архитектурные статьи

Введение в солнечную энергетику

Современный человек гордится своим новым осознанием открытия изобильного источника энергии, которая достигает нашей планеты через каких-нибудь восемь с половиной минут, покинув гигантскую печь, находящуюся в 150 000 000 км от нас.

С момента своего зарождения живые существа находили простые способы использования для жизнедеятельности энергии этого мощного источника, которая обеспечивает бесконечный цикл жизни и смерти.

Зеленые растения оптимально воспринимают интенсивные лучи солнца. Сам человек эмоционально и духовно реагирует на воздействие солнца, поклоняясь ему и строя свои жилища с должным уважением к его мощи, щедрости и неумолимости. В своих Memorabilia (III, VIII, 8 - 14) Ксенофон записал некоторые положения учения Сократа (470—399 до н. э.), касающиеся жилища:

«И опять его высказывание о жилище... было уроком по искусству строительства домов такими, какими они должны быть. Он так подходил к проблеме: «Должен ли тот, кто хочет иметь хороший дом, придумать его как приятным, так и пригодным для жилья?». Получив утвердительный ответ, он спрашивал: «Приятно ли иметь его прохладным летом и теплым зимой?». И когда они соглашались с этим, он говорил: «В домах, обращенных фасадом на юг, солнечные лучи проникают в портики зимой, но летом путь солнца проходит над нашими головами и над крышей, и потому там всегда тень. Тогда, если это является наилучшим расположением, мы должны возводить южный фасад выше, чтобы воспользоваться зимним солнцем, а северный фасад ниже, чтобы отгородиться от холодных ветров. Короче говоря, дом, в котором хозяин может найти приятное убежище и в безопасности хранить свои вещи, вероятно, будет одновременно самым приятным и самым красивым».

В это отношение к солнцу человек привнес осознанные знания и изобретательность. Еще в доисторические времена солнце высушивало и сохраняло пищу человека. Оно испаряло воды океанов, давая соль. С тех пор как человек начал рассуждать, он признал солнце в качестве движущей силы, и решающего фактора любого природного явления, в том числе созданного руками человека.

Некоторые толкователи полагают, что великие египетские пирамиды, эти свидетельства величайших инженерных подвигов человека, были задуманы как лестницы, ведущие к солнцу. Около двух с половиной тысяч лет назад жрицы-девственницы в храмах Весты зажигали священный огонь при помощи солнечных лучей в фокусе металлических конусов. А в 212 году до н. э. греческий физик Архимед применил огромное вогнутое зеркало из металла (в виде сотен отполированных щитов, направляющих отраженные солнечные лучи на один из кораблей), чтобы сжечь римский флот, атаковавший Сиракузы.

Помимо многочисленных способов использования энергии солнца природой и человеком, как-то: для выращивания зерна, повышения способности видеть или для получения солнечного загара, или сушки одежды, постоянно существует ряд других «обязанностей».

Солнечная энергия используется для отопления и охлаждения зданий, для подогрева воды в плавательных бассейнах, для питания рефрижераторов, двигателей насосов и установок по переработке сточных вод.

Солнечная энергия питает автомобили, печи, дистилляторы и сушилки. Возникающий под воздействием солнечной энергии ветер используется для производства механической и электрической энергии, которая используется как на земле, так и в космосе. Кухонные плиты и автомобили могут работать на метане, полученном при использовании солнечной энергии в цикле работы очистных сооружений, органические остатки могут быть сожжены на электростанциях.

Зависящие от режимов поступления солнечной энергии циклы испарения и выпадения осадков в сочетании с энергией падающей воды приводят в движение турбины и электрические машины. Солнечные электролизеры расщепляют воду на кислород и водород, который может применяться как топливо.

Многие другие разнообразные применения солнечной энергии хорошо описаны у в книге Фаррингтона Дэниелса «Непосредственное использование энергии Солнца», которая является прекрасным исследованием в этой области.

Однако ни одно из этих применений, в том числе и те, которые рассмотрены в данной книге, невозможно понять без знания основных принципов солнечной энергетики. Большая часть энергии, которую мы получаем от солнца, поступает в виде коротковолнового излучения, которое не все видимо для человеческого глаза.

Когда это излучение падает на поверхность твердого или жидкого тела, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, тело нагревается за счет теплопроводности, отдает часть энергии окружающей среде (воздуху, воде, другим твердым и жидким телам) и вторично излучает его на другие тела, имеющие более низкую температуру. Это излучение является длинноволновым.

Стекло, легко пропуская коротковолновое излучение, создает небольшое препятствие проникновению солнечной энергии, но в то же время оно является плохим проводником длинноволнового излучения. После того как энергия солнца проникла через стекла окна и была поглощена каким-либо материалом внутри помещения, тепловая энергия путем излучения практически не передается наружу. Следовательно, стекло работает как тепловая ловушка.

