Коя технология за слънчева енергия е по-ефективна за използване

Както казахме по-рано, в началото на 20 век пазарът на слънчеви бойлери засяга главно Калифорния. Човешкият скептицизъм обаче няма граници - конкурентни компании разпространяват слухове, че е много опасно да се използва вода от слънчев бойлер, казвайки, че „моят приятел, беден фермер, получи ужасни изгаряния - той почти загуби кожата си“. Друг опустошителен удар върху калифорнийския пазар на слънчеви бойлери е проучването на природен газ през 1920 г. (http://energyblog.nationalgeographic.com). Добрата технология обаче не може да изчезне - и слънчевите бойлери промениха географското си разпространение.

Строителният бум във Флорида, който започна през 20-те години на миналия век и продължи до 1941 г., беше добро място за прилагане на слънчева технология. През това време повече от половината новопостроени ферми са оборудвани със слънчеви бойлери. Човешкият фактор обаче отново изигра жестока шега - струваше си след Втората световна война цените на електроенергията да паднат, тъй като безплатното, но не толкова „удобно“, Слънцето стана ненужно. В допълнение, агресивната кампания на Florida Power and Light за увеличаване на потреблението на електроенергия в домакинствата чрез смешни промоционални цени за електрически бойлери доведе до намаляване наполовина на производството на слънчеви бойлери.

Но има и положителни исторически примери. Така, за разлика от Америка в следвоенния период, Япония, която не разполага със собствени значителни запаси от изкопаеми енергийни източници, беше принудена да използва безплатна и чиста слънчева енергия за нуждите на топла вода.

Традиционно японските фермери, след дълъг тежък труд в оризовите полета, взеха горещи бани,да отмие мръсотията. Оризовата слама, която иначе е била използвана като храна за добитък или полеви тор, е била използвана за загряване на вода. Ето защо, веднага щом японските компании предложиха прости слънчеви бойлери под формата на контейнер с остъклен връх, повече от 100 000 единици намериха своите собственици до 1960 г. Жителите на градовете купиха опростени пластмасови слънчеви бойлери, направени под формата на надуваеми матраци с прозрачен пластмасов калъф, или по-усъвършенстван модел - под формата на слънчев бойлер Climax - метален цилиндричен резервоар за вода в стъклена кутия. Над 4 000 000 от тези слънчеви бойлери са били разположени на покривите на градовете до 1969 г.

Въпреки това, появата на големи петролни танкери през 60-те години на миналия век позволи на Япония да доставя петрол от Близкия изток, като по този начин получи достъп до евтино гориво. Както преди в Калифорния и Флорида, пазарът на слънчеви бойлери се срина, но не за дълго. Петролното ембарго от 1973 г. и последвалото рязко покачване на цените на петролната енергия дадоха тласък за възстановяването на националния "слънчев" пазар. (Книгата за интегралния пасивен слънчев водонагревател / Дейвид А. Бейнбридж).

Израел, подобно на Япония, за разлика от Съединените щати и по-голямата част от Европа, не е разполагал със значителни изкопаеми енергийни ресурси в началото на 50-те години. А успехът на израелската военна операция във войната Йом Кипур доведе до мащабен бойкот на петрола през 1973 г. По това време в Израел имаше бум в закупуването на слънчеви бойлери. До 1983 г. 60% от населението е топлило вода с помощта на слънцето. Когато в средата на 80-те години цените на петрола паднаха, израелското правителство реши да не позволи на пазара да се сринеслънчеви бойлери, както се случи преди в САЩ и Европа, така че те приеха закон, задължаващ при строеж на нова къща да я оборудва със слънчеви бойлери. Днес повече от 90% от израелските домакинства използват слънчеви бойлери (Израел е лидер в използването на слънчева енергия на глава от населението), което представлява 3% от националното потребление на енергия и спестява 2 милиона барела (320 000 m 3 ) петрол годишно (според http://www.californiasolarcenter.org, wikipedia.org).

През 2005 г. Испания стана първата страна в света, която наложи инсталирането на слънчеви фотоволтаични панели във всеки нов дом, и втората, след Израел, която инсталира слънчеви бойлери през 2006 г.

