Нуждата от все по-евтина и „чиста” енергия нараства непрекъснато. С използването на слънчевата енергия се постигат два добри резултата – потребителят пести средства за енергия и допринася за намаляване на замърсяването на околната среда.
Възможностите за събиране и използване на енергията на Слънцето са многобройни. С няколко думи ще представим слънчевите инсталации за Битова Гореща Вода (БГВ). Ще обясним процесите, протичащи в системите, за да се види тяхната достъпност и възможност за реализация. Това от своя страна ще популяризира използването иа слънчевата енергия в ежедневието. Последно, но не и по важност – крайният клиент ще остане приятно изненадан от символичните месечни такси за електрическа енергия.
На практика намерението да се изработи или закупи слънчева инсталация често не се осъществява. За това има причина — за безплатната слънчева енергия трябва да се плати предварително не малко. При проектирането и изработването на съоръжението трябва да се има предвид и времето за изплащане на инсталацията. В този случай е необходим един по-перспективен поглед напред в бъдещето, когато традиционната електрическа енергия и горивата, доставяни до потребителя ще бъдат все по-скъпи, а светът, в който живеем ще трябва да е по-чист от днес.
Търсенето на евтини енергийни източници продължава. И докато не се намери най-добрият и най-ефективният, в много области на човешката дейност слънчевата енергия ще остане достъпната алтернатива на сегашните горива.
Надяваме се, че информацията по-долу ще предизвика по-голям интерес към слънчевите инсталации. Областите на приложение в практиката на използването на слънчевата енергия са големи и е въпрос на време, държавна и ценова политика „новото и модерно” да стане ежедневие и стандарт за всяко домакинство.
Малко история
Още древните египтяни са строили така, че сградите да могат да събират топлината на слънцето през деня и да я отдават в помещението през нощта. По този начин сградите оставали хладни през горещите дни и топли през студените нощи.
През V век пр.н.е. древните гърци строили своите градове, съобразявайки се с възможността да използват слънчевата светлина през студените месеци на годината. Те ориентирали своите постройки така, че през зимата слънчевите лъчи да огряват напълно фасадите на сградите и да проникват максимално навътре в помещенията.
Легендата гласи , че през III век пр.н.е. Архимед използвал фокусирана отразена с помощта на огледала слънчева светлина, за да подпали корабите на Римската империя при отбраната на гр. Сиракуза.
През годините цените на горивата са тези, които основно определят интереса на потребителите към използването на слънчеви инсталации. Още в началото на XX век изобретателите и учените достигат до истинското разбиране за тази технология. За съжаление през следващите 50 години след Първата световна война техните постижения са забравени. Тогава основните енергийни потребности започват усилено да се задоволяват с бързото разрастване на добива и използването на фосилните горива. След Втората световна война има рязък спад в развитието и използването на слънчевите инсталации, дължащ се на високата цена и недостига на мед за промишлеността. Изработват се предимно експериментални и любителски системи, които били нерентабилни в сравнение със системите, работещи с течни горива. Другата основна причина е и лесният достъп и изобилието от течни горива. В тях бизнесът вижда невероятни възможности за печалба, съчетани с удобства за потребителите. Създават се големи икономически групировки в петролния, автомобилния и атомноенергийния отрасъл в световен мащаб, за които безплатната енергия от Слънцето е нежелана алтернатива.
През 50-те години е усвоен процесът за производство на чист кристален силиций. По-късно през 1954 г. Bell Telephone Laboratories достигат 4 % КПД , а не след дълго и 11 % КПД на фотоелектричен преобразувател от кристален силиций. Тогава е построена и първата сграда, отоплявана със слънчева инсталация за топла вода по проект на архитекта Frank Bridgers. През 60-те години малцина ентусиасти продължават да работят в тази област. Тогава се изработват предимно любителски слънчеви инсталации. През 1970 г. в Австралия се създава интегрираната система – колектор с бойлер, която има някои предимства пред обикновените колекторни системи: намаляват се топлинните загуби чрез по-малко външни връзки и се спестява място за инсталирането на отделен бойлер в сградата. През 1973 – 1974 г. идва и първата световна енергийна криза, предизвикана от намаляването на износа на петрол от ОПЕК. Тогава погледите отново се насочват към алтернативните енергийни източници, за да се избегне зависимостта на хората и държавите от монополизма в доставката на горива.
