Возобновляемые источники энергии как средство энергообеспечения экодомов. Часть 1

Январь 21, 2014 / Ольга Шейдина, Редактор

Для обеспечения экодомов необходимым количеством тепла и электричеством предпочтительнее остановить выбор на возобновляемых или альтернативных источниках энергии (ВИЭ). В целях получения энергии применяют ветер, солнечное излучение, течение рек, энергию земли, низкой температуры, воздуха и воды, геотермальную энергию, волны, приливы, энергию биомассы, разность солености речной и морской воды, разность в значениях температур на глубине морей и на их поверхности.

Возобновляемые источники энергии как средство энергообеспечения экодомов. Часть 1

По классификации ООН, возобновляемыми источниками энергии являются: энергия ветра, солнца, приливов, биомассы, гидравлическая, геотермальная и некоторые другие виды. Доступность данных источников энергии различная. Самыми популярными являются ветровая и солнечная энергетика, остальные приурочены к конкретным регионам, геотермальная, например, другие доступны только для немногих мест.

Максимальный интерес для энергообеспечения жилищ представляет энергия солнца, вплоть до самых высоких широт, 60-70 градусов, ее поступление достаточно велико, вопреки распространенному мнению. Мнение многих специалистов энергетики о том, что у данного вида энергии слишком низкая плотность, сегодня можно считать архаизмом. На самом деле у солнечной энергии такая плотность, что в умеренных широтах энергия, попадающая от солнца на здание, во много раз больше потребности в ней энергоэффективного дома.

Ошибочным является утверждение, что ВИЭ безупречны относительно экологии, но вред от них в несколько раз меньше, чем от традиционной энергетики. Другими словами, древесное топливо и крупные гидроэлектростанции тоже являются возобновляемыми источниками энергии, но они одновременно считаются и традиционными источниками, а также аналогично им наносят окружающей среде значительный ущерб.

В России ВИЭ используются уже долгие годы. В начале ХХ века их доля в топливно-энергетическом балансе составляла 90%, при этом 40% составляли дрова, 20% - ветер и столько же – торф. Период индустриализации полностью нейтрализовал хозяйственную жизнь, в том числе энергообеспечение, вытеснив все автономные энергетические установки, которыми являются и ВИЭ, доля которых сегодня составляет не больше 1%.

Солнечная энергия

Для жизни на нашей планете за малым исключением первичной является солнечная энергия. Как показывают расчеты, она в большей части районов Земли может служить и главным источником энергии для экодома. Сама идея «солнечного дома» уже не нова, а если вспомнить традиционные верования, то у нее есть еще и мистическое объяснение. «Сознательное» экологически здание должно применять солнечное излучение максимально полно.

Если бы на Земле не было атмосферы, то на территорию в 1 м, перпендикулярную излучению, падало бы 1400 Вт энергии. Данная величина считается солнечной постоянной. В зависимости от уровня активности солнца она колеблется, но не значительно. Если нет облаков, то атмосфера Земли рассеивает примерно 20% солнечной радиации. В ясный солнечный день в целом около 80% энергии излучения Солнца проходит к поверхности нашей планеты. Из-за экранирования поверхности земли облаками в среднем доходит 52% энергии солнца. На Землю на уровне моря всего приходит в год около 800 трлн МВт часов энергии солнца, что в 8000 раз больше всего современного производства энергии людьми.

Устройства для преобразования солнечной энергии в тепловую используют инфракрасную (длинноволновую) часть спектра, устройства по преобразованию данной энергии в электроэнергию применяют коротковолновую энергию. Тепловое излучение солнца в энергетическом выражении на земной поверхности в 1,2 раза больше оптического.

В солнечную погоду на любой широте и в любое время на площадку, перпендикулярную лучам солнца, поступит практически одинаковое количество энергии. В том или другом географическом районе солнечная радиация характеризуется средними месячными, годовыми, суточными значениями поступающей энергии на единичную вертикальную и горизонтальную площадки. При высоком солнцестоянии над горизонтом на горизонтальную площадку будет поступать больше энергии, при низком - будет больше поступлений энергии на вертикальную площадку. Первые условия можно наблюдать в приэкваториальной области, вторые условия – в северных широтах. Как правило, в средних широтах летом энергии больше поступает на горизонтальную площадку, а зимой – на вертикальную. Если площадка находится в наклонном положении, ориентирована на солнце, то на нее энергии придет больше, чем на вертикальную или горизонтальную. Ключевыми факторами, от которых зависит приход солнечной энергии в определенном географическом районе, являются облачность и широта. В условиях одинаковой широты менее облачный континентальный климат оказывается более благоприятным для солнечной энергетики, в сравнении с морским.

