної радіації, ніж пустелі, де погода переважно безхмарна.

На формування хмар впливає наявність таких особливостей місцевого рельєфу, як гори, моря та океани, а також великі озера. Тому кількість сонячної радіації, отриманої в цих областях та прилеглих до них регіонах, може відрізнятися. Наприклад, гори можуть отримати менше сонячного випромінювання, ніж прилеглі передгір'я та рівнини. Вітри, що дмуть у бік гір, змушують частину повітря підніматися і, охолоджуючи вологу, що у повітрі, формують хмари. Кількість сонячної радіації у прибережних районах також може відрізнятись від показників, зафіксованих у областях, розташованих усередині континенту.

Кількість сонячної енергії, що надходить протягом дня, значною мірою залежить від місцевих атмосферних явищ. Опівдні при ясному небі сумарне сонячне випромінювання, що потрапляє на горизонтальну поверхню, може досягти (наприклад, у Центральній Європі) значення 1000 Вт/м2 (за дуже сприятливих погодних умов цей показник може бути вищим), в той час, як за дуже хмарної погоди - нижче 100 Вт/м2 навіть опівдні.

Малюнок 5

Забруднення

Антропогенні та природні явища також можуть обмежувати кількість сонячної радіації, яка досягає поверхні Землі. Міський зміг, дим від лісових пожеж і попіл, що переноситься повітрям, що утворився в результаті вулканічної діяльності, знижують можливість використання сонячної енергії, збільшуючи розсіювання і поглинання сонячної радіації. Тобто ці фактори більшою мірою впливають на пряме сонячне випромінювання, ніж на сумарне. При сильному забрудненні повітря, наприклад, при змізі, пряме випромінювання зменшується на 40%, а сумарне лише на 15-25%. Сильне вулканічне виверження може знизити, причому великий території Землі, пряме сонячне випромінювання на 20%, а сумарне - на 10% період від 6 місяців до 2 років. При зменшенні кількості вулканічного попелу в атмосфері ефект слабшає, але повне відновлення може тривати кілька років.

Потенциал

Сонце забезпечує нас у 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, ніж фактично використовується у всьому світі. Тільки на світовому комерційному ринку купується та продається трохи менше 85 трильйонів (8,5 x 1013) кВт·год енергії на рік. Оскільки неможливо простежити за всім процесом загалом, не можна з упевненістю сказати, скільки некомерційної енергії споживають люди (наприклад, скільки деревини та добрива збирається та спалюється, яка кількість води використовується для виробництва механічної чи електричної енергії). Деякі експерти вважають, що така некомерційна енергія становить одну п'яту частину всієї енергії, що використовується. Але навіть якщо це так, то загальна енергія, що споживається людством протягом року, становить приблизно одну семитисячну частину сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі в той же період.

У розвинених країнах, наприклад, США, споживання енергії становить приблизно 25 трильйонів (2.5 x 1013) кВт·год на рік, що відповідає більш ніж 260 кВт·ч на людину на день. Цей показник є еквівалентом щоденної роботи понад ста лампочок розжарювання потужністю 100 Вт протягом цілого дня. Середньостатистичний громадянин США споживає у 33 рази більше енергії, ніж мешканець Індії, у 13 разів більше, ніж китаєць, у два з половиною рази більше, ніж японець і вдвічі більше за шведа.

Кількість сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі, у багато разів перевищує її витрату навіть у таких країнах як США, де енергоспоживання величезне. Якби тільки 1% території країни було використано для встановлення сонячного обладнання (фотоелектричні батареї або сонячні системи для гарячого водопостачання), що працює з ККД 10%, США були б повністю забезпечені енергією. Те саме можна сказати і щодо всіх інших розвинених країн. Однак, у певному сенсі, це нереально – по-перше, через високу вартість фотоелектричних систем, по-друге, неможливо охопити такі великі території сонячним обладнанням, не завдаючи шкоди екосистемі. Але сам принцип є вірним. Можна охопити ту саму територію, розосередивши установки на дахах будівель, на будинках, узбіччям, на заздалегідь визначених ділянках землі і т.д. До того ж, у багатьох країнах уже понад 1% землі відведено під видобуток, перетворення, виробництво та транспортування енергії. І, оскільки більша частина цієї енергії є не відновлюваною у масштабі існування людства, цей вид виробництва енергії набагато шкідливіший для навколишнього середовища, ніж сонячні системи.

2. Використання сонячної енергії

У більшості країн світу кількість сонячної енергії, що потрапляє на дахи та стіни будівель, набагато перевищує річне споживання енергії мешканцями цих будинків. Використання сонячного світла і тепла - чистий, простий і природний спосіб отримання всіх форм необхідної нам енергії. За допомогою сонячних колекторів можна обігріти житлові будинки та комерційні будинки та/або забезпечити їх гарячою водою. Сонячне світло, сконцентроване параболічним дзеркалами (рефлекторами), застосовують для отримання тепла (з температурою до кількох тисяч градусів Цельсія). Його можна використовувати для обігріву або виробництва електроенергії. Крім цього, існує інший спосіб виробництва енергії за допомогою Сонця – фотоелектричні технології. Фотоелектричні елементи – це пристрої, які перетворюють сонячну радіацію безпосередньо на електрику.

Сонячна радіація може бути перетворена на корисну енергію, використовуючи так звані активні та пасивні сонячні системи. До активних сонячних систем належать сонячні колектори та фотоелектричні елементи. Пасивні системи виходять за допомогою проектування будівель та підбору будівельних матеріалів таким чином, щоб максимально використати енергію Сонця.

Сонячна енергія перетворюється на корисну енергію та непрямим чином, трансформуючись на інші форми енергії, наприклад, енергію біомаси, вітру чи води. Енергія Сонця "керує" погодою на Землі. Велика частка сонячної радіації поглинається океанами та морями, вода в яких нагрівається, випаровується та у вигляді дощів випадає на землю, “живлячи” гідроелектростанції. Вітер, необхідний вітротурбінам, утворюється внаслідок неоднорідного нагрівання повітря. Інша категорія відновлюваних джерел енергії, що виникають завдяки енергії Сонця – біомаса. Зелені рослини поглинають сонячне світло, в результаті фотосинтезу у них утворюються органічні речовини, з яких згодом можна отримати теплову та електричну енергію. Таким чином, Енергія вітру, води та біомаси є похідною сонячної енергії.

Пасивне використання сонячної енергії

Пасивні сонячні будівлі - це ті, проект яких розроблений з максимальним урахуванням місцевих кліматичних умов, і де застосовуються відповідні технології та матеріали для обігріву, охолодження та освітлення за рахунок енергії Сонця. До них відносяться традиційні будівельні технології та матеріали, такі як ізоляція, масивні підлоги, звернені на південь вікна. Такі житлові приміщення можуть бути збудовані в деяких випадках без додаткових витрат. В інших випадках додаткові витрати, що виникли при будівництві, можуть бути компенсовані зниженням енерговитрат. Пасивні сонячні будівлі є екологічно чистими, вони сприяють створенню енергетичної незалежності та енергетично збалансованому майбутньому.

У пасивній сонячній системі сама конструкція будівлі виконує роль колектора сонячної радіації. Це визначення відповідає більшості найпростіших систем, де тепло зберігається в будівлі завдяки стінам, стелям або підлогам. Існують також системи, де передбачені спеціальні елементи для накопичення тепла, вмонтовані в конструкцію будівлі (наприклад, ящики з камінням або заповнені водою баки або пляшки). Такі системи класифікуються також як пасивні сонячні. Пасивні сонячні будівлі – ідеальне місце для життя. Тут повніше відчувається зв'язок із природою, у такому будинку багато природного світла, у ньому економиться електроенергія.

Малюнок 6

Історія

Історично склалося так, що на проектування будівель впливали місцеві кліматичні умови та доступність будівельних матеріалів. Пізніше людство відокремило себе від природи, йдучи шляхом панування та контролю над нею. Цей шлях призвів до однотипного стилю будівель практично будь-якої місцевості. У 100 році н. е. історик Пліній Молодший збудував літній будиночок у Північній Італії, в одній із кімнат якого були вікна з тонкої слюди. Кімната була теплішою за інші, і для її обігріву потрібно менше дров. У відомих римських лазнях у І-ІV ст. н. е. спеціально встановлювалися великі вікна, що виходять на південь, щоб більше сонячного тепла надходило до будівлі. До VI ст. сонячні кімнати в будинках та громадських будівлях стали настільки звичайними, що Джастініан Коуд ввів "право на сонці", щоб гарантувати індивідуальний доступ до сонця. У XIX столітті були дуже популярні оранжереї, в яких було модно прогулюватися під покровом пишного рослинного листя.

Через перебої з електроенергією під час Другої світової війни до кінця 1947 року в Сполучених Штатах будівлі, які пасивно використовують сонячну енергію, мали такий величезний попит, що "Libbey-Owens-Ford Glass Company" видала книгу під назвою "Ваш Сонячний Дім", в якій було представлено 49 найкращих проектів сонячних будівель. У середині 50-х років ХХ століття архітектор Франк Брайдджерс розробив першу в світі пасивну сонячну будівлю для офісного приміщення. Встановлена ​​в ньому сонячна система гарячого водопостачання працює з того часу безперебійно. Сама ж будівля "Брайдджерс-Пекстон" занесена до національного історичного регістру країни як перша у світі офісна будівля, що обігрівається за допомогою енергії Сонця.

Низькі ціни на нафту після Другої світової війни відвернули увагу населення від сонячних будівель та питань енергоефективності. Починаючи з середини 1990-х, ринок змінює своє ставлення до екології та використання відновлюваної енергії, і в будівництві з'являються тенденції, для яких характерне поєднання проекту майбутньої будівлі з навколишньою природою.

Пасивні сонячні системи

Існує кілька основних способів пасивного використання сонячної енергії в архітектурі. Використовуючи їх, можна створити безліч різних схем, тим самим одержуючи різноманітні проекти будівель. Пріоритетами для будівництва будівлі з пасивним використанням сонячної енергії є: вдале розташування будинку; велика кількість вікон, звернених на південь (у Північній півкулі), щоб пропускати більше сонячного світла в зимовий час (і навпаки, невелика кількість вікон, звернених на схід чи захід, щоб обмежити надходження небажаного сонячного світла влітку); правильний розрахунок теплового навантаження на внутрішні приміщення, щоб уникнути небажаних коливань температури та зберігати тепло у нічний час, добре ізольована конструкція будівлі.

Малюнок 7

Розташування, ізоляція, орієнтація вікон та теплове навантаження на приміщення повинні бути єдиною системою. Для зменшення коливань внутрішньої температури ізоляція має бути поміщена із зовнішнього боку будівлі. Однак у місцях із швидким внутрішнім обігрівом, де потрібно трохи ізоляції, або з низькою теплоємністю, ізоляція має бути з внутрішньої сторони. Тоді дизайн будівлі буде оптимальним за будь-якого мікроклімату. Варто відзначити і той факт, що правильний баланс між тепловим навантаженням на приміщення та ізоляцією веде не тільки до заощадження енергії, але й до економії будівельних матеріалів.

Місце розташування

Ландшафт та дерева

Згідно з звітом Департаменту з енергетики США "Ландшафтна архітектура для ефективного використання енергії" (DOE/GO-10095-046), продуманий ландшафт може дозволити заощадити до 25% споживання енергії у домашньому господарстві. Дерева є ефективним засобом захисту від сонця влітку, а взимку вони стають перепоною для холодних вітрів. Крім утворення тіні, дерева, кущі та газони, можуть знизити температуру повітря в окрузі на цілих 5 оС, оскільки, випаровуючи вологу, рослини охолоджують навколишнє повітря.

Дерева потрібно садити таким чином, щоб вони могли забезпечити тінь влітку та не блокувати сонячне світло взимку. Навіть листяні дерева, які втрачають своє листя взимку, перешкоджають доступу сонячного світла в зимовий час - кілька "голих" дерев можуть перекрити понад 50% сонячного світла.

Вікна

Малюнок 8

Ефективність будь-якої пасивної системи залежить від типу вікон. Скло або інші прозорі матеріали пропускають короткі хвилі та затримують довгі хвилі теплового випромінювання всередині приміщення. Вікна регулюють енергетичний потік двома основними способами:

  • взимку вони забезпечують будинок теплом, пропускаючи сонячну енергію всередину будівлі, завдяки чому температура повітря всередині приміщень перевищує зовнішню температуру;
  • влітку сприяють охолодженню будівлі, знижуючи ступінь проникнення сонячних променів за допомогою вдалого розташування вікна та його затінення, а також використання вентиляції для охолодження будинку.

Якщо ми використовуємо сонячне тепло, то необхідно забезпечити його проникнення в приміщення саме в той час, коли воно найкорисніше. Як правило, в зимовий час сонячні промені мають потрапляти до приміщення в період з 9.00 до 15.00. Бажано, щоб на їхньому шляху практично не було жодних перешкод. Так, дерева на ділянці можуть затінювати кімнати будинку. Це необхідно враховувати під час будівництва. Можна спланувати будинок із вікнами, що виходять на будь-який бік. При цьому будинок матиме низьке енергоспоживання. При проектуванні більше значення має каркас будівлі, тобто стіни, підлога та стеля, ніж розташування внутрішніх перегородок. Якщо необхідно, щоб вікно було звернено на захід, потрібно правильно його затінити і вибрати відповідний розмір.

Скло пропускає хвилі сонячної радіації у діапазоні 0,4-2,5 мкм. Внаслідок поглинання світла непрозорими об'єктами, що знаходяться всередині приміщення, та подальшого перевипромінювання, довжина його хвилі збільшується до 11мкм. Скло є непроникним бар'єром для електромагнітної хвилі цієї довжини. Світло, потрапляючи до приміщення, опиняється у пастці. Кількість світла, що проникає крізь скло, залежить від кута падіння. Оптимальний кут падіння – 90o. Якщо сонячне світло падає на скло під кутом 30o або менше, то більша частина сонячного світла відображається.

Малюнок 9 Малюнок 10

Спектр сонячного випромінювання та теплопередача

Щоб правильно вибрати скління, необхідно мати уявлення про світло та теплоту. Спектр сонячного світла, що потрапляє Землю, складається з хвиль різної довжини. Різне скло по-різному пропускає, поглинає і відображає хвилі сонячного випромінювання. Наприклад, зменшення яскравого світла (шляхом відбиття чи затінення) корисно робочому місці. Пропускаючи денне світло, можна заощадити енергію, необхідну для штучного освітлення. Найбільш сприятливими для людини вважаються інфрачервоні промені, що створюють відчуття комфорту. Визначивши правильний тип скла, можна пропускати чи відбивати інфрачервоне випромінювання.

Існують три варіанти проходження тепла крізь матеріал, що використовується для скління. Перший – теплопровідність: при цьому тепло проходить крізь скло. Щоб відчути тепло, достатньо торкнутися скла. Друга форма теплопередачі – це випромінювання: електромагнітні хвилі передають тепло через скло. Завдяки цьому виникає відчуття, що поверхня вікна випромінює тепло. Третій спосіб переміщення тепла – конвекція. Конвекція переміщує тепло завдяки руху повітря, в даному випадку завдяки повітряним потокам. Природний рух теплого повітря до холоднішого дозволяє підвищувати або знижувати температуру в приміщенні.

Показник теплового опору матеріалу (R-value), що використовується для скління, визначається ступенем його теплопровідності, випромінювання та конвекції. На загальне значення показника теплового опору вікна загалом впливає інфільтрація повітряного потоку. Кількість тепла, яке минає, минаючи скління, так само важливо, як і переміщення тепла через вікна. Якість виготовлення та встановлення всього вікна, включаючи установку рами, впливає на ступінь проникнення повітря.

Прогрес у технології виробництва вікон суттєво вплинув на ефективність у будівництві у 70-х роках ХХ століття, і сьогодні йому належить важлива роль у пасивних сонячних системах. Ось деякі успіхи у технології виробництва вікон:

  • Подвійне та потрійне скління (склопакети) з високим ступенем теплової ізоляції.
  • Скло з низьким коефіцієнтом випромінювання, що має покриття, яке "впускає" тепло, але не "випускає" його назад.
  • Використання аргону (або іншого інертного газу) для заповнення простору всередині склопакета, що призводить до підвищення ступеня теплової ізоляції порівняно зі склопакетами, заповненими звичайним повітрям.
  • Технології, засновані на використанні фазового переходу, що дозволяють змінювати рівень прозорості скла за допомогою електричної напруги.

Основні типи скла

До матеріалів, що використовуються для скління, відносяться: скло, акрилові волокна, скловолокно та ін. Хоча різні матеріали мають різні сфери застосування, найбільш поширеним є використання скла. Різні типи скла дозволяють проектувальнику розробити пасивний сонячний будинок, який відповідає всім вимогам клієнта. Одинарне шибка - найбільш просте з усіх типів скла, і є складовим компонентом для більш високоякісного скління. Звичайне скло має високу прозорість для сонячного світла, але погану теплову ізоляцію коефіцієнт теплового опору дорівнює приблизно 1,0. Звичайне віконне скло може ефективно виконувати свою роль, коли воно використовується у вікні з подвійною обкладинкою або подвійними рамами, у будинках, розташованих у регіонах з теплим кліматом (якщо до того ж, не використовується кондиціювання повітря), у деяких типах сонячних колекторів та в сезонних оранжереї. Конструкції, в яких використовуються одинарні шибки, зазвичай піддаються великим температурним коливанням, протягам, конденсації і погано перегороджують доступ холодного повітря ззовні.

Найбільш поширеною конструкцією, яка використовується сьогодні в будівництві, є склопакет. Склопакет - це два скла, зібрані в один виріб. Одинарне скло (термоскло) з'єднується в єдину конструкцію проміжною планкою, що складається з матеріалу, що поглинає вологу. Така конструкція зазвичай герметизується силіконом. Між склом утворюється закритий повітряний простір, що сприяє збільшенню теплового опору, коефіцієнт якого для склопакета становить приблизно 1,8-2,1. Практика показала, що найкраща відстань між склом для повітряного простору – 1-2 сантиметри. Більша відстань між склом не збільшить набагато коефіцієнт теплового опору.

Фактично, велике повітряний простір може сприяти збільшенню конвекції в склопакеті та в результаті знизити температуру. Звичайно, можна збільшити відстань між склом і до 10-12 сантиметрів, не створюючи конвекційного потоку, але тоді виріб буде дуже громіздким. Підвищений попит на енергоефективність у будинках призвів до того, що вікна зі склопакетами стали стандартом у будівництві. Які мають гарну прозорість для сонячної енергії і якісну теплову ізоляцію, такі вікна є значним кроком вперед у порівнянні зі звичайним вікном. Подвійні склопакети використовують для виробництва вікон, дверей, для будівництва засклених дахів, соляріїв, а також у багатьох інших областях.

Високоякісне скло

Високоякісне скло має більш високий коефіцієнт теплового опору та гарну прозорість для сонячної енергії. Підвищуючи ізоляційні можливості скла, можна одночасно поліпшити дизайн будівлі. Приміщення, обгороджені раніше стінами, можна перетворити на так звані сонячні кімнати з пасивним сонячним освітленням (віконні отвори в даху та стелі). Темні кімнати наповняться природним світлом, сонячним теплом, до того ж, можуть відкритися чудові види з вікна. При відносно невеликому збільшенні вартості можна покращити енергоефективність, забезпечити більшу вологостійкість та захист від ультрафіолетового випромінювання. І як результат – різноманітність проектів будівель. Сьогодні споживачам є велика кількість різноманітного високоякісного скла.

Які переваги такого скла? Скло з низьким коефіцієнтом випромінювання (низькою здатністю матеріалу передавати інфрачервоне (теплове) випромінювання) підвищує енергоефективність склопакета. Що коефіцієнт випромінювання, то більше тепла пропускає матеріал. І навпаки, що нижчий даний коефіцієнт, то більше вписувалося тепла відбивається матеріалом. Покриття, що мають низький коефіцієнт випромінювання, будуть відображати або перевипромінювати інфрачервоне випромінювання назад у приміщення, збільшуючи таким чином температуру.

При перерахуванні коефіцієнт опору останній складе величину 2,6-3,2. Для більш теплого клімату вікна будівлі можна змінити таким чином, щоб вони передавали тепло інфрачервоного випромінювання у зовнішнє середовище, залишаючи температуру всередині будинку прохолоднішою. Скло з низьким коефіцієнтом випромінювання має високий коефіцієнт теплового опору, захист від ультрафіолетового випромінювання і вологостійкість. Заповнені інертним газом вікна мають високий коефіцієнт теплового опору, його показник збільшується приблизно на 1,0. Повітря всередині ізоляційного вікна замінюється інертним газом із кращими ізоляційними показниками. Найчастіше використовувані гази - це криптон і аргон.

Віконні штори

Крім виконання декоративних функцій, штори можуть зменшувати втрати тепла в холодні місяці, або перешкоджати підвищенню температури в теплу пору року. Карниз, виготовлений, наприклад, із фанери, перешкоджатиме просуванню теплого повітря, що знаходиться під стелею, у простір між вікном та шторою. Для досягнення бажаного результату штори повинні бути довшими за висоту вікна, принаймні, на 30 см, хоча найбільш оптимально, коли вони довжиною до підлоги.

Малюнок 11

Теплова маса (акумуляція тепла)

Сонячна радіація, що падає на стіни, вікна, дахи та інші поверхні, поглинається будинком та зберігається у вигляді теплової маси. Потім це тепло випромінюється усередину будівлі. Теплова маса в сонячній системі теплопостачання виконує ту ж саму функцію, що й батареї в сонячній фотоелектричній системі (див. розділ фотоелектрики): накопичення сонячної енергії для її подальшого використання.

Теплова маса може бути інтегрована в пасивну сонячну систему у різний спосіб: від покритої плиткою підлоги до заповнених водою ємностей. До матеріалів, які поглинають та зберігають тепло, належать: бетонні плити для підлоги, кам'яні стіни та інші важкі будівельні матеріали. Вони є основним елементом у будинках, які пасивно використовують сонячну енергію. Навіть якщо більшість вікон будівлі звернена на південь, але при цьому немає запасу теплової маси, то такий будинок не буде енергоефективним. Необхідно знати, що темна поверхня менше відбиває та більше поглинає тепло. Якщо підлогу покрити темною плиткою, то вона поглинатиме тепло протягом дня і випромінюватиме вночі.

Величина теплового потоку залежить від температурної різниці між джерелом тепла та об'єктом, на який він спрямований. Як описано вище, тепло переміщається трьома способами: завдяки провідності (передача тепла твердими матеріалами), конвекції (переміщення тепла завдяки руху рідин або газів) та випромінювання. Поверхня будинку втрачає тепло завдяки цим трьом способам. Гарний дизайн пасивної сонячної будівлі допомагає мінімізувати втрату тепла та максимізувати його ефективний розподіл.

Кількість необхідної теплової маси (матеріали, що акумулюють тепло) великою мірою залежить від клімату. Важкі будинки з великою тепловою масою більш комфортні в спекотному сухому або холодному кліматі, але в спекотному та вологому кліматі такі будинки малоефективні. У прохолодному кліматі теплова маса діє як тепловий резерв на випадок холодної погоди, покращуючи таким чином комфортність і скорочуючи потребу у допоміжному обігріві, за винятком похмурих або дуже холодних днів.

Забезпечення адекватної теплової маси - найскладніше завдання для проектувальника в області пасивного сонячного будівництва. Потреба в тепловій масі визначається загальною площею вікон, звернених на південь, та місцезнаходженням будівлі. Для забезпечення ефективного дизайну необхідно дотримуватися таких принципів:

  • Розташовуйте теплову масу в місцях падіння сонячних променів. Теплова маса, розташована в місцях прямого падіння сонячних променів, більш ефективна порівняно з масою, поміщеною у важкодоступне для сонця місце. Будинки, проект яких розрахований на непряме поглинання сонячних променів, потребують у 3-4 рази більшої кількості теплової маси, ніж ті, що використовують пряме.
  • Розподіляйте теплову масу. Будинки, що використовують пасивний сонячний дизайн, більш ефективні, коли теплова маса відносно тонка та розподілена на велику площу. Площа поверхні теплової маси повинна бути принаймні в 3 рази, а краще навіть у 6 разів більше, ніж сумарна поверхня вікон, звернених на південь. Плити для підлоги, товщина яких становить 8 - 10 см, більш ефективні, ніж підлога завтовшки 40 - 50 см.
  • Чи не покривайте теплову масу. Килими та доріжки перешкоджають передачі енергії до пасивних сонячних елементів та від них. Кам'яні стіни можуть мати сухе оздоблення, але вони не повинні бути покриті великими гобеленами або дерев'яною обшивкою. Сухе оздоблення повинно наноситися безпосередньо на стіну, а не на покриття, прикріплені до стіни і створюють небажаний повітряний простір, що ізолює, між оздобленням і тепловою масою.
  • Ізолюйте внутрішні поверхні теплової маси. Є кілька методів ізолювання плит для підлоги та зовнішніх кам'яних стін. Такі заходи необхідні заощадження енергії. На жаль, іноді можуть виникнути проблеми, наприклад, поява термітів у пінопластовій термоізоляції для панелей перекриття.
  • Теплова маса повинна мати багатоцільове призначення. Для виправдання фінансових витрат теплова маса повинна бути не лише як акумулятор тепла, а й для інших цілей. Наприклад, кам'яні стіни, здатні зберігати тепло, хоч і є одним із елементів пасивного сонячного дизайну, але мають невиправдано високу вартість, якщо необхідні лише як теплова маса. Покрита плиткою підлога зберігає тепло, служить як структурний елемент і є гарним елементом оформлення. Внутрішні кам'яні стіни є структурним елементом, розділяють кімнати та зберігають тепло.

При розробці пасивної сонячної системи у процесі вибору будівельних матеріалів необхідно звернути увагу на їхню здатність утримувати тепло. Ця величина називається об'ємною теплоємністю (Дж/м3·проС) або, іншими словами, це кількість тепла, яка здатна поглинути і зберігати матеріал.