През 1983 г. в Manzanares – Испания, е построена „слънчева кула”, генерираща електричество с турбини, задвижвани от топъл въздух. Въздухът се затопля под голяма остъклена повърхност, в центъра на която е издигната висока кула. Благодарение на високата температура, до която се загрява въздухът и голямата височина на кулата се създава тяга, която задвижва електрическите генератори. За съжаление един от големите недостатъци на такова съоръжение е неговата неустойчивост на бурни ветрове.
През 1990 г. след войната в Залива и намалелите доставки на петрол интересът към алтернативните енергийни източници отново се засилва. Създават се национални програми и стратегии за намаляване на използването на горива и енергия. Влагат се повече средства за научни изследвания в областта на слънчевата енергетика.
През 1996 г. влиза в експлоатация „слънчево поле”. To се намира до селището Marstal в Дания. На това „поле” са монтирани слънчеви колектори с обща площ 9043 м². Системата съдържа и резервоари с обем 2100 м³. По данни на авторите на проекта, през летните месеци се задоволяват 100 % от нуждите от топла вода на града, а общо за годината 13-15 %.
През последните години многообразието на слънчевите системи нараства. Създават се много ефективни системи — вакуумни, самонасочващи се, усъвършенствуват се абсорбиращите покрития, използват се нови изолационни материали, вгражда се електронно и компютърно управление, намалява се енергопотреблението и се предоставя възможност за модулиране скоростта на помпите и т.н.
Поради усъвършенстване на технологиите и увеличаване на обема на производството се наблюдава известно спадане на цените на колекторите и компонентите, необходими за изграждане на пълнофункционална и работеща инсталация.
Парниковият ефект и глобалното затопляне
Бурното развитие на промишлеността през XIX и XX век е свързано с използването на много енергия в производствените процеси и транспорта. Нискоефективни машини са допринесли за възхода на най-напредналите нации в началото на индустриалната революция. За да извършат определена работа, те трансформират в механична работа само малка част от входящата енергия, а останалата част от горивата се преобразува в топлина. Добивът и ниската цена на изкопаемите горива са дали възможност за огромен скок в развитието на цели отрасли от стопанствата на страните с развиваща се икономика. Тази нагласа в продължение на повече от 200 години е довела до постепенно нарушаване на баланса на газовете в атмосферата, поддържан от обмена и поглъщането от растенията най-вече на въглеродния диоксид CO2 – преобладаващия компонент, отделящ се в процеса на горене. Масовото използване на изкопаеми горива и изхвърлянето на изгорелите газове води до увеличаване концентрацията на С02 в атмосферата.
Въглеродният диоксид е газ , който има свойството да отразява инфрачервените лъчи. Натрупването му в атмосферата води до намаляване на излъчването на топлинните лъчи от повърхността на Земята в Космоса. По този начин, вместо да се излъчат в Космоса, част от лъчите се отразяват и отдават своята енергия отново на повърхността. Така се задържа голямо количество от топлината, създадена от човешката дейност и тази, постъпила от Слънцето и се получава т.нар. парников ефект.
Постепенно земната температура се повишава. За около 100 години температурата е нараснала с 2 – 2,5 °С. За сравнение ще кажем, че за период от 10 млн. години земната температура се е повишила само с 5 °С. Тази бърза промяна на температурата, наречена „глобално затопляне” води до промени в климата на Земята. Динамиката на атмосферните процеси се усилва. Забелязват се и реакции на растителния свят, като изместване на зоните на разпространение на някои растения към по-високи или по-северни части, където температурата е по-близка до тяхната естествена среда, загиват част от коралите и т.н. Нарушава се жизнената среда и за животните, и за хората, което, съчетано с динамиката на слънчевата активност, крие големи опасности в бъдеще. Продължават процеси, свързани с намаляване на валежите, зачестяват бури, тайфуни и други разрушителни природни явления.
