Перспективы использования энергии солнца и ветра

Перспективы использования энергии солнца и ветра 

А.Коняшкина, В.Степанова

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам. Вокруг светила создавались мифы, его обожествляли. В Древнем Египте верховным божеством считался Ра — бог Солнца. Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой. У древних славян особо почитался Даждьбог — солнце, источник тепла и света. У древних инков были загадочные сооружения, по которым сегодня мы можем предложить версию, что они могли использоваться как гелиоколлекторы. Солярная символика являлась оберегом для человека и его жилища (см. рисунок). Такие изображения и сегодня можно встретить в орнаментах традиционного жилища. Понятные нам теперь солнечные затмения в древности воспринимались простыми людьми как катастрофы. Вокруг этого явления складывались легенды. Появление огня, поддерживающего свою жизнь древесиной и согревающего человека, не изменило такую привязанность. А что такое древесина? Это практически та же солнечная энергия, аккумулированная с помощью фотосинтеза. А газ, уголь, нефть? Это также результат деятельности солнца. 

Ветер был менее почитаем, но и у него в глубокой древности также есть олицетворения в виде богов, духов. Так у славян почитали Стрибога — бога и повелителя ветра. Олицетворения ветра существуют и в других языческих культах. Из глубины веков до нас дошли сведения, как ветер ловили парусами и путешествовали по морям и рекам. Тысячи ветряных мельниц вплоть до начала XX века трудились, перемалывая зерно в муку. Сервантес в своей книге о Дон Кихоте в одной из наиболее ярких картин представил мельницы могучими великанами, с которыми борется рыцарь «печального образа». 

Как видно, такие природные и поистине бесценные источники, как солнечная радиация и энергия ветра, были всегда рядом с человеком, их старались использовать, приручить стихию. С незапамятных времен пространственную структуру своего жилья человек организовывал с учетом ориентации на Солнце. Фактически то, что мы сейчас называем энергосберегающими строительными приемами, есть ничто иное, как попытка грамотного использования и сохранения тепла, дающего нашим светилом, в зданиях. 

Еще в начале прошлого века человек с успехом пользовался этими явлениями. На рубеже XIX и XX веков делались попытки создания различных технических устройств обуздания и использования энергии солнца и ветра, его второй производной. 

Но за последние 100 лет, несмотря на интенсивное развитие технологии, эти два энергоносителя, так верно служившие человеку, были незаслуженно забыты. Результаты такой забывчивости не замедлили сказаться: нам грозит энергетический кризис, не за горами экологическая катастрофа. И только в два последние десятилетия интерес к использованию энергии солнца и ветра опять стал расти. 

Более чем в 70 странах мира разработаны и действуют гелиоэнергетические программы. Так в Германии реализован проект «Тысяча крыш», где 2250 домов было оборудовано фотогальваническими установками. В США принята программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 г. В настоящее время эксплуатируется более миллиона солнечных водонагревателей. Получают распространение «солнечные дома». Разработаны способы управления регулированием систем. 

Во всем мире производится анализ эффективности по использованию возобновляемых источников энергии. Мировыми лидерами по применению энергии солнца и ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. Также активно ведутся разработки в таких странах, где климатические характеристики близки к Московской области, таких как Скандинавия, Норвегия, Канада. 

Использование возобновляемых видов энергии, в частности энергии солнца и ветра, приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более. Большее применение нашло использование энергии ветра из-за более низких удельных капиталовложений. Возрастает наряду с суммарной мощностью ВЭУ (ветровая энергоустановка) единичная, превысившая 1 МВт. Суммарная установленная мировая мощность крупных ВЭУ и ВЭС составляет от 10 до 20 ГВт. 

