Расчет выполнен для следующего варианта комплектации оборудования:

1. Тепловой насос.

2. Буферная емкость (располагается между тепловым насосом и системой отопления). Ввиду наличия буферной емкости тепловому насосу нет необходимости часто включаться, вследствие чего увеличивается КПД системы отопления

3. Бойлер косвенного нагрева (термос с горячей водой 60°C) — накапливается вода для системы горячего водоснабжения коттеджа. Программа работы теплового насоса настроена таким образом, что нагрев горячей воды производится ночью, когда снижено энергопотребление отопительной системы. В случае большого разбора горячей воды тепловой насос догревает ее также и днем.

4. Насосное оборудование.

5. Система коммуникаций между выше указанными устройствами (обвязка котельной).

Содержание работы. В состав работ по устройству теплонасосного оборудования входит: Подготовка территории к бурению, бурение скважин в расчетном количестве (чтобы получить общий метраж, указанный ниже), подготовка теплообменника перед погружением в скважину (устранение протечек, проверка под давлением), укладка теплообменников в скважины, рытье траншеи для укладки коллектора, обустройство коллектора, обустройство ревизионных колодцев, засыпка траншеи, рекультивация территории, подключение скважин через коллектор к тепловому насосу, заполнение глубинных теплообменников гликолем, инсталляция теплового насоса и буферных емкостей, обвязка котельной, установка датчиков, пусконаладочные работы, заделка повреждений, возникших в результате выполнения работ.

В стоимость входит бесплатное гарантийное обслуживание на протяжении пяти лет. В результате установки теплового насоса потребитель получает в котельной выводы, к которым в последствии подключается система отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.

1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник,

называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.

3. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан — давление понижается, хладагент попадает в испаритель и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему.

Таким образом, работа теплового насоса схожа с процессом холодильника. Тепловой насос перекачивает низкопотенциальную тепловую энергию грунта, воды или даже воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления объекта. Примерно 2/3 отопительной энергии можно получить бесплатно из природы: грунта, воды, воздуха и только 1/3 энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Иными словами, владелец теплового насоса экономит 70% средств которые, при отоплении своего дома, магазина, цеха и т. п традиционным способом, он бы регулярно тратил на дизельное топливо или электроэнергию.

Попросту, тепловой насос берет тепловую энергию из земли (воды, воздуха) и «перекачивает» ее в отапливаемый дом.

Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе (его специалисты называют

низкопотенциальным теплом.) Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4 кВт тепловой энергии. Тепловые насосы применяют, чтобы отапливать дома, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения. Основные достоинства тепловых насосов:

1) Экономичность. Тепловой насос использует введенную в него энергию на порядок эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине — коэффициенту преобразования тепла (Кпт), среди других его названий встречаются коэффициенты трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, Кпт = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно.

2) Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач — везде этот агрегат раздобудет для себя "пищу", чтобы бесперебойно отапливать дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помеха.

3) Экологичность. Тепловой насос не только сэкономит деньги, но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, ТО2, NO» SO2 , PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение тепловых насосов — благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.

4) Универсальность. Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Он "умеет" отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна.

5) Безопасность. Эти агрегаты практически взрыво — и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более, чем холодильник.

Тепловой насос — это компактная отопительная установка,

предназначенная для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений — двухсторонний усовершенствованный холодильник, где есть испаритель, компрессор, конденсатор и капилляр.

Цикл работы у холодильника и насоса абсолютно одинаков, разнятся только параметры настройки. Даже внешне, по размерам и форме, они похожи друг на друга.

**"■-> WW-"™ ГРЇЧТММ «Л.1

Рис. 2.7. Схемы работы теплового насоса.

Холодильник работает, выкачивая тепло наружу, тепловой насос работает по такому же принципу только наоборот — он нагнетает тепло с улицы или из почвы в помещение. В холодильнике почти не ощущаемое тепло продуктов в конечном итоге выделяется в виде довольно горячего потока воздуха, отходящего от трубчатой панели конденсатора ("радиатор" на задней стенке). Поэтому, если из холодильника вытащить испарительную камеру (с трубами) и закопать в землю, мы и получим тепловой насос, который будет обогревать комнату теплым воздухом. А если конденсатор холодильника омывать водой, то ее, нагретую, можно использовать в радиаторах отопления или в теплом поле.

Основными составляющими частями внутреннего контура тепловых насосов являются: конденсатор, капилляр, испаритель, компрессор, получающий энергию от электрической сети.

Кроме того, во внутреннем контуре имеется:

— терморегулятор, являющийся управляющим устройством;

— хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими характеристиками.

Фотоэлектрические элементы предназначены для преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую энергию постоянного тока. Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) — прибора для преобразования энергии солнечного излучения — на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2.6. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Современные солнечные фотоэлектрические батареи выпускаться отдельными небольшим фирмами и малыми предприятиями. Это солнечные генераторы, у которых отсутствует подвижные части. При этом срок службы практически неограничен. Недостатком является относительно высокая стоимость и низкий

КПД.

Модульный тип конструкции позволяет создавать установки с различными уровнями напряжения и практически любой мощности. Как правило, солнечные фотопанели работают совместно с аккумуляторными батареями и поэтому их ступени напряжения должны совпадать — 12, 24, 36 В и т. д. (рис. 2.7).

Выходная мощность солнечной батареи примерно пропорциональна интенсивности солнечного потока. Причем на количество получаемой энергии влияет интенсивность именно от прямых солнечных лучей. Номинальная мощность, указываемая в технических характеристиках, измеряется при стандартных тестовых условия. За основу нормируемого показателя солнечной радиации берется значение в 1000 Вт/м2. Другой фактор, влияющий на мощность — температура ячеек панели. С ростом температуры увеличивается ток, но уменьшается напряжение.

Время, при котором освещенные солнечные батареи начинают эффективно работать находится между 9-00 и 15-00 часами. В остальной период количество получаемой энергии незначительно. Без больших проблем можно эксплуатировать установки, если они будут в утренние и вечерние часы закрываться тенью от деревьев и строений. Время, при котором освещенные солнечные батареи начинают эффективно работать находится между 9-00 и 15-00 часами. В остальной период количество получаемой энергии

незначительно. Произв од ите льно сть

солнечных батарей наивысшая, когда падающие лучи перпендикулярны плоскости панели. В стационарном положении панели необходимо ориентировать на юг. Так как максимальная высота солнца в течении года меняется, то возможно делать сезонную корректировку. Зимний угол установки относительно горизонтали находится как сумма географической широты района плюс 15 градусов. Летний угол, наоборот, есть разность между географической широтой и 15 градусами. Для постоянной эксплуатации нужно выбирать зимний вариант. Таким образом, всесезонный угол установки для г. Симферополя равен: 45 градуса относительно горизонтали.

Трекер (tracker) — рамная поворотная конструкция, которая динамически ориентируется относительно видимого положения Солнца. Использование трекера увеличивает дневную производительность солнечных батарей летом на 25-40%, зимой на 10-15%.

Наиболее известными компаниями производящие солнечные батареи являются: Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Квазар (Украина) и Солнечный Ветер (Росиия).

Солнечные модули, наземного применения, в основном изготовлены из силиконовых монокристаллов, обеспечивающих максимальный коэффициент полезного действия ячейки. Панели имеют от 7 до 250 ячеек, что зависит от назначения модуля.

Фотоэлементы помещены в прочный корпус из стеклопластика, который не пропускает влаги и специально рассчитан на эксплуатацию в условиях 100% влажности.

Применимость. Солнечные батареи не содержат движущихся частей и поэтому очень надежны и долговечны. Многие фирмы производители дают 20 лет гарантии при правильной эксплуатации модулей. Они очень просты в установке и, что самое главное, производимая ими электроэнергия абсолютно бесплатна! Батареи идеально подходят для полевых работ, курортных объектов, яхт и любых других мест, где много солнца и отсутствует обычное энергоснабжение. Например, подзарядка аккумуляторов, питание систем охранной сигнализации, судового оборудования и навигационных огней, питание навигационных и телеметрических приборов; подача напряжения на садовые насосы, освещение в саду; питание раций, насосов, сигнализации и другого оборудования на удаленных станциях.

