Гелиосистемы

В книге С.Танака, Р.Суда "Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением” кратко, но достаточно четко представлены большинство разработанных в настоящее время устройств, позволяющих за счет солнечного излучения (в некоторых случаях полностью, а иногда частично в зависимости от климатических условий) обеспечить жилой дом теплом и горячей водой.

В предлагаемом читателю послесловии редактор перевода посчитал необходимым дополнить книгу сведениями о некоторых современных исследованиях, которые могут в ближайшем будущем оказаться чрезвычайно перспективными для архитекторов, проектировщиков, конструкторов, строителей солнечных жилых домов.

Авторы упоминают о селективных оптических покрытиях, поглощающих почти весь поток падающего солнечного излучения и одновременно превращающих солнечный коллектор в устройство, практически не излучающее тепло.

Возможность создания таких покрытий основана на том счастливом для разработчиков солнечных коллекторов факте, что спектр падающего солнечного излучения не совпадает со спектром собственного теплового излучения поверхности коллектора при характерных для него рабочих температурах 40—80°С.

Спектр наземного солнечного излучения охватывает интервал длин волн от 0,3 до 2,5 мкм, а спектр собственного теплового излучения коллектора — от 2,5 до 40 мкм. Исследователи получили тем самым теоретическую возможность создавать поверхности, которые в одной области спектра были бы черными, поглощающими солнечное излучение, а в другой - белыми, весьма слабо излучающими.

Практические достижения в этой перспективной области науки оказались впечатляющими — экспериментаторам удалось создать покрытия, сообщающие поверхности коллектора способность поглощать солнечное излучение почти на 95% и в то же время излучать в инфракрасной области собственного теплового излучения не более 4-5%.

Пластины с такими покрытиями, как показали эксперименты, выполненные в лаборатории автора этих строк, способны в вакууме при отсутствии других видов тепловых потерь нагреться от лампы-имитатора солнечного излучения без концентраторов до температур 350—400°С, без подвода энергии в какой-либо другой форме, кроме однократного светового потока.

Естественно, что из этих опытов вытекает желание использовать селективные покрытия. Которые обеспечивают значение отношения коэффициента поглощения к коэффициенту излучения, превышающее 20.

Так как в вакуумированных трубчатых коллекторах конвективные потери практически отсутствуют, поскольку поглощающая солнечное излучение поверхность внутренней трубки отделена от внешней прозрачной стеклянной трубки вакуумированным промежутком.

К тому же в коллекторах подобной конструкции эффективные селективные покрытия, состоящие, как правило, из нескольких слоев весьма тонких оптических пленок (толщиной от 0,01 до 0,1 мкм), защищены стеклянной оболочкой от неблагоприятного воздействия влаги и кислорода воздуха.

Многочисленные эксперименты показали, что именно такие вакуумированные коллекторы с оптическими селективными покрытиями эффективно использовать как гелиосистемы.

Эти покрытия позволяют нагревать теплоносители — воду или антифриз (даже при достаточно больших скоростях их прохождения по внутренним каналам коллектора) до температур 80—90°С.  А это делает возможным применение в жилом доме не только системы солнечного отопления и горячего водоснабжения, но и системы кондиционирования на основе, например, адсорбционных холодильных машин с хладагентом, имеющим подходящую температуру испарения.

Весьма перспективна также разработка солнечных систем, где вакуумированные коллекторы будут работать в сочетании с тепловыми насосами, кратко описанными в книге. Ведь вокруг любого жилого дома имеется значительное количество низкопотенциального тепла (тепло воздуха, тепло поверхностных и более глубоких слоев земли, тепло рек, морей, озерных водоемов), которое не удается использовать для энергоснабжения из-за слишком низкого уровня температур. Поднять такой уровень помогают тепловые насосы.

Тепловой насос представляет собой холодильную машину, совершающую обратный цикл. Хладагент, например фреон или аммиак, циркулирует в замкнутом цикле, включающем в себя компрессор.

С помощью редукционного (или дросселирующего) клапана теплоноситель в горячей части цикла (в конденсаторе) поддерживается при повышенном давлении, а в холодной части (в испарителе) — при пониженном.

При сжатии температура теплоносителя повышается и он сжимается, отдавая тепло, например, в помещение жилого дома. Проходя через дросселирующий клапан, теплоноситель быстро сбрасывает температуру и испаряется, отбирая тепло от окружающей среды, от источника низкопотенциального тепла.