Лидер по инсталирани слънчеви колектори (по абсолютен брой) обаче естествено е Китай с над 60 милиона инсталирани слънчеви колектора. Глобалното разпределение на броя слънчеви бойлери, инсталирани до 2007 г., може да се види на стълбовидна графика 1.

Диаграма 1. Глобално разпределение на пазара на слънчеви бойлери (по брой бройки) през 2007 г. (wikipedia.org).

По този начин може да се наблюдава някаква историческа „слънчева война“ между здравия разум (безплатна, но донякъде „неудобна“, включително търговски и политически, слънчева енергия) и жаждата за власт и печалба (в края на краищата трябва да плащате за други енергийни източници и, освен това, да зависи от техните доставки).

СЛЪНЧЕВА ТОПЛИННА ЕНЕРГИЯ

От друга страна, топлинната енергия на Слънцето може да се използва за производство на механична и електрическа енергия. В действителност, за повечето топлинни двигатели с външен източник на горене, видът на източника на топлина не е важен.

Първата слънчева парна машина бешепостроен и тестван от Августин Мушо, френски инженер, през 1866 г. Мушо вярваше, че въглищата, които служат като техническа революция, са изчерпаем ресурс и затова той се занимава с развитието на алтернативна, слънчева енергия. В творбите си той се опира на работата на дьо Сосюр и Клод Пулие. Мушо създава първия параболичен слънчев концентратор (огледало), който фокусира върху инчова тръба, в която водата се превръща в пара и захранва малка парна машина (фиг. 16).

ориз. 16. Демонстрация на слънчевата машина на Mouchot във Франция, 1878 г.

През 1878 г. слънчевата машина на Мушо печели златен медал на световното изложение в Париж. Параболичен слънчев концентратор загряваше котела, а парата задвижваше печатарска преса, която отпечатваше до 500 листа вестник на час. На публиката беше представен и фризер със слънчева енергия.

Произведенията на Мушо привличат умовете на много изследователи към слънчевата тема. Един от първите последователи е Джон Ериксон, който посвещава последните 20 години от живота си на проектирането на соларни машини. Той вярваше: „тъй като Земята получава неизчерпаемо количество слънчева енергия, площта на нейното използване не може да бъде оценена, тъй като източникът на тази енергия е неограничен.“

ориз. 17. Слънчева парна машина Ericsson, 1885 г.

През 1914 г. в Египет е построена първата търговска слънчева парна централа (Фигура 18). По отношение на разходите и капацитета тази централа беше сравнима с аналог на въглища със същия капацитет. Последствията от Първата световна война обаче доведоха до преобладаването на развитието на по-„лесна“ енергия от изкопаеми горива (отново по-комерсиалната технология победи неудобната - безплатна! - Слънце).

ориз. 18. Първата в света търговска слънчева централа в Египет, 1914 г.

В края на ХХ век, поради покачването на цените и прогнозата за скорошно изчерпване на традиционните изкопаеми енергийни ресурси (включително ядрени), се възобновява интересът към хелиотермалната (топлинна слънчева) енергия. Разработването на слънчеви топлоелектрически централи тип кула е извършено както в САЩ и СССР, така и в други страни (фиг. 19). Сега за домашна и търговска употреба са налични малки модули с параболичен концентратор, който фокусира слънчевата радиация върху ултракомпактен и високоефективен топлинен двигател на Стърлинг, комбиниран с електрически генератор. Системата е оборудвана със система за слънчево проследяване (фиг. 19 b).

(а)

ориз. 19. Снимки на слънчева топлоелектрическа централа тип кула (а) и плоча с двигател на Стърлинг (б); схема на слънчеви топлоелектрически централи (c).

И КАКВО Е ПО-ДОБРО ЗА ДОМАШНА УПОТРЕБА - ВОДА, ВЪЗДУХ или ФОТОЕЛЕКТРИЧЕСТВО?

