Русский   English

Зміст

Вступ

Альтернативна енергія – відносно нова галузь, яка не знаходить широкого числа прихильників. Світова енергетика стоїть на порозі глобальних змін, які відокремлюють традиційні джерела енергії від альтернативних джерел енергії. Отримання енергії від таких джерел є менш небезпечним і дозволяє споживачу бути автономним і енергозберігаючим.

1. Актуальність теми

Альтернативне джерело енергії є відновлюваним ресурсом. Він замінює собою традиційні джерела енергії, які функціонують на нафті, добуваємому природному газі та вугіллі. Ці речовини виділяють в атмосферу вуглекислий газ, який сприяє зростанню парникового ефекту і глобального потепління. Найбільш важливою перевагою альтернативної енергетики є її екологічність і немає ніякої загрози рівноваги екосистеми. Все йде до того, що все більше альтернативних джерел застосовується як при будівництві нових будівель, так і при експлуатації існуючих.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Розвиток галузі енергозбереження та енергоефективності несе головну мету – модернізація економії і скорочення витрат при виробництві і транспортуванні енергії і виробленої продукції. Все це створює конкурентну продукцію і робить дешевою електроенергію, що підвищує рівень життя громадян і самого споживача як об’єкта виробництва. А це все підштовхує різні виробництва від машинобудування до металургії створювати робочі місця і будувати різні соціальні об’єкти і інфраструктуру.

3. Джерела та способи отримання альтернативної енергії для будівель

Майбутнє за альтернативною енергією

Майбутнє за альтернативною енергією

Джерел альтернативної енергії, які можуть застосовуватися для будинків не мало. Багато вже застосовуються в будівельній галузі в різних масштабах і кількостях. Розглянемо докладно всі можливі джерела, які можуть застосовуватися як безпосередньо для Донбасу, так і для інших регіонів.

3.1 Сонячна енергія

Це первинна енергія не тільки в плані енергетичної одиниці, а й для забезпечення життєдіяльності живих істот на Землі. У більшості районів Землі вона може бути основним джерелом для енергії екодому. Екодім – це індивідуальний будинок з ділянкою землі, що є радикально ресурсозберігаючими і маловідходних, не агресивним до навколишнього середовища. Сонячна енергія досить потужне джерело. Загальна кількість енергії, що йде від Сонця до Землі – 123 трильйона тонн умовного палива на рік – в 3000 разів більше, ніж енергія всіх інших видів палива [1]. У ясний сонячний день близько 80 % енергії сонячного випромінювання досягає земної поверхні. Всього на Землю на рівні моря щорічно приходить близько 800 трильйонів мегават годин сонячної енергії, що у вісім тисяч разів більше ніж вся сучасна вироблення енергії. Важко усвідомити, скільки ми втрачаємо енергії. Технічно на сьогоднішній день можливе використання тільки близько третини сонячної енергії. Цю енергію можна перетворювати в електричну, хімічну або теплову.

Для Донецької області відповідно до карти сонячної активності в середньому за рік можна отримувати від 1300 до 1450 кВт#183;год енергії на метр квадратний. Наприклад, цієї енергії досить буде щоб покрити річну потребу двоповерхового будинку площею в 100 м2.

3.2 Теплові сонячні батареї

Сонце випромінює величезну кількість тепла. Кількість тепла, що посилається на Землю Сонцем можна вимірювати актінометром [2]. Робочою ланкою перетворення енергії сонячного випромінювання в тепло є теплові сонячні колектори. Колектори нагрівають теплоносій – воду, повітря. Теплові сонячні перетворювачі мають досить високий ККД, який досягає 45–60 %. Однак актуальність отримання тепла в будинку влітку невелика, а зберегти отриману енергію влітку до більш холодним періодів складно. У енергоефективних будинках застосовуються сонячні колектори для гарячого водопостачання та опалення. Такі будинки прийнято називати сенячний будинок [3].

