Гелиоэнергетика

На основании двадцатилетнего периода наблюдения уста­новлено, что средняя продолжительность солнечного сияния в Беларуси составляет 1815 часов в год. Годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность — 980—1180 кВт-ч/м². Солнечные лучи ежегодно приносят в Беларусь в 20 тыс. раз больше энергии, чем мы потребляем. Крыша одноэтажного дома на севере Беларуси получает в 10 раз больше энергии, чем требуется для отопления этого дома.

Проведенный сравнительный анализ продолжительности солнечно­го сияния и прихода суммарной солнечной радиации в странах Западной Европы с умеренным климатом, расположенных между 50 и 60°с.ш. показал, что Беларусь по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения с этими странами, а по приходу среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Данию, Великобританию. Эти государства наряду с "солнечными странами" считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования.

В Республике Беларусь целесообразны три варианта использования солнечной энергии:

• использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;

• использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

• пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов "солнечной архитектуры".

Горячее водоснабжение. В системах горячего водоснабжения и отопления используются плоские солнечные коллекторы.

Солнечный коллектор представляет собой теплообменный аппарат с каналами, через которые проходит теплоноситель. Часть солнечной радиации поглощается поверхностью теплообмена и передается теплоносителю (рис. 18.)

Рис. 18. Схемы плоских солнечных коллекторов систем воздушного (а) и водяного (б) теплоснабжения: 4 - тепловая изоляция; 5 - стекло; 6 - лучепоглощающая поверхность теплообмена; 7 - канал для воздуха; 8 - каналы для воды

Изолированный коллектор имеет многослойное остекление, пропускающее солнечные лучи, и позволяет нагреть воду до 90°С.

Плоский коллектор поглощает прямое и рассеянное солнечное излучение. В связи с тем, что потоки солнечных лучей носят нерегулярный характер, для надежного теплоснабжения следует использовать двухконтурные схемы с резервным источником теплоты в виде теплоэлектронагревателя. Оптимальный угол расположения коллектора к горизонту превышает широту местности на 10-15°.

Для повышения производительности солнечной установки используется замкнутый контур с естественной или принудительной циркуляцией, который содержит солнечный коллектор (теплоприемник) и аккумулирующую теплоизолированную емкость (рис. 19)

Рис. 19. Принципиальные схемы простейшей одноконтурной с естественной циркуляцией теплоносителя (а) и двухконтурной с принудитель­ной циркуляцией теплоносителя (б) солнечных водонагревательных установок:

1 - солнечный коллектор; 2 - аккумулятор теплоты; 3 - теплообменник;

4 -резервный источник энергии; 5 - предохранительный клапан;

6 -насос; 7 -задвижка

Исследования показывают, что с учетом экономического фактора для широты Минска целесообразно использовать сезонные системы горячего водоснабжения.

Солнечное отопление.Солнечное отопление делится на активное и пассивное.

Активное солнечное отопление основано на применении инженерных систем, которые, как и система горячего водоснабжения, включает контур циркуляции жидкого теплоносителя или воздуха. На практике жидкостные системы солнечного отопления встречаются чаще, чем воздушные (рис. 3), однако они требуют наличия отопительных приборов и дополнительных мер для защиты от замерзания и коррозии.

Согласно схеме воздушного отопления в солнечный день с помощью вентилятора организуется циркуляция воздуха по замкнутому контуру через коллектор и галечный аккумулятор. Вечером или в прохладный день реализуется режим, при котором поток холодного воздуха проходит через аккумулятор, воспринимает накопленную теплоту и поступает в отапливаемое помещение. При необходимости воздух дополнительно нагревается с помощью резервного нагревателя.

Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис. 20. а-г):

– отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

– отопление от аккумулятора (б);

– аккумулирование тепловой энергии (в);

– отопление от коллектора (г).

Рис. 20. Солнечный дом

Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора. Для дома, площадью 60 м², объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м³.

В проекте энергопассивного экодома Белорусского отделения международной академии экологии (БО МАЭ) скатная крыша покрыта сплошным водовоздушным солнечным коллектором (рис. 21). Под домом находится твердотельный суточный и сезонный тепловой аккумулятор. Такие аккумуляторы распространены в Швеции и Норвегии. Другая возможная конструкция - жидкостный аккумулятор внутри дома (15 тонн воды на 200 кв.м жилой площади). Дом оборудован принудительной системой вентиляции, обеспечивающей воздухообмен и обогрев жилых помещений (основные технические решения запатентованы). Обязательной является система рекуперации тепла при вентиляции.

