Место под солнцем

Трохин Михаил Викторович, научный сотрудник, Лысенко Владимир Валериевич, заведующий лабораторией, Мараховский Михаил Борисович, к.т.н., доцент

О гелиоэнергетике говорят: «нетрадиционная», «альтернативная». Из чего следует, что о полном отказе от «традиционной» энергетики речь сегодня вообще не идет. Однако, занять свою нишу в производстве энергии всерьез и надолго нетрадиционная энергетика может и должна

Обратите внимание: первый атомный энергоблок был построен под руководством И.В. Курчатова совсем недавно, в 1954 г. и атомная энергетика, однозначно, считается традиционной, а первая промышленная гелиоустановка была запущена в 1912 г. и гелиоэнергетика по прежнему считается нетрадиционной. В чем же причины такой «несправедливости»?

Попробуем охарактеризовать основные аспекты солнечной энергетики по сравнению с «традиционной»:

ü      Неуправляемый режим поступления лучистой энергии от солнца;

ü      Сравнительно низкая удельная энергетическая насыщенность (0,85 - 1,2 кВт/м² ). Это ничтожно мало, по сравнению с аналогичными показателями котлов и реакторов;

ü      Невозможность совмещения графиков выработки и потребления энергии как в суточном, так и годовом циклах требует создания надежных систем аккумулирования.

И это только некоторые проблемы, «благодаря» которым гелиоэнергетика остается нетрадиционной, временами модной, но не имеет массового применения. В таком случае, можно ли вообще говорить об эффективной гелиоэнергетике?

Эффективное использование энергии солнца

Основное понятие гелиоэнергетики – гелиосистема. Любое здание (или создание) можно и следует рассматривать как гелиосистему, если оно способно воспринимать, аккумулировать и преобразовывать солнечное излучение. Например, жилые здания, производственные помещения, школы и другие постройки как таковые являются гелиосистемами.

Различают пассивные и активные гелиосистемы. Активные – имеют одну специфическую функцию: преобразование, хранение или транспортировка полученной от солнца энергии. Типичный пример активной гелиосистемы – солнечный коллектор. Это теплообменник, помещенный в корпус и заполненный энергоносителем, выполняющий единственную функцию – преобразование лучистой энергии в тепловую.

С другой стороны, пассивные гелиосистемы многофункциональны. Например, стена дома – несущая, ограждающая конструкция, и, одновременно, лучевоспринимающая поверхность и элемент накопителя гелиосистемы.

Так вот, если рассматривать здание (вне зависимости от его назначения) как гелиосистему, можно получить представление об энергетическом балансе объекта. Что, в свою очередь, позволит судить о его энергетических качествах и с инженерной точностью определить потребное для его эксплуатации количество энергии.

И когда некая постройка рассматривается как гелиосистема, строится или реконструируется с учетом особенностей климата в данной местности, тогда система энергообеспечения, устроенная в здании, «берет на себя» часть расходов по отоплению и энергоснабжению. Причем, сроки окупаемости подобных систем не будут колоссальными, они соизмеримы со сроками окупаемости обычных зданий. И вот с этой точки зрения использование энергии солнца актуально, современно и эффективно.

В последние годы в мировой практике сформировались следующие подходы к строительству энергоэффективных объектов:

-         использование аккумулирующих стен, имеющих большую толщину с южной (более освещенной) стороны и меньшую толщину, но лучшую теплоизоляцию с северной (более холодной);

-         устройство массивных полов, которые накапливают тепло в жаркое время года, и отдают в холодное;

-         оптимальное расположение окон по сторонам света и т. п.

К сожалению, в Украине подобных разработок пока крайне мало, а вот у наших соседей в Польше их уже имеется достаточное количество. В тех странах, где традиционных источников энергии практически нет (Израиль, например), делают ставку на солнечные системы, что совершенно естественно.

Кстати, во многих старых домах в западной Украине или на севере России, построенных с учетом традиций национального домостроения, правильно учтены климатические особенности территории. Другой пример – арабское изобретение XII века – дом с большими свесами кровли. Свес делается таким образом, чтобы летом солнечные лучи не «жгли» в стекло и не нагревали помещение. Зимой же, когда солнышко несет тепло, комфорт и радость, но при этом поднимается ниже по небосклону, его лучи попадают в окно. Кстати, американцы подсчитали, что такой свес, хотя и не заменит кондиционер совсем, но позволит сэкономить значительную сумму на его использование.

Говоря об Украине, стоит отметить, что на территории нашего государства порядка 10 миллионов частных домов, а частный дом – это гелиосистема в чистом виде. Давайте попробуем проанализировать среднестатистический частный дом в Харьковской области. В нашей местности преобладающий зимний ветер – северо-восточный. И, если дверь дома открывается на северо-восток, то как бы этот дом не утепляли, он все равно будет холодным из-за того, что каждый раз, при открытии входной двери в помещение врывается холодный зимний воздух.

