Статті. Перспективи сонячної енергетики. Сонячна енергія для дому

22.07.2015

Сонячна енергія для будинку
Перспективи сонячної енергетики

З можливих «наступників», які можуть підхопити естафету у традиційної енергетики, найбільш привабливо серед альтернативних джерел виглядає енергія Сонця, екологічно чистий вже тому, що мільярди років надходить на Землю і всі земні процеси з нею звиклися. Потік сонячної енергії люди просто зобов’язані взяти під свій контроль і максимально використовувати, зберігаючи тим самим незміненим унікальний земний клімат.

Кілька ключових цифр. За рік на Землю приходить 1018 кВт.год сонячної енергії, всього 2% якої еквівалентні енергії, одержуваної від спалювання 2.1012 т умовного палива. Ця величина порівнянна з світовими паливними ресурсами — 6.1012 т умовного палива, так що в перспективі сонячна енергія цілком може стати основним джерелом світла і тепла на Землі.

Причина повільного розвитку сонячної енергетики проста: середній потік радіації, що надходить на поверхню Землі від нашого світила, дуже слабкий, наприклад, на широті 40° він становить всього 0,3 кВт/м2 — майже в п’ять разів менше того потоку, який приходить на кордон атмосфери (1,4 кВт/м2). До того ж він залежить від часу доби, сезону року і погоди. Щоб підсилити потік сонячної енергії, треба збирати її з великої площі з допомогою концентраторів і запасати про запас в акумуляторах. Поки це вдається зробити в так званій малій енергетиці, призначеної для постачання світлом і теплом житлових будинків і невеликих підприємств.

Серед сонячних електростанцій (СЕС), що здатні забезпечити електроенергією, наприклад, невелике завод, більше за інших поширені СЕС баштового типу з котлом, високо піднятим над землею, і з великим числом або плоских параболічних дзеркал (геліостатів), розташованих навколо підстави вежі. (Див. «Наука і життя» № 10, 2002 р.) Дзеркала, повертаючись, відстежують переміщення Сонця і направляють його промені на паровий котел. Виробляється котлом пар, так само як на теплових електростанціях, приводить в дію турбіну з електрогенератором.

Сонячні електростанції потужністю 0,1-10 МВт збудовані у багатьох країнах з «гарним» сонцем (США, Франція, Японія). Не так давно з’явилися проекти більш потужних сонячних електростанцій(до 100 МВт). Головна перешкода на шляху їх широкого розповсюдження сонячних електростанцій — висока собівартість електроенергії: вона в 6-8 разів вище, ніж на ТЕС. Але з застосуванням більш простих по конструкції, а значить, і більш дешевих геліостатів собівартість електроенергії, що виробляється сонячними електростанціями, має суттєво знизитися.

Фототермические і фотоелектричні перетворювачі світла

Існують два основних способи перетворення сонячної енергії: фототермический і фотоелектричний. У першому, простому, теплоносій (найчастіше вода) нагрівається в колекторі (системі светопоглощающих труб) до високої температури і використовується для опалення приміщень. Колектор встановлюють на даху будинку так, щоб його освітленість протягом дня була найбільшою. Частина теплової енергії акумулюється: короткостроково (на кілька днів) — тепловими акумуляторами, довгостроково (на зимовий період) — хімічними. Сонячний колектор простий конструкції площею 1 м2 за день може нагріти 50-70 л води до температури 80-90°С. На границі шарів виникає потенційний бар’єр, що перешкоджає переміщенню носіїв (електронів і «дірок») з одного шару в інший (в такому стаціонарному стані струм не тече по всьому напівпровідника). Коли ж на фотоелемент падає світло (потік фотонів), фотони, поглинаючись, створюють пари електрон-«дірка», які, підходячи до межі шарів, знижують потенційний бар’єр, даючи можливість носіям безперешкодно проходити з шару в шар. В напівпровіднику виникає наведена електрорушійна сила (ЕРС), і він стає джерелом електричного струму. Величина фото-ЕРС буде тим більше, чим інтенсивніше світловий потік.

Ефективність сучасних кремнієвих (а також на основі арсеніду галію) фотоелементів досить висока (їх ккд досягає 10-20%), а чим вище ккд, тим менше необхідна площа сонячних батарей, яка навіть в малій енергетиці становить десятки квадратних метрів. Великим досягненням напівпровідникової промисловості стала розробка кремнієвих фотоелементів, що мають ккд до 40%. Останнім важливий напрямок у розвитку сонячної енергетики — створення більш дешевих і зручних фотоперетворювачів: стрічкових полікристалічних кремнієвих панелей, тонких плівок аморфного кремнію, а також інших напівпровідникових матеріалів. Найбільш високоефективним з них виявився алюміній-галій-миш’як, його промислова розробка тільки починається. Велику перспективу відкривають гетероструктурные напівпровідники, ефективність яких в два рази вище, ніж звичайних кремнієвих зразків. За відкриття гетероструктур та їх впровадження продовжувач робіт А. Ф. Іоффе директор ФТІ академік Ж. В. Алфьоров одержав у 2000 році Нобелівську премію (див. «Наука і життя» № 4, 2001 р.). Таким чином, визнані у всьому світі вітчизняні напівпровідники — це та база, на основі якої можна успішно розвивати сонячну енергетику.

