На заметку
Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объёмах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. На Поднебесную сегодня приходится 78% вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов от общего числа производимых в мире. На долю Европы приходится всего 9%, Турции и Израиля — 8% и остальных стран — 5%. Не удивительно, что проще и дешевле сейчас в России купить именно китайские гелиосистемы, тем более что качественный показатель у них не хуже.
Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведённое в Институте высоких температур РАН с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показало, что в реальных климатических условиях России целесообразно использование солнечных водонагревателей.
Так, для установки системы с отношением площади солнечного коллектора к объёму бака-аккумулятора 2 м2/ 100 л вероятность ежедневного нагрева воды до температуры не менее чем 37°С составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45°С — 30-70%, до температуры не менее чем 55°С — 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.
Солнечную энергию широко используют для хозяйственных нужд в Европе. Так, общая площадь солнечных коллекторов, установленных в странах ЕС достигла 13 960 000м.кв., а в мире превысила 150 000 000 м.кв.. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12%, а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Республика Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия — 47%, далее следуют Греция — 14%, Австрия -12%, Испания — 6%, Италия — 4%, Франция — 3%.
В настоящее время в Европе функционирует:
- 10 солнечных систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м2;
- 22 системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250м2;
- 25 систем с площадью коллекторов от 500 до 1000 м2.
Виды возобновляемой энергии в России
Солнечная энергия
Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.
Ветровая энергетика
Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».
Гидроэнергетика
Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».
Геотермальная энергетика
За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.
Биотопливо
Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.
Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.
Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу
Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.
Зеленая экономика
Как государству продвигать экологическую повестку
Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.
В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.
Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.
Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.
Зеленая экономика
Ставка на солнце и уголь: два лица энергетики Китая
Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.
Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и . Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.
Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.
В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.
Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.
Национальные цели по доле ВИЭ среди источников энергии
(Фото: REN21)
Полная версия отчета Renewables 2020 в формате PDF (см. стр. 57)
Установка теплового аккумулятора
Накопительный бак в гравитационной системе
От правильного монтажа водяного аккумулятора в отоплении зависит не только время нагрева воды в нем, но и КПД всей системы. Определяющим фактором является способ циркуляции теплоносителя – гравитационный или с помощью насоса. В первом случае баки аккумуляторы устанавливаются в отопление до верхней расширительной емкости, максимально близко к котлу.
При этом нужно учитывать, что скорость движения теплоносителя будет незначительно снижена. Это обусловлено увеличением длины разгонной трубы из-за врезки дополнительного участка, находящегося в баке. Для гравитационной системы рекомендуется уменьшить расчетный объем бака на 10-15%.
Место монтажа в системе с принудительной циркуляцией не регламентируется
Важно, чтобы уровень нагрева теплоносителя в трубах отопления с аккумулятором тепла был максимальным. Соответственно, емкость должна располагаться близко к котлу с соблюдением таких условий:
- Бак ставится после группы безопасности;
- Температура в помещении, где располагается емкость, должна быть от 10 до 35°С;
- Свободный доступ ко всем патрубкам конструкции для проведения ремонтных и профилактических работ;
- Возможность подключения как основной, так и обратной трубы.
Чаще всего в системах отопления с тепловым баком-аккумулятором его устанавливают непосредственно в котельной. Не рекомендуется монтаж выше уровня котла.
Установка аккумулятора в системе с принудительной циркуляцией
Помимо этих условий могут быть дополнительные, регламентированные производителем. Они обязательно учитываются не только при выборе места установки бака, но для регулирования мощности котла.
При установке теплового аккумулятора для систем отопления с электрическим ТЭНом рекомендуется дополнительно монтировать многотарифный счетчик учета электроэнергии. Тогда можно добиться существенной экономии, включая электрический подогрев бака в ночное время.
В видеоматериале наглядно показан принцип работы теплового аккумулятора в системе отопления частного дома:
https://youtube.com/watch?v=rgMQG7RLCew
Виды гелиосистем
Существуют разные конструкции коллекторов, способные демонстрировать свои эффективность и возможности:
- Открытые. Представляют собой плоские продолговатые емкости черного цвета, наполненные водой. Она нагревается от солнечного тепла и может поддерживать температуру воды в открытых бассейнах, летнем душе и т.д. КПД таких устройств крайне низок, поэтому их можно использовать только в летнее время
- Трубчатые. Основным элементом этих систем являются стеклянные коаксиальные трубки, между внешней и внутренней частями которых создан вакуум. Возникает прозрачный защитный слой с крайне низкой теплопроводностью, позволяющий воде (или антифризу) получать солнечную энергию, практически не расходуя ее на окружающую среду. Стоимость таких коллекторов высока, ремонтопригодность крайне низка и проблематична
- Плоские. Представляют собой плоские ящики с прозрачной крышкой. Днище покрыто слоем, активно принимающим энергию. КЕ нему припаяны трубки, по которым перемещается вода. Получая тепло, она направляется в отопительную систему. Иногда из-под крышки выкачивают воздух, усиливая эффективность приема энергии и снижая потери. Существуют также конструкции, где трубки находятся между двух приемных слоев, в которых для них созданы канавки. Это позволяет улучшить теплопередачу
Существуют также более современные виды коллекторов, в которых используется принцип теплового насоса — в герметичной емкости находится легкоиспаряемая жидкость. Нагреваясь от солнечного тепла, она испаряется. Этот пар поднимается в конденсационную камеру и оседает на стенках, выделяя при этом много тепловой энергии. По ту сторону стенок создана водяная рубашка, которая принимает это тепло и направляется в систему отопления.
