А.БАЛАГАНСКИЙ (ученик 11-го класса),
школа № 26, г. Улан-Удэ, Республика Бурятия.
Руководитель Е.М.САВЕЛЬЕВА

Использование и перспективы энергоэффективных технологий

2-е место на VI всероссийской олимпиаде «Созвездие», г. Королёв, Московская обл., 20.04.05

(Печатается в сокращении. – Ред.)

Актуальность проблемы состоит в том, что в комплексе экологических проблем Бурятии энергетика занимает одно из ведущих мест. Территория республики находится в зоне режима особого природопользования, и развитие электроэнергетики должно осуществляться при условии сохранения экосистем и природного комплекса озера Байкал, включённого в список мирового природного наследия. Всё более жёсткие требования к охране окружающей среды, с одной стороны, и возрастающие потребности людей в энергии, с другой, требуют рационального использования ресурсов.

Научная значимость темы заключается в обосновании разработки энергоэффективных технологий с использованием такого экологически чистого источника энергии, как Солнце.

Достоинства и недостатки региона с точки зрения внедрения солнечных установок

Проблема возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится одним из наиболее актуальных направлений устойчивого развития региона. Дело не только в ограниченности ископаемых энергоносителей (по наиболее оптимистичным прогнозам, их хватит лишь на настоящий век – сегодня за час сжигается ископаемое топливо в объёме, накапливаемом Землёй тысячи лет) и не в стремительном росте цен на углеводородсодержащее топливо. Главной причиной тревоги политиков и специалистов-экологов являются необратимые последствия сжигания топлива для окружающей среды.

Международная конференция по возобновляемой энергетике в Бонне (2004 г.) собрала представителей более сотни стран – представителей правительств и парламентов, неправительственных организаций, а также специалистов. Были выявлены различные направления развития и технологические решения, которые отражали экономические и географические особенности различных континентов и регионов. Доля возобновляемых источников энергии (воды, ветра, Солнца, биомассы и др.) в энергетическом балансе стран Европейского союза составляет около 6%, 16% приходится на атомную энергию, остальное – на ископаемые энергоносители. к 2010 г. Европейская комиссия ориентирует на достижение 12% ВИЭ. Особенно недостаточно энергообеспечение населённых пунктов, удалённых от центра, и основных транспортных магистралей. Из-за больших расстояний, характерных для России, стоимость транспортных издержек в цене тонны нефтепродуктов или угля становится существенным фактором. Централизованное же газоснабжение для таких поселений экономически не оправдано из-за больших инвестиционных затрат и малого потребления.

Только использование энергии Солнца, да и то с известными ограничениями, почти не меняет теплового баланса Земли – ни воздух, ни вода при этом не загрязняются. Анализ по Сибири и Уралу показал, что в этих регионах больше всего получает солнечной энергии Бурятия. Любопытны сравнительные замеры солнечной радиации на 55-й широте – на севере Прибайкалья и на станции Эксдейлмьюир в Англии: мы богаты солнцем в 2,6 раза больше. Однако в Англии уже 30 лет работают солнечные системы горячего воздухо- и водоснабжения, причём с высокой эффективностью – топлива экономится до 60%.

Почему же в Бурятии не используются нетрадиционные источники энергии? Во-первых, не заинтересованы потребители – из-за повышенных по сравнению с традиционной энергетикой первоначальных вложений, поскольку серийное оборудование для нетрадиционной энергетики почти не выпускается. Во-вторых, у нас нет системы экономического стимулирования, которая бы компенсировала потребителям начальные расходы. А именно так делается в странах, где достигнуты большие успехи в использовании ВИЭ. В-третьих, крохи выделяются на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы – это ещё один сильный тормоз.

Солнечную энергию используют для выработки тепла и электроэнергии. Из солнечных электростанций (СЭС), которые напрямую преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию, сегодня наибольшее внимание уделяется станциям на фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях) на основе кремния монокристаллического, поликристаллического и аморфного. Эти СЭС обладают уникальными свойствами: не загрязняют воздух, не требуют топлива, а стало быть, не образуют отходов. Они могут работать даже при рассеянном свете и отрицательных температурах. У них большой срок (до 30 лет) и высокая безопасность эксплуатации. Из-за этих явных преимуществ им отдаётся предпочтение во многих странах – в Японии, США, Германии, Канаде, Австралии.

