Использование солнечной энергии.

     Солнце  обеспечивает нас в 10 000 раз большим  количеством бесплатной энергии, чем  фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке  покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

     В развитых странах, например, в США, потребление  энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

     Количество  солнечной энергии, попадающей на поверхность  Земли, во много раз превышает  ее расход даже в таких странах  как США, где энергопотребление  огромно. Если бы только 1% территории страны был использован для установки  солнечного оборудования (фотоэлектрические  батареи или солнечные системы  для горячего водоснабжения), работающего  с КПД 10%, то США были бы полностью  обеспечены энергией. То же самое можно  сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально - во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических  систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным  оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным. Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее  определенных участках земли и т.д. К тому же, во многих странах уже  более 1% земли отведено под добычу, преобразование, производство и транспортировку  энергии. И, поскольку большая часть  этой энергии является не возобновляемой в масштабе существования человечества, этот вид производства энергии намного  более вреден для окружающей среды, чем солнечные системы.

     Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения  всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов  можно обогреть жилые дома и коммерческие здания и/или обеспечить их горячей  водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч  градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии  с помощью Солнца - фотоэлектрические  технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают  солнечную радиацию непосредственно  в электричество.

     Солнечная радиация может быть преобразована  в полезную энергию, используя так  называемые активные и пассивные  солнечные системы. К активным солнечным  системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы. Пассивные  системы получаются с помощью  проектирования зданий и подбора  строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца.

Пассивное использование энергии

     Пассивные солнечные здания - это те, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие  технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся  традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу  окна. Такие жилые помещения могут  быть построены в некоторых случаях  без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве  дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему.

     В пассивной солнечной системе  сама конструкция здания выполняет роль коллектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинству наиболее простых систем, где тепло сохраняется в здании благодаря его стенам, потолкам или полам. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементы для накопления тепла, вмонтированные в конструкцию здания (например, ящики с камнями или заполненные водой баки или бутыли). Такие системы также классифицируются как пассивные солнечные. Пассивные солнечные здания - идеальное место для жизни. Здесь полнее ощущается связь с природой, в таком доме много естественного света, в нем экономится электроэнергия.

     Существует  несколько основных способов пассивного использования солнечной энергии  в архитектуре. Используя их, можно  создать множество различных  схем, тем самым получая разнообразные  проекты зданий. Приоритетами при  постройке здания с пассивным  использованием солнечной энергии  являются: удачное расположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северном полушарии), чтобы  пропускать больше солнечного света  в зимнее время (и наоборот, небольшое  количество окон, обращенных на восток или запад, чтобы ограничить поступление  нежелательного солнечного света в  летнее время); правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы  избежать нежелательных колебаний  температуры и сохранять тепло  в ночное время, хорошо изолированная  конструкция здания.

     Расположение, изоляция, ориентация окон и тепловая нагрузка на помещения должны представлять собой единую систему. Для уменьшения колебаний внутренней температуры  изоляция должна быть помещена с внешней  стороны здания. Однако в местах с быстрым внутренним обогревом, где требуется немного изоляции, или с низкой теплоемкостью, изоляция должна быть с внутренней стороны. Тогда  дизайн здания будет оптимальным  при любом микроклимате. Стоит  отметить и тот факт, что правильный баланс между тепловой нагрузкой  на помещения и изоляцией ведет  не только к сбережению энергии, но также и к экономии строительных материалов.

Деревья и ландшафт

     Продуманный ландшафт может позволить сэкономить до 25% потребления энергии в домашнем хозяйстве. Деревья являются эффективным  средством защиты от солнца в летние месяцы, а зимой они становятся преградой для холодных ветров. Помимо образования тени, деревья, кусты  и газоны, могут понизить температуру  воздуха в округе на целых 5 ºС, так как, испаряя влагу, растения охлаждают окружающий воздух. Деревья нужно сажать таким образом, чтобы они могли обеспечить тень летом и не блокировать солнечный свет зимой. Даже лиственные деревья, которые теряют свои листья зимой, преграждают доступ солнечному свету в зимнее время - несколько "голых" деревьев могут перекрыть более 50% поступающего солнечного света.

Окна

   Окна  регулируют энергетический поток двумя  основными способами:

• зимой они обеспечивают дом теплом, пропуская солнечную энергию внутрь здания, благодаря чему температура воздуха внутри помещений превышает внешнюю температуру;
• летом способствуют охлаждению здания, снижая степень проникновения солнечных лучей при помощи удачного расположения окна и его затенения, а также использования вентиляции для охлаждения дома.

