Использование солнечной энергии в бытовых целях

Время повышения температуры до нужного  уровня зависит от того количества калорий, которое вода получит от солнца, а также от устройства поглощающих  элементов (солнечные коллекторы) и аккумуляторов (цистерна, бак).

Д-р  С. Г. Абботт, пионер в исследовании солнечной энергии, в своей книге "Как использовать тепло Солнца" описывает примитивный, но тем не менее удобный генератор теплой воды так: "Я купил 6 м длинного черного садового шланга, обмотал 4,5 м вокруг деревянной рамы и поднял эту конструкцию по лестнице на южную сторону крыши моего дома. Остальные 1,5 м я привязал к крану во дворе и к крану в ванной. Благодаря этому простому устройству в солнечный день мы имели 22 л очень теплой воды каждые полчаса".

Конечно, установки, коммерчески выгодные, сегодня  не так просты. Однако они устроены но тому же принципу, хотя и имеют гораздо большую эффективность.

Современный солнечный генератор теплой воды состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и резервуара с теплой водой. Поверхность коллектора может нагреть воду от 50° С до 80° С. В вакуумных коллекторах с идеальными поверхностями температура достигает 300-350° С. Использование параболических радиационных концентраторов позволяет достигнуть еще более высокой температуры. Нагретая солнцем вода из коллектора (55-56° С) поступает в теплообменник солнечного бака (цистерны), в котором нагревается нужное для употребления количество воды (150- 500 л). Это нагревание может быть различным в зависимости от продолжительности и интенсивности солнечного света. Циркуляция нагретой воды может происходить по термосифонному принципу или с помощью насоса, который контролируется термостатом, установленным в самом верхнем коллекторе.

Баки (цистерны) могут быть сделаны из металла или пластика и должны иметь термическую изоляцию. Для  промышленных нужд, когда требуется  много воды, используют баки массового производства вместимостью несколько тысяч литров. Такие баки пригодны для больниц, казарм, бань, кемпингов, отелей, школ-интернатов и т. д.

Коллекторы  могут быть объединены в серии, и  дневная норма нагретой солнцем воды, таким образом, будет увеличена.

В Северной Африке и на Среднем Востоке существуют установки, которые дают в день 50-100 тыс. литров горячей воды. Большие установки такого рода существуют и в Европе. Например, французская фирма "Софэ" построила высокопродуктивную установку при гостинице на 35 номеров и кемпинге. В Берне, в Швейцарии, действует установка, которая производит 9 тыс. литров горячей воды с помощью 40 м² поверхности коллектора.

В некоторых японских установках солнечные  коллекторы и баки-аккумуляторы составляют единую систему. Чтобы обеспечить естественную термосифонную циркуляцию, баки должны быть по меньшей мере на 600 мм выше, чем самый верхний коллектор; если это невозможно, нужно использовать циркуляционный насос. Связь с домом осуществляется посредством тонких усиленных медных трубок диаметром 30 мм, применение которых позволяет избежать теплопотери. Для пасмурных дней предусмотрен электронагревательный элемент мощностью 0,5- 2 кВт-ч, регулируемый термостатом. Баки и система труб работают под давлением приблизительно 6 атм., а контрольное давление во многих случаях равно 10-12 атм.

Баки  с теплой водой устанавливаются  на крыше или в подвале. Французская  фирма "Эксенерсоль" разработала систему, в которой накопительные баки проектируются как кухонная мебель и расставляются на кухне так же, как плита или холодильник.

Французская фирма "Софэ", о которой уже упоминалось, серийно выпускает бойлеры на двойном источнике питания: солнечно-электрические, солнечно-газовые или солнечно-нефтяные, использующиеся во Франции и Испании. Для разных климатических зон и географического положения существует оптимальное отношение между поверхностью коллектора и объемом бака. Как среднюю величину "Софэ" предлагает 35 л/м²-ч.

Путем объединения солнечного бойлера  с уже существующим нефтяным, газовым или электрическим можно сократить затраты энергии за счет предварительного нагрева холодной воды посредством радиации даже в пасмурную погоду. Когда нужное количество воды нагревается солнцем, традиционное отопление автоматически отключается. Из-за постоянно увеличивающейся потребности в горячей воде использование солнечного нагрева становится все более важным средством экономии топлива и денежных средств. В 1940 г. в день на человека приходилось 25-30 л горячей воды; в 1960 г. -40-60 л, а в 1980 г. эта цифра возрастет до 70-90 л в день. Эта цифра уже превышена в США. С помощью солнечной энергии можно удовлетворить значительную часть потребностей в горячей воде и в результате сохранить другие виды энергии.

В солнечных районах можно в  течение 9 мес. в году получать горячую воду с температурой по меньшей мере 50° С с помощью коллекторов с обычной поверхностью. Даже около Лондона можно каждый день в течение пяти летних месяцев получать 50 л горячей воды с температурой 55° С с 1 м² поверхности коллектора.

