Солнечная тепловая энергия. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
4. Солнечная радиация и времена года
5. Удивительные свойства стекла
6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии
Мы уже рассмотрели, как солнечное излучение может производить низкотемпературный нагрев. Но как это лучше использовать?
В Великобритании приблизительно половина всего топлива используется для низкотемпературного нагрева. Свыше 80% этой энергии используется по месту ее производства:
Диаграмма использования энергии в жилых домах (DTI, 2003).
На диаграмме:
Lights and appliances
Освещение и домашняя техника
Cooking
Приготовление пищи
Water heating
Водонагрев
Space heating
Теплопотери (нагрев космоса)
Хотя простые солнечные системы вполне пригодны для обеспечения тепла, есть другие потенциальные его источники:
- обогрев районов поселений теплом, которое вырабатывает при своей работе промышленные предприятия, и теплом конвенционных электростанций (? Что это за электростанции? Можно перевести еще как «энергетические станции»);
- небольшое комбинируемое тепло и фабрики по производству электроэнергии;
- тепловые насосы.
Все эти источники тепла могут использоваться круглый год, в отличие от солнечного нагрева. По различным причинам, но все же они больше пригодны для обогрева торговых и промышленных зданий, чем жилых домов.
Плавательные бассейны - другое их потенциальное применение. Они не вносят существенного вклада в европейское энергопотребление, но каждый из них сам по себе может потреблять значительное количество энергии. На бóльшей части территории северной Европы может потреблять 1 кВт на м2 в среднем за год. Этот вид потребителей - главный кандидат для использования технологий, перечисленных выше.
Открытые бассейны обычно не подогреваются, так как они используются в солнечные, теплые дни. Это отличный пример использования прямого солнечного нагрева.
Теплонасосы также эффективно повышают температуру до уровней, достаточных для целей обогрева. Для компрессора, конечно, требуется дополнительная энергия, что повышает энергопотребление в 2-3 раза. Но в конечном счете дополнительная тепловая энергии от работы самого насоса и нагрев солнцем насосного оборудования также повышают количество тепла в системе (обычно, 0-15°C).
Местный нагрев воды
Местный водонагрев - возможно лучшее потенциальное приложение для активного солнечного нагрева в Европе. На него есть спрос круглый год, даже летом, когда много солнечного света. В Великобритании в 2000 году по подсчетам на эти цели было потрачено приблизительно 7% годового энергопотребления. Типичные британские дома используют приблизительно 15 кВт*час за день для этой цели. На практике бóльшая часть этой тепловой энергии просто теряется после использования. Это связано с отсутствием или недостаточной теплоизоляцией, что относится даже к солнечным водонагревателям.
Поступающая из водоносных горизонтов Великобритании вода обычно имеет температуру 12°C. Эта температура подвержена совсем небольшим колебаниям, а воду необходимо нагреть до 60°С. Многие клинические исследования свидетельствуют, что нагрев воды до более низких температур, например до 45°С, может стать причиной распространения по трубам болезни легионеров, вызванной пневмофильными бактериями Legionellа, которые размножаются в теплой воде.
Местной водонагрев обычно производится одним из трех способов:
- электрокипятильниками, вмонтированными в бойлеры-водонаргеватели;
- с повторным использованием воды для нагрева, сначала поступившей по вододпроводу, а затем циркулируещей в замкнутой системе, в которую включен паровой (чаще всего газовый) водонагревающий котел. Здесь тоже используется емкость для нагретой воды, но нагревает ее не электрокипятильник. Возможно также присоединение такой системы к районной теплосети;
- «мгновенным» нагревателем, с использованием газа или электричества.
В Британии для местного обогрева помещений чаще всего используют природный газ, так как при его сжигании производит меньше CО2, чем выделяется при сжигании окамелелых топлив для производства электроэнергии. Т.н. Британское местное нагревающее топливное смешивание, или микс, выглядит так: 1 кВт*час тепла из 4-х, необходимых для нужд среднего дома, получают с помощью солнечного водонагрева, остальное тепло получают от сжигания топлива. Это сокращает эмиссию CО2 на 0,19 кг на кВт*час производимого тепла (см. ESTIF, 2003).
Однако, во многих более солнечных странах большинство зданий использует фотоэлектрический водонагрев весь год. В Греции, например, солнечный водонагреватель полностью замещает электричество, производимое сжиганием угля или нефти. Эмиссия CО2 сокращается до 1 кг на кВт*час производимого тепла.