А если в сельском хозяйстве заменить дизельные электростанции на фотоэлектрические, то это не только оздоровит экологическую обстановку, позволит сэкономить топливо, улучшить условия труда, но и высвободит множество транспортных единиц, которые сегодня обслуживают бесчисленные котельные. Вот некоторые показатели различных энергоустановок на 1 МВт выработанной ими электроэнергии (см. также табл. 1):

• Угольные ТЭЦ выбрасывают в атмосферу 25 кг вредных веществ, потребляют до 60 м³ свежей воды, а сбрасывают до 0,5 м³ грязной; оставляют до 0,5 т твёрдых отходов, изымают из обращения 1,5 га земли и требуют 30%-ной доли затрат на охрану природы в структуре основных производственных фондов.

• Мазутные ТЭЦ: соответственно 15 кг вредных выбросов, 35 м³ свежей воды, 0,2 м³ сточной (столько же твёрдых отходов), 0,8 га земли и 10%-ная доля затрат на охрану природы.

• Гидроэлектростанции (ГЭС) – 100 га земли, 2%-ная доля затрат на охрану природы.

• Атомные электростанции (АЭС) – 90 м³ свежей воды, 0,5 м³ загрязнённой, 50%-ная доля затрат на охрану природы.

• Ветровые электростанции (ВЭС): до 10 га земли, 1%-ная доля затрат на охрану природы.

• Биоэнергетические электростанции (БЭС): до 10 кг вредных выбросов, 20 м³ свежей воды, 0,2 м³ сточной, столько же килограммов твёрдых отходов, до 10%-ной доли затрат на охрану природы.

• Солнечные (СЭС): только 2 га земли.

Таблица 1.

Сравнение типов электростанций

Как видно, именно солнечные электростанции – самые экологически чистые, они требуют только отвода земли.

Перспективы солнечной энергетики в Бурятии (19.10. 2004 г., директор Института солнечной энергетики Валентина Табановна Тайсаева, г. Улан-Удэ)

Потребность в небольших солнечных электростанциях настолько велика, что их дороговизна вовсе не препятствие для внедрения. Уже сегодня стоимость энергии, которую они вырабатывают, сопоставима с «продукцией» атомных станций. А если бы на фотоэнергетику отпускали хотя бы 5–10% от суммы, что вкладывается в атомную, эта стоимость была бы значительно ниже.

Сдерживающим фактором для использования СЭС является недостаток исходных материалов, в частности, кремния высокого качества. Чтобы решить эту проблему, можно использовать залежи чистого природного кварца. Например, в Бурятии могут быть задействованы кварциты Черемшанского рудника (Прибайкальский район). Это уникальное месторождение является одним из крупнейших и чистейших в мире. Именно его чистота – содержание бора и фосфора минимально – позволяет отказаться от традиционной экологически грязной технологии. Чистоту кварцитов подтвердили и анализы, сделанные в Германии, – специалисты фирмы «Сименс» дали высокую оценку «кварцу Байкала».

Бурятия, с её непревзойдёнными запасами сырья (кварца, известняка, графита), могла бы – первой в России – выйти на мировой рынок и с кремнием-сырцом солнечного полупроводникового качества, и с уже готовыми фотоэлементами. При серийном производстве их себестоимость можно снизить в 5–6 раз. По самым скромным подсчётам, если бы мы заставили работать ВИЭ и в сельском хозяйстве, и в соцкультбыте, республика ежегодно бы экономила до 50 тыс. т нефти и 20 тыс. т угля, исчезли бы бесчисленные неэкономичные мелкие котельные, удельный расход условного топлива в которых превышает 300 кг/Гкал, и снизилось бы загрязнение атмосферы.

Районы Бурятии очень благопрятны с точки зрения уровня солнечной радиации: ежегодно более 1200 Квт ^. ч/м² – на половине территории республики, 1300 кВт ^. ч/м² – на территории Ильчир (Окинский район), 1650 кВт ^. ч/м² – на территории ст. Кяхта. Многие районы находятся в зонах децентрализованного электроснабжения. Из-за низкой плотности населения (до 4 чел./км² – в Северобайкальском, Баунтовском и Окинском) строительство крупных электростанций и линий электропередачи экономически невыгодно и в ближайшее десятилетие неосуществимо. Устойчивое электроснабжение в этих районах может быть обеспечено за счёт комбинированного использования электроэнергии, а также энергии дров, солнца и ветра. Эти районы являются одними из перспективных по внедрению солнечных установок для горячего водо- и воздухоснабжения.

