Земля ежедневно получает от Солнца энергии по количеству в тысячу раз больше, чем ее генерируют все электростанции мира. Задача заключается в том, чтобы научиться использовать ее на практике, хотя бы в небольших количествах. Нельзя говорить о том, что широкомасштабное преобразование солнечной энергии не будет оказывать вредное влияние на окружающую среду, но оно будет меньше, чем в традиционной энергетике.

Кремневые фотопреобразователи

Одним из лидеров применения солнечной энергии на практике стала Швейцария. Здесь создано около 2600 гелиоустановок на основе кремниевых фотопреобразователей мощностью 1-1000 кВт и коллекторных устройств для преобразования солнечной энергии в тепловую. Программа под названием «Солар-91», проходящая под девизом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит существенный вклад в решение проблем экологии и в энергетическую независимость страны, которая сегодня импортирует более 70% энергии.

Гелиоустановку на основе кремниевых фотопреобразователей, мощностью обычно 2-3 кВт, устанавливают на фасадах и крышах зданий. Она занимает около 20-30 метровквадратных. Данная установка производит в год около 2000 кВт/ч электрической энергии, чего хватает для обеспечения бытовых нужд среднестатистического дома в Швейцарии и зарядки бортовых аккумуляторов электромобилей.

В летнюю пору дневной избыток энергии направляется в электросеть общего пользования. В зимний период, особенно в вечерние и ночные часы, энергия может быть возвращена бесплатно владельцу гелиоустановки.

• Японские компании разработали движущиеся солнечные батареи
• Ямайка обеспечит сельские дома солнечной и ветряной энергей
• Якутия собирается перейти на альтернативные энергетические источники
• Якутия переходит на альтернативную энергетику
• Южная Корея готова инвестировать более 35 млрд. долларов в альтернативную энергетику
• Энергия солнца и ветра может обеспечить Австралию электричеством
• Энергия солнца для будущего мира. Часть 4 Волновые методы передачи электрической энергии
• Энергия солнца для будущего мира. Часть 3 Возможное развитие бестопливной энергетики

Крупные компании монтируют гелиостанции мощностью до 300 кВт на крышах производственных зданий. Одна такая станция может на 50-70% покрыть потребности производственного предприятия в энергии. В окрестностях альпийского высокогорья, где прокладывать линии электропередач нерентабельно, строят автономные гелиоустановки с аккумуляторами.

На уровне моря интенсивность солнечного излучения составляет 1-2 кВт на метр квадратный. КПД самых эффективных солнечных батарей приближается к 12-18%. Учитывая КПД преобразования солнечной энергии при помощи фотопреобразователей, с одного метра квадратного можно получить не более 0,5 кВт мощности.

Оценивая «экономичность» солнечной энергетики, не нужно впадать в заблуждение: проводить сравнение дорогостоящей, но молодой технологии преобразования солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлементов, с недорогой, но «грязной» технологией использования газа и нефти.

Экономичность нового вида энергоресурсов нужно сравнивать с такими же видами энергии, которые непременно будут в таких же масштабах применяться в будущем.

Развитие гелиоэнергетики получило возможность благодаря понижению стоимости фотоэлектрических преобразователей из расчета на 1 Вт установленной мощности с 1 тысячи долларов (1970 г) до 3-5 долларов (1997), а также увеличению их КПД с 5 до 18%. Снижение стоимости ватта солнечной энергии до 50 центов даст возможность гелиоустановкам успешно конкурировать с остальными возобновляемыми источниками энергии, например, с электростанциями, работающими на дизеле.

Зеркальные концентраторы

Опыт преобразования и применения солнечной энергии в умеренных широтах доказал, что энергию солнца выгоднее аккумулировать и применять в виде тепловой энергии. Разработаны проектные предложения для севера Канады и Аляски. Климатические и природные условия данных регионов сопоставимы с условиями средней полосы России.

Многие с детства помнят, что при помощи собирательной линзы можно от солнечного света поджечь бумажку. В промышленных установках линзы не применяются: они дороги, тяжелы и сложны в изготовлении.

Сфокусировать лучи солнца можно при помощи вогнутого зеркала. Оно и является главной частью гелиоконцентратора, прибора, где параллельные лучи солнца собираются при помощи вогнутого зеркала. Если в фокусе зеркала расположить трубу с водой, то она нагреется. Так действуют преобразователи солнечной энергии прямого действия.

Более эффективно их можно применять в южных широтах, но они находят применение и в средней полосе. В установках используются либо традиционные зеркала – стеклянные, либо зеркала из полированного алюминия.