Это явление, известное под названием «парниковый эффект», с давнего времени используется в теплицах, которые достаточно прогреваются в солнечные дни даже в середине зимы. Солнечные коллекторы для отопления зданий, обычно называемые плоскими коллекторами, почти всегда имеют одно или несколько стеклянных покрытий, хотя вместо стекла часто применяются различные пластмассы и другие прозрачные материалы.

Под верхней пропускающей солнечные лучи пластиной в коллекторах имеется другая пластина, которая поглощает энергию падающих на нее солнечных лучей. Эта поглощающая (тепловоспринимающая) пластина часто изготавливается из меди, алюминия, стали или другого подходящего материала и обычно покрывается либо черной краской, либо одним из многих сложных по составу селективных покрытий, которые способствуют поглощению большей части энергии излучения при малом уровне отраже¬ния и переизлучения.

После того как энергия поглощена, она может быть использована. Стеклянные покрытия коллектора призваны снижать потерю тепла с лицевой стороны, а изоляция уменьшает потерю тепла через тыльную часть. От поглощающей пластины тепло передается к жидкому или газообразному теплоносителю, поток которого омывает поглощающую пластину при помощи насоса или воздуходувки.

Жидкости (вода или незамерзающий теплоноситель типа этиленгликоля) протекают вдоль зачерненной теплоприемной поверхности или через трубки, вделанные в поглощающую пластину. Если в качестве теплоносителя используется воздух, то для улучшения теплообмена между воздухом и поверхностью поглощающей пластины необходимо, чтобы площадь этой пластины была развита за счет множества небольших выступов неправильной формы.

В некоторых случаях можно осуществлять прокачку теплоносителя (жидкого или газообразного), не прибегая к механическим средствам, а путем использования эффекта естественной конвекции, или термосифона. По мере подвода тепла нагретые слои жидкости поднимаются вверх, а их место занимают более холодные объемы. Если коллектор установлен с наклоном или вертикально, это положение будет вынуждать жидкость двигаться вдоль поглощающей пластины коллектора по всему тракту без затраты какой-либо дополнительной энергии. Некоторые системы работают именно по такому простому принципу, и при правильной установке работают весьма эффективно. Однако перекачивание с помощью насосов обычно обеспечивает больший КПД коллектора и дает большие возможности при использовании тепла. Это тепло может быть использовано для отопления жилых помещений здания с применением традиционных методов, например с помощью радиаторов и регистров воздушного отопления.

В периоды, когда отопление здания не требуется, подогретые в коллекторе воздух или жидкость могут направляться в контейнер для аккумулирования тепла. В случае применения в качестве теплоносителя воздуха аккумулятором тепла может служить контейнер с камнями или с каким-либо другим теплоаккумулирующим материалом.

Если теплоносителем является жидкость, то аккумулятор, как правило, представляет собой хорошо изолированный бак с водой, обладающей хорошей теплоемкостью. Тепло может также аккумулироваться в контейнерах с эвтектическими солями или солями с фазовым переходом. Эти соли, способные аккумулировать большое количество тепла в сравнительно малом объеме, при плавлении в процессе нагрева накапливают тепло и отдают его потом при охлаждении и кристаллизации.

Когда здание требуется отапливать, воздух или вода из отопительной системы проходит через аккумулятор тепла, нагревается и поступает в обычные отопительные приборы для обогрева помещений. Так как системы солнечного теплоснабжения не могут функционировать в течение долгих периодов холодных, малосолнечных дней, лишь немногие проекты, осуществленные на сегодняшний день, обеспечивают все потребности здания в отоплении при помощи солнечной энергии.

Система, способная обеспечить достаточное количество тепла для потребителя в течение этих периодов, будет иметь настолько большие габариты, что дополнительные расходы редко оказываются оправданными. Поэтому система солнечного отопления почти всегда требует наличия системы обычного отопления в качестве дублирующей.

То же самое справедливо и для систем солнечного охлаждения. В большинстве случаев систему солнечного теплоснабжения и традиционную можно успешно объединять. Однако при этом могут потребоваться довольно существенные переделки традиционной системы. Например, системы солнечного нагрева наиболее эффективны в работе при пониженных рабочих температурах. В этом случае коллекторы поглощают больше тепловой энергии, а потери системы - меньше.

Обычная же система водяного отопления работает при сравнительно более высоких температурах. Поэтому оптимальная система потребует более низкого уровня рабочей температуры и несколько другого подхода ко всей системе отопления в целом. По этой причине обычно трудно «вписать» систему солнечного отопления в существующую традиционную систему. Однако имеется ряд других способов использования солнечной энергии для существующих зданий, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Тепловая энергия солнечной радиации может быть использована для охлаждения зданий на основе принципа абсорбционного го охлаждения, на котором работают газовые холодильники. Однако используемое в настоящее время оборудование требует довольно высоких рабочих температур, намного превышающих температуры, соответствующие эффективной утилизации солнечной энергии.