Правительством республики утверждена программа «Развитие нетрадиционной энергетики». Подсчитано, что только строительство солнечных приставок к котельным позволит исключить работу с марта по октябрь 350 электрокотлов в сельских районах и 969 котельных на твёрдом топливе на побережье Байкала. Используя только 5% технического потенциала возобновляемых источников энергии в ближайшие годы можно сэкономить
330 тыс. т органического топлива в год, исключив при этом губительные для здоровья людей и состояния окружающей среды выбросы углекислого газа.

Опыт использования солнечной энергии в Бурятии (18.11 2004 г., директор Центра энергоэффективных технологий (ЦЭФТ) Геннадий Павлович Касаткин)

В республике сложились благоприятные условия для эффективного использования возобновляемых источников энергии: высокий уровень солнечной радиации, стремительный рост цен на энергоносители, активная поддержка правительства республики, а также успешная деятельность нашего предприятия, владеющего технологией производства оборудования для использования солнечной энергии и имеющего большой опыт монтажа и эксплуатации солнечных установок.

Достигнутый уровень технологии позволяет преобразовывать солнечную энергию в тепловую, обеспечивая до 80% энергии, необходимой для горячего водоснабжения, и до 50% энергии, требующейся для отопления зданий. Солнечные установки в климатических условиях Байкальского региона могут вырабатывать тепловой энергии 600–700 кВт • ч/м² в год, позволяя экономить за счёт этого до 200 кг угля теплотворной способностью 10 900 кДж/кг, снижать выброс в атмосферу до 700 кг углекислого газа в расчёте на 1 м² солнечного коллектора.

За 5 лет центр освоил собственную технологию изготовления солнечных коллекторов, смонтировал 36 солнечных установок общей площадью 2000 м², которые ежегодно вырабатывают около 10⁶ кВт тепловой энергии и позволяют исключить 1500 т вредных выбросов в атмосферу. Такими установками оснащены детские сады, школы, больницы, дома отдыха, пансионаты, промышленные предприятия, жилые дома.

До 2003 г. мы выпускали солнечные коллекторы со стальной поглощающей панелью в гелиоустановках в основном для горячего водоснабжения. Сейчас осваиваем технологию изготовления солнечного концентратора, солнечной кухни, солнечной душевой установки.

В 2003 г. освоен выпуск пластиковых коллекторов из сотового полипропилена, которые значительно дешевле металлических и проще в изготовлении. Их можно использовать также и как элемент отделки фасадов зданий, и как утеплитель наружных ограждающих конструкций, что существенно сокращает стоимость здания с гелиосистемой.

Спроектирован и строится экспериментальный экологический жилой посёлок в пригороде Улан-Удэ. На жилых домах применяются разные варианты систем горячего водоснабжения и отопления (воздушные системы гелиоотопления, системы с греющей стеной, совмещённые системы, системы с солнечными коллекторами на кровле и в стенах зданий, солнечные теплицы и др.).

В экспериментальном посёлке введены в эксплуатацию три жилых дома (два из них – с солнечными установками и для горячего водоснабжения, и для отопления) с вертикальным расположением солнечных коллекторов и с естественной циркуляцией теплоносителя. Солнечный коллектор вмонтирован в наружные ограждающие конструкции, что обеспечивает чистоту поверхности прозрачного покрытия коллектора при любой погоде; дополнительное утепление стены дома; достаточную для горячего водоснабжения работу установки в летний период при большой площади коллектора; более эффективную работу установки в зимний период (при «низком» солнце); возможность использовать отражённое от снега излучение Солнца; быстрый прогрев солнечного коллектора за счёт уменьшения инерционности системы; резкое снижение стоимости солнечной установки.

Срок окупаемости солнечных установок 2–6 лет. Применение пластикового солнечного коллектора и использование его в качестве элемента отделки фасада здания позволяет снизить срок окупаемости до 1–3 лет.

