Солнечная энергетика

Поэтому прочное лидерство  в этом вопросе принадлежит Германии и Японии, где проблемы использования  солнечной энергии являются частью промышленной политики правительств. Солнечные лучи приносят приблизительно по 1 кВт энергии на каждый 1 м² земной поверхности, но, как показывают расчеты специалистов, в климатических условиях Центральной Европы пока используется лишь меньшая доля этой энергии. Тем не менее, по прогнозам специалистов, к 2050 г. в Германии доля электрической энергии, получаемой от солнечных установок, составит до 9,8%, а доля тепловой энергии - 20,5% от общего объема энергии альтернативных источников. Поэтому, в частности, в Германии уже почти 15 лет существует программа, по которой 300 тыс. зданий должны быть оборудованы солнечными энергетическими системами. Для стимулирования граждан, поставляющих энергию от собственных солнечных панелей на крыше в национальную энергосеть, предоставляются низкопроцентные кредиты на 10 лет. Благодаря проводимой политике мощность солнечных установок для генерации электрической энергии в Германии с 1999 по 2005 гг. возросла с 13 до 750 МВт. В 2007 г. число таких солнечных панелей достигло 300 тыс. суммарной мощностью до 2500 МВт. Предполагается увеличить число солнечных панелей до такой величины, чтобы с их помощью можно было бы обеспечить как минимум 30% всей потребности в электроэнергии жителей частных домов. К 2025 г. выработка электроэнергии, получаемой от солнца, должна достигнуть 589 млрд кВт.ч.

Как показывают расчеты, для  экономически оправданного внедрения  солнечных панелей на индивидуальной крыше владельца дома стоимость 1 кВт.ч не должна превышать 50 центов США, и подобный источник электроэнергии от «собственной крыши» застройщика должен стать дешевле, чем от государственной электросети. Считается, что солнечная панель площадью 50 м²обеспечивает экономию до 3000 евро в год. При этом, как установлено расчетами, в масштабах страны эмиссия углекислого газа в атмосферу снизится на 350 млн т в год. Иначе говоря, большая часть этой стоимости падает не на производство энергии, а на распределительные сети и другие затраты. При наличии же собственного источника электроэнергии на крыше, отпадают расходы на транспортирование энергии. Поэтому, особенно целесообразным следует считать использование «солнечных электрогенераторов на крыше» в сельской местности, удаленной от крупных электростанций. Естественно, что наибольшее развитие солнечные системы получают в южных районах Германии, где мощность облучения достигает до 1,2 кВт на 1 м², а плотность населения существенно ниже, чем в таких индустриальных Землях Германии как Северный Рейн- Вестфалия. Например, внедрение в небольшом поселке в Южной Баварии солнечных установок для получения тепловой энергии позволило уменьшить эмиссию углекислого газа (СО₂) в атмосферу на 30 тыс. т в год.

С 2004 до 2006 гг. в целом по Германии число новых солнечных  установок для получения тепловой энергии возросло с 60 до 140 тыс., а  общая площадь абсорберов (солнечных  коллекторов - прим. ред.) достигла 5,4 млн м². К 2010 г предполагается довести эту величину до 10 млн м². В свою очередь, в Австрии уже в 2000 г. работали солнечные абсорберы общей площадью 530 тыс. м², обеспечивающие выработку около 160 млн кВт тепловой энергии в год.

По климатическим условиям средней части Европы на долю отопления  приходится от 65 до 75% от общего расхода  энергии, а на горячее водоснабжение - от 12 до 20%. На хозяйственные нужды  расходуется около 9%, а на долю освещения  приходится примерно 2% энергии. При  этом, по данным Германии, мощность отопительных систем рассчитывается, исходя из расхода  тепла, составляющего примерно 2025 кВт  на 1 м² общей площади помещения.

Такие отопительные системы  внедряются не только в Германии, но и в таких солнечных странах  как Испания, Италия, Греция, Марокко, Индия и Мексика. Так, например, на Иберийском полу

острове, где солнечные дни наблюдаются 300 дней в году, в ближайшее время будут построены солнечные установки суммарной мощностью до 600 МВт, а в Марокко мощностью до 450 МВт.

Аналогичная государственная  политика по стимулированию солнечной  энергетики в частных домах проводится в Японии. Домовладельцам, имеющим  на крышах установки, использующие энергию  солнца, компенсируется до 50% затрат. Поэтому  ежегодно в Японии в эксплуатацию вводится до 60 тыс. таких домов. В  результате в конце 2003 г. общая площадь  подобных установок составила 7,35 млн м², а к 2010 г. планируется увеличить ее до 35 млн м². При этом основной упор делается на применение солнечных систем для нагрева воды в частных домах, число которых достигло уже 15% от общего числа этого жилого фонда. Характерно, что затраты на эти системы за 10 лет, начиная с 1995 г., уменьшились почти в 4 раза.