Большая часть проведенных в этой области исследований посвящена разработке систем, работающих при меньших температурах, и разработке коллекторов, которые более эффективны при повышенных температурах. Однако, вероятно, потребуется еще много времени, прежде чем системы солнечного охлаждения, в которых применяются солнечные коллекторы, будут жизнеспособны.

В этой книге также рассматриваются и другие виды солнечного охлаждения, такие как компрессионные и основанные на естественном охлаждении. В различных частях мира миллионы людей используют солнечные энергетические установки для подогрева питьевой воды, которые выпускаются промышленностью. Правительство Австралии приняло решение обеспечивать все новое жилье в северной части страны солнечными подогревателями воды при использовании для этой цели и электроэнергии.

Широко применяются солнечные водоподогреватели в Израиле. В Японии, например, получили распространение простые пластмассовые водоподогреватели без дублирующих источников энергии. Существует активная индустрия производства солнечных водоподогревателей во Флориде и Калифорнии.

Из-за сравнительно низких цен на конкурирующие виды топлива и трудностей эксплуатации солнечных водоподогревателей при их работе при отрицательных температурах солнечный подогрев воды до сих пор не получил широкого распространения в северных странах. Однако по мере роста цен на природное топливо и совершенствования солнечных коллекторов солнечный подогрев воды в странах с холодным климатом начинает постепенно находить свое применение.

Пожалуй, наилучшим способом использования солнечной энергии для подогрева воды является применение подогревателя, нагревающего воду из городского водопровода или колодца до температуры коллектора, затем подача ее в обычный бытовой водоподогреватель, где ее температура при необходимости может быть поднята выше. При этом КПД коллектора будет достаточно высоким, и не надо будет стремиться к использованию исключительно только солнечной энергии, поскольку дублирующее устройство явится составной частью самой системы. Этот вопрос обсуждается ниже в разделе о подогреве воды. Помимо использования для отопления, охлаждения зданий и подогрева воды солнечная энергия может быть преобразована в электричество следующими пятью основными способами.

1. Используя низкотемпературную разность на уровне 16 - 22° между нагретыми солнцем верхними и нижними холодными слоями воды в океане  может работать тепловая машина. Такая машина имеет привод на генератор, вырабатывающий электроэнергию или водородное топливо. По словам д-ра Уильяма Херонемуса из Массачусетского университета, такие электростанции могут быть конкурентоспособны по стоимости со станциями, работающими на природном топливе.

2. Используя энергию ветра, вызываемого солнечной радиацией, можно вращать воздушную турбину (ветряной двигатель), которая в свою очередь является приводом генератора, вырабатывающего электроэнергию. Энергия ветра может быть также преобразована в механическую энергию, например для перекачки воды.

3. Используя солнечную энергию с помощью фотосинтеза, можно выращивать растения и другие организмы типа водорослей, которые могут служить топливом вместо угля после соответствующей обработки (сушки, дробления или измельчения). Выращенные под солнцем такие растения можно использовать в качестве топлива, например, для отопительных печей и котлов. Эффективность фотосинтеза составляет 0,3 - 3% в зависимости от используемого вида растительности. Из-за малой эффективности такого вида преобразования для обеспечения значительного количества энергии требуются большие земельные площади.

Например, для удовлетворения текущих энергетических потребностей США потребуется около 3% всей площади суши страны. В декабре 1972 г. в отчете комиссии по науке и астронавтике палаты представителей США указывалось, что при современной технологии выращивания растений имеющиеся избыточные сельскохозяйственные угодья можно с успехом использовать для производства горючего растительного топлива. По состоянию на декабрь 1972 г. в стране обрабатывалось 1 217 000 км2 земли, при этом излишки составляли 243 000 км2. Авторы отчета определили, что за счет использования этих избыточных площадей можно получить достаточно топлива, чтобы удовлетворить 10% энергетических потребностей США, планируемых на 1985 г. Органический продукт можно также превратить в метан, водород или нефть при помощи деструктивной перегонки (пиролиза), химической обработки под высоким давлением или биохимической ферментации.

Пиролиз представляет собой процесс, при котором органические вещества нагреваются при отсутствии воздуха. При химической обработке под высоким давлением органические вещества нагреваются под давлением в присутствии воды и двуокиси углерода в качестве защитного газа. В последние 20 лет в США применяются несколько процессов биохимической ферментации, в результате которых получают метан, используемый в качестве топлива, в процессе очистки сточных вод. Однако задача большинства очистных станций заключается в обработке стоков, а не в производстве топлива. Водород можно получить также в процессе электролиза (разделения воды на водород и кислород) за счет солнечной энергии, сжигать его затем в качестве топлива или использовать для производства электроэнергии.

