Використання якою технологією сонячної енергетики більш ефективно

Як ми говорили раніше, на початку ХХ століття, ринок сонячних водонагрівачів, в основному, торкався Каліфорнії. Однак людський скепсис не знає кордонів - компанії конкуренти розпускали чутки, що дуже небезпечно користуватися водою з сонячного водонагрівача, мовляв "мій знайомий - бідолаха фермер, одержав страшні опіки - майже шкіри позбувся". Іншим нищівним ударом для ринку сонячних водонагрівачів в Каліфорнії стала розвідка родовищ природного газу в 1920-х ( http://energyblog.nationalgeographic.com ). Однак хороша технологія не може зникнути - і сонячні водонагрівачі змінили географічне місце поширення.

Будівельний бум у Флориді, що почався в 1920-х і тривав аж до 1941-го, став непоганим місцем застосування сонячної технології. За цей час більше половини новозведених господарств було обладнано сонячними водонагрівачами. Втім, людський фактор знову зіграв злий жарт - коштувало, після Другої Світової Війни, впасти цінами на електрику, як безкоштовне, але не таке "зручне", Сонце стало непотрібним. До того ж, агресивна кампанія постачальника електроенергії "Florida Power and Light", по збільшенню споживання електроенергії населенням, яка полягає в смішних акційних цінах на електричні водонагрівачі, привела до падіння виробництва сонячних водонагрівачів вдвічі.

Але є і позитивні історичні приклади. Так, на відміну від Америки післявоєнного періоду, Японія, яка не має власних значних запасів викопних енергоносіїв, була змушена використовувати безкоштовну і чисту енергію Сонця для потреб гарячого водопостачання.

Традиційно, японські фермери, після довгого важкого праці на рисових полях, брали гарячі ванни, щоб відмитися від бруду. Для нагріву води використовували рисову солому, яку інакше використовували як корм для худоби чи добрива полів. Тому, як тільки японські компанії запропонували прості сонячні водонагрівачі, у вигляді ємності з заскленій верхньою кришкою, більш ніж 100 000 штук знайшло своїх господарів до 1960 року. Жителі міст і селищ купували спрощені пластикові сонячні водонагрівачі, виконані у вигляді надувних матраців з прозорим пластиковим корпусом, або більш досконалу модель - у вигляді сонячного водонагрівача по типу Climax - металевого циліндричного водяного бака в заскленому ящику. Більш 4 000 000 подібних сонячних водонагрівачів було розташоване на дахах міських будинків до 1969 року.

Однак поява великих нафтових танкерів, в 1960-х, дозволило Японії налагодити поставки нафти з Середнього Сходу, завдяки чому було отримано доступ до дешевого палива. Також, як раніше в Каліфорнії і Флориді, ринок сонячних водонагрівачів сколлапсировало, проте ненадовго. Нафтове ембарго 1973 го і пішов за цим стрімке зростання цін на нафтові енергоресурси послужили поштовхом до відновлення національного "сонячного" ринку. (The Integral Passive Solar Water Heater Book / David A. Bainbridge).

Ізраїль, так само як Японія, на відміну від Сполучених штатів і більшості країн Європи, не мав значними копалинами енергетичними ресурсами на початку 1950-х. А успіх військової операції Ізраїлю у війні Судного дня привів до масштабного нафтовому бойкоту в 1973-м. В цей час, в Ізраїлі відзначений бум придбання сонячних водонагрівачів. До 1983-му, 60% населення гріло воду за допомогою Сонця. Коли, до середини 1980-х, ціни на нафту впали, ізраїльський уряд прийняв рішення не допустити обвалу ринку сонячних водонагрівачів, як це відбувалося до цього в США і Європі, тому прийняв закон, що зобов'язує при будівництві нового будинку обладнати його сонячними водонагрівачами. Сьогодні, більше 90% ізраїльських домашніх господарств використовують сонячні водонагрівачі (Ізраїль - лідер з використання сонячної енергетики per capita), що становить 3% національного енергоспоживання і дозволяє економити 2 мільйони барелів (320 000 м3) нафти на рік (за даними http://www.californiasolarcenter.org , Wikipedia.org).