Конечно, на сегодняшний день без дублирующих систем энергоснабжения зданий, использующих невозобновляемые ресурсы, не обойтись, но даже 20%-ное замещение их дает несомненный положительный эффект. Что дают эти 20%? Это прежде всего, снижение на 1/5 использования количества невозобновляемых энергоносителей, используемых для эксплуатации зданий, снижение риска надвигающейся экологической катастрофы и, что самое важное для хозяина, снижение затрат на содержание своего дома. 

Возможность полного, либо частичного замещения невозобновляемых энергоносителей для энергоснабжения зданий позволяет решить многие проблемы. Просто необходимо обеспечить жилые дома экологичными системами отопления (и летнего охлаждения), горячего водоснабжения. Да, конечно, стоимость оборудования и монтажа гелиосистем на сегодняшний день не самое дешевое и не самое простое решение. Но с учетом того, что солнечная энергия ничего не стоит, а стоимость на невозобновляемые энергоносители постоянно растет, оборудование окупится за 2-3 года и будет служить до полного износа. 

С учетом перспективы разработок, ведущихся в этом направлении, можно смело прогнозировать, что к 2010 году появятся новые гелиосистемы, с большей эффективностью и сроком окупаемости до 1 года. Стоимость установок сегодня уже на порядок ниже, чем была 10 лет назад. 

Можно ли использовать энергию солнца и ветра в энергоснабжении жилых зданий Московской области и близким по климатическим параметрам областям? 

Долгое время в нашей стране считалось, что солнечные установки целесообразны только в регионах с жарким климатом. Однако опыт использования их в таких местностях, как Аляска, Канада, Норвегия, Северная Америка, близких по климатическим условиям, показывает, что их можно применять и в нашей средней полосе, в частности в Московской области. Московская область размещена на Восточно-Европейской равнине в зоне перехода от Смоленско-Московской возвышенности до Мещерской низменности. Переходное положение между разными природными районами создает в области значительные перепады высот на местности. Природно-климатических условий достаточно для круглогодичной эксплуатации энергии солнца и ветра (см. таблицу 1). 

Различные строительные приемы использования возобновляемых источников энергии как в реконструируемых зданиях, так и при новом строительстве дают такую возможность. Надо только правильно их использовать. 

В 60-70-х гг. в нашей стране предпринимались шаги по использованию нетрадиционных видов энергии. В это время появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения, прекрасно зарекомендовавшие себя в космосе. К концу 80-х годов в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс. м², а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. м² в год. Экономические осложнения, возникшие в 90-е годы, затормозили развитие использования нетрадиционных видов энергии в нашей стране. Однако сегодня и в нашей стране НВИЭ получают все большее распространение. 

В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ВЭУ мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации, используется зарубежный опыт в этой области. В России выпускаются солнечные тепловые коллекторы, фотоэлектрические преобразователи и модули на их основе, ветроэнергетические установки. 

Солнечная энергия (см. таблицу 3) используется в основном для производства низкопотенциального тепла, коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Общемировое производство низкопотенциального тепла в ближайшей перспективе составит 5*106 Гкал. Мировая суммарная мощность фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. 

Создание законодательной базы использования НВИЭ в России стимулирует дальнейшее развитие. Законом «Об энергосбережении» 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих гелиоустановок. Государственной Думой и Советом Федерации принят закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. В России на сегодня есть все предпосылки для его дальнейшего развития. С выходом из кризисного экономического состояния станет возможным развитие промышленности, научно-технической базы и др. деятельности. Как и во всем мире, рост использования этих источников необратим. 

Экологическая ситуация требует от архитекторов и строителей нового мышления. Современная энергетика, ставшая сегодня традиционной, в зависимости от вида энергоносителя в целом, оказывает отрицательное воздействие на экологию окружающей среды (см. таблицу 2). Хотя бы в области энергоснабжения зданий и городов необходимо принимать решения, позволяющие эффективно использовать возобновляемые ресурсы. 

Анализ публикаций, в частности материалов Internet, показывает, что энергетические потребности в энергии во всем мире стимулируют разработку приемов по использованию возобновляемых источников энергии четвертого поколения. Такие приемы при меньших затратах на монтаж и оборудование позволяют эффективно эксплуатировать солнечные и ветровые установки для энергообеспечения зданий. 