В Израиле с начала 1980-х  гг. около 80% всех водонагревательных установок  приходится на долю солнечных систем, и их количество продолжает увеличиваться. По мнению многих экспертов, в перспективе  ускоренного развития солнечной  энергетики следует ожидать и  в таких солнечных странах  Азии как Южная Корея и КНР. В частности на долю многонаселенного Китая уже к концу 2003 г. приходилось  до 60% общей площади всех солнечных  абсорберов в мире, хотя в этой стране отсутствует государственная поддержка  солнечной энергетики. Тем не менее  в пересчете на 1000 жителей страны в Китае площадь солнечных  абсорберов составляет лишь 7,4 м² на 1000 жителей, в то время как в Австрии она равна 20,5 м²/1000 чел., в Греции 15,1 м²/1000 чел., а в Израиле она достигла значения 52,3 м² на 1000 жителей. Экономические расчеты показывают, что все затраты на оборудование солнечных систем окупаются за 2-4 года, а длительность гарантированной эксплуатации составляет около 30-40 лет.

Для систем отопления и  ГВС жилых зданий предназначены  солнечные термические абсорберы  различного конструктивного исполнения. Так, например, по мнению специалистов Германии, применение солнечных термических  абсорберов для отопления и ГВС  жилых домов усадебного типа позволяет  почти на 40% сократить расход газа и жидкого топлива. В частности, при средней температуре воды для ГВС 60 ^ОС расход тепла составляет 1,9 кВт в день на 1 чел. или 700 кВт в год, что соответствует расходу 70 л жидкого топлива. Отсюда следует, что если только половина этой потребности покрыта за счет солнечного термического абсорбера в сочетании с аккумулятором горячей воды, то будет сэкономлено до 35 л жидкого топлива. По опыту эксплуатации таких систем известно, что экономия составляет до 65% от номинально требуемого расхода энергии.

Термические солнечные абсорберы  в Германии выполняются обычно в  виде многослойной конструкции в  алюминиевой раме. Сверху рама закрыта  высокопрочным прозрачным стеклом  с пропускной способностью более 92%. При этом отражение солнечного облучения  составляет менее 5%. Под стеклом  размещена пленка из светопоглощающего металла, в качестве которого используют, например, медную пластину. Эта пластина и выполняет функцию солнечного абсорбера. Непосредственно к этому абсорберу приварен или припаян регистр или змеевик из медных трубок диаметром d=1/8". Под регистром располагается многослойная теплоизоляция в виде слоя минеральной ваты и слоя вспененного полиуретана. Такие модули рассчитаны на максимальную температуру теплоносителя, циркулирующего по медному регистру до 206 ^ОС при давлении до 10 бар. Прочность конструкции остекления модуля такова, что она способна выдержать напор ветра со скоростью до 250 км/ч.

Термические солнечные абсорберы  хорошо комбинируются в усадебных  жилых домах с индивидуальными  котлами для сжигания древесного топлива, в качестве которого применяются  древесные гранулы, вырабатываемые из отходов деревообрабатывающей промышленности или растительных остатков сельскохозяйственного  производства. Термические солнечные  абсорберы наиболее эффективно использовать в сочетании с низкотемпературными  системами панельного отопления  с установленными в полах помещений  регистрами, по которым циркулирует  горячая вода. Такие абсорберы  оснащаются устройством для регулирования, которое при дефиците получаемого  тепла автоматически подключает горячую воду, поступающую в систему  от котла для сжигания гранулированного древесного топлива.

Исключительный интерес  представляют собой установки, в  которых солнечная энергетика сочетается с использованием тепловых насосов. В частности, одной из зарубежных фирм разработана система, реализующая  эту техническую идею.

В этой установке применен гибридный солнечный абсорбер, в  который встроен осевой вентилятор и теплообменник, размещенный под  змеевиком, по которому циркулирует  теплоноситель, воспринимающий солнечное  тепло. Технический смысл работы такого гибридного коллектора состоит  в том, что при недостаточном  солнечном облучении используется конвективное тепло окружающего  воздуха. С помощью

вентилятора теплый воздух передает энергию через теплообменник  к змеевику, по которому циркулирует  теплоноситель, поступающий в верхнюю  зону комбинированного аккумулятора тепла. Если в определенное время расход энергии на отопление и ГВС  незначителен, то полученное тепло  накапливается в так называемом «латентном» аккумуляторе при температуре  около 25^ОС. При увеличении водоразбора автоматически в работу включается тепловой насос. С его помощью температура воды повышается до 55 ^ОС, и она через аккумулятор направляется в сеть ГВС.

