Энергия с неба

Доля источников возобновля­емой энергии ( ветроэнерге­тика , солнечная энергия , био­энергия и пр .) в общей энерге­тике США уже составляет 14%, во Франции — 15%, в Дании — 12%, в Китае — 14%, в Индии — 22,5%, в Латинской Америке — 35%. Все эти показатели к 2010 году будут увеличены в среднем почти в 1,5 раза . И опыт этих стран показывает , что инвес­тиции в получение энергии от ветра и солнца могут оправды­вать себя и в экономике , в осо­бенности , когда ожидается по­вышение цен на газ и нефть . У нас же использование природ­ных возобновляемых источни­ков энергии пока не получило еще очень широкого распрост­ранения . Массовый всплеск в Ук­раине в последние годы архи­тектурного разнообразия за­метно обогнал способность достойного инженерно - техничес­кого решения строящихся ше­девров . И с одной стороны , за­кладывая энергосберегающие технологии , архитекторы словно пытаются приручить природную стихию и поста­вить ее на службу человеку . Но с другой — комплектация инженерными системами возво­димых объектов обычно подра­зумевает , что применяться бу­дет традиционное решение : извлечение энергии из твердого и жидкого топлива . Другими словами , будут расходоваться не возобновляемые ресурсы , та­кие как нефть , уголь , природный газ . А ведь запасы их далеко не бесконечны . И беда в данном случае в том , что , к сожалению , мысль работает в направлении увеличения добываемой мощно­сти , а не экономного распоря­жения уже имеющимся .

Современное здание — это сис­тема гарантированного ком­фортного времяпрепровождения , где должен быть обеспечен опти­мизированный режим экономного использования коммунальных ре­сурсов . И чтобы человеку было комфортно в его доме , самое главное , чтобы там были тепло , свет , горячая вода . И проблему обеспечения здания отоплением , электричеством и горячей водой вполне могут решить нестан­дартные источники энергии , наи­более известные из которых — " ветряки " и солнечные батареи . Вполне возможно , что в услови­ях мировых экологических и топливных проблем воспол­няемые источники энергии у нас в стране тоже начнут приобретать приоритетное значение . Тем более , что уст­ройство и эксплуатации их возможны как при реконструк­ции здания , так и при новом строительстве .

■ ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Начнем с ветряных электро­станций . Все большее количе­ство застройщиков , задумыва­ясь о ценах на природные не во­зобновляемые энергоресурсы и учитывая их ограниченности , задумывается над тем , как об­завестись " ветряком ". Использование энергии ветра давно знакомо человеку . На него веками работали ветряные мельницы . Но когда на службу были поставлены уголь , нефть , а с ними — электричество и турбины , показалось , что " вре­мя парусов " закончилось . При­родные твердые и жидкие ис­точники энергии получили явное преимущество и широкое рас­пространение . Но " ветряки " не потеряли своих достоинств и не исчезли совсем . Хотя , по мнению сторонников использования энер­гии ветра , в настоящее время виной недостаточно активного внедрения " ветровых техноло­гий " являются консерватизм и инертность .

Энергия ветра имеет множест­во преимуществ . Она доступна и с точки зрения технологичес­кого развития , и в смысле нали­чия ветряных ресурсов . Слабым местом ее использования явля­ется недостаточная " энерге­тическая плотность " этого природного ресурса : для произ­водства электричества необ­ходимо значительное число ге­нераторов . Ветровые турбины не могут быть размещены по­всеместно , поскольку не везде достаточно ветрено , а в тех местах , где ветра много , стро­ительство и эксплуатация ве­тровых ферм могут оказаться неоправданно дорогостоящими ввиду удаленности от потре­бителя . Против использования ветряных двигателей выдвига­ются порой и чисто визуаль­ные соображения . Основным критерием для их ус­тановки является средняя ско­рость ветра , а лучше всего среднемесячная и среднегодо­вая скорости ветра . Ниже этой скорости не имеет смыс­ла устанавливать ветряную электростанцию . Причем эта среднегодовая скорость ветра должна быть измерена на так называемой флюгерной высо­те . Точное место расположе­ния установки на участке за­висит от шумов , издаваемых при ее работе .

■ СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Солнечная энергия есть не что иное , как воздействие солнеч­ной радиации на здание или воспринимающие поверхности . Идея использования солнечной радиации для получения энер­гии долго не находила эффек­тивного технологического ре­шения . Но во времена энергети­ческого кризиса 1970- х годов во всем мире возрос интерес к сол­нечной энергии . Правда , на тер­ритории бывшего СССР , за ис­ключением космоса , она прак­тически не использовалась , хо­тя высокая солнечная актив­ность — особенность почти всей этой территории . Преимущество использования фотоэлектрических генерато­ров солнечной энергии в том , что это экологически чистая технология . Сами по себе гене­раторы нуждаются в минимуме обслуживания и не требуют особых эксплуатационных за­трат . Им не нужны громоздкие конструкции , занимающие зна­чительные территории , они надежны в эксплуатации и бес­шумны . Возможность установ­ки солнечной электростанции определяется по количеству солнечных дней в году , а так же по количеству солнечной энер­гии , приходящейся на единицу площади ( Вт / м 2 ). Экономически выгодными для использования солнечных панелей являются районы с солнечной активнос­тью 100-250 кДж / см г . Зарубеж­ные и отечественные компании выпускают солнечные панели единичной мощности 50 Вт , 100 Вт на напряжение 12 В для получения необходимой мощно­сти и в результате получается солнечная электростанция . Она , в районах с высоким сол­нечным потенциалом , может окупиться в течение 2-5 лет эксплуатации . Срок службы солнечной панели до 50 лет , причем каждые 10 лет она те­ряет всего 1% мощности . Правды ради стоит сказать , что у солнечной энергетики есть и ряд недостатков : подобные электростанции не рабо­тают ночью и в холод , а обору­дование для преобразования солнечной радиации в электри­чество остается дорогим .

■ СОЛНЦЕ ГРЕЕТ ДОМ И ВОДУ

Преобразование солнечного из­лучения , применяемого для обо­грева здания или нагрева воды , может быть либо активным , либо пассивным . Пассивное использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и отдачи энергии при прямом улавлива­нии лучей через остекленные проемы ( окна , витражи , витри­ны ) и косвенном , за счет масси­вов стен , крыш , ограждений зимних садов и т . п . Другими словами , это архитек­турно - строительные системы , улавливающие солнечное тепло , направляющие его в глубь поме­щения , аккумулирующие его там и отдающие его в нужное время во внутреннюю среду . Эти системы не требуют практически никако­го инженерного оборудования ( за исключением в некоторых случаях небольших вентиляторов ). Активное же использование сол­нечной радиации возможно за счет восприятия и передачи энергии специальными устрой­ствами : гелиоколлекторами , солнечными фотоэлектрически­ми установками наземного ис­пользования и т . п .

Еще лет тридцать назад у нас в стране , да и во всем мире , под использованием солнечной энергии понимали применение специального инженерного обо­рудования , такого , как солнеч­ные коллекторы , теплообмен­ники , баки - накопители нагре­той солнцем воды или другой жидкости , автоматику , регуля­торы и т . п . ( то есть , подразу­мевался активный тип ). Такие системы в наше время широко применяются в развитых странах .

Используя приемы " солнечной архитектуры ", современный " солнечный " дом может быть оборудован как пассивными , так и активными элементами для использования энергии . Причем — таким образом , что­бы максимально поглощать и использовать солнечное излу­чение для обогрева , горячей во­ды и электрообеспечения . Главными инженерными элемен­тами солнечной архитектуры являются расположенные на крыше дома солнечные коллек­торы для нагрева воздуха и во­ды , солнечные батареи . Выгода использования солнечной энер­гии будет максимальной , если дом еще правильно располо­жить и эффективно утеплить . " Правильное " расположение и строительство дома предпо­лагает его южную ориентацию ( для максимального съема сол­нечной энергии ) и наличие бу­ферных зон ( теплица с юга , га­раж с севера , веранды с запада или востока и т . д .). В холодный период года солнце использует­ся в пассивном режиме отопле­ния , снижая тем самым нагрузку на обогревающую систему .

