1Еплоеые солнечные оатареи

Тепловые солнечные коллекторы превращают энергию солнечного излучения непосредственно в тепло, нагреваятеплоноситель — воду, антифриз, воздух. Достоинством тепловых солнечных преобразователей является высокий КПД иотносительно низкая стоимость. У современных коллекторов КПД достигает 45 - 60%. Однако, потребности внизкотемпературном тепле летом в доме невелики, а. в связи с трудностью его длительного хранения, до зимы егосохранить сложно. Технология же преобразования солнечного тепла в электроэнергию, используемая на крупныхэнергостанциях, для дома слишком сложна. Этими фактами определяются сравнительно небольшие площади, отводимыепод гелиоколлекторы в энергоэффективных домах, которые используются, главным образом, для горячего водоснабжения.С детства мы знаем, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. Эффективностьсолнечных коллекторов повышается, если они снабжены теми или иными концентраторами излучения. В зависимости отналичия или отсутствия концентраторных устройств тепловые коллекторы разделяются на плоские и концентраторные.Плоские коллекторы наиболее просты и дешевы, однако дают лишь низкотемпературное тепло, сфера применения которогов домовом энергохозяйстве ограничена. Концентраторные коллекторы более эффективны, но достаточно сложны, в т.ч. вэксплуатации, и дороги из-за необходимости поворотных систем слежения за солнцем. Поэтому в домашней энергетикеони почти не используются.

Плоский тепловой коллектор представляет собой плоский ящик с прозрачным покрытием, обращенным к солнцу итеплоизолированными, во избежание теплопотерь. остальными поверхности. Внутри находится система трубопроводовдля теплоносителя (воздуха или жидкости) с крылышками из теплопроводного материала, увеличивающимиэффективность теплосбора. В качестве прозрачного экрана используется стекло с максимальным пропусканием солнечногоспектра.. Крылышки и сами каналы покрываются каким либо темным составом, либо селективным покрытием. Последнее

подбирается так. что хорошо поглощает солнечное излучение (соответствующее телу, нагретому до 6300 °К). но в своюочередь слабо излучает при обычных Земных температурах (порядка 300 °К). Это уменьшает теплопотери коллекторасобственным тепловым излучением, но удорожает изделие

Если откачать из коллектора воздух, то его собственные теплопотери уменьшатся. Так устроены вакуумные коллекторы,однако, в этом случае вакуум удается соблюсти только внутри цилиндрических стеклянных трубок окружающих каналы степлоносителем. Плоский лист стекла не в состоянии выдержать атмосферное давление, составляющее 10 тонн наквадратный метр. Выпускаются, однако, и коллекторы с пониженным давлением воздуха внутри, для противодействияатмосферному давлению их передняя стеклянная стенка укрепляется металлическими подпорками. Вакуумные и спониженным давлением коллекторы дороже обычных, но лучше работают зимой и в облачную погоду. Зимой солнце,вопреки расхожему мнению, не только светит, но и греет, и даже несколько сильнее из-за того, что ближе к Земле.

поскольку на зиму в северном полушарии приходится перигелий (минимальный радиус) Земной, слегка эллиптическойсолнечной орбиты.

Наибольшее распространение получили жидкостные коллекторы, кроме собственно коллектора, они требуют наличия баканакопителя для нагретой воды, соединительных трубопроводов и запорно-регу'лируюшей аппаратуры. Естественно, бакнакопитель и трубопроводы, также нуждаются в утеплении. Если бак накопитель расположен выше коллектора, то всистеме возможна естественная циркуляция теплоносителя, в противном случае используется циркуляционный насос.

Применение автоматического регулированияповышает эффективность работы всейсистемы, в этом случае, в частности,возможен автоматический слив воды изколлектора при угрозе его замерзания, чтоважно при работе в холодное полугодие.Другой способ борьбы с замерзанием —использование антифриза. Однако всеантифризы недешевы. особенно

экологически безвредные, обладают меньшейтеплоемкостью и большей вязкостью (вода потеплотехническим показателям — чемпион),требуют периодического техническогообслуживания, поэтому их использованиеограничено.

Еще одна разновидность солнечныхколлекторов — накопительные. В них бакнакопитель совмещен с коллектором, т.е.внесен в теплоизолированный объемколлектора. Это с одной стороны упрощаетконструкцию всей установки, с другой —предъявляет повышенные требования кпрочности несущих кровлю конструкций.

