Солнечные установки находят все большее применение в системах отопления зданий, кондиционирования воздуха, получения горячей воды, опреснения морской воды, сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов.
В южных и центральных районах России серьезное внимание следует уделять установкам солнечного горячего водоснабжения, поскольку их легко построить и применить в личном подсобном хозяйстве.
При постройке новых и модернизации существующих жилых домов можно выделить три направления для максимального снижение потребления всех форм энергии:
- здания с высокоэффективной тепловой изоляцией и оптимальной планировкой;
- здания с системами поглощения и аккумулирования солнечной энергии (рис. 1,4);
- здания с системами поглощения и аккумулирования солнечной энергии и с системами преобразования солнечной энергии в электрическую.
Очень прост и дешев в строительстве гравийно-галечный аккумулятор, который днем накапливает тепловую энергию, а ночью ее отдает. Для жилого дома площадью 60 м2 объем аккумулятора составляет 3-6 м3.
Здания третьего типа целесообразно строить в южных районах России.
До постройки дома важно правильно выбрать участок земли и правильно сориентировать дом по отношению к солнцу. Для этого следует иметь в виду, что южная стена дома и кровля должны освещаться солнечными лучами с утра и хота бы до 3 ч дня внеблагоприятные дни.
Для проектирования "солнечного" дома требуется оптимальная форма здания (близкая к квадрату форма). Для ограждающих элементов здания следует выбирать материалы с высокими теплоизоляционными свойствами. Высокие требования должны применяться к остеклению, особенно в холодных климатических зонах. Должна быть предусмотрена, дифференциация помещений по режимам эксплуатации и потребления энергии - следует размещать гаражи, санитарные узлы, кладовые, подсобные помещения с северной стороны здания, создавать тепловые буферные зоны (двойные двери, крытые террасы и т. п.).
Рис. 1.4. Принципиальная схема солнечного дома с аккумулятором тепловой энергии
В районах с жарким климатом летом требуется усиленная естественная вентиляция зданий для защиты людей от перегрева. Поэтому в "солнечном" доме необходима рациональная организация воздушных потоков в помещении за счет свободной конвекции.
Пассивные системы наиболее просты и практически не требуют сложного дополнительного оборудования. Их эксплуатация не вызывает никаких сложностей и не требует высокой квалификации. Пассивные системы можно условно разделить на три группы:
- с непосредственным обогревом помещений через окна, размещенные на южной стене здания, и фонари верхнего снега;
- с нагревом наружной теплоаккумулирующей массы;
- с нагревом изолированного объема, подогретый воздух из которого затем распределяется по помещениям.
Самый простой пример солнечного отопления — обращенные на юг окна зданий. Простейшая система солнечного отопления может включать в себя коннекторы, которые работают только тогда, когда здание нуждается в теплоте и светит солнце. Такие коллекторы зимой устанавливаются на открытых площадках около дома, а летом демонтируются. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. Воздух из домов вентилятором подается а коллектор, нагревается солнечными лучами и затем поступает снова в помещение.
Прямой обогрев - исторически сложившийся вид солнечного отопления. Он требует ориентации основных помещений на юг. Избытки теплоты аккумулируются внутренним термальным массивом: кирпичными или каменными полами, внутренними стенами, каминами, емкостями с водой или другими жидкостями. Оптимальное расположение массива должно быть в зоне непосредственной солнечной радиации, что в несколько раз увеличивает его аккумулирующую способность. На 1 м2 остекления желательно иметь 1 м3 теплоаккумулирующего массива. Необходимым элементом в солнечных системах подобного типа является надежная система теплоизоляции и солнцезащиты помещений летом.
Нагрев наружного массива широко используется в жилых домах с пассивными солнечными системами. Наиболее известный вариант этого массива (стена Тромба) представляет собой каменную, бетонную или кирпичную стену, размещенную на южном фасаде здания и окрашенную в темный цвет. На небольшом расстоянии от стены размещена стеклянная облицовка. Теплоносителем является воздух, который нагревается в канале между стеной и облицовкой и нагревает стену, которая постепенно излучает полученную теплоту в помещение.