Отходы лесного хозяйства и бытовой мусор можно использовать непосредственно в качестве топлива для производства энергии или косвенно для получения других видов топлива, например метана или метанола. Согласно оценке, отходы от текущих лесозаготовительных работ могли бы удовлетворить 10 - 20% энергетических потребностей США 1975 г.

4. Непосредственное преобразование солнечной энергии в электроэнергию может быть осуществлено с помощью фотоэлементов. Кремниевые солнечные батареи широко применяются в настоящее время на космических кораблях с КПД в среднем около 10%. Однако затраты при этом достигают миллиона долларов на 1 кВт мощности. Для наземного применения, например для отдельно стоящих морских нефтяных вышек, батареи несколько более низкого качества обеспечивают КПД от 4 до 5%. Максимальный теоретический КПД для фотоэлектрического пре¬образователя составляет около 35%, однако реально достижимым считается КПД на уровне 20%. Поликристаллические преобразователи имеют более низкий КПД, чем применяемые сейчас в космических кораблях монокристаллические, но они дешевле.

Для увеличения интенсивности солнечной радиации на небольшой площади можно использовать концентраторы, значительно повышающие отдачу солнечных батарей. Стоимость таких установок может быть снижена до 2000 долл, за 1 кВт пиковой мощности, а возможно и ниже. Фотоэлектрические батареи можно использовать для выработки электроэнергии в крупных масштабах, если занять для этого многие квадратные километры земли. На сегодня они приемлемы и для отдельных сооружений, что продемонстрировано на примере, пожалуй, наиболее технологичного дома, питаемого солнечной энергией, из всех когда-либо построенных. В этом доме (университет, шт. Делавэр, США) солнечная радиация преобразуется не только в тепло, но и в электроэнергию при помощи фотоэлектрических батарей.

5. Применение концентрирующих коллекторов для нагрева теплоносителей, которые используются в тепловых двигателях, вращающих генераторы, предназначенные для выработки электроэнергии. Современные низкотемпературные коллекторы типа плоских коллекторов, описанных выше, вполне пригодны для отопления зданий и подогрева воды.

При дальнейшем совершенствовании эти устройства будут способны снабжать энергией холодильное оборудование абсорбционного типа. Однако они не пригодны для высокоэффективного производства электроэнергии или для получения искусственного топлива при помощи тепловых процессов. Для этой цели требуются концентрирующие коллекторы, обеспечивающие получение более высоких температур.

Энергия солнечного излучения собирается со сравнительно большой площади коллектора в небольшой приемник, из которого она поступает в аккумулятор. Такие концентраторы обычно имеют параболическую или цилиндрическую форму и позволят достичь температур до 500° С и выше. Сезонная эффективность большинства фокусирующих коллекторов часто ниже, чем у плоских, из-за более высоких рабочих температур. Кроме того, поскольку они воспринимают прямую, а не диффузную радиацию, для их работы требуется безоблачное небо.

Плоские коллекторы в противоположность концентрирующим могут использовать солнечную радиацию и в виде рассеянной. Этим объясняется то, что концентрирующие коллекторы, как правило, сравнительно дороги. Учеными предложены схемы преобразования солнечной энергии в электрическую в больших масштабах с помощью станций, состоящих из концентрирующих устройств и занимающих многие квадратные километры территории, главным образом в тех районах, где редко бывает облачность, например в пустыне шт. Аризона.

Согласно различным проектам, сотни таких станций будут занимать многие тысячи квадратных километров пустынь. В Соединенных Штатах пустыни занимают более 100 тыс. км2, и примерно 10% этой площади предполагается использовать для этой цели. По мнению Уолтера Э. Морроу (лаборатория им. Линкольна Массачусетского технологического института), если принять КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на уровне 30%, то текущие потребности США в электроэнергии могут быть удовлетворены солнечными энергетическими установками, расположенными на общей площади около 5200 км2. «Это составляет около 0,03% всей площади сельскохозяйственных угодий США и около 2% площадей, отведенных под дороги, что примерно равно площади крыш всех зданий в США».

Брюс Андерсон Харрисвилл, Нью-Гэмпшир, Солнечная энергия : (Основы строительного проектирования). Total Environmental Action, Inc. 1977

Солнечная энергия: условия рационального использования

Введение в солнечную энергетику

Использование солнечной энергии в наши дни

Пусть солнце входит в дом. Проектирование с учетом солнечной энергии

Проектирование домов

Дизайн фасадов