Рис. 21. Проект энергопассивного дома БО МАЭ с активной

системой солнечного отопления

Если проектирование зданий проводить с учетом энергетического потенциала кли­мата местности и условий для саморегулирования теплового режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить на 20—60 %. Так, строительство на принципах "солнечной архитектуры" может снизить удельное годовое теплопотребление до 70—80 кВт-ч/м².

Пассивные системы солнечного отопления используют ориентированные в южном направлении остекленные элементы строительных конструкций больших площадей для накопления и переноса теплоты потребителю. Например, строительство зданий с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением. Большая тепловая инерционность строительных стеновых материалов позволяет использовать накопленную теплоту в пасмурные дни и ночное время. Стены также могут являться пассивными солнечными коллекторами, если они будут включать конвективные каналы.

Получение электроэнергии.Преобразование потока солнечной энергии в электричество осуществляется двумя способами: термомеханическим и фотоэлектрическим.

Термомеханический способ основан на передаче теплоты теплоносителю с генерацией пара и дальнейшим ее преобразованием по традиционной схеме в механическую и электрическую энергию.

Для создания больших плотностей потоков солнечной радиации и соответственно тепловой энергии используются солнечные концентраторы. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (рис. 22) имеют форму: цилиндрического параболоида (а), параболоида вращения (б); плоско-линейной линзы Френеля (в).

а) б) в)

Рис. 22. Формы концентраторов солнечной энергии

В отличие от плоских коллекторов подобные солнечные концентраторы снабжаются системами, следящими за Солнцем. Потоки тепловой энергии фокусируются на теплоприемнике, которым является канал, заполненный теплоносителем. Теплоприемник с теплоносителем может располагаться отдельно от концентратора. Тогда на нем фокусируются солнечные лучи от концентраторов, размещенных на большой площади. По такому принципу, например, работают солнечные электростанции башенного типа, где теплоприемником является паровой котел.

Недостатком рассмотренный конструкций солнечных электростанций является периодический характер их работы. Они работают тогда, когда светить Солнце. Более перспективными являются гибридные солнечно-топливные электростанции с распределенными теплоприемниками.

В основе фотоэлектрического способа прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию лежит явление фотоэффекта. Базовыми элементами данной технологии являются устройства, называемые соответственно фотоэлементами или солнечными элементами. Некоторые из фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды, где происходит разделение положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении электромагнитного излучения.

В Беларуси ведется создание отечественной установки на фотоэлементах. Одна солнечная электростанция установлена в Беловежской пуще и отапливает два дома, еще несколько установлено в чернобыльской зоне. Солнечные кол­лекторы, вырабатывающие тепло, рекомендуется устанавли­вать в коттеджах и загородных домах. Они экономичнее тра­диционных угольных котлов.

Создано 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 теплонакопители. Оптималь­ный для местного климата вариант — система с четырьмя кол­лекторами — позволяет обеспечить потребности в горячем во­доснабжении семью из 4—5 человек. Благодаря большой пло­щади поверхности коллекторов система аккумулирует достаточное количество солнечной энергии даже в пасмурную погоду, а теплонакопитель большой вместимости (более 500 л) поз­воляет создать стратегический запас горячей воды. В период с марта по октябрь система полностью удовлетворяет потребности здания в горячей воде. Зимой установку можно интегриро­вать со стандартной системой отопления. Стоимость оборудо­вания варьирует в пределах 900—3500 дол. США.

Кроме того, в Республике Беларусь организовано производство гелиосистем для нагрева воды. Они представляют собой легкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. В зависимости от конкретных условий можно получить установку любой производительности. Основой гелиосистем является пленочно-трубочный адсорбирующий коллектор. Он обладает высокой адсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращаются в полезную тепловую энергию. Теплообменники, входящие в состав систем, изготовляются из специальных материалов, исключающих коррозию или замерзание. Проб­ные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках и т.д. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или ра­ботать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ем­кости. Приблизительная цена систем составляет 400 дол. США.

Однако в целом в ближайшее время на значительное увели­чение доли солнечной энергетики в Беларуси рассчитывать не приходится. Но специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50 %.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоуста­новки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Фран­ции: выработка энергии солнечными энергоустановками состав­ляет соответственно 870 000, 290 000, 255 200, 174 000 МВт-ч в год.

Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают: США — 10 млн м², Япония — 8 млн м², Израиль — 1,7 млн м², Австралия — 1,2 млн м².