Концепція «сонячного будинку»

За останні 15-20 років «сонячні» будинки стали рости як гриби після дощу. У самому простому і найбільш поширеному варіанті більша частина енергетичних потреб такого будинку забезпечується сонячним світлом і теплом, за рахунок чого витрати інших енергоносіїв знижуються на 40-60% (залежно від конструкції будівлі і його місцезнаходження). А «сонячний» будинок, оснащений ефективною тепловою установкою, може повністю задовольнити запити його мешканців теплі і світлі навіть без використання інших джерел енергії. І при цьому — ніяких відключень і перебоїв в подачі електроенергії, ніяких проводів ззовні, ніяких лічильників, ніяких запасів дров, вугілля чи мазуту.

Головне в концепції «сонячного» житлового будинку — максимальне, виходячи з особливостей місцевості та клімату, використання сонячного випромінювання, перетворення його в тепло і збереження теплової енергії в будинку з найменшими втратами. Реалізація такого підходу дає значну економію коштів і поліпшує екологічну обстановку (за рахунок мінімального застосування всіх інших джерел енергії): в атмосферу викидається менше продуктів горіння, дороги звільняються від важкого транспорту, що перевозить мільйони тонн палива, лісу зберігаються від вирубування на дрова і т. д.

Існують пасивна і активна системи енергозбереження «сонячного» будинки. Перша з них передбачає використання деяких архітектурно-будівельних прийомів на стадії проектування: орієнтація будинку по осі південь-північ; відсутність затінення південної стіни; наявність північної пологою стіни з мінімальною кількістю вікон, наявність заскленою південної стіни (вікна з подвійними або потрійними рамами і повітряним прошарком товщиною 10 мм між стеклами, що сприяє термоізоляції. З цією ж метою між стеклами можна встановити жалюзі, які будуть закриватися вручну або управлятися термостатом з різниці внутрішньої і зовнішньої температур); посилена термоізоляція зовнішніх стін; облаштування теплових тамбурів на вході; наявність за заскленою південною стіною масивної стіни, служить акумулятором денного тепла (стіна Тромба); організація в підвальному приміщенні повітряного теплообмінника (у вигляді шухляди з гравієм або ємності з водою), акумулюючого до 80% тепла виходить назовні «відпрацьованого» повітря; використання теплиць і приміщень з верхнім денним світлом (атріумів), працюють як теплові акумулятори .

Перелічені технічні прийоми лише незначно (на 5-10%) збільшують вартість будівництва, але при цьому більш ніж удвічі знижують витрати на опалення житла.

Активна система енергозбереження «сонячного» будинки — це теплові сонячні колектори. панелі фотоелектричних елементів (сонячні батареї ), регулювальна автоматика, комп’ютер, керуючий тепловим і світловим режимами, і інша високоефективна техніка для максимального засвоєння сонячної енергії.

Реалізованих проектів «сонячних» будинків, частково або повністю забезпечують себе сонячної енергії за допомогою сонячних батарей, у світі досить багато. Їх будують не тільки в теплих краях (Єгипет, Ізраїль, Туреччина, Японія, Індія, США) і в країнах з помірним кліматом (Франція, Англія, Німеччина), але і в багатьох північних регіонах (Швеція, Фінляндія, Канада, Аляска). Щорічно в західних країнах вводяться сотні тисяч квадратних метрів житла в енергозберігаючих «сонячних» будинках. Спеціалізовані підприємства, що випускають для них обладнання і матеріали, а будівництвом займаються великі фірми, такі, наприклад, як Concept Construction (Канада) або Enercon Building Corporation (США).

У багатьох передових країнах розвиток «сонячного» домобудівництва стало одним з напрямків державної політики. Питаннями енергозберігаючого будівництва займаються ЮНЕСКО, Європейська комісія ООН, Департамент енергії США. Створена і успішно діє всесвітня організація з розвитку і поширенню енергетичних технологій РЕПЕТУЄ. Міжнародне товариство з сонячної енергії ISES, утворене ще в 1954 році, видає журнал «Solar Energy» з питань засвоєння і раціонального використання сонячної радіації.

Особливо широко впроваджуються «сонячні» будинку в Німеччині. Згідно з прогнозом групи німецьких вчених, вже в 2005 році почнеться масове будівництво будинків з тепловими колекторами і сонячними батареями на дахах і фасадах будівель. (З того ж прогнозом, до 2015 року кількість електромобілів у світі перевищить число машин на бензині.) Мабуть, ми стоїмо на порозі бурхливого розвитку сонячної енергетики.