Потребность в горячей воде зависит от размера  дома, количества людей, проживающих в нем, от уровня жизни, рода занятий, возраста, времени года и других условий. Требуемая температура колеблется между 30 и 90° С, но если возможно, не следует превышать 60° С, чтобы избежать коррозии и накипи.

Температура воды в водоразборном кране обычно составляет 35-40° С - в ванной; 55-60° С - на кухне и 90-95° С - для стирки (фактически температура используемой воды равна примерно 45° С).

Для наполнения ванны требуется около 150 л воды при 40°С, это означает затрату 4500 ккал и требует расхода приблизительно 0,75 л нефти. Сегодня в Швейцарии ежедневно на человека в среднем расходуется 60 л горячей воды (3 тыс. ккал, 0,5 л нефти). Это составляет ежегодно 2200 л на человека (1,1 млн. ккал, или около 200 л нефти).

Многие  сооруженные в Швейцарии установки  для солнечного горячего водоснабжения доказали, что даже при средних климатических условиях (например, Цюрих - 47°30' с. ш., интенсивность солнечного излучения 1160 кВт-ч-м2 в год; продолжительность-1693 ч в год) много горячей воды можно получить посредством использования солнечной энергии. Солнечный коллектор, который превращает примерно 70% солнечного излучения в тепло, нагревающее воду, может в Центральной Швейцарии производить в год в среднем более 7 тыс. л горячей воды t=50° С. В Альпах или в Тессине производительность повышается до 10 тыс. л/м² в год.

Шэрер из Гренхена (Швейцария) спроектировал солнечную установку для горячего водоснабжения с поверхностью коллектора 10,5 м² и таким образом сэкономил около 1187 л нефти в течение летних месяцев (апрель - сентябрь). В это время даже обычные комбинированные обогревательные системы работают с малой производительностью: 10-20% вместо 60-80%. В солнечные дни нефтяные нагреватели полностью отключались, и среднедневной расход нефти в год сократился с 16,73 до 10,24 л, таким образом, в день экономилось около 6,5 л нефти.

В июле и августе в Цюрихе можно  получить максимальное количество горячей воды, около 42 л/м² в день, минимальное - в декабре - около 4 л/м² в день, в конце февраля - около 20 л/м² в день, то же в середине октября. Интенсивность солнечного излучения также достигает своего максимума и минимума в эти месяцы (в августе -около 4,4 кВт/м² в день; в декабре- около 0,8 кВт/м² в день). Эти цифры предполагают среднюю производительность коллектора для Цюриха 45%. При температуре поступающей воды +10° С это позволяет получить горячую воду с t = 50° С. Для центральной Англии (52° с. ш.) больше всего горячей воды производится в июне и июле- около 45 л/м² в день, меньше всего в декабре - около 2 л/м² в день. Если мы суммируем эти цифры по всей стране, например по Швейцарии, мы увидим, как много импортируемой нефти можно сэкономить, получая горячую воду с помощью солнечной энергии.

В Швейцарии ежедневная потребность  в теплой воде на одного человека, составляющая 40 л при t = 60° С, может легко быть получена летом с 1 м² поверхности коллектора. Если каждый домовладелец имел бы 1-2 м² коллекторов на крыше (всего 6 млн. м²), Швейцария могла бы, согласно расчетам Швейцарской ассоциации по солнечной энергии (SSES), сэкономить около 1 млн. т нефти в год. Это составит 10% импорта нефти, или 1/3 всех потребностей в электричестве. 
Согласно расчетам, проведенным во Франции, обычный дом площадью примерно 100 м² будет потреблять в 2000 г. около 4 тыс. кВт*ч энергии в год (12,5 кВт*ч в день), из них в среднем 2 тыс. кВт*ч в год может производиться за счет солнца. Строительство 1 млн. водяных солнечных нагревательных установок сэкономят стране около 2 млрд. кВт*ч энергии ежегодно.

Такие же расчеты (И. Ф. Р. Дикинсом, "Е. М. А. Лимитед"), проведенные в Великобритании, показали, что дом на четырех человек потребляет 150 л горячей воды (t=60° С) в день, что составляет 9 кВт*ч в день, т. е. 3300 кВт*ч в год. В юго-восточной Англии можно получить 1000 кВт-ч/м² солнечной энергии в год. При средней производительности 30% коллектор площадью 8 м² удовлетворят 2/3 всех потребностей в горячей воде в частном доме. Это составит 2000 кВт*ч в год, и, таким образом, как и во Франции, 1 млн. таких установок обеспечит общую ежегодную экономию в 2 млрд. кВт*ч.

Неудивительно, что в 1951 г. 50 тыс. водяных солнечно-нагревательных установок уже существовало во Флориде. Экономия электроэнергии исчислялась 150 тыс. кВт*ч каждый день. Низкие цены на нефть и электричество в 60-е годы сделали эти установки сравнительно менее экономичными, но сегодня несколько миллионов солнечных обогревателей построено во всем мире, 3,5 млн. - только в Японии. Европейские фирмы также проявляют большой интерес к этой новой технологии, так что можно надеяться, что такие установки получат еще более широкое распространение.