У 2005 Іспанія стала першою країною в світі, яка зобов'язала обладнати сонячними фотоелектричними панелями кожен новий споруджуваний будинок, і другий, після Ізраїлю, - встановлювати сонячні водонагрівачі, в 2006 році.

Однак лідером встановлених сонячних колекторів (за абсолютним числом), природно, є Китай, з понад 60 мільйонами встановлених колекторів. Світовий розподіл кількості встановлених до 2007 року сонячних водонагрівачів можна бачити на гістограмі 1.

Гістограма 1. Світовий розподіл ринку сонячних водонагрівачів (за кількістю штук) в 2007 році (wikipedia.org).

Таким чином можна спостерігати деяку історичну "сонячну війну", між здоровим глуздом (безкоштовна, але кілька "незручна", в тому числі у комерційному плані і політично, сонячна енергетика) і жагою влади і наживи (адже за інші джерела енергії доводиться платити і, більш того , залежатиме від їх поставок).

ТЕПЛОВА СОНЯЧНА ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

З іншого боку, теплову енергію Сонця можна використовувати для отримання механічної та електричної енергії. Адже для більшості теплових двигунів із зовнішнім джерелом згоряння тип джерела тепла неважливий.

Перший сонячний паровий двигун був побудований і протестований Огюстом Мушо (Augustine Mouchot), французьким інженером, в 1866 році. Мушо вважав, що вугілля, який послужив технічної революції - є вичерпним ресурсом, і тому займався розвитком альтернативної, сонячної, енергетики. У своїх роботах він спирався на роботи деСосюра і Клода Пулье. Мушо створив перший параболічний сонячний концентратор (дзеркало), який сфокусував на дюймову трубу, в якій вода закипаючи перетворювалася на пару і живила маленький паровий двигун (рис. 16).

Мал. 16. Демонстрація сонячної машини Мушо у Франції 1878 рік.

У 1878 році сонячна машина Мушо завоювала золоту медаль на Паризькій всесвітній виставці. Параболічний сонячний концентратор нагрівав котел, а пар приводив в дію друкарську машину, яка випускала до 500 газетних аркушів на годину. Також публіці була представлена ​​морозильна машина, що приводиться в дію сонячною енергією.

Роботи Мушо залучили до сонячної тематиці уми багатьох дослідників. Одним з перших послідовників став Джон Ерікссон, який останні 20 років життя присвятив конструювання сонячних машин. Він вважав: "оскільки Земля отримує невичерпне кількість енергії сонячного світла, область його використання не піддається оцінці, бо джерело цієї енергії безмежний."

Мал. 17. Сонячний паровий двигун Ерікссона, 1885 рік.

У 1914 році перший комерційний сонячний завод з виробництва пара був побудований в Єгипті (рис. 18). За вартістю і потужності цей завод був порівнянний з вугільним аналогом тієї ж потужності. Однак наслідки Першої Світової Війни привели до переваги розробки більш "легкої" в використанні енергії викопного палива (знову більше комерційна технологія перемогла незручне - безкоштовне! - Сонце).

Мал. 18. Перший в світі комерційний сонячний завод в Єгипті, 1914 рік.

Під кінець двадцятого століття, в силу подорожчання і прогнозу швидкого виснаження традиційних викопних енергоресурсів (в тому числі атомних), інтерес до геліотермальной (теплової сонячної) енергетики відновився. Розробки сонячних теплоелектростанцій баштового типу велися як в США і СРСР, так і в інших країнах (рис. 19). А зараз доступні для домашнього та для комерційного використання невеликі установки з параболічним концентратором, який фокусує сонячне випромінювання на над-компактний і тепловий двигун Стірлінга, поєднаний з електрогенератором. Система оснащена системою стеження за Сонцем (рис. 19 б).

(а)

(б)

(в)

Мал. 19. Фотографії сонячної теплоелектростанції баштового (а) і тарельчатого з двигуном стірлінга (б) типів; схема геліотермічної електростанцій (в).

ТАК ЩО Ж КРАЩЕ ДЛЯ ДОМАШНЬОГО ВИКОРИСТАННЯ - ВОДА, ПОВІТРЯ або фотоелектрика?

