ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В дачних будинках (НА ПРИСАДИБНИХ ДІЛЬНИЦЯХ)
В. П. Бреусов
д. т. н. професор СПбГПУ
Майже всі джерела енергії так чи інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафта, природний газ не що інше як "законсервована" сонячна енергія. Вона поміщена в цьому паливі з незапам'ятних часів; під дією сонячного тепла і світла на Землі росли рослини, накопичували в собі енергію, а потім в результаті додаткових хімічних процесів перетворилися в вживалося сьогодні. Сонце щороку дає людству мільярди тонн зерна і деревини. Енергія річок і гірських водоспадів також народжується від дії Сонця, яке підтримує кругообіг води на Землі.
В усіх наведених прикладах сонячна енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Вельми заманливо було б виключити ці перетворення і знайти спосіб безпосередньо перетворити теплове і світлове випромінювання Сонця, падаюче на Землю, в механічну або електричну енергію.
Всього за три дні сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив. Більшу частину цієї енергії розсіює або поглинає атмосфера, особливо хмари, і лише третина її досягає земної поверхні.
Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частини, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така "нікчемна" величина в 1600 разів більше енергії, яку дає решта всіх решта всіх джерел, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного невеликого озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.
Людина ще з найдавніших часів знав про це невичерпне джерело енергії. Всім нам добре відомо з власного досвіду, що простим збільшувальним склом можна сфокусувати сонячне світло в одну точку, де гарячий пучок променів може запалити якусь горючу речовину. Ймовірно, декому з вас доводилося в лісі, через брак сірників, користуватися лупою, щоб розпалити багаття. Існує легенда про те, що давньогрецький математик і фізик Архімед під час Пунічної війни за допомогою системи дзеркал підпалив дерев'яні римські кораблі в Сіракузах. Сьогодні ця історія видається нам дуже сумнівною, бо в III в до нашої ери люди не вміли робити досить великих і точних дзеркал, здатних щось підпалити на відстані. Але цікаво, що сама ідея виникла ще в античну епоху: значить, люди вже тоді замислювалися над тим, як зловити і використовувати сонячні промені, знали про здатність лінз і увігнутих дзеркал зосереджувати промені в одній точці - фокусі. Саме лінзами користувалися давньогрецькі жерці, щоб запалити священний вогонь в храмі богині Вести.
Однак за весь час, починаючи з перших скромних дослідів в XVII в. і до космічних польотів, прямого використання сонячної енергії приділяли недостатню увагу.
Відомо, що сонячна енергія характеризується надзвичайною неуважністю і дуже низькою концентрацією. Якби ми захотіли побудувати геліоелектростанцію потужністю 1000 МВт в Сахарі, де вельми багато "сонячних днів", то для неї треба було б вловлювати все сонячне випромінювання з площі 35 км2; на Сицилії (Італія) площа збільшилася б до 50 км2; а для Японії, щоб задовольнити за рахунок Сонця всю потребу в енергії, довелося б збирати сонячне випромінювання з площі 73,5 км2,
З усіх існуючих поновлюваних джерел енергії сонце, поряд з вітром, є найдоступнішим і екологічно чистим. Щоб використовувати його енергію, необхідно вирішити такі питання: як вловити його найбільший потік, зберегти і передати тепло споживачеві без втрат.
Найпростіший спосіб використовувати енергію сонця для нагрівання води - чорний бак або бочка, розташовані на сонці. Таким чином, у Вас нагріється вода, наприклад для душа, в ясний літній день. А якщо подібний бак помістити в ящик зі скляною кришкою, добре ізолювати від втрат тепла, і розташувати на сонячній стороні, то тоді вода нагріється настільки, що можна приймати душ або мити посуд навіть в прохолодний і хмарний день.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею (іншими словами, має низьку щільність), для підвищення ефективності установки прямого використання сонячної енергії необхідно мати збирає пристрій (колектор) з досить розвиненою поверхнею. Простий пристрій такого роду - газова плита. В ідеалі це чорний плоский адсорбер (теплонакопичувачів), поміщений в добре теплоізольований плоский ящик. Зверху ящик покривають склом або пластмасою. Скло пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. В ящику між днищем і склом найчастіше розміщують труби, через які тече теплоносій - це може бути вода, масло, повітря, сірчистий ангідрид і т. П. Труби є абсорбером (Теплонакопичувачі).
Сонячне випромінювання, проникаючи через скло або пластмасу в колектор, поглинається трубами і нагріває робочу речовину в трубах. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в ньому значно вище, ніж температура навколишнього повітря. В цьому проявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання.
При опаленні житла і отримання гарячої води для господарських потреб і при багатьох інших застосуваннях серйозну проблему представляє зберігання сонячної енергії, вловлюється колектором. У найпростішому випадку гаряча вода збірного трубопроводу відводиться в теплоізольований резервуар, звідки її можна відбирати в погану погоду або вечірній час. В якості акумулятора тепла використовують добре ізольований контейнер.
У ясний сонячний день, при відсутності хмарності вода в даній системі може досягати температури 70-75 ° С. Плоскі радіатори розташовані на південній стороні даху під кутом 45-48 ° С. У дні з мінливою хмарністю досягається температура від 40 до 60 ° С.