Тепло, полученное от солнечныхколлекторов, может использоваться для

горячего водоснабжения и отопления, напрямую или через теплообменники. Наилучшим образом с солнечнымитеплоулавливающими установками сочетается водяное напольное отопление, как самое низкотемпературное (требуемая

температура теплоносителя 30 — 35 °С). Оно же является наиболее гигиеничным и комфортным. Воздушные солнечныеколлекторы проше жидкостных, однако, в связи с недостатками воздушного отопления они используются реже.

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

Существуют укоренившиеся заблуждения о том. что в России солнечной энергии мало, по крайней мере, в средней полосе,и что солнечные установки себя по этой причине не оправдывают (кстати, подобные заблуждения приходилосьпреодолевать и в Европейских странах). Хуже того, иногда эта ложная информация исходит от так называемыхспециалистов. Например, в одном современном издании, посвященном утеплению домов, утверждается, что областьэффективного применения солнечных коллекторов ограничивается в России Краснодарским краем и Черноморским

побережьем, где годовой приход солнечной радиации более 800 квт*чм~. Но даже из школьного географического атласа

можно узнать, что на большей части России, в том числе, и в средней полосе, годовое поступление солнечной энергии

больше 800 квт*чм~. Для примера рассмотрим параметры использования солнечных тепловых систем в Московской

области (годовой приход энергии солнца на горизонтальную площадку 1050 квтч м").

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

Недавно специалисты института высоких температур с помощью интерполяционных методик рассчитали типичныйметеогод для Московского региона. На его основе в свою очередь вычислили распределение по месяцам ожидаемойпроизводительности стандартного солнечного водяного коллектора. Результаты показаны на диаграмме. Они опровергаютрасхожее мнение, что в центральной России солнца мало, и потому солнечные коллекторы здесь неэффективны. Выходсолнечной энергии мал только в течение четырех месяцев в году, в остальные месяцы он составляет от 15 до 47 квт*ч м~коллектора. Если исходить из расхода 50 литров горячей воды на человека в день, то на нагрев ее нужно 3 квт*ч тепловой

энергии. Три м" коллекторов на человека обеспечат его горячей водой с избытком в течении 7 месяцев в году и один месяц(октябрь) обеспечат половину этой нормы. Если увеличить площадь коллекторов, можно, направив излишки тепла наобогрев дома, заметно разгрузить систему отопления, уже начиная с февраля.

Диаграмма . Средняя выработка тепла в месяц солнечным коллектором в Подмосковье.

Реальная годовая тепл©производительность среднего промышленного солнечного коллектора составит около 300 квт*ч.

Зная эту цифру и сопоставляя ее с существующими ценами на солнечные коллектора, можно рассчитать срок окупаемостисолнечного коллектора той или иной конструкции в Подмосковье. Разброс цен на отечественные солнечные коллекторы

составляет от 20 до 250 5 м". Для сравнения в Германии аналогичный разброс цен составляет от 350 до 750 5 м".Наилучшим соотношением ценакачество на Российском рынке обладают плоские солнечные коллекторы Ковровскогомеханического завода, по состоянию на начало 2002 года их стоимость составляла 90 5 м". Солнечная тепловая установка всборе включает в себя помимо коллектора, утепленный бак накопитель для горячей воды, трубопроводы, вентили,управляющую аппаратуру. Все это несколько увеличивает цену готовой системы. Для солнечной установки на основеКовровских коллекторов автором выполнены ориентировочные расчеты сроков их окупаемости относительноальтернативной системы теплоснабжения на сетевом природном газе.

Обычно при подсчете сроков окупаемости солнечных установок совершают «детскую» ошибку, учитывая только стоимостьсэкономленного или замешенного топлива. Но тепло в индивидуальном доме имеет еще и аппаратную составляющуюстоимости. Для типичного современного коттеджа сюда входит стоимость газового подвода к дому (или подъезда длятопливозаправщика), котла, горелки и регулярного технического обслуживания их. Если рассчитывать стоимость«беспроблемного» газового отопления, т.е. такого, когда закупается качественное проверенное оборудование и неэкономятся деньги на должное техническое обслуживание, в обмен на надежную работ)', то. по оценкам специалистов,при условии безаварийной работы, она составляет на сегодня в Подмосковье 2 цента квт^ч тепла. Присовокупляя сюда ту

или иную стоимость топлива можно получить оценку срока окупаемости солнечной установки. Так при сохранениитекущих внутренних цен на газовое топливо, составляющих порядка 7 5 1000 м^. (по последним данным Госстроя цена на

газ для предприятий в 2001 году уже составила 20 5 1000 1*г) солнечная установка в Подмосковье окупится за 10 - 12 лет.Однако, такой сценарий поведения цен представляется утопическим. Если же предположить, что внутренние цены натопливо дорастут до Европейских к 2010 году, которые сами по прогнозу несколько возрастут (текущая цена в Германиидля потребителей 330 5 1000 м^. ожидается скорое повышение до 550 5 1000 мЗ) то срок окупаемости солнечнойустановки, даже без государственных дотаций, составит 3 года. Далее солнечная установка в течение оставшегося срокаслужбы (сейчас он оценивается не менее чем в 20 лет) будет давать бесплатное тепло.