По-нататъшното повишаване на температурата на Земята само с няколко градуса ще доведе до още по-опустошителни явления. Ще се повиши нивото на океаните заради топене на ледовете около полюсите, ще се изменят посоките и температурата на океанските течения, ще зачестят продължителните засушавания и т.н.
Друга тревожна тенденция е нарастването на енергопотреблението в световен мащаб. To се дължи в известна степен и на нарастването на доходите на населението. Новите технологии в бита и промишлеността водят до повишаване стандарта на живот и до използване на все повече уреди, машини за задоволяване на нарастващите потребности на хората. Пример за това е Япония, където за последните 25 години има нарастване близо 3 пъти само на енергопотреблението в домакинствата. Подобно е положението и в другите страни.
Според оценките и анализите на специалистите в областта на енергийните ресурси тази тенденция ще се запази и в бъдеще. Друг фактор за нарастване на количествата на въглеродния диоксид в атмосферата е интензивното изсичане на горите. He малко е влиянието на земеделието и животновъдството за повишаване на концентрациите на метан в атмосферата. Драстично е нарастването на емисиите на СО2 с развитието на промишлеността и индустриалното производство в глобален мащаб.
Само за последните 30 години емисиите на СО2 в атмосферата са се удвоили. Съдържанието му се е увеличило от 270 промила в края на XVIII век до 378 промила през 2003 г. Според повечето учени-еколози, ако тези емисии не се намалят чрез ограничаване използването на изкопаеми горива, последиците ще са трагични. Това ще стане при достигане концентрация над 400 промила. Тук трябва да се отчита и възможна дълготрайна промяна на интензитета на слънчевото излъчване, което за съжаление не е постоянно във времето.
Добрите новини са, че изменението на климата може в значителна степен да се забави, ако се използват повече възобновяеми източници на енергия, a не въглища или течни горива – източници на некомпенсиран С02, серни и азотни окиси.
Днес ситуацията е следната: около 82 % от енергийните потребности се задоволяват с изгарянето на нефтопродукти, въглища, уран. Останалите 18 % се разпределят така — 12 % за биомасата и 6 % за хидроцентралите. За да бъде ефективна защитата на околната среда и климата, редица институции подписват договори, екоорганизции поставят ултиматуми, разследващи журналисти съобщават тревожни факти за високите нива на емисиите от вредни газове. Европейската комисия дори създаде проект Бяла книга „Енергия за бъдещето: Възобновяеми източници на енергия”. Там се поставя задачата през 2010 г. 12 % от общия дял на използваната енергия да се падат на алтернативните източници, а площта на слънчевите колектори в Европейския съюз да достигне 100 млн. м². Мероприятията за намаляване на емисиите са свързани главно с намаляване на енергопотреблението в битовия и обществения сектор чрез повишаване на цените за крайния потребител и стимулиране със съответни преференции на въвеждането на алтернативни източници на енергия в домакинствата и промишлеността. Приемат се строги законови изисквания за топлоизолацията на сградите, за икономични и леки опаковки на стоките, понижаване на разхода на гориво на автомобилите, опазване на горите и т.н.
Разпространяват се образователни програми, целящи да информират и стимулират хората към разумно потребление на енергийните ресурси и опазване на околната среда. На много места по света се изграждат демонстрационни центрове и показни инсталации с образователна цел.
Малко теория – или откъде идва всичко…
Можем да използваме Слънцето като енергиен източник, ако познаваме законите на природата. Слънчевото излъчване обуславя почти всички природни процеси и явления, протичащи в атмосферата и върху земната повърхност. То определя интензитета на всички явления, които за нас са естествени — вятър, валежи, фотосинтеза, морски течения и т.н. Форми на съхранена слънчева енергия са въглищата, нефтът и природният газ. Може да се каже, че Слънцето е най-висшият природен закон. Какво представлява Слънцето? Слънцето е звезда с диаметър приблизително 1,4 млн. km, на възраст около 4,5 милиарда години. Тo е източник на лъчение в много широк честотен диапазон, дължащo се на сложни високотемпературни процеси, т.нар. ядрен синтез, които имат като резултат свързването на водородните ядра в хелий. Протичането на тази ядрена реакция дава огромната част от излъчваната енергия. Всяка секунда 700 000 000 t водород се превръщат в хелий, като около 5 000 000 t от тази маса се превръщат в енергия и се излъчват в Космоса. За нас е видим външният слой, наречен фотосфера.
