ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ДАЧНЫХ ДОМАХ (НА ПРИУСАДЕБНЫХ УЧАСТКАХ)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ДАЧНЫХ ДОМАХ (НА ПРИУСАДЕБНЫХ УЧАСТКАХ)В. П. Бреусов
д. т. н., профессор СПбГПУ
Почти все источники энергии так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ не что иное как "законсервированная" солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате дополнительных химических процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также рождается от действия Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.
Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Весьма заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию.
Всего за три дня солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности.
Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая "ничтожная" величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного небольшого озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.
Человек еще с древнейших времен знал об этом неисчерпаемом источнике энергии. Всем нам хорошо известно по собственному опыту, что простым увеличительным стеклом можно сфокусировать солнечный свет в одну точку, где горячий пучок лучей может зажечь какое-нибудь горючее вещество. Вероятно, кое-кому из вас приходилось в лесу, за неимением спичек, пользоваться лупой, чтобы разжечь костер. Существует легенда о том, что древнегреческий математик и физик Архимед во время Пунической войны при помощи системы зеркал поджег деревянные римские корабли в Сиракузах. Сегодня эта история представляется нам весьма сомнительной, ибо в III в до нашей эры люди не умели делать достаточно больших и точных зеркал, способных что-то поджечь на расстоянии. Но любопытно, что сама идея возникла еще в античную эпоху: значит, люди уже тогда задумывались над тем, как поймать и использовать солнечные лучи, знали о способности линз и вогнутых зеркал сосредоточивать лучи в одной точке - фокусе. Именно линзами пользовались древнегреческие жрецы, чтобы зажечь священный огонь в храме богини Весты.
Однако за все время, начиная с первых скромных опытов в XVII в. и до космических полетов, прямому использованию солнечной энергии уделяли недостаточное внимание.
Известно, что солнечная энергия характеризуется чрезвычайной рассеянностью и очень низкой концентрацией. Если бы мы захотели построить гелиоэлектростанцию мощностью 1000 МВт в Сахаре, где весьма много "солнечных дней", то для нее потребовалось бы улавливать все солнечное излучение с площади 35 км2; на Сицилии (Италия) площадь увеличилась бы до 50 км2; а для Японии, чтобы удовлетворить за счет Солнца всю потребность в энергии, пришлось бы собирать солнечное излучение с площади 73,5 км2,
Из всех существующих возобновляемых источников энергии солнце, наряду с ветром, является самым доступным и экологически чистым. Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы: как уловить его наибольший поток, сохранить и передать тепло потребителю без потерь.
Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), для повышения эффективности установки прямого использования солнечной энергии необходимо иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточно развитой поверхностью. Простейшее устройство такого рода - плоский коллектор. В идеале это черный плоский адсорбер (теплонакопитель), помещенный в хорошо теплоизолированный плоский ящик. Сверху ящик покрывают стеклом или пластмассой. Стекло пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В ящике между днищем и стеклом чаще всего размещают трубы, через которые течет теплоноситель - это может быть вода, масло, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Трубы являются абсорбером (теплонакопителем).
Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается трубами и нагревает рабочее вещество в трубах. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения.
При отоплении жилья и получения горячей воды для хозяйственных нужд и при многих других применениях серьезную проблему представляет хранение солнечной энергии, улавливаемой коллектором. В простейшем случае горячая вода сборного трубопровода отводится в теплоизолированный резервуар, откуда ее можно отбирать в плохую погоду или вечернее время. В качестве аккумулятора тепла используют хорошо изолированный контейнер.
Автором этой статьи был предложен проект использования ребристых радиаторов в дачных домиках для получения горячей воды. Вода из скважины подается насосом (4) в плоский длинный бак (1), выкрашенный в черный цвет и установленный на крыше дома (емкость бака 200 л). Из бака вода подается самотеком в плоские радиаторы (2), выложенные на крыше на теплоизоляционном материале и окрашенные также в черный цвет, затем вода самотеком поступает в бак горячей воды (3), находящийся ниже радиаторов в деревянном ящике с основой теплоизоляционного материала. Нагретая вода с температурой 50-60 °С может быть использована для хозяйственных нужд в дачном домике. Из бака (3) она поступает по трубопроводу (6) в кран (5) или душевую кабину (7).В описанной водонагревающей системе использованы отопительные плоские радиаторы из жилых домов общей площадью около 25 м2.
В ясный солнечный день, при отсутствии облачности вода в данной системе может достигать температуры 70-75 °С. Плоские радиаторы расположены на южной стороне крыши под углом 45-48 °С. В дни с переменной облачностью достигается температура от 40 до 60 °С.