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

Многими специалистами отмечается, что в условиях России наиболее выгодными являются дешевые солнечныеколлекторы, несмотря на их меньший КПД. Действительно, если цена ниже в 4 раза, а энергетическая эффективность — вдва. то за счет увеличения плошади дешевого коллектора можно получить лучшее соотношение цена-производительность.На сегодняшний день наиболее удачными из дешевых солнечных установок являются установки конструкции А.И.

Широкова (Белоруссия). Срок их окупаемости при ориентировочной цене менее 20 5 м". как видно из того же графикасоставляет прядка 2-3 года. Эффективность этих коллекторов заметно возрастет в южных районах, там сроки окупаемостибудут еше меньше.

Солнечные установкиимеют еще однопреимущество, котороене всегда принимаетсяво внимание: онипозволяет снизитьлетом числовключений и времяработы водогрейногокотла и тем самым,продлить срок егослужбы и периодымежду его техническимобслуживанием.

Для стран с жаркимклиматом возможнои сп ользов ани есолнечной энергии дляприготовления пищи.

Разработаны различные конструкции солнечных плит. В нашем климате вполне оправдано использование солнечныхкипятильников, в том числе, переносных, которые уже можно купить в магазине

К настоящему времени в мире производитсябольшое количество разнообразных солнечно-термальных установок бытового назначения ицелесообразность применения их. по крайней мере,для горячего водоснабжения домов, признанаповсеместно. В некоторых странах, например, вИзраиле, уже едва ли не вся горячая вода длябытовых нужд нагревается солнцем. В Израиле иГреции строительными нормами уже запрещеностроительство домов ниже трех этажей безсолнечных тепловых батарей.

стены

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

Несколько лет назад появилась другая интересная технология — стены спрозрачной теплоизоляцией. У такой стены снаружи расположен слойпрозрачного теплоизоляционного материала, за счет открытоячеистойструктуры уменьшающего конвективную теплоотдачу в окружающую среду.Следующий слой является приемником солнечной энергии, он в своюочередь нагревает основной материал стены и через него внутренниепомещения. Появились технологии, когда изоляционный исолнцеприемный слои можно наносить на стены в виде паст. По сути дела,такая конструкция превращает стену в пассивный солнечный элемент с тойразницей, что теплосьем происходит со всей тыльной поверхностимассивом стены, а не с помощью жидкого или воздушного теплоносителя.

Еще один вид прозрачной теплоизоляции использует механизм,реализованный природой в шерсти белого медведя. Последняя является нетолько прекрасным теплоизолятором. но. одновременно, и своеобразнойсолнечной батареей - ее волокна являются световодами, которые проводятлучистую солнечную энергию к коже, где она поглощается в виде тепла.Повторяющая ее теплоизоляция изготавливается из прозрачногополикарбоната или специального стекла в виде массива тонких световодов.

Эффективность улавливания лучистой энергии различными типами стеновойпрозрачной изоляции составляет 30 - 65%. Наилучшее соотношениеэффективность цена имеют системы с КПД 30 - 40%. Цены на оба видапрозрачной теплоизоляции колеблются от 250 до 800 долларов за м~. такимобразом, эти технологии не относятся к дешевым.

Стены Тромба и стены с прозрачной теплоизоляцией перспективны в первуюочередь для реконструкции существующих зданий с целью повышения ихэнергоэффективности. Они приспособлены для районов с относительно мягкойи солнечной зимой, где дом может эффективно обогреваться зимним солнцем.Прозрачную теплоизоляцию целесообразно устанавливать только на южнойполусфере здания. Она неплохо зарекомендовала себя в западной Европе. Влетний период такие стены во избежание перегрева помещений частонеобходимо закрывать специальными жалюзи.

Теплопередающие стены являются по сути дела солнечными коллекторами спрямой передачей тепла без теплоносителя. Они не могут быть серьезноутеплены, иначе они не смогут передавать тепло внутрь помещений. Полезнымиэти стены будут когда теплопоступления через них будет заметно превышатьтеплопотери. Теплопоступления будут пропорциональны времени солнечного

сияния в холодный период, теплопотери - степени холодности климата. В холодном климате с редким солнцем зимой (чтохарактерно для большей части территории России), целесообразнее иметь хорошо утепленные стены. В странах с мягкой исолнечной зимой выгоднее могут оказаться «солнцепроводные» стены. Таким образом, целесообразность применениятеплопередающих стен зависит от особенностей климата в месте строительства.