Трубчатые коллекторы для отопительных систем
В таких устройствах по трубкам также циркулирует теплоноситель, однако каждая из трубок еще и вставлена в другую. А все вместе они соединяются в особую конструкцию – манифолд или гребенку. Современные трубчатые коллекторы выпускаются двух видов – перьевые и коаксиальные. Последние представляют собой трубу в трубе, они вложены друг в друга, и края их запаяны. А из пространства между трубками выкачан воздух.
В перьевых трубках вставляется еще и специальная адсорберная пластинка, напоминающая по структуре перо – для повышения теплоотдачи.
Плоские солнечные коллекторы для отопления и горячего водоснабжения
Такие гелиоустановки имеют наиболее простую конструкцию, и именно их имеют в виду, когда говорят про солнечное отопление своими руками. В принципе самодельный солнечный коллектор можно сделать из прозрачной трубки, свернутой кольцами, а среди дачников популярен солнечный коллектор из старого радиатора.
Как правило, на металлической раме закрепляют дно, на которое укладывают теплоизоляцию, уменьшающую потери энергии. Затем идет слой специального материала – адсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение и преобразующего его в тепло. А уже на адсорбере закрепляют трубки, по которым и циркулирует теплоноситель. Сверху вся конструкции должна быть закрыта особой прозрачной крышкой, изготавливаемой из закаленного стекла либо специального пластика, например, поликарбоната. Кроме того, нередко материал крышки еще и предварительно обрабатывают, чтобы он был чуть матовым и не гладким. Конечно, такое устройство для дома своими руками непросто будет сделать.
Принцип работы солнечного коллектора
Трубки обычно укладывают змейкой, и в коллекторе имеется 2 отверстия – выпускное и впускное. Как правило, для нормального теплообмена в схему включают и циркуляционный насос, но возможен и самотечный вариант, хотя это заметно снизит эффективность системы – ее вряд ли хватит даже на теплый пол, не то что на батареи.
А вот правильная заводская гелиоустановка имеет коэффициент полезного действия на уровне 72-75 процентов. Однако всегда есть минусы:
- при ветре возможны большие потери тепла;
- система плохо работает в пасмурную погоду и вообще не функционирует ночью;
- если какая-то деталь выходит из строя, то часто приходится менять всю панель.
Воздушные коллекторы
Устанавливаются для обогрева частных домовладений и воздушные солнечные коллекторы. Такие установки обычно используются для воздушного отопления зданий. По своей конструкции они сильно напоминают описанные выше системы, однако по трубкам здесь циркулирует не жидкость, а воздух. Кстати, нередко такой обогрев совмещают с вентиляцией.
Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии
Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.
First Solar Inc.
Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.
Vestas Wind Systems A/S
Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.
Atlantica Yield PLC
Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.
ABB Ltd. Asea Brown Boveri
Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.
Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?
Эффективность вакуумного коллектора зимой
КПД вакуумных трубок зависит не от температуры, а от количества солнечного света, это исходит из его принципа работы. Зимой дни короче, а солнце не так высоко поднимается над горизонтом, поэтому вакуумный коллектор не даст столько тепловой энергии, сколько летом.
Есть два способа решения вопроса – увеличение количества вакуумных коллекторов и уменьшение энергопотерь дома. Снизить тепловые потери можно двумя способами – утеплив здание и установив эффективную систему отопления. Сейчас наиболее эффективными являются теплые полы и теплые плинтусы.
Неплохой вариант – использовать спаренный тепловой насос и вакуумный коллектор для отопления дома. Так можно добиться максимальной эффективности, хотя общая стоимость оборудования будет высока.
Так выглядит система, в которую последовательно включены вакуумный солнечный коллектор и водяной тепловой насос.