Типові сонячні термічні системи являють собою нагрівальні системи, що складаються з ефективних колекторів, насосного блоку, контролера і накопичувача. При цьому для роботи колектора зовсім не потрібно яскраве сонце, він може нагріти теплоносій і взимку, і в хмарну погоду. Приготована гаряча вода може бути використана для опалення, для підігріву води в басейнах. Площа сучасного колектора становить 2,5 м2, вага від 30 до 60 кг. Зазвичай колектор встановлюють на дах будинку, під кутом 40-50 °. Найкраще місце для установки - південні схили даху. Матеріал і конструкція покрівлі не мають ніякого значення. Теплова сонячна нагрівальна система для невеликого будинку може складатися з 2-4 колекторів і накопичувача ємністю від 300 до 700 літрів. Мінімальна площа для установки накопичувача 60х60 см, причому конфігурація накопичувачів може бути різною, виготовленої спеціально для вузьких приміщень. Колектори з'єднуються з накопичувачами через теплообмінники, колекторний контур виконується з міді і заповнюється спеціальної незамерзаючої рідиною, яку не треба зливати при негативних температурах і яка завжди знаходиться в постійній готовності до роботи. Робота насосного блоку регулюється контролером, що вимірює температуру в колекторі і накопичувачі. Як тільки виникає можливість знімати тепло з колектора, контролер включає насосний блок, встановлений в безпосередній близькості від накопичувача.
Ми зможемо більш регулярно використовувати сонячні системи і зовнішні нагрівачі води для опалення будинків. Звичайно, вони більш зручні в регулюванні, подачі в потрібне місце, акумулюванні і дозволяють отримувати достатньо високі температури.
Але для того, щоб отримати максимальний ефект, можна будувати великі комплекси з використанням дорогих матеріалів (мідь, алюміній).
Ось так виглядає колектор, здатний нагріти воду до 90 ° С:
Переваги таких систем - збільшення ступеня поглинання сонячного випромінювання і, при гарній ізоляції, можливість зберігати тепло в зимові дні. Як правило, такі комплекси інтегруються в систему опалення житлових будинків
Ідея опалювати будинки енергією сонячного випромінювання відома з найдавніших часів, коли наші предки будували будинки вікнами на південь (в північній півкулі). У наш час ми можемо бачити, як інженери проектують муніципальні і приватні будинки, засновані на пасивному опаленні. При простих архітектурних пристосування, шляхом вдалого розташування вікон, стін і даху можна заощадити тепло, а значить і гроші. Відомо, що найбільша кількість сонячних променів поглинали дах, а стіни будинку, особливо з південної сторони. Це дає можливість використовувати енергію сонця найпростішим способом, розташувавши великі утеплені вікна на південній стіні. Такі архітектурні рішення, як великі вікна з південної, сонячної сторони, і маленькі вікна з північної, дозволяють "впустити" більше сонця в будинок. Це, звичайно, недостатня міра для опалення будинку, але в комплексі з іншими способами опалення і теплоізоляції вона дає невелику добавку до одержуваної будинком енергії.
На практиці будинку з пасивними системами опалення обігріваються ще краще, якщо в них є вентилятори, завдяки яким тепле повітря циркулює між кімнатами.
Чому ж кімната нагрівається? На це питання можна отримати відповідь, згадавши властивості сонячного випромінювання. У денний час доби в наш будинок крізь скло проходить сонячне (короткохвильове) випромінювання. Там воно нагріває предмети і переходить в довгохвильове випромінювання, яке не може пройти назад через скло, тобто назовні. Таким чином, кімната поступово нагрівається. Так діє парниковий ефект, який таким же чином нагріває нашу планету. У цьому випадку роль скла, що перешкоджає виходу назовні відбитого сонячного випромінювання, грає атмосфера, в якій скупчилися парникові гази.
Існують станції, що складаються з безлічі невеликих концентрують колекторів, кожен з яких незалежно стежить за сонцем. Таких концентраторів може бути кілька десятків і більше. Всі вони передають сонячну енергію рідини теплоносія, яка збирається від усіх колекторів до центральної енергостанції і, перетворюючись в парогенераторі, надходить далі в вигляді електрики споживачеві.
Все більш популярним способом, що дозволяє отримувати електричну енергію прямо з сонячного випромінювання, є фотоелементи. Хоча у них є один недолік, як і у всіх пристроїв працюють від сонячного випромінювання - вони працюють тільки в ясний сонячний день. Фотоелементи перетворюють енергію сонця в електрику за допомогою фотоефекту. Фотоефект - це випускання електронів з поверхні предметів під дією світлових частинок (фотонів). Фотоелектричний ефект може відбуватися на металевій поверхні, в рідині і в окремому атомі газу. Найпростішим і зручним матеріалом є метал. Однак не всі метали можуть дати однаковий для всіх фотоефект. Так, мідь і платина не здатні дати фотоелектричний ефект при впливі видимої частини світлового спектру. Найкращим матеріалом виявився кремній. До того ж на Землі за запасами він на другому місці після кисню, що в майбутньому сприятиме його масштабного освоєння.
Сьогодні ця енергія коштує дорожче, ніж енергія, що отримується від спалювання викопного палива (близько 2-3 доларів за ват встановленої потужності). Але технології отримання "сонячної електрики" стрімко розвиваються, і електроенергія, що отримується від фотоелементів, з кожним роком стає все більш конкурентоспроможною. Розвиток фотоелементів відбувалося інтенсивно в міру освоєння космосу, де створювалися фотобатареї для супутників і космічних станцій, і лише в кінці 20 століття промисловість налаштувалася на народне господарство. Ціни на фотоелементи постійно падають, і ми бачимо вже застосування їх в житловому комплексі, автотранспорті та побуті (наприклад, для енергопостачання кишенькових калькуляторів або годин).