Перспективи використання сонячної енергії в конструкціях будівель

Розглядаються основні тенденції та можливості використання сонячної енергії в конструкціях будинків.

Ключові слова: сонячна енергія, сонячні установки, Україна, будинки, реалізація, економія.

Постановка проблеми. Клімат планети змінюється, тому на сьогоднішній день гостро постає проблема адаплації до умов зміненого клімату. Визначивши, що енергоносії знаходяться на межі зникнення, а умови сучасного міста життя для населення погіршується, необхідні нові, альтернативні конструктивні пропозиції щодо перебудови сучасного житла, та пошуку нових джерел енергії.

Постановка завдання. Метою статті є аналіз можливості використання сонячної енергії для підігріву води в житлових будинках, окреслення шляхів адаптації і пом'якшення негативних наслідків кліматичних змін в Україні.

Виклад основного матеріалу. Сонячна енергія [1] може бути перетворена в теплову, механічну і електричну енергію, використана в хімічних і біологічних процесах. Сонячні установки (СУ) знаходять застосування в системах опалювання і охолоджування житлових і громадських будівель, в технологічних процесах, що протікають при низьких, середніх і високих температурах. Вони використовуються для отримання гарячої води, опріснення морської або мінералізованої води, для сушки матеріалів і сільськогосподарських продуктів.

Взагалі СУ мають ряд переваг [2]: ефективно використовується як пряме так і розсіяне сонячне випромінювання; можливість створення установок практично будь-якої потужності; досить великий строк служби установок (до 50 років); початкові затрати на СУ значно менші, ніж приєднання віддаленого населеного пункту до системи теплопостачання або електропостачання, а експлуатаційні затрати з урахуванням строку служби виявляються нижчими ніж у дизельних електростанціях матеріали сонячних установок виконують роль вишуканого будівельного матеріалу, що покращують архітектуру будівель, забезпечують їх водозахист, звукоізоляцію і теплозахист; застосування СУ не має негативного впливу на оточуюче середовище [3]. Екологічні проблеми можуть виникнути при виробництві фотоелектричних елементів; виробництві і неправильній утилізації акумуляторів.

З огляду на вище перераховані факти можна говорити про доцільність використання сонячного потенціалу, що припадає на територію України. Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації [4], що надходить на 1 м² поверхні на території України, знаходиться в межах: від 1070 кВт*год/м² у північній частині України до 1400 кВт*год/м² і вище в АР Крим. За статистикою метеорологічних даних з надходження сонячної радіації визначено питомі енергетичні показники сонячної енергії.

Потенціал сонячної енергії в Україні [5] є достатньо високим для широкого впровадження як теплоенергетичного, так і фотоенергетичного обладнання практично в усіх областях. Період ефективної експлуатації обладнання СУ в південних областях України – 7 місяців (з квітня по жовтень), в північних областях 5 місяців (з травня по вересень). Фотоенергетичне обладнання може достатньо ефективно експлуатуватися протягом всього року.

Реалізовані впродовж останніх років експериментальні проекти засвідчили [6], що річне виробництво теплової енергії в умовах України становить 500 – 600 кВт*год/м². Враховуючи загальноприйнятий на Заході потенціал використання сонячних колекторів для розвинених країн, що дорівнює 1 м² на одну людину, а також ККД сонячних установок для умов України, щорічні ресурси сонячного гарячого водопостачання та опалення можуть становити 28 кВт*год/м² теплової енергії. Реалізація цього потенціалу дозволила б заощадити 3,4 млн. т умовного палива на рік [7].

Якщо врахувати [8], що ціна сонячного колектора – 13 000 грн, вартість геліосистеми (в умовах території України) становить від 10 до 18 гривень за один розігрітий літр води в день, то якщо отримувати 100 літрів гарячої води на день, сонячна система обходиться в 1000 – 1800 гривень. При проектуванні СУ необхідно взяти до уваги цілий ряд чинників, щоб знайти оптимальні рішення. По-перше, необхідно з'ясувати, скільки ресурсу (електричного або теплового) потрібно від установки. По-друге, розраховується загальне добове споживання. Із загального добового і тижневого споживання виводиться загальний об'єм акумуляції ресурсу. Потрібно врахувати кількість похмурих днів, протягом яких установка повинна функціонувати. І нарешті, потрібно оцінити:

– кількість фотоелектричних модулів, для виробництва достатньої кількість енергії (при застосуванні сонячної радіації для виробництва енергії);

– достатню площу колектора для забезпечення потреб у теплопостачанні.

Оптимально підібране обладнання зменшує річне використання енергії для підігріву води на 50–60 % та енергії з мережі на 50–70 %. В період з квітня по вересень правильно встановлена система покриває 95 % витрат тепла та енергії.