Следующий фактор – расположение окон. Географическое положение Украины таково, что с северной части неба солнечный свет в окна практически не попадает, только с южной. Это в таких странах как Аргентина, солнце светит с севера. А в таких климатических зонах как Англия, где преобладает пасмурная погода и солнечный свет рассеивается (в некоторых областях рассеяние света достигает 50%) – там нет существенной разницы, с какой стороны располагаются окна в доме.

Практичные американцы вывели оптимальное соотношение площадей остекления (наиболее эффективный размер окон, ориентированных на разные стороны света), которое обеспечивает максимальную освещенность, но при этом минимизирует потери тепла.

Более того, в строительной теплофизике уже давно определены, просчитаны тепловые балансы зданий (сколько процентов тепла зимой уходит через стены, сколько через окна, сколько через пол, потолок и сколько с вентиляцией). Причем, все эти данные не являются секретной информацией, они выложены – бери и пользуйся. Строительство с учетом климатических особенностей местности – это первый шаг к разумному использованию гелиосистем.

Следующий шаг – использование активных гелиосистем, которые преобразуют энергию солнца , а в итоге смогут компенсировать значительную часть расходов на содержание здания. Здесь нужно учитывать следующее: из-за малой энергонасыщенности система занимает много места, поэтому оптимальный вариант – интегрировать активную гелиосистему в площадь проекции объекта, располагать ее элементы (фотопреобразователь или преобразователь тепла) непосредственно на здании. Кроме того использовать площадь под зданием для создания теплоаккумулятора.

Возможности гелиоэнергетики

На самом деле ситуации, в которых используется непосредственно «электричество в чистом виде» можно пересчитать по пальцам. Гораздо чаще используется тепло, которое выделяется в процессе прохождения электрического тока, механическое движение, искусственное освещение и др. А электричество – лишь удобная форма для транспортировки энергии. Совершенно естественно возникает вопрос: возможно ли сразу получать готовый продукт минуя промежуточные стадии преобразования?

К примеру, рассмотрим процесс получения питьевой воды с использованием фотоэлектрической солнечной батареи. В данном случае, питьевая вода – готовый продукт, производить и накапливать который можно при наличии солнечного излучения, а потреблять по мере необходимости. Это  фактически позволяет совместить графики выработки энергии гелиосистемой с графиком использования готового продукта.

Данное приложение гелиосистем особенно актуально для приморских районов, где солнца достаточно, а уровень качества воды очень низкий. На берегу моря можно установить автономный модуль, не требующий питания извне, и с помощью электрохимического процесса водоподготовки получать качественную питьевую воду.

Далее, грунт на глубине 5 м имеет температуру (+8 +10 ^оС), причем вне зависимости от времени года. Этому факту существует простое применение: устроить подземный теплообменник. Если закачать воздух для вентиляции под грунт, то зимой придется нагревать его только на 12 ^оС (не с -20, а с 8 ^оС до +20 ^оС), а летом не нужен будет кондиционер. Такие системы (грунтовые теплообменники) применяются в Германии, Финляндии и Польше.

А если говорить не о воздухе, имеющем малую теплоемкость, а о системах, использующих воду в качестве теплоносителя или еще более эффективных системах с тепловыми насосами, то в этих случаях производительность по теплу будет значительно выше. Тепловой насос – один из самых эффективных способов получения тепла, а если ему предоставить тепло, полученное активной частью гелиосистемы, то его мощности будет достаточно для отопления помещения.

Давайте оценим «отопительные возможности» гелиосистемы например, в Харьковской области. Для начала представим, что активная гелиосистема в состоянии обеспечить мощность с 1 кв.м луче воспринимающей поверхности P= 500-800 Вт эффективных. Пусть это будет в самый «плохой» год солнечного сияния (это N=1000 часов). Тогда с одного квадратного метра лучевоспринимающей поверхности можно получить:

, или 1800 Мдж

С другой стороны, отопление приличного уровня требует около 100 Вт на 1 кв.м жилой площади. В Харькове отопительный сезон составляет 180 дней. Энергия необходимая для отопления составит:

, или 1555 МДж.

Таким образом, для отопления 1 кв.м  жилья необходимо 0,86 кв.м гелиоколлектора с учетом того, что выработанную энергию удастся сохранить до наступления отопительного сезона в теплоаккумуляторе.

Таким образом, оценочный расчет показывает, что необходимая для отопления энергия может быть получена с площади гелиоколлекторов не превышающей площадь самого здания. Так есть ли смысл заниматься подобными проектами? Вероятно есть.

