Як ми говорили раніше, на початку ХХ століття ринок сонячних водонагрівачів в основному торкався Каліфорнії. Однак людський скепсис не знає меж – компанії конкуренти розпускали чутки, що дуже небезпечно користуватися водою із сонячного водонагрівача, мовляв “мій знайомий – бідолаха фермер, отримав страшні опіки – майже втратив шкіру”. Іншим нищівним ударом для ринку сонячних водонагрівачів у Каліфорнії стала розвідка родовищ природного газу у 1920-х (http://energyblog.nationalgeographic.com). Проте хороша технологія не може зникнути – і сонячні водонагрівачі змінили географічне місце розповсюдження.
Будівельний бум у Флориді, що розпочався у 1920-х і тривав аж до 1941-го, став непоганим місцем застосування сонячної технології. За цей час більше половини новозведених господарств обладнано сонячними водонагрівачами. Втім, людський фактор знову зіграв злий жарт – варто було, після Другої Світової Війни, впасти цінам на електрику, як безкоштовне, але не таке “зручне”, Сонце стало непотрібним. До того ж, агресивна кампанія постачальника електроенергії “Florida Power and Light” зі збільшенням споживання електроенергії населенням, що полягає у смішних акційних цінах на електричні водонагрівачі, призвела до падіння виробництва сонячних водонагрівачів удвічі.
Але є й позитивні приклади. Так, на відміну від Америки післявоєнного періоду, Японія, яка не має власних значних запасів викопних енергоносіїв, була змушена використовувати безкоштовну та чисту енергію Сонця для потреб гарячого водопостачання.
Традиційно, японські фермери, після довгої важкої праці на рисових полях, приймали гарячі ванни, щоб відмитися від бруду. Для нагрівання води використовували рисову солому, яку інакше використовували як корм для худоби або добрива полів. Тому, як тільки японські компанії запропонували прості сонячні водонагрівачі, у вигляді ємності із заскленою верхньою кришкою, більш ніж 100 000 штук знайшло своїх господарів до 1960 року. Мешканці міст та селищ купували спрощені пластикові сонячні водонагрівачі, виконані у вигляді надувних матраців з прозорим пластиковим корпусом, або більш досконалу модель – у вигляді сонячного водонагрівача на кшталт Climax – металевого циліндричного водяного бака у заскленому ящику. Понад 4 000 000 подібних сонячних водонагрівачів були розташовані на дахах міських будівель до 1969 року.
Однак поява великих нафтових танкерів, у 1960-х, дозволило Японії налагодити постачання нафти з Середнього Сходу, завдяки чому було отримано доступ до дешевого палива. Також, як раніше у Каліфорнії та Флориді, ринок сонячних водонагрівачів сколапсував, проте ненадовго. Нафтове ембарго 1973-го і стрімке зростання цін на нафтові енергоресурси, що послідувало за цим, послужили поштовхом до відновлення національного “сонячного” ринку. (The Integral Passive Solar Water Heater Book/David A. Bainbridge).
Ізраїль, так само як Японія, на відміну від Сполучених штатів і більшості країн Європи, не мав значних копалин енергетичних ресурсів на початку 1950-х. А успіх військової операції Ізраїлю у війні Судного дня призвів до масштабного нафтового бойкоту 1973-го. У цей час в Ізраїлі відзначено бум придбання сонячних водонагрівачів. До 1983, 60% населення гріло воду за допомогою Сонця. Коли, до середини 1980-х, ціни на нафту впали, ізраїльський уряд прийняв рішення не допустити обвалу ринку сонячних водонагрівачів, як це відбувалося раніше в США та Європі, тому ухвалив закон, який зобов’язує під час будівництва нового будинку обладнати його сонячними водонагрівачами. Сьогодні, понад 90% ізраїльських домашніх господарств використовують сонячні водонагрівачі (Ізраїль – лідер з використання сонячної енергетики per capita), що становить 3% національного енергоспоживання та дозволяє економити 2 мільйони барелів (320 000 м3) нафти на рік (за даними http://www.californiasolarcenter.org, wikipedia.org).