В центральной части Европы поступление солнечной радиации приравнивается к 1,1 Мвт-ч/м-год, в Сахаре и районах – 2,3 МВт-ч/м-год. В нашей стране приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность равно от 0,7 МВт-ч/м-год (северные регионы) до 1,5 КВт-ч/м-год (южные регионы).

В средней полосе страны коттедж из двух этажей, площадью 100 м2, ежегодно получает от солнца свыше 160 МВт-час энергии, что больше всей его потребности в год даже при современном расточительном расходовании энергии. Солнечного тепла, поступающего на 1 м в год в Москве, хватит, чтобы довести до кипения 10 м3 воды. Но технически пока можно применить лишь около трети всей поступающей энергии солнца. Энергию излучения солнца при помощи гелиоприемных устройств можно преобразовать в электрическую, тепловую или химическую энергию. Данное преобразование может быть и прямым, и многоступенчатым. У каждого из методов свои недостатки и свои достоинства.

Тепловые солнечные батареи

Солнечные тепловые коллекторы из энергии солнца производят тепловую энергию, нагревая теплоноситель – воду, воздух, антифриз. Достоинством солнечных тепловых преобразователей является высокое значение КПД и сравнительно низкая стоимость. У коллекторов современных моделей КПД составляет 45-60%.

Но потребности в тепле низкой температуры в доме в летний период невелики, а до зимы его практически невозможно сохранить. Технология преобразования тепла солнечной энергии в электроэнергию слишком сложна для дома, она используется на электростанциях. Данными факторами определяются относительно небольшие площади, которые отводятся под гелио-коллекторы в экодомах. Они используются в основном для снабжения дома горячей водой.

Мы с детства знаем, что с помощью собирательной линзы от солнца можно зажечь бумагу. Можно увеличить эффективность солнечных коллекторов, если обеспечить их концентраторами излучения. В зависимости от отсутствия или наличия данных устройств тепловые коллекторы подразделяются на плоские и концентраторные. Коллекторы плоского вида более дешевы и просты, но дают только низкотемпературное тепло, область применения которого весьма ограничена в энергетическом хозяйстве. Более эффективны концентраторные коллекторы, но они достаточно сложны в эксплуатации, в том числе, а также дороги по причине необходимости поворотных устройств для слежения за Солнцем. Естественно, в домашней энергетике они практически не применяются.

Плоский тепловой коллектор – это ящик с прозрачным покрытием, которое обращено к Солнцу. Остальные поверхности теплоизолированы, чтобы не было потерь тепла. Внутри имеется система трубопроводов, предназначенных для теплоносителя (жидкости или воздуха) с крылышками из материала, проводящего тепло, которые повышают эффективность сбора тепла. Прозрачный экран выполнен из стекла с наибольшим пропусканием солнечно спектра. Каналы и крылышки покрыты каким-нибудь темным составом или селективным покрытием. Данное покрытие выбирается так, чтобы оно хорошо поглощало излучение (чтобы соответствовало телу, нагретому до 6300°К), но одновременно с этим, чтобы оно слабо излучало при стандартных земных температурах (около 300°К). Это снижает потери тепла коллектора собственным излучением тепла, но повышает стоимость изделия.

Если из коллектора откачать воздух, то его потери тепла снизятся. Таким образом устроены вакуумные коллекторы, но вакуум удается сохранить лишь внутри стеклянных цилиндрических трубок, которые окружают каналы с теплоносителем. Плоское стекло не может выдержать атмосферное давление, равное 10 тонам на метр квадратный. Но производятся и коллекторы, внутри которых понижено давление воздуха. Чтобы противостоять атмосферному давлению, их передняя стенка из стекла укрепляется металлическими подпорками. Коллекторы с пониженным давлением и вакуумные коллекторы дороже простых, но в облачную погоду и зимой они работают лучше. Солнце зимой, несмотря на популярное мнение, не просто светит, но и греет, а иногда даже сильнее, чем зимой, так как располагается ближе к Земле. В Северном полушарии на зиму приходится перигелий (наименьший радиус) земной, немного эллиптической солнечной орбиты.

В следующей части мы рассмотрим другие виды солнечных коллекторов и их преимущества.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий