Энергия солнца в вашем доме

Самым простым и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев воды в плоских солнечных коллекторах.Принцип действия такого устройства весьма прост: видимые лучи солнца, проникая сквозь стекло (проходит обычно 80–85 %), встречаются с черным дном коллектора и в значительной степени поглощаются им.

Дно начинает испускать тепловые инфракрасные лучи, которые не могут проникнуть сквозь стекло обратно наружу; в нижнем направлении путь ему преграждает слой теплоизоляции (рис. 1). Задержанное таким образом тепло передается теплоносителю, протекающему, как правило, по уложенному на дне коллектора змеевику из металлических или полимерных трубок.


Рис. 1. Устройство плоского солнечного коллектора

Сравнительно недавно на рынке появились солнечные коллекторы другого вида: они представляют собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка.

По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной, совмещающий функции прямого и обратного) холодный теплоноситель. Возвращаясь по среднему каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм – примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и уносит его в систему отопления или горячего водоснабжения объекта.

Кроме показанного, есть коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покрытые по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет преобразовать в тепло солнечную радиацию максимально широкого диапазона.


Принцип работы коллектора с вакуумной трубкой

Простейшая система на основе теплового солнечного коллектора – его сочетание с расположенным выше него баком-аккумулятором горячей воды. Благодаря разности плотностей горячей и холодной воды в контуре возникает циркуляция.

Для обеспечения ее надежности используется специальный насос. Такие конструкции довольно широко представлены на европейском рынке теплотехнического оборудования и применяются для горячего водоснабжения.

Более сложный вариант предусматривает включение коллектора в отдельный контур. Циркулирующий в нем теплоноситель передает утилизированную солнечную энергию через теплообменник в теплоизолированный бак-аккумулятор, что позволяет «запасать» тепло в солнечное время суток и расходовать его, когда это требуется.

Такая система используется не только для ГВС, но и для отопления. Конструкция бака может предусматривать электрический или газовый нагреватель, автоматически включаемый, когда энергии Солнца недостаточно.

Довольно распространенный и, пожалуй, наиболее перспективный вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов – система, представляющая собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов. Технологически более «продвинутая» схема предусматривает еще и тепловой насос.

Такое сочетание обеспечивает комфортные условия с наименьшими затратами традиционных энергоносителей. В данном случае бак-аккумулятор с системой встроенных (обычно) теплообменников играет роль объединяющего и согласующего элемента всей установки теплоснабжения.

Год назад в нашем журнале была опубликована статья о слоевых баках-аккумуляторах, применяемых в системах с комбинацией различных генераторов и потребителей тепла, в том числе – с использованием солнечной энергии (А-Т 14.2003).

Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведенное в Институте высоких температур РАН, показало, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих с марта по сентябрь.

Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м2/100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем до 37 °С составляет 50–90 %, до температуры не менее чем 45 °С – 30–70 %, до температуры не менее чем 55 °С – 20–60 %. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.

Кроме солнечных коллекторов для нагрева жидких теплоносителей разработаны и воздухонагревательные устройства, состоящие из прозрачной стенки и нагревательного материала, между которыми перемещается поток сухого воздуха как за счет естественной, так и принудительной тяги. Такие коллекторы могут использоваться и для обогрева помещений, и для сушки продуктов.

Современная концепция энергоэффективного и даже энергонезависимого (за рубежом прижилось понятие «пассивного») здания предусматривает не только тепло-, но и электроснабжение от возобновляемых источников.

Превращение солнечной энергии в электрическую осуществляется в коллекторах на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), подразделяющихся на два основных вида: электровакуумные и полупроводниковые, последние являются наиболее эффективными.

Преобразование энергии в ФЭП основано на эффекте, возникающем в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Коэффициент преобразования света солнечных элементов в земных условиях достигает 22 %. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность – десятков киловатт.

На российском рынке имеются модули ФЭП как зарубежного, так и отечественного производства, изготавливаемые на основе монокристаллического кремния в алюминиевой рамке с КПД преобразования света 15–18 % и пиковой мощностью 2,8–120 Вт. Все они имеют осветленное стеклянное покрытие и генерируют постоянный ток.

Энергия может использоваться как напрямую, так и преобразовываясь в переменный ток напряжением 220 В. Стоит сказать, что фотоэлектрические преобразователи используются и для создания довольно мощных (до 10 МВт) электростанций.

Фотоэлектрический солнечный модуль

В настоящее время «солнечное» оборудование – полноправный товар теплотехнического рынка Европы. Тепловые и электрические коллекторы, баки-аккумуляторы, комбинированные водонагреватели, специальные циркуляционные насосы и автоматика для гелиосистем не первый год входят в каталоги ведущих производителей отопительной техники.

