Продовження теми 7. Інновації в житлово-комунальному господарстві: енергія сонця

Лекція 13.

План лекції:

1. Оосбливості використання сонячної енергії

2. Види сонячної енергії

3. Проблеми та перспективи

Питання залучення до паливно-енергетичного балансу комунальної теплоенергетики нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії (НВДЕ), набуває все більшої актуальності. Освоєння НВДЕ слід розглядати як важливий фактор підвищення рівня енергетичної безпеки та зниження антропогенного впливу енергетики на довкілля. Застосування альтернативних джерел енергії при виробництві теплової енергії в світі планується збільшити до 2040 року в десятки, а по деяких видах – в сотні разів. Виробництво теплової енергії за рахунок НВДЕ має досягти майже 50% від загального споживання теплової енергії. В пошуках засобів енергозбереження значна увага приділяється заходам, спрямованим на залучення до паливно-енергетичного балансу теплоенергетики енергії сонця як основного джерела відновлюваної енергії. Сонячне випромінювання не тільки невичерпне, але й абсолютно чисте джерело енергії, що володіє величезним енергетичним потенціалом. За підрахунками вчених, використання всього лише 0,125% енергії, що випромінюється сонцем, могло б забезпечити сьогоднішні потреби в енергії всіх країн, а 0,5% — повністю покрити всі потреби з урахуванням далекої перспективи.

Сонячна енергія з успіхом може бути використана для виробництва електричної енергії, але на сьогодні найбільш актуальним для Україні є отримання теплової енергії для теплозабезпечення будівель (в тому числі багатоквартирних будинків) – опалення і гарячого водопостачання. Довела свою ефективність і надійність технологія охолодження та кондиціонування повітря приміщень за допомогою енергії сонця, але застосування її поки що дуже обмежене через значний період самоокупності обладнання, який зазвичай дорівнює періоду дії проекту. Втім, ринок вже позитивно реагує на сонячні системи охолодження.

Перетворення сонячної енергії в теплову обумовлене здатністю|здібністю| деяких речовин поглинати електромагнітні випромінювання, унаслідок|внаслідок| чого їх температура підвищується. Як теплоносій в таких системах використовується суміш антифризу з|із| водою, яка передає поглинене сонячне тепло в систему теплопостачання. Простим і найбільш дешевим способом використання сонячної енергії є|з'являється| нагрів води за допомогою плоских сонячних колекторів, які дозволяють збирати як пряме, так і розсіяне|неуважне| випромінювання, тобто можуть працювати і в сонячну, і в похмуру погоду. У плоскому колекторі| вода може| нагріватися| до 95 град. С. |із| Різниця температур підігрітої води і повітря, що оточує сонячний колектор, |звично| лежить в інтервалі 20 - 40 град. С|із|. ККД сонячного колектора нестабільний і може визначатися тільки для конкретних умов експлуатації. Переважною сферою застосування плоских сонячних колекторів є|з'являється| підігрівання|підігрів| в теплий час року води, використовуваної в системі гарячого водопостачання.

Завдяки високій теплоізоляції вакуумні сонячні колектори працюють дуже ефективно при низьких температурах навколишнього середовища Вакуумні трубчасті колектори дозволяють нагрівати теплоносій до температури 120-160 град. С. Головна перевага вакуумного колектора (що починає виявлятися при температурі повітря нижче -15 град. С) полягає в тому, що він здатний працювати при температурі до -50 град. С. При заданій тепловій потужності ефективна площа|площа| інсталяції вакуумних сонячних колекторів приблизно в 4-6 разів менша в порівнянні з плоскими колекторами. ККД вакуумних колекторів при високих температурах теплоносія вищий, плоских, але|та| вони набагато дорожчі. В кліматичних умовах України для сонячного теплопостачання ефективно можна використовувати і плоскі, і вакуумні сонячні колектори. Як значно дешевші застосовують сонячні водонагрівачі ємнісного (не проточного) типу, воду в яких можна нагріти до 60 град. С.