Величина об'ємної теплоємності для деяких будівельних матеріалів, що часто використовуються (Таблиця 1):

Матеріал Густина (кг\м3) Об'ємна теплоємність (Дж/м3·оС)
Вода 1000 4186
Бетон 2100 1764
Цегла 1700 1360
Камінь: мармур 2500 2250
Матеріали, які не підходять для зберігання тепла
Гіпсокартон 950 798
Деревина 610 866
Матове скловолокно 25 25

Раніше проектувальники, які працюють у галузі пасивного сонячного будівництва, як теплоносій використовували воду, що зберігається у великих контейнерах. Хоча вода і є дешевою, контейнери та місце, які вони займають, коштують досить дорого. Деякі проектувальники перейшли до ємностей, наповнених камінням, використовуючи їх як резервуари для теплової маси. Потрібно враховувати, що для збереження тієї ж кількості тепла потрібно каміння втричі більше, ніж води.

Однак вологе середовище, що утворюється в місцях, де встановлюються ємності з водою, викликає появу різкого неприємного запаху і є сприятливим середовищем для розмноження грибків та бактерій. Ці проблеми підірвали репутацію такого варіанта пасивного сонячного будівництва. Зберігання тепла за допомогою води та каміння вимагає складних систем керування, насосів та вентиляторів. Такий процес збереження тепла сьогодні майже не використовується. Основна причина цього полягає в тому, що функціонування таких систем залежить від електроенергії, ці системи вимагають обслуговування, зазнають періодичних поломок і, відповідно, потребують ремонту.

Теплоізоляція

Загалом будівельні матеріали можна розділити на дві основні групи: об'ємні матеріали та ламінати з фольгою, що відбиває. До першої групи відносяться ізоляційні матеріали, що використовують тепловий опір повітря, що знаходиться між волокнами або в осередках пінистої структури матеріалів (зазвичай зроблених із пластику типу пінополістиролу та пінополіуретану). Друга група матеріалів відображає променисту енергію від об'єкта або поверхні, що захищається за допомогою плівки.

Теплова ізоляція зовнішніх елементів будівлі – важливий компонент енергоефективності. Управління тепловим потоком, що проходить через зовнішню структуру будівлі, є ключем до успішного проектування енергоефективних будівель. При неправильно виконаній ізоляції будівлі отримана сонячна енергія може бути легко втрачена. Вже було зазначено, деякі матеріали мають набагато вищий тепловий опір на одиницю обсягу, ніж інші, незалежно від їх щільності. Той факт, що повітря саме по собі є добрим ізолятором, особливо якщо повітряний простір обмежений блискучою поверхнею фольги, може бути корисним для обмеження проникнення сонячного випромінювання до будівлі.

Охолодження

У багатьох країнах будівлі, побудовані за принципом пасивного використання сонячної енергії, потребують охолодження так само, як і обігрів. Одним із найкращих підтверджених часом методів охолодження є поглиблення будівлі щодо поверхні землі. Ефект, отриманий від поглиблення першого поверху навіть на один метр у землю, досить великий. Правильно вибраний проект будівлі, дренаж і забезпечення вологостійкості - це умови, яких потрібно дотримуватися під час будівництва під землею. Теплова ізоляція - це найкращий і економічний спосіб регулювання температури всередині будівлі. Теплова маса землі та гарна ізоляція здатні підтримувати в будинку розумну температуру повітря. Зовнішні та внутрішні затіняючі пристрої для вікон, вентиляція і плівки, що відбивають на вікнах, також є дуже важливими елементами при керуванні температурою в будівлі.

Зовнішні затіняючі пристрої

Зовнішні пристосування для вікон, що затіняють, є ефективними заходами охолодження, так як вони блокують як пряме, так і непряме попадання сонячного світла ззовні. Затіняючий екран є виріб щільного плетіння, яке блокує до 70% всього сонячного світла. Такі екрани поглинають сонячне світло, тому вони повинні встановлюватись із зовнішнього боку вікна. Зовні вони виглядають трохи темнішими, ніж звичайні жалюзі, але зсередини більшість людей не виявлять відмінності. Екрани можуть також служити для захисту від комах.

Взимку їх потрібно знімати, щоб усе сонячне світло могло надходити в приміщення крізь вікна. Більш дорога альтернатива екрану зі скловолокна - тонкий металевий екран, який блокує сонячне світло, але крізь нього можна дивитися назовні. Декоративні навісні зовнішні віконниці, що закривають вікна - також чудовий варіант для затемнення. Однак вони закривають вигляд із вікна, повністю блокують денне світло, їхня вартість буває високою, і для багатьох сімей вони незручні для щоденного використання.

Внутрішні Затіняючі Пристрої

До затіняючих пристроїв, що встановлюються всередині будинку, відносяться фіранки, штори, що опускаються, і віконні жалюзі. Внутрішні пристрої, що затіняють, в основному, менш ефективні способи охолодження, тому що вони блокують сонячне світло, що вже проникло в приміщення. Однак, якщо вікна не мають зовнішніх пристроїв, що затіняють, необхідно використовувати внутрішні. Найбільш ефективними є щільні затіняючі пристрої з поверхнею, що відбиває, зверненої назовні. Фактично, прості білі штори підтримують прохолоду в будинку краще, ніж дорогі жалюзі, що не мають цільної поверхні, через що тепло може проникати в будинок крізь шторки жалюзі.

Плівки і Тона, що відображають

Плівка, що відбиває, яка приклеюється до скла, найчастіше використовується в комерційних будівлях і може блокувати до 85% сонячного світла. Плівка блокує сонячне світло протягом усього року, тому цей вид затінення не підходить для південних вікон у будинках пасивного використання сонячної енергії. Однак плівки, що відображають, можна наклеювати на вікна, звернені на схід і захід. Ці плівки не рекомендується використовувати для частково затінених вікон, тому що плівка поглинає сонячне світло і скло нагріватиметься нерівномірно. Це може призвести до того, що воно потріскається і зруйнується герметизація склопакета.

Вентиляція

Вентиляція - це обмін повітря у будинках для підтримки кількості кисню, тепла та зменшення кількості шкідливих домішок. Вентиляцію можна здійснювати кількома способами. На переміщення повітряних потоків впливає орієнтація будівлі, її форма та план, а також людський фактор. Для природної вентиляції не потрібно ніякої енергії та витрати на її експлуатацію невеликі, але вона залежить від погодних умов і нею важко керувати. Для механічної вентиляції та кондиціювання, які є альтернативою природній вентиляції, необхідна електроенергія. Вибір способу вентиляції зазвичай диктується типом будівлі, її місцезнаходженням та функціями. Кондиціонери можуть бути дуже ефективними як доповнення до природної вентиляції. До засобів механічної вентиляції відносяться вентилятори та витяжні шафи, які широко застосовуються для обмежених приміщень, таких як кухня.

Сонячна архітектура та активні сонячні системи

Під час проектування будівлі також слід враховувати застосування активних сонячних систем (див. нижче), таких як сонячні колектори та фотоелектричні батареї. Це обладнання встановлюється на південній стороні будівлі. Щоб максимізувати кількість тепла в зимовий час, сонячні колектори в Європі та Північній Америці повинні встановлюватись з кутом нахилу понад 50 ° від горизонтальної площини. Нерухомі фотоелектричні батареї отримують протягом року найбільшу кількість сонячної радіації, коли кут нахилу щодо рівня горизонту дорівнює географічній широті, на якій розташована будівля.

Кут нахилу даху будівлі та його орієнтація на південь є важливими аспектами розробки проекту будівлі. Сонячні колектори для гарячого водопостачання та фотоелектричні батареї повинні бути розташовані у безпосередній близькості від місця споживання енергії. Важливо пам'ятати, що близьке розташування ванної кімнати та кухні дозволяє заощадити на установці активних сонячних систем (у цьому випадку можна використовувати один сонячний колектор на два приміщення) та мінімізувати втрати енергії на транспортування. Головним критерієм під час виборів обладнання є його ефективність.

Резюме

Пасивне використання сонячного світла забезпечує приблизно 15% потреби обігріву приміщень у стандартній будівлі та є важливим джерелом енергозбереження. Під час проектування будівлі необхідно враховувати принципи пасивного сонячного будівництва для максимального використання сонячної енергії. Ці принципи можна застосовувати скрізь практично без додаткових витрат.

Місце розташування

Важливо мати уявлення про енергетичні потоки, що існують довкола будинку. Для цього необхідно враховувати існуючі в цій місцевості джерела води, рослинність, тип ґрунту та напрямок вітру. Потрібно враховувати і вплив сонця на цю територію. При виборі місця під будівництво пасивної сонячної будівлі мають бути враховані всі перераховані вище місцеві особливості. Майбутня будівля повинна бути в гармонії з ними та/або доповнювати їх. Необхідно, щоб під час опалювального сезону будівля була під безперешкодною дією сонця з 9:00 до 15:00.

Обігрів

У Північній півкулі важливим є дотримання принципу спрямованості на південь об'єктів, які в першу чергу повинні піддаватися впливу сонячних променів, таких як оранжереї та приміщення, де протягом дня переважно перебувають люди. У зимовий час необхідно забезпечити прямий доступ сонячних променів до будівлі. Якщо вікна звернені на південь, а не на північ, набагато збільшується можливість використання сонячної енергії. Рекомендується використовувати вікна з багатошаровим склінням.

Теплова маса

Теплова маса - кам'яні кладки, стіни, запаси води та ін - є важливим елементом будівлі, що забезпечує поглинання навколишнього тепла протягом дня та використання його вночі. Ізоляція будівлі мінімізує втрату тепла через вікна, стіни та дах.

Естественный поток тепла

При проектуванні будинку потрібно пам'ятати про природні теплові потоки. Як відомо, тепле повітря піднімається нагору, тому за допомогою переважного використання верхніх поверхів можна заощадити достатньо теплової енергії. Зменшення впливу зимового холоду буферні зони будівлі, тобто. кімнати, які не обігріваються або частково обігріваються (побутові приміщення, вестибюлі, комори) повинні бути орієнтовані на північ. Наявність вестибюля біля вхідних дверей також є енергозберігаючим елементом: вестибюлі скорочують втрату тепла та забезпечують буферну зону між зовнішнім та внутрішнім середовищем.

3. Сонячні колектори

З найдавніших часів людина використовує енергію Сонця для нагрівання води. В основі багатьох сонячних енергетичних систем лежить застосування сонячних колекторів. Колектор поглинає світлову енергію Сонця і перетворює її на тепло, яке передається теплоносію (рідини або повітрі) і потім використовується для обігріву будівель, нагрівання води, виробництва електрики, сушіння сільськогосподарської продукції або приготування їжі. Сонячні колектори можуть застосовуватися практично у всіх процесах, які використовують тепло.

Для типового житлового будинку або квартири в Європі та Північній Америці нагрівання води – це другий за енергоємністю домашній процес. Для низки будинків він навіть є найенергоємнішим. Використання енергії Сонця здатне знизити вартість побутового нагрівання води на 70%. Колектор попередньо підігріває воду, яка потім подається на традиційну колонку або бойлер, де вода нагрівається до потрібної температури. Це призводить до значної економії коштів. Таку систему легко встановити, вона майже не потребує догляду.

У наші дні сонячні водонагрівальні системи використовуються у приватних будинках, багатоквартирних будинках, школах, автомийках, лікарнях, ресторанах, у сільському господарстві та промисловості. Усі перелічені заклади мають щось спільне: у них використовується гаряча вода. Власники будинків і керівники підприємств вже змогли переконатися, що сонячні системи для нагрівання води є економічно вигідними і здатні задовольнити потребу в гарячій воді в будь-якому регіоні світу.

Малюнок 12

Історія

Люди нагрівали воду за допомогою Сонця з давніх-давен, до того, як вікопне паливо зайняло лідируюче місце у світовій енергетиці. Принципи сонячного опалення відомі протягом тисячоліть. Пофарбована в чорний колір поверхня сильно нагрівається на сонці, тоді як світлі поверхні нагріваються менше, білі менші від усіх інших. Ця властивість використовується в сонячних колекторах - найбільш відомих пристосуваннях, які безпосередньо використовують енергію Сонця. Колектори було розроблено близько двохсот років тому. Найвідоміший із них – плоский колектор – був виготовлений у 1767 році швейцарським ученим на ім'я Горацій де Соссюр. Пізніше ним скористався для приготування їжі сір Джон Гершель під час своєї експедиції до Південної Африки у 30-х роках ХІХ століття.

Технологія виготовлення сонячних колекторів досягла практично сучасного рівня в 1908 році, коли Вільям Бейлі з американської "Carnegie Steel Company" винайшов колектор із теплоізольованим корпусом та мідними трубками. Цей колектор дуже скидався на сучасну термосифонну систему (див. нижче). До кінця першої світової війни Бейлі продав 4 000 таких колекторів, а бізнесмен із Флориди, який купив у нього патент, до 1941 продав майже 60 000 колекторів. Введене у США під час Другої світової війни нормування міді призвело до різкого падіння ринку сонячних обігрівачів.

До всесвітньої нафтової кризи 1973 ці пристрої перебували в забутті. Проте криза пробудила новий інтерес до альтернативних джерел енергії. В результаті зріс попит на сонячну енергію. Багато країн жваво цікавляться розвитком цієї галузі. Ефективність систем сонячного опалення з 1970-х постійно зростає завдяки використанню для покриття колекторів загартованого скла зі зниженим вмістом заліза (воно пропускає більше сонячної енергії, ніж звичайне скло), покращеної теплоізоляції та міцного селективного покриття.

Ринок сонячних колекторів

Сонячні системи гарячого водопостачання для житлових будинків технічно досконалі та зустрічаються повсюдно. Значний попит на плоскі колектори відзначається в Ізраїлі, Китаї, на Кіпрі, Японії, Австралії, Австрії, Німеччині, Греції, Туреччині та США. У Європі попит мають переважно індивідуальні системи нагрівання води для опалення житлових приміщень і басейнів. Загальне виробництво сонячних колекторів у світі в 1995 році становило 1,3 млн м2, близько 40% ринку припадає на частку Європи та країн Середземноморського регіону. Загальна площа встановлених сонячних колекторів перевищила 30 млн м2, а з 1980 року відзначається швидке зростання їх продажів. З 1989 року вони постійно збільшуються приблизно 20% на рік.

У Європі лідером у галузі виробництва сонячних систем стала Греція, на частку якої припадає 40% виробництва та 30% продажів на ринку Німеччини. До 2005 року в Греції намічено виробництво 1,3 млн систем із загальною площею колекторів 5 млн м2. На острові Крит планується протягом двох років встановити 20 тисяч колекторів. У Греції встановлюється 70 000 сонячних систем на рік, що дозволяє знизити викиди двоокису вуглецю на 1,5 млн. тонн за рахунок зменшення використання викопних видів палива.

У 1996 році в країнах Європейського Союзу було продано понад 0,7 млн м2 засклених колекторів і близько 0,15 млн м2 несклених (журнал "Renewable energy world", вересень 1998). Все говорить про те, що ця тенденція збережеться, оскільки в країнах ЄС вживаються заходи щодо стимулювання ринку сонячних систем.

Площа встановлених сонячних колекторів у світі (Джерело: IEA SHC програма: Ринок сонячних колекторів для гарячого водопостачання у країнах-членах Міжнародного енергетичного агентства (IEA), грудень 2002). Малюнок 13 Площа встановлених плоских та вакуумних сонячних колекторів на душу населення у країнах-членах Міжнародного енергетичного агентства у 2000 році. Малюнок 14

Найбільша в Європі площа встановлених сонячних колекторів на душу населення в 2002 році відзначалася на Кіпрі і становила 0,5 м2, друге і третє місця займали відповідно Греція та Австрія. Площа колекторів на душу населення в Австрії в 2002 р. збільшилася до 0,2 м 2, а загальна площа склала 1,5 млн м2. Австрія лідирує за кількістю продажів сонячних колекторів душу населення. На другому місці Греція, але обидві країни поступаються світовим лідерам - Ізраїлю та Кіпру. Аналіз статистичних даних, як-от площа встановлених колекторів душу населення, показує, що сприятливі кліматичні умови мають менше значення, ніж соціально-економічні умови.

Успіх Кіпру пояснюється не лише відсутністю інших місцевих джерел енергії, а й прийнятим у країні сприятливим законодавством. Сильні закони на підтримку використання сонячної енергії існують і в Ізраїлі. Закони Ізраїлю та Кіпру вимагають встановлення сонячних водонагрівачів у всіх нових будинках. Ці вимоги запроваджувалися поетапно: так, в Ізраїлі спочатку лише нові будівлі заввишки до восьми поверхів мали мати комунальну сонячну водонагрівальну систему з відповідним баком-накопичувачем. Пізніше цю норму поширили на нові види житла. І, нарешті, 1983 року набули чинності нові правила, за якими готелі, лікарні та школи були зобов'язані встановити сонячні водонагрівальні системи. Ці нові закони підкріплені фінансовими стимулами. Подібні зусилля робилися і на Кіпрі; підраховано, що близько 90% приватних будинків та 15% квартир на острові тепер обладнані сонячними водонагрівачами.

Потенціал

Загальний придатний для негайної експлуатації потенціал використання сонячних колекторів становить, за деякими підрахунками, 360 млн м2, що у грошовому вираженні відповідає 50 млрд доларів США при щорічному темпі зростання 23%. У 2005 р. площа засклених сонячних колекторів у ЄС становитиме, згідно з прогнозами, 28 млн м2. Крім того, незасклені сонячні колектори для обігріву басейнів, ймовірно, досягнуть загальної площі 20 млн. м 2.

Типи сонячних колекторів

Типовий сонячний колектор накопичує сонячну енергію у встановлених на даху будівлі модулях трубок та металевих пластин, пофарбованих у чорний колір для максимального поглинання радіації. Вони укладені у скляний чи пластмасовий корпус і нахилені на південь, щоб уловлювати максимум сонячного світла. Таким чином, колектор є мініатюрною теплицею, що накопичує тепло під скляною панеллю. Оскільки сонячна радіація розподілена поверхнею, колектор повинен мати велику площу.

Існують сонячні колектори різних розмірів та конструкцій залежно від їх застосування. Вони можуть забезпечувати господарство гарячою водою для прання, миття та приготування їжі або використовуватися для попереднього нагрівання води для існуючих водонагрівачів. В даний час ринок пропонує безліч різних моделей колекторів. Їх можна поділити на кілька категорій. Наприклад, розрізняють кілька видів колекторів відповідно до температури, яку вони дають:

  • Низькотемпературні колектори виробляють низькопотенційне тепло нижче 50 градусів Цельсія. Використовуються вони для підігріву води в басейнах та в інших випадках, коли потрібна не надто гаряча вода.
  • СРеднетемпературні колектори виробляють високо-і середньопотенційне тепло (вище 50 ° С, зазвичай 60-80 ° С). Зазвичай це засклені плоскі колектори, в яких теплопередача здійснюється за допомогою рідини або колектори-концентратори, в яких тепло концентрується. Представником останніх є вакуумний колектор трубчастий, який часто використовується для нагрівання води в житловому секторі.
  • Високотемпературні колектори є параболічні тарілки і використовуються в основному електрогенеруючими підприємствами для виробництва електрики для електромереж.

Інтегрований колектор

Малюнок 15

Найпростіший вид сонячного колектора - це "ємнісний" або "термосифонний колектор", що одержав назву тому, що колектор одночасно є і теплоакумулюючим баком, в якому нагрівається і зберігається "одноразова" порція води. Такі колектори використовуються для попереднього нагрівання води, яка потім нагрівається до потрібної температури у традиційних установках, наприклад, у газових колонках. У разі домашнього господарства попередньо підігріта вода надходить у бак-накопичувач. Завдяки цьому знижується споживання енергії на подальше її нагрівання.

Такий колектор - недорога альтернатива активній сонячній водонагрівальній системі, що не використовує частин, що рухаються (насосів), що вимагає мінімального техобслуговування, з нульовими експлуатаційними витратами. До цього виду колекторів належать також "Integrated Collector and Storage" - інтегровані колектори-накопичувачі. Вони складаються з одного або кількох чорних баків, наповнених водою та поміщених у теплоізольований ящик, накритий скляною кришкою. Іноді в ящик поміщають рефлектор, що підсилює сонячне випромінювання. Світло проходить крізь скло та нагріває воду. Ці пристрої дуже недорогі, але перед настанням холодів воду з них потрібно злити або захистити від замерзання.

Плоскі колектори

Плоскі колектори - найпоширеніший вид сонячних колекторів, що використовуються у побутових водонагрівальних та опалювальних системах. Зазвичай цей колектор є теплоізольованим металевим ящиком зі скляною або пластмасовою кришкою, в який поміщена пофарбована в чорний колір пластина абсорбера (поглинача). Скління може бути прозорим чи матовим. У плоских колекторах зазвичай використовується матове, що пропускає тільки світло, скло з низьким вмістом заліза (воно пропускає значну частину сонячного світла, що надходить на колектор). Сонячне світло потрапляє на теплосприймаючу пластину, а завдяки склінню знижуються втрати тепла. Дно та бічні стінки колектора покривають теплоізолюючим матеріалом, що ще більше скорочує теплові втрати.

Малюнок 16

Пластину абсорбера зазвичай фарбують у чорний колір, оскільки темні поверхні поглинають більше сонячної енергії, ніж світлі. Сонячне світло проходить через скління і потрапляє на пластину, що поглинає, яка нагрівається, перетворюючи сонячну радіацію в теплову енергію. Це тепло передається теплоносія - повітрі або рідини, що циркулює по трубках. Оскільки більшість чорних поверхонь все ж таки відображає близько 10% падаючої радіації, деякі пластини-поглиначі обробляються спеціальним селективним покриттям, яке краще утримує поглинене сонячне світло і служить довше, ніж звичайна чорна фарба. Селективне покриття, що використовується в колекторах, складається з дуже міцного тонкого шару напівпровідника аморфного, нанесеного на металеву основу. Селективні покриття відрізняються високою поглинаючою здатністю у видимій ділянці спектру і низьким коефіцієнтом випромінювання в довгохвильовій інфрачервоній ділянці.

Поглинаючі пластини зазвичай виготовлені з металу, що добре проводить тепло (найчастіше міді або алюмінію). Мідь дорожче, але краще проводить тепло і менше схильна до корозії, ніж алюміній. Пластина-поглинач повинна мати високу теплопровідність, щоб з мінімальними тепловтратами передавати воді накопичену енергію. Плоскі колектори поділяються на рідинні та повітряні. Обидва види колекторів бувають засклені або незасклені.

Рідинні колектори

У рідинних колекторах сонячна енергія нагріває рідину, що тече трубками, прикріпленими до поглинаючої пластини. Тепло, поглинене пластиною, негайно передається рідині.

Малюнок 17

Трубки можуть розташовуватися паралельно один одному, причому на кожній є вхідний та випускний отвори, або у вигляді змійовика. Змієподібне розташування трубок усуває можливість протікання через сполучні отвори та забезпечує рівномірний потік рідини. З іншого боку, при спуску рідини, щоб уникнути замерзання, можуть виникнути труднощі, так як у вигнутих трубках може місцями залишатися вода.

У найпростіших рідинних системах використовується звичайна вода, яка нагрівається прямо в колекторі та надходить у ванну, кухню тощо. Ця модель відома як "розімкнена" (або "пряма") система. У регіонах з холодним кліматом рідинні колектори потребують спуску води в холодну пору року, коли температура опускається до точки замерзання; або як теплоносій використовується незамерзаюча рідина. У таких системах рідкий теплоносій поглинає тепло накопичене колектором і проходить через теплообмінник. Теплообмінником зазвичай служить встановлений у будинку водяний бак, де тепло передається воді. Ця модель називається "замкнутою системою" ("непрямою").

Скляні рідинні колектори використовуються для нагрівання побутової води, а також для опалення приміщень. Нескляні колектори зазвичай нагрівають воду для басейнів. Оскільки таким колекторам не потрібно витримувати високу температуру, застосовуються недорогі матеріали: пластмаса, гума. Вони не потребують захисту від замерзання, тому що використовуються в теплу пору року.

Повітряні колектори

Повітряні колектори мають ту перевагу, що їм не властиві проблеми замерзання та кипіння теплоносія, від яких часом страждають рідинні системи. І хоча витік теплоносія в повітряному колекторі важче помітити і усунути, він приносить менше неприємностей, ніж витік рідини. У повітряних системах часто використовуються більш дешеві матеріали, ніж у рідинних, наприклад, пластмасове скління, тому що робоча температура в них нижча.

Повітряні колектори є простими плоскими колекторами і використовуються в основному для опалення приміщень і сушіння сільськогосподарської продукції. Поглинаючими пластинами в повітряних колекторах є металеві панелі, багатошарові екрани, у тому числі і з неметалічних матеріалів. Повітря проходить через поглинач завдяки природній конвекції або під впливом вентилятора. Оскільки повітря гірше проводить тепло ніж рідина, він передає поглиначу менше тепла, ніж рідкий теплоносій.

У деяких сонячних повітронагрівачах до поглинаючої пластини приєднані вентилятори, які збільшують турбулентність повітря та покращують теплопередачу. Недоліком цієї конструкції є те, що вона витрачає енергію на роботу вентиляторів, таким чином збільшуючи витрати на експлуатацію системи. У холодному кліматі повітря прямує в проміжок між пластиною-поглиначем і задньою стінкою колектора, що утеплює: таким чином уникають втрат тепла крізь скління. Однак, якщо повітря нагрівається не більше, ніж на 17 оС вище за температуру зовнішнього повітря, теплоносій може циркулювати по обидва боки від пластини-поглинача без великих втрат ефективності.

Малюнок 18 Малюнок 19 Малюнок 23

Основними перевагами повітряних колекторів є їхня простота і надійність. Такі колектори мають простий пристрій. При належному догляді якісний колектор може прослужити 10-20 років, а керування ним дуже нескладно. Теплообмінник не потрібний, оскільки повітря не замерзає.

Однак застосування сонячних повітронагрівачів, як і раніше, обмежується опаленням приміщень і сушінням сільськогосподарської продукції, в основному в країнах, що розвиваються. Є кілька факторів, що обмежують ширше застосування повітряних колекторів у промисловому масштабі. Серед них велика площа колекторів через малу щільність і низьку питому теплоємність повітряного теплоносія в порівнянні з рідинним; необхідність довгого повітроводу; висока потреба в електроенергії для прогонки повітря через колектор, а також труднощі акумулювання теплоти.