Всё, что сделано ЦЭФТ, значительно в рамках одного небольшого предприятия, но ничтожно мало в масштабах страны. Чтобы достичь серьёзных результатов в области использования солнечной энергии, нужно объединить усилия, поднять эту проблему на уровень государственной политики, как это делается в развитых странах, принять закон, регламентирующий и регулирующий деятельность, связанную с использованием возобновляемых источников энергии.

Принцип работы солнечной водонагревательной установки (СВУ)

Круглогодичная СВУ состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор по трубкам циркулирует теплоноситель (антифриз). Он нагревается за счёт энергии Солнца и затем отдаёт тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке горячая вода хранится до момента её использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В баке-аккумуляторе может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублёр. В случае понижения температуры в баке ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублёр включается автоматически.

Схема круглогодичной солнечной водонагревательной установки

Результаты деятельности ЦЭФТ

1. Детский социальный приют и детский сад (п. Иволгинск) – пионеры среди объектов Бурятии, оснащённых солнечными коллекторами. Вода, нагревшись за день, и ночью сохраняет тепло, т.к. система по своему устройству напоминает обычный термос. В приюте вода привозная, поэтому горячее водоснабжение здесь бывает только в тёплое время года: трубы, проложенные неглубоко под землёй, зимой промерзают. В детском саду водоснабжение централизованное, и установка стабильно работает уже третий год, вода нагревается до 60 °С, летом идёт почти кипящая. Если зимой энергии солнца не хватает, то автоматически включаются установленные здесь же тэны. Экономия электроэнергии около 35%. Единственные затраты – на приобретение раз в год 5 л тосола и щётки для сметания снега с солнечных коллекторов.

Детский сад в Иволгинске. На переднем плане – солнечные коллекторы

Срок действия подобных установок 10–15 лет. За сутки дошкольное учреждение получает 2 тыс. л горячей воды, что вполне хватает на хозяйственные нужды. Солнечный коллектор стоит 200 тыс. руб., но затраты оправдываются уже через два года.

2. Район Верхняя Берёзовка. В экспериментальном посёлке установлены первые дешёвые пластиковые коллекторы. К примеру, для дачников солнечная установка, способная нагреть 50 л воды, будет обходиться всего в 400–500 руб./м². К тому же новые пластины легче металлических: вес около 20 Н, против 300 Н. В каждом из двенадцати (пока) домов смонтирована своя установка, частично заменяющая отделку фасада, что позволило сократить расходы на строительство дома. Коллекторы пока делаются комбинированными – из пластика и стальных панелей, – но позже будут полностью пластиковыми. Квадратный метр такого коллектора стоит около 2 тыс. руб. и обеспечивает выработку до 500 л горячей воды в сутки. Вертикальные панели поглощают гораздо больше солнечного излучения и способны обеспечивать не только нагрев воды, но и отопление дома. Зимой панель работает эффективнее. Такой установке не страшны ни снег, ни дождь. В планах ЦЭФТ – использование солнечной энергии на объектах соцкультбыта и промышленных предприятиях. Такого уникального оборудования нигде в России ещё нет. За его разработку директор института Г.П.Касаткин в 2003 г. награждён дипломом Министерства энергетики РФ.

Экологический посёлок на Верхней Берёзовке. Стена дома с пластиковыми солнечными коллекторами

В этом же посёлке весной 2004 г. установлена солнечная теплица, посадки в которой можно делать уже в марте. В качестве прозрачного материала используются поликарбонатные листы 2,1 6 м. Одна стена теплицы полностью выложена из выкрашенного в чёрное кирпича. Кирпичная стенка за день нагревается Солнцем, а ночью отдаёт тепло. Грунт прогревается значительно лучше, чем в обычной теплице, поэтому работы можно начинать намного раньше обычного, а заканчивать в ноябре. Растения не перегреваются благодаря тому, что в теплице предусмотрены воздушные заслонки. Плёнка рвётся, стекло бьётся, а поликарбонатный лист даже кирпичом не разобьёшь, поэтому теплица долговечна. К тому же в целях защиты от дачных вандалов листы на зиму можно сворачивать и убирать в надёжное место – они в шесть раз легче оконного стекла!

3. Улан-Удэ, сапоговаляльная фабрика «Наран». Здесь установлено 500 м² солнечных коллекторов (см. Приложение). Если фабрика раньше потребляла до 3 тыс. т угля, то после установки коллектора за зиму – только 600, а сейчас сократила расход до 200 т.

