Энергия

ВВЕДЕНИЕ В СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГЕТИКУ

Современный человек гордится своим новым осознанием от­крытия изобильного источника энергии, которая достигает нашей планеты через каких-нибудь восемь с половиной минут, покинув гигантскую печь, находящуюся в 150 000 000 км от нас. С момен­та своего зарождения живые существа находили простые спосо­бы использования для жизнедеятельности энергии этого мощного источника, которая обеспечивает бесконечный цикл жизни и смерти. Зеленые растения оптимально воспринимают интенсив­ные лучи солнца. Сам человек эмоционально и духовно реагирует на воздействие солнца, поклоняясь ему и строя свои жилища с должным уважением к его мощи, щедрости и неумолимости.

В своих Memorabilia (III, viii, 8—14) Ксенофон записал не­которые положения учения Сократа (470—399 до н. э.), касаю­щиеся жилища:

«И опять его высказывание о жилище... было уроком по ис­кусству строительства домов такими, какими они должны быть. Он так подходил к проблеме: «Должен ли тот, кто хочет иметь хороший дом, придумать его как приятным, так и пригодным для жилья?». Получив утвердительный ответ, он спрашивал: «Прият­но ли иметь его прохладным летом и теплым зимой?». И когда они соглашались с этим, он говорил: «В домах, обращенных фа­садом на юг, солнечные лучи проникают в портики зимой, но ле­том путь солнца проходит над нашими головами и над крышей, и потому там всегда тень. Тогда, если это является наилучшим расположением, мы должны возводить южный фасад выше, что­бы воспользоваться зимним солнцем, а северный фасад ниже, чтобы отгородиться от холодных ветров. Короче говоря, дом, в ко­тором хозяин может найти приятное убежище и в безопасности хранить свои вещи, вероятно, будет одновременно самым прият­ным и самым красивым».

В это отношение к солнцу человек привнес осознанные знания и изобретательность. Еще в доисторические времена солнце высушивало и сохраняло пищу человека. Оно испаряло воды

океанов, давая соль. С тех пор как человек начал рассуждать, он признал солнце в качестве движущей силы и решающего фак­тора любого природного явления, в том числе созданного руками человека. Некоторые толкователи полагают, что великие египет­ские пирамиды, эти свидетельства величайших инженерных под­вигов человека, были задуманы как лестницы, ведущие к солнцу. Около двух с половиной тысяч лет назад жрицы-девственницы в храмах Весты зажигали священный огонь при помощи солнеч­ных лучей в фокусе металлических конусов. А в 212 году до и. э. греческий физик Архимед применил огромное вогнутое зеркало из металла (в виде сотен отполированных щитов, направляющих отраженные солнечные лучи на один из кораблей), чтобы сжечь римский флот, атаковавший Сиракузы.

Помимо многочисленных способов использования энергии солнца природой и человеком, как-то: для выращивания зерна, повышения способности видеть или для получения солнечного загара, или сушки одежды, постоянно существует ряд других «обязанностей». Солнечная энергия используется для отопления и охлаждения зданий, для подогрева воды в плавательных бас­сейнах, для питания рефрижераторов, двигателей насосов и ус­тановок по переработке сточных вод. Солнечная энергия питает автомобили, печи, дистилляторы и сушилки. Возникающий под воздействием солнечной энергии ветер используется для произ­водства механической и электрической энергии, которая исполь­зуется как на земле, так и в космосе. Кухонные плиты и автомо­били могут работать на метане, полученном при использовании солнечной энергии в цикле работы очистных сооружений, органи­ческие остатки могут быть сожжены на электростанциях. Зави­сящие от режимов поступления солнечной энергии циклы испа­рения и выпадения осадков в сочетании с энергией падающей воды приводят в движение турбины и электрические машины. Солнечные электролизеры расщепляют воду на кислород и во­дород, который может применяться как топливо. Многие другие разнообразные применения солнечной энергии хорошо описаны в книге Фаррингтона Дэниелса «Непосредственное использова­ние энергии Солнца», которая является прекрасным исследова­нием в этой области.

Однако ни одно из этих применений, в том числе и те, которые рассмотрены в данной книге, невозможно понять без знания ос­новных принципов солнечной энергетики. Большая часть энергии, которую мы получаем от солнца, поступает в виде коротковолно­вого излучения, которое не все видимо для человеческого глаза. Когда это излучение падает на поверхность твердого или жидко­го тела, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, тело нагревается за счет теплопроводности, отдает часть энергии ок­ружающей среде (воздуху, воде, другим твердым и жидким те­лам) и вторично излучает его на другие тела, имеющие более низкую температуру. Это излучение является длинноволновым.

Рис. 1.2. Печатный станок, при­водимый в действие солнечной энергией. Париж, 1878 г.

Стекло, легко пропуская коротковолновое излучение, создает небольшое препятствие проникновению солнечной энергии, но в то же время оно является плохим проводником длинноволново­го излучения. После того как энергия солнца проникла через стекла окна и была поглощена каким-либо материалом внутри помещения, тепловая энергия путем излучения практически не передается наружу. Следовательно, стекло работает как тепло­вая ловушка. Это явление, известное под названием «парниковый эффект», с давнего времени используется в теплицах, которые достаточно прогреваются в солнечные дни даже в середине зимы. Солнечные коллекторы для отопления зданий, обычно называе­мые плоскими коллекторами, почти всегда имеют одно или нес­колько стеклянных покрытий, хотя вместо стекла часто применя­ются различные пластмассы и другие прозрачные материалы.