У регіонах із відносно низьким надходженням сонячної радіації та тривалими періодами несприятливої погоди потрібне Додаткове тепло; в результаті вартість капіталовкладень настільки зростає, що це обмежує конкурентоспроможність сонячних колекторів, порівняно з традиційними опалювальними системами. Потенційним способом зниження вартості колекторів є їх інтеграція у стіни чи дахи будівель, а також створення колекторів, які можна буде збирати з готових збірних компонентів.

Малюнок 20 Малюнок 21 Малюнок 22

Принцип действия

Повітряні сонячні колектори можна поділити на групи за способом циркуляції повітря. У найпростішому їх повітря проходить через колектор під поглиначем. Цей вид колектора придатний тільки для підвищення температури на 3-5 проC через високі втрати тепла на поверхні колектора через конвекцію та випромінювання. Ці втрати можна значно знизити, накривши поглинач прозорим матеріалом з низькою провідністю інфрачервоного випромінювання. У такому колекторі потік повітря виникає або під поглиначем або між поглиначем і прозорим покриттям. Завдяки прозорій кришці випромінювання тепла з поглинача знижується незначно, але через зниження конвективних тепловтрат можна досягти підйому температури на 20-50 проC залежно від кількості сонячної радіації та інтенсивності повітряного потоку.

Можна домогтися подальшого зниження теплових втрат, провівши повітряний потік над поглиначем і під ним, так як при цьому подвоюється площа поверхні теплопередачі. Втрати тепла через випромінювання при цьому знизяться завдяки зниженій температурі поглинача. Однак одночасно відбувається і зниження поглинальної здатності абсорбера через нашарування пилу, якщо повітряний потік проходить з обох боків поглинача.

Деякі сонячні колектори дозволяють знизити витрати за рахунок відмови від скління, металевої скриньки та теплоізоляції. Такий колектор виготовляють із чорних перфорованих металевих листів, які дозволяють досягти гарного теплообміну. Сонце нагріває метал, а вентилятор втягує нагріте повітря крізь отвори металу. Такі колектори різного розміру використовуються у приватних будинках. Типовий колектор розміром 2,4 на 0,8 метра може нагрівати 0,002 м зовнішнього повітря в секунду. У сонячний зимовий день повітря в колекторі нагрівається на 28 проC порівняно із зовнішнім. При цьому покращується якість повітря всередині будинку, так як колектор безпосередньо нагріває свіже повітря, що надходить зовні. Ці колектори досягли дуже високої ефективності – у деяких випадках промислового застосування вона перевищує 70%. До того ж вони не вимагають скління, ізоляції та дешеві у виготовленні.

Сонячні трубчасті вакуумовані колектори

Традиційні прості плоскі сонячні колектори були спроектовані для застосування у регіонах із теплим сонячним кліматом. Вони різко втрачають ефективність у несприятливі дні - у холодну, хмарну і вітряну погоду. Більше того, спричинені погодними умовами конденсація та вологість призводять до передчасного зносу внутрішніх матеріалів, а це, у свою чергу, – до погіршення експлуатаційних якостей системи та її поломок. Ці недоліки усуваються шляхом використання вакуумованих колекторів.

Малюнок 24

Вакуумовані колектори нагрівають воду для побутового застосування там, де потрібна вода вищої температури. Сонячна радіація проходить крізь зовнішню скляну трубку, потрапляє на трубку-поглинач і перетворюється на тепло. Воно передається рідини, що протікає по трубці. Колектор складається з кількох рядів паралельних скляних трубок, до кожної з яких прикріплений трубчастий поглинач (замість пластини-поглинача в плоских колекторах) із селективним покриттям. Нагріта рідина циркулює через теплообмінник і віддає тепло воді, що міститься в баку-накопичувачі.

Вакуумовані колектори є модульними, тобто. трубки можна додавати або прибирати при необхідності, залежно від потреби в гарячій воді. При виготовленні колекторів цього типу з простору між трубками висмоктується повітря та утворюється вакуум. Завдяки цьому усуваються втрати тепла, пов'язані з теплопровідністю повітря та конвекцією, спричиненою його циркуляцією. Залишається радіаційна втрата тепла (теплова енергія рухається від теплої до холодної поверхні, навіть за умов вакууму). Однак ця втрата мала і незначна в порівнянні з кількістю тепла, що передається рідини в трубці-поглиначі. Вакуум у скляній трубці - найкраща з можливих теплоізоляцій для колектора - знижує втрати тепла і захищає поглинач і тепловідвідну трубку від несприятливих зовнішніх впливів. Результат - відмінні робочі характеристики, що перевершують будь-який інший вид сонячного колектора.

Малюнок 25

Існує безліч різних видів вакуумованих колекторів. У деяких усередині трубки-поглинача проходить ще одна, третя скляна трубка; є й інші конструкції теплопередаючих ребер та рідинних трубок. Існує вакуумний колектор, який вміщує по 19 літрів води в кожній трубці, таким чином усуваючи потребу в окремому баку для зберігання води. Можна також розмістити позаду вакуумних трубок рефлектори, щоб додатково концентрувати на колекторі сонячну радіацію.

Такі чинники, як атмосферний тиск та технічні труднощі, пов'язані із запаюванням оболонки колектора, роблять його виробництво вельми трудомістким. Для подолання колосальної сили атмосферного тиску необхідно укріпити прозору оболонку масою внутрішніх опор. Досі не вирішено проблему створення ефективної високовакуумної системи при помірній собівартості. Має сенс застосовувати та адаптувати досконаліші технології, розроблені для лампової промисловості з її випробуваним масовим виробництвом. Цілком здійсненном на практиці створення трубчастого вакуумованого колектора та підтримання в ньому високого вакууму за аналогією з електролампами та трубками для телевізорів. Для зниження втрат тепла через внутрішню газову атмосферу (тобто конвективних втрат) необхідно підтримувати ідеальну ізоляцію вакуумного колектора протягом усього періоду його служби.

У регіонах з високими перепадами температур ці колектори набагато ефективніші за плоскі з низки причин. По-перше, вони добре працюють в умовах як прямої, так і розсіяної сонячної радіації. Ця особливість у поєднанні з властивістю вакууму зводити до мінімуму втрати тепла назовні робить ці колектори незамінними в умовах холодної похмурої зими. По-друге, завдяки округлій формі вакуумної трубки, сонячне світло падає перпендикулярно поглиначу протягом більшої частини дня. Для порівняння, у нерухомо закріпленому плоскому колекторі сонячне світло падає перпендикулярно його поверхні лише опівдні. Вакуумовані колектори відрізняються вищою температурою води та ефективністю, ніж плоскі, але при цьому вони й дорожчі.

Концентратори

Колектори, що фокусують (концентратори) використовують дзеркальні поверхні для концентрації сонячної енергії на поглиначі, який також називається "теплоприймач". Температура, що досягається ними, значно вища, ніж на плоских колекторах, проте вони можуть концентрувати тільки пряме сонячне випромінювання, що призводить до поганих показників у туманну або хмарну погоду. Дзеркальна поверхня фокусує сонячне світло, відбите з великої поверхні, на меншу поверхню абсорбера, завдяки чому досягається висока температура. У деяких моделях сонячне випромінювання концентрується у фокусній точці, тоді як в інших промені сонця концентруються вздовж тонкої лінії фокальної. Приймач розташований у фокусній точці або вздовж фокальної лінії. Рідина-теплоносій проходить через приймач та поглинає тепло. Такі колектори-концентратори найбільше придатні для регіонів з високою інсоляцією - близько до екватора і в пустельних районах.

Концентратори працюють найкраще тоді, коли вони звернені до Сонця. Для цього використовуються пристрої, що слідкують, які протягом дня повертають колектор "обличчям" до Сонця. Одноосьові слідкуючі пристрої повертаються зі сходу на захід; двовісні - зі сходу на захід і з півночі на південь (щоб стежити за рухом Сонця небом протягом року). Концентратори використовуються в основному в промислових установках, оскільки вони дорогі, а слідчі пристрої потребують постійного догляду. У деяких побутових сонячних енергосистемах використовують параболічні концентратори. Ці установки використовуються для гарячого водопостачання, опалення та очищення води. У побутових системах застосовуються в основному одновісні стежать пристрої - вони дешевші і простіше двовісні. Більше інформації про концентратори ви знайдете на чолі про сонячні теплові електростанції.

Сонячні печі та дистилятори

Існують інші недорогі технологічно нескладні сонячні колектори вузького призначення - сонячні печі (для приготування їжі) і сонячні дистилятори, які дозволяють дешево отримати дистильовану воду практично з будь-якого джерела.

Сонячні печі дешеві та прості у виготовленні. Вони складаються з просторої добре теплоізольованої коробки, вистеленої матеріалом, що відбиває світло (напімер, фольгою), накритої склом і обладнаної зовнішнім відбивачем. Каструля чорного кольору служить поглиначем, нагріваючись швидше, ніж звичайний посуд із алюмінію або нержавіючої сталі. Сонячні печі можна використовувати для знезараження води, якщо доводити її до кипіння.

Сонячні дистилятори забезпечують дешеву дистильовану воду, причому джерелом може бути навіть солона чи сильно забруднена вода. У основі лежить принцип випаровування води з відкритого контейнера. Сонячний дистилятор використовує енергію Сонця для прискорення цього процесу. Складається він з теплоізольованого контейнера темного кольору зі склінням, яке нахилено з таким розрахунком, щоб прісна вода, що конденсується, стікала в спеціальну ємність. Невеликий сонячний дистилятор – розміром з кухонну плиту – у сонячний день може виробляти до десяти літрів дистильованої води.

Приклади використання сонячної енергії

Сонячна енергія використовується у таких випадках:

  • забезпечення гарячою водою житлових будинків, громадських будівель та промислових підприємств;
  • підігрів басейнів;
  • опалення приміщень;
  • сушіння сільськогосподарської продукції та ін;
  • охолодження та кондиціювання повітря;
  • очистка води;
  • приготування їжі.

Застосовувані технології повністю розроблені, а перші дві - у сприятливих умовах також економічно доцільні. Дивіться нижче окрему статтю про колектори-концентратори, які з вигодою застосовуються для виробництва електроенергії, особливо в регіонах з великою кількістю сонячної радіації (див. розділ "Сонячні теплові електростанції").

Сонячні системи гарячого водопостачання

Малюнок 26

Нині у кількох мільйонах житлових будинків та підприємств користуються сонячними системами нагріву води. Це економічний та надійний вид гарячого водопостачання. Нагрівання води для побутових цілей або опалення за допомогою сонячної енергії - природний та простий метод заощадження енергії та збереження запасів викопного палива. Добре спроектована і правильно встановлена ​​сонячна система може завдяки своєму естетичному вигляду підвищити вартість будинку. На новобудовах такі системи включаються до загального плану будівництва, так що вони практично непомітні з боку, тоді як пристосувати систему до старої споруди буває часто нелегко.

Сонячний колектор дозволяє своєму власнику заощадити гроші, не чинячи при цьому шкідливого впливу на навколишнє середовище. Використання одного сонячного колектора дозволяє скоротити викиди в атмосферу вуглекислого газу на одну-дві тонни на рік. Перехід на сонячну енергію запобігає викидам та інших забруднювачів, таких як двоокис сірки, чадний газ і закис азоту.

Гаряче водопостачання – найпоширеніший вид прямого застосування сонячної енергії. Типова установка складається з одного або більше колекторів, в яких нагрівається рідина на сонці, а також бака для зберігання гарячої води, нагрітої за допомогою рідини-теплоносія. Навіть у регіонах із відносно невеликою кількістю сонячної радіації, наприклад у Північній Європі, сонячна система може забезпечити 50-70% потреби у гарячій воді. Більше отримати неможливо, хіба що за допомогою сезонного регулювання (див. розділ нижче).

У Південній Європі сонячний колектор може забезпечити 70-90% гарячої води, що споживається. Нагрів води за допомогою енергії Сонця - дуже практичний та економний спосіб. Коли фотоелектричні системи досягають ефективності 10-15%, теплові сонячні системи показують ККД 50-90%. У поєднанні з деревоспалювальними печами побутову потребу в гарячій воді можна задовольняти практично цілий рік без застосування видів палива.

Чи може сонячний колектор змагатися зі звичними обігрівачами?

Вартість повної системи гарячого водопостачання та опалення у різних країнах значно відрізняється: у Європі та США вона становить від 2000 до 4000 доларів США. Залежить вона, зокрема, і від вимог до гарячої води, прийнятих у цій країні, і зажадав від клімату. Початкове капіталовкладення в таку систему, як правило, вище, ніж потрібно для установки електро-або газового обігрівача, але з урахуванням суми всіх витрат загальні витрати за весь термін служби сонячних водонагрівачів зазвичай нижчі, ніж для традиційних систем обігріву. Необхідно відзначити, що основний термін окупності коштів, вкладених у сонячну систему, залежить від цін на викопні енергоносії, які вони замінюють. У країнах Європейського Союзу термін окупності зазвичай становить менше 10 років. Очікуваний термін служби сонячних обігрівальних систем - 20-30 років.

Важливою характеристикою сонячної установки є її енергетична окупність - час, необхідний сонячній установці для вироблення такої кількості енергії, яка була б витрачена на її виробництво. У Північній Європі, на яку припадає менше сонячної енергії, ніж інші населені частини світу, сонячна установка для нагрівання гарячої води окупає витрачену на неї енергію за 3-4 роки.

Скільки енергії можна одержати?

Кількість енергії, яку може забезпечити сонячний обігрівач, залежить від величини сонячної радіації та ефективності системи. Кількість сонячної радіації дуже різниться у різних регіонах світу, будучи при цьому найважливішим показником для роботи сонячної системи. Ефективність сонячної установки загалом залежить від ефективності колектора та від втрат у системі циркуляції гарячої води. Оскільки останні впливають різноманітні специфічні параметри, ми приділимо основну увагу ефективності сонячних колекторів.

Ефективність - це співвідношення між кількістю виробленої енергії та сонячної енергії, що потрапляє на колектор. Цей показник різний для різних типів колекторів і залежить від інтенсивності сонячної радіації, від теплових та оптичних втрат: що більше втрат, то нижча ефективність. Теплові втрати мінімальні, якщо температура води, яка використовується в установці, дорівнює температурі навколишнього повітря. Таким чином, простий абсорбер без скляного покриття, що використовується для нагрівання води у басейні, досягає найбільшої ефективності – до 90%.

Однак при забезпеченні гарячою водою домашнього господарства, коли температура води на 40 оС вища за температуру повітря, ККД колекторів становить зазвичай менше 20%. У таких випадках найбільш доцільним є застосування плоских колекторів з селективним покриттям і вакуумованих трубчастих колекторів, найбільш пристосованих для цієї мети. Для нагрівання води до ще більш високої температури (наприклад, для опалення приміщень) найкраще підходять вакуумовані колектори - але вони є і найдорожчими.

Таблиця 2. ККД сонячних колекторів в умовах помірної сонячної радіації в Центральній Європі влітку (800 Вт/м2) наведено в цій таблиці.

Тип колектора 0 оC
обігрів басейну
40 оC
побутова гаряча вода
50 оC (*)
опалення приміщень
Абсорбер без скління 90% 20% 0%
Плоский (звичайне, не селективне покриття) 75% 35% 0%
Плоский (селективне покриття) 80% 55% 25%
Вакуумована трубка 60% 55% 50%

* Значення для низького значення сонячної радіації провесною (400 Вт/м2).

Низький ККД вакуумованого колектора в низькотемпературних регіонах пояснюється високими втратами оптичними на вигнутій поверхні скла.

З урахуванням того, що різні види колекторів різко відрізняються за ціною, стає очевидним, що вирішальним критерієм при виборі колектора є його застосування. Порівняльна характеристика колекторів з економічного погляду наводиться у таблиці нижче.

Таблица 3. Характеристики різних типів сонячних колекторів у Німеччині.

Призначення Тип колектора Температура, оC Виробництво кВ*ч/м2/рік
Обігрів басейну Абсорбер 20-40 250-300
Гаряча вода Плоский
Вакуумований трубчастий
20-70
20-100
250-450
350-450
Сушіння Повітряний колектор 20-50 300-400

Принципи визначення розмірів системи сонячного гарячого водопостачання

Сонячна система гарячого водопостачання може бути єдиним джерелом гарячої води або включати резервну систему, що використовує традиційні види палива, для забезпечення підвищеної або непередбаченої потреби в гарячій воді. Розміри системи зазвичай визначаються кількістю приміщень, людей та обсягом необхідної гарячої води. Існує кілька основних конфігурацій сонячних водонагрівачів. У найзагальнішому плані вони поділяються на два види: активні системи, оснащені насосами та засобами управління, що дозволяють спрямовувати сонячне тепло в теплоакумулюючий бак, та пасивні системи типу термосифона, в яких використовується природна циркуляція гарячої води.

При створенні сонячної водонагріваючої системи важливо відразу ж визначитися з тим, скільки гарячої води в середньому використовуватиметься протягом дня. Виходячи з цієї цифри, підраховуються розміри системи (колекторів, бака-накопичувача). Дивіться нижче деякі загальні міркування про те, що потрібно взяти до уваги, плануючи сонячну водонагрівальну установку.

Сонячний колектор

Основним компонентом сонячної установки є сонячний колектор. Найчастіше використовуються плоскі колектори, що складаються з пластини-поглинача (абсорбера), на якій сонячна радіація перетворюється на тепло і передається рідині-теплоносію, теплоізоляції по краях та під абсорбером, ящика, який все це містить і забезпечує необхідну вентиляцію скляної або пластмасової кришки.

Малюнок 27

Якщо для покриття використовується скло, важливо, щоб вміст у ньому заліза було низьким або нульовим, щоб щонайменше 95% сонячної радіації проходило крізь скло. Найчастіше використовується одинарний шар скла. Якщо використовується пластмаса, вона має витримувати ультрафіолетове випромінювання. Відмінні результати на практиці показали полікарбонатні пластини.

Малюнок 28

Абсорбер є пластиною з прикріпленими до неї трубками, якими тече теплоносій. Роблять його з міді, алюмінію чи нержавіючої сталі. Доведено, що найкращими є мідні трубки абсорбера, оскільки сталеві значною мірою схильні до корозії. Важливо, щоб абсорбер був стійкий до ультрафіолетового випромінювання сонця та впливу високих температур, які можуть досягати 100-140 проC для колекторів зі звичайним та 150-200 проC - з селективним покриттям.

Спорудження плоского колектора вимагає паяння труб та їх з'єднання із пластиною. Чим більше стикаються трубки з пластиною, тим більше теплопередача рідини, що протікає в них. Абсорбер часто покривають особливою чорною селективною фарбою, яка поглинає сонячні промені і затримує теплове випромінювання всередині. Звичайна чорна фарба під впливом високих температур випаровується з металу. У нормальних умовах чорна фарба більше випромінює тепло замість передавати його рідини-теплоносію.

Корпус сонячного колектора виготовляється з різноманітних матеріалів: дерево, пластмаса, сталь та алюміній використовуються з різним ступенем успіху, але найкращим із перерахованих матеріалів є, безумовно, алюміній. Він переносить різні погодні умови, не вимагає особливого догляду та випускається чорного кольору, завдяки чому відпадає необхідність фарбувати зовнішній бік сонячної панелі. Багаторічна практика показала, що пластик малопридатний виготовлення різних компонентів сонячної панелі. Він не підходить для зовнішніх деталей, тому що деградує під ультрафіолетовими променями: вицвітає, втрачає твердість і тріскається. Пластик має високий коефіцієнт розширення, тобто він так сильно розширюється та скорочується, що важко герметично зміцнити стики. Використання сталевих корпусів пов'язане з труднощами. По-перше, панелі необхідно регулярно підфарбовувати, а по-друге, вони вступають у хімічну реакцію з мідними комплектуючими.

Сонячні колектори зазвичай встановлюють прямо на даху будівлі або на рамі, змонтованій на плоскому даху або землі. Можна також робити колектори частиною даху. Іноді виникають труднощі з герметизацією простору між колектором та рештою даху.

Розмір сонячного колектора залежить від добової потреби у гарячій воді. В середньому одна людина споживає в день до 50 літрів гарячої води з температурою 55 - 60 оС (умивання та душ, без урахування прання). Доведено, що для нагріву 50 літрів води на добу середня площа сонячних колекторів повинна дорівнювати 1-1,5 м 2. Ціна колектора залежить від його розмірів та від вартості робіт з його встановлення. Остання найпростіше здійснюється у тому випадку, коли сонячна система враховувалася при розробці проекту будівництва нового будинку. Тоді архітектор може заздалегідь включити колектори до свого проекту як з естетичного погляду, і з економічної.

Орієнтація сонячного колектора

Правильна орієнтація сонячних колекторів (напрямок та кут нахилу) збільшує їх продуктивність. Земна атмосфера поглинає та відбиває значну частину сонячної радіації. Тому максимальна кількість енергії надходить опівдні, коли прямий потік променів найменше затримується атмосферою. У північній півкулі оптимальним напрямком опівдні є географічний південь. Хоча для максимальної продуктивності колекторів їх потрібно спрямовувати на географічний південь, допускається відхилення на 20 градусів на схід або на захід без збільшення площі поверхні колекторів.

"Наступний" (повертається) за сонцем колектор збирає на 20% сонячної радіації більше, ніж орієнтований на південь. Однак цей виграш у продуктивності не окупає витрат на спорудження пристрою. Зазвичай вигідніше буває збільшити площу колектора на 20%.

Місцеві особливості погоди (наприклад, ранкові тумани або переважна хмарність після обіду) також повинні враховуватися при розміщенні колектора. Якщо місцеві погодні умови не відіграють особливої ролі, а колектор неможливо повернути на південь, рекомендується звернути його на захід, щоб скористатися теплішим післяобіднім часом (теплові втрати колектора знижуються за високої зовнішньої температури).

Оскільки висота Сонця над горизонтом протягом року істотно змінюється залежно від географічної широти, кут нахилу колекторів стосовно висоті Сонця залежить від конкретної установки. Загалом сезонні зміни кількості радіації повинні братися до уваги для всіх сонячних енергоустановок. Нахил поверхні колектора на 30-50 градусів на південь у Північній півкулі або на північ - у Південному дає кращі результати в зимовий час і деякі втрати влітку. Установки для опалення приміщень розміщують так, щоб отримати максимум від зимового Сонця.

У тропіках, де Сонце стоїть високо, найвигідніше встановлювати поверхню колектора майже горизонтально. Оптимальний кут нахилу сонячного колектора дорівнює широті місцевості. Позитивна різниця між широтою та кутом нахилу даху призводить до кращих експлуатаційних якостей системи взимку. Кут нахилу колектора менший, ніж значення місцевої широти, сприяє кращій роботі системи влітку. Відхилення кута нахилу колекторів з архітектурних міркувань можна компенсувати додатковою площею колектора.

Акумулюючий бак

Сонячне тепло акумулюється у баку за рахунок того, що в ньому зберігається гаряча вода. Баки бувають різні за обсягом. Всі вони приєднані до впускної труби для холодної води та випускної - для гарячої, а також до циркуляційних труб. Найбільш ефективний вертикальний бак з градієнтом температури по висоті, при цьому холодна вода на вході не поєднується з гарячою водою у верхній частині бака. За наявності горизонтального бака продуктивність системи знижується на 10-20%.

Тепло із сонячного колектора передається воді в баку за допомогою теплообмінника. Як теплообмінник зазвичай використовується змійовик на дні бака або оболонка навколо бака з рідиною-теплоносієм. У системах із природною циркуляцією та малими потоками рідини зазвичай використовується оболонка. У разі малих потоків рідина-теплоносій повільно протікає через оболонку бака-накопичувача, що дозволяє досягти градієнта температури рідини в оболонці відповідно до розподілу в баку. Завдяки цьому покращується теплообмін, а отже, зростає ефективність у порівнянні з традиційними системами.

Бак-накопичувач обов'язково повинен бути добре теплоізольований, щоб уночі вода в ньому не остигала. Втрати тепла залежать від багатьох факторів (температура повітря, вітер, пора року і т.д.) і становлять близько 0,5-1 градуса за Цельсієм на годину протягом ночі. Ізоляція бака має бути настільки надійною, щоб вода, нагріта за сонячний день, залишалася гарячою протягом двох днів. Особливу увагу слід звертати на ізоляцію верхньої частини бака та відсутність теплових містків. Досвід показує, що мінімальна товщина ізоляційного шару матеріалу повинна становити 100 мм.

Потрібно стежити за тим, щоб система труб, підведених до бака, не допускала мимовільної циркуляції, через яку він може опустіти навіть якщо гаряча вода не використовувалася. Трубка для зливу гарячої води повинна підводитись до труб з холодною водою, а до верхньої частини бака. Вихідний отвір бака-накопичувача забезпечується регулятором максимальної температури, щоб до споживача надходила вода з температурою не вище, наприклад, 60 °С незалежно від температури води в баку.

Об'єм бака-накопичувача сонячної установки повинен становити 80 літрів на особу, при рівні споживання гарячої води 50 літрів на день. Це – середні значення. Якщо в будинку є посудомийна або пральна машина, якщо є кілька дітей, які щодня приймають ванну, ці потреби також повинні враховуватись при розрахунку загальної витрати води.

Схема сонячного колектора

Компоненти схеми сонячної водонагрівальної установки між колектором та баком-накопичувачем:

  • Насос забезпечує циркуляцію (не потрібен у системі із природною циркуляцією). Насос зазвичай керується термостатом і вмикається, як тільки сонячний колектор нагрівається порівняно з баком. Якщо на дні бака є теплообмінник-змійовик, систему можна спростити: наприклад, встановити світлочутливий елемент або таймер, який включає насос в денний час.
  • Трубки з'єднують бак-накопичувач гарячої води з колектором. При розробці схеми необхідно знайти найкоротшу відстань між ними. Трубки, наскільки можна, не повинні піддаватися впливу атмосфери. Найкраще розміщувати їх усередині будинку. Важливо мати кілька окремих труб між колектором та кранами, щоб знизити втрати тепла (труби малого діаметра) та забезпечити швидку доставку води до споживача, із затримкою максимум у 10-20 секунд. Труби повинні бути виготовлені з нержавіючих матеріалів.
  • Односторонній клапан запобігає зворотному струму теплоносія в нічний час і дозволяє спустошити бак (потрібний не у всіх системах).
  • Розширювальний бак або відкрита ємність, встановлена зверху над системою, або герметичний розширювальний бак, що містить не менше 5% рідини-теплоносія.
  • Захист від надлишкового тиску (тільки у поєднанні з герметичним розширювальним баком) – спускає теплоносій у разі, якщо рідина в системі закипає. Зазвичай використовують запобіжний клапан і безповоротний клапан або неповоротний клапан у поєднанні з трубою, яка скидає надлишковий тиск, викликане розширенням об'єму рідини при нагріванні.
  • Випускні отвори повітря - автоматичні або просто гвинти; необхідні у всіх високих точках системи, тому що там неминуче виникатимуть повітряні кишені.
  • Грязеуловлювач насоса для видалення пилу та бруду (потрібний не для всіх установок).
  • Манометри та термометри - при необхідності.
  • Рідина-теплоносій має бути морозостійкою і не токсичною.