Среди разработок можно выделить два главных направления, которые следует учитывать: 

разработка и применение солнечных и ветровых энергоустановок с ограниченным уровнем мощности для энергоснабжения мелких автономных потребителей; 

создание солнечных и ветровых энергетических станций ограниченной мощности в северных районах (типа Аляски). Это может радикально решить проблему использования возобновляемой энергии в масштабах, ощутимых в мировом энергобалансе.

Как может осуществляться альтернативное использование солнечной энергии при эксплуатации зданий? Рассмотрим несколько основных положений: 

солнечная энергия — воздействие солнечной радиации на здание или воспринимающие поверхности. Для восприятия солнечной энергии необходима ориентация воспринимающих плоскостей на южную сторону, т.е. наиболее эффективно широтное расположение жилых домов; 

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.; 

активное использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и передачи энергии специальными устройствами — гелиоколлекторами, солнечными фотоэлектрическими установками наземного использования и т.п.; 

для восприятия ветровой энергии необходимо создание благоприятных условий в зоне работы лопастей. Размещение ветроэнергетических установок желательно на автономных площадках. Возможно также размещение ВЭУ на доме, хотя здесь имеется ряд технических проблем — борьба с вибрацией и шумом. Представляется возможным использовать крыши близлежащих зданий и сооружений нежилого назначения (гаражи, крытые площадки, склады торговых сооружений и т.п.); 

интенсивность и направленность ветровых характеристик по периодическим и апериодическим изменениям для Московской области позволяют достаточно эффективно использовать этот вид энергии; 

здание или комплекс зданий, в свою очередь, деформируют воздушные потоки, дополнительно турбулизируя их, внося локальные изменения, порождаемые ветром; 

при реконструкции и новом строительстве с учетом строительных приемов использования энергии солнца и ветра возможно устройство энергоактивных пристроек к зданию, конструкции и форма которых искусственно создают изменение интенсивности ветровых потоков или воспринимающих плоскостей; 

возможно устройство энергоактивных пристроек к реконструируемому зданию, конструкции и формы которых предназначены для создания оптимальной направленности ветровых потоков и восприятия солнечной энергии (при интегрированном их использовании); 

устройство интегрированных систем, использующих энергию солнца и ветра в различном временном сочетании, позволяет с большей эффективностью использовать альтернативную энергию в организации жилой среды; 

архитектурное и конструктивное решение гелиоэнергоактивного (своими формами и конструкциями способного воспринимать солнечную и ветровую энергию) здания зависит от технологии использования гелиосистем. Пластика решения фасадов определяет максимальную эффективность направленности ветровых потоков и улавливания солнечных лучей; 

энергоактивные здания с интеграцией систем, воспринимающих энергию солнца и ветра, позволяют значительно повысить эффективность гелиосистем для климатических условий Московской области.

Каковы же основные принципы, которых следует придерживаться при проектировании или реконструкции здания с возможностью использования строительных приемов альтернативного энергоснабжения? 

Прежде всего, необходимо учитывать климат региона и метеоусловия конкретной местности строительства, условия освещенности солнечными лучами гелиополя, либо действие ветровых потоков в зоне восприятия ВЭУ (вертроэнергетических установок). Проект обязательно должен учитывать условия энергосбережения, оптимального восприятия зданием солнечных лучей; 

энерговоспринимающие части установок необходимо правильно ориентировать с учетом максимальной эффективности; 

при проведении строительства и реконструкции жилых зданий с последующим использованием в них альтернативного энергообеспечения необходимо стремиться к созданию энергетически эффективного здания, теплопотери которого сведены к минимуму за счет оптимального объемно-планировочного решения и усиленной теплоизоляции. Предполагается экологический подход к созданию жилой среды; 

