Состояние и перспективы использования гелиоэнергетики

    Концепция "солнечного дома" 

    За  последние 15-20 лет "солнечные" дома стали расти как грибы после  дождя. В самом простом и наиболее распространенном варианте большая  часть энергетических потребностей такого дома обеспечивается солнечным  светом и теплом, за счет чего затраты  других энергоносителей снижаются  на 40-60% (в зависимости от конструкции  здания и его местоположения). А "солнечный" дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить  запросы его обитателей в тепле  и свете даже без использования  других источников энергии. И при  этом - никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких  проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или  мазута.

    Главное в концепции "солнечного" жилого дома - максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование  солнечного излучения, превращение  его в тепло и сохранение тепловой энергии в доме с наименьшими  потерями. Реализация такого подхода  дает значительную экономию средств  и улучшает экологическую обстановку (за счет минимального применения всех других источников энергии): в атмосферу  выбрасывается меньше продуктов  горения, дороги освобождаются от тяжелого транспорта, перевозящего миллионы тонн топлива, леса сохраняются от вырубки  на дрова и т. д.

    Существуют пассивная и активная системы энергосбережения "солнечного" дома. Первая из них предусматривает использование некоторых архитектурно-строительных приемов на стадии проектирования: ориентация дома по оси юг-север; отсутствие затенения южной стены; наличие северной пологой стены с минимальным количеством окон, наличие остекленной южной стены (окна с двойными или тройными рамами и воздушной прослойкой толщиной 10 мм между стеклами, способствующей термоизоляции. С этой же целью между стеклами можно установить жалюзи, которые будут закрываться вручную или управляться термостатом по разности внутренней и наружной температур); усиленная термоизоляция наружных стен; обустройство тепловых тамбуров на входе; наличие за остекленной южной стеной массивной стены, служащей аккумулятором дневного тепла (стена Тромба); организация в подвальном помещении воздушного теплообменника (в виде ящика с гравием или емкости с водой), аккумулирующего до 80% тепла из выходящего наружу "отработанного" воздуха; использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), играющих роль тепловых аккумуляторов.

    Перечисленные технические приемы лишь незначительно (на 5-10%) увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое  снижают затраты на отопление  жилья.

    Активная  система энергосбережения "солнечного" дома - это тепловые солнечные коллекторы, панели фотоэлектрических элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий  тепловым и световым режимами, и  другая высокоэффективная техника  для максимального усвоения солнечной  энергии.

    Реализованных проектов "солнечных" домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, в мире довольно много. Их строят не только в теплых краях (Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США) и в странах с умеренным  климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска). Ежегодно в  западных странах вводятся сотни  тысяч квадратных метров жилья в  энергосберегающих "солнечных" домах. Специализированные предприятия выпускают  для них оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные  фирмы, такие, например, как Concept Construction (Канада) или Enercon Building Corporation (США).

    Во  многих передовых странах развитие "солнечного" домостроения стало  одним из направлений государственной  политики. Вопросами энергосберегающего строительства занимаются ЮНЕСКО, Европейская  комиссия ООН, Департамент энергии  США. Создана и успешно действует  всемирная организация по развитию и распространению энергетических технологий ОРЕТ. Международное общество по солнечной энергии ISES, образованное еще в 1954 году, издает журнал "Solar Energy" по вопросам усвоения и рационального  использования солнечной радиации.

    Особенно  широко внедряются "солнечные" дома в Германии. Согласно прогнозу группы немецких ученых, уже в 2005 году начнется массовое строительство домов с  тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах зданий. (По тому же прогнозу, к 2015 году число  электромобилей в мире превысит число  машин на бензине.) По-видимому, мы стоим  на пороге бурного развития солнечной  энергетики.(1)  

2. Перспективы солнечной энергетики

    Из  возможных "преемников", которые  могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников выглядит энергия Солнца, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет  поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись. Поток  солнечной энергии люди просто обязаны  взять под свой контроль и максимально  использовать, сохраняя тем самым  неизмененным уникальный земной климат.

    Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт.ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2.1012 т  условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами - 6.1012 т условного  топлива, так что в перспективе  солнечная энергия вполне может  стать основным источником света  и тепла на Земле.

    Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли  от нашего светила, очень слаб, например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м2 - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу  атмосферы (1,4 кВт/м2). К тому же он зависит  от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной  энергии, надо собирать ее с большой  площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в  так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения  светом и теплом жилых домов и  небольших предприятий.