Мощность батарей. Выходная мощность солнечных батарей зависит от множества факторов. Максимальное значение достигается при ясном небе, температуре 25 °С и направлении батарей точно на солнце. Небольшая облачность снижает выходную мощность на 70%, плотная облачность — на 90%. Оптимальный диапазон температур составляет 15-25 °С. При повышении температуры за указанные пределы выходное напряжение снижается. Потери выходной мощности при очень сильной жаре для обычных батарей могут составлять до 25%.

Поскольку положение солнца на небе постоянно меняется в течение года и в течение суток, пытаться направлять батарею точно на солнце не имеет смысла. Оптимальных результатов можно достичь, направив батарею в сторону экватора и наклонив ее на угол, соответствующий широте места. В таблице 3.4 показаны суточные значения мощности в Ачас, производимой 10-ваттной батареей SolarGen в зависимости от региона и времени года. Чтобы рассчитать суточную выходную мощность для других моделей, просто умножьте табличные значения на соотношение пиковых мощностей.

Характеристики модулей фирмы SolarGen представлены в таблицах:

Электрические характеристики модулей измерены при условиях: АМ 1,5; 25°С; 1000 Вт/м2

Технические характеристики модуля:

Сопротивление изоляции, МОм, не менее:

в нормальных климатических условиях 10,0 при температуре 70°C 3,0

в конце испытаний на влагостойкость 0,5

Условия эксплуатации модулей:

температура воздуха, oC -45 — +40

Предельные рабочие температуры модуля, oC -50 — +75 относительная влажность воздуха при t=25oC, % до 100 атмосферное давление, кПа 84,0 — 106,7

Модуль сохраняет работоспособность:

• при воздействии вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 1 до 35 Гц при ускорении до 0,5 g;

• после воздействия:

о солнечного излучения с интегральной плотностью

светового потока не более 1500 Вт/м, в том числе плотностью потока ультрафиолетовой части спектра (длина 280 — 400 мкм) 68 Вт/м ;

o дождя интенсивностью 5 мм/мин;

o соляного тумана;

о снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 Па.

Срок службы модуля — не менее 20 лет.

Гарантийный срок — 10 лет.

Цена за 1 Вт — 5- 7$ при цене модуля — 21$.

Системы сбора солнечного тепла с использованием в качестве теплоносителя воздуха приемлемы для отопления помещений всех типов, особенно в тех случаях, когда не предусматривается или в незначительной степени используется охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд.

Воздушные системы выглядят привлекательнее жидкостных, так как требуют меньше трубопроводов и деталей и поэтому менее дороги. Причиной сложностей с жидкостными системами являются:

• проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе;

• необходимость учитывать расширение жидкости при ее нагреве в системе, включая возможность мгновенного перехода жидкости в газообразное состояние;

• возможность протечки системы;

• коррозия металлических водопроводных труб.

Сравнительная простота воздушных систем притягательна для

людей, желающих простроить свою собственную систему, но, как со всеми системами сбора, хранения и использования солнечной энергии, их точный расчет труден, поэтому все системы, за исключением простейших, должны проектироваться специалистами, компетентными в вопросах механики и теплообмена. Тем не менее, воздушные коллекторы сравнительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, приводы демпферов и органы управления могут отказать, однако крупные узлы, в том числе коллектор, аккумулятор тепла и воздуховоды, как правило, имеют длительный срок службы.

Изготовление воздушных коллекторов и связанных с ними узлов и систем сравнительно просто, если сопоставить со слесарно­водопроводными работами и попытками найти пластину теплоприемника, пригодную для жидкостных систем. За исключением конструкции д-ра Гарри Томсона, в которой вода стекает по волнистому металлическому листу, в большинстве конструкций теплоприемника трубы крепятся к ним или составляют с ними одно целое, причем обращаться с этими узлами непросто даже для квалифицированных рабочих. Легче содержать теплоприемник в системе воздушного коллектора; поскольку они не соединены с водопроводной системой, которая должна быть герметичной, и не требуют строгого учета расширения и сжатия, нет нужды изготавливать их с большой точностью.

По сути дела, для коллекторов воздушного типа теплоприемник необязательно должен быть металлическим. Так как во многих типах коллекторов воздух соприкасается с поверхностью любого материала, нагреваемого солнцем, тепло необязательно должно передаваться от одного участка поверхности теплоприемника к другому, как в случае жидкостных коллекторов. Почти любая зачерненная поверхность, которая нагревается солнцем, будет передавать тепло воздуху, обтекающему ее. Такой механизм теплообмена открывает множество вариантов выбора поглотителей.

Р. Блисс и М. Донован использовали черный четырехслойный хлопчатобумажный экран для изготовления теплоприемников, а д-р Дж. Леф применил зачерненные стеклянные пластины в своем доме в Колорадо; стеклянные пластины, на две трети перекрывают друг друга. Каждая пластина состоит из двух частей: черной и прозрачной. Черное покрытие получают путем нанесения черного стеклошлака на обычное оконное стекло и выдерживания его в обжиговой печи. Пластины закрываются сверху двумя слоями стекла. Четыре секции по 1,2 м располагаются в ряд с наклоном 60° от горизонтали. Первоначально из-за неправильного способа закрепления кромок стекло растрескивалось при расширении и сжатии. Способ закрепления был изменен и стекло не разбивалось. Если кромки стекла не защищены, пластина будет трескаться и, в конечном счете, раскалываться.

Разумеется, можно применять для теплоприемника и металлические пластины, он предпочтительнее для тех случаев, когда солнечная радиация поступает не на всю поверхность

теплоприемника, соприкасающегося с движущимся воздухом. Металл также способствует устранению "горячих мест", вызванных неравномерным потоком воздуха над поверхностью, распределяя избыточное скопление тепла на другие поверхности, а от них к воздуху. В своих исследованиях Дж. Д. Клоуз определил относительные преимущества размещения воздуховодов по отношению к светонепроницаемым металлическим пластинам теплоприемников. Три основных конфигурации показаны на рис. 2.3:

• тип I, в котором воздуховод помещен между пластиковым

покрытием и поверхностью теплоприемника;

• тип II, в котором дополнительный воздуховод

располагается позади пластины теплоприемника;

• тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, расположенный за пластиной теплоприемника.

Рис. 2.2. Три конфигурации воздуховодов коллектора:

1 — воздуховод; 2 — пластиковое покрытие; 3 — теплоприемник; 4 — изоляция.

Воздухоподогреватель типа II имеет более высокий КПД, чем другие два типа, когда содержащийся в нем воздух и наружный воздух имеют примерно одну и ту же температуру. Однако при увеличении разности между температурой коллектора и температурой наружного воздуха лучшие характеристики будет иметь устройство типа III. Примерная схема воздушного коллектора, примененного в солнечном экспериментальном доме Института экономии энергии при университете шт. Делавэр, показана на

рис. 2.3.

Дж. Д. Клоуз сделал также вывод, что чем выше рабочая температура коллектора, тем большее значение приобретает коэффициент теплообмена между поверхностью теплоприемника и воздухом. В летний период, когда температура коллектора может быть лишь на 15…20°С выше температуры наружного воздуха, эффективность одного ровного металлического листа можно сравнить с эффективностью ребристой пластины или поверхности с V-образной волнистостью (рис. 2.4). Однако в районах с прохладным и холодным климатом, где разность температур коллектора и внешней среды может достигать 55°С, ребристая пластина на 5…10% эффективнее плоской пластины, а пластина с V-образной волнистостью — на 10… 15%.

Задняя сторона пластины теплоприемника должна быть окрашена в черный цвет, если ее обтекает воздух. Поверхность, отделяющая задний воздуховод от изоляции, должна быть покрыта отражающей фольгой; однако, если применяется перфорированная пластина, отделяющая поверхность должна быть черной и служить в качестве еще одной поверхности теплообмена.

Уиллиер показал, что при замене обычной сплошной пластины теплоприемника зачерненной проволочной или пластиковой сеткой, дающей возможность нижележащей поверхности воздуховода поглощать половину излучения, можно удвоить величину h (эффективный коэффициент теплопередачи между теплообменником и воздушным потоком), обеспечив увеличение отвода тепла на

10.. . 15%. Удовлетворительные значения h находятся в пределах

34.. .68 Вт/(м2*град). Предпочтительнее более высокие значения h при условии, что затраты на подкачку воздуха не становятся слишком высокими.

