Нетрадиционные энергоресурсы Земли

Пассивные гелиосистемы отопления зданий

Для отопления  зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем:

С прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через  здания или через примыкающую  к южной стене здания солнечную  теплицу (зимний сад, оранжерею).

С непрямым улавливанием солнечного излучения, т.е. с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада;

С контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором  теплоты. Кроме того, могут использоваться гибкие системы, включающие элементы пассивной  и активной гелиосистемы.

Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших условий эффективности работы пассивной гелиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и ориентации здания на основе критерия максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы.

Прямое улавливание  солнечной энергии может эффективно осуществляться при соблюдении следующих условий:

1) оптимальная  ориентация дома - вдоль оси восток-запад  или с отклонением до 30о от  этой оси;

2) на южной  стороне 50-70 % всех окон, а на  северной - не более 10%, причем  южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные окна - трехслойное;

3) здание должно  иметь улучшенную тепловую изоляцию  и низкие теплопотери вследствие  инфильтрации наружного воздуха;

4) внутренняя  планировка здания должна обеспечивать  расположение жилых комнат с  этой стороны, а вспомогательных помещений - с северной;

5) должна быть  обеспечена достаточная теплоаккумулирующая  способность внутренних стен  и пола для поглощения и  аккумулирования теплоты солнечной  энергии;

6) для предотвращения  перегрева помещений в летний  период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т.п.

КПД такой системы  отопления, как правило составляет 25-30 %, но в особо благоприятных  климатических условиях может быть значительно выше и достигать 60 %. Существенным недостатком этой системы  являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений. Пассивные системы имеют такой же срок службы, как и само здание. Наряду с получением теплоты эти системы также обеспечивают эффективное использование дневного освещения, благодаря чему снижается потребление электроэнергии.

Активные гелиосистемы отопления зданий

В состав активной системы солнечного отопления входят коллектор солнечной энергии, аккумулятор  теплоты, дополнительный (резервный) источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор и из него к потребителям, насосы или вентиляторы, трубопроводы с арматурой и комплекс устройств для автоматического управления работой системы. Солнечный коллектор обычно устанавливается на крыше дома, остальное оборудование гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения дома размещается в подвале. Там устанавливаются основной аккумулятор теплоты, теплообменник для подогрева воды, бак для аккумулирования горячей воды, теплообменник для нагрева воздуха для отопления дома, расширительный бак и теплообменник для передачи теплоты от антифриза к воде. Снаружи дома находится теплообменник, предназначенный для сброса избыточного количества уловленной солнечной теплоты в летний период.

Сравнение активных и пассивных гелиосистем дает возможность выявить их преимущества и недостатки. Преимущества активных гелиосистем связаны с легкостью и гибкостью интегрирования систем со зданием, возможностью автоматического управления работой системы и снижением тепловых потерь. Однако при применении активных гелиосистем часто возникают проблемы, обусловленные недостаточной надежностью оборудования, в том числе систем автоматического управления. В отличии от них пассивные системы просты, надежны в работе и недороги, но они также имеют недостатки. прежде всего возникают трудности с поддержанием температурного режима, необходимого для обеспечения теплового комфорта в отапливаемых помещениях. В гибридных системах можно соединить достоинства активных и пассивных элементов и устранить многие недостатки, повысив тем самым эффективность систем при умеренных капиталовложениях.

Электроэнергия  из космоса 

Идея сооружения Международной опытной космической  электростанции (КСЭС), подающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960 году и не сходит с тех пор со страниц популярных и научных изданий.

КСЭС в совокупности с промежуточными атмосферными сооружениями сможет на только подавать электроэнергию земным потребителям, но и непосредственно  освещать большие участки земной поверхности ночью и затенять их днем, регулировать климатические условия, уничтожать тайфуны и смерчи, снабжать энергией космические корабли, воздушные средства, наземный транспорт, удаленные от линий электропередачи промышленные предприятия и т.д.

Целесообразность  создания КСЭС диктуется неисчерпаемостью солнечной энергии, экологическими соображениями и необходимостью сохранять ныне широко применяемые природные энергоносители (нефть, газ, уголь) для нужд химической промышленности.

КСЭС с периодически сменяемым персоналом могла бы стать  на только прообразом сверхмощных станций будущего, но и одновременно выполнять огромное количество обычной "космической работы" (исследования, наблюдения, эксперименты) Потребность в такой опытной КСЭС имеется уже сейчас, причем не только потребность, но и возможность ее создания при условии международного сотрудничества.