Ефективність сонячних колекторів збільшується, якщо вони оснащені концентратором сонячного випромінювання. Наявність концентратора (автоматична система стеження за Сонцем) впливає на вартість самого колектора. Плоскі колектори (без концентратора) в домовому господарстві застосовуються обмежено, так як вони дають низькотемпературне тепло. Концентраторні колектори більш ефективні, складні в експлуатації і мають більш високу вартість. Сам же колектор являє собою плоский ящик з прозорим покриттям, зверненим до Сонця, щоб уникнути втрат він теплоізольований. Усередині ящика розташована система трубопроводів для теплоносія. В якості прозорого покриття застосовується скло з максимальним пропусканням сонячного спектра. Один із способів зменшення тепловтрат в колекторі це відкачка з нього повітря. На такому принципі працюють вакуумні колектори. Вакуум підтримується в скляних трубках, які оточують канали з теплоносієм. У разі застосування тонкого скла з поліпшеним пропусканням спектра застосовують колектори зі зниженням тиску повітря всередині, так як це скло не витримує звичайного атмосферного тиску, яке всередині становить 10 тонн на квадратний метр.

Крім звичайних колекторів існують також вакуумні і колектори з пониженням тиску. Вони дорожчі, але їх робота характеризується поліпшеними показниками при роботі в хмарну погоду і взимку.

Тепло від колекторів може використовуватися для гарячого водопостачання та опалення. Цей вид отримання енергії актуальний для всіх регіонів земної кулі, крім приполюсних регіонів, де є тривалі полярні ночі з відсутністю сонячного світла.

3.3 Теплоуловлюючі стіни

Найпростішим пристроєм для будівлі, що використовує енергію Сонця для отримання теплової енергії є Стіна Тромба. Зазвичай на південній стіні зовні розташовується тонкий темний шар, який поглинає сонячне випромінювання, а за ним повітряний прошарок. В цьому прошарку нагрівається повітря в сонячний день і надходить в приміщення через верхні отвори за рахунок теплової циркуляції або примусово за допомогою вентиляторів. Через отвори відбувається відтік холодного повітря з приміщення в нагрівальну прошарок, і так цикл повторюється.

Розглянемо стіни з прозорою теплоізоляцією. Прозора термоізоляція є шаром прозорого термоізоляційного матеріалу розташованого зовні стіни. Такий спосіб, відрізняється тим, що може вловлювати сонячну енергію, яку можна використовувати навіть через кілька годин після заходу Сонця. Також теплоізоляція має гарний вигляд при реконструкції та ремонті будівлі, але досить високу вартість, що обмежує застосування. За рахунок унікальної структури зменшується тепловіддача в навколишнє середовище. Наступний шар є приймачем сонячної енергії. Цей шар нагріває матеріал стіни, а сама стіна вже віддає тепло приміщенню.

Стіни Тромбу і стіни з прозорою теплоізоляцією є дуже перспективними в плані підвищення енергоефективності будівель при їх реконструкції. Ці способи отримання енергії доцільні для районів з відносно м’якою і сонячною зимою, де будинок можна ефективно обігрівати зимовим сонцем. Надходження енергії через такі стіни помітно перевищує тепловтрати, що є основним показником їх корисності і доцільності.

3.4. Фотоелектричні системи

Універсальним і першорядним видом енергії є електрична енергія. У порівнянні з тепловою вона характеризується набагато меншими втратами, її легко передавати, розподіляти і контролювати витрату. Її можна перетворювати в будь який інший вид енергії і використовувати її ефекти: хімічні, магнітні, механічні, теплові, світлові. Життєдіяльність сучасного людства повністю залежить від електроенергії. Але у цього виду енергії є також недоліки. Головними недоліками є висока вартість через низький ККД при виробництві і труднощі накопичення у великій кількості.

Згідно з даними на 2015 рік основна кількість електроенергії в усьому світі виробляють з природних ресурсів: вугілля / торф (39,3 %), природний газ (22,9 %). Запаси цих ресурсів обмежені. Тому актуальним і перспективним для майбутнього є фотоелектричні сонячні приймачі. Ці пристрої працюють в комплексі з електричними перетворювачами. Головною перевагою перетворювачів є відсутність в них рухомих частин, простота і надійність конструкції.