Аналогичные коллекторы установлены на крышах Торгового центра «Сагаан Морин» и цеха завода «Электромашина», а солнечные приставки – на Улан-Удэнской ТЭЦ-2. В общем ЦЭФТ смонтировал более тридцати установок для выработки горячей воды и отопления зданий общей площадью солнечных коллекторов более 2000 м². Годовая выработка тепловой энергии составляет 1460 МВт, что позволяет исключить более 1500 т/год. выбросов в атмосферу.

Солнечный коллектор на фабрике «Наран»

4. Бытовые солнечные устройства

• Солнечная кухня – конструкция, похожая на обыкновенный складной зонтик с отражающей плёнкой на внутренней поверхности (вариант – пластиковый «веер» с зеркальной поверхностью). Солнечная энергия концентрируется внутри «зонтика», создавая высокую температуру. На специальную подставку в центре ставится посуда. Всего за 15 мин на солнечной кухне можно вскипятитьтрёхлитровый металлический чайник, сварить суп. Такие кухни очень удобны в походных условиях – не надо собирать в лесу дрова или везти их с собой. После использования «зонтик» складывается, его можно положить в багажник автомобиля или нести в руках: вес «зонтика» около 30 Н, вес «веера» – около 50 Н. Приблизительная цена такой кухни – около 2,5 тыс. руб. «Если нашей продукцией пользоваться бережно, то она прослужит несколько лет», – уверен её создатель Г.Касаткин.

Солнечная кухня

• Солнечная душевая установка (гелиодуш) – рассчитана на использование в летнее время на дачах, пляжах... Душ состоит из пластикового коллектора, кабинки и двух баков – с холодной и горячей водой. Есть одноместный и двухместный варианты. Под действием солнечного излучения коллектор нагревается, передавая тепло воде в баках (ёмкость 200 л), установленных над душевой кабинкой. В любую минуту можно открыть кран смесителя и принять тёплый душ, лишь бы светило солнце. Заказать такую конструкцию себе на дачу может любой желающий: двухместный полипропиленовый гелиодуш стоит около 20 тыс. руб. Для тех, кто уже имеет кабинку и баки для воды, конструкция может обойтись максимум в 2 тыс. руб.

Солнечная душевая установка

• Солнечный концентратор, способный давать высокотемпературное тепло – горячую воду свыше 90 °С либо пар. Установки более эффективны, чем солнечные коллекторы (см. Приложение), однако требуют для размещения больше места. Их выгодно размещать в небольших посёлках, чтобы обеспечивать горячее водоснабжение. Подобный концентратор вполне может заменить небольшую котельную, так что не надо будет завозить уголь, т.е. решается и экологическая проблема.

Солнечный концентратор

 Расчёт солнечной энергосистемы

Все фотоэлектрические системы (ФЭС) можно разделить на два типа: автономные и соединённые с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит также резервом в случае внутреннего дефицита энергии. Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей (СМ), размещённых на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда-заряда аккумулятора и соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор – преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Под расчётом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и ёмкости АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; параметров соединительных кабелей.

Прежде всего надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее чем в 1,25 раза больше расчётной. Следует иметь в виду, что такой прибор, как компрессорный холодильник, в момент запуска потребляет мощность, в 7 раз больше паспортной. Номинальный ряд инверторов: 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1 кВт) напряжение станции не должно быть менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений.

Следующий этап – определение ёмкости АКБ. Она выбирается из стандартного ряда ёмкостей с округлением в сторону, большую расчётной. А расчётная ёмкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ и глубины разряда аккумулятора (в долях). Например, если суммарная мощность потребителей 1 кВт в сутки, а допустимая глубина разряда АКБ 12 В – 50%, то расчётная ёмкость равна 1000/(12 • 0,5) = 167 А • ч. При расчёте ёмкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и количество пасмурных дней, в течение которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей.

Последний этап – определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчёта потребуется значение солнечной радиации, которое берётся в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования – это декабрь. Взяв из таблицы значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е. условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м².