Что касается производственных помещений – там также возможна термомодернизация, и подход к энергосбережению идентичен. В первую очередь нужно осмотреть здание, ведь все объекты индивидуальны. А далее все аналогично:

• Окна размещаем на южной стене (для Украины);
• Стену, на которую светит солнце делаем толще;
• Северные и восточные стены должны быть самыми легкими и самыми теплоизолированными.
• Убрать лишние конвективные потоки, которые уносят много тепла. Специфика производственного помещения такова, что в нем одновременно находится много людей, значит, чаще открывается дверь, поэтому нужны тепловые завесы и тамбур на входе, создающий буферную зону холодному воздуху;
• На кровле расположить солнечные коллекторы (площадь крыши производственных помещений всегда достаточна для того, чтобы получать существенное количество энергии);
• Обычно в цехах толстые бетонные полы, а бетон сам по себе прекрасный теплоаккумулятор. Как правило, в цехах есть сеть каналов, в которых проложены кабели или трубы. Эти каналы также можно использовать для накопления тепла (холода). Летом, например, можно прогонять через них воздух (предварительно очистив его), тем самым охлаждать помещение. А зимой, соответственно, сохраненное тепло сможет подогревать пол и частично отапливать помещение.

Точный объем капиталловложений в термомодернизацию определяется в результате анализа на месте.

Специалистами кафедры «Информационно-измерительные технологии и системы» НТУ «ХПИ» разработана мобильная система мониторинга гелиопотенциала. Это автоматическая установка, которая отслеживает положение солнца и снимает необходимые характеристики для конкретных ландшафтно-климатических условий. Просчитывается, сколько падает солнечных лучей на эту территорию и на ограждающие конструкции объекта.

Имея данные конкретного объекта (площадь помещения, высоту и расположение стен), можно рассчитать, сколько солнечной энергии потребуется для отопления и электроснабжения. А исходя из данных мониторинга о количестве тепла и электроэнергии, которые можно получить в данном месте в случае применения активных элементов гелиосистем, рассчитывается сколько энергии потребуется для отопления здания, какое количество энергии можно распределить на другие потребности. Но, в любом случае, в нашей климатической зоне получается реальная экономия используемых энергоносителей.

Промышленная гелиосистема для отопления и горячего водоснабжения

Специалистами НТУ «ХПИ» совместно с заводом «Сокольники» (г. Харьков) создана активная гелиосистема для горячего водоснабжения «ТЛМ-Сокольники». В ней используется энергия солнца для получения горячей воды технологического, хозяйственного и бытового назначения в автоматическом режиме.

Принцип работы системы

Исходная холодная вода через электроклапан КЛ1 поступает во входную магистраль циркуляционного насоса Н. Насос Н обеспечивает подпитку гелиоколлектора. Проходя через гелиоколлектор, вода нагревается и поступает в бак-аккумулятор Б1. Бак-аккумулятор оснащен датчиками верхнего и нижнего уровня. При срабатывании датчика нижнего уровня ДН перекрывается отбор горячей воды электроклапаном КЛ3, а при срабатывании датчика верхнего уровня ДВ подача холодной воды перекрывается электроклапаном КЛ1.

Также в состав системы входят первичные измерительные преобразователи температуры ИПТ Т1, Т2 для измерения температуры воды на выходе коллектора и в баке-аккумуляторе. При превышении температуры воды в коллекторе над температурой воды в баке, программируемый логический контролер (ПЛК) выдает команду на открытие входного клапана КЛ1, что приводит к поступлению воды для подогрева.

В случае, если температура воды в баке-аккумуляторе ниже требуемой (задается оператором при настройке системы), то клапан КЛ1 закрывается и открывается электроклапан КЛ2. Циркуляционный насос прокачивает воду из бака-аккумулятора через коллектор, что приводит к ее дальнейшему подогреву. ПЛК производит сравнение температур воды в баке и коллекторе и дозирует подачу холодной воды клапаном КЛ1 с целью получения заданной температуры воды на выходе. Система оборудована дренажными и защитными клапанами.

Программируемый логический контроллер JAZZ оснащен часами реального времени, календарем и может алгоритмически проводить вычисления количества отпущенной воды и тепла. Данные о состоянии системы и расчетные показатели по воде могут быть переданы в систему верхнего уровня.

Система собирается из модулей как мозаика, тогда как площадь одного модуля составляет 1,25 кв.м. В зависимости от потребностей заказчика существует возможность оснащения комплекса автоматическими устройствами для производства необходимого вида энергии.

Но, как бы ни рос тариф на электроэнергию, процесс производства, сосредоточенный на огромных электростанциях, еще очень долго будет оставаться самым дешевым. Поэтому гелиоэнергетике пока остаются «вторые роли», но для районов (или участков), отрезанных от инфраструктуры, электроэнергии или газовых магистралей, активная гелиосистема будет просто незаменима. А «заставить» гелиосистему эффективно преобразовывать солнечную энергию и экономить постоянно дорожающие энергоносители – вопрос решаемый уже сегодня.

Термомодернизация здания - комплекс строительных работ, направленных на приведение теплотехнических показателей всех ограждающих конструкций к современным требованиям без изменения инженерного оборудования и объемно-планировочного решения здания

Первая промышленная гелиоустановка была построена англичанами в Каире для просушки табака и имела достаточную для того времени мощность в 1,2 МВт.