Системи сонячне опалення| можна| поділити| на два види| - без акумулювання|, коли частка| сонячної| енергії| в загальній| кількості| споживаної | теплової енергії обмежена| (максимум 20% в умовах| північного| клімату|), та з сезонною акумуляцією|, за якої| частка| сонячної| енергії| може| досягати| 80-100%. В останньому випадку| теплопостачання| зазвичай| комбінується| із системою гарячого| водопостачання|. Результатом є так звані| сонячні| комбіновані| системи|. Об’єднання двох| функцій поліпшує якість наданих послуг і зменшує їхню собівартість. За останній час в Західній Європі і Азії все частіше використовують системи цілорічного децентралізованого| комбінованого сонячного опалення будівель. Як основне джерело теплопостачання використовуються сонячні колектори, як «дублер» - котли (газові, рідкопаливні, електрокотли і ін.) для використання електроенергії в часи «провалів» навантажень в електромережі. Найбільшою популярністю| сонячні| водяні| колектори| користуються| в Ізраїлі, де| 80% води нагрівається| за допомогою| сонячної| енергії|. В Німеччині експлуатується понад 700 тис. опалювальних геліосистем, |сукупна площа |загальний| цих колекторів - майже 6 млн кв. м.

Істотний|суттєвий| вплив на зниження споживання|вжитку| енергії від традиційних джерел – нагрівальних і охолоджувальних пристроїв|устроїв|, надає|виявляє| сонячна енергія, вживана в концепціях проектування сучасної будівлі – «сонячний будинок|дім|» і «пасивний будинок|дім|». Головне|чільне| в концепції «сонячного» житлового будинку – максимальне, виходячи з особливостей місцевості і клімату, використання сонячного випромінювання, перетворення його на теплову енергію і збереження|зберігання| в будинку|домі| з|із| найменшими втратами, за рахунок чого витрати|затрати| інших енергоносіїв, залежно від конструкції будівлі і його місця розташування, знижуються на 40-60%.

«Пасивні будинки|доми|» в змозі|спроможний| утилізувати розсіяну|неуважну| теплову енергію природи, використовуючи різні види альтернативних джерел енергії, і насамперед|до| сонця, вітру, теплової енергії надр Землі|грунту|, води і біомаси, а також побутові тепловиділення. Будинки|вдома| мають системи автоматичного обліку|урахування|, контролю і регулювання енергії, в них використовуються низькотемпературні системи опалення, теплові насоси, фотогальванічні елементи, системи акумуляції тепла (включаючи міжсезонні системи), а також матеріали фазового перетворення енергії. Обов’язковий критерій формування пасивного будинку|дому| – південна орієнтація основних світлопрозорих конструкцій. Концепція «пасивного| будинку|дому|» (будинку| класу| А, що| за енергетичною| класифікацією| має| майже| нульові| витрати| енергії|) в ЄС вже| вийшла| далеко за рамки експериментального| будівництва|. Відмінними рисами «пасивної будівлі» є|з'являються|: компактність і хороша|добра| ізоляція зовнішніх огороджувальних конструкцій будівлі, що в 2-3 рази перевищує нормативні показники опору теплопередачі; пасивне використання сонячної енергії з|із| обов’язковим склінням південної частки|частини| будівлі і обліком|урахуванням| особливостей затінювання; енергоефективне скління з|із| опором теплопередачі віконних конструкцій не менше 0,8 м²*град.С/вт; повітряпроникність| з|із| допустимим витоком повітря через неущільнені з’єднання|сполуки| не перевищує 0.6 об’єму|обсягу| приміщення|помешкання| в годину; пасивне попереднє підвищення температури| зовнішнього повітря, що поступає|надходить| в будинок|дім| по підземних трубах (навіть у холодний зимовий період – до 5 град. C|); високоефективний повітряобмін – більше 80%; виробництво гарячої води з використанням регенеративних джерел енергії, наприклад, сонячних колекторів; вживання|застосування| термічної маси з|із| теплоакумулюючих | матеріалів для збереження|зберігання| теплової енергії в холодні ночі і для підтримки прохолоди в жаркі дні. Велику роль в енергозбереженні грає утеплення огороджувальних|обгороджувати| конструкцій будівлі; саме теплоізоляція забезпечує рентабельність використання поновлюваних джерел енергії. Наприклад, установка сонячних колекторів площею в 20 кв. м і вартістю 12 тис. євро дозволяє данському «пасивному будинку|дому|» (із|із| стандартною площею|площею| в 150 кв. м) з|із| гарною теплоізоляцією повністю|цілком| відмовитися від використання зовнішньої енергії. Для будинку|дому| з|із| недостатньою тепловою ізоляцією буде потрібен колектор |площею| більш ніж в 11 разів більший за площею|площі| – 232 кв. м, який коштуватиме вже 100 тис. євро.