Под верхней пропускающей солнечные лучи пластиной в кол­лекторах имеется другая пластина, которая поглощает энергию
падающих на нее солнечных лучей. Эта поглощающая (тепловос­принимающая) пластина часто изготавливается из меди, алюми­ния, стали или другого подходящего материала и обычно покры­вается либо черной краской, либо одним из многих сложных по составу селективных покрытий, которые способствуют поглоще­нию большей части энергии излучения при малом уровне отраже­ния и переизлучения. После того как энергия поглощена, она мо­жет быть использована. Стеклянные покрытия коллектора приз­ваны снижать потерю тепла с лицевой стороны, а изоляция уменьшает потерю тепла через тыльную часть.

От поглощающей пластины тепло передается к жидкому или газообразному теплоносителю, поток которого омывает поглоща­ющую пластину при помощи насоса или воздуходувки. Жидкости (вода или незамерзающий теплоноситель типа этиленгликоля) протекают вдоль зачерненной теплоприемной поверхности или через трубки, вделанные в поглощающую пластину. Если в каче­стве теплоносителя используется воздух, то для улучшения теп­лообмена между воздухом и поверхностью поглощающей пласти­ны необходимо, чтобы площадь этой пластины была развита за счет множества небольших выступов неправильной формы.

В некоторых случаях можно осуществлять прокачку теплоно­сителя (жидкого или газообразного), не прибегая к механиче­ским средствам, а путем использования эффекта естественной конвекции, или термосифона. По мере подвода тепла нагретые слои жидкости поднимаются вверх, а их место занимают более холодные объемы. Если коллектор установлен с наклоном или вертикально, это положение будет вынуждать жидкость двигать­ся вдоль поглощающей пластины коллектора по всему тракту без затраты какой-либо дополнительной энергии. Некоторые си­стемы работают именно по такому простому принципу, и при правильной установке работают весьма эффективно. Однако пе­рекачивание с помощью насо­сов обычно обеспечивает боль­ший КПД коллектора и дает большие возможности при ис­пользовании тепла.

Это тепло может быть ис­пользовано для отопления жи­лых помещений здания с при­менением традиционных мето­дов, например с помощью ра­диаторов и регистров воз­душного отопления. В перио­ды, когда отопление здания

Рис. 1 3 Стекло как тепловая ловуш­ка, черная поверхность как поглоти­тель

не требуется, подогретые в коллекторе воздух или жидкость мо­гут направляться в контейнер для аккумулирования тепла В случае применения в качестве теплоносителя воздуха аккуму­лятором тепла может служить контейнер с камнями или с ка­ким либо другим теплоаккумулирующим материалом. Если теп­лоносителем является жидкость, то аккумулятор, как правило, представляет собой хорошо изолированный бак с водой, облада­ющей хорошей теплоемкостью. Тепло может также аккуму­лироваться в контейнерах с эвтектическими солями или соля­ми с фазовый переходом. Эти соли, способные аккумулировать большое количество тепла в сравнительно малом объеме, при плавлении в процессе нагрева накапливают тепло и отдают его потом при охлаждении и кристаллизации Когда здание требует­ся отапливать, воздух или вода из отопительной системы прохо­дит через аккумулятор тепла, нагревается и поступает в обычные отопительные приборы для обогрева помещений

Так как системы солнечного теплоснабжения не могут функ­ционировать в течение долгих периодов холодных, малосолнеч­ных дней, лишь немногие проекты, осуществленные на сегодняш­ний день, обеспечивают все потребности здания в отоплении при помощи солнечной энергии. Система, способная обеспечить до­статочное количество тепла для потребителя в течение этих периодов, будет иметь настолько большие габариты, что допол­нительные расходы редко оказываются оправданными. Поэтому система солнечного отопления почти всегда требует наличия еи-

стемы обычного отопления в качестве дублирующей. То же са­мое справедливо и для систем солнечного охлаждения.

В большинстве случаев систему солнечного теплоснабжения и традиционную можно успешно объединять. Однако при этом могут потребоваться довольно существенные переделки традици­онной системы. Например, системы солнечного нагрева наиболее эффективны в работе при пониженных рабочих температурах. В этом случае коллекторы поглощают больше тепловой энергии, а потери системы — меньше. Обычная же система водяного ото­пления работает при сравнительно более высоких температурах. Поэтому оптимальная система потребует более низкого уровня рабочей температуры и несколько другого подхода ко всей систе­ме отопления в целом. По этой причине обычно трудно «вписать» систему солнечного отопления в существующую традиционную систему. Однако имеется ряд других способов использования солнечной энергии для существующих зданий, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Тепловая энергия солнечной радиации может быть использо­вана для охлаждения зданий на основе принципа абсорбционно­го охлаждения, на котором работают газовые холодильники. Однако используемое в настоящее время оборудование требует довольно высоких рабочих температур, намного превышающих температуры, соответствующие эффективной утилизации солнеч­ной энергии. Большая часть проведенных в этой области исследо­ваний посвящена разработке систем, работающих при меньших температурах, и разработке коллекторов, которые более эффек­тивны при повышенных температурах. Однако, вероятно, потребу­
ется еще много времени, прежде чем системы солнечного охлаж­дения, в которых применяются солнечные коллекторы, будут жизнеспособны. В этой книге также рассматриваются и другие виды солнечного охлаждения, такие как компрессионные и осно­ванные на естественном охлаждении.