Зробити ефективним перетворення сонячної енергії в електричну вдалося після застосування для цієї мети напівпровідників. На їх основі були створені перші напівпровідникові батареї. Вони були дуже дорогими і застосовувалися тільки на унікальних об’єктах – космічних апаратах. Сучасні тенденції ставлять перед собою удосконалення їх виробництва: підвищення ККД, зниження собівартості, щоб зробити їх більш доступними для побутового використання. Термін служби такої батареї задовільний і досягає декількох десятків років. Це дає можливість створення автономних електростанцій для будівель і можливість генерації електроенергії в загальну мережу, що дає можливість і невеликого заробітку. На заваді цьому стоїть ціна фотоелектричної батареї (енергія від них в кілька разів дорожче енергії мережі). Масове застосування їх можливо тільки при адміністративному фінансуванні. Прикладом цього є Німеччина, яка в 1990–1995 рр. запустила програму 1000 дахів. Ця програма по установці фотоелектричних систем на дахах приватних і громадських будівель, завдяки якій були встановлені і стали доступні майже 6 МВт потужності. Цифра на перший погляд здається невеликою, але це серйозний крок в області застосування фотоустановок і пропаганди екологічно безпечного джерела енергії.

3.5. Розміщення геліоустановок

Це установки, які розміщуються на фасадах і дахах, орієнтованих на південь, південний схід і південний захід. Геліоустановки породили нове поняття – енергетичний дах. Розміщення залежить від клімату, рельєфу, характеру затіненості. Вибір схеми установки проводиться в залежності від виду споживача, обсягу водоспоживання, розрахункової температури і якості води, схеми традиційного теплопостачання об’єкта [4]. Підвищення ККД установки досягається шляхом оснащення трансформуючими платформами, які підлаштовуються під положення Сонця.

Існує проблема при оснащенні геліоустановки існуючих будівель – затінення деревами і існуючими забудовами. Простіше вирішити проблему затінення при проектуванні шляхом забезпечення просторово висотного співвідношення між будівлями. Одним з варіантів є досить щільне, але шахове розташування будівель. В даний час для районів схильних до стихійних лих проводиться фоточерепиця, яка витримує попадання каменя.

3.6. Обертальні будинки

Всі ми звикли до статичного розміщення будівель. Вдалий спосіб підвищення енергоефективності будинку полягає в тому, щоб південні фасади робити зі збільшеним склінням і сонячними батареями, північні – з мінімальним склінням і найбільш утепленими стінами. Внаслідок малого застосування поворотних механізмів для сонячних батарей на дахах будинків було запропоновано створити будівлю, яка поверталася слідом за сонцем, як соняшник. Такий будинок зводиться на металевій обертові основі, яка стоїть на опорах. Підстава для вузла механізму обертання заглиблюється на ту ж величину, що і звичайний фундамент. Поворотний механізм простий в обслуговуванні і вимагає тільки періодичних оглядів. У світі зараз вже існує кілька будівель подібної конфігурації. Наприклад, недалеко від Верони, на півночі Італії, знаходиться вілла Girasole (Соняшник). Вона стала першим в світі будівлею, здатним повертатися вертикально навколо осі на 360° в залежності від руху сонця протягом всього дня. Подібні будівлі: Вежа Heliotrop (Німеччина), Suite Vollard (Бразилія).

Suite Vollard (Бразилія)

Suite Vollard (Бразилія)

3.7. Вітрова енергетика

Вітрова енергія, як і сонячна, використовується людиною з давніх часів. Прикладом першого застосування є вітряні млини. На основі перших млинів була отримана перша установка для отримання електроенергії, так звані вітряки. Це не дуже складна за своєю структурою конструкція. Вітряк невеликої потужності можна зробити своїми руками [5].

На сьогоднішній день багато країн активно розвивають вітроенергетику. Основним показником для доцільності установки вітряних станцій є середня багаторічна швидкість вітру. Ефективним показником вважається не менш 4–5 м/с для звичайних установок і не менше 3 м/с для вбагатолопатеву і вихрових. Зазвичай великий вітровий потенціал поширений в прибережних районах і на акваторіях. Для Донбасу середньорічна швидкість вітру становить від 5,5 м/с до 6 м/с в залежності від місця установки. Це свідчить про доцільність використання вітряків в нашому регіоні [6].

Вітроенергетичні установки мають ряд переваг [7]:

– вартість 1 кВт встановленої потужності, нижче, ніж у фотоелектричних систем;

– вітрові ресурси розподілені досить рівномірно протягом року і дня;

– вітроенергетичні установки можна розмістити недалеко від об’єкта електропостачання, на відміну від ГЕС;

– виробництво не вимагає високотехнологічного обладнання.