устройство пассивных и активных систем, использующих солнечное энергоснабжение и установку ВЭУ, целесообразно совмещать с массовой реконструкцией жилищного фонда Московской области; 

рекомендуется интегрированное использование солнечных и ветровых установок с подключением электрогенерирующих установок к электросети для сброса избыточной энергии и забора недостающей, т.е. предусматривать дублирующую систему; 

развитие серийного производства, упрощение конструкции альтернативных систем может значительно снизить себестоимость энергии от альтернативных систем; 

при проектировании солнечных систем для работы в климатических условиях Московской области необходимо стремиться к углу наклона гелиоколлектора 700 и возможности корректировки угла 2 раза в год в зависимости от летне-зимнего периода (400 — летом и 700 — зимой).

Таблица 1. Суммарное количество солнечной радиации (кВтч/м²) по сезонам, поступающее на энерговоспринимающие плоскости в зависимости от угла наклона для Московского региона 

Ориентация плоскости геополя

Зима

Весна

Лето

Осень

Отопительный сезон (октябрь-апрель)

Год

Горизонт

62,7

352,0

463,1

142,9

313,3

1020,7

Вертикаль

105,0

306,6

313,2

183,3

400,2

908,1

Угол 40°

95,6

402,3

475,7

200,1

427,1

1173,7

Слежение за Солнцем

110,0

522,3

641,8

240,3

518,1

1514,4

Таблица 2. Возможности энергетики по различным видам энергоносителя 

Энергоноситель

Фактор использования

Перспективы выработки энергии

Экологическое воздействие

Атомный

Использование реакторов-размножителей (брудеров)

Неограниченная

Непредсказуемо с элементами риска

Гидроресурсы

Использование турбин

Ограниченное количество водных ресурсов, пригодных для ГЭС

Нарушение экобаланса региона

Газ

Использование широкой сети трубопроводов от мест добычи до потребителя

Невозобновляемость

Нарушение экобаланса мест разработки

Уголь

Разработка месторождений

Невозобновляемость ресурсов

Нарушение экобаланса мест разработки и транспортировки

Нефтяной

Химическая промышленность

Невозобновляемость ресурсов

Нарушение экобаланса мест разработки и транспортировки

Солнце

Тепловой режим Земли сбалансирован с учетом солнечной энергии 1,5*1024 Дж в год

Доступность, возобновляемость ресурсов

Отсутствует

Ветер

Кинетическая и ветровая энергия в приземном слое, с обеспечением мин. скорости ветра 4 м/с

Доступность, возобновляемость ресурсов

Отрицательное воздействие на орнитосферу (незначительное)

Таблица 3. Использование солнечной энергии 

Тип

Поступление излучения

Пассивное использование солнечной энергии

С прямым улавливанием солнечного излучения

Через окна или примыкающий к южной стене зимний сад (оранжерею, теплицу)

С косвенным улавливанием солнечного излучения

На теплоаккумулирующую стену, расположенную за остеклением южного фасада

Активное использование солнечной энергии

С вертикальным улавливанием солнечного излучения

Через встроенные коллекторы или примыкающую к стене теплицу (зимний сад, оранжерею)

С угловым улавливанием солнечного излучения

Автономные коллекторы, расположенные вне здания

С контуром принудительной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты

Через коллекторы с воздушным теплоносителем

Фотоэлектрические установки назменого использования

С угловым и вертикальным улавливанием солнечной радиации

Крышное, настенное, крыше-настенное размещение фотогальванических модулей

С автономным размещением установок

Использование соседних нежилых зданий и сооружений, установка специальных каркасов для развертывания модулей



Схема интеграции использования альтернативного энергообеспечения зданий







ИАСЭ — активное использование солнечной энергии; 

ИПСЭ — пассивное использование солнечной энергии; 

ФЭСУ — фотоэлектрические солнечные установки; 

ИЭВ — использование энергии ветра; 

Д — дублирующий источник энергии