Поскольку теплоприемник можно изготовить из неметаллических материалов, вполне вероятно значительное снижение стоимости солнечных коллекторов, что стимулирует изготовителей исследовать эту альтернативу жидкостным системам с целью производства изделия, более конкурентоспособного по стоимости. К сожалению, с воздушными коллекторами проводилось сравнительно мало исследований.

Это объясняется главным образом традиционной приверженностью к жидкостным системам.

Независимо от того, изготовлены теплоприемники из металла, или нет, важно, чтобы движение воздуха через промежуток над поверхностью теплообмена было турбулентным. Обычно воздушный поток является ламинарным, т. е. воздух, прилегающий к поверхности, сравнительно неподвижен, в то время как воздух над поверхностью движется спокойными ненарушенными слоями. Такой режим течения обеспечивает плохую теплопередачу: неподвижный воздух вблизи поверхности теплоприемника нагревается, а движущийся над неподвижным слоем воздух не соприкасается с поверхностью теплообмена.

Устранить этот недостаток можно с помощью турбулентного потока, который рассматривается в двух масштабах. В

макромасштабе турбулентный поток можно проиллюстрировать завихрениями дыма, вдуваемого в какой-либо объем; эти завихрения легко наблюдать визуально. В микромасштабе тот же эффект должен иметь место непосредственно у поверхности теплоприемника.

Чтобы создать турбулентность в макромасштабе, теплоприемник не должен быть плоским, а должен быть как можно более шероховатым, заставляя воздух двигаться во всех направлениях. Эту функцию хорошо выполняют ребристая пластина и V-образные волнистости.

Чтобы создать турбулентность в микромасштабе, поверхность также должна быть шероховатой с как можно большим количеством острых выступов. Примерами таких грубых поверхностей могут служить: слой, подобный мелкому гравию (рис. 2.5), воздушные фильтры для печей, ткань, сетка, пластина с пробитыми отверстиями.

1 — воздушный промежуток в 25…50 мм; 2 — полиэфирная смола, армированная стекловолокном; 3 — светопроницаемая изоляция (или второе стеклянное покрытие); 4 — черный металлический лист; 5 — пластмассовое покрытие; 6 — отражающая поверхность; 7 — стекловолокнистая изоляция толщиной

150.. .250 мм; 8 — декоративное покрытие.

потока воздуха через

Если к алюминиевому листу прикрепить тысячи миниатюрных волосков (или прямых шпилек, заделанных в его поверхность), эффективность теплопередачи еще более увеличиться благодаря большей площади поверхности и созданию микротурбулентности самими волосками. Еще больший эффект достигается, если алюминиевая пластина с волосками состоит из ряда отдельных секций, вызывающих макротурбулентность воздушного потока.

При турбулентности возникает перепад давления в коллекторе. Сложная конфигурация поверхности и множество препятствий воздушному потоку требуют установки достаточно мощного вентилятора, а, следовательно, и большего расхода энергии для создания воздушного потока. Необходимая для этого энергия может свести на нет экономию от использования солнечной энергии, особенно, если вентилятор работает на электричестве и, если учитывается количество топлива, сожженное на электростанции для производства этой электроэнергии. Р. Блисс и М. Донован решили эту проблему, продуванием воздуха через четыре слоя черной сетки.

Для воздушных коллекторов факторы, влияющие на выбор краски для теплоприемника, селективных поверхностей и покрытий, аналогичны уже рассмотренным жидкостным коллекторам. Один из основных недостатков неметаллических поглотителей для воздушных коллекторов заключается в относительной трудности нанесения селективных покрытий. Пока не усовершенствуется технология нанесения таких покрытий, будут преобладать металлические теплоприемники.

Клоуз продемонстрировал значение селективных покрытий для воздушных коллекторов. При прочих равных условиях для

теплоприемника с селективным покрытием эффективность его работы повышается от 50 до 65% при низких рабочих температурах и от 15 до 35% — при повышенных температурах.

Важным соображением при конструировании коллектора является предупреждение утечки воздуха. Поскольку, нагретый солнцем воздух, подается вентилятором под давлением, существует возможность утечки даже через небольшие щели, а также засасывание в эти щели холодного наружного воздуха. Многие конструкторы считают, что предупреждение утечки важно для жидкостных систем, но это имеет не меньшее значение для повышения КПД воздушных коллекторов. Воздухонепроницаемость является важнейшим фактором в конструкции всей системы воздушного потока, включая воздуховоды и демпферы. Особая тщательность должна быть соблюдена при устройстве переплетов остекления во избежание утечки воздуха; использование больших листов пластика значительно уменьшает число стыков при остеклении. Подобно вторым оконным рамам, уменьшающим проникновение воздуха в здание, второе и третье прозрачное покрытие уменьшает утечку воздуха в коллекторах воздушного типа.

Если коллектор будет изготавливаться и собираться на месте, то в конструктивных элементах, отделяющих отсеки теплоприемника друг от друга, можно сделать перфорации, позволяющие воздуху поступать из одного отсека в другой, выравнивая тем самым давление и воздушный поток через разные панели. По сравнению с жидкостями, предсказание и равномерное распределение потока газов или воздуха представляет собой более трудную задачу. В случае панелей заводского изготовления, которые собираются на площадке, в конструкции должен предусматриваться допуск на изменение и регулирование воздушного потока. Трудность предсказания и контроля над движением воздуха является одной из основных причин предпочтения инженерами жидкостных систем.

Серьезными проблемами при создании воздушного коллектора являются:

— низкая удельная теплоемкость воздуха;

— малая плотность.

Ввиду низкой теплоемкости воздуха появляется необходимость создавать габаритные рабочие объемы, где он может циркулировать, даже в самом коллекторе. Воздушные промежутки в коллекторах (например, между пластиной теплоприемника и прозрачным покрытием) составляют 40…150 мм. Вообще, чем больше размер воздуховода, тем меньше перепад давления (сопротивление движению воздуха), но тем хуже теплопередача от теплоприемника к воздуху.

Стоимость солнечных водонагревательных коллекторов, разработанных и выпускаемых на Украине, сегодня составляет 70-150 долларов США за 1 м. За последние 10-12 лет стоимость высокоэффективных коллекторов снизилась в 2-2,5 раза, а производительность во столько же раз увеличилась. Снижение происходит как за счет роста объемов производства, так и внедрения научно-технических и технологических разработок.

Однако пока еще стоимость установок остается достаточно высокой, что является основной причиной, сдерживающей массовое сооружение гелиоустановок.

В России солнечные коллекторы серийно выпускаются Ковровским механическим заводом и предприятием "Конкурент" г. Жуковский Московской обл. Отдельные партии коллекторов изготавливает НПО машиностроения г. Реутов Московской обл. Ковровским заводом выпущено около 1500 солнечных коллекторов.

Для данного завода характерно оптимальное для российского рынка соотношение: цена — качество. Во всех модификациях коллектора теплопоглощающая панель выполнена из латунной трубки, что обеспечивает коррозионную стойкость, и различных конструкций приемников (алюминиевые литые, стальные с обжимом и сварные). Покрытие теплопоглощающей панели — селективная эмаль. Стекло — оконное 4 мм, корпус стальной. Теплоизоляция — пенополиуретан, воздушные полости из пергамина. Тыльная сторона теплоизоляции — алюминиевый или стальной лист, пергамин на ДВП. Соединение коллекторов — четырьмя патрубками с резинотканевыми муфтами. Площадь коллектора 0,8-1,07 м2. Масса сухая 24-26 кг/ м2, с водой 27­30 кг/м2. Рабочее давление 6 кгс/см2. Стоимость 70 долл. США/ м2.

На основе данных коллекторов Ковровским заводом изготавливается солнечная водонагревательная установка для индивидуальных потребителей с двумя коллекторами, теплоизолированным баком-аккумулятором, опорными

конструкциями, соединенными патрубками.

Солнечные коллекторы фирмы "Конкурент" имеют технические характеристики на уровне лучших зарубежных образцов. Теплопоглощающая панель выполнена штампованной из нержавеющей стали толщиной 0,3 -0,5 мм. Селективное покрытие выполнено напылением в вакуумной камере. Теплоизоляция комбинированная: базальтовое волокно в алюминиевой фольге, пенополиуретан.