В различных частях мира миллионы людей используют сол­нечные энергетические установки для подогрева питьевой воды, которые выпускаются промышленностью. Правительство Австра­лии приняло решение обеспечивать все новое жилье в северной части страны солнечными подогревателями воды при использо­вании для этой цели и электроэнергии. Широко применяются солнечные водоподогревагели в Израиле. В Японии, например, получили распространение простые пластмассовые водоподогрс - ватели без дублирующих источников энергии. Существует актив­ная индустрия производства солнечных водоподогревателей во Флориде и Калифорнии. Из-за сравнительно низких цен на кон­курирующие виды топлива и трудностей эксплуатации солнеч­ных водоподогревателей при их работе при отрицательных тем­пературах солнечный подогрев воды до сих пор не получил ши­рокого распространения в северных странах. Однако по мере роста цен на природное топливо и совершенствования солнечных коллекторов солнечный подогрев воды в странах с холодным климатом начинает постепенно находить свое применение.

Пожалуй, наилучшим способом использования солнечной энергии для подогрева воды является применение подогревателя, нагревающего воду из городского водопровода или колодца до температуры коллектора, затем подача ее в обычный бытовой водоподогреватель, где ее температура при необходимости мо­жет быть поднята выше. При этом КПД коллектора будет доста­точно высоким, и не надо будет стремиться к использованию ис­ключительно только солнечной энергии, поскольку дублирующее устройство явится составной частью самой системы. Этот вопрос обсуждается ниже в разделе о подогреве воды.

Помимо использования для отопления, охлаждения зданий и подогрева воды солнечная энергия может быть преобразована в электричество следующими пятью основными способами.

1. Используя низкотемпера­турную разность на уровне 16—22° между нагретыми солн­цем верхними и нижними хо­лодными слоями воды в океане.

Рис 1 6 Солнечный коллектор на крыше здания средней школы «Гро­вер Кливленд» (Дорчестер, шт. Мас­сачусетс, (1974 г). Проект солнечной установки выполнен фирмой «Дже - нерал Электрик»

может работать тепловая машина. Такая машина имеет привод на генератор, вырабатывающий электроэнергию или водород­ное топливо. По словам д-ра Уильяма Херонемуса из Массачу­сетского университета, такие электростанции могут быть конку­рентоспособны по стоимости со станциями, работающими на природном топливе.

2. Используя энергию ветра, вызываемого солнечной радиа­цией, можно вращать воздушную турбину (ветряной двигатель), которая в свою очередь является приводом генератора, выраба­тывающего электроэнергию. Энергия ветра может быть также преобразована в механическую энергию, например для перекач­ки воды.

3. Используя солнечную энергию с помощью фотосинтеза, можно выращивать растения и другие организмы типа водорос­лей, которые могут служить топливом вместо угля после соответ­ствующей обработки (сушки, дробления или измельчения). Вы­ращенные под солнцем такие растения можно использовать в ка­честве топлива, например, для отопительных печей и котлов. Эффективность фотосинтеза составляет 0,3—3% в зависимости от используемого вида растительности. Из-за малой эффективно­сти такого вида преобразования для обеспечения значительного количества энергии требуются большие земельные площади. На­пример, для удовлетворения текущих энергетических потребно-

стей США потребуется около 3% всей площади суши страны.

В декабре 1972 г. в отчете комиссии по науке и астронав­тике палаты представителей США указывалось, что при сов­ременной технологии выращи­вания растений имеющиеся из­быточные сельскохозяйствен­ные угодья можно с успехом использовать для производства горючего растительного топли­ва. По состоянию на декабрь 1972 г. в стране обрабатыва­лось 1 217 000 км2 земли, при этом излишки составляли 243 000 км2. Авторы отчета оп­ределили, что за счет использо­вания этих избыточных площа­дей можно получить достаточ­но топлива, чтобы удовлетво­рить 10% энергетических по­требностей США, планируемых на 1985 г.

Органический продукт мож­но также превратить в метан, водород или нефть при помо­щи деструктивной перегонки (пиролиза), химической обра­ботки под высоким давлением или биохимической фермента­ции. Пиролиз представляет со­бой процесс, при котором орга­нические вещества нагревают­ся при отсутствии воздуха. При химической обработке под высо­ким давлением органические вещества нагреваются под давле­нием в присутствии воды и двуокиси углерода в качестве защит­ного газа. В последние 20 лет в США применяются несколько процессов биохимической ферментации, в результате которых получают метан, используемый в качестве топлива, в процессе очистки сточных вод. Однако задача большинства очистных станций заключается в обработке стоков, а не в производстве топлива. Водород можно получить также в процессе электроли­за (разделения воды на водород и кислород) за счет солнечной энергии, сжигать его затем в качестве топлива или использовать для производства электроэнергии.

Отходы лесного хозяйства и бытовой мусор можно использо­вать непосредственно в качестве топлива для производства энер-

гии или косвенно для получения других видов топлива, например метана или метанола. Согласно оценке, отходы от текущих лесо­заготовительных работ могли бы удовлетворить 10—20% энерге­тических потребностей США 1975 г. [2].