При этом следует  учесть, что наша страна первой в  мире освоила пилотируемые космические  полеты с пребыванием людей на станции в течение одного года, у нас создан и опробован в  космосе уникальный монтажный инструмент, а космонавтами получен уникальный опыт работы по развертыванию крупногабаритных космических сооружений, в том числе и дополнительных панелей солнечных батарей, освоены длительные рабочие выходы космонавтов в открытый космос, успешно проведены первые испытания новой универсальной ракеты-носителя "Энергия", способной выводить на околоземную орбиту более 100 т полезного груза.

Практическое  использование солнечной энергии  в космонавтике началось в 1958 году на первом ИСЗ США и на третьем  советском ИСЗ. Эти спутники, как известно, имели солнечные батареи.

Первая публикация по проблеме КСЭС с изложением технической  сущности принадлежит американскому  инженеру П. Гейзеру. В его проекте  масса КСЭС достигает 30 тыс.т, размер ("размах") солнечных батарей 60 км, а электрическая мощность - примерно 8,5 ГВт. Таким образом, мощность спроектированной станции выше мощности эксплуатируемых ныне крупнейших электростанций мира: ГЭС "Гленд-Кули" (США) - 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС - 6 ГВт, АЭС "Фукушима"- 4,7 ГВт, ТЭС "Кашима"- 4,4 ГВт (Япония).

Целесообразность  создания КСЭС и КТЭС диктуется неисчерпаемостью как солнечной энергии, так и  горючего для КТЭС- космического водорода, экологическими соображениями и  необходимостью сохранить ныне широко применяемые природные химические энергоресурсы для нужд химической промышленности.

Всвязи с печальным  опытом аварии на Чернобыльской АЭС  возникает вопрос, а не грозит ли создание КСЭС какими-либо новыми бедами людям, ведь передача энергии будет  происходить через атмосферу, а следовательно, воздействовать на ее состав и динамику. Будет ли это воздействие положительным? Расчеты вселяют оптимизм, но окончательный ответ может дать только опытная эксплуатация электропередачи Космос-Земля.

Наличие энергетических установок характерно для всех космических аппаратов. Характеристики космических солнечных батарей (СБ), применяемых в настоящее время, весьма разнообразны. Удельная масса панельных СБ составляет 5-10 кг/м2, причем около 40 % массы приходится на полупроводниковые элементы, а остальное на конструкцию. Ожидается, что использование материалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу конструкций в 2 раза.

Срок службы СБ пока подтвержден 5 годами, однако считается, что он может составить 30 лет, правда , с деградацией (уменьшением) КПД СБ к концу этого периода на 40 %.

Достигнутое КПД  для двухслойного элемента, составленного  из арсенида галлия (GaAs) и кремния (Si), равно 28,5 % , что касается дальнейших перспектив, то они оцениваются довольно высокими значениями до 60 %.

В космической  энергетике большая роль отводится  аккумуляторам. Самые лучшие из современных  маховиков способны накапливать  весьма значительную энергию - до 1 МДж/кг, хотя существуют и такие экспериментальные  устройства, которые способны накапливать  энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов ограничиваются значением 0,07 МДж/кг.

Вряд ли первая опытная КСЭС установленной мощностью  для земных потребителей 5000 кВт способна сколько-нибудь существенно помочь энергетике нашей страны. Тем не менее она, как и первая АЭС, необходима, причем главный смысл ее эксплуатации - натуральное изучение способов беспроводной передачи энергии на сверхдальние расстояния, изучение влияния этого процесса на окружающую среду, оптимизация параметров станции.

Первые практические опыты в нашей стране по передаче энергии без проводов с помощью СВЧ-излучения были проведены под руководством профессора С.И. Тетельбаума в Киевском политехническом институте около 30 лет назад. две простейшие квадратные антенны со стороной квадрата 100 м при длине волны 1 см позволили передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40%, а на расстояние 5 км - с КПД 60%. Современное состояние техники позволяет существенно улучшить все показатели беспроводной линии передачи энергии с помощью СВЧ-излучения.

1- стыковочные узлы; 2- головной блок; 3- вспомогательные СБ; 4 - отражатели; 5- основные СБ; 6- дополнительные СБ; 7 -СВЧ-антены; 8- СВЧ-лучи

Список использованной литературы

1) Н.В. Харченко  Индивидуальные солнечные установки  М. Энергоатомиздат 1991 г.

2) Р.Р. Авезов, А.Ю. Орлов Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г

3) Дверняков  В.С. Солнце - жизнь, энергия Киев: Наукова думка 1986

4) Колтун М.М.  Солнце и человечество М: Наука  1981

5) В.П. Бурдаков  Электроэнергия из космоса М:  Энергоатомиздат 1991