Перспективи використання енергії сонця і вітру

А. Коняшкіна, В. Степанова

З моменту появи на землі людина почала використовувати енергію сонця. За археологічними даними відомо, що для житла перевагу віддавали тихим, закритим від холодних вітрів і відкритих сонячним променям місцях. Навколо світила створювалися міфи, його обожнювали. У Стародавньому Єгипті верховним божеством вважався Ра - бог Сонця. Мабуть, першою відомою геліосистемою можна вважати статую Аменхотепа III, яка відноситься до XV століття до н.е. Всередині статуї розташовувалася система повітряних і водяних камер, які під сонячними променями приводили в рух захований музичний інструмент. У Древній Греції поклонялися Геліосу. Ім'я цього бога сьогодні лягло в основу багатьох термінів, пов'язаних із сонячною енергетикою. У стародавніх слов'ян особливо шанувався Даждьбог - сонце, джерело тепла і світла. У стародавніх інків були загадкові споруди, за яким сьогодні ми можемо запропонувати версію, що вони могли використовуватися як геліоколектори. Солярна символіка була оберегом для людини та її житла (див. малюнок). Такі зображення і сьогодні можна зустріти в орнаментах традиційного житла. Зрозумілі нам тепер сонячні затемнення в давнину сприймалися простими людьми як катастрофи. Навколо цього явища складалися легенди. Поява вогню, що підтримує своє життя деревиною і зігріває людини, не змінило таку прихильність. А що таке деревина? Це практично та ж сонячна енергія, акумульована за допомогою фотосинтезу. А газ, вугілля, нафту? Це також результат діяльності сонця.

Вітер був менш почитаємо, але і у нього в давнину також є уособлення у вигляді богів, духів. Так у слов'ян шанували Стрибога - бога і володаря вітру. Уособлення вітру існують і в інших язичницьких культах. З глибини століть до нас дійшли відомості, як вітер ловили вітрилами і подорожували по морях і річках. Тисячі вітряних млинів аж до початку XX століття працювали, перемелюючи зерно на борошно. Сервантес у своїй книзі про Дон Кіхота в одній з найбільш яскравих картин представив млини могутніми велетнями, з якими бореться лицар «сумного образу».

Як видно, такі природні і воістину безцінні джерела, як сонячна радіація та енергія вітру, були завжди поруч з людиною, їх намагалися використовувати, приручити стихію. З незапам'ятних часів просторову структуру свого житла людина організовував з урахуванням орієнтації на Сонце. Фактично те, що ми зараз називаємо енергозберігаючими будівельними прийомами, є ніщо інше, як спроба грамотного використання та збереження тепла, що дає нашим світилом, в будівлях.

Ще на початку минулого століття людина з успіхом користувався цими явищами. На рубежі XIX і XX століть робилися спроби створення різних технічних пристроїв приборкання і використання енергії сонця і вітру, його другої похідної.

Але за останні 100 років, незважаючи на інтенсивний розвиток технології, ці два енергоносія, так вірно служили людині, були незаслужено забуті. Результати такої забудькуватості не забарилися позначитися: нам загрожує енергетична криза, не за горами екологічна катастрофа. І тільки в два останні десятиліття інтерес до використання енергії сонця і вітру знову став зростати.

Більш ніж в 70 країнах світу розроблені та діють геліоенергетичні програми. Так у Німеччині реалізовано проект «Тисяча дахів», де 2250 будинків було обладнано фотогальванічними установками. У США прийнята програма «Мільйон сонячних дахів», розрахована до 2010 р. В даний час експлуатується більше мільйона сонячних водонагрівачів. Набувають поширення «сонячні дому». Розроблено способи управління регулюванням систем.

У всьому світі виробляється аналіз ефективності по використанню поновлюваних джерел енергії. Світовими лідерами із застосування енергії сонця і вітру є США, Німеччина, Нідерланди, Данія, Індія. Також активно ведуться розробки в таких країнах, де кліматичні характеристики близькі до Московської області, таких як Скандинавія, Норвегія, Канада.

Використання поновлюваних видів енергії, зокрема енергії сонця і вітру, набуло відчутні масштаби і стійку тенденцію до зростання. За різними прогнозами, ця частка до 2010-2015 рр.. у багатьох державах досягне 10% і більше. Більше застосування знайшло використання енергії вітру з-за більш низьких питомих капіталовкладень. Зростає поряд із сумарною потужністю ВЕУ (вітрова енергоустановка) одинична, що перевищила 1 МВт. Сумарна встановлена ​​потужність світова великих ВЕУ і ВЕС становить від 10 до 20 ГВт.

Звичайно, на сьогоднішній день без дублюючих систем енергопостачання будівель, що використовують поновлювані ресурси, не обійтися, але навіть 20%-ве заміщення їх дає безперечний позитивний ефект. Що дають ці 20%? Це перш за все, зниження на 1 / 5 використання кількості невідновлюваних енергоносіїв, що використовуються для експлуатації будівель, зниження ризику екологічної катастрофи і, що найважливіше для господаря, зниження витрат на утримання свого будинку.