Фотоэлектрические системы

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

Как форма энергии, электроэнергия имеет первостепенное значение благодаря своей универсальности и той простоте, скоторой ее можно передавать, распределять и контролировать расход. Ее химические, магнитные, механические, тепловыеи световые эффекты могут быть с легкостью получены там. где они необходимы. Недостатками электроэнергии являются еедороговизна из-за низкого КПД ее производства, а также трудности аккумуляции в большом количестве. Поэтомуэлектроэнергия относится к качественным видам энергии и потребность в ней в экодоме достаточно велика. Вот почемуэкспериментальные дома имеют, несмотря на низкий по сравнению с тепловыми батареями КПД. большие площади,покрытые фотоэлектрическими солнечными приемниками. Еше одним преимуществом электрических преобразователейявляется отсутствие в них движущихся частей и. следовательно, простота и надежность конструкции.Первые опыты по преобразованию солнечной энергии непосредственно в электрическую проводились еше более ста летназад. Но эффективные преобразователи удалось создать лишь после применения для этой цели полупроводников всередине нашего века. Первоначально солнечные полупроводниковые батареи в силу их дороговизны применялись толькона уникальных объектах, где стоимостной фактор отходил на второй план, например, на космических аппаратах. Однако кнастоящему времени постоянно действующая тенденция повышения их КПД и снижения стоимости сделала ихдоступными для бытового применения. Каждые пять лет стоимость батарей снижалась в два раза. В настоящее время

серийно выпускаемые ФЭП на основе монокристаллического кремния имеют КПД 10-12%. В лабораториях созданыдвухслойные фотоэлектрические преобразователи с КПД 35% и это не предел, поскольку возможно появлениепреобразователей, использующих красную часть спектра. Срок жизни солнечных элементов достигает несколько десятковлет. что вполне удовлетворительно для применения в доме.

В последнее время получили развитие гибридные солнечные батареи, совмещающие в одном элементе свойства тепловыхи электрических преобразователей солнечной энергии. Коэффицент полезного действия их довольно высок, в настоящеевремя он превышает 60%. Такие батареи весьма перспективны для использования, поскольку в экодоме необходимыодновременно как тепловые, так и электрические гелиоприемники. Использование гибридных батарей позволит болеерационально использовать плошадь южного фасада и в т.ч. позволит оптимизировать конструкцию пристроеннойтеплицы. Недавно Российские ученые сообщили о разработке нанотехнологии. которая по их расчетам позволит создатьфотобатареи с КПД 90%. Они смогут работать даже ночью.

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

Двадцать лет назад, киловатт-час электричества, полученный за счет использования энергии Солнца, стоил 52.50. Внастоящий момент его стоимость снизилась до 20-25 центов, т.е. десятикратно. Но это еще в 4 — 5 раза выше стоимостиэнергии топливных электростанций. Уже сейчас удается снизить стоимость фотоэлектрической энергии применениемзеркальных концентраторов в 3 — 5 раз.

В настоящее время, фотоэлектрические батареи сравнительно дороги (энергия от них обходится в несколько раз дорожесетевой) и массовое применение их возможно только при административной финансовой поддержке государственныхструктур. Наибольших успехов добилась на этом пути Германия. В 1990 — 1995 годах там действовала и была существенноперевыполнена программа «1000 крыш» по установке фотоэлектрических систем на частных и общественных зданиях. Онапослужила образцом для последующего принятия аналогичных программ в других странах. В самой Германии ей на сменупришла программа «100 000 крыш».

Частью программы «1000 крыш» была обширная система наблюдений и анализа за работой установленныхфотоэлектрических систем (ФЭС). Использование аккумуляторов не предусматривалось, в качестве резервуара дляизлишков энергии использовалась электросеть. В процессе выполнения программы выявилось, что слабым звеномтогдашних ФЭС были инверторы, в функцию которых входило преобразование постоянного тока от солнечных панелей впеременный, обычных стандартов, и передача излишков в сеть. В процессе выполнения программы инверторы были

усовершенствованы и жалобы на них прекратились. Важную роль играл, ранее недооценивавшийся коэффициентзатенения. Выяснилось, что в пределах Германии различия в производительности коллекторов по естественным причинам

составили 30%. Дляпримера на приведенадиаграмма выработкиэлектроэнергии помесяцам ФЭСустановленной на одномиз домов в Баварии.Полное годовоеэлектропотреблениедомохозяйства составило2800 квт*час. выработка

ФЭС 1400 квт*час; т.е.