Отже, на даному етапі, домашня сонячна енергетика представлена ​​тепловими повітряними і водяними сонячними колекторами, сонячними тепловими концентраторами, а також сонячними фотоелектричними перетворювачами. Так використання якої технології більш ефективно? Як і в будь-якому інженерному вирішенні - кожне має свої переваги і недоліки. Однак слід пам'ятати, що часто більш ефективне рішення не є найкращим. У разі надлишку площі, що відводиться під розміщення сонячних колекторів, можна покрити нестачу ефективності дешевших колекторів за рахунок збільшення їх кількості (і, відповідно, їх активної площі). Таке рішення може виявитися дешевшим, ніж використання меншого числа більш ефективних, але значно більш дорогих, колекторів.

Також необхідно зауважити, що і повітряний, і водяний сонячний колектори, однакового ефективного розміру, поглинають приблизно однакову кількість сонячної енергії і перетворять його в теплову, тобто мають однакову ефективність. Ось найбільш суттєві відмінності цих двох систем, для полегшення вибору

Переваги сонячних повітряних нагрівачів (колекторів):

• Проста конструкція, що забезпечує низьку вартість, а також можливість самостійного виготовлення.
• Не має потреби захисту від замерзання.
• Менш вимогливі до щільності стикування елементів (витоку теплоносія).
• У деяких випадках немає необхідності в пристрої теплових накопичувачів, оскільки тепле повітря може використовуватися безпосередньо для нагріву приміщення.
• Більш швидке нагрівання теплоносія (повітря) до робочої температури (оскільки повітря має меншу ніж вода теплоємністю - його нагрівання відбувається швидше). Це актуально в похмурі, зі змінною сонячністю, дні.

недоліки:

• Значно більший розмір повітропроводів, в порівнянні з водяними трубами, що знижує гнучкість розташування і ускладнює монтаж.
• Більш складний пристрій теплового сховища.
• Складність пристрої систем великих розмірів.
• Додаткові витрати на обладнання для нагріву води гарячого водопостачання.

Переваги сонячних водяних (рідинних) нагрівачів:

• Більш гнучка система розташування і монтажу, за рахунок того, що водяні труби мають значно менший діаметр, ніж повітроводи.
• Можливість пристрою сонячних систем дуже великого розміру.
• Більш простий пристрій теплового сховища.
• Простота використання системи для потреб гарячого водопостачання.
• Можливість облаштування сучасної системи комфортного розподілу тепла в будинку - теплої підлоги.
• Більш проста теплоізоляція труб.

недоліки:

• Кілька більш складний пристрій, що призводить до деякого подорожчання і ускладнення самостійної споруди.
• Необхідність захисту від заморозків - використання антифризу або систем автоматичного зливу води з колекторів (drainback).
• Не допускають нещільної стикування (витоку теплоносія).
• При використанні для потреб опалення необхідна система розподілу тепла (системи теплої підлоги або радіаторів), однак найчастіше такі системи вже існують для традиційних джерел тепла (газовий / дров'яної котел), до того ж пристрій систем розподілу тепла дозволяє створити більш ефективні системи управління опаленням.

Використання параболічних дзеркальних концентраторів, для домашнього використання, доцільно при бажанні отримувати більш високі температури вихідного теплоносія (в даному випадку, в якості теплоносія використовуються мінеральні масла, температура кипіння яких вище 500 оС). В цілому, ефективність такої системи можна порівняти з плоскими колекторами (за даними статті http://georgesworkshop.blogspot.com/2011/10/index-comparing-concentrator-to-flat.html ) Проте вимагає установки систем стеження за положенням Сонця, що ускладнює систему.

Як конкуруючу систему обігріву приватного будинку, можна розглядати систему складається з сонячних фотоелектричних панелей (ККД близько 15%, проти 50-75% ККД сонячних колекторів) і теплового насоса (що дозволяє "викачати" теплової енергії до 3 кВт, при витрачений 1 кВт електроенергії) . Таким чином, можна розрахувати сумарну "сонячну" ефективність такої гібридної системи як: 15% * 3 = 45%, що не так погано. Правда така система, однозначно, буде значно дорожчою, складної (включає фотоелектричні модулі, акумуляторну батарею, інвертор, тепловий насос, систему свердловин теплового насоса, систему розподілу тепла) і, тому, менш надійною.

Подивіться типові системи альтернативного енергопостачання >>