У 2005 Іспанія стала першою країною у світі, яка зобов’язала обладнати сонячними фотоелектричними панелями кожен новий будинок, що будується, і другою, після Ізраїлю, – встановлювати сонячні водонагрівачі, в 2006 році.
Проте лідером встановлених сонячних колекторів (за абсолютним числом), природно, є Китай, з понад 60 мільйонами встановлених колекторів. Світовий розподіл кількості встановлених до 2007 року сонячних водонагрівачів можна побачити на гістограмі 1.
Діаграма: світовий розподіл ринку сонячних водонагрівачів (за кількістю штук) у 2007 році
Таким чином можна спостерігати деяку історичну “сонячну війну”, між здоровим глуздом (безкоштовна, але дещо “незручна”, у тому числі комерційно та політично, сонячна енергетика) та жадобою влади та наживи (адже за інші джерела енергії доводиться платити і, більш того , залежатиме від їх поставок).
Теплова сонячна енергетика
З іншого боку, теплову енергію Сонця можна використовувати для отримання механічної та електроенергії. Адже для більшості теплових двигунів із зовнішнім джерелом згоряння тип джерела тепла не важливий.
Перший сонячний паровий двигун був побудований і протестований Огюст Мушо (Augustine Mouchot), французьким інженером, в 1866 році. Мушо вважав, що вугілля, яке послужило технічній революції – є вичерпним ресурсом, і тому займався розвитком альтернативної, сонячної, енергетики. У своїх роботах він спирався на роботи деСосюра та Клода Пульє. Мушо створив перший параболічний сонячний концентратор (дзеркало), який сфокусував на дюймову трубу, в якій вода, коли закипала, перетворювалася на пару і живила маленький паровий двигун (мал. 16).
Демонстрація сонячної машини Мушо мови у Франції 1878 рік.
1878 року сонячна машина Мушо завоювала золоту медаль на Паризькій всесвітній виставці. Параболічний сонячний концентратор нагрівав котел, а пара приводила в дію друкарську машину, що друкувала до 500 газетних аркушів на годину. Також публіці було представлено морозильну машину, що приводилася в дію завдяки сонячній енергії.
Роботи Мушо залучили до сонячної тематики уми багатьох дослідників. Одним із перших послідовників став Джон Ерікссон, який останні 20 років життя присвятив конструюванню сонячних машин. Він вважав: “оскільки Земля отримує невичерпну кількість енергії сонячного світла, область його використання не піддається оцінці, бо джерело цієї енергії безмежне.”
Сонячний паровий двигун Ерікссона, 1885 рік.
В 1914 перший комерційний сонячний завод з виробництва пари був побудований в Єгипті (мал. 18). За вартістю та потужністю цей завод був порівняний з вугільним аналогом тієї ж потужності. Проте наслідки Першої Світової Війни призвели до переважання розробки більш ”легкої” у використанні енергії викопних палив (знову комерційніша технологія перемогла незручне — безкоштовне! — Сонце).
Перший у світі комерційний сонячний завод у Єгипті, 1914 рік.
Наприкінці двадцятого століття, через подорожчання та прогноз швидкого виснаження традиційних копалин енергоресурсів (у тому числі атомних), інтерес до геліотермальної (теплової сонячної) енергетики відновився. Розробки сонячних теплоелектростанцій баштового типу велися як в США і СРСР, так і в інших країнах (мал. 19). А зараз доступні для домашнього та для комерційного використання невеликі установки з параболічним концентратором, який фокусує сонячне випромінювання на надкомпактний та високоефективний тепловий двигун Стірлінга, поєднаний з електрогенератором. Система має систему стеження за Сонцем (мал. 19 б).
(а)
(б)
(в)
мал. 19. Фотографії сонячної теплоелектростанції баштового (а) та тарілчастого з двигуном стирлінгу (б) типів; схема геліотермічних електростанцій (в).