Нагрев изолированного объема является модификацией прямого обогрева. Остекленный объем теплицы, зимнего сада или оранжереи может примыкать к южному фасаду дома или встраиваться в него. Нагретый в теплице воздух распространяется по остальным помещениям за счет свободной (естественной) конвекции или по каналам за счет принудительной тяги. Помещение оранжереи или теплицы может быть полностью изолировано от дома.
Во всех регионах нашей страны жилые дома не могут эксплуатироваться без отопительных устройств. Солнечные коллекторы, аккумуляторы теплоты должны стать такими же обычными элементами жилого дома, как и радиаторы обычной системы отопления.
Солнечная отопительная система здания обычно включает в себя коллекторы (теплообменники), насос и бак-накопитель. Для работы коллектора совсем не требуется ясное солнце, он может нагреть теплоноситель и зимой, и в облачную погоду. 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 градусов, причем наилучшее место для установки - южные скаты крыши. Конструкция кровли и её материал не имеют никакого значения. Современные наборы крепёжной и установочной арматуры позволяют быстро и просто установить аппаратуру и не только не нарушить внешний вид здания, но и сделать его более привлекательным
В непосредственной близости от коллекторов, на чердаке, следует устанавливать баки-накопители, необходимые для того, чтобы компенсировать несоответствие между поступающей солнечной энергией и расходом горячей воды. Конкретный объём накопителя зависит от площади коллекторов и от расхода потребляемой воды.
Солнечная нагревательная система для небольшого дома может включать в себя от 2 до 4 коллекторов и накопитель емкостью от 300 до 700 л.
Минимальная площадь для установки накопителя 60x60 см. Контур может быть заполнен специальной незамерзающей при низких температурах жидкостью. Работу системы контролирует простейшая система автоматики.
Испытания трех опытных жилых домов с солнечным отоплением в северных районах Монголии показали, что экономия топлива может составить до 35 % весной и осенью и 10-15 % зимой. Работающие летом в пустынных районах Монголии опреснители имеют суточную производительность 4-8 литров пресной воды с 1 м2 поверхности солнечного коллектора.
В Китае на Тибетском нагорье идеальные условия для практического использования солнечной энергии, так как там солнце светит не менее 3000 ч в год. Этому способствует чистый сухой воздух нагорья высотой более 3000 м. Госсоветом КНР принята "Программа использования солнечной энергии в Тибете". Здесь в 1997 году работало 50 тыс. бытовых гелиопечей.
В пригородах Лхасы и Шигадзе построено более ста гектаров пленочных теплиц на солнечной энергии. В новых городских поселках гелиоустановками отапливается 150 тыс. м2 жилья. За счет использования энергии солнца Тибетский автономный район ежегодно экономит 100 тыс. т угля, что позволяет, кроме экономической выгоды, сохранять уникальную природную среду.
Солнечные нагревательные системы могут также поддерживать необходимую температуру в помещениях, оставленных без контроля и проживания на любой срок, обогревать любые помещения, теплицы, оранжереи, подогревать воду в открытых и закрытых бассейнах, устранять обледенение дорожек в зонах отдыха в зимнее время.
Накопленный в США опыт показывает, что, хотя применение солнечных систем дает увеличение капитальных затрат на строительство примерно на 60 %, это увеличение компенсируется сокращением почти на 60 % расходов на отопление. В недалеком будущем возможно сокращение затрат на отопление на 70% при увеличении стоимости строительства дома всего на 3 %.
В 65 км к северо-западу от Сан-Франциско (США) в течение одного года построен дом, снабженный новейшими системами использования солнечной и ветровой энергии. В доме были установлены компактные флуоресцентные лампы, оконное стекло препятствовало излучению энергия наружу, холодильники и печи были высокоэффективны. При постройке дома использовались высоко- эффективные теплоизоляционные материалы.
Электрогенерирующая система состоит ю пятидесяти модулей MSX-60, развивающих мощность 3 кВт, и обычных аккумуляторов емкостью 50 кВт-ч.
Два ветрогенератора мощностью 1 кВт каждый установлены на мачтах высотой б м (полная мощность развивается при скорости ветра 12,5 м/с). Активная солнечная система для нагрева воды состоят из изолированных коллекторов площадью 30 м2 и бака-накопителя объемом 1890 л. Эта система защищена от возможного промерзания зимой.
При нехватке энергии может быть запущен двигатель внутреннего сгорания мощностью 6,5 кВт, работающий на сжиженном пропане.
