Энергия солнца, ветра и биомассы 
Современное здание - это система гарантированного комфортного времяпрепровождения, где должен быть обеспечен оптимизированный режим экономного использования коммунальных ресурсов. И чтобы человеку было комфортно в его доме, самое главное, чтобы там были тепло, свет, горячая вода. И проблему обеспечения здания отоплением, электричеством и горячей водой вполне могут решить нестандартные источники энергии, наиболее известные из которых - "ветряки" и солнечные батареи.
Использование возобновляемых видов энергии, в частности солнца и ветра, приобрело в мире ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, к 2010-2015 годам эта доля во многих государствах достигнет 10% и более. Мировыми лидерами по применению энергии солнца и ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. Также активно ведутся работы в этом направлении в Скандинавии, Норвегии, Канаде.
"СОЛНЕЧНЫЕ" УСТАНОВКИ
Солнечная энергия есть не что иное, как воздействие солнечной радиации на здание или воспринимающие поверхности. Идея использования солнечной радиации для получения энергии долго не находила эффективного технологического решения. Но во времена энергетического кризиса 1970-х годов во всем мире возрос интерес к солнечной энергии. Правда, на территории бывшего СССР, за исключением космических технологий, она практически не использовалась, хотя высокая солнечная активность - особенность почти всей этой территории.
Преимущество использования фотоэлектрических генераторов солнечной энергии - экологическая безопасность. Сами по себе генераторы нуждаются в минимуме обслуживания и не требуют особых эксплуатационных затрат. Им не нужны громоздкие конструкции, занимающие значительные территории, они надежны и бесшумны. Возможность установки солнечной электростанции определяется по количеству солнечных дней в году, а так же по количеству солнечной энергии, приходящейся на единицу площади (Вт/м2). Экономически выгодными для использования солнечных панелей являются районы с солнечной активностью 100-250 кДж/см2. Зарубежные и отечественные компании выпускают солнечные панели единичной мощности 50 Вт, 100 Вт на напряжение 12 В для получения необходимой мощности - в результате получается солнечная электростанция. В районах с высоким солнечным потенциалом она может окупиться в течение 2-5 лет. Срок службы солнечной панели до 50 лет, причем каждые 10 лет она теряет всего 1% мощности.
Правды ради стоит сказать, что у солнечной энергетики есть и ряд недостатков: подобные электростанции не работают ночью и в холод, а оборудование для преобразования солнечной радиации в электричество остается дорогим.
Применение солнечного излучения для обогрева здания или нагрева воды может быть либо активным либо пассивным.
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.
Другими словами, это архитектурно-строительные системы, улавливающие солнечное тепло, направляющие его в глубь помещения, аккумулирующие его там и отдающие его в нужное время во внутреннюю среду. Эти системы не требуют практически никакого инженерного оборудования (за исключением в некоторых случаях небольших вентиляторов).
Активное же использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и передачи энергии специальными устройствами: гелиоколлекторами, солнечными фотоэлектрическими установками наземного использования и т.п.
Сегодня в гелиоэнергетике развиваются два основных направления. Солнечные установки теплоснабжения - солнечные коллекторы - предназначены для обеспечения отопления и горячего водоснабжения зданий, для подогрева воды в бассейне. Например, в такой далеко не южной стране как Германия, владельцы солнечных установок экономят в среднем 60% топлива, заодно на сотни тонн уменьшая выбросы углекислого газа в атмосферу.
Солнечные коллекторы получили большое распространение во всем мире, как в частном, так и в общественном строительстве. В Испании, в частности, новые здания не принимаются в эксплуатацию без солнечных коллекторов на крыше.
Другое направление солнечной энергетики - фотоэлектронная технология - разработано для получения электроэнергии. За последнее десятилетие рынок фотоэнергетики вырос более чем в 10 раз, но все же на современном уровне солнечная электроэнергия останется для украинцев дорогим удовольствием. А вот системы отопления с жидкостным солнечным коллектором уже вполне доступны для владельцев частных домов, гостиниц и других небольших объектов.
