Как мы говорили раннее, в начале ХХ века, рынок солнечных водонагревателей, в основном, затрагивал Калифорнию. Однако человеческий скепсис не знает границ — компании конкуренты распускали слухи, что очень опасно пользоваться водой из солнечного водонагревателя, мол “мой знакомый — бедняга фермер, получил страшные ожоги — почти кожи лишился”. Другим сокрушительным ударом для рынка солнечных водонагревателей в Калифорнии стала разведка месторождений природного газа в 1920-х (http://energyblog.nationalgeographic.com). Однако хорошая технология не может исчезнуть — и солнечные водонагреватели сменили географическое место распространения.
Строительный бум во Флориде, начавшийся в 1920-х и продолжавшийся вплоть до 1941-го, стал неплохим местом применения солнечной технологии. За это время более половины нововозведенных хозяйств было оборудовано солнечными водонагревателями. Впрочем, человеческий фактор вновь сыграл злую шутку — стоило, после Второй Мировой Войны, упасть ценам на электричество, как бесплатное, но не такое “удобное”, Солнце стало ненужным. К тому же, агрессивная кампания поставщика электроэнергии “Florida Power and Light”, по увеличению потребления электроэнергии населением, заключающаяся в смешных акционных ценах на электрические водонагреватели, привела к падению производства солнечных водонагревателей вдвое.
Но есть и позитивные исторические примеры. Так, в отличие от Америки послевоенного периода, Япония, не имеющая собственных значительных запасов ископаемых энергоносителей, была вынуждена использовать бесплатную и чистую энергию Солнца для нужд горячего водоснабжения.
Традиционно, японские фермеры, после долгого тяжелого труда на рисовых полях, принимали горячие ванны, чтобы отмыться от грязи. Для нагрева воды использовали рисовую солому, которую иначе использовали в качестве корма для скота или удобрения полей. Поэтому, как только японские компании предложили простые солнечные водонагреватели, в виде емкости с застекленной верхней крышкой, более чем 100 000 штук нашло своих хозяев к 1960 году. Жители городов и поселков покупали упрощенные пластиковые солнечные водонагреватели, выполненные в виде надувных матрасов с прозрачным пластиковым корпусом, либо более совершенную модель — в виде солнечного водонагревателя по типу Climax — металлического цилиндрического водяного бака в застекленном ящике. Более 4 000 000 подобных солнечных водонагревателей было расположено на крышах городских зданий к 1969 году.
Однако появление больших нефтяных танкеров, в 1960-х, позволило Японии наладить поставки нефти с Среднего Востока, благодаря чему был получен доступ к дешевому топливу. Также, как прежде в Калифорнии и Флориде, рынок солнечных водонагревателей сколлапсировал, однако ненадолго. Нефтяное эмбарго 1973-го и последовавший за этим стремительный рост цен на нефтяные энергоресурсы послужили толчком к восстановлению национального “солнечного” рынка. (The Integral Passive Solar Water Heater Book/ David A. Bainbridge ).
Израиль, так же как Япония, в отличие от Соединенных штатов и большинства стран Европы, не располагал значительными ископаемыми энергетическими ресурсами в начале 1950-х. А успех военной операции Израиля в войне Судного дня привел к масштабному нефтяному бойкоту в 1973-м. В это время, в Израиле отмечен бум приобретения солнечных водонагревателей. К 1983-му, 60% населения грело воду с помощью Солнца. Когда, к середине 1980-х, цены на нефть упали, израильское правительство приняло решение не допустить обвала рынка солнечных водонагревателей, как это происходило до этого в США и Европе, поэтому приняло закон, обязывающий при постройке нового дома оборудовать его солнечными водонагревателями. Сегодня, более 90% израильских домашних хозяйств используют солнечные водонагреватели (Израиль — лидер по использованию солнечной энергетики per capita), что составляет 3% национального энергопотребления и позволяет экономить 2 миллиона баррелей (320 000 м3) нефти в год (по данным http://www.californiasolarcenter.org, wikipedia.org).