Зимой солнечная система обеспечивает 50 % энергии, необходимой для обогрева дома и снабжения его горячей водой. В ветреную погоду при скоростях ветра 6,6-3,9 м/с каждый ветрогенератор развивает мощность примерно 200-400 Вт.
Энергоэффективный двухэтажный дом площадью 160 м2 из качественных теплоизоляционных материалов был построен в Японии в префектуре Кумамото для одной семьи (рис. 1.5). Потери теплоты были снижены на 60 % по сравнению с обычными домами подобного типа.
Установленные на крыше дома фотоэлектрические модули полностью обеспечивали потребности в электроэнергии на кондиционирование воздуха и приготовление пищи в дневное время и в ясную погоду. По сравнению с домами подобного типа в данной местности энергопотребление было снижено на 44 %. Жители дома совсем не использовали органическое топливо для приготовления пищи.
Рис. 1.5. Энергоэффективный жилой дом с установленными на крыше солнечными батареями
Наблюдения за потреблением энергии и качеством климата в помещениях проводились в течение трех лет. Стены дома были выполнены из заполненных стекловолокном панелей толщиной в 3-5 раз больше, чем обычно, а окна имели двойное остекление. При строительстве использовали влагонепроницаемую пленку. Пол был выполнен из бетонных блоков, под которым размещался вспененный изоляционный материал.
Все это позволило снизить потерн теплоты в окружающее пространство на 60 %.
Из-за великолепной теплоизоляции дома суточные потребности в энергии на приготовление пищи составляли 6,72 кВт-ч, а на кондиционирование воздуха - 7,56 кВт-ч, причем кондиционер включался в работу летом только на 3 ч в день (на мощность 40 %). Солнечные фотоэлектрические модули площадью 37,2 м2 были размещены на крыше и могли ежедневно при хорошей погоде вырабатывать 12,74 кВт-ч электроэнергии.
В зимний день с температурой наружного воздуха от -2 до 9 °С минимальная комнатная температура в доме не опускалась ниже 22 оС.
В летние дни с температурами воздуха от 23 до 37 С температура воздуха в комнатах не превышала 29 °С при относительной влажности 50 %. Температура поверхности бетонного пола даже зимой не была ниже 18 оС.
Годовое потребление электроэнергии в экспериментальном ломе составило всего 2646 кВтч, что намного меньше энергопотребления в типовом для данной местности доме аналогичных размеров (5211 кВтч). И это несмотря на то, что в типовом доме используется органическое топливо для обогрева и приготовления еды.
В ''солнечном" поселке Метцлих (Галле, Германия) были установлены солнечные коллекторы второго поколения, у которых застекленный абсорбер погружен в пенополиуретановую изоляцию, вследствие чего коллекторы могут быть уложены на крыше, как черепичные плитки большого размера, обеспечивая при этом водонепроницаемость кровли.
При строительстве солнечных домов важно, чтобы стены обладали соответствующими теплофизическими свойствами - низкой теплопроводностью и высокой теплоаккумулирующей способностью. На сегодняшний день известно большое количество таких материалов, среди которых особое место занимает газобетон.
В Европе изделия из газобетона с каждым годом занимают все более прочные позиции на рынке строительных материалов.
Газобетон представляет собой искусственный камень с равномерно распределенными по объему сферическими порами диаметром до 3 мм. Основными компонентами при изготовлении этого материала являются алюминиевая пудра, кварцевый песок, известь. Помимо основных составляющих могут использоваться такие промышленные отходы, как, например, зола и шлаки.
Газобетонные блоки являются легким материалам с высокими прочностными характеристиками. Стены из газобетона великолепно выдерживают воздействие агрессивной атмосферной среды. Материал обладает отличными теплоизолирующими и теплоаккумулирующими свойствами. По теплопроводности блоки стандартной толщины (375 мм) эквивалентны 600-миллиметровой кирпичной кладке.
Газобетон удовлетворяет всем экологическим требованиям, так как не содержит никаких вредных для человека компонентов, а также не выделяет в окружающую среду газы и пыль. По показателям огнестойкости и звукоизоляция он занимает среди стеновых материалов лидирующие позиции. Кроме того, газобетон влагостоек и не подвержен гниению. Благодаря порам в газобетонных блоках достигаются оптимальные показатели температурно-влажностного режима, что особенно важно для жилых домов.
