Альтернативные источники солнечной энергии в многоквартирном доме



Рассматривается задача ознакомления с такими альтернативными источниками энергии, как солнечные панели и батареи, а также возможностью их применения в жилых многоквартирных домах с перспективой создания энергоэффективных помещений, не подключенных к электрической сети. Цель работы: показать, что представляют из себя солнечные панели, возможность их применения на жилых многоквартирных домах в странах Европы и США, которые питаются практически автономно, пытаясь не прибегать к другим источникам питания. Также рассмотрение перспектив развития данной отрасли энергетики в России, на примере уже существующих сооружений в некоторых городах страны с последующим внедрением данной технологии на большей части территории нашей страны, для улучшения как энергоэффективности сооружений, так и экономики в целом.

Ключевые слова: электроэнергетика, альтернативные источники энергии, солнечная энергия, солнечные батареи, жилые дома

По мнению специалистов, дефицит углеводородов уже в ближайшее десятилетие начнет оказывать влияние на мировую экономику и экономику России в частности [1]. Нехватка природных ресурсов неизбежно приведет к постепенному росту цен на энергоносители [2]. По мнению некоторых ученых предотвратить такой ход событий можно, используя альтернативные источники энергии в России. Минэнерго рассчитывает, что к 2020 г. на электроэнергию из возобновляемых источников придется 4,5 % от общей выработки в стране. На территории России множество отдаленных районов, подключение которых к центральным электросетям и газовым магистралям затруднено, то идея использования альтернативных источников энергии, кажется наиболее удачным и перспективным выбором решения проблемы электроснабжения.

Теоретическая часть

При расчете систем на солнечных батареях, солнечных коллекторах и т. д. первостепенное значение имеет фактическая инсоляция, которая может быть определена лишь на основе наблюдений. Фактическая инсоляция на тот или иной участок поверхности зависит от ее ориентации относительно юга, угла к горизонту, конфигурации застройки вокруг, деревьев, температуры, но самое главное — широты местности [3]. Карта солнечной инсоляции России приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Карта солнечной инсоляции России

Инсоляцией (от латинского in solo — выставляю на солнце) называется облучение параллельным пучком лучей, поступающих с направления солнечного диска. Она значительно изменяется при переходе от одной точки земной поверхности к другой. Просторы Кубани получают значительно больше света, чем, например, Москва, Казань или Якутск.

Перспективы ипроблема альтернативной энергетики вРоссии

Перспективы развития мировой энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей и с попытками уменьшения доли жидкого топлива. Поскольку истощение ресурсов в мировом масштабе заставляет государства вырабатывать ресурсосберегающую политику на основе использования вторичного сырья, на сегодняшний день около 1/3 всей массы используемых в мире металлов — алюминия, меди, цинка, свинца и олова — добывается из отходов и вторичного сырья. Отсюда и вытекает главная проблема альтернативной энергетики, которая и заключается в том, что Россия очень богата на минеральные ресурсы, где электричество, которое получают путём сжигания земных недр — угля, газа и нефти. Не выгодно устанавливать дорогие солнечные панели, где уже проведены линии электроэнергии [4].

