Солнечный дом

Солнечный дом // Капстроительтво. 2002 . №8. C. 32-33

Рост цен на энергоресурсы делает вопрос об организационных и технических мерах по экономии тепло- и электроэнергии одним из самых актуальных в последние годы.

Необходимость экономии топливных ресурсов и поиск возобновляемых источников энергии все настойчивее подвигают ученых к созданию энергоэкономических устройств, позволяющих использовать бесплатную энергию Солнца.

Прогнозы развития земной цивилизации показывают, что к середине XXI века резко обостриться проблема энергообеспечения населения Земли. Ученые связывают это с исчерпанием значительной доли залежей нефти и газа, а также с обострением экологических проблем, обусловленных загрязнением окружающей среды продуктами сгорания углеводородного горючего и отходами ядерного топлива, а также развитием "парникового эффекта".

Продолжительность солнечных дней в средней полосе составляет примерно 2 100 часов в год. За это время на каждый квадратный метр поверхности поступает энергия, эквивалентная 1200 кВт/ч. Эта совершенно бесплатная энергия и притом на продолжительный срок до настоящего времени в странах СНГ практически никак не используется. Вместе с тем 1200 кВт/ч энергии достаточно для нагрева порядка 18 000 литров воды с температуры 13 до 65?С.

В связи с этим во всем мире широко развивается разработка возобновляемых источников энергии. Среди них одними из наиболее перспективных являются солнечные энергоустановки (СЭУ).

Подсчитано, что в случае установки СЭУ на 10% зданий в европейских странах, количество выбрасываемого в атмосферу углекислого газа за пять лет снизится на 10 млн.т.

Нет никаких проблем в "поставках" солнечной энергии. Все годовое производство электроэнергии в США, а это составляет в последнее десятилетие более 2,5 1012 кВт ч/год (всего 0,002% солнечной энергии, падающей на США), могла обеспечить солнечная электростанция, заполненная фотоэлектрическими модулями (ФЭМ) на площади круга диаметром меньше 100км.

Достоинства СЭУ обусловили их интенсивную разработку во всем мире.

В США выполняется программа по созданию 1 млн. "солнечных домов". Многочисленные компании, прежде всего такие, как Simens Solar, Solarex, BP Solar и Kyocera, владеющие 45% мирового рынка, который на 83% занят кремниевыми солнечными элементами, усовершенствуют технологии изготовления ФЭМ.

В США в штате Невада планируется создание солнечных станций общей мощностью 270 МВт. Предполагается, что уже в первом десятилетии XXI века будет продаваться 400 МВт/год солнечных модулей, а к 2030 году - 10 ГВт/год, что аналогично мощности 10 крупных атомных реакторов, подобных реакторам Хмельницкой АЭС.

Самая большая фотоэлектрическая станция в Европе создана в Италии. Ее мощность составляет 3,3 МВт (45000 ФЭМ расположены на площади 70000 м кв.

В Германии за 1993-1995 гг. установлено 2000 станций по 5 кВт и несколько - по 300 кВт. В 1997 г.. в Германии мощность ФЭМ увеличилась по сравнению с 1996 г. на 50%. В 1998 г. в эксплуатации находилось уже 10000 установок, мощность которых возросла за это время с 11 до 34 СВт, а сбыт - на 30%. В 1998 г. на крышах шести зданий Мюнхенской ярмарки были смонтированы ФЭМ, производящие в год 1 млн. кВт/ч электроэнергии. Германия является одним из лидеров на мировом рынке солнечных батарей.

В Японии к началу следующего века предполагается довести мощность ФЭМ до 400 МВт, а к 2010 г. - до 4,6 ГВт.

В Африке общая мощность солнечных электростанций пока еще мала и в 1996 г. не превышала 1 МВт. В развивающихся странах предполагают выйти на мощность 100 МВт для бесперебойного обеспечения электроэнергией больниц и снабжения поселков и пастбищ водой.

В нашей стране первые СЭУ автономного электроснабжения появились в 60-е годы. В 80-е годы в Крыму были построены эксперементальная солнечная электростанция мощностью 5МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии, а также экспериментальный комплекс сооружений с солнечным тепло- и хладоснабжением.

Для использования солнечной энергии сегодня предложена серия солнечных водонагревательных установок. Принцип их действия основан на нескольких хорошо известных физических эффектах: поглощение солнечного света черной поверхностью, в результате чего происходит ее нагрев; естественной конвекции, благодаря которой нагретая вода поднимается наверх, а холодная опускается вниз; а также "парниковый эффект".