В настоящее время в  Южной и Центральной Европе находят  применение новые конструкции солнечных  тепловых абсорберов, трубки которых  изготовлены из термически пластичного  материала марки TPE (Thermoplastjscher Elastomer). Этот материал износоустойчив и не чувствителен к морозам. Трубки таких солнечных абсорберов диаметром 8^5 мм соединяются друг с другом с помощью муфт или ниппелей. Коллекторы, объединяющие ряд трубок, выполняются диаметром d = 50 мм. Удельный вес пустого абсорбера составляет 4 кг/м², а масса абсорбера, наполненного водой, равна 7 кг/м². Удельная пропускная способность коллекторов находится в пределах от 0,25 до 0,5 м³/ч при минимальном гидравлическом сопротивлении, равном 1000 мм вод. ст. При солнечном облучении, равном лишь 1 кВт/м², максимальное количество тепла, поглощаемого коллектором, может достигнуть 850 Вт/м². Разработаны два варианта таких трубок: черного цвета и красного цвета.

Естественно, что черные трубки поглощают больше солнечного тепла, и поэтому их используют в северных и центральных районах Европы. Красные же трубки применяют обычно в странах Южной Европы, поскольку  они прекрасно архитектурно сочетаются с красным цветом черепичных крыш зданий.

Другим интересным решением для устройства термических солнечных  абсорберов является предложение изготавливать  коллекторы из трубок с внешней винтовой нарезкой. Благодаря такой нарезке  увеличивается площадь восприятия солнечного облучения и снижается  отражение. Углубления на трубке имеют V-образную форму с углом между  стенками около 60^О. Если степень поглощения солнечного облучения гладкими трубками составляет 90%, то степень поглощения трубками с винтовой нарезкой увеличивается до 99,5%. Как видно из этих значений, такое устройство позволяет эффективно концентрировать всю энергию, падающую на

плоскость коллектора. Трубки коллектора изготавливаются из нержавеющей  стали диаметром d = 25 мм с шагом нарезки 1 мм. Обычно такой коллектор покрывается специальным составом для повышения износоустойчивости и поглощающей способности.

В Южной Калифорнии в течение  ряда лет работает другая оригинальная солнечная установка. Она генерирует пар, используемый затем в энергетических установках.

Технический смысл ее состоит  в том, что под тонкой трубой толщиной стенки 0,4 см расположено зеркало  параболической формы.

Нижняя часть трубы  имеет стеклянную оболочку, а пространство между трубой и стеклянной оболочкой  вакуумировано. Верхняя часть трубы покрыта слоем эффективной теплоизоляции. По трубе циркулирует нагреваемая жидкость. Труба и параболическое зеркало с двух сторон прикреплены к опорам, с помощью которых автоматически происходит постоянное перемещение всей конструкции, обеспечивающее «слежение» за потоком солнечного облучения. Параболическое зеркало толщиной лишь 0,4 см имеет высокую отражательную способность, достигающую до 98%. Вакуумированное пространство между стеклянной оболочкой и трубой, а также высокая отражательная способность зеркала способствуют повышению КПД работы всей установки.

Близкая по схеме экспериментальная  установка работает во Франции в  г. Льеж. В ней использованы плоские, а не параболические коллекторы в виде отдельных сегментов, которые ориентированы под оптимальным углом к перемещающимся солнечным лучам. Общая площадь зеркальной поверхности достигает около 2500 м².

Фокусированное солнечное  облучение направлено на стальную трубу, по которой циркулирует нагреваемая  вода. Образующийся пар используется для привода турбины, вырабатывающей электроэнергию, примерная стоимость  которой составляет от 0,04 до 0,075 долл. США за 1 кВт.ч. Анкерное крепление всей установки к почве состоит из многочисленных связанных между собой профилей, что позволяет надежно устанавливать ее на песчаном, сыпучем грунте. Зеркала размещаются на высоте 4 м, и в случае неблагоприятной ситуации во время песчаных штормов они автоматически перемещаются в укрытие. Поэтому такую установку предполагается в дальнейшем устанавливать в таких странах как Египет, Марокко, а также вероятно в Испании и Италии. По свидетельству разработчиков, такая установка не требует квалифицированного обслуживания. Генерируемая ею мощность находится в широком диапазоне от 5 до 800 МВт.

В Израиле применяется  схема использования солнечной  энергии, в которой солнечное  облучение с помощью системы  зеркал направляется на ресивер, имеющий  форму расширяющегося к низу конуса. Такой конус, внутренняя поверхность  которого покрыта специальной краской, становится «ловушкой» тепловой энергии. Стенки конуса выполнены в виде каналов, по которым с помощью насосов  циркулирует смесь солей, состоящая  из 60% соли NaNO₃ и 40% соли KNO₃. При нагреве от солнечных лучей через стенки конуса эта смесь нагревается от 290 до 565 ^ОС и поступает в парогенератор, с помощью которого приводится в движение турбина, вырабатывающая электрическую энергию, а отработанный пар используется для целей теплоснабжения. Как показали натурные испытания, при максимальном облучении, составляющем 60 кВт/м², эффективность восприятия радиационного потока достигает 95%. С помощью такой системы, включающей центральный и периферические конические ресиверы, суммарная нагрузка составляет как минимум до 2660 кВт/м², а общая тепловая мощность вырабатываемой энергии составила около 30 МВт.