Як завжди є і негативні сторони. Під вітроустановки необхідно виділяти земельні ділянки, вітроустановки виробляють шум, змінюють ландшафт, створюють перешкоди зв’язку, можуть призводити до загибелі птахів, небезпечні при аваріях. Технічний прогрес дозволив знизити деякі недоліки: з’явилися малошумливі лопаті, які відбивають електромагнітне випромінювання; щогли, які автоматично складаються при небезпечному вітрі.

Рекомендується вітродвигуни розміщувати групами на окремих майданчиках, віддалених від житла. Займані площі можна використовувати в сільськогосподарських цілях. Вітродвигуни здатні перетворювати в електроенергію більше 30 % енергії вітряного потоку. Однак вітряної потік є мінливим у часі і ефективність установки досягається при комбінуванні вітроустановки з іншими джерелами енергії, наприклад сонячними.

3.8. Вземлення будівель

Цей спосіб підвищення енергоефективності заснований на використанні геотермальної енергії. Першою країною, яка активно зацікавилася в розвитку цього способу отримання енергії, були Сполучені Штати Америки. Досвід експлуатації дозволив виділити наступне позитивні якості:

– використання розробленого грунту, який, як правило, застосовується в якості присипки будівель і організації вітрозахисних та солнцеаккумулірующіх форм рельєфу на території ділянки;

– теплоїнерційні масиви ґрунту, що вкривають стіни і покрівлі, пом’якшують різке коливання температурно–вологісних параметрів зовнішнього середовища;

– повільна тепловіддача (при відключенні джерела тепла температура внутрішнього повітря в приміщенні знижується 1–2 °С на добу);

– містобудівна маневреність – заглиблення дозволяє компактно розташовувати досить великі об’єкти в умовах масштабної забудови.

Недоліками заглиблених будівель є проблема дренажу і гідроізоляції в умовах високих грунтових вод, а також природного освітлення і вентиляції. Крім того, при будівництві потрібний резерв територій для обвалок (земляний вал, яким обсипають вземленное будівлю по периметру).

Висновки

Питання використання альтернативних джерел енергії для підвищення енергоефективності будівель є дуже важливою складовою частиною існування людини. Необхідно враховувати не тільки енергетичну, а й економічну доцільність використання архітектурно–конструктивних засобів у вигляді поєднання конструкцій стін (дахів) з джерелами альтернативної енергетики. Це дозволить істотно знизити вартість об’єкта. Розглянуті способи підвищення енергоефективності будівель мають свої переваги і недоліки, умови найбільшої енергоефективності та інше. Тому питання розміщення того чи іншого джерела в певній місцевості і кліматичних умовах вимагає додаткових досліджень про його доцільності, але їх різноманітність дозволяє зробити вибір.

Також слід зазначити, що в світі постійно ведуться дослідження і не виключено, що рано чи пізно з’являться нові джерела енергії, а існуючі все більше і більше будуть удосконалені. Тому перехід до альтернативних джерел енергії неминучий, і вони займуть гідне місце і в нашому повсякденному житті і в промисловості.

Перелік посилань

  1. Голицын М. В. Альтернативные энергоносители / М. В. Голицын, А. М. Голицын, Н. В. Пронина. — М.: Наука, 2004. — 159 с.
  2. Аристов Г. А. Солнце / Г. А. Аристов. — М: Гостехиздат, 1950. — 52 с.
  3. Танака С. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением / С. Танака, Р. Суда, пер. с яп. Е. Н. Успенской; Под ред. М. М. Колтуна, Г. А. Гухман. — М. Стройиздат, 1989. — 184 с.
  4. Аверьянов В. К., Тютюнников А. И. и др. Альбом для проектирования установок солнечного горячего водоснабжения, СПб, 1992. — 55 с.
  5. Кажинский Б. Б. Простейшая ветроэлектростанция КД–2/ Б. Б. Кажинский. — М: ДОСАРМ, 1949. — 40 с.
  6. Кривцов В. С. Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика / В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. — Учебник. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т Харьк. авиац. ин-т, Севастополь: Севаст. нац. техн. ун-т, 2004. — 519 с.
  7. Четошникова Л. М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Л. М. Четошникова. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. — 69 с.