Водонагреватель

Водонагреватель используется для нагревания воды, например, для обеспечения индивидуального хозяйства горячей водой. Устройство состоит из бака с холодной водой, короба со змеевиком, бака-аккумулятора и труб. Короб устанавливается стационарно под углом 30-50 градусов с направлением на южную сторону. Холодная вода, более тяжелая, поступает постоянно в нижнюю часть короба, там она нагревается, а затем вытесненная холодной водой, переходит в бак-аккумулятор. Ее можно использовать для душа, для отопления или других бытовых нужд.

Производительность за один день на 50-й широте равна примерно 2 кВт/ч с метра квадратного. Температура воды в баке-аккумуляторе равна 60-70 градусов, КПД данной установки – 40%.

Тепловые концентраторы

Каждый, кто хотя бы однажды был в теплицах, знает, как сильно отличаются условия внутри нее от условий снаружи: в ней температура выше. Солнечные лучи практически беспрепятственно входят сквозь прозрачное покрытие, нагревается почва, стены, растения, конструкция крыши. В противоположном направлении тепло рассеивается значительно меньше из-за повышенного содержания углекислого газа. Тепловые концентраторы работают по такому же принципу.

Тепловые концентраторы – это металлические, деревянные, или пластиковые короба, закрытые с одной стороны двойным или одинарным стеклом. Для максимального поглощения и преобразования солнечной энергии внутрь короба вставляют металлический волнистый лист, который окрашен в черный цвет. В коробе происходит нагревание воздуха или воды, которые постоянно или периодически отбираются оттуда при помощи насоса или вентилятора.

Жилой дом с солнечным отоплением

Среднестатистическое годовое значение общей солнечной радиации на 55-ой широте, которая поступает в сутки на 20 м2 горизонтальной площади, составляет 50-60 кВт/ч. Это равносильно затратам энергии на обогрев дома, площадь которого около 60 м2.

Для эксплуатации жилища, где проживают в некоторые сезоны, в средней полосе нашей страны больше всего подходит воздушная система теплоснабжения. В солнечном коллекторе воздух нагревается и попадает в помещение по воздуховодам. Удобства использования воздушного теплоносителя в сравнении с жидкостными:

- нет опасности, что система может замерзнуть;

- нет необходимости в кранах и трубах;

- дешевизна и простота.

Недостаток – невысокая теплоемкость воздуха.

По своей конструкции коллектор представляет ряд застекленных коробов вертикального положения, их внутренняя поверхность закрашена матовой краской, которая при нагреве не дает запаха. Ширина такого короба около 60 см.

Если солнечный коллектор будет располагаться на доме, то предпочтительней выбирать вертикальный вариант. Он проще в строительстве и в эксплуатации. В сравнении с наклонным коллектором (занимающим значительную часть крыши), в данном случае не потребуется уплотнения от воды, не будет проблемы снеговой нагрузки, вертикальные стекла легко мыть.

Плоский коллектор, преобразующий солнечную энергию, наряду с прямой солнечной радиацией, воспринимает отраженную и рассеянную радиацию: при легкой облачности, в пасмурную погоду, в условиях, которые действительно наблюдаются в средней полосе.

Плоский коллектор не образует высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий, но для конвекционного отопления это и не нужно, в этом случае достаточно низко потенциальной теплоты.

Солнечный коллектор помещается на фасад, с ориентацией на юг (отклонение допустимо до 30 градусов на восток или запад).

Неравномерность солнечного излучения на протяжении целого дня, желание обогревать дом в пасмурный день и ночью диктует необходимость создания теплового аккумулятора. Днем тепловая энергия накапливается коллектором, а ночью он ее будет отдавать. Для работы с воздушным коллектором рациональным является гравийно-галечный аккумулятор. Он прост в обустройстве и дешев.

Для дома, площадь которого около 60 метров квадратных, объем аккумулятора должен составлять 3-6 м3.

Разброс зависит от качества элементов гелиосистемы, теплоизоляции и режимов солнечной радиации в определенной местности.

Система преобразования солнечной энергии в тепловую для отопления дома работает в следующих режимах:

Отопление от коллектора;

Отопление от аккумулятора;

Аккумулирование тепловой энергии;

Аккумулирование энергии тепла и отопление.

В солнечные холодные дни нагретый коллектором воздух начинает подниматься и поступать в помещение по отверстиям у потолка. В теплые ясные дни нагретый воздух забирается из верхней части коллектора и вентилятором продвигается через гравий, происходит зарядка аккумулятора. Для отопления в ночное время или во время пасмурной погоды воздух из помещения проходит через аккумулятор и возвращается в комнаты в подогретом состоянии.