Стекло упрочненное, с низким содержанием железа, толщиной 3 мм. Корпус и тыльная сторона коллектора выполнены из алюминиевых сплавов. Соединение коллекторов четырьмя резинотканевымм патрубками. Площадь коллектора 1 м. Масса сухая 23,5 кг, с водой 24,75 кг. Рабочее давление 6 кгс/ см2. Стоимость — 220 долл. США Коллектор данной фирмы имеет малое сечение каналов теплопоглощающей панели и рассчитан для работы на антифризе.

Фирма "Конкурент" выпускает также солнечные водонагревательные установки для индивидуальных потребителей "Радуга-2М". В комплект установки входит два коллектора площадью 2 м2, теплоизолированный бак-аккумулятор емкостью 200 литров. В контуре солнечных коллекторов — антифриз, в баке — пластинчатый теплообменник, регулятор подпитки, электронагреватель мощностью 16 кВт. В комплект установки входят соединительные шланги, опорные конструкции. Стоимость данной гелиоустановки 1000 дол. США.

Солнечные коллекторы НПО машиностроения (г. Реутов) имеют штампованную теплопоглощающая панель из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм. Селективное покрытие выполнено напылением в вакуумной камере. Стекло упрочненное, с низким содержанием железа. Корпус и тыльная сторона — из нержавеющей стали. Площадь коллектора 0,9 — 1,2 м. Масса сухая 27 — 34 кг. Рабочее давление 4 кгс/см. Стоимость 230 долл. США/м.

На основе данных коллекторов предлагает две модели солнечных водонагревательных установок емкостью 80 литров (один коллектор), 120 литров (два коллектора). Установки одноконтурные. Стоимость 900 долл. США.

Из зарубежных конструкций оптимальное соотношение качество — стоимость имеют коллекторы, которые можно разделить на три вида:

• наиболее качественные стоимостью свыше 150 долл. США/м (Израиль, Германия, Швейцария);

2

• средние по качеству стоимость до 150 долл. США/м (Греция, Турция);

2

• стандартного качества стоимостью до 100 долл. США/м (Китай).

Наиболее качественные коллекторы имеют

теплопоглощающую панель из медных труб и медного листа, способ соединения панели и труб — сварка. Покрытие — селективное. Стекло градостойкое, содержание железа 0,03%, толщина 3,2 мм. Каркас из оцинкованной стали с покрытием порошковым полиэстером или из анодированного алюминия. Теплоизоляция — пенополиуретан, стекловата.

Средние по качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и стального листа. Способ соединения — обжимом. Покрытие селективное. Стекло градостойкое с низким содержанием железа, толщиной 3,2 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция — пенополиуретан.

Стандартные по качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из оцинкованных стальных труб и листа. Способ соединения — обжимом. Покрытие — селективная эмаль. Стекло оконное, толщиной 3 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция — пенополиуретан.

На настоящий момент тепловые приемники, использующие в качестве теплоносителя жидкость, являются наиболее совершенными. Это обусловлено относительно большой теплоемкостью жидкости при достаточно хорошей ее подвижности. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (рис.2.1). Жидкостный плоский коллектор состоит из следующих элементов: 1 — остекление; 2 — лучепоглощающая поверхность с трубками для нагреваемой жидкости (абсорбер); 3 — корпус; 4 — теплоизоляция; 5 — подача теплоносителя.

Плоский коллектор солнечной энергии работает на принципе тепличного эффекта. Физическая суть этого эффекта заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхность теплового коллектора, покрытого прозрачным для солнечных лучей материалом, практически без потерь проникает внутрь теплового коллектора и, попадая на теплоприемник, нагревает его, а процесс рассеивания тепловой энергии теплоприемника минимизирован. Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0.4мкм -1.8мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% . Расположенный в нижней части коллектора теплоприемник представляет собой абсорбирующее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения до 90%. Стекло обладает низким коэффициентом пропускания. Это и приводит к тепличному эффекту, заключающемуся в накоплении энергии под стеклом и увеличении температуры теплоприемника. Если преобразованная энергия не выводится из коллектора теплоносителем, эта температура может достигнуть 160 градусов.

В рабочем режиме накопленное тепло расходуется на нагрев воздуха или воды, которые циркулируют через коллектор. Работа солнечной водонагревательной установки происходит следующим образом: вода из водопровода подается в солнечные коллекторы, где происходит ее нагрев солнечной энергией до заданной температуры 45-55 оС, горячая вода из коллекторов поступает в бак горячей воды, а затем уже под давлением созданным высотой установки подается на душевые сетки и мойки. Регулирование температуры происходит через изменение расхода воды в системе.

К числу принципиальных преимуществ плоского коллектора по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого — возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

В средней полосе Европы в летний период производительность таких коллекторов может достигать 50-60 литров воды, нагретой до 60 — 70оС с каждого квадратного метра в день. КПД солнечного коллектора составляет порядка 70% и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в коллекторе. С уменьшением температуры, до которой необходимо нагреть воду, циркулирующую через коллектор, КПД коллектора увеличивается. Однако стандартная температура нагреваемой воды составляет 50о С. Для солнечного коллектора основной технической характеристикой является объем воды или воздуха, нагретых до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром коллектора. Этот параметр зависит от времени года и географического положения места, в котором устанавливаются коллекторы. Эффективность солнечного коллектора может быть увеличена примерно на 20% при использовании на теплоприемной поверхности селективно поглощающих покрытий, которые обладают свойством хорошо поглощать видимую часть солнечного спектра и практически не излучать в инфракрасной области спектра.

Срок службы коллектора составляет не менее 10 лет. Такие коллекторы обладают низкой материалоемкостью (вес материала, затраченного на изготовление 1м2 поверхности) и низкой инерционностью (время нагрева воды до заданной температуры при заданном давлении воды).

В систему получения низкотемпературного тепла также входят накопители тепла, которые в простейшем случае представляют собой термоизолированные емкости (термосы) для хранения горячей воды. Объем накопителя и необходимая площадь коллекторов определяются суточным потреблением тепла и средним числом солнечных дней в году в данной местности. Если солнечный коллектор использует не воду, а незамерзающую жидкость, то с помощью теплообменника в накопительном теплоизолированном баке и дополнительного нагревателя (газ, электричество и т. п.) можно в течение года экономить до 50-70% энергии, необходимой для обогрева дома и других тепловых домашних нужд, что практически широко используется в промышленно развитых странах. В этом случае солнечные коллекторы работают круглогодично в автоматическом режиме параллельно с обычными топливными или электрическими нагревателями воды.

На сегодняшний день известно более 200 видов

гелиоприемников, у которых прозрачное покрытие выполняется из одного из перечисленных ниже материалов: оконное стекло,

силикатное стекло, специальные пленочные полимерные материалы повышенной термо — и светостойкости, светостабилизированные упрочненные прозрачные пластины.

Материал абсорбера выполняется преимущественно из конструкционной стали, реже из нержавеющей стали, из алюминиевых сплавов, меди и ее сплавов, используются и комбинированные варианты. Жидкостные плоские гелиоприемники различаются по типу прозрачного покрытия, материала и конструкции абсорбера, его покрытия, материала корпуса и теплоизоляции, а также по типу теплоносителя, который может быть использован в виде химически очищенной воды, антифризов, солевых растворов минеральных вод. Применение того или иного вида теплоносителя определяет период работы гелиоустановок. Так гелиоустановки с водяным теплоносителем являются сезонными, т. е. работают в не зимний период. Остальные с круглогодовым периодом работы. С целью достижения заданного температурного уровня, особенно в зимний период, применяют дублеры, роль которых выполняют топливные или электрические котельные. Такие системы имеют замкнутую систему непрямого действия, которая обладает высокими показателями теплопередачи. Теплоноситель на основе гликоля нагревается панелью абсорбера и поднимается в теплоаккумулирующую емкость, где он отдает тепло воде. Так как данный теплоноситель является антифризом, отсутствует риск повреждения установки во время заморозков.

В целом водонагреватели состоят из теплоаккумулирующей емкости, имеющей устойчивую с атмосферным явлениям наружную оболочку, слоя теплоизоляции, нержавеющего резервуара с теплообменной поверхностью, автоматического электронагревателя и солнечной панели, состоящей из теплоизолированного корпуса с остеклением и абсорбера с каналами для теплоносителя. Такой солнечный водонагреватель является термосифоном и, имея встроенный автоматический электрический нагреватель, поддерживает требуемую температуру, когда солнце зашло либо его недостаточно. В итоге — это автономная система, не требующая обслуживания. Как уверяют производители (Крымская тепловая компания, фирма «Афрос»), исследования, проведенные специалистами в 2002 — 2006 годах в южных регионах Украины, в частности в Крыму показали, что средняя высота солнца, усредненное значение общей солнечной радиации, количество солнечных дней в году абсолютно удовлетворяют требованиям надежной работы этих установок.