4. Непосредственное преобразование солнечной энергия в электроэнергию может быть осуществлено с помощью фото­элементов. Кремниевые солнечные батареи широко применяются в настоящее время на космических кораблях с КПД в среднем около 10%. Однако затраты при этом достигают миллиона дол­ларов на 1 кВт мощности. Для наземного применения, например для отдельно стоящих морских нефтяных вышек, батареи не­сколько более низкого качества обеспечивают КПД от 4 до 5%. Максимальный теоретический КПД для фотоэлектрического пре­образователя составляет около 35%, однако реально достижимым считается КПД на уровне 20%. Поликристаллические преобра­зователи имеют более низкий КПД, чем применяемые сейчас в космических кораблях монокристаллические, но они дешевле. Для увеличения интенсивности солнечной радиации на неболь­шой площади можно использовать концентраторы, значительно повышающие отдачу солнечных батарей. Стоимость таких уста­новок может быть снижена до 2000 долл, за 1 кВт пиковой мощ­ности, а возможно и ниже.

Фотоэлектрические батареи можно использовать для выра­ботки электроэнергии в крупных масштабах, если занять для этого многие квадратные километры земли. На сегодня они при­емлемы и для отдельных сооружений, что продемонстрировано на примере, пожалуй, наиболее технологичного дома, питаемого солнечной энергией, из всех когда-либо построенных. В этом до­ме (университет, шт. Делавэр, США) солнечная радиация пре­образуется не только в тепло, но и в электроэнергию при помощи фотоэлектрических батарей.

5. Применение концентрирующих коллекторов для нагрева теплоносителей, которые используются в тепловых двигателях, вращающих генераторы, предназначенные для выработки элек­троэнергии. Современные низкотемпературные коллекторы типа плоских коллекторов, описанных выше, вполне пригодны для отопления зданий и подогрева воды. При дальнейшем совершен­ствовании эти устройства будут способны снабжать энергией хо­лодильное оборудование абсорбционного типа. Однако они не пригодны для высокоэффективного производства электроэнергии или для получения искусственного топлива при помощи тепло­вых процессов. Для этой цели требуются концентрирующие кол­лекторы, обеспечивающие получение более высоких темпера­тур. Энергия солнечного излучения собирается со сравнительно большой площади коллектора в небольшой приемник, из кото­рого она поступает в аккумулятор. Такие концентраторы обыч­но имеют параболическую или цилиндрическую форму и позво­лят достичь температур до 500° С и выше.

Сезонная эффективность большинства фокусирующих кол­лекторов часто ниже, чем у плоских, из-за более высоких рабочих температур. Кроме того, поскольку они воспринимают прямую, а не диффузную радиацию, для их работы требуется безоблачное небо. Плоские коллекторы в противоположность концентрирую­щим могут использовать солнечную радиацию и в виде рассеян­ной. Этим объясняется то, что концентрирующие коллекторы, как правило, сравнительно дороги.

Учеными предложены схемы преобразования солнечной энер­гии в электрическую в больших масштабах с помощью станций, состоящих из концентрирующих устройств и занимающих многие квадратные километры территории, главным образом в тех райо­нах, где редко бывает облачность, например в пустыне шт. Ари­зона. Согласно различным проектам, сотни таких станций будут занимать многие тысячи квадратных километров пустынь. В Со­единенных Штатах пустыни занимают более 100 тыс. км2, и при­мерно 10% этой площади предполагается использовать для этой цели.

По мнению Уолтера Э. Морроу (лаборатория им. Линкольна Массачусетского технологического института), если принять КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на уровне 30%, то текущие потребности США в электроэнергии мо­гут быть удовлетворены солнечными энергетическими установ­ками, расположенными па общей площади около 5200 км2. «Это составляет около 0,03% всей площади сельскохозяйственных угодий США и около 2% площадей, отведенных под дороги, что примерно равно площади крыш всех зданий в США» [2].

В последние годы, особенно в период после известного нефтя­ного эмбарго в отопительный сезон 1973/74 гг., солнечная энер­гия признается в качестве энергетической альтернативы, к реа­лизации которой можно приступить немедленно. В течение двух последующих лет федеральные расходы на эти цели выросли с 13 до 75 млн. долл, в 1975/76 финансовом году. Следует отме­тить, что частный сектор, конкурируя с государственными орга­низациями, принимает активное участие в реализации имею­щихся решений и поисках новых. За те же два года количество солнечных зданий в США возросло от считанных единиц до не­скольких тысяч, в том числе и находящихся в стадии проекти­рования.

Солнечная энергия для отопления и охлаждения помещений, по-видимому, будет пользоваться широким признанием в случае, если:

потребитель сможет использовать эту энергию в течение большей части года;

в данной местности солнечные дни преобладают;

обычные виды топлива дороги;

применение солнечных установок возможно при умеренных температурах.

В противоположность часто высказываемому мнению следует отметить, что солнечные тепловые установки можно применять не только для теплого, но и для холодного климата. Очевидно, что чем продолжительнее и холоднее отопительный сезон, тем больше требуется тепла, которое должно поглощаться и хра­ниться солнечной установкой. Однако горячее водоснабжение за счет солнечной энергии может применяться круглый год, и в этом случае применение солнечной энергии более эффективно, чем для отопления. В плане долгосрочного рассмотрения энергети­ческих потребностей тот район страны оказывается в лучшем положении, в котором имеется больше солнечных дней. В то же время любой район страны испытает на себе влияние роста цен на традиционные виды топлива.

Как отмечалось выше, солнечное теплоснабжение целесооб­разно, когда температура горячей воды или воздуха, нагретого в солнечной установке для отопления помещений, получения го­рячей воды, охлаждения и кондиционирования воздуха, не пре­вышает 90° С. В 1968 г. эти потребности составили около 11% всего национального потребления энергии. Пожалуй, более по­казательно то, что это составляло 76% энергии, потребляемой промышленными предприятиями. Около 28% всей энергии на промышленные цели приходилось на такое теплоснабжение, со­ставляя 11,5% всего национального потребления в 1968 г.