Например, для широты Москвы и месяца июля значение солнечной радиации составляет 167 кВт • ч/м² при ориентации площадки на юг под углом 40° к горизонту. Это значит, что среднестатистически солнце светит в июле 167 ч (5,5 ч/сут.) с интенсивностью 1000 Вт/м², хотя максимальная освещённость в полдень на площадке, ориентированной перпендикулярно световому потоку, не превышает 700–750 Вт/м². Модуль мощностью P_w в течение выбранного периода выработает энергии W = kP_wE/1000, где E – значение инсоляции за выбранный период, k – коэффициент, равный 0,5 летом и 0,7 зимой. Этот коэффициент вносит поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает изменения наклона падения лучей на поверхность модулей в течение дня. Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведённой выше формулы, легко рассчитать суммарную мощность модулей. А разделив её на мощность одного модуля, получим количество модулей.

Таблица 2.

Технические характеристики установок различного типа, изготавливаемых промышленно в Бурятии

При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветительных приборов использовать (по возможности) только люминесцентные лампы. Такие светильники при в 5 раз меньшем потреблении обеспечивают тот же световой поток, что и лампы накаливания.

Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно солнечных лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20–30%.

 Расчёт производительности гелиоустановки

Q_{отоплен} = 12 000 кВт • ч.

Q_{гор.воды} = 5040 кВт • ч/ год.

Площадь солнечного коллектора = 10 м².

Недостаток тепла 11 188 кВт • ч (зимой).

Избыток тепла составляет 2786 кВт • ч (летом).

Гелиоустановка обеспечивает 85% требуемой тепловой энергии на горячее водоснабжение и 40% – на отопление.

 Расчёт окупаемости* дома

(*0,9 – КПД водонагревателей; 0,16 – стоимость электроэнергии, руб.; 237 сут. – отопительный период; 20 кВт – суточное потребление электроэнергии.)

Горячее водоснабжение

Потребность в горячей воде: 10 чел. • 70 л г.в./сут. = 700 л горячей воды в сутки.

Затраты на электроэнергию: 700 • 60 °С : 0,9 = 46 кВт/сут.;

46 • 0,16 = 28 руб./сут.;

365 • 28 = 10 220 руб. /год.

Солнечная водонагревательная установка обеспечивает 70% экономии электроэнергии, т.е. экономит 7154 руб. Таким образом, оплата горячего водоснабжения составляет 3000 руб.

Отопление

237 сут. • 24 ч • 20 кВт = 113 760 кВт/год;

113 760 • 0,16 руб. = 69 394 руб.

Солнечная система может обеспечить около 50% потребности в отоплении, т.е. экономии на 34 697 тыс. руб./год. Таким образом, окупаемость гелиоустановки на доме № 1 составляет 112 948/(7 154 + 34 697) = 2,7 г. за счёт экономии электроэнергии.

Выводы

<...>

3. Строительство СЭС позволит снизить экономические издержки на энергообеспечение небольших городов и особенно малонаселённых пунктов, где из-за малой плотности населения строительство ГРЭС и ЛЭП невыгодно.

4. В зонах Сибири и Дальнего Востока наибольшее количество солнечной радиации получает именно Республика Бурятия – 1300 кВт/м², – что благоприятно для развития солнечной энергетики (300 ясных дней из 365).

5. СЭС имеют большой срок службы – до 30 лет, – могут работать даже при рассеянном свете и отрицательной температуре, безопасны при эксплуатации, занимают мало места, обладают достаточно высоким КПД (13–15%).

<...>

11. Введение СЭС позволит экономить до 50 тыс. т нефти и 20 тыс. т угля в Бурятии ежегодно, а также высвободить множество транспортных единиц, обслуживающих котельные.

12. Использование СЭС-приставок к котельным позволит исключить использование с марта по октябрь 350 электрокотлов в сельских районах и 969 котельных на твёрдом топливе на побережье Байкала.

13. Использование даже 5% технического потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ), как это происходит сейчас, позволяет экономить 330 тыс. т органического топлива.

14. Солнечный коллектор площадью 1 м² позволяет уменьшить выбросы углекислого газа CO₂ на 700 кг в год.

15. В г. Улан-Удэ на летний период можно остановить работу 45 котельных, обеспечивающих небольшие объекты горячей водой, установив гелиоустановки.

16. Серийный выпуск различных типов гелиоустановок даст возможность широко применять их в быту.