Според съвременните схващания външната част на атмосферата на Слънцето образува слънчева корона с температура около 1 000 000 °С . Но излъчващата повърхност е тази с температура около 6000 °С. Излъчвателната способност на тази повърхност е около 80 000 kWh/m2. Слънчевата енергия , която достига Земята годишно е около 1 000 000 000 000 000 MWh и е около 20 000 пъти повече от общото потребление на енергия в света.
Във всеки момент до външната част на атмосферата на Земята достигат 173 000 х 10 на 12-та W. От тях около 30 % (52 000 TW) се отразяват обратно в космоса. Това отражение се нарича албедо.
Останалите 70 % или около 121 000 000 GW се поглъщат от Земята и нейната атмосфера. Част от тази енергия се преобразува в механична – ветрове, кръговрат на водата в природата, морски течения и много други.
Съществува периодичност в интензитета на слънчевата активност във времето. Тя е следствие на цикличното изменение на вътрешната активност на Слънцето.
Наклонът на оста на въртене на Земята спрямо равнината на нейната орбита определя различно огряване от Слънцето на определена земна повърхност през годината. Той също се мени с времето. Това явление се нарича прецесия. Друга особеност на въртенето на Земята около Слънцето е, че то става по орбита с форма на елипса. Средното разстояние между Земята и Слънцето е 149 500 000 km, като през годината се изменя с 5 000 000 km. Най-малкото отстояние между двете тела в северното полукълбо е през зимните месеци. Изглежда нелогично зимата да е точно тогава, когато Земята е най-близко до Слънцето.
Това е само на пръв поглед, тъй като сезоните не са пряко свързани с относителното разстояние между Земята и Слънцето, а по-скоро с 23.5-градусовия наклон на оста на Земята, който играе главна роля. Ориентацията на оста се запазва относително една и съща в различните части на земната орбита — ефект, пораждащ земните сезони. Когато оста е наклонена в посока към Слънцето, северното полукълбо получава повече светлина отколкото южното и там е лято, докато в обратния случай, когато оста е наклонена в посока обратна на Слънцето южното полукълбо получава повече светлина.
Ha външната страна на атмосферата на Земята интензитетът на слънчевото лъчение е около 1360 W/m2. Измервани са върхови стойности и над 2 100 W/m2. Преобладаващата стойност на този интензитет във времето се приема като единствена стойност при изчисленията и се нарича слънчева константа. По-малко от половината от енергията (около 40 %) е съсредоточена във видимия обхват. Около 10 % се падат на ултравиолетовите лъчи, а останалата част (около 50 %) е заета от инфрачервените лъчи. При преминаване през атмосферата значителна част от това лъчение се разсейва и се поглъща от прах, влага и различни газове.
Количеството енергия, падащо върху определена повърхност зависи от ъгъла, под който падат лъчите през атмосферата (т.е. от дължината на пътя им през атмосферата) и от наклона на повърхността спрямо тези лъчи. Така малката височина на Слънцето, съчетана с отслабване на енергията на слънчевия лъч, изминаващ по-дълъг път в атмосферата, води до намаляване на притока на слънчево лъчение през зимата. И обратно, през лятото има значителен приток на слънчева енергия поради голямата височина на Слънцето и по-къс път на лъча до повърхността на Земята
По света се правят много и най-различни измервания на слънчевата активност и на енергията, достигаща до земната повърхност. Различни фирми и организации създават подробни карти за разпределението на слънчевото лъчение върху земната повърхност.
Вижда се, че България попада в пояс с относително по-малко от средното количество получавана енергия от Слънцето. Така например за София дневният максимум на прякото слънчево лъчение през зимата е 244 W/m2, а през лятото – 700 W/m2. Освен пряко лъчение, върху дадена повърхност пада и дифузно лъчение. To възниква в резултат на различни видове отражения на слънчевите лъчи от атмосферата и от повърхността . Така например през облачен зимен ден интензитетът на дифузното лъчение е в границите на 50 – 100 W/m2. Сборът от стойностите на прякото, отразеното и дифузното лъчение дава енергията, която може да се събере от дадена повърхност в даден момент. При благоприятни условия могат да се достигнат стойности 950- 1100 W/m2. За България годишният приток на дифузно лъчение е почти равен на притока от прякото лъчение. През зимата дифузното лъчение представлява по-голямата част от общото лъчение (65 – 70 %), като интензитетът му е равномерно разпределен върху територията на страната.