Исходя из традиционных экономических критериев солнечная энергия теперь нередко конкурирует с ископаемым топливом и

электроэнергией, в первую очередь в части отопления зданий и подогрева воды для бытовых нужд. Солнечная энергия может использоваться в большинстве типов зданий: школах и других общественных зданиях, передвижных домиках, существующих и новых жилых домах.

Школы особенно пригодны для использования солнечной энергии по нескольким причинам: 1) их высокие требования к качеству отопления и кондиционирования вызывают соответствующие требования к коллекторам; 2) школы обычно имеют не более трех этажей с достаточной площадью крыши для установки коллекторов. Кроме того, коллекторы дополнительно могут быть размещены на стенах, не имеющих окон, и крышах таких помещений, как спортзалы; 3) при сравнительно большой массивности школьные здания не испытывают значительных тем­пературных колебаний по сравнению с легкими зданиями, а это в свою очередь налагает на систему солнечного теплоснабжения более равномерную нагрузку и дает возможность быстрее оку­пать первоначальные капиталовложения; 4) хотя фонды на школьное строительство ограничены и получить ассигнования не­просто, процентная ставка довольно низкая, что обеспечивает меньшую первоначальную стоимость и меньшие издержки за срок службы, чем для промышленных и жилых зданий, и 5) там, где школьный совет обычно встречает трудности при получении ассигнований на эксплуатацию и ремонт (которые уменьшаются при использовании солнечной энергии), он сможет сравнительно легко получить такие ассигнования и при более значительных первоначальных расходах, если принято решение использовать солнечные коллекторы. Это особенно характерно для нашего времени всеобщей озабоченности экологическими и энергетиче­скими проблемами.

Если занятия в школе начинаются не с утра, а несколько поз­же, то можно более эффективно использовать солнечную энер­гию, поступающую непосредственно через окна, используя при этом тепловую инерцию здания. Это даст возможность в безоб­лачное утро до начала занятий обогревать солнечной радиацией классные помещения, окна которых обращены на восток и юг. Это мероприятие обеспечит также более эффективное использо­вание тепловой энергии солнечного излучения, которая накапли­вается в течение дня со времени не ранее чем через час или два после восхода солнца. Благодаря этому уменьшается количество энергии, потребной для пуска системы отопления, вентиляции и кондиционирования, что в свою очередь уменьшает нагрузку на систему коммунальных сетей в период сравнительно большого спроса. Избыточное тепло от системы солнечного отопления шко­лы может быть использовано соседними зданиями.

Пытаясь более эффективно содействовать широкому исполь­зованию солнечной энергии и представить конгрессу некоторые результаты, Национальный научный фонд в январе 1974 г. за­ключил четыре контракта на строительство экспериментальных систем солнечного отопления для средней школы, двух зданий младших классов средней школы и начальной школы. Эта про­грамма под названием «Солнечная энергия: эксперименты по отоплению школьных зданий» нацелена «на совершенствование технологии применения солнечной энергии для отопления поме­щений и приготовления горячей воды, а также на получение ин­формации о том, при каких условиях такие системы могут быть экономически оправданными и социально приемлемыми».

Строительство объектов было закончено в марте 1974 г. Во всех школьных зданиях солнечные установки обеспечивали только теплоснабжение. Солнечные коллекторы площадью

464,5 м2 для здания младших классов средней школы «Норд Вью» (г. Оссео, шт. Миннесота) и коллекторы площадью 232 м2 для средней школы «Фокьер» (г. Уоррентон, шт. Виргиния) были установлены на земле на специальных опорах. Солнечные коллекторы площадью 418 м2 для младших классов средней школы «Гровер Кливленд» (г. Дорчестер, шт. Массачусетс) и коллекторы площадью 529 м2 для школы в Балтиморе (шт. Мэ­риленд) были установлены на крышах школьных зданий.

Главная задача при создании этих объектов заключалась в сборе данных по «эксплуатационным характеристикам коллек­торов, надежности систем, уточнению оценок по эксплуатацион­ным и ремонтным расходам, социальному воздействию, приемле­мости для разных школьных зданий в различных районах, а так­же для существующих и проектируемых сооружений». В стои­мость контракта входили расходы на оборудование, его монтаж и эксплуатацию и на обработку данных. Управление по энерге­тическим исследованиям и разработкам (ЭРДА) ассигновало средства группе фирм для переоборудования еще одной школы («Джордж А. Таунс»), находящейся в Атланте, шт. Джорджия. Этот объект, законченный в 1975 г., должен был продемонстри­ровать возможность использования солнечной энергии как для отопления, так и для кондиционирования.

Помимо учреждений федерального правительства учебные здания, отапливаемые и охлаждаемые при помощи солнечной энергии, строят и другие организации. Департамент обществен­ных работ шт. Колорадо поручил фирме «А. Б. Р. Партнершип, Аркитектс» (г. Денвер, шт. Колорадо) спроектировать северный студенческий городок Коммьюнити-колледжа в Денвере. Весь комплекс площадью более 30 000 м2 должен отапливаться за счет солнечной энергии. Солнечное отопление и другие мероприятия по экономии энергии увеличивают стоимость объекта на 10%. За­конодатели шт. Колорадо беспрецедентно единогласно проголо­совали за финансирование дополнительных издержек. Капитало­вложения должны быть возвращены штату за 10—15 лет, после чего штат начнет реализовывать накопления, которые составят в среднем более 60 000 долл, в год.