Двойной контур с антифризом позволяет работать зимой при температуре воздуха до -25 градусов Цельсия. Применение легких конструкционных материалов позволяет легко монтировать даже самую мощную из наших установок без риска повреждения кровли дома при монтаже. Наличие автоматики позволяет установить требуемую температуру, не вмешиваясь в работу установки практически весь период эксплуатации.

Получение тепла путем прямой абсорбции излучения представляет наиболее простой по реализации способ использования солнечной энергии.

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту, нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Среди многих типов солнечных коллекторов наибольшее распространение получили плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Фокусирующие приемники (концентраторы солнечной энергии) могут нагревать воду до 500 оС (иногда до 2000 оС), что используется для производства электроэнергии, изготовления и очистки материалов. Чаще всего такие температуры не требуются, например для обслуживания коммунально-бытового хозяйства достаточно бывает температур до 100 оС.

Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации около 30% отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения, другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе. Небольшая часть, около 0.2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны. И только 0.02% захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете. Малая доля от этих 0.02% обеспечила миллионы лет назад накопление на Земле запасов ископаемого топлива.

Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

— Солнечная 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.

— Солнечная энергия — это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.

— Солнечная энергия — это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

В мире накоплен большой опыт использования солнечной энергии, который сводится к двум основным методам — активным и пассивным.

В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций зданий с использованием дополнительных устройств или без них.

дома (журнал

Человек давно научился использовать солнечное тепло при строительстве своего жилища. Для этого используются как толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону, так специальные технологические приемы и системы, в частности, окрашивание стены, обращенной на юг, в черный цвет, остекление поверхности южной стены с пространством, в котором остается воздух для конвективного обмена, создание водяной
прослойки, состоящей из наполненных водой резервуаров из стекловолокна и др.

Примером может служить система солнечного отопления, созданная в США инженером. X. Р. Лефевром в 1954 г. (Мхитарян Н. М., рис. 1.2).

Южная стена здания нагревалась за счет парникового эффекта, создаваемого двухслойным остеклением. Часть аккумулированной днем теплоты нагревает воздух внутри помещения, а часть теряется в окружающее пространство. Площадь солнечного нагревателя в доме Лефевра составляет 41,8 м2 при полезной площади здания 116 м2. По данным автора проекта, за счет солнечной энергии покрывалось

40.. .50 % общего количества потребности в энергии на отопление.

По такому же принципу в Великобритании (вблизи Ливерпуля, 53° с. ш.) по проекту А. Моргана в 1961 г. была построена школа. Двухэтажное здание школы, рассчитанной на 320 учеников, имело классы общей площадью 1367 м2. Южная стена площадью 500 м2 была остеклена с внешней стороны (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Система пассивного Рис. 1.3. Система пассивного

солнеч-ного отопления Лефевра: солнеч-ного отопления Моргана:

1 — двухслойное светопрозрачное 1 — теплоизоляция (полистирол

ограждение; 2 — стена-теплоприёмник; 3 толщиной 125 мм); 2 — стена из — теплоизоляция; 4, 5 — потолок и пол — кирпича толщиной 230 мм; 3 — аккумуляторы теплоты бетонная крыша толщиной 180 мм.

Наружные и внутренние ограждения здания школы имели высокую теплоакку-мулирующую способность. Вспомогательная система отопления отсутствовала. По утверждениям автора, построенная по его проекту школа не требует дополнительного отопления, несмотря на довольно неблагоприятные климатические условия Великобритании. Отопление школы в течение 20 лет осуществлялось за счет солнечной радиации, освещения и внутренних тепловыделений.

Одной из модификаций таких систем является система солнечного обогрева, предложенная архитектором М. Вагнером (рис. 1.4). Здание имеет площадь около 95 м2. Дом снаружи окружен стеклянным покрытием, расположенным на расстоянии 1,5 м от стен, вследствие чего создается парниковый эффект на наружной поверхности ограждений. Характеристики такого дома аналогичны характеристикам здания А. Моргана.

На рис. 1.5 показана пассивная система солнечного отопления, в котором теплоаккумулирующая стена дополнена термосифонным вертикальным коллектором. Эта система, созданная во Франции профессором Ф. Тромбом совместно с архитектором Ж. Мишелем в 1967 г., сегодня иногда называется «стеной Тромба» (Мхитарян Н. М.) . Южный фасад дома бетонный, толщиной 400 мм, закрыт двух — или трехслойным остеклением. Внешняя поверхность бетонной стены шероховатая и окрашена в черный цвет для лучшего поглощения солнечной радиации. Под действием длинноволнового теплового излучения воздух между бетонной стеной и стеклянным покрытием нагревается и поднимается вверх. Одновременно через каналы в нижней части стены из комнаты поступает прохладный воздух, замещая нагретый воздух в коллекторе. Сезонная тепловая энергия, обеспечиваемая этой системой в условиях города Одейо (Франция), составляет примерно 600 кВт. ч на каждый квадратный метр поверхности коллектора.

Рис. 1.4. Система пассивного солнеч — Рис. 1.5. Теплоаккумулирующая стена ного отопления Вагнера. с термосифонным вертикальным

солнеч-ным коллектором («стена Тромба»):

1 — двойное или тройное остекление; 2 — бетонная теплоаккумулирующая стена; 3 — зачер-нённая поверхность с каменной крошкой; 4 — воздух, нагретый солнечным излучением; 5 — прохладный комнатный воздух; 6 — теплообмен излучением

В странах ЕЭС в 2010 г. пассивные гелиосистемы будут давать экономию 50 млн. т нефти в год. В зданиях, в которых предусматривается эффективное использование солнечной энергии, должен быть обеспечен высокий уровень сохранения энергии,
особенно в условиях холодного климата. При этом мощность гелиосистемы и дополнительного источника энергии, а также их размеры и стоимость будут минимальными.

Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств преобразующих солнечную энергию в тепло или электричество.

Плоский солнечный коллектор состоит из поглощающей энергию панели, остекления, и расположенных между панелью и стеклом труб или других элементов для протока воды или иного теплоносителя. Солнечные коллекторы могут использоваться в целом ряде низкотемпературных технологических процессов. Например, в пищевой промышленности — для пастеризации продуктов, для мойки банок, бутылок, для стирки белья в прачечных, сушки сельскохозяйственных продуктов.

Для получения высокой температуры воды и получения пара применяют отражающие и фокусирующие солнечные коллекторы, концентрирующие тепло солнца на специальных технологических элементах и следящие за его перемещением. В таких коллекторах применяются вогнутые приемные элементы, зеркала или линзы. Зеркала могут быть параболическими, параболоидными или сферическими.

Некоторые схемы фокусирующих коллекторов, или, как их иногда называют, концентраторов солнечной энергии, представлены на рис.1.7.

Сконцентрированный солнечный свет попадает на центральный теплоприемник и нагревает жидкость, которая прокачивается насосом. В эту систему может входить бак-аккумулятор для нагретой жидкости.

Проблема широкого применения солнечных тепловых установок заключается в относительно низкой их экономической эффективностью по сравнению с традиционными системами. При нынешних ценах на нефть и газ в Украине стоимость энергии, вырабатываемая солнечными установками более высока, чем

стоимость энергии, получаемая при использовании традиционного топлива. Но для районов, удаленных от централизованного энергоснабжения, использование солнечных коллекторов может быть экономически более выгодно.

а — параболоцилиндрический конце-нтратор с трубчатым

приемником излучения; б — фоклин; в — параболо-идный концентратор; г — линза Френеля; д — поле гелиостатов с

центральным приемником излуче­ния; 1 — отражатель; 2 —

теплоприём-ник.

Перспективный путь использования солнечной энергии —

непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлектрических преобразователях из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т. д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности — от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций.

Для преодоления суточного и сезонного солнечного цикла, состояния атмосферы, погодных условий и других факторов существуют технические методы накопления энергии такие как:
электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление с помощью вращающихся маховиков, гидравлическое — путем сохранения нагретой жидкости и др. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, системами, работающими на ископаемом топливе.