Зазвичай використовується випробувана суміш: вода і 40% пропіленгліколь (витримує мороз до мінус 20 оC), плюс забарвлена речовина з характерним смаком, яка дозволяє помітити протікання теплоносія у водогін. Іноді як теплоносій використовується олія, але в цьому випадку систему важко герметизувати.

Малюнок 29 Малюнок 30

Технічний догляд

Завдяки простоті сонячних водонагрівальних установок догляд за ними потрібен мінімальний. Залежить він від типу системи. Необхідно один-два рази на рік перевіряти кількість рідини в системі та тиск. Щорічно потрібно перевірити, чи не окислилася рідина-теплоносій. Для цього можна використати індикаторний папір. Якщо рідина в системі закипіла, потрібно її змінити, оскільки вона могла втратити свої властивості від кипіння.

При проектуванні системи необхідно обов'язково враховувати вимоги щодо захисту від замерзання.

Малюнок 31

Основні правила визначення розміру системи сонячного гарячого водопостачання

Для типових сонячних колекторів із селективним абсорбером, що нагрівають воду на 8-45 градусів, існують стандартні правила:

  • Споживання гарячої води становить у середньому 50 літрів на день на особу.
  • 1-1,5 м2 сонячних колекторів потрібні для нагрівання 50 літрів води на день.
  • Бак-накопичувач повинен вміщувати 40-70 літрів води на 1 м 2 сонячного колектора або 80 літрів на людину.
  • Теплообмінник у баку-накопичувачі повинен передавати не менше 40-60 Вт/проC на м2 сонячного колектора при температурі 50 оC.

Якщо дотримуватись цих правил, типовий сонячний колектор у Північній Європі зможе забезпечити 60-70% річного споживання гарячої води та виробляти 350-500 кВт·год/м2 на рік. У великих будинках (готелях, лікарнях, багатоквартирних житлових будинках) площа колектора та об'єм бака на одного мешканця менший, але для точного визначення оптимальних розмірів системи потрібен детальний аналіз попиту та місцевих кліматичних умов. Досвід показує, що сонячні системи для нагрівання гарячої води повинні бути якомога простішими і не надто великими.

Приклад

На сім'ю з 4 осіб, яка споживає 200 літрів гарячої води на день, потрібен колектор площею 6 м2. У рік така система виробляє до 3000 кВт·год екологічно чистої енергії. У випадку, якщо колектором замінюють мазутний котел, економія мазуту становить щонайменше 300 літрів на рік.

Термосифон

Термосифонні називаються сонячні водонагрівальні системи з природною циркуляцією (конвекцією) теплоносія, які використовуються в умовах теплої зими (за відсутності морозів). Загалом це не найефективніші із сонячних енергосистем, але вони мають багато переваг з погляду будівництва житла. Вони прості у виготовленні та здебільшого працюють без допомоги електронасоса. Термосифонна циркуляція теплоносія відбувається завдяки зміні густини води зі зміною її температури. Коли вода в колекторі (зазвичай у плоскому) нагрівається, вона піднімається стояком і надходить у бак-накопичувач; на її місце в колектор із дна бака-накопичувача надходить холодна вода. Тому необхідно розташовувати колектор нижче за бак-накопичувач і утеплювати з'єднувальні труби.

Термосифонним системам властиві проблеми, пов'язані із замерзанням та розривами колекторів, що трапляється навіть у теплих регіонах, де мороз трапляється лише раз чи два на рік. Достатньо однієї морозної ночі, щоб незахищений колектор отримав пошкодження. Для захисту від замерзання іноді використовують мідні трубки завтовшки 10 см і добре утеплені корпуси з подвійним склінням. Об'єм води в такій системі занадто великий, що дозволяє запобігти замерзанню та розриву при невеликому морозі. Такі установки популярні у субтропічних та тропічних областях.

Малюнок 32

Термосифонна система поділяється на три основні частини:

  • Плоский колектор (абсорбер).
  • Трубопроводи.
  • Бак-накопичувач для гарячої води (бойлер).

Сонячний колектор зазвичай монтують на нижньому поверсі, балконі або односхилим даху, щоб верхній край панелі знаходився хоча б на 50 см нижче дна бака-накопичувача. Бак встановлюють на другому поверсі, на горищі, іноді під склепінням даху, щоб між пластиною абсорбера і баком було не менше 50 см різниці у висоті.

Обігрів басейнів

Системи підігріву води для басейнів – дуже корисне вкладення грошей. Департамент енергетики США з'ясував, що басейни по всій країні споживають колосальну кількість енергії, і визнав обігрів басейнів одним з найбільш економічно вигідних шляхів зниження споживання енергії. У США та Європі сонячні обігрівачі для басейнів використовуються практично повсюдно. Тільки у Сполучених Штатах понад 200 000 басейнів обігріваються сонячною енергією. Найстаріші з цих систем перебувають в експлуатації вже понад 25 років і показали себе економічними, високонадійними, які потребують мінімального догляду. Вони добре працюють і економлять гроші протягом купального сезону навіть в умовах північного клімату. Існують сонячні системи для закритих басейнів, а також великих міських і комерційних басейнів.

Малюнок 33

Незважаючи на те, що вартість такої установки змінюється в залежності від розміру басейну та інших специфічних умов, якщо сонячні системи встановлюються з метою зниження або відмови від споживання палива чи електроенергії, вони за два-чотири роки окупаються за рахунок економії енергії. Понад те, обігрів басейну дозволяє на кілька тижнів продовжити купальний сезон без додаткових витрат.

У більшості будівель нескладно влаштувати сонячний обігрівач для басейну. Він може зводитися до простого чорного шлангу, яким у басейн подається вода. Для відкритих басейнів потрібно лише встановити абсорбер. Закриті басейни вимагають встановлення стандартних колекторів, щоб забезпечити теплу воду та взимку.

Хоча найчастіше колектори встановлюють на даху, для цього підходить будь-яке місце, куди більшу частину дня надходить сонячне світло. Вид даху та матеріали, з яких вона зроблена, не мають значення. Площа колекторів для цього басейну розраховується, виходячи з площі самого басейну. Правильне співвідношення площі басейну до площі сонячного колектора змінюватиметься залежно від таких факторів, як його розміщення, орієнтування щодо Сонця, кількість тіні, що падає на басейн та колектор та бажана тривалість купального сезону. Проте загалом площа колектора зазвичай становить 50 - 100% поверхні басейну.

Малюнок 34

Як влаштована система обігріву басейну?

Для обігріву басейну можна безпосередньо під'єднати низькотемпературний колектор до системи фільтрації. У деяких випадках може знадобитися додатковий насос або більш потужний насос для системи фільтрації. Найбільш ефективні з сучасних систем включають автоматичний відвідний клапан. Фільтрувальна система басейну налаштовується працювати під час найбільш інтенсивного сонячного освітлення.

Протягом цього часу, якщо датчики визначають, що на колектор надходить достатньо тепла, вони дають автоматичному відвідному клапану команду направити потік води з басейну через сонячний колектор, де вона нагрівається. Нагріта таким чином вода повертається до басейну. Коли колектор остигає, вода через нього не проганяється. Таким чином, у багатьох системах обходяться майже без рухомих частин, завдяки чому мінімізуються витрати на обслуговування та ремонт. Потрібні додаткові запобіжні заходи для запобігання корозії в колекторах, оскільки вода - досить агресивне середовище. Можливі рішення: використання низькотемпературних колекторів, виготовлення їх із пластику.

Малюнок 35

Розміщення системи

Сонячний нагрівач легко прибрати з поля зору, помістивши його, наприклад, на даху. Однак потрібно дотримуватись основних проектних норм. Місце розташування повинно бути рівним або мати невеликий нахил (не більше 30 градусів до горизонталі), зворотний трубопровід повинен розташовуватися вище, ніж труби подачі води, а всі шланги - поступово підніматися один до одного, щоб під час роботи з них витіснялося все повітря.

Як безповоротний клапан, так і клапани, що стравлюють, повинні розміщуватися на висоті більше 1 метра над рівнем води в басейні, щоб запобігти зворотному відпливу води в басейн і сплющування шлангів, коли колектор в кінці кожного робочого циклу скидає воду. Всі комунікації до фільтраційної системи басейну повинні приєднуватися після фільтра, але перед будь-яким існуючим традиційним обігрівачем, щоб уникнути надлишкового тиску в системі.

Догляд та експлуатація

Простота сонячних систем обігріву басейнів означає мінімальні вимоги догляду та експлуатації. Фактично, в більшості випадків не потрібні додаткові заходи, крім звичайного чищення фільтрів і закриття на зиму. На зиму із системи зливають воду; однак іноді це не потрібно, якщо система робить це автоматично. Устаткування для сонячного обігріву настільки просте, що багато виробників колекторів надають гарантію на свою продукцію, термін дії якої набагато довший, ніж у автомобілів та побутової техніки.

Опалення приміщень за допомогою сонячної енергії

Вище ми говорили лише про нагрівання води за допомогою сонячної енергії. Активна сонячна установка опалення може не тільки забезпечувати гарячу воду, але і додаткове опалення через систему центрального теплопостачання. Для забезпечення продуктивності такої системи температура центрального опалення повинна бути мінімальною (бажано близько 50 C), також необхідно акумулювати тепло для опалення. Вдалим рішенням є комбінація сонячної установки опалення з підігрівом підлоги, при якому підлога є тепловим акумулятором.

Сонячні установки для опалення приміщень менш вигідні, ніж водонагрівачі як з економічної, так і з енергетичної точки зору, тому що опалення рідко потрібно влітку. Але якщо влітку потрібно опалювати приміщення (наприклад, у гірських районах), тоді опалювальні установки стають вигідними. У Центральній Європі, наприклад, близько 20% загального теплового навантаження традиційного будинку та приблизно 50% будинку з низьким енергоспоживанням можна забезпечувати за рахунок сучасної активної сонячної системи, оснащеної системою акумулювання тепла. Тепло, що залишилося, повинно забезпечуватися за рахунок Додаткової енергоустановки. Щоб збільшити частку енергії, яка отримується від Сонця, потрібно збільшувати об'єм акумулятора тепла.

У Швейцарії конструюють сонячні установки для приватних будинків з добре утепленими накопичувальними баками місткістю 5-30м3 (так звані системи Дженні), але коштують вони дорого, а зберігання гарячої води часто непрактично. Сонячний компонент системи Дженні перевищує 50% і навіть сягає 100%.

Якби вищеописана система повністю працювала за рахунок сонячної водонагрівальної установки, то знадобився колектор площею 25 м3 і бак-накопичувач об'ємом 85 м3 з теплоізоляцією товщиною 100 см. Збільшення теплоємності акумулятора енергії призводить до значного поліпшення практичних можливостей акумулювання.

Хоча опалення індивідуальних житлових будинків за допомогою сонячної енергії є технічно можливим, економічно вигіднішим на сьогоднішній день є вкладення коштів у теплоізоляцію для скорочення потреби в опаленні.

Сезонне акумулювання тепла

Якщо встановити колектор набагато більшої площі та з'єднати його з дуже містким накопичувальним баком, можна забезпечити опалення одразу кількох будинків. Однак основна проблема сонячної енергетики пов'язана з тим, що енергія потрібна в основному взимку, коли кількість сонячної радіації мало, і, навпаки, більшість літнього потенціалу не використовується через відсутність попиту. Тому вкладення капіталу великі колектори більшої продуктивності немає сенсу.

Однак, є і такі установки, які дозволяють взимку використовувати тепло, накопичене влітку сонячними колекторами і збережене за допомогою великих баків, що акумулюють (сезонне акумулювання). Тут проблема полягає в тому, що кількість рідини, необхідна для обігріву будинку, можна порівняти з об'ємом самого будинку. Крім того, сховище тепла потрібно дуже добре ізолювати. Щоб звичайний домашній бак-накопичувач зберіг більшу частину тепла протягом півроку, його довелося б обернути на шар ізоляції завтовшки 4 метри. Тому вигідно робити обсяг накопичувальної ємності дуже великим. Через це знижується відношення площі поверхні до об'єму.

Великі сонячні установки центрального опалення використовуються у Данії, Швеції, Швейцарії, Франції та США. Сонячні модулі встановлюють прямо на землі. Без сховища така сонячна опалювальна установка може покрити близько 5% річної потреби в теплі, оскільки установка не повинна виробляти більше, ніж мінімальна кількість тепла, включаючи втрати в районній системі опалення (до 20% при передачі). Якщо є зберігання денного тепла вночі, то сонячна опалювальна установка може покривати 10-12% потреби в теплі, включаючи втрати при передачі, а з сезонним зберіганням тепла - до 100%. Існує можливість комбінування районного опалення з індивідуальними сонячними колекторами. Районну систему опалення можна відключити на літо, коли гаряче водопостачання забезпечується Сонцем, і немає потреби в опаленні.

Сучасні системи зберігання сонячного тепла

Великі системи сезонного акумулювання тепла в житловому секторі вже побудовані в кількох країнах, але залишаються досить дорогими. Розміри центрального сховища варіюють від кількох тисяч до кількох сотень тисяч кубічних метрів. Найбільше в Європі сховище такого роду розташоване у місті Оулу (Фінляндія). Обладнане в гігантській кам'яній печері об'ємом 200 000 м3, воно буде підключене до теплоелектроцентралі, що працює на біомасі. Ця теплоцентраль побудована в рамках програми EU-Thermie, яку здійснюється Європейським Союзом.

Ще один успішний проект сезонного зберігання гарячої води знаходиться у місті Люкебо (Швеція). Тут використовують скельну печеру, наповнену водою (об'ємом 105 000 м3) та плоскі сонячні колектори площею 28 800 м2, які постачають 100% необхідної енергії (8500 МВт·ч/ рік) для гарячого водопостачання та опалення 550 будинків. Усі ці будинки підключено до комунальної системи районного опалення. Температура води, що подається споживачам, становить 70 градусів за Цельсієм, а зворотної води - 55 градусів.

Термін окупності таких установок дуже великий. Найважливіший урок, витягнутий з досвіду пристрою опалювальних систем, є таким: потрібно перш за все вкладати кошти в енергозбереження та пасивний сонячний дизайн, а потім використовувати сонячну енергію для поповнення недостатньої кількості енергії для опалення приміщень.

Сонячна енергія у поєднанні з іншими відновлюваними джерелами

Хороший результат приносить комбінування різних відновлюваних джерел енергії, наприклад тепло Сонця в поєднанні з сезонним акумулюванням тепла у вигляді біомаси. Або, якщо потреба енергії, що залишилася, дуже низька, можна використовувати рідкі або газоподібні види біопалива в поєднанні з ефективними котлами на додаток до сонячного опалення.

Цікаву комбінацію являють собою сонячне опалення та котли, що працюють на твердій біомасі. Цим вирішується і проблема сезонного зберігання сонячної енергії. Використання біомаси влітку не є оптимальним рішенням, оскільки ККД котлів при частковому завантаженні невисокий, до того ж відносно високі втрати в трубах - а в невеликих системах спалювання деревини влітку може спричинити незручність. У таких випадках усі 100% теплового навантаження влітку може забезпечуватись за рахунок сонячного опалення. Взимку, коли кількість сонячної енергії трохи, практично все тепло виробляється за рахунок спалювання біомаси.

У Центральній Європі нагромаджено великий досвід комбінування сонячного опалення та спалювання біомаси для виробництва тепла. Зазвичай близько 20-30% загального теплового навантаження покриває сонячна система, а головне навантаження (70-80%) забезпечується біомасою. Це поєднання може застосовуватися і в індивідуальних житлових будинках, і системах центрального (районного) опалення. В умовах Центральної Європи близько 10 м3 біомаси (наприклад, дров) достатньо для опалення приватного будинку, причому сонячна установка допомагає заощадити до 3 м3 дров на рік.

Промислове використання сонячного тепла

Не тільки домашні господарства, а й підприємства використовують сонячні водонагрівачі для попереднього підігріву води перед подальшим застосуванням інших методів, щоб довести її до кипіння або випаровування. Менша залежність від цін на енергоносії, що коливаються, - ще один фактор, що робить сонячні системи привабливим вкладенням грошей. Зазвичай, встановлення сонячного водонагрівача тягне за собою швидку та суттєву економію енергії. Залежно від необхідного обсягу гарячої води та місцевого клімату підприємство може заощадити 40-80% вартості електрики та інших енергоносіїв. Наприклад, щоденна потреба в гарячій воді в 24-поверховому офісному будинку Кук Джей у Сеулі (Південна Корея) забезпечується більш ніж на 85% за рахунок сонячної водонагрівальної системи. Система працює з 1984 року. Вона виявилася настільки ефективною, що перекрила планові показники і забезпечує понад 10 до 20 % річної потреби в опаленні.

Приклад опалювальної системи (будівля Kook Jae building). Малюнок 36

Існує кілька різних видів сонячних водонагрівальних систем. Однак, кількість гарячої води, яка зазвичай потрібна підприємству, можна забезпечити лише за допомогою активної системи. Активна система зазвичай складається із сонячних колекторів, встановлених на південному схилі даху (у Північній півкулі) та бака-накопичувача, встановленого біля сонячного колектора. Коли на панель потрапляє достатньо сонячної радіації, спеціальний регулятор приводить у дію насос, який починає проганяти рідину – воду чи антифриз – через сонячну панель. Рідина приймає тепло від колектора і передає його резервуару з водою, де зберігається, доки знадобиться. Якщо сонячна система не нагріла воду до потрібної температури, можна використовувати додаткове джерело енергії. Тип та розмір системи визначаються за тим самим принципом, що і розмір сонячного колектора для житлового будинку (див. вище). Догляд за промисловими сонячними системами залежить від типу та розмірів системи, проте, завдяки її простоті, їй потрібний мінімальний догляд.

Для багатьох видів комерційної та промислової діяльності найбільша перевага сонячного колектора – економія палива та енергії. Однак, не можна забувати і про суттєві екологічні переваги. Викиди в атмосферу таких забруднювачів, як сірчистий газ, чадний газ та закис азоту зменшуються, коли власник фірми вирішує скористатися чистішим джерелом енергії - Сонцем.

Малюнок 37

Промислові високотемпературні процеси

Різні промислові процеси вимагають подачі тепла різних температур. Багато цих процесів можуть забезпечуватися за допомогою сонячних колекторів, починаючи від плоских колекторів, які обмежені 100 градусами Цельсія, до концентраторів, при використанні яких можна отримати температуру кілька сотень градусів.

Сонячне охолодження

У світі зростає попит на енергію для кондиціювання та охолодження. Це відбувається не тільки через збільшення потреби в комфорті в розвинених країнах, а й у зв'язку з необхідністю зберігання продовольства та медичних товарів у регіонах з теплим кліматом, особливо у країнах третього світу.

Існують три основні методи активного охолодження. Насамперед, використання електричних компресорів, які являють собою сьогодні стандартний охолодний пристрій у Європі. По-друге, використання абсорбційних кондиціонерів, які приводять у дію за допомогою теплової енергії. Обидва види застосовуються для кондиціювання повітря, тобто. охолодження води до 5 проC, та заморожування нижче 0 проC. Є третя можливість для кондиціонування повітря - охолодження з використанням випаровування. Всі системи можуть працювати на сонячній енергії, їх додаткову перевагу - використання абсолютно безпечних робочих рідин: простої води, сольового розчину або аміаку. Можливі застосування цієї технології - як кондиціонування повітря, а й охолодження для зберігання продовольства тощо.

Широке використання компресорів призводить до збільшення пікового попиту на електроенергію влітку, яке в деяких південних країнах досягає величини граничного навантаження в системі електропостачання. Оскільки більшість електроенергії виробляється з допомогою спалювання викопного палива, збільшуються викиди СО2, але це неприпустимо. Більш прогресивний підхід полягає в тому, щоб використати сонячну енергію від теплових колекторів для приведення в дію систем кондиціювання. Ця ідея є привабливою тому, що необхідна потужність охолодження корелює з кількістю сонячної радіації.

В принципі компресори можуть приводитися в дію сонячною енергією (за допомогою електрики від фотоелектричних батарей). Більш перспективними є абсорбційні охолоджувачі, які використовують тепло сонячних колекторів, оскільки їх використання призводить до застосування екологічно нешкідливих охолоджувачів та збільшення ринку сонячних колекторів. Сьогодні на ринку більш представлені абсорбційні охолоджувачі, аніж випарні системи охолодження. Більше того, абсорбційні охолоджувачі можуть застосовуватися для модифікування стандартних систем кондиціювання повітря, в яких використовується вода, що охолоджується.

У Кувейті, де кондиціювання повітря є необхідним як у житлових, так і в промислових та громадських будівлях, використання сонячної енергії для кондиціювання повітря викликало найпильніший інтерес у 70-ті та 80-ті роки. Основну увагу розробників привернув переобладнання традиційних парових охолоджувачів під використання з водою, нагрітою Сонцем до температури близько 100°С. Розглядалися також фотоелектричні системи, які виробляють електрику, необхідну роботи традиційного компресійного кондиціонера.

Сушіння

Сонячний колектор, що нагріває повітря, може бути дешевим джерелом тепла для сушіння сільськогосподарських культур - зерна, фруктів чи овочів. Так як сонячні колектори з високою ефективністю нагрівають температуру повітря в приміщенні на 5-10 оС (а складні пристрої ще більше), вони можуть використовуватися для кондиціювання повітря на складах.

Використання простих і дешевих сонячних колекторів для підігріву повітря при сушінні врожаю є перспективним для зниження величезних втрат урожаю в країнах, що розвиваються. Відсутність адекватних умов зберігання призводить до значних втрат продовольства. Хоча неможливо точно підрахувати масштаби втрат у цих країнах, деякі джерела оцінюють їх приблизно 50-60%. Щоб уникнути таких втрат, виробники зазвичай продають урожай негайно після збирання за низькими цінами. Скорочення втрат завдяки сушінню свіжих плодів принесло б велику користь і виробникам, і споживачам.

У деяких країнах для збереження продовольства широко використовується метод сушіння просто неба. Для цього продукт розкладають на землі, камінні, на узбіччях доріг або на дахах. Перевага цього методу - у простоті та дешевизні. Однак якість кінцевого продукту низько через довгий час висихання, забруднення, зараження комахами і псування через перегрівання. Крім того, досягнення досить низького вмісту вологи - справа важка, і найчастіше закінчується псуванням продукту при зберіганні. Вступ сонячних сушарок допоможе покращити якість висушених виробів та знизити збитки.

Вже розроблено різні типи невеликих сонячних пристроїв для сушіння сільськогосподарської продукції в країнах, що розвиваються. У сушарці з природною циркуляцією тепла сонячний повітронагрівач або вбудований в сушарку, або з'єднаний із сушильною шафою або камерою. Повітряний сонячний колектор може бути чорним килимком, накритим пластмасовим щитом. Повітря проходить через килимок, нагрівається і потім продувається над фруктами чи овочами. Такі сушарки для фруктів, овочів та спецій застосовні і в сухому, і у вологому кліматі. Завдяки своїй продуктивності, вони в основному застосовуються на великих фермах або кооперативних господарствах для виробництва продукції високої якості. У розвинених країнах сонячний нагрівач повітря в основному вбудовується в південну схил даху комори для сушіння сіна.

Відповідно до методу прогонки повітря сонячні сушарки використовують або вільну (природну) або примусову циркуляцію. Сушарки із природною циркуляцією не вимагають застосування вентилятора. Однак властива їм низька швидкість прогонки повітря та довгий час сушіння призводять до низької продуктивності та погіршення якості продукції. Тому їхнє застосування обмежується сушінням невеликих партій продукції для сімейного споживання.

Коли необхідно обробити велику кількість свіжої продукції для комерційного ринку, потрібно використовувати сушильні апарати з примусовою циркуляцією. Їхній основний недолік полягає в тому, що для роботи вентилятора потрібна електрика. Оскільки багато сільських районів у країнах, що розвиваються, не підключені до електромережі, використання таких сушарок обмежене. З урахуванням властивих цим країнам економічних труднощів ситуація навряд чи зміниться в найближчому майбутньому. Застосування фотоелектричних батарей для виробництва електрики, необхідного для роботи вентилятора, могло б дати потужний поштовх до поширення сонячних сушарок у країнах, що розвиваються.

Сонячні повітронагрівачі, що використовуються в розвинених країнах, зазвичай складаються з чорної фольги-поглинача та прозорої пластикової плівки, між якими за допомогою вентилятора прокачується повітря. Щоб збільшити площу колектора, південний скат даху будівлі продовжують так, щоб він торкався землі, тоді весь дах стає сонячним колектором. Сонячні сушарки-теплиці використовуються на великих фермах для сушіння лікарських та ароматичних рослин.

Використовуючи фотоелектричний вентилятор, можна налаштувати систему так, щоб повітря проганялося через приміщення лише за сонячного світла. Такі споруди повсюдно використовуються на літніх дачах Данії та Швеції, щоб у приміщенні було сухо протягом усього року. Хоча сонячна сушарка має багато переваг перед сушінням просто неба, залежність від погоди - головний недолік обох методів. У багатьох регіонах погода не дозволяє скористатися сонячним теплом для сушіння продукції, оскільки рідко випадає багато теплих та сухих днів поспіль. В результаті продукція може зіпсуватися, не встигнувши висохнути.