Данните показват, че възможността за използване на слънчеви инсталации в България е реална поради добра продължителност на слънчевото греене — 2000-2500 часа, и мощност от порядъка на 1500 kWh/m2 за година.
Счита се, че сумарно дневно лъчение от 3,5 kWh/m2 е долната граница на икономически изгодното използване на слънчеви водонагреватели. Вероятността за стойности над тази граница прави тяхното използване рентабилно. Такива месеци са:
– април 52 % от дните;
– май 71 %;
– юни 82 %;
– юли 91 %;
– август 88 %;
– септември 73 %;
– октомври 24 %.
През месеците, които не са посочени по-горе, изградена слънчева инсталация ще дава макар и по-малко, но безплатна топлинна енергия. Още повече, че за самостоятелно изработване на една слънчева инсталация не са необходими много средства. Парите, вложени в това начинание не трябва да се разглеждат само като разход, а като инвестиция, която се възвръща със сигурност, макар и по-бавно.
Парниковият ефект в слънчевите системи
„Парниковият ефект” е основното физично явление, което се използва при построяването на повечето слънчеви инсталации. На фигурата по-долу е показан частичен разрез на слънчев колектор с еднослойно стъклено покритие.
Голяма част от слънчевите лъчи преминават през прозрачното покритие и достигат до повърхността на колектора. Там една част от тях се поглъща от черната повърхност, а другата се отразява обратно. Погълнатите лъчи започват да повишават температурата на черната повърхност. Тогава от двете й страни започват да се излъчват инфрачервени лъчи. Те се отразяват в голяма степен от стъкленото покритие на колектора обратно към черната повърхност и я загряват още повече. С продължаване на облъчването температурата на абсорбера расте. Нараства и интензитетът на излъчването на инфрачервени лъчи. Прозрачни материали като стъкло и някои пластмаси отразяват добре топлинните лъчи с дължина на вълната от 4 до 70 микрометра, които се образуват в следствие на нагряването на черната повърхност, като същевременно пропускат светлинните лъчи с дължина на вълната от 0,25 до 2,5 микрометра.
Естествено е да се предположи, че за усъвършенстване на абсорбиращата повърхност днес се работи за производство на материали, които имат висок коефициент на поглъщане на лъчите и слабо собствено излъчване при нагряване. Това се постига с използването на т.нар. селективни повърхности.
Дейността в това направление е в няколко посоки:
– усъвършенстване на черното покритие на колектора, за да се намали отражението на лъчите от абсорбиращата повърхност;
– усъвършенстване на черното покритие на колектора, за да се увеличи поглъщателната му способност;
– увеличаване на ефективната повърхност на колектора, като се създават макро- и микроформи върху абсорбиращата повърх-ност;
– подобряване на топлопроводността от абсорбиращата част към топлопренасящия флуид за бързо отвеждане на топлината.
Тенденции
Намаляването на потреблението на енергия в жилищата е важна част от предвидените мерки за намаляване на емисиите на газове, предизвикващи „парников ефект”. To трябва да бъде 8 % през 2008 – 2012 г. (еквивалентно на намаляване на количеството на С02 в атмосферата на 335 Mt) спрямо стойностите през 1990 г., съгласно Протокола от Киото. 2012 година остана назад в миналото и дали приетите мерки са спазени ние не знаем и не можем да кажем. Това, което знаем ние е, че най-големият краен потребител на енергия при домакинствата са отопляваните площи. В страните от Европейския съюз те имат дял от 69 %, следвани от системите за затопляне на вода (15 %). Електрическите уреди, включително осветителните, достигат до 11 % от общото потребление, а готвенето само 5 %.