Можливість повного, або часткового заміщення невідновлюваних енергоносіїв для енергопостачання будівель дозволяє вирішити багато проблем. Просто необхідно забезпечити житлові будинки екологічними системами опалення (і річного охолодження), гарячого водопостачання. Так, звичайно, вартість устаткування і монтажу геліосистем на сьогоднішній день не найдешевше і не найпростіше рішення. Але з урахуванням того, що сонячна енергія нічого не варто, а вартість на невідновлювані енергоносії постійно зростає, обладнання окупиться за 2-3 роки і буде служити до повного зносу.

З урахуванням перспективи розробок, що ведуться в цьому напрямі, можна сміливо прогнозувати, що до 2010 року з'являться нові геліосистеми, з більшою ефективністю і терміном окупності до 1 року. Вартість установок сьогодні вже на порядок нижче, ніж була 10 років тому.

Чи можна використовувати енергію сонця та вітру в енергопостачанні житлових будинків Московської області та близьким за кліматичними параметрами областям?

Тривалий час у нашій країні вважалося, що сонячні установки доцільні тільки в регіонах з жарким кліматом. Проте досвід використання їх у таких місцевостях, як Аляска, Канада, Норвегія, Північна Америка, близьких за кліматичними умовами, показує, що їх можна застосовувати і в нашій середній смузі, зокрема в Московській області. Московська область розміщена на Східно-Європейській рівнині в зоні переходу від Смоленсько-Московської височини до Мещерської низовини. Перехідне положення між різними природними районами створює в області значні перепади висот на місцевості. Природно-кліматичних умов достатньо для цілорічної експлуатації енергії сонця і вітру (див. таблицю 1).

Різні будівельні прийоми використання поновлюваних джерел енергії як у реконструйованих будівлях, так і при новому будівництві дають таку можливість. Треба тільки правильно їх використовувати.

У 60-70-х рр.. в нашій країні робилися кроки з використання нетрадиційних видів енергії. У цей час з'явилися також фотоелектричні установки автономного електропостачання, чудово зарекомендували себе в космосі. До кінця 80-х років в експлуатації перебували сонячні установки гарячого водопостачання із загальною площею близько 150 тис. м ², а виробництво сонячних колекторів доходило до 80 тис. м ² в рік. Економічні ускладнення, що виникли в 90-і роки, загальмували розвиток використання нетрадиційних видів енергії в нашій країні. Однак сьогодні і в нашій країні НВДЕ отримують все більше поширення.

В області вітроенергетики створені зразки вітчизняних ВЕУ потужністю 250 і 1000 кВт, що знаходяться у дослідній експлуатації, використовується зарубіжний досвід у цій галузі. У Росії випускаються сонячні теплові колектори, фотоелектричні перетворювачі і модулі на їх основі, вітроенергетичні установки.

Сонячна енергія (див. таблицю 3) використовується в основному для виробництва низькопотенційного тепла, комунально-побутового гарячого водопостачання та теплопостачання. Загальносвітове виробництво низькопотенційного тепла в найближчій перспективі складе 5 * 106 Гкал. Світова сумарна потужність фотоелектричних установок досягла 500 МВт.

Створення законодавчої бази використання НВДЕ в Росії стимулює подальший розвиток. Законом «Про енергозбереження» 1996 р. встановлена ​​правова основа застосування електрогенеруючих геліоустановок. Державною Думою і Радою Федерації прийнятий закон «Про державну політику в сфері використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії». Ведеться розробка федеральної програми з використання НВДЕ. У Росії на сьогодні є всі передумови для його подальшого розвитку. З виходом із кризового економічного стану стане можливим розвиток промисловості, науково-технічної бази та ін діяльності. Як і у всьому світі, зростання використання цих джерел незворотній.

Екологічна ситуація вимагає від архітекторів і будівельників нового мислення. Сучасна енергетика, що стала сьогодні традиційної, в залежності від виду енергоносія в цілому, чинить негативний вплив на екологію навколишнього середовища (див. таблицю 2). Хоча б в галузі енергопостачання будівель і міст необхідно приймати рішення, що дозволяють ефективно використовувати поновлювані ресурси.

Аналіз публікацій, зокрема матеріалів Internet, показує, що енергетичні потреби в енергії у всьому світі стимулюють розробку прийомів по використанню поновлюваних джерел енергії четвертого покоління. Такі прийоми при менших витратах на монтаж і устаткування дозволяють ефективно експлуатувати сонячні і вітрові установки для енергозабезпечення будівель.

Серед розробок можна виділити два головних напрямки, які слід враховувати:

розробка і застосування сонячних і вітрових енергоустановок з обмеженим рівнем потужності для енергопостачання дрібних автономних споживачів;

створення сонячних і вітрових енергетичних станцій обмеженою потужності в північних районах (типу Аляски). Це може радикально вирішити проблему використання відновлюваної енергії в масштабах, відчутних у світовому енергобалансі.