4. Сонячні печі

Успішне використання сонячних печей (плит) відзначалося в Європі та Індії вже у 18 столітті. Сонячні плити та духові шафи поглинають сонячну енергію, перетворюючи її на тепло, що накопичується всередині замкнутого простору. Поглинене тепло використовується для варіння, смаження та випікання. Температура сонячної печі може досягати 200 градусів Цельсія.

Сонячні печі бувають різних форм та розмірів. Наведемо кілька прикладів: духова шафа, піч-концентратор, рефлектор, сонячний пароварочний апарат тощо. При всій різноманітності моделей всі печі вловлюють тепло і утримують його в теплоізольованій камері. У більшості моделей сонячне світло безпосередньо впливає на їжу.

Ящикові сонячні печі

Скринькові сонячні печі складаються з добре ізольованої коробки, пофарбованої всередині в чорний колір, в яку поміщають чорні каструлі з їжею. Коробка накривається двошаровим вікном, яке пропускає сонячне випромінювання в ящик і утримує тепло всередині. На додаток до нього кріпиться кришка з дзеркалом на внутрішній стороні, яка, будучи відкинутою, посилює падаюче випромінювання, а в закритому вигляді покращує теплоізоляцію печі.

Малюнок 38

Основні переваги ящикових сонячних печей:

  • Використовують як пряме, так і розсіяне сонячне випромінювання.
  • У них можна нагрівати одночасно кілька каструль.
  • Вони легкі, портативні та прості у користуванні.
  • Їм не треба повертатися слідом за сонцем.
  • Помірні температури роблять помішування не обов'язковим.
  • Їжа залишається теплою цілий день.
  • Їх легко виготовити та відремонтувати, використовуючи місцеві матеріали.
  • Вони недорогі (проти інших типів сонячних печей).

Притаманні їм, звичайно, і деякі недоліки:

  • З їхньою допомогою можна готувати тільки в денний час.
  • Через помірну температуру на приготування їжі потрібен тривалий час.
  • Скляна кришка призводить до значних втрат тепла.
  • Такі печі "не вміють" смажити.

Завдяки своїм перевагам, сонячні печі-ящики є найпоширенішим видом сонячних печей. Вони бувають різних видів: промислового виробництва, кустарні та саморобні; формою можуть нагадувати плоску валізку або широку низьку скриньку. Бувають і стаціонарні печі, виготовлені з глини, з горизонтально розташованою кришкою (у тропічних та субтропічних районах) або похилою (в помірному кліматі). Для сім'ї з п'яти осіб рекомендуються стандартні моделі з площею апертури (вхідної площі) близько 0,25 м 2. У продажу зустрічаються і більші варіанти печей - 1 м 2 і більше.

Рекомендації для будівництва сонячної печі

Так як тепло, поглинене внутрішньою поверхнею коробки, має передаватися каструлям, найкращий матеріал для коробки - алюміній, що має високу теплопровідність. До того ж, алюміній не схильний до корозії. Наприклад, сталевий ящик, навіть із гальванічним покриттям, не може довго протистояти гарячому та вологому середовищу всередині печі в процесі приготування їжі. Листова ж мідь надто дорога.

Зовні коробки не можна прикріплювати металевими деталями, які можуть створити теплові містки. Теплоізоляційним матеріалом може служити скло, синтетична вата або якийсь природний матеріал (лушпиння арахісу, кокосових горіхів, рису, кукурудзи тощо). Який матеріал не використовувався, він повинен залишатися сухим.

Кришка печі може складатися з одного або двох стекол з повітряним прошарком. Відстань між двома шарами скла зазвичай становить 10-20 мм. Дослідження показали, що використання прозорого матеріалу з комірчастою структурою, який ділить внутрішній простір на маленькі вертикальні осередки, може суттєво зменшити втрати печі, таким чином збільшуючи її ефективність. Внутрішнє скло піддається термічній дії, тому часто використовується загартоване скло; або обидва шари можуть складатися зі звичайного скла товщиною близько 3 мм.

Зовнішня кришка сонячної печі є відбивачем, який посилює падаюче випромінювання. Відбиваючою поверхнею може служити звичайне скляне дзеркало, пластмасовий лист з покриттям, що відбиває, або неб'ється металеве дзеркало. У крайньому випадку можна використовувати фольгу від сигаретних пачок.

Зовнішня коробка сонячної печі може бути виготовлена ​​із дерева, склопластику або металу. Склопластик легкий, недорогий та водостійкий, але не дуже довговічний в умовах безперервного використання. Деревина міцніша, але важча і більш схильна до псування через вологість. Алюмінієві листи у поєднанні з дерев'яними кріпленнями утворюють найбільш якісну поверхню, стійку до механічних впливів, перепадів температури та вологості. Армована алюмінієм дерев'яна коробка найбільш міцна, але вона коштує дорожче і досить важка, до того ж, її виготовлення вимагає часу.

Продуктивність стандартної сонячної печі з площею апертури 0.25 м 2 досягає близько 4 кг їжі на день, тобто. достатня для сім'ї із п'яти осіб.

Пікова температура всередині сонячної печі може досягати більше 150 C в сонячний день у тропіках; це приблизно на 120 проC вище температури навколишнього повітря. Так як вода, що міститься в продуктах харчування, не нагрівається вище 100 C, то температура всередині наповненої печі завжди буде відповідно нижче.

Температура сонячної печі різко знижується, коли у неї поміщають посуд із їжею. Важливо й те, що температура залишається значно нижчою за 100 проC більшу частину часу приготування. Але температура кипіння 100 C не потрібна для приготування більшості овочів і каш.

Середній час приготування їжі в сонячній печі становить 1-3 години у хороших сонячних умовах та помірного завантаження. Використання тонкостінних алюмінієвих каструль значно скорочує час приготування порівняно з посудом із нержавіючої сталі. Крім того, впливають і такі фактори:

  • Час приготування скорочується в умовах великого освітлення, і навпаки.
  • Висока температура навколишнього повітря скорочує час приготування, і навпаки.
  • Невеликий обсяг їжі за одне приготування знижує час приготування - і навпаки.

Дзеркальні печі (з відбивачем)

Найпростіша дзеркальна піч є параболічним рефлектором і підставкою для каструлі, розташованою у фокусі печі. Якщо піч виставлена ​​Сонце, то сонячне світло відбивається від усіх рефлекторів в центральну точку (фокус), нагріваючи каструлю. Рефлектор може являти собою параболоїд, виготовлений, наприклад, з листової сталі або фольги, що відображає.

Поверхня, що відображає, зазвичай виготовлена з полірованого алюмінію, дзеркального металу або пластику, але може складатися також з безлічі маленьких плоских дзеркал, прикріплених до внутрішньої поверхні параболоїда. Залежно від потрібної фокусної відстані рефлектор може мати форму глибокої миски, в яку повністю занурюється каструля з їжею (коротка фокусна відстань, посуд захищений від вітру) або дрібної тарілки, якщо каструля встановлюється у фокусній точці на певній відстані від рефлектора.

Усі печі-відбивачі використовують лише пряме сонячне випромінювання, і тому повинні постійно повертатися за Сонцем. Це ускладнює їх експлуатацію, оскільки ставить користувача залежність від погоди та регулюючого пристрою.

Малюнок 39

Переваги дзеркальних печей:

  • Здатність досягати високих температур і, відповідно, швидке приготування їжі.
  • Відносно недорогі моделі.
  • Деякі з них можуть також служити для випічки.

Перерахованими перевагами супроводжуються і деякі недоліки:

  • Залежно від фокусної відстані піч повинна повертатися за Сонцем приблизно кожні 15 хвилин.
  • Використовується тільки пряме випромінювання, а розсіяне сонячне світло втрачається.
  • Навіть за невеликої хмарності можливі великі втрати тепла.
  • Поводження з такою піччю потребує певного навички та розуміння принципів її дії.
  • Відбите рефлектором випромінювання дуже яскраво, сліпить очі, і може призвести до отримання опіку при контакті з фокальною плямою.
  • Приготування їжі обмежується денним годинником.
  • Кухареві доводиться працювати на спекотному сонці (за винятком печей з фіксованим фокусуванням).
  • Ефективність печі великою мірою залежить від сили і напряму вітру, що змінюється.
  • Страва, приготовлена вдень, надвечір остигає.

Складність поводження з цими печами у поєднанні з тим фактом, що кухар змушений стояти на Сонці, є головною причиною їхньої невисокої популярності. Але в Китаї, де приготування їжі традиційно потребує високої температури та потужності, вони широко поширені.

Теплова потужність

Теплова потужність сонячної печі визначається кількістю сонячної радіації, робочою поглинаючою поверхнею печі (зазвичай між 0,25 м2 і 2 м2) та її термічним ККД (звичайно 20-50% ). У таблиці порівнюються типові значення площі, ефективності та потужності для ящикової печі та печі-відбивача.

Таблица 4. Стандартні значення площі, ефективності та продуктивності ящикової печі та печі-відбивача

Площа, м2 Середній ККД, % Потужність, Вт при освітленості 850 Вт/м2 Час кип'ятіння 1 літра води, хв.
Відбивач 1,25 30 320 17
Ящикова піч 0,25 40 85 64

Як правило, печі-рефлектори мають набагато більшу робочу поверхню, ніж ящикові. Отже, вони набагато потужніші, на них можна кип'ятити більше води, готувати більше їжі, або обробляти порівнянні за менший проміжок часу. З іншого боку, їхня теплова ефективність нижча, тому що посуд остигає під впливом атмосфери.

У тропічних та субтропічних країнах можна розраховувати на ясну погоду та нормальне щоденне освітлення майже цілий рік. Близько полудня, коли сумарна сонячна освітленість досягає 1000 Вт/м2, цілком реально розраховувати на теплову потужність в 50-350 Вт, залежно від типу і розміру плити. Кількість випромінювання вранці та вдень, природно, нижча і не може повністю компенсуватися системою стеження за Сонцем.

Для порівняння: спалювання 1 кг сухої деревини виробляє приблизно 5000 Вт, помножені на термічний ККД плити (15 % для примітивного вогнища та 25-30 % для покращеної кухонної плити, що використовується в країнах, що розвиваються). Теплова потужність, що фактично досягає посуду, становить, таким чином, 750-1500 Вт.

Кількість сонячної радіації різко знижується при хмарності та в сезон дощів. В умовах нестачі прямого випромінювання сонячна піч непридатна ні для чого, крім зберігання готової їжі в теплому вигляді. Слабким місцем сонячних печей (незалежно від їх типу) є те, що в хмарні та дощові дні (2-4 місяці на рік для більшості країн, що розвиваються) їжу доводиться готувати за допомогою звичайних засобів: на дровах, газовому або гасовому пальнику.

Сонячне випромінювання та печі

Головною передумовою успішного використання сонячної печі є адекватна освітленість із невеликою кількістю хмарних днів протягом року. Тривалість та інтенсивність сонячного випромінювання повинні дозволяти використання сонячної печі протягом тривалих періодів. У той час як у Центральній Європі приготування їжі з використанням сонячної енергії можливе у сонячний літній день, для сонячної печі бажано мінімальну кількість сонячної енергії 1500 кВт·год/м2 на рік (що відповідає середній щоденній інсоляції 4 кВт·ч/м2). Але середньорічні показники можуть іноді вводити в оману. Істотна умова для придатності сонячної печі – це стабільна літня погода, тобто регулярні, передбачувані періоди безхмарних днів.

Ресурси сонячної енергії у різних країнах суттєво відрізняються навіть у межах тропічного поясу у країнах третього світу. Наприклад, сонячне випромінювання у більшості регіонів Індії вважається дуже добрим з точки зору використання сонячної енергії. Середня кількість сонячної енергії становить від 5 до 7 кВт·год/м2> на день залежно від регіону. На більшій частині території країни освітленість досягає мінімуму протягом сезону дощів і майже так само мала протягом грудня та січня.

Клімат та сонячний потенціал Кенії сприятливі для використання сонячних печей. Кенія розташована близько до екватора і тому має тропічний клімат. У столиці країни Найробі кількість сонячної енергії становить від 3,5 кВт·год/м2 на день у липні до 6,5 кВт·г/м2 на день у лютому , а інших областях залишається практично незмінною (6,0 - 6,5 кВт·ч/м2 щодня у провінції Лодвар). Сонячна радіація в Найробі дозволяє готувати їжу за допомогою сонячної енергії дев'ять місяців на рік (крім червня-серпня). З іншого боку, у хмарні чи туманні дні доводиться покладатися традиційні види палива. Однак, у провінції Лодвар сонячними печами можна користуватися цілий рік.

Сонячні печі для країн, що розвиваються

Мета використання сонячних печей, безсумнівно, полягає в економії енергії в умовах подвійної енергетичної кризи: криза бідних верств населення, що полягає у нестачі дров, і криза національної енергетики - зростаючий тиск на її платіжний баланс.

Порівняно з іншими країнами, країни, що розвиваються, споживають дуже мало енергії. Наприклад, норма споживання енергії душу населення Індії 1982 року - 7325 ГДж - була однією з найменших у світі. Але рівень споживання енергії цієї країни зростає майже вдвічі швидше, ніж її валовий національний продукт. Те саме відбувається і в інших країнах, що розвиваються.

Більшість жителів країн, що розвиваються, отримує основну частину споживаної ними енергії з некомерційних джерел: з традиційних місцевих ресурсів енергії, за рахунок своєї фізичної праці. Вони просто не можуть дозволити собі купити потрібну кількість комерційно виробленої енергії.

Логічне наслідок цього - відносна нестача палива для бідних верств населення, рівень життя яких у результаті ще далі погіршується. Сонячні печі – це крок на шляху до покращення умов їхнього життя.

З усієї "бідної більшості" жителів країн третього світу, сонячні печі повинні насамперед використовуватися сільським населенням.

Малюнок 40

Скільки потрібно енергії для приготування їжі

Щоденна потреба у паливі залежить від того, яка їжа готується і від її кількості. Житель країни, що розвивається, спалює, в середньому, 1 тонну дров на рік. Типовій індійській сім'ї потрібно 3-7 кг дров на день; у прохолодніших регіонах щоденна кількість дров для однієї сім'ї становить майже 20 кг взимку та 14 кг влітку. На півдні Малі середньостатистична сім'я (що складається з 15 чоловік) спалює близько 15 кг дров на день. Дослідження, проведене в таборі афганських біженців у Пакистані, показало, що щоденна потреба у дровах там становить до 19 кг на сім'ю. Більше половини дров у типовому домашньому господарстві йде на випічку хліба, інші - для приготування іншої їжі. Взимку, звичайно, дров потрібно більше.

Незважаючи на те, що кількість енергії, яка потрібна для приготування їжі, є різною, сонячні печі дають значну економію енергії. Першочергове завдання сонячних печей – зниження потреби у дровах, які досі є найважливішим паливом для приготування їжі. Проблема полягає в тому, що деревина недорога в порівнянні з гасом, балонним газом та електрикою. Зростаюча неконтрольована вирубка дерев для потреб і продаж є основною причиною зникнення лісів, розширення пустель, ерозії грунту, зниження рівня підземних вод, і надає довгостроковий несприятливий вплив на екологічний баланс. Убогі залишки лісів у Пакистані та нестримна вирубка лісів у Кенії є доказом того, що страхи з цього приводу не перебільшені. Якщо вирубування лісів у Судані не сповільниться, до 2005 року від них нічого не залишиться.

Загалом сонячні печі навряд чи можуть зробити великий внесок у національну енергетику. Однак вони можуть суттєво покращити умови життя бідняків, допомогти їм подолати особисту енергетичну кризу.

5. Сонячна дистиляція води

У всьому світі безліч людей відчуває нестачу чистої води. З 2,4 млрд жителів країн, що розвиваються, менше 500 млн мають доступ до чистої питної води, не кажучи вже про дистильовану. Вирішенню цієї проблеми може сприяти сонячна дистиляція. Сонячний дистилятор - це простий пристрій, який перетворює солону або забруднену воду на чисту, дистильовану. Принцип сонячної дистиляції відомий з давніх-давен.

У четвертому столітті до нашої ери Арістотель запропонував метод випаровування морської води для питної. Однак сонячний дистилятор був побудований тільки в 1874 році, коли Дж. Хардінг і С. Вільсон побудували його в Чилі, щоб дати чисту воду селище шахтарів. Цей дистилятор площею 4700 м 2 виробляв 24 000 літрів води на день. В даний час такі установки великої продуктивності є в Австралії, Греції, Іспанії, Тунісі, на острові Св. Вінсента в Карибському морі. Налаштування менші є у широкому вживанні інших країнах.

Практично будь-яке морське узбережжя та пустельні місцевості можна перетворити на мешкані, використовуючи сонячну енергію для підйому та очищення води. Всі етапи цього процесу – робота насоса (див. розділ про фотоелементи), очищення та подача води в дистилятор – здійснюються за допомогою сонячної енергії.

Основні відомості

Найбільш поширений сонячний дистилятор є герметично закритим резервуаром із солоною або забрудненою водою, накритий похилим листом зі скла або пластмаси. Дно резервуару пофарбоване в чорний колір, щоб краще збирати тепло. Сонячна радіація проникає крізь кришку та сприяє випаровуванню води. Вода конденсується на нижній стороні кришки (яка охолоджується повітрям із зовнішнього боку) і стікає по похилій площині у жолоб чи трубу. Труба також нахилена, тому зібрана вода витікає з дистилятора.

Цей процес точно імітує метод, створений природою для отримання прісної води в хмарах з океанів, озер, боліт і т.д. Вода, яку ми споживаємо, пройшла гідрологічний цикл сонячної перегонки в десятки тисяч разів.

Малюнок 41

Експлуатація сонячного дистилятора

Експлуатація дистилятора не потребує регулярного догляду та витрат. Продуктивність дистилятора виявляється у середньорічному значенні і є точної величиною, оскільки кількість сонячного світла нестабільно. Вона залежить від клімату, географічної широти та пори року. На Багамських островах (23 градуси північної широти) середньорічна продуктивність установки виявилася у 12 разів більшою у червні, ніж у середині зими. Деякі дистилятори працюють навіть за умов морозної погоди. У середньому сонячний дистилятор може виробляти 1 літр дистильованої води на день на квадратний метр дистилятора. У яскраві сонячні дні можна отримати більше літра. Наповнюють дистилятор водою один раз на день, уночі чи вранці.

Вартість

Вартість сонячної системи для дистиляції води може бути різною, залежно від її розміру та місця розміщення. Встановлення системи зазвичай коштує недорого. У США розроблено невеликі моделі вартістю 25 доларів зі скляною кришкою та 18 доларів - із пластмасовою, що дещо знижує продуктивність. Якщо така установка використовується протягом року, вона виробляє воду за собівартості приблизно 10 центів за літр.

Якість води

Отримана на такій установці вода відрізняється високою якістю. Зазвичай вона показує найкращий результат при тестуванні на кількість розчинених у воді речовин. Вона також насичена повітрям, оскільки конденсується у дистиляторі у присутності повітря. Вода може спочатку здатися незвичною на смак, тому що в ній немає мінеральних речовин, до яких звикла більшість із нас. Тести показують, що дистиляція усунула всі бактерії, а вміст пестицидів, добрив і розчинників знижується на 75-99,5 %. Все це має велике значення для країн, де люди, як і раніше, гинуть від холери та інших інфекційних захворювань.

Конструювання сонячного дистилятора

При будівництві дистилятора слід пам'ятати про такі моменти:

  • Бак можна виготовити з цементу, саману, пластмаси, керамічної плитки, будь-якого іншого водонепроникного матеріалу.
  • Якщо для вистилання дна бака або жолоба використовується пластик, слідкуйте за тим, щоб бак ніколи не стояв сухим – від цього пластмаса може розплавитися.
  • По можливості потрібно використовувати теплоізоляцію. Навіть невелика її кількість набагато збільшить ефективність дистилятора.
  • Контейнер з дистильованою водою необхідно закривати від Сонця, щоб вода не випаровувалась повторно.

6. Сонячні теплові електростанції

На додаток до прямого використання сонячного тепла, в регіонах з високим рівнем сонячної радіації її можна використовувати для отримання пари, яка обертає турбіну та виробляє електроенергію. Виробництво сонячної теплової електроенергії у великих масштабах є досить конкурентоспроможним. Промислове застосування цієї технології бере свій початок у 1980-х; з того часу ця галузь швидко розвивалася. Наразі енергокомпаніями США вже встановлено понад 400 мегават сонячних теплових електростанцій, які забезпечують електрикою 350 000 осіб та заміщають еквівалент 2,3 млн барелів нафти на рік.

Дев'ять електростанцій, розташованих у пустелі Мохаве (в американському штаті Каліфорнія) мають 354 МВт встановленої потужності та накопичили 100 років досвіду промислової експлуатації. Ця технологія є настільки розвиненою, що, за офіційними даними, може змагатися з традиційними електрогенеруючими технологіями в багатьох районах США. В інших регіонах світу також незабаром мають розпочати проекти з використання сонячного тепла для вироблення електроенергії. Індія, Єгипет, Марокко та Мексика розробляють відповідні програми, гранти для їх фінансування надає Глобальна програма захисту довкілля (GEF). У Греції, Іспанії та США нові проекти розробляються незалежними виробниками електроенергії.

За способом виробництва тепла сонячні теплові електростанції поділяють на сонячні концентратори (дзеркала) та сонячні ставки.

Сонячні концентратори

Такі електростанції концентрують сонячну енергію за допомогою лінз та рефлекторів. Так як це тепло можна зберігати, такі станції можуть виробляти електрику в міру потреби, вдень і вночі, у будь-яку погоду.

Великі дзеркала - з точковим чи лінійним фокусом - концентрують сонячні промені настільки, що вода перетворюється на пару, виділяючи у своїй достатньо енергії у тому, щоб обертати турбіну. Фірма "Luz Corp." встановила величезні поля таких дзеркал у Каліфорнійській пустелі. Вони виробляють 354 МВт електроенергії. Ці системи можуть перетворювати сонячну енергію на електрику з ККД близько 15%.

Всі технології, що описуються, крім сонячних ставків, для досягнення високих температур застосовують концентратори, які відображають світло Сонця з більшої поверхні на меншу поверхню приймача. Зазвичай така система складається з концентратора, приймача, теплоносія, акумулюючої системи та системи передачі енергії.

Сонячне тепло можна зберігати різними способами. Сучасні технології включають параболічні концентратори, сонячні параболічні дзеркала та геліоенергетичні установки баштового типу. Їх можна комбінувати з установками, що спалюють викопне паливо, а в деяких випадках адаптувати для акумуляції тепла. Основна перевага такої гібридизації та теплоакумуляції - це те, що така технологія може забезпечувати диспетчеризацію виробництва електрики (тобто вироблення електроенергії може проводитись у періоди, коли вона потребує). Гібридизація та акумулювання тепла можуть підвищити економічну цінність виробленої електрики та знизити її середню вартість.

Сонячні параболічні концентратори

Малюнок 43

У цих установках використовуються параболічні дзеркала (лотки), які концентрують сонячне світло на приймальних трубках, що містять рідину-теплоносій. Ця рідина нагрівається майже до 400 C і прокачується через ряд теплообмінників; при цьому виробляється перегріта пара, що приводить в рух звичайний турбогенератор для виробництва електрики. Для зниження теплових втрат приймальну трубку може оточувати прозора скляна трубка, вміщена вздовж фокусної лінії циліндра. Як правило, такі установки включають одновісні або двовісні системи стеження за Сонцем. У поодиноких випадках вони є стаціонарними.

Малюнок 42

Побудовані в 80-х роках у південно-каліфорнійській пустелі фірмою "Luz International", дев'ять таких систем утворюють найбільше на сьогоднішній день підприємство з виробництва сонячної теплової електрики. Ці електростанції постачають електрику до комунальної електромережі Південної Каліфорнії. Ще в 1984 р. "Luz International" встановила в Деггетті (Південна Каліфорнія) сонячну електрогенеруючу систему Solar Electric Generating System I (або SEGS I) потужністю 13,8 МВт. У приймальних трубках олія нагрівалася до температури 343 проC і вироблялася пара для виробництва електрики.

Конструкція "SEGS I" передбачала 6 годин акумулювання тепла. У ній застосовувалися печі на природному газі, які використовувалися у разі відсутності сонячної радіації. Ця компанія побудувала аналогічні електростанції "SEGS II - VII" потужністю по 30 МВт. У 1990 р. у Харпер Лейк були побудовані "SEGS VIII та IX", кожна потужністю 80 МВт. Через численні законодавчі та політичні труднощі компанія "Luz International" та її філії 25 листопада 1991 року повідомили про своє банкрутство. Тепер станціями "SEGS I - IX" керують інші фірми за старим контрактом із "Southern California Edison". Від планів будівництва "SEGS X, XI, XII" довелося відмовитись, що означає втрату додаткових 240 МВт запланованої потужності.

Малюнок 44

Оцінки технології показують її більш високу вартість, ніж у сонячних електростанцій баштового та тарілчастого типу (див. нижче), в основному через нижчу концентрацію сонячного випромінювання, а отже, нижчі температури і, відповідно, ефективність. Однак, за умови накопичення досвіду експлуатації, покращення технології та зниження експлуатаційних витрат параболічні концентратори можуть бути найменш дорогою та найнадійнішою технологією найближчого майбутнього.

Малюнок 45

Сонячна установка тарілчастого типу

Малюнок 47

Цей вид геліоустановки є батареєю параболічних тарілкових дзеркал (подібних формою з супутниковою тарілкою), які фокусують сонячну енергію на приймачі, розташовані у фокусній точці кожної тарілки. Рідина в приймачі нагрівається до 1000 оС і безпосередньо застосовується для виробництва електрики в невеликому двигуні та генераторі, з'єднаному з приймачем.

Малюнок 46

В даний час у розробці знаходяться двигуни Стірлінга та Брайтона. Декілька досвідчених систем потужністю від 7 до 25 кВт працюють у Сполучених Штатах. Висока оптична ефективність та малі початкові витрати роблять системи дзеркал/двигунів найбільш ефективними з усіх геліотехнологій. Системі з двигуна Стірлінга та параболічного дзеркала належить світовий рекорд щодо ефективності перетворення сонячної енергії на електрику. У 1984 році на Ранчо Міраж в штаті Каліфорнія вдалося досягти практичного ККД 29%.