Фотоэлектрические системы практически не обслуживания, в них не используется вода и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и районов с большим количеством часов солнечного сияния, они долговечны.

В Германии и некоторых других европейских странах солнечные фотоэлектрические батареи широко используются для освещения, электропитания бытовой техники (радио, телевизор, холодильник), насосов для подъема воды в удаленных сельских районах; энергообеспечения экологически чистых зон массового отдыха и лечения, электропитания отдельно стоящих радио — и телекоммуникационных систем, маяков, буев и др. Установки использования солнечной энергии не только могут быть экологически чистыми, но и иметь положительное влияние на другие сферы жизни. Например, использование солнечных батарей в жарких пустынных районах в качестве "солнечного зонтика" обеспечивает благоприятные условия для выращивания под ним бахчевых и цитрусовых культур, для которых целесообразно использовать не слишком интенсивное солнечное излучение. Другим примером является использование солнечных батарей или солнечных коллекторов как строительных элементов в качестве облицовочных панелей фасадов зданий ("солнечных домов").

Во многих странах происходит постоянный рост производства солнечных коллекторов (Безруких и др.). Установленная мощность этих устройств в мире оценивается в 10 ГВт, причем общая площадь солнечных коллекторов превысила по неполным данным 21 млн. м2, а годовое производство солнечных коллекторов превышает 1,7 млн.

США — 4 млн. м, Израиль

темпы роста за последние 5 лет составляют 30%. Лидируют страны: Япония — 80 МВт, США — 60 МВт, Г ермания — 50 МВт.

Масштабы использования фотоэлектрических солнечных батарей ограничиваются более высокой стоимостью вырабатываемой электроэнергии, по сравнению с энергией, получаемой за счет использования традиционных источников энергии. Удельная стоимость мощности плоских модулей солнечных батарей на мировом рынке составляет 4-5 долл./Вт, а стоимость фотоэлектрических установок 7 — 10 долл./Вт. Стоимость

электроэнергии, вырабатываемой модулями, колеблется в пределах 20 — 30 цент./(кВт • ч), что значительно превышает стоимость электроэнергии от традиционных источников.

Актуально использование солнечной энергии в регионах, удаленные от централизованных энергосистем — отдельные поселки, деревни, рабочие точки. Использование возобновляемых источников энергии, в том числе солнечного излучения позволило бы решать энергетические и социально-экономические проблемы таких регионов и удаленных мест. То есть вопрос об экономической возможности и эффективности необходимо решать с учетом социально-экономических условий, в том числе дефицита энергии, стоимости топлива, географических и климатических условий.

Например, иболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России, по оценкам специалистов, это: Северный Кавказ, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, некоторые районы Дальнего Востока.

Активная работа по использованию солнечной энергии ведется в Швейцарии. Страна вступила в полосу, когда ее экономический рост может быть существенно замедлен из-за недостатка энергоресурсов. В кругу специалистов и в обществе в целом активно обсуждается проблема возможного «энергетического голода». По имеющимся данным, если не принять решительных мер, то к 2030 году проблема энергоснабжения достигнет размеров, угрожающих энергетической безопасности страны.

Сегодня на долю гидро — и атомных электростанций этой страны приходится 50% и 45% производства электроэнергии соответственно. Доля электростанций, работающих на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии, в производстве электроэнергии достигла 5% и превышает средний уровень в странах ЕС по аналогичному показателю.

Однако износ электростанций на ядерном топливе уже довольно велик, а строительство в ближайшее время новой АЭС представляется маловероятным. Практически полностью использован потенциал водных ресурсов Швейцарии и строительство новых крупных ГЭС на данном этапе также не предусматривается. Решению энергетической проблемы за счет тепловых электростанций препятствуют такие факторы как экономическая нецелесообразность, в основе которой лежит практически полное отсутствие запасов собственного углеводородного сырья и, как следствие, углубление энергетической зависимости, повышение уровня эмиссии вредных выбросов в атмосферу и негативное общественное мнение.

Поэтому, одним из приоритетных направлений энергетической политики Швейцарии на современном этапе признано развитие и освоение нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в частности — солнечной энергетики.

В рамках реализации государственной программы «Энергия Швейцарии» запланированы меры по расширению использования солнечной энергии, разработка новых экономических механизмов и правовая поддержка продвижения на рынок альтернативной электроэнергии, активизация деятельности научно-исследовательских институтов с целью создания новых технологий и внедрения их в производство систем, что в ближайшем будущем позволит выйти на уровень экономической рентабельности.

Следует отметить, что в Швейцарии практически весь цикл проблем, связанных с развитием и продвижением солнечной энергетики, находится в ведении государства. Г осударством созданы экономические стимулы для развития солнечной энергетики, которые включает в себя предоставление правительственных льгот, субсидий и грантов, а также установление цен, покрывающих издержки производства и гарантирующих определенную прибыль.

Достигнутый уровень уже позволяет обеспечить энергопотребности всех жилых зданий в стране. Фотоэлектрические установки, располагаются на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях, то есть не требуют дополнительного выделения дорогостоящей земли. На территории страны действуют более 3000 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 2 до 300 кВт, которые смонтированы на крышах и фасадах зданий. Каждая такая установка вырабатывает в год в среднем 2000-30000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и может покрыть потребности среднего предприятия в энергии на 50-70%. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляется в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные

гелиоустановки с аккумуляторами. Так, автономная солнечная установка у поселка Г римзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного туннеля. Вблизи города Хур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения автомагистрали, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Аналогичные устройства мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают

технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии. В 2004 г., при строительстве в Берне стадиона «Стад де Свисс» фирмой BKW-FMB была смонтирована крупнейшая в Швейцарии на сегодняшний день солнечная установка, вырабатывающая 850 кВт электроэнергии. Эта компания готова предложить на рынок свой новый проект мощностью 1,3 мВт.

Большая работа ведется в Японии, на ее долю ныне приходится 49 процентов установленной мощности всех существующих в мире генераторов, которые используют в качестве источника энергии солнечный свет. Нефтяной кризис 70-х годов заставил Японию ощутить уязвимость ее экономики, задуматься о путях укрепления энергетической безопасности и защите окружающей среды. С тех пор энергосбережение, уменьшение вредных выбросов в атмосферу и освоение альтернативных, экологически чистых источников энергии стали главными приоритетами национальной экономической стратегии. Япония ускоренно развивает ядерную энергетику, мощность ее ветровых электростанций превышает полмиллиона
киловатт, широко используется тепло земных недр, но бесспорным мировым лидером Япония является в освоении солнечной энергии.

Эти работы ведутся при активной поддержке государства с использованием бюджетных субсидий, их участниками являются ведущие корпорации в области электроники: "Шарп", "Саньо", "Мицубиси", "Киосера", которые контролируют почти половину мирового рынка солнечных батарей. Один лишь "Шарп" выпустил их в 2007 году на миллиард долларов, а в нынешнем намерен расширить производство еще на 28 процентов. За последние десять лет себестоимость солнечных батарей в Японии снизилась на 66 процентов. По расчетам аналитиков, если за предстоящие десять лет удастся сделать их дешевле еще на 50 процентов, солнечная энергетика сможет конкурировать с нефтью и газом.

В Японии насчитывается уже 140 тысяч семей, пожелавших установить на крышах своих домов полностью обеспечивают потребности необходимости обязан покупать электрификация пока обходится владельцу в двадцать тысяч долларов. А при снижении цены вдвое счет желающих пойдет на миллионы.

В префектуре Нара есть завод, где общая площадь солнечных батарей составляет 6300 квадратных метров. Они ежегодно производят около миллиона киловатт-часов, или 7% нужной предприятию энергии.

В результате совместной работы корпораций "Шарп", "Тойота" и Японского национального управления по исследованию космического пространства создан самый эффективный в мире элемент солнечной батареи, преобразующий в электричество рекордно высокую долю световой энергии — 36 процентов. Поначалу он будет использоваться на искусственных спутниках, но затем получит и земное применение.

Несмотря на достигнутые успехи, солнечная энергия пока что обеспечивает лишь около 1% потребностей страны, но к 2030 году ее доля может увеличиться до 10%.