И така, на този етап домашната слънчева енергия е представена от топлинни въздушни и водни слънчеви колектори, слънчеви топлинни концентратори, както и слънчеви фотоволтаични преобразуватели. И така, коя технология е по-ефективна? Както всяко инженерно решение, всяко има своите предимства и недостатъци. Имайте предвид обаче, че често по-ефективното решение не е най-доброто. При излишък на площ, предназначена за поставяне на слънчеви колектори, е възможно да се покрие липсата на ефективност на по-евтините колектори чрез увеличаване на техния брой (и съответно активната им площ). Това решение може да бъде по-евтино от използването на по-малък брой повечеефективни, но много по-скъпи колектори.

Също така трябва да се отбележи, че както въздушните, така и водните слънчеви колектори, с еднакъв ефективен размер, абсорбират приблизително еднакво количество слънчева енергия и я превръщат в топлина, т.е. имат същата ефективност. Ето най-съществените разлики между тези две системи, за да улесните избора

Предимства на слънчевитевъздушни нагреватели (колектори):

Опростен дизайн, ниска цена, както и възможност за самостоятелно производство.
Няма нужда от защита от замръзване.
По-малко взискателни към плътността на свързващите елементи (изтичане на охлаждаща течност).
В някои случаи няма нужда от термоакумулиращо устройство, тъй като топлият въздух може да се използва директно за отопление на помещението.
По-бързо загряване на охлаждащата течност (въздух) до работната температура (тъй като въздухът има по-нисък топлинен капацитет от водата, той се загрява по-бързо). Това важи за облачни дни с променлива слънчева светлина.

Слаби страни:

Значително по-големи въздуховоди от водопроводните тръби, което намалява гъвкавостта на оформлението и усложнява монтажа.
По-сложно устройство за съхранение на топлина.
Сложността на устройството системи с големи размери.
Допълнителни разходи за оборудване за отопление на топла вода.

Предимства на слънчевитеводни (течни ) нагреватели:

По-гъвкаво местоположение и система за монтаж, поради факта, че водопроводните тръби имат много по-малък диаметър от въздуховодите.
Възможност за соларни системимного голям размер.
По-просто устройство за съхранение на топлина.
Лесно използване на системата за нуждите на топла вода.
Възможността за организиране на модерна система за комфортно разпределение на топлината в къщата - топъл под.
По-лесна изолация на тръби.

Слаби страни:

Малко по-сложно устройство, което води до известно увеличение на разходите и усложняване на самоизграждането.
Необходимостта от защита от замръзване е използването на антифриз или системи за автоматично източване на водата от колекторите (дрейнбек).
Не позволявайте разхлабено докинг (изтичане на топлоносител).
Когато се използва за отоплителни нужди, е необходима система за разпределение на топлина (подово отопление или радиатори), но такива системи често вече съществуват за конвенционални източници на топлина (котел на газ/дърва), а дизайнът на системите за разпределение на топлина позволява по-ефективни системи за управление на отоплението.

Използването на параболични огледални концентратори за домашна употреба е целесъобразно, ако желаете, за получаване на по-високи температури на изходящата охлаждаща течност (в този случай като охлаждаща течност се използват минерални масла, чиято точка на кипене е над 500 ° C). Като цяло ефективността на такава система е сравнима с тази на плоските колектори (според статията http://georgesworkshop.blogspot.com/2011/10/index-comparing-concentrator-to-flat.html), но изисква инсталирането на системи за слънчево проследяване, което усложнява системата.

Като конкурентна отоплителна система за частна къща може да се разгледа система, състояща се от слънчеви фотоволтаични панели (ефективност от около 15%, срещу 50-75% ефективност на слънчевите колектори) и термичнапомпа (позволява ви да "изпомпвате" топлинна енергия до 3 kW, с 1 kW консумирана електроенергия). По този начин е възможно да се изчисли общата „слънчева“ ефективност на такава хибридна система като: 15% * 3 = 45%, което не е толкова лошо. Вярно е, че такава система определено ще бъде много по-скъпа, сложна (включва фотоволтаични модули, батерия, инвертор, термопомпа, система с термопомпени кладенци, система за разпределение на топлина) и следователно по-малко надеждна.