Дуже важливим фактором при виборі місця розташування установки є оцінка ресурсу. Доступна сонячна енергія змінюється протягом дня через відносний рух Сонця і залежно від хмарності. Кількість сонячної енергії змінюється разом з кутом нахилу установки і орієнтацією її поверхні, знижується по мірі віддалення від південного напряму. За результатами аналізу статистичних і метеорологічних даних встановлено, що впровадження сонячних систем доцільно на всій території України, але в південних районах обладнання буде окупатися швидше. Так на 2007 рік термін окупності СУ в південних регіонах становив менше 5 років, тоді як для північних регіонів – менше 10 років.

Екологічні будинки з сонячними батареями на даху рекомендовано розташовувати фасадом на південь, з великими вікнами, щоб максимізувати сонячне тепло. Простір між блоками в стінах забезпечує ізоляцію взимку.

Для забезпечення джерела повноцінної електроенергії необхідно застосовувати багатокомпонентну геліосистему, що складається з кількох сонячних фотоелектричних панелей (середня потужність 1 м² такої панелі – 120 Вт, панелі площею 1,3 м² – 160 Вт); контролеру заряду акумулятора (не допускає шкідливої для батареї глибокої розрядки і перезарядки); батареї акумуляторів для зберігання виробленої енергії; інвертора, який перетворює постійний струм панелі у змінний струм 220В, 50 Гц.
На сьогодні найбільш актуальним в Україні є отримання теплової енергії для обігріву помешкань та гарячого водопостачання. Особливо це стосується приватних осель – як котеджів, так і багатоквартирних будинків.
Сучасні сонячні системи гарячого водопостачання здатні на 60-80% забезпечити потребу в гарячій воді на широті Києва, а в Криму – і на всі 100%. Використання таких геліосистем роблять вас енергетично незалежним від підвищення цін на газ і електроенергію.

Головна складова геліосистем для нагріву води – це сонячні колектори, які перетворюють енергію Сонця в тепло для оселі. В колекторі відбувається нагрів спеціального теплообмінника, який протікаючи по нижньому змійовику бойлера віддає тепло воді, нагріваючи її для побутового використання, – в найпростішому випадку, – для забезпечення потреб в гарячій воді, в більш складних випадках – і для обігріву домівки і (або) підігріву води в басейні. Система складається з: 1. Сонячні промені; 2. Сонячний колектор; З. Датчик температури № 1; 4. Розширювальний бак; 5. Насосна станція; 6. Контролер; 7. Електронагрівач (ТЕН); 8. Датчик температури № 2; 9. Запірний клапан; 10. Вхідний отвір (холодна вода); 11. Вихідний отвір (гаряча вода); 12. Накопичувальний резервуар (бойлер) з одним/двома мідними теплообмінниками; 13. Основна система опалення на основі газового, електричного або твердопаливного котла.

Висновки. Потенціал сонячної енергії в Україні [68] є достатньо високим для широкого впровадження як теплоенергетичного, так і фотоенергетичного обладнання практично в усіх областях. Період ефективної експлуатації обладнання СУ в південних областях України – 7 місяців (з квітня по жовтень), в північних областях 5 місяців (з травня по вересень). Фотоенергетичне обладнання може достатньо ефективно експлуатуватися протягом всього року.

Бібліографічний список

1. Chapman, J. and Gross. R. Technical and economic potential of renewable energy generating technologies: potentials and cost reductions to 2020, Performance and Innovation Unit report for the Energy Review, The Strategy Office, Crown Copyright.-2001.- 524 р.

2. Block, Ben. Office-related carbon emissions surge. Worldwatch Institute.- 2008.- 315 р.

3. Daviss, Bennett. Our solar future. – L.: New Scientist. - 2008.- p.37.

4. Европейская Комиссия хочет увеличить роль возобновляемых источников энергии./ Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, РЖ 90. Отдельный выпуск.-М: ВИНИТИ, 1998.-№4.-С. 1.

5. Использование возобновляемых источников энергии./ Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, РЖ 90. Отдельный выпуск.-М: ВИНИТИ, 1998.-№4.-С. 2.

6. Дероган Д.В., Щокін А.Р. Перспективи використання енергії та палива в Україні з нетрадиційних та відновлюваних джерел.//Бюл. "Новітні

технології в сфері нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії", Київ: АТ "Укренергозбереження",1999.- №2, - С. 30-38.

7. Бабієв Г.М., Дероган Д.В., Щокін А.Р. Перспективи впровадження

нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії в Україні. // ЕЛЕКТРИЧНИЙ Журнал,- Запоріжжя: ВАТ "Гамма",1998 №1, - С. 63-64.

8. Застосування сонячної енергії у житловому господарстві та деревообробці : наукове видання / І.М. Озарків, Й.С. Мисак, Г.Т. Криницький, В.М. Максимів, Л.І. Копій, І.А. Соколовський, О.І. Озарків, В.С. Козар. – Львів : НВФ "Українські технології ", 2011. – 338 с.