    Среди солнечных электростанций (СЭС), способных  обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим  числом параболических или плоских  зеркал (гелиостатов), расположенных  вокруг основания башни. (См. "Наука  и жизнь" № 10, 2002 г.) Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой  котел. Вырабатываемый котлом пар, так  же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с  электрогенератором.

    СЭС мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с "хорошим" солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились  проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие на пути их широкого распространения - высокая себестоимость  электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более  простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.   
 

    Перспективы развития солнечной  энергетики в РБ 

    В районе Минска в среднем за год  насчитывается 28 ясных дней, 167 пасмурных  и 170 дней с переменной облачностью, поэтому можно сказать, что Республика Беларусь не является благоприятным  районом для использования солнечной  энергии.

    Солнечная энергия, как и энергия ветра, имеет малую пространственную плотность, для трансформации в электрическую  ее приходится собирать с больших  площадей. Расчеты показывают, что  страна, расположенная в средней  географической широте, может полностью  обеспечить свою потребность в электроэнергии, заняв СЭ примерно 0,2 своей территории. В Беларуси нет пустынь, нет морей, которые можно безболезненно  использовать для строительства  промышленных станций такого типа, однако имеется значительная область  Чернобыльской зоны, временно непригодная  для земледелия или сосредоточенного проживания людей. Эта зона вполне может  использоваться для площадок строительства  ветровых или солнечных электростанций.

    Важным  аспектом солнечной энергетики в  РБ может стать промышленное производство солнечных элементов на экспорт. Ряд стран экваториального пояса (Индия, страны Юго-Восточной Азии и  Африки, Китай) проявляют высокий  интерес к вопросам широкомасштабных закупок СЭ. При достаточной маркетинговой  проработке это вполне может стать  рентабельным производством.

    Другим  направлением в использовании энергии  солнца является гелиоэнергетика. Гелиоколлекторы  в основном применяются для подогрева  воды. И возможности ее эффективного использования с учетом временного фактора (периода года, времени суток  и т.п.) в основном определяют потенциал. Средняя суммарная (с учетом дополнительного  оборудования) стоимость гелиоколлектора  составляет примерно $115/м2, срок окупаемости  его - 1,5-3 года.

    Одна  из минских фирм создала опытное  производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной  энергии. Эти устройства включают в  себя солнечные коллекторы (их число  и площадь может варьироваться в зависимости от требований конкретного проекта) и бойлеры-накопители. Оптимальный для местного климата вариант - система с четырьмя коллекторами - позволяет обеспечить потребность в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Благодаря большой площади поверхности коллекторов система аккумулирует достаточное количество энергии даже в пасмурную погоду, а бойлер большой вместимости (более 500 л) позволяет создавать стратегический запас горячей воды. В период с марта по октябрь система полностью удовлетворяет потребности в горячей воде. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления.

    Несколько лет назад о себе заявила и  другая отечественная компания, организовавшая производство гелиосистем для нагрева  воды. Они представляют собой легкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. Основой гелиосистемы является пленочно-трубочный коллектор. Он обладает высокой абсорбирующей  способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения  превращает в полезную тепловую энергию. Теплообменники, входящие в состав систем, изготавливаются из специальных  полимерных материалов, исключающих  коррозию или замерзание. Подобные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в  вагонах-бытовках. Гелиоустановки могут  подключаться к централизованной системе  отопления или работать автономно  с заправкой бака-накопителя требуемой  емкости.

    По  продолжительности солнечного сияния Беларусь имеет близкие показатели, а по поступлению среднемесячной солнечной радиации даже превосходит  северную часть Германии, Швецию, Англию, которые считаются лидирующими  в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования, что  свидетельствует о целесообразности развития этого направления.

    Гелиосистемы  в РБ разрабатываются в таких  организациях, как НПО "Белсельхозмеханизация" и АНК "Институт тепломассообмена" НАНБ. 
 
 
 
 
 
 

    Заключение 

    Таким образом, гелиоэнергетика - одно из направлений альтернативной энергетики - перспективных способов получения энергии, имеющих минимальный риск причинения вреда экологии района. В данном случае источником энергии служит солнечное излучение. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой (в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Сейчас подобный вид получения энергии используется в случае экономической целесообразности - недостатке других источников энергии и изобилия солнечного излучения круглый год.

    Cолнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

• cолнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости;
• cолнечная энергия - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду;
• cолнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

    Список  использованных источников 

    1.Энергия будущего: http://www.pomreke.ru/energy-future/

    2. Возобновляемые источники энергии Беларуси: прогноз, состояние, механизмы реализации: Материалы междунар. конф. «Энергетика Беларуси: путиразвития». — Минск, 2006.