Сегодня в странах мира ежегодно вводятся в эксплуатацию более 100 МВт солнечных фотоэлектрических установок. Германия отказалась от строительства новых атомных электростанций и собирается вывести все работающие к 2020 году, еще в 1990 году
на государственном уровне приняла программу «соляризации» под названием «1000 солнечных крыш» по строительству фотоэлектрических установок. Государство всячески поддерживает и поощряет компенсациями желающих приобрести оборудование. Кроме того, государство еще и покупает у хозяев таких домов избыток электричества.

Евросоюз разработал проект для всех стран ЕС под названием «100 000 солнечных крыш».

В Испании в Севилье более 6000 домов обеспечиваются электроэнергией от гигантской гелиоэлектростанции — 40-этажной установки, фокусирующей свет более чем из 600 зеркал площадью 120 м2 каждое.

В Португалии сооружена гигантская «солнечная ферма» из 52 тысяч солнечных батарей, которая вырабатывает 11 МВт энергии и обеспечивает электричеством 8000 домов. Она ежегодно сократит выбросы углекислого газа на 13 тыс. тонн.

Швеция планирует к 2020 году полностью отказаться от углеводородного топлива.

По информации британской газеты The Guardian, ученые из Института энергетики Еврокомиссии при поддержке ЕС разработали уникальный проект создания гелиоэлектростанции в пустыне Сахара, которая должна круглогодично снабжать страны Евросоюза солнечной электроэнергией. Проект уже поддержали премьер- министр Британии Гордон Браун и президент председательствующей в ЕС Франции Николя Саркози.

Британское правительство планирует за 12 лет в несколько раз увеличить выработку энергии за счет экологически чистых и возобновляемых источников, долю которой в общем потреблении планируется к 2020 году довести до 15%, каждый четвертый дом будет с солнечными батареями, кроме того, по всей территории страны будет установлено 3500 ветряных турбин. Благодаря этому Великобритания на 7% снизит зависимость от нефти и на 20% сократит вредные выбросы в атмосферу. На реализацию «зеленой революции» выделено около 100 млрд. фунтов стерлингов.

В городах США ежегодно монтируется около 8 тысяч установок, общая мощность солнечных электростанций составляет более 400 МВт. К 2010 г., по прогнозам американских специалистов, она будет равна 11.5 ГВт. В течение 10 лет планируется перевести всю электроэнергетику на возобновляемые источники, чтобы сделать ее абсолютно независимой от традиционных углеводородных ресурсов. Государственной программой США по развитию солнечной энергетики под названием «Миллион солнечных крыш» планируется до конца нынешнего десятилетия потратить $6 млрд. Но уже сегодня план перевыполнен — солнечной энергетикой в США охвачено 1,5 млн домов. Американские ученые выступили с инициативой в ближайшее время заменить арабскую нефть на солнечную энергию Калифорнии. Еще один глобальный проект, «нацеленный на выработку за счет солнечной энергии к 2050 году 69% электроэнергии США», о котором недавно подробно рассказал журнал Scientific American Magazine, вызвал большой резонанс не только в научном сообществе, но и среди публики.

Свою энергетическую альтернативу разработал Китай. К 2030 году доля возобновляемых и чистых источников в Китае должна достичь 15-20%, а к 2050 году альтернативная энергетика займет почти приоритетное положение, удовлетворяя 43% всех энергопотребностей страны.

Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах зданий.

Перспективы развития солнечной энергетики на Украине убедительно показали Матвеев Ю. Б. и Конеченков А. Е. в работе, выполненной в рамках совместного украинско-датского проекта про деятельность неправительственных организаций (НПО) в сфере сбалансированного развития при участии общественной организации "Енергія майбутнього століття" совместно с датской "Организацией по возобновляемой энергии" (OVE) при поддержке Фонда Малого Гранта Открытого Датского Совета. Приводим извлечение из статьи практически без изменения.

Авторы отмечают, что по климатическим условиям Украина относится к регионам со средней интенсивностью солнечной радиации. Количество солнечной энергии, поступающей на единицу площади в течение года составляет здесь 1000-1350 кВтч/м. По уровню интенсивности солнечного излучения страна может быть поделена на три или четыре региона — Западный, Центральный, Юго­восточный и Южный. Средняя интенсивность солнечного излучения составляет около 1200 кВтч/м2.

Реализованные в последние годы экспериментальные проекты показали, что годовая выработка тепловой энергии в условиях Украины составляет 500 — 600 кВтч/м. Принимая общепринятый на Западе потенциал использования солнечных коллекторов, равный 1 м2 на одного человека, а также производительность солнечных установок для условий Украины, ежегодные ресурсы солнечного горячего водоснабжения и отопления могут составить 28 млрд. кВтч тепловой энергии. Реализация этого потенциала позволила бы сэкономить 3.4 млн. тонн условного топлива (т. у.т.) в год.

В настоящее время, коммунальное хозяйство потребляет ежегодно около 74 миллионов т. у.т. потребность в тепловой энергии увеличивается на Ожидается, что с возобновлением экономического роста уровень потребления может существенно возрасти. С другой стороны, потенциал энергоэффективности и энергосбережения в

коммунальном хозяйстве Украины составляет по разным оценкам не менее 50%. В случае использования этого потенциала экономический рост не должен привести к существенному увеличению потребления тепловой энергии.

Другой возможностью сдерживания роста потребления тепловой энергии является всемерное развитие концепции солнечных зданий. В северных европейских странах, с помощью естественного нагрева солнце обеспечивает 14 % тепла от общей потребности обычных зданий. Эта оценку можно использовать в качестве нижнего предела для условий Украины. В зданиях, построенных с учетом пассивного использования солнечной энергии, вклад солнца в потреблении тепла может составить около 40 %. Доля пассивного нагрева обычно не учитывается официальной статистикой, однако в действительности это самый большой источник использования возобновляемой энергии

Существенный потенциал использования энергии на Украине заключается в использовании солнца для охлаждения и кондиционирования, а также в сельскохозяйственных приложениях, например, для сушки разных видов сельскохозяйственной продукции и опреснения воды в южных регионах.

На сегодня на Украине реализовано несколько сотен экспериментальных проектов в разных отраслях народного хозяйства. Среди них системы горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, лечебно-оздоровительных учреждений; солнечные приставки
к топливным и электрическим котельным, обслуживающие промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные предприятия; малые автономные установки для индивидуальных жилых домов и предприятий бытового обслуживания. По оценкам, сделанным украинскими специалистами, срок окупаемости внедренных экспериментальных установок солнечного водо — и теплоснабжения составляет от пяти до десяти лет.

В настоящее время около десяти предприятий в разных регионах страны освоили выпуск солнечных коллекторов разных конструкций. Стоимость солнечных коллекторов находится в диапазоне 60-150 долл. США за кв. метр. При этом общий выпуск коллекторов не превышает нескольких сот квадратных метров в год. Общая площадь солнечных коллекторов, установленных в Украине, составляет приблизительно 10 тысяч кв. метров, что соответствует примерно тысяче отдельных установок.

Что же делается на государственном уровне для поддержки этого направления деятельности? В 1997 году Кабинетом Министров Украины утверждена "Программа государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидро — и теплоэнергетики". Были сформулированы наиболее перспективные направления использования солнечной энергии, а именно:

— Непосредственное преобразование в низкопотенциальную тепловую энергию без предварительной концентрации потока солнечной радиации для горячего водоснабжения, теплоснабжения и нужд сельского хозяйства;

— Непосредственное преобразование в электрическую энергию постоянного тока с помощью фотопреобразователей.

Программа государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии является частью Национальной энергетической программы, одобренной Верховной Радой Украины. Национальная энергетическая программа предусматривает увеличение доли нетрадиционных и возобновляемых источников энергии до 8% к 2010 году. В частности, программой предусмотрено сооружение солнечных коллекторов общей площадью до 10 млн. квадратных метров.

Государственным комитетом Украины по делам градостроительства и архитектуры была утверждена "Комплексная

программа по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в архитектуре и градостроительстве", рекомендующая три типа установок солнечного теплоснабжения для массовой установки: солнечные приставки к котельным; системы сезонного действия для отдельных объектов и модульные установки солнечного нагрева воды. В проекте нового закона "Об альтернативных источниках энергии" предусмотрен ряд стимулирующих мер, например, финансирование развития альтернативных источников энергии за счет надбавки, предусмотренных в оптовых тарифах на электроэнергию, а также общий принцип экономического стимулирования.