Солнечная водонагревательная установка обычно состоит из бака-аккумулятора (емкость может быть разной - от 80 до 1000 литров) и 10 плоских солнечных коллекторов. Тепловоспринимающая площадь каждого плоского коллектора - от 1,1 до 1,8 кв м. Данная установка обеспечит горячей водой в течение всего периода активного солнца (апрель - октябрь). Возможно подключение на параллельную работу неограниченного количества коллекторов. Установка работает по одноконтурной схеме - то есть вода проходит через систему плоских коллекторов, нагревается, поступает в бак - накопитель, а затем к потребителю. При необходимости установка может комплектоваться циркуляционным насосом. Солнечные водонагревательные установки рассчитаны на многолетний срок службы.

К концу 80-х годов в СССР в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения общей площадью около 150000 м кв. в год.

В настоящее время в организациях военно-промышленного комплекса накоплен богатый опыт изготовления и эксплуатации СЭУ, позволяющий успешно использовать их в строительной индустрии.

Отечественными предприятиями изготавливаются высокоэффективные кремниевые солнечные батареи с КПД до 15% и проводятся работы по повышению КПД до 17%. По оценкам специалистов Минатома, накопленный научно-технический задел в совокупности с проводимыми работами позволит снизить стоимость 1 Вт электрической мощности до 1,5 долл./Вт в солнечных батареях и до 3 долл./Вт в системах электроснабжения. Необходимые для комплектации систем электроснабжения системы управления, аккумуляторные батареи и инверторы, преобразующие постоянный электрический ток в переменный, производятся в России.

Статистические данные свидетельствуют, что уровень энергопотребления отечественной семьи, состоящей из четырех человек, составляет примерно 2-10 тыс. кВт/год при электрической мощности 2-5 кВт. Энергоснабжение такой семьи может обеспечить СЭУ, в состав которой входят солнечные батареи мощностью 0,8-3 кВт и аккумуляторные батареи. Стоимость такой СЭУ будет составлять 6-15 тыс. долларов.

По некоторым данным, средняя стоимость современных инженерных систем отопления индивидуального дома составляет 30-70 долл./кв. м обслуживаемой площади. Усредненные стоимостные затраты расходования энергоносителей при ежедневном проживании в течение отопительного сезона для отапливаемой площади в 100 кв. м составляют при потреблении газа около 30, солярки - 120, угля - 120, электроэнергии -30 долларов. Расчеты показывают, что расходы на оборудование дома площадью 100 кв. м составят 3-7 тыс. долларов и на его энергоснабжение в течение 10 лет -около 3 тыс. долл. при использовании электроэнергии.

Сравнение рассмотренных стоимостей показывает, что сооружение СЭУ обходится на 3-8 тыс. долл. дороже по сравнению с использованием традиционных средств энергоснабжения. Однако, эксплуатационные расходы СЭУ на много ниже, так как "топливом" для них является бесплатная солнечная энергия. Вместе с тем, для традиционных систем энергоснабжения можно прогнозировать неуклонное повышение стоимости эксплуатации, обусловленное повышением цен на углеводородное топливо вследствие исчерпания его запасов (по оценкам ученых, залежей нефти и газа хватит на 60-80 лет). Расчеты показывают, что затраты на сооружение и эксплуатацию солнечных и традиционных систем энергоснабжения выравниваются к 10 годам эксплуатации, после чего использование СЭУ становится экономически более выгодным.

К этому можно добавить, что использование солнечных коллекторов, в которых вода может нагреваться до температуры более 100?С, а также работающих на принципе "парникового эффекта" стен Тромба и зимних садов-теплиц позволит на 10-15% снизить стоимость солнечных систем энергоснабжения. Так, расчеты показывают, что в наших родных условиях теплица позволяет экономить 6780 МДж тепловой энергии в год, что в сумме эквивалентно энергии от сжигания 2,25 т угля, 5,83 т дров, 1,52т мазута или 1749 куб. м природного газа.

Подводя итоги, можно сделать вывод о целесообразности использования солнечной энергетики в строительстве коттеджей и другого жилья. Не случайно в настоящее время разработана всемирная программа "Солнечный дом", ориентированная на максимальное использование в строящихся домах элементов солнечной энергетики: малогабаритных (домашних) солнечных электростанций, тепловых коллекторов, стен Тромба, зимних садов-теплиц и других солнечных элементов.

Несомненные экономические и технические преимущества дает применение СЭУ при сооружении жилья в труднодоступных и неосвоенных местах, куда не проложены энерготрассы: в горах, на островах, в лесах и так далее.

Особо следует акцентировать внимание на том, что широкое применение систем солнечного энергоснабжения (солнечных батарей, коллекторов, стен Тромба, зимних садов-теплиц и так далее) поднимает престижность здания и будет способствовать повышению имиджа его хозяев.

Необходимо отметить, что при сооружении "солнечного дома" дополнительно к СЭУ в совокупности с ними могут быть использованы новейшие достижения науки и техники и конверсионные разработки: ветроэнергетические фотоэлектрические модули и многие другие.