Технические науки/5. Энергетика

И.Е. Пестрикова, М.Е. Пестриков, Л.Е. Пестрикова,

И.В. Панарина, Л.Г. Лопатина

Омский государственный технический университет, Россия

О перспективах развития гелиоэнергетики

В настоящее время человечество активно внедряет новые экологически чистые источники энергии. Первый бурный переход на новые источники энергии состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно-конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. В настоящее время человечество вновь переживает очередной этап перехода на новые источники энергии, который начался в 1990 году и по прогнозам ученых продлиться до 2010 года. Особенность этого этапа заключается в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. В течение этого времени человечество должно внедрить в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего такие, как ветроэнергетика и гелиоэнергетики. В противном случае грядущие экологические катастрофы поставят под угрозу возможность дальнейшего существования жизни на нашей планете [1].

На современном этапе солнечная энергия является весьма перспективным энергоисточником. Если принять во внимание, что все виды энергии трансформируется в конечном счете в тепловую, то это может привести к необратимым изменениям теплового баланса и климата нашей планеты. По прогнозам тепловая энергия в количестве 5⁷ от солнечной энергии может создать угрозу «теплового загрязнения».

Несмотря на все преимущества солнечной энергии она не получила широкого применения даже в странах с жарким климатом. Объясняется это периодической облученностью в различные периоды времени и техническими трудностями при преобразовании.

Солнечная энергия практически вечный и потенциально огромный источник энергоснабжения, не вносящий каких-либо загрязнения в окружающую среду. В наше время надвигающейся экологической катастрофы использование ее может помочь избежать значительных неприятностей с точки зрения охраны окружающей среды. Основные проблемы применения солнечной энергии – высокая стоимость концентрации при использовании, рассосредоточенность и дискретность поступления по часам суток, времени года и географическим поясам. Ключевой проблемой применения солнечной энергии является проблема аккумулирования [4, с.5].

Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность потока солнечной радиации вне атмосферы Земли равна 1,4 кВт/м², а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м².

Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая нашей планетой, составляет 1,7*10¹⁴ кВт. Это колоссальная мощность примерно в 500 раз превышает предельные и вряд ли достижимые потребности человеческой цивилизации, которые по оценке Римского клуба, могут составить 3*10¹¹ кВт. Если оценить всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то она составит 10¹⁸ кВт*ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% абсорбируется 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 [2].

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. 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;

· основными направлениями использования солнечной энергии считаются:

o прямое превращение солнечной энергии в электрическую энергию;

o получение тепла путем абсорбции солнечного излучения [3].

Прием и преобразование энергии Солнца осуществляется гелиоустановками, которые превращают ее либо в тепловую (коллекторы), либо электрическую (солнечные батареи). Это различные технологии с разным набором оборудования.

Устройства могут интегрироваться в качестве дополнительного источника энергии в систему отопления на любом традиционном энергоносителе (с газовыми, дизельными и твердотопливными котлами). Необходимое оборудование обходится недешево, но, заплатив за него один раз, в последующие годы вы будете получать бесплатную энергию, тратя лишь небольшие деньги на техническое обслуживание.

Гелиоустановки отличаются следующими преимуществами:

- автономность: солнечная энергия позволяет снизить затраты на горячее водоснабжение и в течение как минимум 8 месяцев не зависеть от возможных отключений электроэнергии и перепадов давления природного газа;

- безопасность: как в глобальном масштабе – с экологической точки зрения, так и в процессе эксплуатации – с технической;

- гелиоустановка – это положительный имидж и символ успеха (рис.1).

Рис.1. Гелиоустановка

Наиболее простой по технической реализации способ использования солнечной энергии – получение тепла за счет прямой абсорбции (поглощения) солнечного излучения, посредством чего в доме нагревается вода для хозяйственных нужд или обогреваются помещения. Разработано огромное количество конструкций, но в общих чертах их принцип один и тот же.

Из личного опыта всем известно, что в летний день вода в поливочном шланге довольно быстро нагревается, и самый простой способ обеспечить теплый душ на даче – поставить черный бак с водой на солнце. Если же поместить его в ящик со стеклянной крышкой и надежно теплоизолированными стенками, вода нагреется настолько, что принимать душ можно будет даже в прохладный и облачный день.

Для повышения эффективности установки прямого использования солнечной энергии необходимо иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточно развитой поверхностью. По этому принципу устроен гелиоколлектор. Это плоский теплоизолированный короб, покрытый сверху стеклом или пластмассой, где размещается абсорбер (теплопоглотитель) и трубы, по которым течет теплоноситель – вода, воздух, незамерзающая жидкость. Солнечное излучение, проникая сквозь прозрачное покрытие, поглощается трубами (или абсорбером, в который они вмонтированы) и нагревает рабочее вещество. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект, наблюдаемый в обычных теплицах.

В гелиосистему также входят накопители тепла, которые представляют собой термоизолированные емкости (термосы) для хранения горячей воды. Объем накопителя и необходимая площадь коллекторов определяются потребностью в горячей воде, а также средним числом солнечных дней в году в данной местности.

В простых гелиоколлекторах нагреваемая вода может использоваться для различных хозяйственных нужд (для душа, мытья посуды и прочего) (рис.2). В более сложных применяется специальная жидкость – теплоноситель, циркулирующий в замкнутой системе. В этом случае установка практически ничем не отличается от водяной системы отопления: роль отопительного котла в ней играет коллектор, в котором теплоноситель нагревается энергией солнца.