Як може здійснюватися альтернативне використання сонячної енергії при експлуатації будівель? Розглянемо кілька основних положень:

сонячна енергія - вплив сонячної радіації на будівлю або сприймають поверхні. Для сприйняття сонячної енергії необхідна орієнтація сприймають площин на південну сторону, тобто найбільш ефективно широтне розташування житлових будинків;

пасивне використання сонячної радіації можливо за рахунок сприйняття і віддачі енергії при прямому уловлюванні променів через засклені прорізи (вікна, вітражі, вітрини) і непрямого, за рахунок масивів стін, дахів, огорож зимових садів тощо;

активне використання сонячної радіації можливо за рахунок сприйняття і передачі енергії спеціальними пристроями - геліоколекторами, сонячними фотоелектричними установками наземного використання і т.п.;

для сприйняття вітрової енергії необхідно створення сприятливих умов у зоні роботи лопатей. Розміщення вітроенергетичних установок бажано на автономних майданчиках. Можливо також розміщення ВЕУ на будинку, хоча тут є ряд технічних проблем - боротьба з вібрацією і шумом. Представляється можливим використовувати дахи прилеглих будівель і споруд нежитлового призначення (гаражі, криті майданчики, склади торгових споруд тощо);

інтенсивність і спрямованість вітрових характеристик по періодичним і апериодическим змін для Московської області дозволяють досить ефективно використовувати цей вид енергії;

будинок чи комплекс будівель, в свою чергу, деформують повітряні потоки, додатково турбулізіруя їх, вносячи локальні зміни, породжувані вітром;

при реконструкції та новому будівництві з урахуванням будівельних прийомів використання енергії сонця і вітру можливе влаштування енергоактивних прибудов до будівлі, конструкції і форма яких штучно створюють зміна інтенсивності вітрових потоків або сприймають площин;

можливе влаштування енергоактивних прибудов до будівлі, що реконструюється, конструкції і форми яких призначені для створення оптимальної спрямованості вітрових потоків і сприйняття сонячної енергії (при інтегрованому їх використанні);

пристрій інтегрованих систем, що використовують енергію сонця та вітру в різному часовому поєднанні, дозволяє з більшою ефективністю використовувати альтернативну енергію в організації житлового середовища;

архітектурне та конструктивне рішення геліоенергоактівного (своїми формами і конструкціями здатного сприймати сонячну та вітрову енергію) будівлі залежить від технології використання геліосистем. Пластика рішення фасадів визначає максимальну ефективність спрямованості вітрових потоків і уловлювання сонячних променів;

Енергоактивні будівлі з інтеграцією систем, що сприймають енергію сонця і вітру, дозволяють значно підвищити ефективність геліосистем для кліматичних умов Московської області.

Які ж основні принципи, яких слід дотримуватися при проектуванні або реконструкції будівлі з можливістю використання будівельних прийомів альтернативного енергопостачання?

Перш за все, необхідно враховувати клімат регіону і метеоумови конкретної місцевості будівництва, умови освітленості сонячними променями геліополя, яку дію вітрових потоків в зоні сприйняття ВЕУ (вертроенергетіческіх установок). Проект обов'язково повинен враховувати умови енергозбереження, оптимального сприйняття будівлею сонячних променів;

енерговоспрінімающіе частини установок необхідно правильно орієнтувати з урахуванням максимальної ефективності;

при проведенні будівництва та реконструкції житлових будинків з подальшим використанням у них альтернативного енергозабезпечення необхідно прагнути до створення енергетично ефективного будівлі, тепловтрати якого зведені до мінімуму за рахунок оптимального об'ємно-планувального рішення і посиленої теплоізоляції. Передбачається екологічний підхід до створення житлового середовища;

пристрій пасивних і активних систем, що використовують сонячне енергопостачання і установку ВЕУ, доцільно поєднувати з масовою реконструкцією житлового фонду Московської області;

рекомендується інтегроване використання сонячних і вітрових установок з підключенням електрогенеруючих установок до електромережі для скидання надлишкової енергії і забору відсутньої, тобто передбачати дублюючу систему;

розвиток серійного виробництва, спрощення конструкції альтернативних систем може значно знизити собівартість енергії від альтернативних систем;

при проектуванні сонячних систем для роботи в кліматичних умовах Московської області необхідно прагнути до кута нахилу геліоколектора 700 і можливості коригування кута 2 рази на рік залежно від літньо-зимового періоду (400 - влітку та 700 - взимку).

Таблиця 1. Сумарна кількість сонячної радіації (кВтг / м ²) за сезонами, що надходить на енерговоспрінімающіе площини в залежності від кута нахилу для Московського регіону

Таблиця 2. Можливості енергетики з різних видів енергоносія

Таблиця 3. Використання сонячної енергії

Схема інтеграції використання альтернативного енергозабезпечення будівель

ІАСЕ - активне використання сонячної енергії;

ІПСЕ - пасивне використання сонячної енергії;

ФЕСУ - фотоелектричні сонячні установки;

ІЕВ - використання енергії вітру;

Д - дублюючий джерело енергії