Газобетон представляет собой экономичный и эффективный строительный материал, свойства которого позволяют в сжатые сроки сооружать долговечные промышленные и сельскохозяйственные объекты, общественные здания, склады в самые различные жилые здания.
Использование солнечной энергии в промышленности
Компания Де Норд в Голландии выращивает тюльпаны, крокусы, лилии и т. д. Луковицы этих цветов должны быть просушены перед продажей. Для снижения затрат на прогрев луковиц компания использовала солнечный подогрев.
Для этого под крышей была создана полость, через которую атмосферный воздух поступал в помещение. В ясные солнечные дни крыша нагревалась, передавая теплоту циркулирующему воздуху, что снижало затраты на дальнейший подогрев воздуха в обычном теплообменнике.
Внедрение системы позволило за период с июня 1995 года но февраль 1996 года сэкономить 4015 м2 природного газа. Срок окупаемости достаточно высок (17 лет), однако техническое усовершенствование системы сушки позволит снизить срок окупаемости почти в два раза.
Приточная вентиляция необходима для поддержания чистоты воздуха в производственных помещениях, особенно там, где технологические процессы сопровождаются появлением пыли и вредных газов.
Существующие системы вентиляции далеко не всегда обеспечивают требуемый уровень чистоты воздуха в производственных помещениях.
В Канаде в 1996 году была роздана технология, получившая название "солнечная стена", которая позволила повысить эффективность работы системы вентиляции. Разработанная конструкция включает в себя установленную на южной стороне здания поверхность, в которой просверлены тысячи отверстий диаметром около 1 мм. Поверхность размещена на расстоянии 30 см от существующей стены здания, и между ними образован канал для прохода воздуха.
Установленные в помещении вентиляторы создают разряжение в канале, и воздух движется по нему, получая теплоту от нагретой солнцем поверхности.
Использование "солнечной стены" снижает затраты на подогрев и очистку воздуха и одновременно уменьшает тепловые потерн из помещения в окружающую среду. В головном образце системы поверхность перфорированной стенки составила 8826 м2. Все параметры системы вентиляции контролировались компьютеризированной системой. Система вентиляции с помощью 29 вентиляторов подавала 1 070 тыс. м3/ч воздуха; воздух из помещения выбрасывался через 49 выводов, размещенных на крыше.
Эффективность поглощения солнечной энергии составила 63 %, а всего за год каждый квадратный метр "солнечной стены" поглотил 1,21 ГДж/м2 энергии солнца. С учетом того, что снизились потери теплоты через южные фасады здания, годовая экономия теплоты составила 2,63 ГДж/м2.
С учетом затрат на проектирование, общая стоимость "солнечной стены" составила 2,29 млн. канадских долларов. Ежегодная экономия на топливе (природный газ) составила 153 тыс. канадских долларов, а экономия электроэнергии на привод вентиляторов -$ 13500.
Солнечный транспорт
Сегодня никого уже не удивляют автомобили, работающие на солнечной энергии, даже проводятся гонки для таких автомобилей. В Австралии огромной популярностью пользуется ралли протяженностью 3000 км (от города Дарвина до Аделаиды), в которых принимают участие автомобили, имеющие единственный источник энергии - солнце. Правилами предусмотрено, что площадь солнечных батарей на каждом автомобиле не должна превышать 8 м2. И такие автомобили уже могут развивать скорость до 100 км/ч.
Конечно, солнечные автомобили пока чрезвычайно дороги. Вполне возможно, что такие автомашины в недалеком будущем станут оснащаться солнечными батареями, размещенными на крыше, и аккумуляторными батареями, причем при необходимости аккумуляторные батареи будут подзаряжаться (обычно при стоянке в гараже). И, конечно, предназначены они будут для поездок на короткие расстояния.
В 1997 году на рукотворном озере к юго-востоку от Сиднея (Австралия) появился необычный 35-метровый катамаран с двумя крыльями, на которых были размещены защищенные от воздействия влаги солнечные модули.
Но эти крылья были не просто подставками. Будучи поднятыми перпендикулярно к поверхности воды, они могли служить катамарану парусами. Таким образом этот корабль может использовать солнечную энергию и энергию ветра к успешно двигаться в абсолют но безветренную, но ясную погоду.