До того ж, завдяки модульному проектуванню, такі системи є оптимальним варіантом для задоволення потреби в електроенергії як для автономних споживачів (у кіловатному діапазоні), так і для гібридних (у мегаватному), з'єднаних з електромережами комунальних підприємств.

Ця технологія успішно реалізована в низці проектів. Один із них – проект STEP (Solar Total Energy Project) в американському штаті Джорджія. Це велика система параболічних дзеркал, що працювала у 1982-1989 роках. у Шенандоа. Вона складалася зі 114 дзеркал, кожне 7 метрів у діаметрі. Система виробляла пар високого тиску вироблення електрики, пар середнього тиску трикотажного виробництва, і навіть пар низького тиску системи кондиціонування повітря тієї ж трикотажної фабриці. У жовтні 1989 р. енергокомпанія закрила станцію через пошкодження на головній турбіні та брак коштів для ремонту станції.

Малюнок 48

Спільне підприємство "Sandia National Lab" та "Cummins Power Generation" нині намагається поставити на комерційні рейки систему потужністю 7,5 кВт. "Cummins" сподівається продавати 10 000 одиниць на рік до 2004 р. Спільним використанням параболічних дзеркал та двигунів Стірлінга зацікавилися й інші компанії. Так, фірми Stirling Technology, Stirling Thermal Motors і Detroit Diesel спільно з корпорацією Science Applications International Corporation створили спільне підприємство з капіталом 36 млн доларів з метою розробки 25-кіловатної системи на базі двигуна Стірлінга.

Малюнок 49

Сонячні електростанції баштового типу із центральним приймачем

У цих системах використовується обертове поле відбивачів-геліостатів. Вони фокусують сонячне світло на центральний приймач, споруджений на вершині башти, який поглинає теплову енергію і приводить у дію турбогенератор. Двовісна система стеження, що керується комп'ютером, встановлює геліостати так, щоб відбиті сонячні промені були нерухомі і завжди падали на приймач. Рідина, що циркулює в приймачі, переносить тепло до теплового акумулятора у вигляді пари. Пара обертає турбіну для вироблення електроенергії, або безпосередньо використовується у промислових процесах. Температури на приймачі досягають від 538 до 1482 оC.

Малюнок 51

Перша баштова електростанція під назвою Solar One поблизу Барстоу (Південна Каліфорнія) з успіхом продемонструвала застосування цієї технології для виробництва електроенергії. Підприємство працювало у середині 1980-х. На ньому використовувалася водно-парова система потужністю 10 МВте. У 1992 р. консорціум енергетичних компаній США прийняв рішення модернізувати Solar One для демонстрації приймача на розплавлених солях і теплоакумулюючої системи. Завдяки акумулюванню тепла баштові електростанції стали унікальною геліотехнологією, що дає змогу диспетчеризувати електроенергію при коефіцієнті навантаження до 65%. У такій системі розплавлена ​​сіль закачується з "холодного" бака при температурі 288 C і проходить через приймач, де нагрівається до 565 C, а потім повертається в гарячий бак . Тепер гарячу сіль у міру потреби можна використовувати для вироблення електрики. У сучасних моделях таких установок тепло зберігається протягом 3 – 13 годин.

Малюнок 50

Solar Two - баштова електростанція потужністю 10 МВт у Каліфорнії - це прототип великих промислових електростанцій. Вона вперше дала електрику у квітні 1996 р., що стало початком 3-річного періоду випробувань, оцінки та дослідного вироблення електроенергії для демонстрації технології розплавлених солей. Сонячне тепло зберігається в розплавленій солі при температурі 550 °C, завдяки чому станція може виробляти електрику вдень і вночі, у будь-яку погоду. Успішне завершення проекту Solar Two має сприяти будівництву таких веж на промисловій основі в межах потужності від 30 до 200 МВт.

Малюнок 52

Сопоставление технических характеристик

У таблиці 5 зведено ключові характеристики трьох варіантів сонячної теплової електрогенерації. Башти та параболоциліндричні концентратори оптимально працюють у складі великих, з'єднаних з мережею електростанцій потужністю 30-200 МВт, тоді як системи тарілчастого типу складаються з модулів і можуть використовуватися як в автономних установках, так і групами загальною потужністю в кілька мегават. Параболоциліндричні установки - на сьогоднішній день найбільш розвинута із сонячних енергетичних технологій і саме вони, ймовірно, будуть використовуватися в найближчій перспективі. Електростанції баштового типу завдяки своїй ефективній теплоакумулюючій здатності також можуть стати сонячними електростанціями недалекого майбутнього.

Модульний характер "тарелок" дозволяє використовувати їх у невеликих установках. Башти та "тарілки" дозволяють досягти більш високих значень ККД перетворення сонячної енергії в електричну за меншої вартості, ніж у параболічних концентраторів. Однак залишається незрозумілим, чи зможуть ці технології досягти необхідного зниження капітальних витрат. Параболічні концентратори нині - вже апробована технологія, яка чекає на свій шанс на вдосконалення. Баштові електростанції потребують демонстрації ефективності та експлуатаційної надійності технології розплавлених солей при використанні недорогих геліостатів. Для систем тарілчастого типу необхідно створення хоча б одного комерційного двигуна та розробка недорого концентратора.

Таблица 5. Характеристики сонячних теплових електростанцій (станом на 1993р.)

Параболічний концентратор "Тарілка" Електростанція баштового типу
Потужність 30-320 МВт 5-25 МВт 10-200 МВт
Робоча температура (C/F) 390/734 750/1382 565/1049
Коефіцієнт готовності 23-50 % 25 % 20-77 %
Піковий ККД 20%(d) 29.4%(d) 23%(p)
Практичний річний ККД 11(d)-16% 12-25%(p) 7(d)-20%
Промислове застосування Прототип, пропорційний промисловій установці У стадії демонстрації Існуючі демонстраційні проекти
Ризик, пов'язаний з розвитком технології Низький Високий Середній
Акумулювання тепла Обмежено Акумулятор Так
Гібридні системи Так Так Так
Вартість, долар/Вт 2,7-4,0 1,3-12,6 2,5-4,4

(p) = прогноз; (d) = факт;

Таблица 6. Порівняння основних сонячних теплових технологій

Параболічний концентратор "Тарілка" Електростанція баштового типу
Де застосовується З'єднані з мережею електростанції; технічне тепло для промислових процесів. Невеликі автономні енергоустановки; підтримка мережі З'єднані з мережею електростанції; технічне тепло для промислових процесів
Переваги Диспетчеризація пікового навантаження; накопичено 4500 ГВтч досвіду роботи на комерційному ринку; гібридна система (Сонячна енергія/викопне паливо). Диспетчеризація навантаження; високий коефіцієнт перетворення; модульність; гібридна система (Сонячна енергія/викопне паливо). Диспетчеризація базового навантаження; високий коефіцієнт перетворення; акумулювання тепла; гібридна система (Сонячна енергія/викопне паливо).
Малюнок 53

Деякі економічні та конструкторські проблеми теплових сонячних електростанцій

Вартість електрики, виробленої тепловими сонячними електростанціями, залежить від багатьох факторів. Серед них капітальні витрати, експлуатаційні витрати та витрати на технічне обслуговування, продуктивність системи. Однак важливо зауважити, що вартість технології та кінцева вартість виробленої електроенергії схильні до суттєвого впливу зовнішніх факторів, що не відносяться безпосередньо до даної технології.

Наприклад, параболічні концентратори та вежі у вигляді невеликих автономних установок можуть коштувати дуже дорого. Щоб знизити їхню вартість та зробити конкурентоспроможними по відношенню до сучасних електростанцій, що працюють на органічному паливі, необхідно поступово підвищувати їхню потужність та будувати сонячні енергоцентри, де на одному майданчику розміщуються кілька енергетичних об'єктів. До того ж, оскільки ці технології заміняють традиційні види палива, податкове регулювання може вплинути на їх конкурентоспроможність.

Малюнок 54

Вартість проти цінності

Завдяки акумулюванню тепла та гібридизації, теплові сонячні електростанції можуть стати стійким та гнучким джерелом електроенергії. Він надійний і здатний виробляти електроенергію тоді, коли вона потрібна. В результаті керована електроенергія має для комунального підприємства високу цінність, оскільки вона компенсує необхідність будувати та експлуатувати нові електростанції. Це означає, що, хоча сонячна теплова електростанція може коштувати дорожче традиційної, цінність її може бути вищою.

Переваги

Теплові сонячні електростанції створюють у два з половиною рази більше кваліфікованих, високооплачуваних робочих місць, ніж традиційні електростанції, де спалюється органічне паливо. Енергетична комісія штату Каліфорнія провела дослідження, яке показало, що навіть за існуючих податкових знижок за сонячну теплову електростанцію потрібно сплачувати приблизно в 1,7 разів більше податків до федерального та місцевого бюджету, ніж за парогазову станцію еквівалентної потужності. Якби за ці електростанції сплачували однакові податки, вартість виробленої ними електрики була приблизно однаковою.

Потенціал

Якби лише 1% земних пустель використовувався під виробництво екологічно чистої сонячної теплової електроенергії, її було б отримано більше, ніж виробляється сьогодні за рахунок спалювання викопного палива в усьому світі.

Майбутнє

До 2003 року у США та інших країнах світу має бути розгорнуто виробництво теплової сонячної електрики загальною потужністю понад 700 мегават. Ринок споживання цих систем до 2010 р. має перевищити 5000 мегават, а це достатньо, щоб забезпечити побутові потреби 7 мільйонів людей і може заощадити кількість енергії, еквівалентну 46 млн барелів нафти на рік.

Висновки

Технології отримання сонячної теплової електроенергії, що ґрунтуються на концентрації сонячного світла, знаходяться на різних етапах розробки. Параболічні концентратори вже сьогодні застосовують у промисловому масштабі: у пустелі Мохаве (штат Каліфорнія) потужність установки становить 354 МВт. Сонячні електростанції баштового типу проходять фазу демонстраційних проектів. Пілотний проект під назвою "Solar Two" потужністю 10 МВт проходить випробування у м. Барстоу (США). Системи тарілчастого типу проходять стадію демонстраційних проектів. Декілька проектів знаходяться в конструкторській розробці. У м. Голден (США) працює 25-кіловатна станція-прототип. Сонячні теплові електростанції відрізняє ряд особливостей, які роблять їх вельми привабливими технологіями на світовому ринку, що розширюється, відновлюваної енергії.

Теплові сонячні електростанції за останні кілька десятиліть подолали важкий шлях. Продовження проектно-конструкторських робіт має зробити ці системи конкурентоспроможнішими порівняно з використанням викопного палива, збільшити їх надійність і створити серйозну альтернативу в умовах попиту на електроенергію.

Сонячні ставки

Ані фокусуючі дзеркала, ані сонячні фотоелементи не можуть виробляти енергію в нічний час. Для цього сонячну енергію, накопичену вдень, потрібно зберігати в теплоакумулюючих баках. Цей процес природним чином відбувається у так званих сонячних ставках.

Сонячні ставки мають високу концентрацію солі у придонних шарах води, неконвективний середній шар води, в якому концентрація солі зростає з глибиною та конвекційний шар із низькою концентрацією солі - на поверхні. Сонячне світло падає на поверхню ставка, і тепло утримується в нижніх шарах води завдяки високій концентрації солі. Вода високої солоності, нагріта поглиненою дном ставка сонячною енергією, не може піднятися через свою високу щільність.

Вона залишається біля дна ставка, поступово нагріваючись, поки майже не закипає (тоді як верхні шари води залишаються відносно холодними). Гарячий придонний розсіл використовується вдень або вночі як джерело тепла, завдяки якому особлива турбіна з органічним теплоносієм може виробляти електрику. Середній шар сонячного ставка виступає як теплоізоляція, перешкоджаючи конвекції і втрат тепла з дна на поверхню. Різниця температур на дні та на поверхні води ставка достатня для того, щоб привести в дію генератор. Теплоносій, пропущений трубами через нижній шар води, подається далі в замкнуту систему Ренкина, в якій обертається турбіна для виробництва електрики.

Малюнок 55
  1. Висока концентрація солі.
  2. Середній шар.
  3. Низька концентрація солі.
  4. Холодна вода "в" та гаряча вода "з".

Цей тип електростанції випробуваний у Бейт Ха'Арава (Ізраїль) біля Мертвого моря. Ізраїль є світовим лідером у сфері використання солоних сонячних ставків. Компанія "Ormat Systems Inc." встановила кілька таких систем у акваторії Мертвого моря.

Найбільша їх має потужність 5 МВт. Ставок площею 20 га перетворює сонячне світло на електрику при ККД близько 1%. Нижні шари води у ставку мають дуже високу щільність. Хоча сонячний став успішно працював протягом кількох років, в 1989 р. його довелося закрити з економічних міркувань. Найбільшим у США є сонячний ставок площею 0,3 га в Ель Пасо (штат Техас). Він пропрацював без зупинки з моменту свого відкриття у 1986 році.

Він приводить у дію 70-кіловатний турбогенератор Ренкіна та опріснювальну установку об'ємом 20 000 літрів на день, а також постачає технічне тепло на сусідній харчовий комбінат. Температура води в ставку може досягти і утримуватися на рівні вище 90 ° C в теплоакумулюючій зоні. Під час пікової потужності ця установка здатна виробляти понад 100 кВт·год електроенергії на годину, а об'єм опрісненої питної води становить понад 350 000 літрів на добу. За п'ять років роботи установка виробила понад 50 000 кВт·г електроенергії. Штучний солоний сонячний став споруджений у Майамісбурзі (штат Огайо, США). Він використовується для обігріву міського плавального басейну та будинку відпочинку.

Малюнок 56

7. Фотоелектричні елементи

Пристрої для прямого перетворення світлової або сонячної енергії на електроенергію називаються фотоелементами (англійською Photovoltaics, від грецького photos - світло і назви одиниці електрорушійної сили - вольт). Перетворення сонячного світла на електрику відбувається у фотоелементах, виготовлених із напівпровідникового матеріалу, наприклад, кремнію, які під впливом сонячного світла виробляють електричний струм. З'єднуючи фотоелементи в модулі, а ті, своєю чергою, один з одним, можна будувати великі фотоелектричні станції. Найбільша така станція на сьогоднішній день - це 5-мегаватна установка Карріса Плейн в американському штаті Каліфорнія. ККД фотоелектричних установок нині становить близько 10%, однак окремі фотоелементи можуть досягати ефективності 20% і більше.

Історія фотоелементів

Історія фотоелементів бере початок у 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект. Після цього відбулися подальші відкриття:

  • У 1883 р. електрик з Нью-Йорка Чарльз Фріттс виготовив фотоелементи з селену, які перетворюють світло у видимому спектрі на електрику і мають ККД 1-2%. (світлочутливі елементи для фотоапаратів досі роблять із селену).
  • На початку 50-х років ХХ століття було винайдено метод Чохральського, який застосовується для вирощування кристалічного кремнію.
  • У 1954 р. в лабораторії компанії Bell Telephone синтезували силіконовий фотоелектричний елемент з ККД 4%, надалі ефективність досягла 11%.
  • У 1958 р. невеликі (менше 1 ват) фотоелектричні батареї живили радіопередавач американського космічного супутника "Авангард". Взагалі космічні дослідження відіграли важливу роль у розвитку фотоелементів.
  • Під час нафтової кризи 1973-74 р.р. одразу кілька країн запустили програми з використання фотоелементів, що призвело до встановлення та випробування понад 3100 фотоелектричних систем лише у Сполучених Штатах. Багато хто з них досі перебуває в експлуатації.
Малюнок 57

Ринок фотоелементів

Малюнок 58

Сучасний стан ринку фотоелементів характеризується досить стабільним зростанням близько 20% на рік, проте обсяги виробництва фотоелементів залишаються досить низькими. Виробництво модулів у всьому світі в 1998 р. склало близько 125 МВт, у той час як ціна впала з 50 доларів за 1 ват в 1976 р. до 5 доларів за 1 ват в 1999 р. Тим не менш, кіловат-година електрики, виробленої фотоелектричною системою, все ще дорожче традиційної електроенергії в 3-10 разів (залежно від конкретного місцезнаходження та виду системи). Таким чином, ринок фотоелементів поки що займає невелику нішу у світовій економіці. Але він продовжує стабільно зростати в тих сегментах ринку, де фотоелементи конкурентоспроможні, наприклад, в автономних системах, віддалених від електромережі.

У багатьох регіонах світу прогрес дуже відчутний. Уряд Японії вкладає 250 млн. доларів на рік у збільшення виробничої потужності з 40 МВт (1997 р.) до 190 МВт (2000 р.). Європейські країни проводять власні програми, стимулом до чого є потреба в енергетичній незалежності та екологічні міркування. Ці програми у поєднанні з екологічними проблемами, такими як зміна клімату, здатні значно прискорити розвиток цієї галузі. Компанія "Shell Solar" побудувала в Німеччині найбільший завод з виробництва фотоелементів з річним обсягом виробництва 10 МВт, який планується довести до 25 МВт. Вартість будівництва заводу - 50 млн німецьких марок.

Застосування фотоелементів

Малюнок 59

Сонячні фотоелементи є цілком реальною технічно та економічно вигідною альтернативою викопному паливу в ряді застосувань. Сонячний елемент може безпосередньо перетворювати сонячне випромінювання на електрику без застосування будь-яких рухомих механізмів. Завдяки цьому термін служби сонячних генераторів досить тривалий. Фотоелектричні системи добре зарекомендували себе від початку промислового застосування фотоелементів.

Наприклад, фотоелементи є основним джерелом живлення для супутників на навколоземній орбіті з 1960-х років. У віддалених районах фотоелементи обслуговують автономні енергоустановки з 1970-х. У 1980-х роках виробники серійних споживчих товарів почали вбудовувати фотоелементи в багато пристроїв: від годинника і калькулятора до музичної апаратури. У 1990-х підприємствах енергопостачання почали застосовувати фотоелементи для забезпечення дрібних потреб користувачів.

Малюнок 60 Малюнок 61 Малюнок 62

Фотоелектричні установки качають воду, забезпечують нічне освітлення, заряджають акумулятори, подають електрику у загальну енергосистему тощо. Вони працюють у будь-яку погоду. За мінливої хмарності вони досягають 80% своєї потенційної продуктивності; у туманну погоду – близько 50%, і навіть при суцільній хмарності вони виробляють до 30% енергії.

Нині можна знайти не тільки фотоелектричні панелі. Різні фірми пропонують фотоелементи у вигляді легких, еластичних та міцних покрівельних плит, а також стін-перегородок, що не несуть, для фасадних робіт. Ці новинки роблять фотоелементи економічно привабливішими при включенні їх до складу будівельних матеріалів. У віддалених районах фотоелектричні установки є найбільш рентабельним, надійним та довговічним джерелом енергії.

У деяких регіонах фотоелементи підвищують конкурентоспроможність систем, підключених до електромережі. Однак головне - що і у віддалених, і в приєднаних до електромереж місцевостях фотоелектричні системи виробляють чисту енергію, отримання якої не супроводжується забрудненням навколишнього середовища, на відміну від звичних електростанцій.

Малюнок 63

Насосні установки, що працюють на сонячних фотоелементах, ефективні та економічно вигідні за умов практично будь-якого застосування водних насосів. Енергетичні компанії США виявили, що економічніше використовувати водяні насоси на сонячній батареї, ніж обслуговувати розподільні електричні лінії, що ведуть до віддалених насосів. Деякі комунальні підприємства пропонують насосні установки на фотоелементах до виконання заявок клієнтів.

У сільських районах знаходиться й інше застосування фотоелектричних систем - заряджання та освітлення електричних огорож; забезпечення циркуляції води, вентиляції, світла та кондиціювання повітря в теплицях та гідропонних спорудах.

Малюнок 64

Фотоелектричні модулі постачали електрикою повітряну кулю "Breitling Orbiter 3" під час її безпосадкового польоту навколо земної кулі. Протягом трьох тижнів у березні 1999 р. все обладнання на борту повітряної кулі харчувалося від 20 модулів підвішених під кошиком. Кожен модуль був нахилений так, щоб давати рівномірний струм під час руху та заряджати п'ять акумуляторів для навігаційних приладів, живити систему супутникового зв'язку, забезпечувати освітлення та нагрівання води. Усі модулі чудово працювали протягом усієї подорожі.

Фотоелементи успішно застосовуються для електрифікації сіл. Нині два мільярди людей у всьому світі живуть без електрики. Більшість із них - у країнах, де 75% населення немає доступу до електроенергії. Віддалені села часто не підключені до мережі. Досвід показує, що фотоелементи є економічно вигідним джерелом електрики для основних потреб, таких як:

  • освітлення;
  • водозабір;
  • засоби зв'язку;
  • медичні установи;
  • місцевий бізнес.

Ті, хто не має доступу до електроенергії з мережі, часто користуються викопними видами палива - гасом, дизельним паливом. З його використанням пов'язана низка проблем:

  • Імпорт викопного палива виснажує запас валюти, що конвертується в країні.
  • Транспортування палива ускладнюється відсутністю нормальної інфраструктури.
  • Обслуговування та ремонт генератора проблематичний через брак запасних частин.
  • Генератор забруднює навколишнє середовище вихлопами та створює сильний шум.

Електричне освітлення за допомогою фотоелементів ефективніше, ніж гасові лампи, а встановлення фотоелектричної системи зазвичай коштує дешевше, ніж продовження електромережі. Більш того, багато країн, що розвиваються, розташовані в регіонах з високим рівнем сонячної радіації, тобто вдосталь мають безкоштовне джерело енергії цілий рік. Виробництво "сонячної електрики" просто та надійно, що доводить досвід експлуатації десятків тисяч фотоелектричних систем у всьому світі.

Малюнок 65

Найближчими десятиліттями значна частина світового населення познайомиться з фотоелектричними системами. Завдяки їм зникне традиційна необхідність спорудження великих дорогих електростанцій та розподільчих систем. У міру того, як вартість фотоелементів знижуватиметься, а технологія удосконалюватиметься, відкриється кілька потенційно величезних ринків фотоелементів. Наприклад, фотоелементи, вбудовані в будматеріали, здійснюватимуть вентиляцію та освітлення будинків. Споживчі товари - від ручного інструменту до автомобілів - виграють як використання компонентів, що містять фотоелектричні компоненти. Комунальні підприємства також зможуть знаходити нові способи застосування фотоелементів для задоволення потреб населення.

Малюнок 66

Європейський Союз поставив за мету подвоїти частку відновлюваних джерел енергії до 2010 р. Одним із важливих компонентів є виробництво 1 млн фотоелектричних систем (500000 вбудованих у дахи будівель та експорт 500000 сільських систем) загальною встановленою потужністю 1 ГВт. Фірма "BP Amoco" (один зі світових лідерів з продажу нафтопродуктів) збирається використовувати сонячну енергію на 200 своїх нових станціях обслуговування в Британії, Австралії, Німеччині, Австрії, Швейцарії, Нідерландах, Японії, Португалії, Іспанії, Франції та США.

Програма вартістю 50 млн доларів включає застосування 400 сонячних панелей, загальною потужністю 3,5 МВт і зниження викидів вуглекислого газу на 3500 тонн щорічно. Завдяки цьому проекту "BP Amoco" стане одним із найбільших у світі споживачів сонячної електрики, а також одним із найбільших виробників сонячних елементів та модулів. Сонячні панелі будуть виробляти більше електрики, ніж потрібно для освітлення та водяних насосів, тому система буде підключена до мережі. Вдень надлишок електроенергії подаватиметься в мережу, а вночі з неї поповнюватиметься брак енергії. Світовий ринок фотоелементів до 2010 року має становити 1000 МВт, а до 2050 р. - 5 млн МВт, якщо вірити прогнозу президента компанії "BP Solar".

Малюнок 67 Малюнок 68

Технологія

Сонячні фотоелектричні системи прості в обігу і не мають механізмів, що рухаються, проте самі фотоелементи містять складні напівпровідникові пристрої, аналогічні використовуваним для виробництва інтегральних схем. У основі дії фотоелементів лежить фізичний принцип, у якому електричний струм виникає під впливом світла між двома напівпровідниками з різними електричними властивостями, які у контакті друг з одним. Сукупність таких елементів утворює фотоелектричну панель або модуль.

Фотоелектричні модулі завдяки своїм електричним властивостям виробляють постійний, а не змінний струм. Він використовується у багатьох простих пристроях, що живляться від батарей. Змінний струм, навпаки, змінює свій напрямок через регулярні проміжки часу. Саме цей тип електрики постачають енерговиробники, він використовується для більшості сучасних приладів та електронних пристроїв. У найпростіших системах постійний струм фотоелектричних модулів використовується безпосередньо. Там, де потрібен змінний струм, до системи необхідно додати інвертор, який перетворює постійний струм на змінний.

Малюнок 69

Фотоелементи

Сучасне виробництво фотоелементів практично повністю засноване на кремнії. Близько 80% всіх модулів виробляється з використанням полі-або монокристалічного кремнію, а решта 20% використовують аморфний кремній. Кристалічні фотоелементи - найпоширеніші, зазвичай мають синій колір з відблиском. Аморфні, або некристалічні – гладкі на вигляд і змінюють колір залежно від кута зору. Монокристалічний кремній має найкращу ефективність (близько 14%), але він дорожчий, ніж полікристалічний, ефективність якого в середньому становить 11%. Аморфний кремній широко застосовується в невеликих приладах, таких як годинник і калькулятор, але його ефективність і довгострокова стабільність значно нижчі, тому він рідко застосовується в силових установках.

У дослідній розробці є кілька типів альтернативних тонкоплівкових фотоелементів, які в майбутньому можуть завоювати ринок. Найбільш налагодженими з досліджуваних нині тонкоплівкових систем є фотоелементи з наступних матеріалів:

  • аморфний кремній (a-Si: H);
  • телурид/сульфід кадмію (CTS);
  • мідно-індійний або мідно-галлієвий диселенід (CIS or CIGS), тонкоплівковий кристалічний кремній (c-Si film);
  • нанокристалічні сенсибілізовані барвником електрохімічні фотоелементи (nc-dye).
Малюнок 70

Фотоелемент є "сендвіч" з кремнію - другого за поширеністю на Землі речовини. Дев'яносто дев'ять відсотків сучасних сонячних елементів виготовляють із кремнію (Si), інші ж побудовані тому ж принципі, як і кремнієві сонячні елементи. На один шар кремнію наноситься певна речовина, завдяки якій утворюється надлишок електронів. Виходить негативно заряджений ("N") шар.