Отопительная гелиосистема включает в себя такое оборудование: коллектор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, теплообменники, насосы, вентиляторы, устройства для управления работой системы. Необходимо также иметь резервный источник теплоты, например, обычный котел. Специфика использования солнечной установки состоит в том, что для обеспечения максимальной эффективности требуется системное решение, которое состоит в точном согласовании всех элементов. Принцип ее работы таков: жидкость, нагретая в коллекторе, через теплообменник, установленный в накопителе, передает тепло проходящей через него воде систем тепло- и водоснабжения.
Еще лет тридцать назад у нас в стране, да и во всем мире, под использованием солнечной энергии понимали применение специального инженерного оборудования, такого как солнечные коллекторы, теплообменники, баки-накопители нагретой солнцем воды или другой жидкости, автоматику, регуляторы и т.п. (то есть, подразумевался активный тип). Такие системы в наше время широко применяются в развитых странах.
Используя приемы "солнечной архитектуры", современный "солнечный" дом может быть оборудован как пассивными, так и активными элементами для использования энергии. Причем - таким образом, чтобы максимально поглощать и использовать солнечное излучение для обогрева, горячей воды и электрообеспечения.
Главными инженерными элементами солнечной архитектуры являются расположенные на крыше дома солнечные коллекторы для нагрева воздуха и воды, солнечные батареи. Выгода использования солнечной энергии будет максимальной, если дом еще правильно расположить и эффективно утеплить.
Устройство солнечного коллектора принципиально простое. Его прототип, издавна известный каждому, - бак с водой, установленный над дачной душевой. Но современный коллектор массового применения и эффективнее, и сложнее. Он представляет собой герметично закрытую плоскую коробку с уложенными внутри трубами, заполненными жидкостью (вода со специальными добавками) и работает по принципу "горячего ящика" - служит ловушкой для солнечных лучей, поступающих в него через прозрачное стекло. Коллектор устанавливается чаще всего на крыше дома, для большей эффективности под определенным углом (который зависит от географической широты) и с ориентацией на юг, чтобы эффективнее улавливать солнечные лучи. Коллектор должен быть сделан из качественных материалов, поскольку работает в экстремальных условиях - температура в нем может подниматься до 200?С.
Важнейшим элементом системы является накопитель для горячей воды. В нем осуществляется теплообмен между нагретой водой из коллектора и системой водоснабжения и отопления здания. Накопители для гелиосистем отличаются тем, что имеют соотношение диаметра и высоты в среднем 1:2,5 (высокие и узкие), что позволяет нагревать воду в нижней части (где установлен теплообменник), а отбирать ее в - верхней. Рекомендуется также обеспечить в накопителе дополнительный нагрев воды на случай пасмурных дней.
Весьма повышает эффективность гелиоустановок использование насоса и автоматических систем управления. Например, когда температура в коллекторе высокая, насос может быстрее прогонять через него воду, чтобы увеличить объем теплоносителя, проходящего через теплообменник и, соответственно, количество полученного тепла.
"Правильное" расположение и строительство дома предполагает его южную ориентацию (для максимального съема солнечной энергии) и наличие буферных зон (теплица с юга, гараж с севера, веранды с запада или востока и т.д.). В холодное время года солнце используется в пассивном режиме отопления, снижая тем самым нагрузку на обогревающую систему.
В теплый период энергия солнца используется для подогрева воды. Получение тепловой энергии от солнца осуществляется в солнечных коллекторах, в которых нагревается воздух или вода. В идеале от системы солнечного обогрева нужно получить столько тепла, чтобы компенсировать все тепловые потери и обеспечивать семью теплой водой для бытовых нужд. Избытки тепловой энергии накапливаются и хранятся в сезонных и суточных аккумуляторах. Длительному сохранению тепла в доме способствуют также архитектурные и конструкторские решения, эффективные утеплители.