   Если  мы используем солнечное тепло, то необходимо обеспечить его проникновение в  помещение именно в то время, когда  оно полезнее всего. Как правило, в зимнее время солнечные лучи должны попадать в помещение в  период с 9.00 до 15.00. Желательно, чтобы  на их пути практически не было никаких  препятствий. Так, деревья на участке  могут затенять комнаты дома. Это  необходимо учитывать при строительстве. Можно спланировать дом с окнами, выходящими на любую сторону. При  этом здание будет иметь низкое энергопотребление. При проектировании большее значение имеет каркас здания, то есть стены, пол и потолок, чем расположение внутренних перегородок. Если нужно, чтоб окно было обращено на запад, необходимо правильно его затенить и выбрать  соответствующий размер.

   Стекло  пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4-2,5 мкм. В результате поглощения света непрозрачными  объектами, находящимися внутри помещения, и дальнейшего переизлучения, длина его волны увеличивается до 11мкм. Стекло является непроницаемым барьером для электромагнитной волны этой длины. Свет, попадая в помещение, оказывается в ловушке. Количество света, проникающего сквозь стекло, зависит от угла падения. Оптимальный угол падения - 90o. Если солнечный свет падает на стекло под углом 30o или меньше, то большая часть солнечного света отражается.

Чтобы правильно  выбрать остекление, необходимо иметь  представление о свете и теплоте. Спектр солнечного света, попадающего  на Землю, состоит из волн разной длины. Разные стекла по-разному пропускают, поглощают и отражают волны солнечного излучения. К примеру, уменьшение яркого света (путем отражения или затенения) полезно на рабочем месте. Пропуская  дневной свет, можно сэкономить энергию, необходимую для искусственного освещения. Наиболее благоприятными для  человека считаются инфракрасные лучи, создающие ощущение комфорта. Определив  правильный тип стекла, можно пропускать или отражать инфракрасное излучение.

Есть три варианта прохождения тепла сквозь материал, используемый для остекления. Первый - теплопроводность: при этом тепло  проходит сквозь стекло. Чтобы почувствовать  тепло, достаточно прикоснуться к стеклу. Вторая форма теплопередачи - это  излучение: электромагнитные волны  передают тепло через стекло. Благодаря  этому появляется чувство, что поверхность  окна излучает тепло. Третий способ перемещения  тепла - конвекция. Конвекция перемещает тепло благодаря движению воздуха, в данном случае, благодаря воздушным  потокам. Естественное движение теплого  воздуха к более холодному  позволяет повышать или понижать температуру в помещении.

Показатель теплового  сопротивления материала (R-value), используемого для остекления, определяется степенью его теплопроводности, излучения и конвекции. На общее значение показателя теплового сопротивления окна в целом влияет инфильтрация воздушного потока. Количество тепла, которое проходит, минуя остекление, столь же важно, как и перемещение тепла через окна. Качество изготовления и установки всего окна, включая установку рамы, влияет на степень проникновения воздуха.

Прогресс в  технологии производства окон существенно  повлиял на эффективность в строительстве  в 70-х годах ХХ столетия, и сегодня  ему принадлежит важная роль в  пассивных солнечных системах.

Вот некоторые  успехи в технологии производства окон:

• Двойное и тройное остекление (стеклопакеты) с высокой степенью тепловой изоляции.
• Стекло с низким коэффициентом излучения, обладающее покрытием, которое "впускает" тепло, но не "выпускает" его обратно.
• Использование аргона (или другого инертного газа) для заполнения пространства внутри стеклопакета, приводящее к повышению степени тепловой изоляции по сравнению со стеклопакетами, заполненными обычным воздухом.
• Технологии, основанные на использовании фазового перехода, которые позволяют изменять степень прозрачности стекла при помощи электрического напряжения.

Солнечная архитектура 

     Во  время проектирования здания также  следует учитывать применение активных солнечных систем, таких как солнечные коллекторы и фотоэлектрические батареи. Это оборудование устанавливается на южной стороне здания. Чтобы максимизировать количество тепла в зимнее время, солнечные коллекторы в Европе и Северной Америке должны устанавливаться с углом наклона более 50° от горизонтальной плоскости.

     Неподвижные фотоэлектрические батареи получают в течение года наибольшее количество солнечной радиации, когда угол наклона  относительно уровня горизонта равняется  географической широте, на которой  расположено здание. Угол наклона  крыши здания и его ориентация на юг являются важными аспектами  при разработке проекта здания. Солнечные  коллекторы для горячего водоснабжения  и фотоэлектрические батареи  должны быть расположены в непосредственной близости от места потребления энергии.

     Важно помнить, что близкое расположение ванной комнаты и кухни позволяет сэкономить на установке активных солнечных систем (в этом случае можно использовать один солнечный коллектор на два помещения) и минимизировать потери энергии на транспортировку. Главным критерием при выборе оборудования является его эффективность.