Помимо школ солнечная энергия используется и в других общественных зданиях. Управление служб общего назначения федерального правительства взяло на себя инициативу по­строить в качестве показательных объектов два административ­ных здания. Цель создания показательного объекта в г. Сагино (ілт. Мичиган) заключается в том, чтобы подчеркнуть твер­дую приверженность управления заботе об окружающей среде при проектировании, строительстве и эксплуатации федераль­ных зданий, а также в создании крупномасштабной лаборато­рии для проверки как признанных, так и новаторских методов создания таких объектов и оборудования, способствующих со­хранению окружающей среды. Преследуется также цель дать пример другим представителям строительной отрасли в отноше­нии усилий, направленных на улучшение защиты окружающей среды. Второй объект (г. Манчестер, шт. Нью-Гэмшнир) является показательным в отношении только экономии энергии без рас­смотрения экологических проблем в широком плане, как это было предусмотрено программой для объекта г. Сагино.

Почтовая служба США (ЮСПС), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Национальное бюро стандартов (НБС) также способ­ствуют на федеральном уровне развитию работ по использова­нию солнечной энергии. Обогреваемое солнечной энергией поч­товое отделение в Ридли-Парке (шт. Пенсильвания) служит в качестве образца для будущих проектов таких зданий ЮСПС. Если эксперимент в Ридли-Парке окажется успешным, то ЮСПС применит этот опыт в большинстве зданий почтовых отделений.

В 1974 г. НАСА объявило о своих планах построить инженер­ный корпус площадью около 5000 м2 в исследовательском центре Лэнгли в шт. Виргиния, который будет отапливаться и охлаж­даться при помощи солнечной энергии. Проект предусматривает установку коллектора площадью 1390 м2.

Национальное бюро стандартов, расположенное в Гейтесбур - ге (шт. Мэриленд), играет активную роль в поощрении работ по использованию солнечной энергии. В 1974—1975 гг. бюро раз­работало стандарт на методику испытаний для определения ха­рактеристик как солнечных коллекторов, так и теплоаккумули­рующих устройств. Первоначальные рекомендации будут уточняться в НБС после экспериментальной проверки. Другой объект НБС представляет собой жилой дом на одну семью, кото­рый эксплуатируется с 1972 г. для изучения срока службы соо­ружения и изучения воздействия на него окружающей среды. Дом имеет все необходимое оборудование и обстановку. Перво­начально он был помещен в большую камеру искусственного климата, в которой температура могла меняться в пределах от —45 до +65° С. В своих расчетах НБС предсказывает спрос на энергию с ошибкой 10% (часто гораздо меньше) при различных летних и зимних эксплуатационных условиях. В 1974 г. после то­го, как бюро спроектировало систему солнечного отопления и ох­лаждения для этого дома, дом был удален из камеры, и испыта­ния были продолжены.

Нью-Йоркский ботанический сад применяет систему солнеч­ного отопления и другие новые методы экологической технологии в своем административном и научно-исследовательском здании в районе Мнллбрук (Нью-Йорк), а также в своем древесном пи­томнике. Это здание было спроектировано архитектором-консер - вационистом Малькольмом Б. Уэллсом из шт. Нью-Джерси, ко­торый сказал, что оно будет «добрым к природе».

Среди особенностей здания следует отметить наличие рецир­куляции воздуха, воды и отходов, а также покрытие крыши зем­лей. Грунтом также засыпаны северные и восточные стены. Кро­ме того, с северной стороны здания посажены деревья для защиты здания от холодных зимних ветров. Стены выполнены из бетона, а изоляция положена на стены с наружной стороны с тем, чтобы увеличить теплоемкость здания. Окна имеют двойное остекление, а ставни, которые могут закрываться на ночь для уменьшения потерь тепла, расположены с внутренней стороны. Коллекторы площадью от 745 до 930 м2 размещены на крыше в виде зубьев пилы и состоят из семи параллельных наклонных панелей, следующих одна за другой. Участок крыши между па­нелями дополнительно отражает радиацию на расположенную перед ним панель. Оборудование изготовлено фирмой «Дабин - Минделл - Блум, ассошиэйтс» (Нью-Йорк).

Помимо жилых домов и ряда школьных проектов, финанси­руемых Национальным научным фондом, проводятся модифика­ции зданий в крупных масштабах в промышленности, в частно­сти фирмой «Дженерал электрик» на своем заводе в Вэлли - Фордже (шт. Пенсильвания). Солнечные коллекторы площадью 455 м2 обеспечивают основную долю нагрузки в отоплении и при­готовлении горячей воды для пищеблока площадью 1850 м2.

Переоборудование существующих зданий, в том числе пяти школьных объектов, финансирование которого осуществляется Национальным научным фондом, является одной из наиболее су­щественных областей применения солнечного отопления. Боль­шинство из миллионов зданий в США в следующем веке не будет существовать п потреблять энергию. Через 20—30 лет количество зданий и построек в стране удвоится. Для многих существующих зданий сейчас проще снизить расход топлива па отопление бла­годаря применению солнечной установки, а не в результате уси­ления изоляции стен и крыш. Солнечные коллекторы можно устанавливать на земле в виде отдельно стоящих сооружений или в ряде случаев прикреплять к стенам зданий. Чаще всего их можно размещать поверх скатных и плоских крыш.