Выработка электроэнергии происходит в солнечных батареях. Но сегодня еще нет дешевых сезонных аккумуляторов и значимым источником тепла остается котел, но его расход топлива в несколько раз меньше. Отопление, безусловно, будет нужно, когда пасмурная погода затянется. И здесь должен выручать бак-аккумулятор, в который из коллекторов должна нагоняться горячая вода. В солнечный день вода с антифризом, которая циркулирует в коллекторах, установленных на домах, может разогреваться до +70-80°C. Она постепенно будет использоваться для отопления и бытовых нужд в холодные дни. Зная показатели солнечной радиации для данного района, можно рассчитать, какая система коллекторов, которые, как правило, устанавливают на крыше, будет оптимальна для конкретного дома.
Оптимальными представляются наклон коллектора под углом в 45 градусов и ориентация на юг. Если коллекторы размещены на восточном или западном скате крыши, количество улавливаемой энергии снижается на 15-20%. Такие потери могут возместить лишь соответственно увеличенные размеры установки.
Предлагаются в основном две системы: плоские коллекторы со стеклянным покрытием и коллекторы с вакуумными трубками. Наилучшим вариантом соотношения между затратами и результатом на сегодняшний день следует признать установки с плоскими коллекторами. Несколько более высокий у вакуумных коллекторов КПД уравнивается за счет того, что площадь плоского коллектора может иметь большие размеры. И тогда плоская установка дает точно столько же теплой воды, сколько вакуумная - при возможном уменьшении первоначальной стоимости. В среднем цена самих коллекторов составляет примерно треть всех расходов. Еще треть приходится на накопители, мелкие детали и регулировку. Остаток следует отнести на долю монтажника.
"Загрузка солнечным теплом" обыкновенно происходит через теплообменник, расположенный в нижней части накопителя. Второй теплообменник в верхней части накопителя позволит дополнительно подогревать воду с помощью отопительного котла.
Большинство установок для подогрева воды для бытового использования работает сегодня с двумя циркуляционными системами, по принципу так называемой двойной циркуляции. Солнечная циркуляция начинается лишь тогда, когда температура в коллекторе на несколько градусов выше, чем в накопителе.
Идеальные солнечные накопители бывают высокие и прямые, чтобы температура располагалась "слоями". Поэтому вода, которую берут с самого верха накопителя, всегда горячая, а солнечный теплообменник в более прохладной нижней части работает в оптимальном режиме.
Довольно распространенный и наиболее перспективный вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов - система, которая представляет собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов. Такое сочетание обеспечивает комфортные условия с наименьшими затратами традиционных энергоносителей. В данном случае бак-аккумулятор с системой встроенных теплообменников играет роль объединяющего и согласующего элемента всей установки теплоснабжения.
"ВЕТРЯКИ"
В отличие от солнечных коллекторов, ветровые установки предназначены для получения электричества. При этом ветровые электрические установки (ВЭУ) - не обязательно стоящие в поле мегаваттные системы. Вполне эффективно их применение для электроснабжения частного дома или любого другого объекта, для чего в мире давно производится оборудование для "ветряков" небольшой мощности. Лидерами в этой области являются европейские страны, на долю которых приходится 75% всех установленных в мире ветроагрегатов. Многие государства, например, Дания, Германия, Испания стимулируют строительство частных ветряных электростанций различными льготами.
Использование энергии ветра давно знакомо человеку. На него веками работали ветряные мельницы. Но когда на службу были поставлены уголь, нефть, а с ними - электричество и турбины, показалось, что "время парусов" закончилось. Природные твердые и жидкие источники энергии получили явное преимущество и широкое распространение. Но "ветряки" не потеряли своих достоинств и не исчезли совсем. Хотя, по мнению сторонников использования энергии ветра, в настоящее время виной недостаточно активного внедрения "ветровых технологий" являются консерватизм и инертность.
Для частных хозяйств и небольших объектов используются ветроустановки меньшей мощности. При этом 300 Вт вполне достаточно для обеспечения электричеством дачи, 2-5 кВт - частного коттеджа, 10 кВт - для большого дома с прилегающей территорией, 20 кВт - для нескольких домов, поселка. Самый маленький ветрогенератор можно собрать и запустить самостоятельно, а те, что побольше, устанавливают специалисты.