Альтернативная энергетика за рубежом

В настоящее время 72 % населения Европы проживает в городских районах, и эта доля, по данным ООН, к 2050 г. вырастет до 84 %. Это ведет к увеличению потребления электрической и тепловой энергии. Решением проблемы энергосбережения может стать создание так называемых «Смарт–городов» с низким энергопотреблением и высокой долей энергии, получаемой от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), и ее эффективным управлением [5]. Это согласуется со стратегическими целями Евросоюза по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу на 20 % к 2020 году, в том числе за счет перехода энергетики от ископаемого топлива на ВИЭ. Использование солнечной энергии для получения тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения также достаточно эффективно, однако большинство зданий в настоящее время получают тепло от котельных, работающих на ископаемом топливе [6]. Анализ 8005 муниципалитетов в Испании показал, что 70 % потребностей в горячей воде может быть покрыто за счет солнечных коллекторов. Для этого понадобится площадь, равная 17 % от общей площади крыш. В Барселоне (Испания) уже 60 % энергии для нагрева воды получают от солнца. Данная технология используется при строительстве всех новых зданий и внедряется при капитальных ремонтах. Сегодня основными двигателями «зеленого» строительства являются США, Германия, Сингапур, т. е. самые «инновационные» страны. Они уже оценили, насколько экономически выгодно сооружение «зеленых» зданий, в том числе, в плане их конкурентоспособности на рынке недвижимости, причем на долгую перспективу. Повышение цен на коммунальные платежи и разработка программы по конфискации имущества у должников — по этим двум причинам в Лос-Анджелесе уже стоят дома с нулевым потреблением энергии. В многоквартирном доме Hanover Olympic, счета на электроэнергию ниже на 100$, по сравнению с аналогичными соседними зданиями. На такие цифры удалось выйти после установки 215 солнечных панелей, которые дают каждой квартире 3 кВт бесплатного электричества [7]. Например, в Германии ведется строительство поселка Хайдельберга — самого крупного в мире жилого комплекса. Для строительства какого–либо общественного объекта весьма сложно найти идеальное место, вот и новое здание средней школы «Greendot Animo Leadership school» расположилось совсем недалеко от международного аэропорта Лос–Анджелеса (США) и проходящего рядом скоростного шоссе.

Солнечные батареи нового поколения

Швейцарские физики продемонстрировали работу нового поколения солнечных батарей, обладающих рекордно высоким КПД и при этом остающихся достаточно дешевыми по сравнению с обычными фотоэлементами [8]. Лауреат Нобелевской премии по физике Жорес Алфёров придумал, как удешевить стоимость солнечных батарей вдвое. Теперь в основе солнечных батарей будут использоваться полупроводниковые гетероструктуры, открытые учёным еще в 60–х годах. Производство новых солнечных батарей начнётся в Новочебоксарске в середине 2016 года. Конструкция солнечных панелей нового поколения и их гетероструктура представлены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.

Рис. 2. Конструкция солнечной панели нового поколения

Рис. 3. Молекулярный состав солнечных панелей нового поколения

Perovskite — солнечные батареи, одни из самых захватывающих зеленых энергетических технологий, появившихся в последние годы, сочетая низкую стоимость с коэффициентом конверсии высокой энергии. Теперь исследователи из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL) нашли способ сократить их стоимость еще дальше, разработав материал, уносящие электрический заряд, который намного дешевле, очень эффективный, и даже может помочь решить текущую главную слабость этой технологии за счет значительного удлинения срока службы панелей [9].

Солнечные батареи нового поколения применили при постройке энергоэффективной школы. Южный фасад школы покрывают 650 солнечных панелей, обеспечивающих 75 % потребляемого школой электричества, при этом снижается выброс углекислого газа на три миллиона фунтов (более 1,3 миллиона килограмм). Школа, рассчитанная на обучение 500 человек, обладает множеством открытых террас и небольших атриумов — подобная конструкция здания способствует естественной вентиляции и освещению помещения, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на освещение и кондиционирование. [10]. Жилой комплекс будет полностью энергоэффективным за счет оборудованных солнечных панелей нового поколения. Вид школы представлен на Рис. 4.

Рис. 4. Школа из солнечных панелей

Альтернативная энергетика вРоссии

Ранее используемые методы «забора» энергии из альтернативных источников сменились на более современные [1]. Сегодня выпущенные промышленно солнечные коллекторы и солнечные батареи устанавливают в солнечных регионах нашей страны [4]. Альтернативные источники энергии в России решат такие проблемы, как экология и экономия топливных ресурсов страны для использования их в других промышленностях. На рис. 5 представлен план размещения солнечных панелей на многоэтажке в России.