Отопление

Почти половина всей производимой энергии  используется для обогрева воздуха (например, в Швейцарии около 46%). Солнце светит и зимой, но это рассеянное и прямое излучение обычно недооценивается.

Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер  генерировал пар; это было, когда  солнце находилось в своей самой  низкой точке, а температура воздуха  была 3° С. Днем позже солнечный  коллектор площадью 0,7 м² нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60° С.

Солнечная энергия зимой может легко  использоваться для обогрева воздуха. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать нефтяное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии для работы всей системы. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилища (дачи, бунгало, кемпинги), обогрев на солнечной энергии особенно полезен зимой, что исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются. Чтобы согреть дом зимой, не требуется большой поверхности коллектора, но та же установка снабжает дом горячей водой летом, когда дачи и кемпинги в основном и используются.

Хотя  греческий писатель Ксенофонт описал около 2400 лет назад возможное использование солнечной энергии, первые дома, в которых пытались использовать солнечную энергию, были построены только между 1930 и 1945 г. Но первые попытки потерпели неудачу из-за низких теплоизоляционных качеств этих домов: в них было слишком много окон. Эксплуатация "солнечного дома", построенного в 1939 г., дала интересные результаты (Массачусетский технологический институт, X. С. Хоттел, Б. Б. Воертс). Это экспериментальное здание площадью примерно 46 м² с солнечными коллекторами площадью 37 м², установленными на солнечной стороне крыши под углом 30°. Коллекторы работают на воде, поглощающие поверхности и трубы из меди, остекление тройное, аккумуляторы - на 62 тыс. л воды, которая к концу лета нагревалась до 75° С. Горячая вода нагревала воздух в помещении. Этот дом определил первые проблемы, связанные с использованием солнечного обогревания, например: течь водяных баков, поломка коллекторов при термальном расширении, недостаточное утепление и дороговизна секций накопительных аккумуляторов.

В этот период уже были обоснованы основные составные части солнечной отопительной установки: солнечный коллектор (водяного или воздушного типа, концентрирующий или нет); теплоноситель для аккумулятора (вода, камень, бетон или химические материалы, сохраняющие тепло); теплоноситель для отопления помещений (вода, воздух или химикалии); нагревательные приборы (радиаторы, трубы, проложенные под полом, и т. п.). В зависимости от требований они могут комбинироваться в различных вариантах. Поиски технически и экономически удовлетворительных решений привели к появлению сотен патентов в разных частях света, многие из них были осуществлены и испробованы. Некоторые из наиболее известных описаны ниже.

Рисунок 5. Система MJT. 1 - радиация; 2 - водяной солнечный коллектор; 3 - промежуточная зона; 4 - циркуляционный насос: 5 - накопительный бак для горячей воды; 6 - теплый воздух, обогревающий жилое пространство; 7 - канал для возврата воздуха; 8 - жилое пространство; 9 - утеплитель

Система МJT. Самый первый "солнечный дом", построенный между 1939 и 1959 г., в Массачусетсом технологическом институте архитекторами X. С. Хоттелом, Б. Б. Воертсом, А. Г. Диетсом, С. Д. Энгебретсоном, имел водяную отопительную систему, ставшую с тех пор классической. Вода, наполняющая солнечные коллекторы (с одинарным, двойным и тройным остеклением), поглощала солнечное тепло. Эта теплая вода накачивалась в аккумуляторы, расположенные в подвале. Горячая вода в аккумуляторах нагревала воздух, который нагнетался в жилые помещения.

  Типичный пример системы МЛТ дает "солнечный дом" № 3 (архитекторы, X. С. Хоттел и С. Д. Энгебретсон, 1949 г.). Экспериментальное здание одноэтажное, однокомнатное. Площадь пола 55,7 м². Площадь поверхности солнечного коллектора водяного типа 37,2 м², наклон в южную сторону 57°, двойное остекление, цилиндрические аккумуляторы 91 см в диаметре, 9,1 м высоты, емкостью 6750 л. 30% энергии радиации поступает в аккумуляторы. В среднем 90% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии (в самые холодные месяцы 75-85%). Энергетическая автономия здания (независимость от внешних источников энергии) составляет два дня.

Система Телкеса-Раймонда. В этой системе были впервые установлены в 1948 г. солнечные коллекторы воздушного типа с аккумуляторами, использующими глауберову соль. В солнечных коллекторах нагревался воздух, который поступал в химические аккумуляторы. Теплый воздух по каналам направлялся из аккумуляторов в жилые помещения. Типичный пример - Дом Пибоди в Довер-Масс (США; архитекторы М. Телкес и Е. Раймонд, 1948 г.). Двухэтажный дом, однако второй этаж не отапливается. Солнечные коллекторы воздушного тина площадью 66,9 м² установлены вертикально с южной стороны. Аккумуляторы тепла емкостью 13,3 м³, наполненные глауберовой солью (Ма250,1-10Н2О). Общий объем аккумулятора - 28,3 ^м3; 80% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии. Запасное обогревание - электрическое. Энергетическая автономия здания - шесть дней.