На іншому шарі створюється нестача електронів, він стає позитивно зарядженим ("P"). Зібрані разом із провідниками, ці дві поверхні утворюють світлочутливий електронно-дірковий перехід. Він називається напівпровідником, оскільки, на відміну електропроводу, проводить струм лише у напрямі - від негативного до позитивного. При дії сонця чи іншого інтенсивного джерела світла виникає постійний струм напругою приблизно 0,5 Вольт. Сила струму (ампер) пропорційна світловій енергії (кількості фотонів). У будь-якій фотоелектричній системі напруга майже постійно, а струм пропорційний розміру фотоелементів та інтенсивності світла.

Фотоелементи виготовляються із надчистого кремнію, змішаного в точній пропорції з іншими речовинами. Надчиста кремнієва підкладка, з якої роблять фотоелементи, коштує дуже дорого. Кількість надчистого кремнію, необхідного для виготовлення одного фотоелектричного модуля потужністю 50 Вт, була б достатньо для інтегральних схем приблизно двох тисяч комп'ютерів. Крім того, у фотоелементах присутні алюміній, скло та пластмаса - недорогі та багаторазово використовувані матеріали.

Виробництво фотоелементів Малюнок 71

Сонячні модулі

Сонячний модуль – це батарея взаємозалежних сонячних елементів, укладених під скляною кришкою. Чим інтенсивніше світло, що падає на фотоелементи і чим більше їх площа, тим більше виробляється електрики і тим більше сила струму. Модулі класифікуються за піковою потужністю у ВАТ (Втп).

Ватт - одиниця виміру потужності. Один піковий ват - технічна характеристика, що свідчить про значення потужності установки у певних умов, тобто. коли сонячне випромінювання в 1 кВт/м2 падає на елемент за температури 25 проC. Така інтенсивність досягається за хороших погодних умов і Сонця в зеніті. Щоб виробити один піковий ват, потрібен один елемент розміром 10 x 10 см. Більші модулі, площею 1 м x 40 см, виробляють близько 40-50 Втп.

Однак сонячна освітленість рідко досягає величини 1 кВт/м 2 . Більше того, на сонці модуль нагрівається значно вище за номінальну температуру. Обидва ці чинники знижують продуктивність модуля. У типових умовах середня продуктивність складає близько 6 Вт · год на день і 2000 Вт · год на рік на 1 Вт п. 5 ват-година - це кількість енергії, що споживається 50-ватною лампочкою протягом 6 хвилин (50 Вт x 0,1 год = 5 Вт·ч) або портативним радіоприймачем протягом години (5 Вт x 1 г = 5 Вт·г).

Малюнок 72

Хоча якість продукції не завжди однакова, більшість міжнародних компаній виробляють досить надійні фотоелектричні модулі з терміном експлуатації до 20 років. На сьогоднішній день виробники модулів гарантують вказану потужність на період до 10 років. Вирішальним критерієм для порівняння різних типів модулів є ціна 1 ват пікової потужності. Іншими словами, можна отримати більше електроенергії за ті ж гроші, використовуючи модуль ціною 569 доларів з піковою потужністю 120 Втп (4,74 долара за 1 Втп), ніж за допомогою "дешевого" модуля потужністю 90 Вт п, який коштує 489 доларів (5,43 долара за 1 Втп). Номінальний ККД менш важливий під час виборів системи.

Малюнок 73

Переваги

Висока надійність

Фотоелементи розроблялися для використання в космосі, де ремонт занадто дорогий або взагалі неможливий. Досі фотоелементи є джерелом живлення практично для всіх супутників на земній орбіті, тому що вони працюють без поломок та майже не потребують технічного обслуговування.

Низькі поточні витрати

Фотоелементи працюють на безкоштовному паливі – сонячній енергії. Завдяки відсутності рухомих частин, вони не вимагають особливого догляду. Рентабельні фотоелектричні системи є ідеальним джерелом електроенергії для станцій зв'язку в горах, навігаційних бакенів у морі та інших споживачів, розташованих далеко від ліній електропередач.

Екологічність

Оскільки при використанні фотоелектричних систем не спалюється паливо і немає частин, що рухаються, вони є безшумними і чистими. Ця їх особливість надзвичайно корисна там, де єдиною альтернативою для отримання світла та електроживлення є дизель-генератори та гасові лампи.

Модульність

Фотоелектричну систему можна довести до будь-якого розміру. Власник такої системи може збільшити або зменшити її, якщо зміниться потреба в електроенергії. У міру зростання енергоспоживання та фінансових можливостей, домовласник може кожні кілька років додавати модулі. Фермери можуть забезпечувати худобу питною водою за допомогою пересувних насосних систем.

Низькі витрати на будівництво

Розміщують фотоелектричні системи зазвичай близько до споживача, а отже, лінії електропередач не потрібно тягнути на далекі відстані, як у разі підключення до ліній електропередач. Крім того, не потрібен знижувальний трансформатор. Менше дротів означає низькі витрати та більш короткий період встановлення.

Скільки коштує електроенергія, вироблена фотоелектричною системою?

На це немає однозначної відповіді. Багато малі фотоелектричні системи, що живлять кілька лампочок і телевізор, набагато дешевше, ніж альтернатива - продовження лінії електропередач, заміна та утилізація одноразових батарей або застосування дизель-генератора. Вартість електрики, виробленого на великих установках, здатних забезпечити електроживленням житловий будинок, виражається у вартості одного кВт·год. Вона залежить від первісної вартості системи, умов позики (для виплати первісної вартості), витрат на експлуатацію системи, її очікуваного терміну експлуатації та загальної ефективності. При типових відсоткові ставки на позики і середньому терміні експлуатації вартість сонячної електрики США 1998 р. становила від 20 до 50 центів за кВт·г.

Скільки місця займає фотоелектрична система?

Малюнок 74

Найбільш поширені модулі (з кристалічного кремнію) виробляють 100-120 ватів на квадратний метр (Вт/м2). Таким чином, модуль площею один квадратний метр виробляє достатньо електрики, щоб живити одну 100-ватну лампочку. Якщо ж говорити про промислові масштаби, фотоелектрична станція, що займає квадратну ділянку землі зі стороною близько 160 км, могла б забезпечити електрикою всі Сполучені Штати. Найкращим рішенням, однак, є розташування фотоелектричних модулів на дахах будівель або вбудовування їх у фасадні стіни. Це більш дешевий варіант, тому що при цьому економляться будівельні матеріали.

Прості фотоелектричні системи

Малюнок 75

За допомогою фотоелектричних систем можна здійснювати накачування води та вентиляцію. Фотоелектричні модулі виробляють найбільшу кількість енергії у ясні, сонячні дні. Прості фотоелектричні системи відразу ж використовують постійний струм для роботи насоса або вентилятора. Такі системи мають переваги для вирішення простих завдань. Енергія виробляється там і тоді, коли вона необхідна, тому прокладання проводів, акумулювання та системи контролю не потрібні. Невеликі – до 500 ват – системи важать менше 70 кг, так що їх легко перевозити та монтувати. Установка займає лише кілька годин. І хоча насосам і вентиляторам потрібне технічне обслуговування, самі фотоелектричні модулі потребують лише рідкісного огляду та чищення.

Сонячні насоси

Фотоелектричні насосні установки є довгоочікуваною альтернативою дизельним генераторам та ручним насосам. Вони качають воду саме тоді, коли вона особливо потрібна – у ясний сонячний день. Сонячні насоси легко встановлювати та експлуатувати. Невеликий насос може встановити одна людина за пару годин, причому ні досвід, ні спеціальне обладнання для цього не потрібні.

Малюнок 76

Серед переваг сонячних насосів:

  • мінімальне технічне обслуговування та ремонт;
  • легкість встановлення;
  • надійність;
  • можливість модульного нарощування системи.

Використання сонячної енергії фундаментально відрізняється від традиційних електричних і паливних систем. Тому сонячні насоси також відрізняються від звичайних. Вони працюють на постійному струмі. Кількість енергії залежить від інтенсивності випромінювання Сонця. Оскільки дешевше зберігати воду (в баках), ніж енергію (акумулятори), сонячні насоси відрізняються низькою продуктивністю, повільно качаючи воду протягом усього світлового дня.

Використання простих ефективних систем – ключовий фактор використання Сонця для підйому води. Для цього застосовуються спеціальні малопотужні насоси постійного струму без акумуляторів і без перетворювачів струму. Сучасні двигуни постійного струму добре працюють при змінній потужності та швидкості. Вони потребують невеликого ремонту (заміни зношених частин) не раніше, ніж через 5 років після їх встановлення. Більшість сонячних насосів, що застосовуються для малих споживачів (житлові будинки, дрібна іригація, вміст худоби) - це поршневі насоси. Вони відрізняються від більш швидких відцентрових насосів (в т.ч. струменевих та занурювальних).

Насоси поділяються на поршневі, діафрагмові, ротаційні та важільні. Вони найкраще пристосовані до робіт малого обсягу, особливо коли потрібні змінні робочі швидкості. У системах більшого обсягу застосовуються відцентрові, струменеві та турбонасоси. Електронні узгоджувальні пристрої дозволяють сонячним насосам вмикатися та працювати в умовах низького освітлення. Це дозволяє використовувати енергію сонця безпосередньо без акумуляторних батарей.

Може застосовуватися пристрій стеження за Сонцем, за допомогою якого панелі залишаються націленими на Сонце протягом усього дня, від сходу до заходу сонця, що дозволяє продовжити придатний для експлуатації світловий день. В акумуляторних баках зазвичай зберігається запас води на 3-10 днів у разі хмарної погоди. Сонячні насоси використовують невелику кількість електрики. Щоб збільшити обсяг одержуваної води, використовується ефективніший насос і триваліший світловий день, а не більше електроенергії або збільшена швидкість.

Там, де фотоелектричні насоси вступили у змагання з дизельними, їхня відносно висока первісна вартість компенсується економією палива та зниженням витрат на техобслуговування. Дослідження економічної ефективності фотоелектричних насосних установок підтверджують, що вони виявляються економічно більш вигідними, ніж дизельні насоси - залежно від конкретних умов.

Фотоелектричні системи з акумулятором

Прості рішення мають певні вади. Найголовніший з них - це той, що фотоелектричний насос або кондиціонер повітря можуть працювати тільки вдень і при світлі Сонця. Для компенсації цього недоліку до системи приєднують акумулятор. Він заряджається від сонячного генератора, запасає енергію та робить її доступною у будь-який час. Навіть у найнесприятливіших умовах і у віддалених пунктах фотоелектрична енергія, що зберігається в акумуляторах, може мати необхідне обладнання. Завдяки акумулюванню електроенергії фотоелектричні системи є надійним джерелом електроживлення вдень і вночі, в будь-яку погоду. Фотоелектричні системи, оснащені акумулятором, у всьому світі живлять освітлювальні прилади, сенсори, обладнання для звукозапису, побутові прилади, телефони, телевізори та електроінструменти.

Сонячний модуль виробляє постійний струм, зазвичай з напругою 12 В. Є безліч електроприладів - ламп, телевізорів, холодильників, вентиляторів, інструментів і т.д., які працюють від постійного струму в 12 В. Однак більшість побутових електроприладів все ж таки споживають 110 або 220 У змінного струму. Фотоелектричні системи з акумулятором можна пристосувати для живлення постійного або змінного струму. Бажаючі користуватися звичайними приладами змінного струму повинні додати до системи між акумулятором і навантаженням блок регулювання потужності - так званий інвертор. Хоча в процесі перетворення постійного струму змінну деяку кількість енергії втрачається, завдяки інвертору фотоелектрична енергія може використовуватися нарівні зі звичним комунальним енергопостачанням (живити побутову техніку, освітлювальні прилади або комп'ютери).

Система влаштована так: фотоелектричний модуль з'єднаний з акумулятором, а той у свою чергу з навантаженням. У денний час фотоелектричні модулі заряджають акумулятор. Енергія при необхідності надходить на навантаження. За допомогою простого контролера заряду акумулятор заряджається належним чином. При цьому продовжується термін його життя, забезпечується захист від навантаження та повної розрядки. Акумулятор здатний розширити сферу застосування фотоелектричної панелі, але потребує певного обслуговування. Акумулятори фотоелектричних систем нагадують автомобільні. Як і автомобільні акумулятори, вони вимагають обережності у користуванні та зберіганні. Потрібно періодично перевіряти рівень рідини в негерметичних акумуляторах, до того ж, їх необхідно захищати від низьких температур.

Сонячний генератор з акумулятором постачає користувачеві електрику тоді, коли вона необхідна. Кількість накопиченої електроенергії залежить від потужності фотоелектричних модулів та від типу акумулятора. Розширення модуля або додавання акумуляторів збільшує вартість системи, тому для визначення оптимального розміру потрібно ретельно вивчити енергоспоживання. Добре спроектована система визначає оптимальний баланс вартості та зручності при задоволенні потреби користувача в електриці, а також можливість розширення системи.

Проектування домашньої фотоелектричної системи з акумулятором

Сонячна система з акумуляторами може мати багато приладів за умови, що їхнє енергоспоживання не перевищує потужності генератора. Тому необхідно правильно визначити потужність системи. Перший крок у напрямі - складання специфікації, тобто. технічний опис системи.

Малюнок 77

Розрахунок енергоспоживання

При проектуванні домашньої фотоелектричної системи спочатку потрібно скласти список всіх електроприладів у будинку, з'ясувати їхню потужність і внести в список.

Малюнок 78

У таблиці нижче (Таблиця 7) представлені дані для довідки дані про середню споживану потужність деяких приладів. Однак необхідно пам'ятати, що це лише приблизні оцінки. Щоб розрахувати споживану потужність (E) системи з інвертором (для приладів змінного струму) потрібно внести поправку (помножити середнє споживання на коефіцієнт C, щоб отримати загальну потужність).

Таблица 7. Дані про середню споживану потужність деяких приладів.

Прилад Потужність, Вт C Загальна потреба у електроенергії, Вт
Флуоресцентні лампи 18 1,5 27
Радіо/магнітофон, 6В 2/8 2,0 4/16
Радіоприймач/магнітофон, 12В 8/12 1,0 8/12
Невеликий ч/б телевізор 18 1,0 18

Для роботи інших електроприладів – холодильника, праски, вентилятора, електроплитки тощо. - знадобиться система більшого розміру та дорожче. Оскільки ці системи підпорядковуються єдиним стандартам, а залежить від конкретних потреб споживача, розрахунок має виконуватися фахівцем.

По-друге, слід оцінити, скільки часу протягом дня використовуються ті чи інші електроприлади. Наприклад, лампочка у вітальні горить 10 годин на добу, а в коморі - лише 10 хвилин. Запишіть ці дані до другої колонки в наступній таблиці 8. Потім складіть третю колонку, в яку впишіть щоденну потребу в енергії. Щоб її визначити, потрібно помножити потужність приладу на час роботи, наприклад: 27 Вт x 4 години = 108 Вт·ч. Запишіть отримане число в третю колонку - це і є загальне енергоспоживання в день.

Таблица 8

ПРИЛАД Потужність, Вт Кількість годин роботи в день Енергоспоживання на день, Вт·ч
Флуор. лампа 27 4 108
Флуор. лампа 27 1 27
Флуор. лампа 27 0,5 13,5
Радіоприймач 6В 4 10 40
Телевізор 15 2 30
Вентилятор 12 3 36
Усього 254

Далі необхідно визначити кількість сонячної енергії, яку можна розраховувати у цій місцевості. Ці дані можна отримати у місцевого постачальника сонячних батарей або на гідрометеостанції. Важливо враховувати два фактори: середньорічну сонячну радіацію, а також її середньомісячні значення за найгірших погодних умов (див. загальні відомості у розділі "Сонячна радіація").

За допомогою першого значення фотоелектричну систему можна відрегулювати відповідно до середньорічної сонячної радіації, тобто деякі місяці буде більше енергії, ніж потрібно, а в інші - менше. Якщо ви керуєтеся другою цифрою, у вас завжди буде, як мінімум, достатньо енергії для задоволення ваших потреб, окрім хіба що надзвичайно тривалих періодів поганої погоди.

Тепер можна порахувати номінальну потужність фотоелектричного модуля. Помножте значення енергоспоживання (Вт·год на день) на коефіцієнт 1,7 для поправки на втрати енергії в системі, потім розділіть на величину сонячної радіації (Вт·ч на день), напр., 280 (Вт·ч/день) x 1 ,7 / 5 (Вт · год / день) = 96,2 Вт. На жаль, вибір номінальної потужності фотоелектричних модулів обмежений. Використовуючи 50-ватні модулі, можна збудувати генератор потужністю 50 Вт, 100 Вт, 150 Вт і т.д. Якщо потреба в енергії становить 95 Вт, найкраще відповідає системі з двох модулів. Якщо ж загальна потужність модулів сильно відрізняється від вашої розрахункової величини, доведеться користуватися або недостатньо потужним або занадто потужним генератором. У першому випадку фотобатарея не зможе задовольнити загальну потребу енергії. Вам вирішувати, чи влаштує вас часткове забезпечення ваших потреб. У другому випадку ви матимете надлишок електроенергії.

Визначення розміру батареї залежить від потреби в енергії та кількості фотоелектричних модулів. У наведеному прикладі мінімальна ємність батареї становитиме 60 ампер-год (А·год), а оптимальна - 100 А·год. Така батарея може зберігати 1200 Вт·год при 12 В. Цього достатньо для електропостачання в описаному вище випадку, коли добове споживання енергії становить 280 Вт·ч.

Малюнок 79

Постійна напруга

У минулому майже у всіх фотоелектричних системах використовувалася постійна напруга 12 В. Широко застосовувалися прилади на 12 В, що живилися прямо від батареї. Тепер з появою ефективних і надійних інверторів все частіше в акумуляторах використовується напруга 24 В. В даний час напруга електричної системи визначається денним надходженням енергії протягом дня. Системи, що виробляють і споживають менше 2000 Вт · год на день, найкраще поєднуються з напругою в 12 В. Системи, що виробляють 2000 - 6000 Вт · год на день, зазвичай використовують напругу 24 В. Системи, що виробляють більше 6000 Вт · год день, використовують 48 ст.

Напруга в мережі - це дуже важливий фактор, який впливає на параметри інвертора, засобів керування, зарядного пристрою та електропроводки. Якось купивши всі ці компоненти, їх важко замінити. Деякі компоненти системи, наприклад, фотомодулі, можна переключити з 12 на більш високу напругу, інші - інвертор, проводка і засоби контролю - призначені для певної напруги і можуть працювати тільки в його рамках.

Акумулятор

В акумуляторі накопичується енергія, вироблена сонячним модулем. Як компонент домашньої сонячної енергетичної установки, акумулятор виконує три завдання:

  • Покриває пікове навантаження, яке не можуть покрити самі фотоелектричні модулі (резервний запас).
  • Надає енергію вночі (короткочасне зберігання).
  • Компенсує періоди поганої погоди або надто високого енергоспоживання (середньострокове зберігання).

Найчастіше використовуються автомобільні акумулятори, доступні за ціною та наявні в усьому світі. Проте вони призначені передачі великого струму протягом короткого проміжку часу. Вони погано витримують тривалі цикли заряджання, типові для сонячних систем. Промисловість випускає т.зв. сонячні акумулятори, які відповідають цим вимогам. Їхня головна особливість - низька чутливість до роботи в циклічному режимі.

На жаль, лише в небагатьох країнах виробляються такі батареї, а імпортні коштують надто дорого через вартість перевезення та митні збори. У такій ситуації можна використовувати потужні акумулятори для вантажівок - це доступніший варіант, хоча й міняти їх доведеться частіше.

Для великої фотоелектричної системи ємності одного акумулятора може бути недостатньо. Тоді можна паралельно підключити кілька акумуляторів, з'єднавши всі позитивні та всі негативні полюси між собою. Для підключення потрібно використовувати товстий мідний дріт, бажано не довший за 30 см. При зарядці акумулятор виділяє потенційно вибухонебезпечні гази. Тому слід остерігатися відкритого вогню. Однак виділення газів незначне, особливо якщо використовується регулятор заряду; так що ризик не перевищує звичайного, пов'язаного з використанням акумулятора в машині. І все ж таки акумулятори потребують гарної вентиляції. Тому не варто накривати їх та ховати у ящики.

Місткість акумулятора вказується в ампер-годиннику. Наприклад, акумулятор на 100 А·год і 12 В може зберігати 1200 Вт·год (12 x 100 А·ч). Однак ємність залежить від тривалості процесу заряджання або розряджання. Період заряджання вказують як індекс ємності C, наприклад, "C100" для 100 годин. Зазначимо, що виробники можуть виготовляти акумулятори різних базових періодів.

При зберіганні енергії в акумуляторі певна кількість в процесі зберігання втрачається. Ефективність автомобільних батарей становить близько 75%, тоді як сонячні акумулятори мають дещо кращі показники. Частина ємності акумулятора втрачається при кожному циклі заряд-розряд, доки знижується настільки, що його доводиться замінювати. Сонячні акумулятори служать довше, ніж потужні автомобільні, термін служби яких становить 2-3 роки.

Визначення розміру акумулятора

Важливо, щоб розмір батареї дозволяв зберігати енергію щонайменше протягом 4 днів. Уявімо собі систему, яка споживає 2480 Вт · год на день. Розділивши цю цифру на напругу 12 вольт, отримаємо добове споживання 206 А·год. Отже, 4 дні зберігання дорівнюють: 4 дні x 206 А год на день, дорівнює 824 А год. Якщо використовується свинцева батарея, до цієї цифри потрібно додати 20%, щоб акумулятор ніколи не розряджався повністю. Значить, ємність нашого ідеального акумулятора свинцевого становить 989 А·ч. Якщо ж використовується кадмієво-нікелева або залізонікелева батарея, додаткові 20% ємності не потрібні, т.к. лужним акумуляторам не шкодить повна регулярна розрядка.

Регулятор заряду

Акумулятор прослужить кілька років лише в тому випадку, якщо він використовується разом із якісним регулятором заряду, який захищає батарею від надмірної зарядки та глибокої розрядки. Якщо батарею повністю заряджено, регулятор знижує рівень струму, що виробляється сонячним модулем до величини, що компенсує природні втрати заряду. І навпаки, регулятор перериває постачання енергії на прилади, що споживають, коли акумулятор розряджається до критичного рівня. Таким чином, раптове припинення енергопостачання може бути спричинене не поломкою у системі, а результатом дії цього захисного механізму.

Регулятори заряду - електронні пристрої, які можуть постраждати внаслідок несправностей чи некоректного поводження з системою. Більш досконалі моделі обладнані запобіжниками для запобігання пошкодженню регулятора та інших компонентів системи. Серед них – запобіжники проти короткого замикання та зміни полярності (коли переплутані полюси +/-), блокувальний діод, який перешкоджає розрядці батареї у нічний час. Багато моделей обладнані світлодіодами, які відзначають стан роботи та поломки системи. У деяких моделях відзначається навіть рівень зарядки батареї, хоча дуже важко визначити з точністю.

Малюнок 80

Інвертор

Інвертор перетворює постійний струм низької напруги на стандартний змінний (120 або 240 В, 50 або 60 Гц). Інвертори бувають від 250 Вт (вартістю близько 300 доларів) до 8000 Вт (близько 6 000 доларів). Електрика, що виробляється сучасними синусоїдальними інверторами, відрізняється кращою якістю, ніж та, що надходить до вас додому з місцевої енергосистеми. Існують також "модифіковані" синусоїдальні інвертори - вони не такі дорогі, але при цьому придатні для більшості домашніх завдань. Вони можуть створювати невеликі перешкоди, "шум" в електронному обладнанні та телефонах. Інвертор може служити "буфером" між будинком та комунальною енергосистемою, дозволяючи продавати надлишок електроенергії у загальну електромережу.

Малюнок 81

Кабелі

Найкращий спосіб уникнути непотрібних втрат - використання відповідних електрокабелів та правильне їх підключення до приладів. Кабель має бути максимально коротким. Провіди, що з'єднують різні прилади, повинні мати площу поперечного перерізу не менше 1,6 мм 2. Щоб падіння напруги не перевищувало 3%, кабель між сонячним модулем і акумулятором повинен мати поперечний переріз 0,35 мм 2 (12-вольтна система) або 0,17 мм2 ( 24) на 1 метр на один модуль. Тобто, кабель довжиною 10 м для двох модулів повинен бути не тоншим: 10 x 2 x 0,35 мм 2 = 7 мм2. Оскільки з кабелем більше 10 мм у перерізі важко поводитися, і ще важче знайти, іноді доводиться змиритися з вищими втратами. Якщо частина кабелю пролягає просто неба, він повинен бути стійким до поганих погодних умов. Дуже важливою є також його стійкість до ультрафіолетового випромінювання.

Пристрої стеження за сонцем

  • Фотоелектричні модулі працюють найкраще тоді, коли фотоелементи розташовані перпендикулярно до сонячних променів. Спостереження за Сонцем може призвести до збільшення щорічного виробництва енергії на 10% взимку та на 40% влітку порівняно з нерухомо закріпленим фотоелектричним модулем. "Стеження" реалізується за допомогою монтажу сонячного модуля на рухомій платформі, що повертається за Сонцем. Насамперед, потрібно зіставити перевагу зайвої енергії, отриманої завдяки спостереженню за Сонцем, із вартістю монтажу та техобслуговування системи стеження.
  • Пристрої стеження недешеві. У багатьох країнах немає економічного сенсу встановлювати стеження за Сонцем менш ніж восьми сонячних панелей (наприклад, США). При використанні восьми фотоелектричних модулів ми отримаємо більше енергії, якщо витратимо гроші на збільшення панелей, а не на встановлення стеження. Тільки при восьми та більше панелях пристрій стеження окупиться. У цього правила є й винятки: наприклад, коли фотоелектричні панелі живлять водяний насос, без акумулятора, - тоді стеження за Сонцем вигідне для двох і більше модулів. Це пов'язано з технічними характеристиками, наприклад, з максимальною напругою, необхідною для живлення двигуна насоса.