Применение солнечных коллекторов
Устройство, преобразующее энергию солнечного света в тепловую энергию, называют солнечным коллекторам. Солнечный коллектор может применяться как в отопительной системе здания, так и в системе горячего водоснабжения. Согласно расчетным данным, применение данных устройств в системах теплофикации зданий и сооружений дает в среднем от 30% до 60% экономии энергоносителей (газ, электричество) ежегодно, а значит, удешевляет эксплуатацию здания. Расчетная самоокупаемость систем, использующих солнечную энергию, составляет в среднем от двух до пяти лет, в зависимости от цен на энергоносители.
Солнечный коллектор для отопления дома включается в систему теплоснабжения, являясь, по сути, подогревающим теплоноситель элементом, в то время как основные источники теплофикации (газовые или электрические котлы) круглосуточно поддерживают температуру подогретого солнечным коллектором теплоносителя на уровне, необходимом по технологическим или санитарным условиям.КПД систем альтернативного теплоснабжения выше в регионах с высокой солнечной активностью и в светлое время суток. Карта суммарной годовой солнечной радиации приведена на рисунке ниже.
Способы подключения к системе отопления
Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.
Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.
Схема с водяным коллектором
В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:
- Летний вариант для горячего водоснабжения
- Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения
Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.
Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.
Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке
Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор.
Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.
Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.
Чтобы ночью коллектор не превратился в радиатор охлаждения необходимо прекращать циркуляцию воды принудительно
По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.
Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй — на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора. Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе.
В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.
Схема с солнечной батареей
Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.
При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети
С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.
Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.
Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.
Галерея изображений
Фото из
Рабочая часть солнечных батарей представляет собой набор последовательно соединенных кремниевых пластин
Хотя внешне солнечные батареи могут и напоминать закрытые плоские коллекторы, но принцип работы приборов этого вида существенно отличается
Батареи с фотоэлектрическими элементами вырабатывают электроэнергию, которую можно использовать для нагрева теплоносителя или для питания электрических обогревателей
Для сооружения солнечной панели недостаточно подручных средств. Потребуются кремниевые пластины, которые придется покупать
Солнечные электростанции в отоплении дома
Процесс установки солнечных панелей на кровлю
Самостоятельный монтаж прибора на крышу гаража
Самодельный электроприбор для солнечного отопления
Коллекторы для нагрева воды, воздействие осадков зимой
Для России зимой довольно актуально применение водонагревательных элементов для отопления дома (в России на зиму остается приблизительно около 10 процентов ежегодной солнечной активности)
Немаловажно владеть информацией об эксплуатационных особенностях работы коллекторов зимой, сделать необходимый расчет требуемых параметров
Для России зимой довольно актуально применение солнечных коллекторов для отопления дома
К примеру, очень актуальный вопрос в том, что делать с выпавшим снегом, скапливающимся на поверхности устройства и препятствующий его правильной работе.
Если следовать обычной логике, можно предположить, что на отопительных элементах плоской конструкции, если установить их, используя угол наклона в 45 градусов, снег не будет задерживаться – в результате нагрева поверхности снег под собственным весом скатится с коллектора, освобождая своего владельца от сомнительной привилегии его чистки. Но все-таки, исходя из практики применения этого нагревательного элемента, такой расчет не оправдывает себя. Снег действительно слегка тает под действием солнца, но скатывается в нижнюю часть или оставляет закрытой нижние 30 процентов полезной площади оборудования. Находясь там на протяжении длительного времени, снег в итоге становиться смесью со льдом.
Установки на основе вакуумных трубок монтируются под углами 55–60°, даже при наличии слабого ветра, коего в условиях российского климата предостаточно, установка будет хорошо обдуваться и очищаться от осадков без посторонней помощи.
Установки на основе вакуумных трубок монтируются под углами 55–60°, чтобы они хорошо обдувались и очищались от осадков без посторонней помощи
Проблема с самоочисткой возникнет в том варианте, если установка смонтирована прямо на поверхности земли, где осадкам некуда перемещаться и в результате наметается сугроб. В данном случае оба вида коллекторов придется систематически чистить для их нормальной работы.
Для всех устройств существует общее правило – чем больший угол монтажа, тем на устройстве хуже накапливается мусор и осадки. Смонтированные под углом 55–60° вакуумные коллекторы имеют огромный плюс относительно плоских коллекторов – наличие значительного противодействия большим снегопадам.
В дополнение ко всему бытует мнение, что покрытые инеем коллекторы прекращают функционировать в нормальном режиме. Здесь стоит сказать, что зимой изморось не особенно влияет на функциональные показатели оборудования. Появление измороси в основном связано с большими снежными осадками с повышенной влажностью, но только выглядывает солнце, как ледяной налет тает и стекает с коллектора. В вопросе образования измороси преимуществ друг перед другом отопительные коллекторы не имеют.