Но в таких странах пик спроса на электричества приходится на лето - для работы холодильников и кондиционеров, вместо пика зимой для обогрева в Великобритании. Поэтому в современных национальных водонагревающих системах одинаково важны солнечные и топливные компоненты. Пока полученное путем прямого солнечного нагрева тепло и фотоэлектричество являются дополнительными средствами низкотемпературного водонагрева к сжиганию окаменелых ископаемых топлив. Но их развитие выгодно.
Обогрев пространства жилого дома солнечным светом
Солнечный свет необходим для нагрева воздуха комнат жилых домов приблизительно до 20°C. В Великобритании на на это также расходуется почти 20% всей энергии. Существующая в стране теплосеть может нагревать воду только до 45°C. В Британии это делают посезонно - с сентября до середины апреля, хотя этот срок можно сократить путем улучшения теплоизоляции. Эти сроки также несколько отличаются в разных районах Британии. Это подробнее освещено в разделе о пассивном солнечном нагреве.
Однако, есть фундаментальная проблема: в Великобритании, как и во многих странах северной Европы, собираемого солнечного света недостаточно для полного обеспечения потребностей обогрева в течение всех времен года:
Возможность использования солнечного излучения в зависимости от его интенсивности в Великобритании.
На диаграмме:
кВт*час за день.
kWh per day.
Солнечное излечение, падающее на горизонтальные поверхности возле Лондона.
Solar radiation on horizontal surface near London.
Потребности в обогреве типичного британского дома.
Heating energy needs of typical UK house.
Тепло космического пространства.
Space heating.
Горячее водоснабжение.
Domestic hot water.
Лето. Зима.
Summer. Winter.
Всего падающего на сушу света даже в Великобритании не просто хватает - он в избытке. Причем даже холодный сезон. Сумма излучения, перехваченного в над Великобританией зимой, относительно небольшая. В Лондоне, например, за типичный шестимесячный зимний период на 1 м2 обращенные на юг вертикальные поверхности жилых домов получают 250 кВт*час солнечного излучения.
Возможность использовать солнечный свет для обогрева помещений зависит от местного климата. Дальше будут описаны «солнечные дома», но строить их имеет смысл только в определенных местах, где тепло даже зимой. Опыт строительства таких домов в Великобритании может быть использован и в других европейских странах на той же широте.
Но зимой картина другая. Великобритания имеет относительно мягкие зимы. Однако, количество солнечной радиации зимой зависит от широты. Как видно диаграмме, средняя величина температуры в январе в Лондоне фактически идентична температуре на юге Франции (проследите по контуру кривой 5°C):
Различные климатические зоны Европы.
Почему же жители северной Европы едут на юг зимой? Ответ очевиден: потому что там более солнечно. Как мы видим по карте, юг Франции по сравнению с Лондоном в среднем за зиму получает в три раза больше солнечного света, падающего на горизонтальные поверхности.
Британские зимы мягки по сравнению с зимами многих стран Европы. 5°C контур для января.
В общих чертах, климат Западной Европы может быть распределен на четыре области:
1. Северная европейская береговая зона: здесь холодные зимы с низким средне-зимним уровнем солнечного освещения; мягкие лета.
2. Средне-европейская береговая зона: прохладные зимы со скромными количествами солнечного света; мягкие лета.
3. Континентальная зона: очень холодные зимы со скромными количествами солнечного излучения; жаркие лета.
4. Южная и средиземная зона: мягкие зимы с высоким солнечным светом; жаркие солнечные лета.
Это не совпадение, что многие солнечные экспериментальные проекты реализовали строительство на границах областей 3 и 4, в Пиренеях и вокруг Альп. Этот вид климата также типичен для Колорадо в центральных США - еще две области, где изобилуют обогреваемые солнцем дома.
Хорошие перспективы более широкого использования пассивного солнечного нагрева заставляют архитекторов уделять больше внимания климату при проектировании. Без учета климата проектирование намного легче.
Как говорил еще древнеримский архитектор Витрувиус (I ст. н.э.), приблизительная цитата:
Мы должны обращать внимание на климат стран, в которых строим дома. Один проект подходит для Египта, другой - для Испании, еще один - для Рима, и так далее: от места зависят и характеристики. И все потому, что одна часть земли находится прямо на пути солнца, в другую оно обминает. Очевидно, что проекты для домов должны согласоваться с разнообразием климата.
Опубликовано в Butti and Perlin, 1980