Переоборудование существующих зданий будет рассмотрено более подробно ниже, в том числе в разделе «Отдельно стоящие коллекторы» и в части III. Первые две системы солнечного ото­пления, одна была предложена Дж. Лёфом, г. Боулдер, шт. Ко­лорадо (1945), другая — Рэймондом Блиссом и Мэри Донован, г. Амадо, шт. Аризона (1954), были разработаны применительно к существующим зданиям.

Одним из самых старых действующих солнечных домов яв­ляется здание, переоборудованное для использования солнечной энергии, которое находится вблизи студенческого городка уни­верситета шт. Флорида в г. Гейнесвилл. Этот дом был построен в 1955 г. механико-техническим факультетом сначала с целью измерения потоков тепла, поступающих и выходящих из здания. В 1968 г. дом был переоборудован под солнечное отопление. Доктор Эрик Фарбер, один из признанных авторитетов в области солнечной энергетики, является руководителем группы специа­листов по использованию солнечной энергии этого факультета, которая занимается широким кругом проблем, в том числе раз­работкой двигателей на солнечной энергии, солнечных насосов, плит, солнечного холодильного оборудования, солнечных подо­гревателей воды в бассейнах и солнечных опреснителей воды. Солнце нагревает воду для бытовых нужд, отапливает и охлаж­дает дом, подогревает воду в плавательном бассейне и приводит в действие систему рециркуляции жидких отходов (посредством дистилляции). Солнце также вносит вклад в питание системы электропреобразования для телевидения, радио, освещения, бы­товых приборов и солнечного электромобиля.

По словам Ричарда Дж. Стейна, городского архитектора Нью-Йорка, в следующие два десятилетия во всем мире будет построено полтора миллиарда жилых единиц. Только в США до начала 80-х годов ежегодно будет строиться в среднем 1,5 млн. домов. Естественно, что специалисты, занимающиеся проблемой использования солнечной энергии, предпочитают рассматривать строящиеся дома, в которых они имеют большие возможности во­площать свои замыслы. К 1976 г. были построены сотни солнеч­ных домов, а еще несколько тысяч находились в стадии проекти­рования или строительства.

Пожалуй, наиболее сложным в техническом смысле является солнечный дом университета шт. Делавэр. По словам первого ди­ректора университетского института по экономии энергии д-ра Карла Бэра, «это — первый дом, в котором предпринята серьез­ная попытка собрать как электрическую, так и тепловую энер­гию». Тепловая энергия используется для отопления и охлажде­ния здания, а также для подогрева воды для бытовых нужд. Элек­троэнергию получают при помощи солнечных элементов на осно­ве сульфида кадмия. Электроэнергия, поступающая от солнеч­ных элементов, накапливается в свинцовых автомобильных аккумуляторах и используется для освещения и других целей, где возможно применение постоянного тока. В конечном счете, дом может быть снабжен дополнительным оборудованием для преобразования постоянного тока в переменный напряжением 115 В. Эти фотоэлементы являются частью тех же плоских кол­лекторов, через которые проходит и нагревается воздух.

Теплоаккумулирующая система была разработана д-ром Ма­рна Телкес, которая работала в области солнечной энергии на­чиная со времени создания первых солнечных домов Массачу­сетского технологического института (40-е годы). Система со­стоит из пластмассовых контейнеров, содержащих эвтектические соли. По мере плавления эти химические соединения поглощают большое количество тепла; при затвердевании соли отдают на­копленное тепло.

Основной недостаток этого работающего на солнечной энер­гии дома состоит в нынешней высокой стоимости солнечных эле­ментов. И все же такие элементы из сульфида кадмия или анало­гичные им будут в конечном счете достаточно дешевы, чтобы получить широкое распространение.

В университете шт. Колорадо проводятся испытания и оценка трех жилых домов, использующих солнечную энергию. В первом доме, построенном в 1974 г., применяется жидкостная система солнечного отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Насколько известно, это первая система солнечного теплоснаб­жения жилого дома, спроектированная, построенная и исследо­ванная при использовании традиционного оборудования и имею­щая кондиционер воздуха на бромиде лития. Установка другого дома также представляет собой жидкостную систему, но другой конструкции. В третьем доме применена воздушная система. Эксплуатационные характеристики всех трех домов подвергают­ся проверке и сравнению.

В 1975 г. в Гилфорде (шт. Коннектикут) проф. Эверетт Бар­бер из Йэльского университета построил для своей семьи солнеч­ный дом площадью 110 м2. В экономичном в отношении исполь­зования энергии доме применялись плоский солнечный коллек­тор и система, спроектированная и построенная фирмой Барбера «Сануоркс, инк.». Барбер считает, что за счет солнечной энергии обеспечивается примерно 60% потребностей его дома в отопле­нии и приготовлении горячей воды. Затем предполагалось уста­новить два ветряных двигателя, которые на 80% должны заместить расход электроэнергии, поступающей от местной элек­трической компании.

В августе 1974 г. на Лонг-Айленд-Саунд в шт. Коннектикут был сооружен дом, инженерную часть проекта которого вел проф. Барбер, а архитектором был Дональд Уотсон (Американ­ский институт архитекторов) из Гилфорда, шт. Коннектикут. В этом доме на одну семью, предназначенном для круглогодич­ного использования, более половины потребностей в конвекцион­ном отоплении и почти все потребности в энергии для приготов­ления горячей воды удовлетворяются с помощью модульной системы плоских коллекторов конструкции Барбера. Согласно архитектурным ограничениям высоты домов, принятым в этой зоне, крыша любого здания не должна возвышаться более чем на 6 м. Поэтому три ориентированных на юг коллектора были рас­положены в виде зубьев пилы, что в свою очередь обеспечивало верхнее освещение и прекрасную естественную вентиляцию вну­тренних помещений. Каждый модульный элемент имел ширину 0,6 м и высоту около 1,8 м. Кроме системы солнечного отопления в здании был применен ряд направленных па экономию энергии решений, среди которых можно отметить размещение и размеры окон для естественного дневного освещения и вентиляции. Ко­зырьки над окнами большой площади уменьшают летнее избы­точное тепло, но позволяют солнечным лучам проникать в дом зимой. Дом имел очень хорошую изоляцию.