Рис. 5. План размещения солнечных панелей в многоэтажках России

Такое размещение облегчит и удешевит монтаж и эксплуатацию, так как всегда есть прямой доступ со стороны крыши без альпинистского снаряжения, не занимает дополнительного места и не требует сложных систем крепления и ориентации на солнце, обеспечивает площадь до 70 м2 фотоэлементов на каждый подъезд, вертикальное размещение панелей обеспечит меньшее оседание пыли и осадков в виде снега, а также достаточный поток солнечной энергии в зимнее время за счёт высокого альбедо поверхности земли и, соответственно, более высокого уровня рассеянного света.

Возможно применение тонкоплёночных солнечных панелей, которые лучше функционируют при непрямом, рассеянном солнечном свете, нежели традиционные панели на основе кристаллического кремния. Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Вт на 1 м2 (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Вт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16–20 %) в среднем можно получить 163,2 Вт на квадратный метр [11]. В России альтернативная энергетика пока не получила массового характера — соответствующих директив у нас не принимается. С учетом кризиса, роста коммунальных платежей в сознании инвесторов происходит «переоценка ценностей» — они начинают проявлять интерес к «нулевым» зданиям. Например, первым «нулевым» офисным зданием в России, сертифицированным в соответствии с международными стандартами, стал 14 — этажный офис «Дукат Плейс 3», построенный в 2007 году в Москве компанией «Хайнс». Применение систем энергосбережения позволило снизить потребление электроэнергии в зданиях на 35 %. Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Вт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже. Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Поскольку в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.

Заключение

Подводя итоги видно, что солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку. Рассматриваемые инженерные решения использования солнечных панелей для экономии электроэнергии в многоэтажных домах, дают почву для расширения применения их при строительстве «нулевых» домов, что в свою очередь дает надежду на увеличение спектра использования ВИЭ по всей территории России.

Литература:

1. Альтернативные источники энергии в России: современные реалии и потенциал развития // Альтернативные источники энергии. URL: http://www.energya.by/ alternativnyie-istochniki-energii-v-rossii-sushhestvuyushhie-realii-i-potentsial-razvitiya (дата обращения: 4.03.2017).
2. Виниченко В.. Живая планета // Живая планета. — 2008. — №. — С. 1–48.Альтернативные источники энергии в России: современные реалии и потенциал развития // Альтернативные источники энергии. URL: http://www.energya.by/ alternativnyie-istochniki-energii-v-rossii-sushhestvuyushhie-realii-i-potentsial-razvitiya (дата обращения: 4.03.2017).
3. Солнечная радиация // Net220. URL: http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radiaciya_tablicy_insolyacii/ (дата обращения: 4.03.2017).
4. Бердиев Г. И., Мусурмонкулов М. У. Горизонты использования альтернативных источников энергии // Молодой ученый. — 2014. — № 4. — С. 473–475.
5. Smart City — концепция «идеального города» // Smart City. URL: http://city-smart.ru/info/121.html (дата обращения: 4.03.2017).
6. Мырзакулов Б. К. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии // Наука, новые технологии и инновации. — 2013. — № 7. — С. 18–24.
7. В США построили первый многоквартирный «нулевой» дом // ЭкоТехника. URL: http://ecotechnica.com.ua/arkhitektura/1268-v-ssha-postroili-pervyj-mnogokvartirnyj-nulevoj-dom.html (дата обращения: 4.03.2017).
8. Солнечные батареи нового поколения // Econet. URL: http://econet.ru/articles/94985-solnechnye-batarei-novogo-pokoleniya (дата обращения: 4.03.2017).
9. Kadyrov L. S., Zhang T., Zhukova E. S., Anzin V. B., Trotsenko V. G., Torgashev V. I., Dressel M., Gorshunov B. P. Bandlike electrical transport in Pr1−xCaxMnO3 manganites // Physical Review B. — 2016. —V.93. — P. 184303–184311.
10. Green Dot Charter High School // Brooksscarp. URL: http://www.brooksscarpa.com/green-dot-charter-high-school (дата обращения: 4.03.2017).
11. Перспективы солнечной энергетики // Альтернативная энергетика. URL: https://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/507-solnechnaya-energetika-elektrostancii-perspektivy.html (дата обращения: 4.03.2017).