В 2005 Испания стала первой страной в мире, обязавшей оборудовать солнечными фотоэлектрическими панелями каждый новый строящийся дом, и второй, после Израиля, — устанавливать солнечные водонагреватели, в 2006 году.
Однако лидером установленных солнечных коллекторов (по абсолютному числу), естественно, является Китай, с более 60 миллионами установленных коллекторов. Мировое распределение количества установленных к 2007 году солнечных водонагревателей можно видеть на гистограмме 1.
Диаграмма 1. Мировое распределение рынка солнечных водонагревателей (по количеству штук) в 2007 году (wikipedia.org).
Таким образом можно наблюдать некоторую историческую “солнечную войну”, между здравым смыслом (бесплатная, но несколько “неудобная”, в том числе коммерчески и политически, солнечная энергетика) и жаждой власти и наживы (ведь за другие источники энергии приходится платить и, более того, зависеть от их поставок).
Тепловая солнечная электроэнергетика
С другой стороны, тепловую энергию Солнца можно использовать для получения механической и электроэнергии. Ведь для большинства тепловых двигателей с внешним источником сгорания тип источника тепла неважен.
Первый солнечный паровой двигатель был построен и протестирован Огюстом Мушо (Augustine Mouchot), французским инженером, в 1866 году. Мушо считал, что уголь, который послужил технической революции — является исчерпаемым ресурсом, и потому занимался развитием альтернативной, солнечной, энергетики. В своих работах он опирался на работы деСосюра и Клода Пулье. Мушо создал первый параболический солнечный концентратор (зеркало), который сфокусировал на дюймовую трубу, в которой вода закипая превращалась в пар и питала маленький паровой двигатель (рис. 16).
Демонстрация солнечной машины Мушо во Франции 1878 год.
В 1878 году солнечная машина Мушо завоевала золотую медаль на Парижской всемирной выставке. Параболический солнечный концентратор нагревал котел, а пар приводил в действие печатную машину, печатавшую до 500 газетных листов в час. Также публике была представлена морозильная машина, приводимая в действие солнечной энергией.
Работы Мушо привлекли к солнечной тематике умы многих исследователей. Одним из первых последователей стал Джон Эрикссон, который последние 20 лет жизни посвятил конструированию солнечных машин. Он считал: “поскольку Земля получает неиссякаемое количество энергии солнечного света, область его использования не поддается оценке, ибо источник этой энергии безграничен.”
Солнечный паровой двигатель Эрикссона, 1885 год.
В 1914 году первый коммерческий солнечный завод по производству пара был построен в Египте (рис. 18). По стоимости и мощности этот завод был сравним с угольным аналогом той же мощности. Однако последствия Первой Мировой Войны привели к преобладанию разработки более ”легкой” в использовании энергии ископаемых топлив (опять более коммерческая технология победила неудобное — бесплатное! — Солнце).
Первый в мире коммерческий солнечный завод в Египте, 1914 год.
На исходе двадцатого века, в силу удорожания и прогноза скорого истощения традиционных ископаемых энергоресурсов (в том числе атомных), интерес к гелиотермальной (тепловой солнечной) энергетики возобновился. Разработки солнечных теплоэлектростанций башенного типа велись как в США и СССР, так и в других странах (рис. 19). А сейчас доступны для домашнего и для коммерческого использования небольшие установки с параболическим концентратором, который фокусирует солнечное излучение на сверх-компактный и высокоэффективный тепловой двигатель Стирлинга, совмещенный с электрогенератором. Система снабжена системой слежения за Солнцем (рис. 19 б).
(а)
(б)
(в)
Фотографии солнечной теплоэлектростанции башенного (а) и тарельчатого с двигателем стирлинга (б) типов; схема гелиотермической электростанций (в).