Если, например, тепло от источника с температурой 10°С передается в радиаторы системы отопления дома с температурой 50°С, то тепловой коэффициент насосов, как показывают расчеты, может составить 4,8. Это означает, что при мощности компрессора 1 кВт переданная тепловая мощность составит 4,8 кВт.

Исследования показали, что солнечный коллектор, особенно трубчатый вакуумированный, может быть использован при работе теплового насоса дома в качестве испарителя. В бак-аккумулятор может быть помещен теплообменник, в котором будет происходить конденсация хладагента и тем самым нагрев содержимого бака-аккумулятора.

Для работы компрессора теплового насоса необходима электрическая энергия (как и для устройств дома, например для электробытовых приборов). Источником электроэнергии для таких потребителей внутри жилого дома могут служить солнечные батареи. Они представляют собой набор последовательно или параллельно соединенных тонких (толщиной 0,3-0,4 мкм) полупроводниковых пластинок с электронно-дырочными переходами внутри, получивших название солнечных элементов.

При ярком солнечном освещении солнечные батареи площадью 30 м2 способны генерировать не менее 3 кВт электрической мощности, которая частично может идти на питание компрессора теплового насоса и электробытовых приборов, частично - на подзарядку электрохимических аккумуляторов, используемых для получения электроэнергии в темное время суток.

Таким образом, ученым и инженерам удалось найти ряд технических решений, в которых гелиосистемы могут эффективно преобразовывать солнечное излучение в наиболее удобные для практического использования формы энергии — электрическую и тепловую.

При современном уровне разработки полупроводниковых солнечных элементов, тепловых солнечных коллекторов, тепловых насосов, селективных оптических покрытий и теплоизоляционных материалов могут быть созданы полностью энергетически автономные жилые дома, которые будут надежно эксплуатироваться в течение десятков лет как в обжитых и освоенных, так и в самых отдаленных и труднодоступных районах земного шара.

В связи с этим возникает важный вопрос, от ответа на который зависит будущее солнечных домов с комбинированной энергетической установкой электро- и теплоснабжения: будут ли такие дома экономически выгодны и способны ли они окупить затраты на их постройку за время эксплуатации?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо прежде всего оценить стоимость наиболее дорогостоящего элемента энергетически автономных солнечных домов — полупроводниковой солнечной батареи.

Еще совсем недавно — 10 или 15 лет назад - солнечная батарея площадью 1 м , генерирующая при ярком солнечном освещении около 100 Вт электрической мощности, стоила 5—10 тыс. дол. (50 дол. за 1 Вт пиковой мощности!*). Пиковой в даном случае значит максимальной, производимой при самых благоприятных условиях, наибольшей освещенности и невысокой температуре.

Конечно, столь дорогие, хотя и очень удобные источники электроэнергии можно было применять только на борту космических аппаратов, заполненных еще более ценными приборами и электронной аппаратурой. За последние 10-15 лет разработчики солнечных батарей добились больших успехов в трудном деле снижения стоимости солнечных батарей.

Резко уменьшились цены на исходные полупроводниковые материалы, была улучшена и в значительной степени автоматизирована технология изготовления солнечных элементов, существенно производительнее стал процесс сборки отдельных элементов в солнечные батареи, найдены защитные прозрачные материалы, позволяющие герметизировать батареи, предохранить их от воздействия неблагоприятных внешних факторов и обеспечить 20—30-летний срок их безотказной работы.

В настоящее время стоимость 1 Вт пиковой мощности, генерируемой наземными солнечными батареями, оценивается в 5 дол. Если учесть среднее число часов солнечного сияния в тех местностях, где предполагается строить солнечные дома, считать реальным 20-летний срок их эксплуатации, удвоить затраты на батарею из-за необходимости сделать надежной и прочной ее конструкцию, то стоимость 1 кВт-ч производимой сейчас такими батареями электроэнергии будет оцениваться в 30—35 центов, что лишь в несколько раз превышает цены на электроэнергию, получаемую от электростанций обычного типа.

Вполне обоснованные экономические прогнозы показывают, что переход к тонкопленочной технологии изготовления солнечных батарей, а также использование таких полупроводниковых материалов, как: аморфный кремний или селенид индия и меди, поглощающих все светоактивное солнечное излучение( при толщине материала всего 1—2 мкм для поглощения солнечного света в обычных солнечных батареях) сделают гелиосистемы более доступными и эффективными.