В тёплый период года энергия солнца используется для подо­грева воды . Получение тепло­вой энергии от солнца осу­ществляется в солнечных кол­лекторах , в которых нагрева­ется воздух или вода . В идеале от системы солнечного обо­грева нужно получить столько тепла , чтобы компенсировать все тепловые потери и обеспе­чивать семью теплой водой для бытовых нужд . Избытки тепловой энергии накаплива­ются и хранятся в сезонных и суточных аккумуляторах . Длительному сохранению теп­ла в доме способствуют также архитектурные и конструк­торские решения , эффектив­ные утеплители . Выработка электроэнергии происходит в солнечных бата­реях . Но сегодня еще нет деше­вых сезонных аккумуляторов и значимым источником тепла остается котел , но его расход топлива в несколько раз мень­ше . Отопление , безусловно , бу­дет нужно , когда пасмурная по­года задержится . И здесь дол­жен выручать бак - аккумуля­тор , в который из коллекторов должна нагоняться горячая во­да . В солнечный день вода с ан­тифризом , которая циркулиру­ет в коллекторах , устанавли­вающихся на домах , может ра­зогреваться до + 70-80 °С . Она постепенно будет использо­ваться для отопления и быто­вых нужд в холодные дни . Зная показатели солнечной радиа­ции для данного района , можно рассчитать , какая система коллекторов , которые , как пра­вило , устанавливают на кры­ше , будет оптимальна для кон­кретного дома .

Оптимальными представляют­ся наклон коллектора под углом в 45 градусов и ориентация на юг . Если коллекторы размеще­ны на восточном или западном скате крыши , количество улав­ливаемой энергии снижается на 15-20%. Такие потери мо­гут возместить лишь соот­ветственно увеличенные раз­меры установки . Предлагаются в основном две системы : плоские коллекторы со стеклянным покрытием и коллекторы с вакуумными трубками . Наилучшим вариан­том соотношения между за­тратами и результатом на се­годняшний день следует при­знать установки с плоскими коллекторами . Несколько бо­лее высокий у вакуумных кол­лекторов КПД уравнивается за счет того , что площадь плос­кого коллектора может иметь большие размеры . И тогда пло­ская установка дает точно столько же теплой воды , сколь­ко вакуумная — при возможном уменьшении первоначальной стоимости . В среднем цена са­мих коллекторов составляет примерно треть всех расходов . Еще треть падает на накопи­тели , мелкие детали и регули­ровку . Остаток следует отне­сти на долю монтажника . " Загрузка солнечным теплом " обыкновенно происходит через теплообменник , расположен­ный в нижней части накопите­ля . Второй теплообменник в верхней части накопителя позволит дополнительно подо­гревать воду с помощью ото­пительного котла . Большинство установок для подогрева воды для бытового использования работает сего­дня с двумя циркуляционными системами , по принципу так называемой двойной циркуля­ции . Солнечная циркуляция на­чинается лишь тогда , когда температура в коллекторе на несколько градусов выше , чем в накопителе .

Идеальные солнечные накопи­тели бывают высокие и пря­мые , чтобы температура рас­полагалась " слоями ". Поэтому вода , которую берут с самого верха накопителя , всегда горя­чая , а солнечный теплообмен­ник в более прохладной нижней части работает в оптималь­ном режиме . Довольно распространенный и наиболее перспективный вари­ант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов — систе­ма , которая представляет со­бой комбинацию солнечных кол­лекторов , бака - аккумулятора , одного или нескольких отопи­тельных котлов . Такое сочетание обеспечивает ком­фортные условия с наименьши­ми затратами традиционных энергоносителей . В данном слу­чае бак - аккумулятор с систе­мой встроенных ( обычно ) теп­лообменников играет роль объ­единяющего и согласующего элемента всей установки теп­лоснабжения .

■ ВМЕСТО РЕЗЮМЕ

Очевидно , что получать посто­янную энергию от любого источника возобновляемой энер­гии в течение года в районах с умеренным климатом , то есть с небольшой скоростью ветра — 4-5 м / с , небольшой солнечной активностью , прак­тически невозможно . Напри­мер , чтобы покрыть незначи­тельный дефицит в пределах 20-30%, стоит использовать гибридные системы ( ветер - сеть , ветер - дизель , ветер - солнце и т . д .).

Проще говоря , если в качестве основного источника питания выбрана ветроэлектростанция в районе с высокой солнечной активностью , как например , по­бережье Крыма ( удивительное сочетание силы ветра и тепла солнца ), то , естественно , сто­ит установить ветро - солнечную электростанцию . Возможно , в ряде случаев не обойтись и без дублирующих систем энергоснабжения , ис­пользующих не возобновляемые ресурсы .

Но даже если возобновляемый источник энергии будет давать всего 20% энергии , уже будет несомненный положительный эффект . По приблизительным оценкам специалистов , двадцатипро­центное замещение снизит на 1/5 использование количества не возобновляемых энергоно­сителей , используемых для эксплуатации зданий , риск на­двигающейся экологической катастрофы и , что самое важное для владельца жили­ща — затраты на содержание его дома.

расчет освещения теория