Итак, продолжаем рассказывать о современных солнечных установках, способствующих развитию использования возобновляемых источников энергии. Теплоулавливающие стены. Примером наиболее простого солнечного устройства является популярная стена Тромба. Снаружи у нее находится тонкий слой темного цвета, который поглощает излучение солнца, затем идет воздушная прослойка, в ней воздух нагревается в ясный день и поступает в помещение принудительно или самотеком через отверстия сверху. Через отверстия снизу происходит отток остывшего воздуха из помещения в нагревательную полость, а затем цикл повторяется.

Есть еще одна интересная технология – стены экодомов с прозрачной теплоизоляцией. У данной стены снаружи имеется слой прозрачного материала теплоизоляции, благодаря открытоячеистой структуре данный материал снижает конвективную отдачу тепла в окружающую среду. Затем идет слой, который служит приемником энергии солнца, он нагревает материал стены, а через него и внутренние помещения. Сейчас есть технологии, которые позволяют наносить солнцеприемный и изоляционный слои в виде паст на стены. Эта конструкция преобразует стену экодома в пассивный солнечный элемент, который отличается лишь тем, что съем тепла происходит полностью со всей тыльной площади массивом стены, а не при помощи воздушного или жидкого теплоносителя.

Следующий вид прозрачной тепловой изоляции основан на механизме, использующемся в природе в шерсти белых медведей. Их шерсть является и отличным теплоизолятором, и самостоятельной солнечной батареей – ее волокна служат световодами, проводящими энергию лучей солнца к коже, где она в виде тепла поглощается. Теплоизоляция, основанная по ее образу, производится из прозрачного поликарбоната, либо специального стекла в виде массива тонких световодов.

На чем основан принцип работы прозрачной теплоизоляции

Эффективность задерживания лучей разными типами прозрачной стеновой изоляции приравнивается к 30-65%. Самое лучшее отношение цена-качество имеют системы, КПД которых 30-40%. Оба типа прозрачной теплоизоляции стоят в пределах от 250 до 800 долларов за квадратный метр; эти технологии к дешевым не относятся.

Стены Тромба и стены с прозрачной теплоизоляцией эффективны и полезны для реконструкции построенных зданий для повышения их энергетической эффективности. Они подходят районам со сравнительно солнечной и мягкой зимой, где дом сможет обогреваться эффективно зимним солнцем. Прозрачную теплоизоляцию есть смысл устанавливать лишь на южной стороне здания. Она прекрасно используется в Западной Европе. Летом такие стены для предотвращения перегрева помещений нужно закрывать специальными жалюзи.

Стены, передающие тепло, по сути, являются солнечными коллекторами с прямой передачей тепла без использования теплоносителя. Их нельзя сильно утеплять, иначе они не будут передавать тепло в помещения. Эти стены полезны тогда, когда поступления тепла через них будет значительно больше, чем его потери. Поступления тепла пропорциональны времени сияния солнца в холодное время, потери тепла – степени холодности климата. В регионах с холодным климатом, когда солнца зимой мало (большая часть территории России), лучше хорошо утеплить стены экодома. В странах с солнечной зимой эффективнее солнцепроводящие стены. Так, смысл использования теплопередающих стен напрямую зависит от климата в месте нахождения строительного объекта.

Фотоэлектрические системы

Одна и та же сумма в конвертируемой валюте более ценна и лучше, чем в неконвертируемой. Аналогично этому разные виды энергии обладают разной ценностью для экодома и качеством при одинаковом количестве. Разница по качеству зависит от способности преобразовываться в какие-либо другие виды энергии, передаваться и храниться. Менее качественна тепловая энергия, так как ограничен круг ее использования, ее преобразование в другие виды энергии происходит с большими потерями, передача и хранение ее сложны. Тепловая энергия подразделяется на высоко- и низкопотенциальную, то есть при низкой и высокой температуре. Низкопотенциальная энергия характеризуется меньшей ценностью.

Электрическая энергия, как форма энергии, обладает первостепенным значением по причине универсальности и легкости, с которой ее можно распределять, передавать и контролировать ее расход. Ее магнитные, химические, световые и тепловые эффекты можно легко получить там, где они нужны. Недостатками электрической энергии являются ее дороговизна по причине низкого КПД производства и сложности накопления ее в большом количестве. Поэтому электрическая энергия считается качественным видом энергии и необходимость в ней в экодоме повышенная. Поэтому экспериментальные дома строятся, несмотря на низкий КПД, если сравнивать с тепловыми батареями, максимально покрытыми фотоэлектрическими приемниками солнечного света. Следующим преимуществом электрических преобразователей считается то, что в них нет частей, которые движутся, а, значит, надежность и простота конструкции.