Однако, медленный рост рынка использования солнечной энергии указывает на существование многочисленных барьеров, мешающих эффективному движению в этом направлении. Перечислим некоторые их них, в первую очередь, экономические. Цена на солнечные системы остается достаточно высокой. Период окупаемости до 10 лет короче технического срока службы оборудования, однако он отпугивает частных потребителей. Для увеличения темпов роста рынка необходимо вводить стимулирование правительством интересов потребителя. Другим экономическим барьером является отсутствие оборотных средств у предприятий- производителей. Пока еще не развиты конкретные механизмы стимулирования производства в виде предоставления субсидий, освобождения от налогов, льготной тарифной политики.

Помимо экономических, существуют и другие препятствия на пути развития солнечных технологий:

— Отсутствует государственная политика в области использования солнечной энергии;

— На уровне государства отсутствует координация и координирующий орган в области развития солнечных технологий;

— Нет информационной системы для распространения сведений о наличии солнечных технологий, их параметрах, экологических преимуществах, практически полностью отсутствует информация о внедренных демонстрационных проектах.

Матвеев Ю. Б. и Конеченков А. Е. предлагают следующую концепцию развития солнечной энергетики.

1. Технические решения для горячего водоснабжения. Для коммерческого использования в условиях Украины пригодны недорогие системы горячего водоснабжения, совмещающие использование солнечных коллекторов (СК) и баков-аккумуляторов (БА) емкостью 100-200 литров для обеспечения потребностей населения горячей водой (40-60оС) в летний период. Системы просты в эксплуатации и могут быть установлены потребителем самостоятельно. Они обладают большим рынком сбыта, в который входят индивидуальные домашние хозяйства в сельской и городской местности, загородные коттеджи и летние дачные домики.

Использование систем горячего водоснабжения с естественной циркуляцией перспективно для систем разного масштаба. Емкость БА может быть 100-500 литров и более при температуре до 50-60оС. Область применения таких систем включает базы отдыха, летние лагеря, детские дошкольные учреждения, фермерские хозяйства. В условиях нестабильного электроснабжения важной особенностью является независимость от наличия электричества.

Также перспективны системы большей мощности с использованием баков-аккумуляторов емкостью 5-10 м3. Такие системы пригодны для горячего водоснабжения баз отдыха, санаториев и пансионатов. Большая часть таких объектов расположена в южной части Украины, на побережье Черного и Азовского морей и используется преимущественно летом, когда временное население на побережье возрастает в несколько раз.

Широкое использование солнечной энергии в рекреационной зоне позволило бы сократить количество сжигаемого угля, мазута и природного газа, в результате улучшив экологию ситуацию в регионе. Однако, все перечисленные системы привлекательны для потенциального потребителя не только потому, что решают проблему замещения ископаемых видов топлива и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду. Являясь потребительским товаром, солнечные системы улучшают условия жизни, повышают ее комфортность, увеличивают независимость людей от коммунальных служб. Особенно это важно для сельской местности.

В системах централизованного теплоснабжения солнечные установки могут использоваться для предварительного подогрева воды с помощью солнечных приставок к котельным. Оснащение котельных солнечными приставками целесообразно осуществлять в процессе их реконструкции. При нормативном сроке амортизации котельного оборудования 20 лет, ежегодный объем реконструируемых котельных должен составлять 5 % от их общего числа.

При развитой системе государственной поддержки, с учетом имеющегося западного опыта по темпам внедрения таких систем, можно предположить, что 5 % нового строительства будет

оснащаться модульными установками. Прогнозные данные по объему использования в индивидуальных жилых домах автономных модульных установок подогрева воды в связи с прогнозом объема их строительства (из расчета площади установок 5 м[1] солнечного коллектора на дом площадью 140 м2), как и данные по другим типам установок, представлены в таблице 1.1.

Европейский опыт показал целесообразность комбинированного использования различных типов возобновляемых источников энергии. Использование солнечной энергии для отопления может покрывать 20-30 % потребности в тепле, тогда, как оставшуюся часть можно получить с помощью сжигания биомассы. В условиях Украины, комбинированное использование биомассы и солнечной энергии возможно как для коттеджей, так и для малых систем централизованного теплоснабжения. Пригодными видами биомассы являются твердая некоммерческая древесина и отходы

деревообрабатывающей промышленности в центральных и северо­западных областях Украины, солома и другие отходы

сельскохозяйственного производства.

Солнечные здания. На Украине многие постройки 50-60-х годов нуждаются в ремонте и модернизации. Это дает прекрасную возможность использования солнечных технологий в процессе ремонта и реконструкции, что обеспечивает не менее 15 % тепла от общей потребности обычных зданий от естественного нагрева солнца. В зданиях, построенных с учетом пассивного использования солнечной энергии, вклад солнца в потреблении тепла может составить 40% и более. Для отремонтированных и модернизированных зданий вклад солнечной энергии будет меньшим, но потенциал в этом случае определяется общим большим количеством зданий.

Еще одной возможностью является эффективное использование естественного освещения. Потенциал уменьшения использования энергии для искусственного освещения с помощью контроля естественного составляет около 50 %.

Рынок солнечных зданий определяется стратегией интегрального проектирования. При этом важен предшествующий проектированию этап планирования, например, учет ландшафта или ориентации улиц. Для развития рынка представляется важным, чтобы проектировщики видели в солнечных зданиях товар высшего сорта для будущего потребителя. В условиях активизации строительства, наблюдаемого в Украине, важно учитывать концепцию солнечных зданий на начальной стадии проектирования. При соблюдении этого условия дополнительные затраты можно свести к минимуму.

Рынок солнечных зданий может повлиять на энергопотребление в зданиях кардинальным образом. В действительности это самый большой источник использования возобновляемой энергии, доступный в настоящее время. Количество новых зданий ограничено. Однако продолжительность существования зданий достигает 50-100 лет, поэтому очень важно начать распространение концепции солнечных зданий раньше. 2

Национальной академии наук (Институт технической теплофизики, Национальный университет им. Т. Г. Шевченко, Киевский политехнический институт и др.). В случае поддержки со стороны государства и возобновления экономического роста в стране может быть налажено серийное производство фотоэлектрических модулей, стоимость которых может быть ниже западных аналогов.

В программе государственной поддержки развития нетрадиционной энергетики предусматривается, что в 2010 году производство солнечных батарей должно достичь 96,5 Мвт.

Перечислим некоторые из возможных способов использования солнечной энергии в различных сферах сельскохозяйственного и промышленного производства:

— солнечный подогрев воды для горячего водоснабжения животноводческих ферм и других объектов;

— сушка зерна, фруктов, овощей, сена, табака и другой сельскохозяйственной продукции;

— тепличное растениеводство;

— опреснение воды в южных засушливых районах;

— солнечный подогрев железобетонных конструкций в процессе производства на ЖБК.

Анализ европейского рынка показывает, что количество установленных в течение года солнечных коллекторов существенно различается в разных странах даже при одинаковых климатических условиях. Быстрое развитие рынка в странах-лидерах объясняется в основном проведением комплекса успешных мероприятий по стимулированию рынка. Однако стимулирование рынка не является только ответственностью правительства. Промышленность также может играть в этом активную роль. В этой области преобладают небольшие компании, обслуживающие небольшую локальную часть рынка. Компании должны адаптироваться к новым способам продвижения товара в условиях растущего рынка для больших групп потребителей. К сожалению, пока в Украине предприятия мало заинтересованы как в продаже, так и в установке систем солнечного горячего водо — и теплоснабжения.

Следующие факторы могут положительно повлиять на рынок:

— Стимулирование правительством интересов потребителя, а также развитие конкретных механизмов стимулирования производства в виде предоставления субсидий, освобождения от налогов, льготной тарифной политики.

— Создание общегосударственных и региональных структур для содействия развитию солнечных технологий, в том числе и в строительстве.

— Разработка современных и недорогих образцов гелиотехники. Увеличение активности промышленности по увеличению рынка. Организация масштабного производства оборудования, обеспечение условий для сертификации, монтажа и сервиса.

— Создание информационной системы об отечественных и зарубежных разработках в области гелиотехники, активных и пассивных методах использования солнечной энергии, рекламы и маркетинга. Активная работа с населением, в том числе в школах и высших учебных заведениях. Адресная работа с группой потенциальных потребителей солнечного теплоснабжения (конец цитирования).