17. Окупаемость СЭС составляет 2,5 г. по горячему водоснабжению и отоплению за счёт экономии электроэнергии.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Использование солнечной энергии за рубежом

В ряде зарубежных стран альтернативные источники энергии с поразительной активностью вовлекаются в энергобаланс, и отставание нашей страны составляет не один десяток лет.

• Германия. Работы по ускоренному переходу на нетрадиционные источники энергии ведутся уже достаточно давно, в основном из-за того, что страна относительно бедна топливом: уголь добывается в основном бурый, низкокалорийный, крупные нефтяные месторождения отсутствуют; оборудование на АЭС по срокам эксплуатации подходит к критической отметке. Но дело даже не в этом – страна в состоянии закупать топливные ресурсы, однако её заботят экологические проблемы, и упор делается на безопасные, экологически чистые виды энергии, при этом низкозатратные. К 1997 г. число электростанций, вырабатывающих электроэнергию из возобновляемых источников, выросло до 18 тыс., а в 1990 г. их было 5600.

• Китай. 75% энергетических затрат покрывается за счёт самого «грязного» топлива – каменного угля, что почти вдвое выше среднемирового уровня, 18% – за счёт нефти (что, наоборот, значительно ниже, чем в других странах). Стало быть, на долю остальных источников – ТЭС на природном газе, ГЭС, АЭС – остаётся всего 7%. Оказывается, Китай является мировым лидером в использовании солнечной энергии – самой чистой, дешёвой и практически неисчерпаемой. Местом этого весьма перспективного начинания стала «крыша мира» – Тибетское нагорье на высоте 3–5 тыс. метров, самая близкая к Солнцу часть нашей планеты. Здесь идеальные условия для практического использования солнечного излучения – воздух чистый, сухой, инсоляция составляет не менее 3000 ч/год. Вот уже более 15 лет китайские учёные и инженеры осуществляют принятую Госсоветом КНР «Программу использования солнечной энергии в Тибете». Созданный там Гелиоцентр занимается как фундаментальными исследованиями, так и опытно-конструкторскими разработками.

В Тибете, по данным на 1997 г., использовалось 50 тыс. бытовых гелиопечей. В новых городских посёлках гелиоустановками отапливалось свыше 150 тыс. квадратных метров жилья. В пригородах Лхасы и Шигадзе функционировало свыше 100 га плёночных гелиотеплиц, солнцем обогревался плавательный бассейн, на энергии светила работала местная наземная станция спутниковой связи.

На этот период Тибетский автономный район ежегодно экономил 100 тыс. т угля. Это позволило, помимо явных экономических выгод, сохранять уникальную природу региона.

• Израиль. Законодательство обязывает строить солнечные установки на крышах – без этого ни одна строительная компания не может сдать объект в эксплуатацию. Похожие программы существуют во всех странах, где проблема поднята на государственный уровень.

• Украина. С 1988 г. на Керченском полуострове работает Крымская СЭС. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов – там, где надо много энергии, но ещё важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего воздуха, целебно для человека. Мощность Крымской СЭС всего 5 МВт. В определённом смысле она – проба сил. Хотя чего ещё надо пробовать, когда известен опыт строительства гелиостанций в других странах?

• Италия. На о. Сицилия ещё в начале 80-х гг. дала ток СЭС мощностью 1 МВт. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приёмнике, расположенном на высоте 50 м. Там вырабатывается пар температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключённым к ней генератором тока. На таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также гораздо больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.

• Испания. СЭС в Алькерии работает по-другому: сфокусированное на башне солнечное тепло запускает натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но позволяет частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность станции всего 0,5 МВт, но на том же принципе могут быть созданы куда более крупные, до 300 МВт. Также важно, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных электростанциях.

• США. Первым искусственным спутником, на котором были установлены солнечные батареи, был «Авангард-1», выведенный на орбиту 17 марта 1958 г.

• Швейцария. Это один из лидеров использования солнечной энергии. Здесь построено около 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью 1–1000 кВт и солнечных коллекторов для получения тепловой энергии. В посёлке Грилцель солнечная установка обеспечивает круглосуточное освещение автодорожного туннеля.

Ежегодно проводится международное ралли солнцемобилей «Тур де сол». В июне 1985 г. Урс Мунтвайлер, 27-летний инженер из Берна, организовал первое многодневное ралли лёгких электромобилей, оборудованных фотопреобразователями, по дорогам Европы.