Рис.2 Гелиоколлектор

Как и водяная система отопления, гелиосистемы различаются: по количеству контуров теплоносителя (одноконтурные и двухконтурные); по способу циркуляции теплоносителя (с естественной и принудительной циркуляцией). Работая круглогодично в автоматическом режиме параллельно с обычными топливными или электрическими нагревателями воды, современные гелиоустановки позволяют в течение года экономить до 50-60% энергии, необходимой для обогрева дома и других домашних нужд, что широко используется в развитых европейских странах.

В обычных плоских коллекторах возможно повышение температуры до 80-120°С. Добиться этого можно за счет уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Дальнейшее повышение температуры (до 120-250°С) возможно путем введения в коллекторы концентраторов в виде параболоцилиндрических отражателей, фокусирующих солнечные лучи и проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем.

Тепловые коллекторы, подобранные по размеру, могут устанавливаться в оболочку здания в качестве элементов кровли или фасада. Предпочтение отдается вертикальному варианту, который намного проще в монтаже и дальнейшем обслуживании. В отличие от наклонного ему не требуются уплотнители, защищающие конструкцию от проникновения воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легче смыть пыль (рис. 3).

Рис. 3 Гелиоколлекторы жилого дома

Одна из разновидностей гелиоустановок позволяет генерировать теплый воздух. Такие коллекторы имеет смысл устанавливать, например, в систему вентиляции в энергосберегающих («пассивных») домах. Или использовать для обогрева сезонно обитаемого жилища, к примеру, дачи. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны: нет опасности, что система замерзнет; не требуются трубы и краны.

Из всех гелиотехнологий фотоэлектрическая энергетика имеет наиболее впечатляющие перспективы. Фотоэлектрические установки наиболее эффективны с энергетической точки зрения, поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в них с помощью полупроводниковых фотоэлементов.

Попадая на поверхность полупроводника, фотоны солнечного света вырывают электроны из его атомов. Под влиянием специального химического вещества, добавляемого в структуру материала, освобожденные электроны перемещаются в определенном направлении, в результате чего образуется электрический ток.

Отдельный фотоэлемент дает очень слабый ток, но сотни, соединенные в батарею, вырабатывают значительное количество электроэнергии. Такие устройства называют солнечными батареями.

Для преобразования электрической энергии в переменный ток для электросети в 220 В обычно применяется электронное устройство – инвертор (рис.4).

Рис.4 Фотоэлектрические установки

Фотоэлектрические установки не содержат движущихся частей, надежны, имеют сравнительно простое устройство и практически не требуют ухода. К тому же они используют энергию Солнца напрямую и начинают работу сразу, как только на них упадут лучи света. Солнечные батареи обычно изготовляются из небольших тонких кремниевых пластин [6].

Солнечные батареи в виде стандартных модулей могут интегрироваться в конструкцию крыш и фасадов, комбинироваться с тепловыми коллекторами. В наших условиях фотогальванические панели могут использоваться главным образом для резервного (в случае аварийного отключения электричества) или автономного обеспечения электроэнергией отопительных циркуляционных насосов, автоматики котлов и другого электрооборудования в доме.

Таким образом, исходя из всего вышеизложенного, отметим, гелиоэнергетика – это не нечто запредельное, используемое только на МКС. Даже в наших широтах это вполне реально, особенно для тех мест, где электричество либо отсутствует (отдаленные дачи, туристические стоянки и пр.), либо подается с перебоями, либо его подключение слишком дорого. Причем речь не обязательно может идти о дремучем лесе: как-то в новостях показывали обычную спортплощадку в центре Москвы, при освещении которой использовались альтернативные источники энергии, т.к. согласование и подключение к городской электросети стоило в разы дороже.

И наконец, субъективный фактор: приятно вложить силы и средства в экологически чистый источник энергии, который, во-первых, прослужит долго (заявленный срок службы батарей от 25 лет), во-вторых, не дает нагрузки на окружающую среду – мы и так настолько испортили природу, что пора подумать о ее очистке. По некоторым данным, Германия к 2050 году планирует на 80% перейти на возобновляемые источники энергии [5].

Как мы видим, использование бесплатной солнечной энергии в условиях все повышающихся тарифов на энергоносители, становиться все более выгодным вложением средств, и одним из самых перспективных инструментов для снижения затрат на содержание и эксплуатацию жилья или объектов социального и производственного назначения и, как следствие, достижение положительного экологического эффекта.

Библиографический список:

1. Бойко, Б.Т. Хрипунов, Г.С. Гелиоэнергетика – будущее Украины. – Режим доступа: http://users.kpi.kharkov.ua/fmeg/gelioinukraine.html

2. Солнце… и перспективы развития солнечной энергетики. – Режим доступа: http://solar.org.ua/articles/1133455310

3. Потенциальные возможности гелиоэнергетики. – Режим доступа: http://www.imposol.com.ua/pages/ru/heleoenergy.html

4. Солнечные устройства и установки для систем теплоснабжения: Методические указания к курсовому проекту по автономным системам ТГВ для студентов специальности 270109 / Сост. А. В. Кодылев. – Казань, 2010. – 46с.

5. Елисеев, Д. Гелиоэнергетика. Реально ли использование солнечных батарей в нашей стране? – Режим доступа: http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-61992/

6. Превращение солнечной энергии в электричество. – Режим доступа: http://www.pandia.ru/442603/