В попытке упростить системы солнечного теплоснабжения проектная фирма «Тотал энвайронментал экшн, инк.» (г. Хар - рисвилл, шт. Нью-Гэмпшир) спроектировала солнечный дом для строительства близ Манчестера, Нью-Гэмпшир. Дом сочетает в себе тщательно продуманный архитектурный замысел и систе­му солнечного отопления, которая сочетается с многочисленными окнами в южной стене дома. Единственным механическим обору­дованием отопительной гелиоустановки является передвижная изоляция, которая дает возможность открывать коллектор лучам солнца в течение дня и защищать его от потерь тепла ночью.

Коллектором, который кроме поглощения тепла может еще и аккумулировать его, является бетонная стена толщиной 300 мм. Концепция такого коллектора была в свое время приме­нена Феликсом Тромбом и Жаком Мишелем в г. Одейо, Франция (см. часть III). Между бетонной стенкой — коллектором-накопи­телем и внешней средой устанавливается прозрачная стеновая панель. Когда светит солнце, панель прозрачна, и через нее видна бетонная стена. Когда солнца нет, стена покрывается крошеч­ными капельками полистирола, образующими изоляционный барьер между теплым бетоном и холодной внешней средой. Теп­ло поступает в жилые помещения в результате теплопроводности материалов и естественной конвекции воздуха. Эта концепция была разработана фирмой «Зоумуоркс корпорейшн».

Примером поиска решений полной независимости от внешних источников энергии является ферма супругов Роберта и Эйлин Рейнесов, расположенная недалеко от Альбукерке (шт. Нью - Мексико). Рейнесы построили обогреваемый солнцем купол, ко­торый, как они заявили, является первым в мире жильем, на 100% отапливаемым солнцем и снабжаемым энергией за счет ветра. Они спроектировали дом и построили свой образ жизни в соответствии с требованием минимальных затрат энергии. Энергия, которой они пользуются, поступает от солнца в виде тепла и от ветра в виде электричества.

Система солнечного отопления конструктивно отделена от купола. Для отопления помещения внутри купола применяются радиаторы, в которые поступает вода из теплоаккумулирующего бака емкостью 11 350 л. Тепло в куполе может поддерживаться в течение 10 дней облачной погоды при температурах, близких к отрицательным. Внутри купола температура могла поддержи­ваться в пределах 18—29 °С. Приводимые в действие ветром ге­нераторы заряжают 16 аккумуляторных батарей большой емко­сти, которые питают электронагреватели воды для бытовых нужд и приводят в действие бытовые электроприборы. Запасен­ная энергия является единственным источником электроэнергии для дома. Электролампы общей мощностью до 150 Вт обеспечи­вают достаточную освещенность в любой части дома.

Боб Рей'нес считает, что обычное сооружение тех же габари­тов потребует примерно в десять раз больше тепловой энергии для поддержания той же температуры и примерно в пять раз больше электроэнергии. Он и его коллеги продолжают работать над разработкой эиергоэкономичных холодильников, светильни­ков, кухонного оборудования, устройств для водоснабжения и удаления отходов, а также закрытых систем производства про­дуктов питания, которые круглый год могут обеспечивать жите­лей дома свежими овощами и фруктами.

Помимо домов с автономными системами солнечного тепло­снабжения проектируются также и солнечные общины с тем, чтобы воспользоваться возможностью снизить затраты и повы­сить эффективность работы системы. Исследования, проведенные лабораториями «Сандиа» в Альбукерке (шт. Нью-Мексико), по­казали, что солнечная община в Альбукерке может удовлетво­рять свои энергетические потребности на 60% за счет солнца. Солнечная энергия будет централизованно собираться и хранить­ся, а затем распределяться по отдельным домам и предприятиям в виде электричества, тепла, горячей воды или кондиционирован­ного воздуха. Проектная численность поселка составляет от 100 до 1000 единиц, включая дома, квартиры и небольшие мастер­ские. Эту концепцию можно также применить к существующим поселкам сравнимого размера. Для проверки этой концепции планируется строительство подобного опытного объекта.

Одним из наиболее впечатляющих проектов использования солнечной энергии является поселок Грасси-Брук-Вилледж в Бруклине (шт. Вермонт). Первая очередь этого объекта преду­сматривала строительство 10 жилищных единиц; вторая оче­редь — еще 10 единиц. По словам застройщика Ричарда Блазея, жилищные единицы «спроектированы таким образом, чтобы бы­ли обеспечены принципы экологической целостности в процессе их строительства и эксплуатации..., чтобы на окружающую среду оказывалось минимальное воздействие и была обеспечена схема коммунальных и жизнеобеспечивающих систем, получаю­щих энергию от природных и незагрязняющих источников, над которыми владелец или постоянный житель может осуществлять финансовый и качественный контроль». Использование солнеч­ной энергии в общине предусматривается для отопления домов,

приготовления горячей воды, получения электроэнергии за счет