Що краще для домашнього використання
Отже, на цьому етапі, домашня сонячна енергетика представлена тепловими повітряними та водяними сонячними колекторами, сонячними тепловими концентраторами, а також сонячними фотоелектричними перетворювачами. То використання якої технології більш ефективне? Як і в будь-якому інженерному рішенні – кожне має свої переваги та недоліки. Однак слід пам’ятати, що часто ефективніше рішення не є найкращим. У разі надлишку площі, що відводиться під розміщення сонячних колекторів, можна покрити недолік ефективності більш дешевих колекторів за рахунок збільшення їх кількості (і відповідно їх активної площі). Таке рішення може виявитися дешевшим, ніж використання меншої кількості ефективніших, але значно дорожчих колекторів.
Також слід зазначити, що повітряний, і водяний сонячний колектори, однакового ефективного розміру, поглинають приблизно однакову кількість сонячної енергії і перетворюють їх у теплову, тобто мають однакову ефективність. Ось найбільш суттєві відмінності цих двох систем для полегшення вибору:
Переваги сонячних повітряних нагрівачів (колекторів):
- Проста конструкція, що забезпечує низьку вартість, а також можливість самостійного виготовлення.
- Відсутня потреба захисту від замерзання.
- Менш вимогливі до щільності стикування елементів (витік теплоносія).
- У деяких випадках немає потреби в пристрої теплових накопичувачів, оскільки тепле повітря може використовуватись безпосередньо для нагрівання приміщення.
- Більш швидке нагрівання теплоносія (повітря) до робочої температури (оскільки повітря має меншу ніж вода теплоємність – його нагрівання відбувається швидше). Це актуально у похмурі, зі змінною сонячністю, дні.
Недоліки:
- Значно більший розмір повітроводів, порівняно з водяними трубами, що знижує гнучкість розташування та ускладнює монтаж.
- Більш складний пристрій теплового сховища.
- Складність пристрою систем великих розмірів.
- Додаткові витрати на обладнання нагрівання води гарячого водопостачання.
Переваги сонячних водяних (рідинних) нагрівачів:
- Гнучкіша система розташування та монтажу, за рахунок того, що водяні труби мають значно менший діаметр, ніж повітроводи.
- Можливість влаштування сонячних систем дуже великого розміру.
- Простіший пристрій теплового сховища.
- Простота використання системи для потреб гарячого водопостачання.
- Можливість облаштування сучасної системи комфортного розподілу тепла в будинку – теплої підлоги.
- Простіша теплоізоляція труб.
Недоліки:
- Дещо складніший пристрій, що призводить до деякого подорожчання та ускладнення самостійної споруди.
- Необхідність захисту від заморозків – використання антифризу або систем автоматичного зливу води з колекторів (drainback).
- Не допускають нещільного стикування (витоку теплоносія).
- При використанні для потреб опалення необхідна система розподілу тепла (системи теплої підлоги або радіаторів), однак такі системи вже існують для традиційних джерел тепла (газовий/дров’яний котел), до того ж пристрій систем розподілу тепла дозволяє створити більш ефективні системи управління опаленням.
Використання параболічних дзеркальних концентраторів, для домашнього використання, доцільно за бажання отримувати вищі температури вихідного теплоносія (в даному випадку, в якості теплоносія використовуються мінеральні олії, температура кипіння яких вище 500 °C). В цілому, ефективність такої системи можна порівняти з плоскими колекторами (за даними статті http://georgesworkshop.blogspot.com/2011/10/index-comparing-concentrator-to-flat.html), проте потребує встановлення систем стеження за положенням Сонця, що ускладнює систему.
Як конкуруючу систему обігріву приватного будинку, можна розглядати систему, що складається з сонячних фотоелектричних панелей (ККД близько 15%, проти 50-75% ККД сонячних колекторів) і теплового насоса (що дозволяє “викачати” теплової енергії до 3 кВт, при витраченому 1 кВт електроенергії). Таким чином, можна розрахувати сумарну “сонячну” ефективність такої гібридної системи як: 15%*3 = 45%, що не так погано. Правда така система, однозначно, буде значно дорожчою, складнішою (включає фотоелектричні модулі, акумуляторну батарею, інвертор, тепловий насос, систему свердловин теплового насоса, систему розподілу тепла) і тому менш надійною.