Лампи

Завдяки їхній високій ефективності та тривалому терміну служби, енергозберігаючі лампи рекомендується використовувати у фотоелектричних системах. Люмінесцентні лампи або нові компактні флуоресцентні лампи (КФО) застосовні у багатьох випадках. 18-ватна КФЛ замінює традиційну лампочку розжарювання 100 ват. Якщо ці лампи живляться від постійного струму, вони вимагають електронного баласту. Якість баласту може бути різною, аж до незадовільного.

Низькоякісний баласт спричинить додаткові витрати на постійну заміну ламп. Баласт обов'язково повинен бути ефективним, забезпечувати велику кількість включень, надійне запалювання при низьких температурах і низькій напрузі (10,5 В), а також захист від коротких замикань, розімкнутого контуру, зміни полярності та радіоперешкод. Незважаючи на те, що більшість компактних флуоресцентних ламп працюють тільки зі змінним струмом, деякі компанії пропонують такі лампи, які живляться від постійного струму.

Термін експлуатації та калькуляція цін компонентів

  • Дуже важливим чинником економічного аналізу є термін експлуатації фотоелектричної системи. Термін служби різних компонентів сонячного енергопостачання підрахований на основі досвіду, накопиченого за останні роки.
  • Термін служби фотоелектричних панелей оцінюється у 20 років. Належна герметизація та застосування загартованого скла з низьким вмістом заліза здатні подовжити цей термін.
  • Каркаси та кріплення з оцинкованого заліза використовуються у більшості фотоелектричних систем. Добре оцинковані матеріали повинні прослужити так само довго, як і панелі, хоча можуть вимагати ремонту.
  • Акумулятор. Залежно від характеру циклу заряд/розряд, середній термін служби про сонячних акумуляторів становить 4 роки.
  • Зарядні пристрої акумуляторів розраховані щонайменше 10 років.
  • Інвертори зазвичай служать щонайменше 10 років.

Зразкові дані для калькуляції цін на деякі компоненти:

  • Інвертор - USD 0,50/Вт
  • Каркас (оцинкований) - USD 0,30/Вт
  • Кошти контролю - USD 0,50/Вт
  • Кабель - USD 0,70/м
  • Місцеві стаціонарні акумуляторні батареї - USD 100/кВт·ч
  • Фотоелектричні модулі - USD 5 /Вт

Фотоелектричні системи з генераторами

При спільній роботі фотоелектричні системи та інші генератори електроенергії можуть задовольняти різноманітніший попит на електрику з більшою зручністю та за менших витрат, ніж окремо. Коли електрика потрібна безперервно або виникають періоди, коли її потрібно більше, ніж може виробити тільки фотобатарея, її може ефективно доповнити генератор. Денні години фотоелектричні модулі задовольняють денну потребу в енергії і заряджають акумулятор. Коли акумулятор розряджається, двигун-генератор вмикається і працює доти, доки батареї не підзарядяться.

У деяких системах генератор заповнює нестачу енергії, коли споживання електрики перевищує загальну потужність фотомодулів та акумуляторів. Системи, у яких використовуються різнотипні електрогенератори, поєднують у собі переваги кожного з них. Двигун-генератор виробляє електрику будь-якої доби. Таким чином, він являє собою прекрасне резервне джерело живлення для дублювання вночі або в день фотоелектричних модулів, що залежать від забаганок погоди. З іншого боку, фотоелектричний модуль працює безшумно, не вимагає догляду та не викидає в атмосферу забруднюючі речовини. Комбіноване використання фотоелементів та генераторів здатне знизити первісну вартість системи. Якщо резервної установки немає, фотоелектричні модулі та акумулятори повинні бути достатньо великими, щоб забезпечувати живлення вночі.

Однак, використання двигуна-генератора як резерв означає, що для забезпечення потреби в електриці потрібно менше фотоелектричних модулів і батарей. Присутність генератора робить проект системи складнішим, але керувати нею все одно досить легко. Насправді сучасне електронне керування дозволяє цим системам працювати в автоматичному режимі. Контролери можна запрограмувати на автоматичне перемикання або на генератор, або підзарядку батарей, або комбінацію цих функцій. Крім двигуна-генератора, можна використовувати електрику від вітроустановки, малої ГЕС або іншого джерела, формуючи, таким чином, гібридну електростанцію більшого розміру.

Фотоелектричні системи, приєднані до мережі

В умовах централізованого енергопостачання, підключена до мережі фотоелектрична система може забезпечувати частину необхідного навантаження, інша частина при цьому надходить із мережі. У цьому випадку акумулятор не використовується. Тисячі домовласників у різних країнах світу використовують такі системи. Їх влаштовує, що завдяки фотоелектричній системі скорочується обсяг закупівель енергії з мережі, система не споживає палива та не викидає шкідливих речовин. Власник підключеної до мережі фотоелектричної системи щомісяця купує та продає електрику.

Енергія фотоелементів або використовується на місці, або подається до мережі. Коли ж власнику системи потрібно більше електрики, ніж вона виробляє - наприклад, увечері, то потреба автоматично задовольняється за рахунок мережі. Коли ж система виробляє більше електрики, ніж може споживати господарство, надлишок відправляється (продається) до мережі. Таким чином, комунальна мережа виступає в ролі резерву для фотоелектричної системи як акумулятор - для автономної установки. Наприкінці місяця кредит за продану електрику віднімається з рахунку за спожиту енергію. У деяких країнах комунальні електромережі мають купувати електроенергію у власників фотоелектричних систем або інших незалежних виробників.

Малюнок 82

Сумісний з комунальною мережею інвертор затвердженого зразка перетворює постійний струм фотоелектричного модуля на змінний, відповідний за напругою та частотою комунальної мережі. Він повинен відповідати вимогам якості та безпеки. Аварійні вимикачі інвертора автоматично відключають фотоелектричну систему від мережі, якщо в тій відбувається будь-який збій. Цей запобіжний засіб захищає ремонтний персонал від електричного шоку в результаті контакту з неробочою, як могло здатися, лінією, що з'єднує мережу з фотоелектричною системою.

У деяких країнах енергетичні компанії створюють спеціальні тарифні схеми, покликані підвищити рентабельність з'єднаних із мережею фотоелектричних систем. За нинішнього рівня цін, якщо розділити вартість установки такої системи та її підключення до мережі на кількість електроенергії, яку вона виробить за 30 років, сонячна електрика виходить зазвичай дорожчою, ніж у мережі. Деякі комунальні мережі піднімають ціни на свою енергію у певні години доби. У деяких штатах США найдорожча електрика за такою погодинною схемою (пікові тарифи) коштує майже стільки ж, скільки енергія фотоелектричних батарей. Чим точніше співпадає вироблення електроенергії на сонячному модулі з часом пікових тарифів, тим сонячна система виявиться ефективнішою для зниження рахунків за електроенергію.

Кількість таких з'єднаних із мережею систем зростає, особливо у США та Європі. Один такий проект розпочав свою роботу у Каліфорнії. У даху дванадцяти будинків у Комптоні вбудовані фотоелементи. Сонячні покрівельні плити є невід'ємною та естетично витриманою частиною дизайну будівель. Сонячні дахи підключені до місцевої електромережі, і електролічильники цих будинків "обертаються у зворотному напрямку", коли фотоелементи виробляють надлишок енергії..

Малюнок 83

Промислові фотоелектричні установки

Вже кілька років невеликі фотоелектричні системи застосовуються у комунальному електро-, газо- та водопостачанні, довівши свою економічність. Здебільшого вони мають потужність до 1 кВт і включають акумулятори для накопичення енергії. Вони виконують багато функцій: від живлення сигнальних вогнів на опорах ЛЕП для оповіщення літаків до контролю якості повітря. Вони продемонстрували надійність і довговічність у комунальному господарстві та готують ґрунт для майбутнього впровадження більш потужних систем..

Енергопостачальні підприємства вивчають можливості фотоелементів з точки зору збільшення генеруючої потужності та задоволення все більших вимог до екологічної та виробничої безпеки. Великі сонячні електростанції, що складаються з багатьох фотоелектричних батарей, можуть виявитися дуже корисними для енергокомпаній. Їх створення займає менше часу, ніж будівництво традиційних електростанцій, оскільки сонячні панелі легко встановлювати та з'єднувати.

Компанія може будувати фотоелектричні станції там, де вони потребують, оскільки розміщення фотобатарей набагато простіше, ніж вибір ділянки для традиційної електростанції. І, на відміну традиційних електростанцій, їх можна розширювати за необхідності. Нарешті, фотоелектричні станції працюють безшумно, не споживають викопного палива та не забруднюють повітря та воду. На жаль, фотоелектричні станції поки що не дуже динамічно входять до арсеналу комунальних мереж, що можна пояснити їхніми особливостями. За сучасного методу підрахунку вартості енергії, сонячна електрика все ще значно дорожча, ніж продукція традиційних електростанцій. До того ж фотоелектричні системи виробляють енергію лише у світлий час доби, і їхня продуктивність залежить від погоди.

Тому при плануванні енергосистеми потрібно враховувати ці особливості фотоелектричної станції, щоб правильно вписати її в існуючу систему виробництва, передачі та розподілу енергії. Фотоелектричні станції, тим щонайменше, займають дедалі більше місця у планах енерговиробників. Наприклад, у США комунальні підприємства вивчають можливість підключення фотоелектричних систем до енергомереж у тих місцях, де вони мають велику цінність.

Так, додавання фотоелектричної системи у безпосередній близькості від споживача допомагає уникнути втрат енергії, пов'язаних із передачею на великі відстані. Отже, фотоелектрична система має велику цінність для компанії, якщо вона розташована біля споживача. Їх можна також встановлювати на тих ділянках розподільчої системи, які обслуговують райони з населенням, що швидко зростає. У цьому випадку фотоелектричні установки усувають необхідність збільшувати довжину ліній електропередач. Встановлення фотоелектричних систем біля підстанцій, що розподіляють енергію, може запобігти перевантаженню обладнання, що розташоване на них.

Фотоелементи не схожі на жодне джерело енергії, яке коли-небудь використовувалося комунальними підприємствами. Вони вимагають великих початкових вкладень, проте вартість палива дорівнює нулю. Побудова вугільних і газових електростанцій спочатку обходиться дешевше (щодо їхньої продуктивності), але потім вони вимагають постійних витрат на закупівлю палива. Ціна на паливо коливається, і невідомо, як вона змінюватиметься у майбутньому у зв'язку з розвитком природоохоронного законодавства. Ціни на викопні види палива зростатимуть, тоді як загальна вартість фотоелементів (та й інших відновлюваних джерел енергії), як очікується, продовжуватиме падати, особливо якщо брати до уваги їхні переваги для навколишнього середовища.

8. Основні принципи оцінки потенціалу, бар'єрів та впливу сонячної енергії

Сонячне опалення

Цей розділ присвячений, переважно, активного сонячного опалення, тобто. системам, в яких сонячна енергія перетворюється на тепло за допомогою сонячних колекторів, а потім за допомогою рідини-теплоносія подається до кінцевого споживача. Ще один важливий вид використання енергії Сонця - це пасивне сонячне опалення, коли будинки проектуються так, щоб вловлювати максимум сонячної енергії, що надходить крізь вікна та стіни, що нагріває, і потім використовувати її для опалення приміщень.

Сонячний потенціал

Річний надходження сонячної енергії варіюється від 900-1000 кВт·год/м2 на півночі регіону Балтійського моря до, наприклад, 1077 кВт·год/м2 на території Центральної Європи (Богемія) та до 1600 кВт·год/м2 у Середземноморському та Чорноморському регіонах на горизонтальній поверхні. На півдні на похилій поверхні показник річного надходження сонячної енергії вищий на 20%.

Оцінка ресурсу

В умовах Європи Сонячна енергія, що надходить, в більшості випадків перевищує енергоспоживання будівлі. Наприклад, типовий багатоквартирний житловий будинок у Чехії отримує 1077 кВт·год/м2, тоді як кожен його поверх споживає приблизно 150 кВт·ч/м2 для опалення та ще 25-50 кВт·ч/м2 для освітлення та приготування їжі, що в цілому дорівнює 875 - 1000 кВт.ч/м2 для п'ятиповерхового будинку (поверхи виміряні в м 2 горизонтальної поверхні). Сонячної енергії, що надходить протягом року, в цілому достатньо, але корисний ресурс обмежений коливаннями сонячної енергії та ємністю акумулювання. Коректну оцінку частки корисного сонячного тепла можна зробити з урахуванням різних теплових навантажень.

Обмеження вбудованих систем зазвичай полягають у тому, що сонячне опалення може покрити лише 60-80% потреби у гарячій воді та 25-50% опалення. Залежить це від розташування будинку та від типу системи. У Північній Європі обмеження становлять відповідно 70% та 30% для гарячого водопостачання та опалення приміщень.

Аналіз та досвід застосування сонячних систем центрального опалення показують, що вони можуть покривати 5% споживання без акумулювання, 10% з 12-годинним зберіганням та близько 80% - із сезонним. Ці дані ґрунтуються на системах районного опалення житлового сектора, де середні тепловтрати становлять 20%. Сонячні системи опалення без акумулювання тепла є, безумовно, найдешевшим рішенням.

Сонячне опалення може забезпечувати близько 30% потреб промислових підприємств, які використовують тепло нижче 100 оC, якщо споживання тепла на них є стабільним. Залежно від пори року та температури, Сонячна енергія може забезпечити 100% потреби на сушіння продукції.

Сонячне нагрівання басейнів може майже повністю забезпечити теплове навантаження закритих і 100% для відкритих басейнів у літній період.

Таким чином, підрахунок потенціалу сонячного опалення – це, головним чином, питання оцінки потреби у низькотемпературному теплі.

Бар'єри

Здебільшого установки сонячного нагріву добре розроблені, і якщо зустрічаються труднощі на шляху їх освоєння, то вони спричинені скоріше відсутністю певних матеріалів чи технологій у цьому місці, ніж відсутністю технологій як таких. Отже, основними бар'єрами, окрім економічних, є:

  • Недолік інформації про існуючі технології, їх оптимальні рішення та інтеграцію в опалювальні системи;
  • Нестача кваліфікованих кадрів для виробництва та встановлення.

Іноді перешкодою є нестача сонячної енергії. Щодо активних систем сонячного опалення, практично завжди можна знайти таке місце для встановлення колектора, де вистачатиме сонячного світла. У разі пасивної сонячної енергії, яка, як правило, проникає крізь звичайні вікна, сусідство з будинками або деревами може призвести до серйозного скорочення енергії, що надходить.

Вплив на економіку, екологію та зайнятість населення

Економіка

З економічної точки зору, застосування сонячної енергії може бути практично безкоштовним, коли пасивні сонячні системи інтегруються в план будинку або ділянки землі, так і дуже дорогим, як у разі застосування систем сонячного опалення з сезонним акумулюванням теплоти. Наведемо цінові показники для сонячних систем опалення:

Застосування Площа колектора, м2 Річний Виробництво, кВт·год Інвестиції/на 1 м2 площі Інвестиції/річне виробництво
Гаряче водопостачання приватного будинку, Північна Європа 4-6 2 000 1000 евро 2.5 евро/кВт·ч
Гаряче водопостачання приватного будинку, Південна Європа 4 2 500 250 евро 0.4 евро/кВт·ч
Відкритий басейн 100 10 000 10 евро 0.1 евро/кВт·ч
Районне теплопостачання 1000 440 181 евро 0.41 евро/кВт·ч

Примітка: Під сонячним колектором для гарячого водопостачання будинку для однієї сім'ї в Північній Європі розуміється типова система, яка використовується в Скандинавських країнах та Німеччині (антифризовий носій, високий рівень ізоляції, замкнутий контур). Під системою для приватного будинку, розташованого в Південній Європі, розуміється термосифонна система, яка використовується в Греції. Ціни в Центральній та Південно-Східній Європі значно нижчі. Річний обсяг виробництва електроенергії наводиться для умов Північної Європи (крім південноєвропейської системи для приватного будинку).

У більшості випадків використання систем у Північній Європі, сонячні колектори заміняють газові або бензинові обігрівачі, ККД яких у літній час дуже низький (часто 30-50%).

Екологія

Зібране сонячними колекторами тепло замінює енергію, вироблену за допомогою технологій, що забруднюють довкілля. У цьому полягає головний екологічний ефект сонячної енергетики. Зазвичай сонячні колектори встановлюють на дахах будівель, при цьому вони не впливають на вигляд і екологію даної місцевості. Енергія, витрачена на виробництво сонячного колектора, дорівнює енергії, яку колектор виробляє протягом 1-4 років.

Питання зайнятості

Більшість робочих місць у цій галузі припадає на виробництво та встановлення сонячних колекторів. На досвіді Данії, зайнятість оцінюється у 17 людино-років на виробництво та встановлення 1000 м2 сімейних сонячних колекторів. Ця тисяча квадратних метрів заміняє 800 МВт·год первинної енергії (корисна енергія 400 МВт·год). При терміні експлуатації колектора 30 років, 700 осіб будуть постійно зайняті на виробництві сонячних колекторів, здатних замінити 1 ТВт·год енергії.

Частка сонячної енергії у національній енергетиці

У принципі, потреба у теплі може бути повністю задоволена за допомогою сонячної енергії у поєднанні із сезонним акумулюванням. Тому цього ресурсу немає абсолютної кордону, є лише економічні обмеження. У Данії підрахували, що без сезонного акумулювання сонячна енергія може забезпечити 13% теплового навантаження, зокрема комерційне та промислове споживання. У сонячному кліматі ця частка, природно, більше.

Фотоелектрична енергія

Фотоелектричні елементи виробляють електрику з продуктивністю, що змінюється залежно від рівня сонячної радіації. Фотоелементи об'єднують у модулі, які становлять основний компонент фотоелектричних систем. Модулі розраховані на різну напругу, аж до кількох сотень вольт. Досягають цього шляхом з'єднання фотоелементів та модулів у серії. Для живлення приладів змінного струму необхідно використовувати інвертори.

Коефіцієнт корисної дії фотоелементів розраховується як відсоткове співвідношення між енергією, що надійшла на фотоелемент та електроенергією, що надійшла до споживача. Існує відмінність між теоретичною, лабораторною та практичною ефективністю. Важливо знати різницю між ними, а для користувачів фотоелементів, звичайно, має значення лише практичний ККД.

Практичний ККД фотоелементів масового виробництва:

  • монокристалічний кремній: 16 - 17%;
  • полікристалічний кремній: 14 - 15%;
  • аморфний кремній: 8-9%.

Фотоелектричні системи зазвичай поділяють на:

  1. Автономні системи, які складаються лише з фотоелектричних панелей. Крім того, до них можуть входити регулятори та акумулятори.
  2. Гібридні системи, що є комбінацією фотоелементів і додаткових засобів для виробництва електрики, таких як вітер, дизельне паливо або природний газ. У таких системах часто використовуються акумулятори та регулятори меншого розміру.
  3. Системи, з'єднані з електромережею, фактично є невеликими електростанціями, що постачають електроенергію в загальну енергомережу.

Поради проектувальнику

При проектуванні фотоелектричної установки необхідно взяти до уваги низку різних факторів, щоб знайти оптимальні рішення. По-перше, необхідно з'ясувати, скільки енергії потрібно від установки. Після цього розраховується загальне добове споживання в ампер-годиннику. Із загального добового та тижневого споживання виводиться загальний обсяг акумулювання енергії. Потрібно врахувати, що протягом похмурих днів установка повинна функціонувати. І нарешті, потрібно оцінити, скільки потрібно фотоелектричних модулів, щоб виробляти достатню кількість енергії. Фотоелектричну установку можна також поєднувати з іншими джерелами енергії. Вдало поєднуються, наприклад, невеликий вітрогенератор та фотоелементи. Отримана енергія може зберігатися у свинцевому або нікель-кадмієвому акумуляторі.

Оцінка ресурсу

Доступна Сонячна енергія змінюється протягом дня через відносний рух Сонця та залежно від хмарності. Опівдні при ясній погоді енергетична освітленість, створювана Сонцем, може досягати 1000 Вт/м2, тоді як в умовах щільної хмарності вона може впасти до 100 Вт/м2 і нижче , навіть опівдні. Кількість сонячної енергії змінюється разом із кутом нахилу установки та орієнтацією її поверхні, знижуючись у міру віддалення від південного напрямку.

Фотоелементи заводського виробництва у продажу мають певну номінальну потужність, виражену у ВАТ пікової потужності (Втп). Це показник їх максимальної потужності в стандартних умовах випробувань, коли сонячна радіація близька до свого максимального значення 1000 Вт/м2, а температура поверхні фотоелемента 25 оC. На практиці фотоелементам рідко доводиться працювати в таких умовах. Приблизно потужність (P) фотоелектричної системи оцінюється за такою формулою:

P (кВт·ч/день) = Pp (кВт) * I (кВт·ч/м2 в день) * PR

де:

Pp - номінальна потужність у кВт, еквівалентна ККД, помноженому на площу в м2

I - експозиція сонячного випромінювання на поверхні, в кВт·год/м2 на день

PR - коефіцієнт продуктивності системи.

Середньодобове значення сонячної освітленості (I) в Європі в кВт·г/м2 в день (нахил на південь, кут нахилу до горизонту 30 градусів) наводиться в таблиці.

Південна Європа Центральна Європа Північна Європа
Січень 2,6 1,7 0,8
Лютий 3,9 3,2 1,5
Березень 4,6 3,6 2,6
Квітень 5,9 4,7 3,4
Май 6,3 5,3 4,2
Червень 6,9 5,9 5,0
липень 7,5 6,0 4,4
Серпень 6,6 5,3 4,0
Вересень 5,5 4,4 3,3
Жовтень 4,5 3,3 2,1
Листопад 3,0 2,1 1,2
Грудень 2,7 1,7 0,8
За рік 5,0 3,9 2,8

Типові коефіцієнти продуктивності:

  • 0,8 для систем, з'єднаних із мережею;
  • 0,5 - 0,7 для гібридних систем;
  • 0,2 - 0,3 для автономних систем, що використовуються цілий рік.

Типові характеристики системи

Автономні системи відрізняються нижчою ефективністю, оскільки працюють вони за майже постійного навантаження цілий рік, а розмір їх фотоелектричних модулів розраховується так, щоб вони давали достатньо енергії взимку, хоч це і означає її перевиробництво влітку. Типова професійна система у Європі виробляє на рік у середньому 200-550 кВт·год/кВтп.

У гібридних систем більш високий коефіцієнт продуктивності, тому що їх розмір відповідає необхідному навантаженню влітку, а взимку і в негоду їх доповнює інша система - вітроустановка або дизель-генератор. Типове середньорічне вироблення такої системи становить 500-1250 кВт·год/кВтп залежно від втрат, спричинених регулятором заряду та акумулятором.

Фотоелектричні системи, підключені до електромережі, відрізняє найкращий коефіцієнт продуктивності, оскільки весь обсяг виробленої енергії або повністю використовується на місці, або надходить у мережу. Типове середньорічне вироблення 800-1400 кВт·год/кВтп.

Бар'єри

Навіть після різкого зниження ціни, фотоелементи зараз коштують 5 доларів США за 1 Втп. Виробництво електрики коштує сьогодні 0,5 - 1 долар/кВт·год, тобто дорожче, ніж від інших відновлюваних джерел. У майбутньому, у міру ширшого їх застосування, вартість фотоелементів має зменшитись. Незважаючи на свою високу вартість, фотоелектрична енергія може виявитися дешевшою за інші джерела у віддалених регіонах, відрізаних від електромереж, або там, де виробництво електроенергії іншими способами (наприклад, на дизель-генераторах) утруднене або неприпустимо з екологічних причин (наприклад, у гірських місцевостях).

Вплив на такі аспекти розвитку регіону як економіка, екологія та зайнятість населення

У Європі найбільш рентабельним є застосування фотоелектричних систем у регіонах віддалених від енергомережі. Застосування фотоелектричних систем матиме великий позитивний вплив на економічний розвиток цих регіонів. Застосування фотоелектричних систем не впливає на екологію. Екологічні проблеми можуть виникнути у процесі виробництва фотоелектричних елементів, виробництві та (неправильної) утилізації акумуляторів. На даний момент у Європі не очікується будь-якого суттєвого впливу на збільшення зростання зайнятості населення у галузі.

Деякі правила

На території Центральної Європи кожен кВт·год встановленої потужності звичайної фотоелектричної системи (кристалічний кремній, ккд 12%), приєднаної до енергомережі, може "виробляти" 1150 кВт·г електроенергії на рік і до 300 кВт·г електроенергії на рік у разі децентралізованої установкою.

9. Запитання до модуля

  1. Назвіть компоненти сонячного спектру?
  2. Які фактори впливають на кількість сонячної енергії, яка потрапляє на певну частину поверхні Землі?
  3. У які корисні форми енергії може бути перетворена Сонячна енергія?
  4. Що розуміється під пасивною сонячною архітектурою?
  5. Які основні компоненти пасивної сонячної архітектури?
  6. Поясніть принцип роботи сонячного колектора?
  7. Які існують типи сонячних колекторів?
  8. У чому різниця між "ємнісним" колектором та плоским сонячним колектором?
  9. Якій площі повинен бути сонячний колектор для отримання 50 л гарячої води на день у кліматичних умовах Європи?
  10. Як застосовуються повітряні сонячні колектори?
  11. Опишіть принцип роботи сонячної печі.
  12. У чому різниця між ящиковими сонячними печами та дзеркальними сонячними печами, які використовують відбивачі?
  13. Для чого в основному використовуються сонячні дистилятори?
  14. Які пристрої використовують взимку енергію, отриману влітку від сонця?
  15. Що виробляють сонячні теплові електростанції?
  16. Які три основні типи сонячних теплових електростанцій Ви знаєте?
  17. Яку максимальну температуру рідини можна отримати на сонячній тепловій електростанції?
  18. Що таке фотоелектрика?
  19. Де (з якою метою) економічно ефективно використовувати фотоелектричні батареї?
  20. Яка середня продуктивність фотоелектричних елементів?
  21. Під час вибору простої фотоелектричної системи якої площі ФЕБ необхідно встановити для забезпечення електроенергією домашнього господарства (телевізор, радіо, освітлення)?
  22. Для чого необхідний інвертор у фотоелектричній системі?

Наступний модуль