По данным журнала Test, европейскими лидерами сезона 2002/2003 гг. в этой области являлись следующие компании: Solvis, Ritter-Paradigma, Wagner/Co..lbe, Viessmann, Nau, ELCO-Klo..kner, Buderus, Ikarus, Stiebel Eltron, Junkers, Wolf, Solatherm, Vaillant.

Помимо перечисленных установок, известны различные виды пассивных гелиосистем. К ним относятся, например, теплицы (оранжереи) и различные «солнечные ловушки», роль которых выполняют конструктивные элементы строений. Естественно, мощность таких систем невелика.

Их эффективность достигается правильным применением теплоизоляции, увеличением площади прозрачных поверхностей и ориентацией перпендикулярно солнечным лучам (они должны быть обращены к югу при угле наклона к горизонту, равном широте местности: для средней полосы России – 55–60°). Повышение прозрачности покрытий и уменьшение поглощения лучей также приводят к увеличению эффективности обогрева.

В настоящее время для более эффективного выращивания растений в теплицах разработаны прозрачные материалы, трансформирующие солнечный свет в лучи, стимулирующие рост растений.

Для стабилизации температурного режима в гелиотеплицах используются грунтовые аккумуляторы тепла, располагаемые под грядками и обогреваемые теплым воздухом или водой. В ряде случаев в качестве аккумулятора используют жилой дом. Такие оранжереи называется пристроенными; они располагаются с южной стороны дома.

В этом случае между домом и оранжереей происходит процесс перераспределения тепла. В солнечную погоду оранжерея с прозрачной стенкой работает как солнечный коллектор и нагревает воздушные массы, которые, проникая в дом, передают ему тепло. В отсутствие солнечного освещения, при отоплении дома иными способами, воздушные массы попадают в оранжерею и обогревают ее.


Пример дома с пассивной гелиосистемой в виде пристроенной оранжереи

Этот пример иллюстрирует выдвижение на важное место в проблемах использования энергии Солнца вопросов архитектуры: через окна, играющие роль «солнечных ловушек», в ясную погоду в здания может проникать значительное количество солнечной энергии.

Интересно отметить, что, хотя продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, количество часов возможного освещения Солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом.

Это вызвано тем, что оно значительное время светового дня находится на восточной и западной сторонах. Проектирование домов, способных улавливать солнечную радиацию для обогрева здания и сохранять тепло, приводит к экономии энергии, затрачиваемой на отопление.

Если в холодное время солнечное излучение – подспорье в экономии энергии на отопление, то в жаркую пору – это отрицательное явление, способное обернуться тратами на вентиляцию и кондиционирование.

Проблема решается применением теплоотражающих и теплопоглощающих стекол, а также различных систем затемнения. Всем известны очки-«хамелеоны», стекла которых темнеют с увеличением освещенности. Такие стекла регулируют проникновение солнечного света в дома.

В качестве примера их использования можно привести здание ООН в Нью-Йорке. Для затемнения обычно применяют непрозрачные материалы. Размещение их между стеклами окна не так эффективно, как наружное, но более эффективно, чем внутреннее. Интересная разработка – автоматически регулируемые жалюзи фирмы Zomeworks Inc. (США).

Их действие основано на разности давлений в двух сообщающихся резервуарах, наполненных фреоном и расположенных с обеих сторон окна. Когда одна из емкостей нагревается сильнее, фреон перетекает от нее к другой и разворачивает жалюзи в нужном направлении.

Кроме затемнения, используется система, предусматривающая естественное охлаждение строения прохладным воздухом, который поступает в строение с теневой стороны через подземную систему охлаждения. Одновременно воздух, нагретый Солнцем, создает тягу и через систему заслонок увлекает наружу воздух из внутреннего помещения.

В заключение: кроме низкотемпературных систем, использующих солнечную радиацию естественной плотности (они, по мнению специалистов, наиболее эффективны), человечеством созданы и применяются в различных отраслях и установки, где для достижения высоких температур плотность излучения повышается в сотни и тысячи раз.

Оно осуществляется гелиоконцентраторами, включающими зеркала или линзы, фокусирующие солнечные лучи. Так, концентраторы применяются в солнечных печах для плавки и термической обработки в особо чистых условиях при температуре 2300–3000 °С некоторых материалов, например, оксидов кремния и циркония.

Одна из наиболее крупных таких печей, мощностью свыше 1 МВт, была построена в начале 1970-х гг. в Фон-Роме-Одейо (Франция). Концентрация солнечных лучей производится и для получения высоких температур в термодинамических солнечных электростанциях.