«Сонячне житлове будівництво в Росії»

На жаль, Росія в питанні розвитку «сонячного» домобудівництва продовжує відставати від індустріального світу, хоча її кліматичні умови дозволяють будувати «сонячні» будівлі у багатьох регіонах. Ще 20 років тому в Московському архітектурному інституті був створений перший вітчизняний ескізний проект заміського «сонячного» будинки (див. «Наука і життя» № 12, 1985 р.), який так і не був реалізований. Втім, у нас довго і важко пробивали собі дорогу багато революційні технічні досягнення (електроніка, комп’ютери, засоби комунікації).

Сьогодні, правда, фронт робіт по будівництву «сонячних» будівель розширився. Хорошим акумулятором тепла служать сад та теплиця, які розташовані на другому поверсі. За розрахунками, у житлі, збудованому за проектом «СОЛ-1», тільки у зимовий час доведеться користуватися додатковими джерелами тепла, витрата яких скорочено на 70%. Проект наш, російський, проте перший об’єкт «СОЛ-1» буде побудований в Німеччині, хоча в перспективі збираються зводити такі будинки і в південних районах Росії. Крім цього у нас розроблений проект СЕС потужністю 1,5 МВт для дитячого санаторію в Кисловодську, а в Калмикії вже ведеться будівництво подібної станції. Успішно працюють над «сонячної» програмою НВО «Астрофізика» АТ «Ставропольэнерго», створили автономні гелиоэнергетические установки і блочні модульні електростанції з параболічними концентраторами і дзеркалами, оснащені системами стеження за Сонцем. Нарешті з’явився план «сонячної» села в Краснодарському краї. Фірма «Сонячний вітер» (р. Краснодар) і завод «Червоний прапор» (р. Рязань) готові поставити для неї сонячні модулі і фотоелементи. І все ж у порівнянні з тим, що робиться в галузі сонячної енергетики в західних країнах, — це крапля в морі. А адже наша промисловість і проектні інститути давно готові внести свою лепту у світову скарбничку розробок «сонячному» домобудівництва (див. «Наука і життя» № 6, 2000 р. і № 8, 2001 р.). Це і теплові колектори, і високоефективні фотоелементи, та вироби з спеціально обробленої волого — і вогнестійкою деревини.

Можливо, російські «сонячні» будинки, особливо в сільській місцевості, будуть більше тяжіти до дерев’яним конструкціям, ніж на Заході, де дерево у великому дефіциті. Але основна концепція енергозберігаючого будинку, мабуть, повинна бути єдиною — в Європі, в Америці чи на неосяжних просторах Росії. Потрібна технологічна сумісність елементів «сонячного» будинки, що виготовляються у нас і в інших країнах. Ми повинні інтегруватися в закордонне виробництво, інакше безнадійно відстанемо і будемо змушені купувати «сонячні» будинки за кордоном, де вже зараз 1 м2 геліоколекторів. постачаються західними фірмами, коштує в середньому 400 доларів.

Наша країна не багата теплом. Її не захищають від холодних арктичних вітрів високі гори, не обігрівають теплі океанські течії. Але в Росії величезна і багата природними ресурсами території. Сонце, хоча і не так щедро, як іншим країнам, їй дарує світло і тепло. Треба тільки навчитися по-господарськи використовувати цей екологічно чисте і невичерпне джерело енергії.

Сонячна енергетика ще в самому початку шляху. Її внесок у загальне світове енергоспоживання не перевищує 0,1%, а серед відновлюваних джерел їй належить близько 1%. Але технічний прогрес у цій області за останнє десятиліття, так великий, що фахівці дають вельми оптимістичні прогнози: вже до середини XXI століття сонячна енергетика поряд з іншими поновлюваними джерелами (геотермальні і приливні станції, вітрові турбіни та ін) може зайняти провідне положення у світі.

Що стосується «сонячного» домобудівництва, то, як вважає автор проекту «СОЛ-1» Т. В. Захарова, «енергозберігаючі «сонячні» будинки повинні стати не тільки джерелом економії коштів, але і предметом моди». Тоді сонячна енергія увійде в кожен дім і на зміну сьогоднішнім задимленим містах прийдуть чисті і світлі. Дуже хотілося б, щоб це «сонячне водопілля» прийшло і в нашу країну.

Доктор фізико-математичних наук Б. ЛУЧКОВ.

www.pomreke.ru/energy-future/

Короткий опис статті: сонячна енергія сонячна енергетика, сонячна енергія для дому, сонячні батареї, сонячна енергія, сонячні батареї, сонячні електростанції, сонячні панелі, енергія сонця, Донецьк, продаж сонячних батарей, теплові акумулятори, Україна, Київ, сонячний колектор, продаж, сонячний дім

Джерело: Статті. Перспективи сонячної енергетики. Сонячна енергія для будинку

Також ви можете прочитати