Типовые солнечные термические системы представляют собой нагревательные системы, состоящие из эффективных коллекторов, насосного блока, контроллера и накопителя. При этом для работы коллектора совсем не требуется яркое солнце, он может нагреть теплоноситель и зимой, и в облачную погоду. Приготовленная горячая вода может быть использована для отопления, для подогрева воды в бассейнах. Площадь современного коллектора составляет 2,5 м2, вес от 30 до 60 кг. Обычно коллектор устанавливают на крышу дома, под углом 40-50°. Наилучшее место для установки - южные скаты крыши. Материал и конструкция кровли не имеют никакого значения. Тепловая солнечная нагревательная система для небольшого дома может состоять из 2-4 коллекторов и накопителя емкостью от 300 до 700 литров. Минимальная площадь для установки накопителя 60х60 см, причём конфигурация накопителей может быть различной, изготовленной специально для узких помещений. Коллекторы соединяются с накопителями через теплообменники, коллекторный контур выполняется из меди и заполняется специальной незамерзающей жидкостью, которую не надо сливать при отрицательных температурах и которая всегда находится в постоянной готовности к работе. Работа насосного блока регулируется контроллером, измеряющим температуру в коллекторе и накопителе. Как только возникает возможность снимать тепло из коллектора, контроллер включает насосный блок, установленный в непосредственной близости от накопителя.
Мы сможем более регулярно использовать солнечные системы и внешние нагреватели воды для отопления домов. Конечно, они более удобны в регулировании, подаче в нужное место, аккумулировании и позволяют получать достаточно высокие температуры.
Но для того, чтобы получить максимальный эффект, можно строить большие комплексы с использованием дорогих материалов (медь, алюминий).
Вот так выглядит коллектор, способный нагреть воду до 90 °С:
Преимущества таких систем - увеличение степени поглощения солнечного излучения и, при хорошей изоляции, возможность сохранять тепло в зимние дни. Как правило, такие комплексы интегрируются в систему отопления жилых домов
Идея отапливать дома энергией солнечного излучения известна с древнейших времен, когда наши предки строили дома окнами на юг (в северном полушарии). В наше время мы можем видеть, как инженеры проектируют муниципальные и частные дома, основанные на пассивном отоплении. При простых архитектурных приспособлениях, путем удачного расположения окон, стен и крыши можно сэкономить тепло, а значит и деньги. Известно, что наибольшее количество солнечных лучей поглощает не крыша, а стены дома, особенно с южной стороны. Это дает возможность использовать энергию солнца простейшим способом, расположив большие утепленные окна на южной стене. Такие архитектурные решения, как большие окна с южной, солнечной стороны, и маленькие окна с северной, позволяют "впустить" больше солнца в дом. Это, конечно, недостаточная мера для отопления дома, но в комплексе с другими способами отопления и теплоизоляции она дает небольшую добавку к получаемой домом энергии.
На практике дома с пассивными системами отопления обогреваются еще лучше, если в них имеются вентиляторы, благодаря которым теплый воздух циркулирует между комнатами.
"СОЛНЕЧНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО"
Существуют станции, состоящие из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем. Таких концентраторов может быть несколько десятков и более. Все они передают солнечную энергию жидкости теплоносителю, которая собирается от всех коллекторов к центральной энергостанции и, преобразуясь в парогенераторе, поступает далее в виде электричества потребителю.
Все более популярным способом, позволяющим получать электрическую энергию прямо из солнечного излучения, являются фотоэлементы. Хотя у них есть один недостаток, как и у всех устройств работающих от солнечного излучения - они работают только в ясный солнечный день. Фотоэлементы преобразуют энергию солнца в электричество с помощью фотоэффекта. Фотоэффект - это испускание электронов с поверхности предметов под действием световых частиц (фотонов). Фотоэлектрический эффект может происходить на металлической поверхности, в жидкости и в отдельном атоме газа. Самым простым и удобным материалом является металл. Однако не все металлы могут дать одинаковый для всех фотоэффект. Так, медь и платина не способны дать фотоэлектрический эффект при воздействии видимой части светового спектра. Самым лучшим материалом оказался кремний. К тому же на Земле по запасам он на втором месте после кислорода, что в будущем будет способствовать его масштабному освоению.
Сегодня эта энергия стоит дороже, чем энергия, получаемая от сжигания ископаемого топлива (около 2-3 долларов за ватт установленной мощности). Но технологии получения "солнечного электричества" стремительно развиваются, и электроэнергия, получаемая от фотоэлементов, с каждым годом становится все более конкурентоспособной. Развитие фотоэлементов происходило интенсивно по мере освоения космоса, где создавались фотобатареи для спутников и космических станций, и лишь в конце 20 века промышленность настроилась на народное хозяйство. Цены на фотоэлементы постоянно падают, и мы видим уже применение их в жилом комплексе, автотранспорте и быту (например, для энергоснабжения карманных калькуляторов или часов).
--------------------------------------------------------------------------------
Примечание издателя
Опыт использования простейших солнечных коллекторов показывает, что даже в Ленинградской области с небольшим числом солнечных дней можно удовлетворить потребность в теплой воде в загородных домах и обеспечить отопление солнечным излучением с мая по сентябрь. В условиях Калининграда или юга Новгородской области этот метод эффективен с апреля по октябрь. Солнечные коллекторы последнего поколения с вакуумной изоляцией позволяют использовать их и в зимнее время при минусовой температуре и обеспечивают температуру теплоносителя 60-70 °С круглый год.
http://baltfriends.ru/rus/publ/renwr/index.htm
Интересно почитать