Потенціал сонячної енергії в Україні є достатньо високим для широкого впровадження як теплоенергетичного, так і фотоенергетичного обладнання в усіх областях. Вся територія України придатна для розвитку систем теплопостачання з використанням сонячної енергії. Згідно останніх десяти років метеорологічних спостережень, на Україну припадає 100-200 сонячних днів в році, в залежності від регіону. Річне надходження сонячного випромінювання в країні знаходиться на одному рівні з країнами, які активно використовують сьогодні сонячні колектори (Швеція, Німеччина, США тощо). Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації, на 1 кв. м поверхні на території України міститься в межах: від 1070 кВт*год./м² в північній частині України до 1400 кВт*год./м² і вище в АР Крим. За оцінками фахівців, загальний об’єм «сонячного» сектора енергетики в нашій країні складає близько 2 млрд кВт*год. електроенергії на рік. Якщо колектори сонячного випромінювання розмістити на площі 130000 кв. км (що приблизно дорівнює площі південних областей, а також АР Крим), щоб забезпечити енергією увесь світ. Сьогодні майже 200 компаній виробляють сонячні колектори. Провідними виробниками такого обладнання залишаються Німеччина, Китай, Туреччина, Індія та Бразилія.

Наявність значного потенціалу використання сонячної енергії обумовлює перспективність розвитку сонячної енергетики в Україні. Але практичне використання сонячної енергії в сфері теплозабезпечення зводиться, в основному, до виробництва низькопотенційної| теплової енергії в системах гарячого| водопостачання. | Є позитивний досвід впровадження пілотних проектів сонячних установок на об’єктах бюджетної сфери, виробничого призначення. Як показала практика, використання сонячної енергії дозволяє щорічно економити традиційне паливо: до 75% - для гарячого водопостачання при цілорічному використанні; до 95% - при сезонному ГВП, до 50% - для цілей опалення; до 80% - для цілей чергового опалення. Значною перевагою сонячних систем є їх модульність, що дає можливість швидкого монтажу в місцях експлуатації, відсутність експлуатаційного шуму і джерел шкідливих викидів. З технічної точки зору переваги полягають у відсутності необхідності використовувати будь-яке паливо, рухомих частин, що зношуються, проведення трудомісткого технічного обслуговування для підтримки системи в працездатному стані. Однак, незважаючи на всі переваги, ще досі сонячна енергетика знаходиться на початку свого розвитку. Її внесок у загальне світове енергоспоживання не перевищує 0,1%, а серед поновлюваних джерел їй належить близько 1%.

Основною проблемою розширення масштабів використання енергії сонця для теплопостачання є|з'являються| високі питомі капіталовкладення в обладнання|спорудженні| геліосистем| порівняно з|порівняно із| традиційними системами теплопостачання. Залежно від типу обладнання окупність геліоустановки коливається від 7 до 14 років, при терміні служби становить 15–20 років. В багатьох країнах сонячні водопідігрівачі широко застосовуються при набагато нижчих цінах на традиційне паливо|пальне|. Цьому сприяє державна політика, яка, наприклад: «примушує|заставляє|» інвесторів при новому будівництві житла застосовувати сонячні колектори, наприклад, в Іспанії жодна нова міська будівля не може бути побудована|спорудити| без сонячних водопідігрівачів; зобов’язує виробників продавати сонячні колектори | із|із| знижками, втрати від яких відшкодовуються державою; стимулює проведення усіляких|всіляких| заходів, направлених|спрямованих| на економію палива|пального| і захист навколишнього середовища.