През 1997 г. общото крайно енергийно потребление в EC е с около 930 Mt енергиен еквивалент на изхвърлян СО2. 40,7 % от общото енергийно търсене се реализира в жилищата. Като цяло се наблюдава увеличаване на нивата на потребление на енергия за м² жилищна площ.
Между 1985 и 1997 г. средният размер на европейското жилище също се увеличава от 83 на 87 м². Това съответно води и до повишаване на потреблението. През 90-те години в сферата на услугите потреблението на енергия за м² се повишава по-бързо, отколкото в обитаваната жилищна площ.
В много сгради е налице обещаващ потенциал за намаляване на емисиите на СО2 и енергоспестяване чрез интегриран подход при задоволяване на енергийните потребности. Прилага се външна топлоизолация на сградата, съчетано с екологично чисто енергопроизводство. Този вид на производство на енергия трябва да бъде децентрализирано и приложено на обекта. Сред посочените инсталации, свързани със строителния сектор, на първо място са тези с възобновяеми енергоизточници. Ползата от въвеждането на инсталации от такъв тип в сградите е налице от много години.
В „Бялата книга” за възобновяемите енергоизточници се посочва, че общият капацитет за 100 млн. м² слънчеви колектори може да бъде достигнат до 2010 г. (за 1995 г. е 6,5 млн. м²). Висок е делът на локалното производство на топла вода (50 %), сградното отопление е 11 %, големите колектори заемат 19 %. От общия капацитет 3 GW, по-големият дял се пада на мрежово свързани-те инсталации, включени в структурата на сградите (покриви или фасади). Въпреки известния напредък в последните години, все още това е само възможност за използване на слънчевата енергия в сградите.
По данни на европейска организация, занимаваща се с възобновяеми енергийни източници (АЕЕ, Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE, A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19, Austria, e-mail: w.weiss@aee.at), производството и въвеждането в експлоатация на нови слънчеви инсталации по света нараства непрекъснато. Комбинацията на слънчеви системи за загряване с краткосрочно акумулиране на топлина и добра топлоизолация на сградите позволява да се постигне значително намаляване на разходите за отопление и затопляне на вода за битови нужди.
От друга страна, така изградените системи са по-евтини от системите за дългосрочно съхранение на топлината, което оправдава тяхното масово приложение.Като цяло площта на слънчевите колектори при комбинираните системи е по-голяма, тъй като получената енергия се използва в две посоки (за отопление и за затопляне на вода за битови нужди). Също така там има и два източника на енергия — слънчев колектор и бойлер, използващ електричество, течно или твърдо гориво, биомаса, които се явяват спомагателни при ниски температури. Тези системи са по-сложни, съдържат няколко подсистеми за контрол и взаимодействие.
Проектите не винаги отчитат местния климат и практика. Ето защо през декември 1998 г. експерти от 8 европейски страни и САЩ и фирми в този бранш започват съвместна работа по оптимизирането и стандартизирането на комбинираните системи за еднофамилни и многофамилни жилищни сгради.
Заслужава да се отбележи амбициозната програма за намаляване на енергопотреблението в Дания, където са си поставили задачата до 2020 г. потреблението на енергия от традиционните енергийни източници да се намали с 33 % и да се разшири делът на енергията, получавана от алтернативните.
Твърде възможно е да се запитате защо трябва да знаем цялата тази информация. Отговорът е повече от прост: НЕ трябва. Ние в Медитех вярваме и знаем, че да се гледа едностранчиво е невъзможно в днешно време, че всичко е свързано и колкото по – запознат е клиентът с изделието или услугата, която предлагаме, възможността той да ни потърси и заедно да достигнем до разумно решение нараства скокообразно.
Доколкото е възможно – нека обобщим: Енергията, доставяна от слънчевите инсталации за битова гореща вода варира в много широки граници, взависимост от изпълнението и площта на колекторите, обема на резервоарите, потреблението и климата в съответния географски район. Опитът показва, че добре оразмерена слънчева инсталация за производство на БГВ от среден ценови клас води до икономии от 70% – 80%. Възможни са и по – високи икономии в случай, че домакинството има възможност да инвестира в по-качествени компоненти.
Използвани са части от книгата “Слънчеви колектори и системи” на инж. Дечко Дечев