Что лучше для домашнего использования
Итак, на данном этапе, домашняя солнечная энергетика представлена тепловыми воздушными и водяными солнечными коллекторами, солнечными тепловыми концентраторами, а также солнечными фотоэлектрическими преобразователями. Так использование какой технологии более эффективно? Как и в любом инженерном решении — каждое имеет свои преимущества и недостатки. Однако следует помнить, что часто более эффективное решение не является лучшим. В случае избытка площади, отводимой под размещение солнечных коллекторов, можно покрыть недостаток эффективности более дешевых коллекторов за счет увеличения их количества (и, соответственно, их активной площади). Такое решение может оказаться более дешевым, нежели использование меньшего числа более эффективных, но значительно более дорогих, коллекторов.
Также необходимо заметить, что и воздушный, и водяной солнечный коллекторы, одинакового эффективного размера, поглощают приблизительно одинаковое количество солнечной энергии и преобразуют его в тепловую, т.е. имеют одинаковую эффективность. Вот наиболее существенные отличия этих двух систем, для облегчения выбора
Преимущества солнечных воздушных нагревателей (коллекторов):
- Простая конструкция, обеспечивающая низкую стоимость, а также возможность самостоятельного изготовления.
- Отсутствует необходимость защиты от замерзания.
- Менее требовательны к плотности стыковки элементов (утечке теплоносителя).
- В некоторых случаях нет необходимости в устройстве тепловых накопителей, поскольку теплый воздух может использоваться непосредственно для нагрева помещения.
- Более быстрый нагрев теплоносителя (воздуха) до рабочей температуры (поскольку воздух обладает меньшей чем вода теплоемкостью — его нагрев происходит быстрее). Это актуально в пасмурные, с переменной солнечностью, дни.
Недостатки:
- Значительно больший размер воздуховодов, по сравнению с водяными трубами, что снижает гибкость расположения и усложняет монтаж.
- Более сложное устройство теплового хранилища.
- Сложность устройства систем больших размеров.
- Дополнительные затраты на оборудование для нагрева воды горячего водоснабжения.
Преимущества солнечных водяных (жидкостных) нагревателей:
- Более гибкая система расположения и монтажа, за счет того, что водяные трубы имеют значительно меньший диаметр, чем воздуховоды.
- Возможность устройства солнечных систем очень большого размера.
- Более простое устройство теплового хранилища.
- Простота использования системы для нужд горячего водоснабжения.
- Возможность обустройства современной системы комфортного распределения тепла в доме — теплого пола.
- Более простая теплоизоляция труб.
Недостатки:
- Несколько более сложное устройство, что приводит к некоторому удорожанию и усложнению самостоятельной постройки.
- Необходимость защиты от заморозков — использование антифриза или систем автоматического слива воды из коллекторов (drainback).
- Не допускают неплотной стыковки (утечки теплоносителя).
- При использовании для нужд отопления необходима система распределения тепла (системы теплого пола или радиаторов), однако зачастую такие системы уже существуют для традиционных источников тепла (газовый/дровяной котел), к тому же устройство систем распределения тепла позволяет создать более эффективные системы управления отоплением.
Использование параболических зеркальных концентраторов, для домашнего использования, целесообразно при желании получать более высокие температуры исходящего теплоносителя (в данном случае, в качестве теплоносителя используются минеральные масла, температура кипения которых выше 500 оС). В целом, эффективность такой системы сравнима с плоскими коллекторами (по данным статьи http://georgesworkshop.blogspot.com/2011/10/index-comparing-concentrator-to-flat.html) однако требует установки систем слежения за положением Солнца, что усложняет систему.
Как конкурирующую систему обогрева частного дома, можно рассматривать систему состоящую из солнечных фотоэлектрических панелей (КПД порядка 15%, против 50-75% КПД солнечных коллекторов) и теплового насоса (позволяющего “выкачать” тепловой энергии до 3 кВт, при затраченном 1 кВт электроэнергии). Таким образом, можно рассчитать суммарную “солнечную” эффективность такой гибридной системы как: 15%*3 = 45%, что не так плохо. Правда такая система, однозначно, будет значительно более дорогой, сложной (включает фотоэлектрические модули, аккумуляторную батарею, инвертор, тепловой насос, систему скважин теплового насоса, систему распределения тепла) и, потому, менее надежной.