Заслуговує на увагу досвід|дослід| західних економічно розвинених країн по розробці спеціальних програм, стимулюючих впровадження геліоустановок в приватному, комерційному і муніципальному секторах. Програми стимулювання розвитку сонячної енергетики діють в багатьох розвинених країнах. Найбільш помітними з них є програми «Сто тисяч дахів в Німеччині», «Мільйон дахів в США» і «Мільйон дахів в Японії». Уряди США, Японії та Західної Європи стимулюють споживання сонячної енергії населенням, в першу чергу, тому що ця енергія екологічно чиста і дозволяє економити обмежені ресурси органічного палива. Для цього виділяються безвідсоткові довгострокові позики на покупку сонячних батарей, безкоштовно проводиться сервісне обслуговування цих установок. Уряди багатьох країн частково фінансують установку сонячних елементів в приватному секторі, при цьому власники «сонячного будинку» отримують гарантовані податкові пільги, безпроцентні кредити й інші види заохочення. В країнах ЄС широко використовуються так звані «сонячні зобов’язання» відносно будівництва з використанням нових сонячних технологій. Це сприяє істотним змінам у житловому фонді, готуючи його до неминучого дефіциту викопного палива, дає потужний сигнал для споживачів і будівельного бізнесу. Крім того, державні структури купують надлишкову електроенергію у приватних осіб, які встановили на своїх будинках сонячні елементи. Так, Уряд Німеччини зобов’язав енергетичні компанії купувати всю електроенергію, вироблену з відновлювальних джерел енергії, у всіх її виробників протягом 20 років після встановлення та введення в експлуатацію відповідного обладнання.

На сьогодні Україна продовжує відставати від зарубіжних масштабів освоєння сонячної енергії. В Україні фактори|фактори|, які б сприяли широкому вживанню|застосуванню| сонячних колекторів, поки|доки| не працюють, хоча фактор|фактор| престижності стосовно сонячних установок присутній і його роль з часом|згодом| зростатиме. На сьогодні| державної| програми|, яка б кредитувала за пільговими відсотками купівлю| сонячних| колекторів| населенням|, немає. Недостатнім є інформування потенційних споживачів про позитивні аспекти впровадження сонячних технологій. Існують складнощі з установкою сонячного обладнання на дахах висотних будинків|домів|, які фактично є|з'являються| нічиїми.

Широке залучення в енергетичний баланс поновлюваних джерел енергії дає реальні можливості знизити рівень енергоємності ВВП, підвищити енергетичну безпеку держави, забезпечити скорочення енергетичного дефіциту та охорону навколишнього середовища. На сьогодні альтернативна енергетика стає одним із базових напрямів розвитку технологій у світі, важливою складовою нового постіндустріального технологічного укладу. Основними факторами сприяння розвитку НВДЕ в Україні є: висока енергоємність ВВП, зростання ціни на традиційні енергоносії; підвищення вимог екологічних норм і стандартів; можливість реалізації механізмів Кіотського протоколу для фінансування проектів впровадження НВДЕ; необхідність заміни зношених основних фондів.

Україна має значний потенціал відновлюваної енергетики, розвиток якої є одним з визначальних напрямів енергозбереження в теплоенергетиці, що закріплено на законодавчому рівні. Визначено, що розширення обсягів виробництва теплової енергії повинно здійснюватися на базі альтернативних видів палива, нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії, зокрема, шахтного метану, рослинної біомаси, використання когенераційних установок і ін. В той же час, в умовах відсутності достатньої фінансової підтримки держави та ряду інших обмежень очікувати швидкого і широкого впровадження цих заходів, які, до того ж, при низькій енергетичній ефективності, потребують значних капіталовкладень, не варто. Державною цільовою економічною програмою енергоефективності на 2010 - 2015 роки передбачено заміщення традиційних видів палива шляхом впровадження технологій використання енергії сонця та геотермальної енергії, створення сприятливих умов для залучення вітчизняних та іноземних інвестицій у сферу енергоефективності та енергозбереження.

Незважаючи на вигоди від використання альтернативних видів палива, відновлювальних джерел енергії, впроваджуються вони ще вкрай повільно. А враховуючі значні переваги природного газу в порівнянні з іншими видами палива та теплоджерелами, такі як висока енергоємність, відносно низька ціна, екологічність, зручність використання і.ін., природний газ залишатися найкращим енергоносієм для цілей теплозабезпечення будівель. Тому, в найближчій перспективі, навіть при світовій тенденції до зростання цін на природний газ, основними заходами енергозбереження в теплопостачанні залишаються скорочення втрат, підвищення ефективності та економія у використання саме природного газу.