Самые первые опыты по получению электроэнергии из энергии солнца осуществлялись более ста лет назад. Но качественные преобразователи удалось произвести только после использования для данной цели полупроводников в середине ХХ века. Сначала солнечные полупроводниковые батареи по причине их дороговизны использовались лишь на уникальных объектах, где фактор цены был второстепенным, например, на космической технике. Но к сегодняшнему времени действующая тенденция увеличения их КПД и сокращения стоимости сделала их доступными для использования в быту. Стоимость батареи снижалась каждые пять лет в два раза. Сегодня серийно производимые ФЭП на базе монокристаллического кремния характеризуются КПД 10-12%. В лабораторных условиях созданы двухслойные фотоэлектрические преобразователи, имеющие КПД 35%, и это не является пределом, так как возможно появление преобразователей, применяющих красную часть спектра. Период жизни солнечных элементов составляет несколько десятков лет, что для использования в экодоме вполне удовлетворительно.

В последние годы развиваются солнечные гибридные батареи, которые в одном элементе совмещают свойства электрических и тепловых преобразователей энергии солнца. КПД их высок, сегодня он составляет более 60%. Такие батареи для использования перспективны, так как в экодоме нужны одновременно и электрические, и тепловые гелиоприемники. Применение гибридных батарей дает возможность применять площадь южного фасада более рационально, а также даст возможность оптимизировать конструкцию пристроенной теплицы. Ученые нашей страны недавно сообщили об открытии нанотехнологии, которая даст возможность создать фотобатареи с КПД 90%, которые способны работать даже в ночное время.

Недостатком всех солнечных устройств является непостоянное поступление энергии, а также несовпадение данных поступлений с графиком потребностей в ней, поэтому их можно использовать лишь в сочетании с иными энергетическими аккумуляторами и источниками электричества.

Двадцать лет назад один кВт-ч электричества, сгенерированный на базе солнечной энергии, стоил 2,5 доллара. Сегодня его стоимость сократилась до 20-25 центов, т.е. в десять раз. Но это еще пока в 4-5 раз больше стоимости энергии на базе топливных электростанций. Уже сегодня стоимость фотоэлектрической энергии снижена посредством использования зеркальных концентраторов в 5 раз.

В наши дни фотоэлектрические батареи относительно дороги (энергия на их основе стоит в несколько раз дороже сетевой) и массовое использование их возможно лишь при административной финансовой поддержке госструктур. Самых крупных успехов на данном пути достигла Германия. Еще в 1995 г там была перевыполнена программа «1000 крыш» по устройству фотоэлектрических систем на общественных и частных зданиях. Она стала образцом для дальнейшего принятия подобных программ в остальных странах. В Германии же на смену ей пришла программа «100000 крыш».

В программу «1000 крыш» входила глобальная система наблюдения и анализа работы действующих фотоэлектрических систем. Применение аккумуляторов не было предусмотрено. Резервуаром для неиспользованной энергии была электросеть. В ходе выполнения программы было выявлено, что слабым звеном тех ФЭС были инверторы, функцией которых являлось преобразование постоянного тока, поступающего от солнечных панелей, в переменный, привычных стандартов, и направление излишков в сеть. В ходе реализации программы инверторы усовершенствовались и жалоб на них не стало. Большую роль играл коэффициент затенения, который ранее недооценивался. Оказалось, что на территории Германии различия в эффективности коллекторов по природным причинам составили 30%.

Потребление электричества за целый год домовыми хозяйствами составили 2800 кВт-ч, производительность ФЭС – 1400 кВт–ч, т.е. 50%. Площадь фотоэлектрических панелей была равна 15 м².

Многие из ФЭС, производящихся в России, не просто соответствуют мировому уровню, но по некоторым параметрам превосходят его. Так, фотоэлектропреобразователи из поликристаллического и монокристаллического кремния характеризуются стабильным КПД – 16% притом, что модуль мощностью 50 Вт стоит около 5 долл./Вт (пик), что говорит о средней стоимости таких преобразователей на рынке.

В следующей части статьи мы расскажем о проблеме затенения гелиоприемников деревьями и ближайшими высотными домами и о решении данного вопроса.