В состав небольших ВЭУ входят следующие составляющие: башня (мачта) высотой 10-20 м; ветроколесо (лопасти) диаметром 5-10 м из прочного композитного материала, например, фибергласса; турбина (электрогенератор); аккумуляторы (в виде отдельных модулей); инвертор, а также автоматическая система контроля и регулирования работы системы. Рабочая скорость ветра - 2-28 м/сек, номинальная (расчетная) - 9-10 м/сек. При увеличении скорости ветра выработка электроэнергии растет по экспоненте, а при превышении скорости ветроагрегат автоматически отключается в целях безопасности. Автоматическая система также следит за направлением ветра и поворачивает лопасти в нужную сторону, а также стабилизирует скорость вращения лопастей.
Ветрогенератор небольшой мощности вырабатывает постоянный ток напряжением 12 В, поэтому обязательно нужен инвертор, повышающий напряжение до необходимых 220 В переменного тока. Мощные "ветряки" дают ток более высокого напряжения, достаточного для работы бытовых приборов. Велика роль аккумуляторов, которые накапливают и хранят выработанную электроэнергию.
Башня может быть установлена во дворе дома и не требует вокруг себя "зоны отчуждения". Чем выше башня, тем продуктивнее работает система. Современные ветроустановки практически бесшумны в работе и не превышают шумовой фон, создаваемый ветром.
Энергия ветра имеет множество преимуществ. Она доступна и с точки зрения технологического развития, и в смысле наличия ресурсов. Слабым местом ее использования является недостаточная "энергетическая плотность" этого природного ресурса: для производства электричества необходимо значительное число генераторов. Ветровые турбины не могут быть размещены повсеместно, поскольку не везде достаточно ветрено, а в тех местах, где ветра много, строительство и эксплуатация ветровых ферм могут оказаться неоправданно дорогостоящими ввиду удаленности от потребителя. Против использования ветряных двигателей выдвигаются порой и чисто визуальные соображения.
Основным критерием для их установки является средняя скорость ветра, а лучше всего среднемесячная и среднегодовая скорости ветра. Ниже этой скорости не имеет смысла устанавливать ветряную электростанцию. Причем эта среднегодовая скорость ветра должна быть измерена на так называемой флюгерной высоте. Точное место расположения установки на участке зависит от шумов, издаваемых при ее работе.
ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
Достаточно распространенный способ получения альтернативной энергии в мире (40% от всех возобновляемых источников энергии) основан на сжигании биомассы. Это объясняется, прежде всего, тем, что источники энергии в этом случае особенно разнообразны и легкодоступны, а котлы, использующие биомассу, не слишком отличаются от традиционных, работающих на газе, жидком или твердом топливе. К биомассе принято относить отходы деревообработки, солому и другие сельскохозяйственные отходы, а также биогаз. В этой сфере Украина имеет большой потенциал и, как считают специалисты, если газ подорожает до мирового уровня, даже при использовании недешевого импортного оборудования получение тепла за счет биомассы будет выгодно.
ВМЕСТО РЕЗЮМЕ
Очевидно, что получать постоянную энергию от любого возобновляемого источника в течение года в районах с умеренным климатом, то есть с небольшой скоростью ветра - 4-5 м/с, небольшой солнечной активностью, практически невозможно. Например, чтобы покрыть незначительный дефицит в пределах 20-30%, стоит использовать гибридные системы (ветер-сеть, ветер-дизель, ветер-солнце и т.д.).
Проще говоря, если в качестве основного источника питания выбрана ветроэлектростанция в районе с высокой солнечной активностью, как например, побережье Крыма (удивительное сочетание силы ветра и тепла солнца), то, естественно, стоит установить ветро-солнечную электростанцию.
Возможно, в ряде случаев не обойтись и без дублирующих систем энергоснабжения, использующих невозобновляемые ресурсы.
Но даже если возобновляемый источник энергии будет давать всего 20% энергии, уже будет несомненный положительный эффект.
По приблизительным оценкам специалистов, двадцатипроцентное замещение снизит на 1/5 использование невозобновляемых энергоносителей, уменьшить риск надвигающейся экологической катастрофы и, что самое важное для владельца жилища - затраты на содержание его дома.
по материалам публикаций каталогов "Дом.ua" и "Украинского строительного каталога" (Украина, Киев)