Получение горячей воды с помощью солнечной энергии для част­ного домашнего хозяйства является самой эффективной возможностью использования возобновляемой энергии. солнечные батареи могут обеспечить около 50 % годовой потребности в горячей воде, а с мая по сентябрь - до 100 % этой потребности (рис. 44). При недостатке солнечного света такая система может осуществлять по крайней мере подогрев воды в верхней части теплообменника (рис. 45). Таким обра­зом, можно обеспечивать рациональное распределение энергии между системами. Все компоненты системы, такие, например, как коллек­торные пластины, теплообменники, теплокоммуникации могут быть смонтированы в соответствии с потребностью и рационально соеди­нены между собой. Простейший солнечный коллектор, разработанный в Белорусском отделении Международной академии экологии, предна­значенный для установки на шиферные крыши, имеет себестоимость всего $ 10/м2 и по основным характеристикам соответствует западным образцам [Макдональд, С. О., Мирман, М., 1996].

В зависимости от конструкции и производителя, установленный фирмой солнечный коллектор стоит для одноквартирного дома на 4 че­ловек около € 10 000-15 000. Специфическая стоимость горячей воды в хорошо спланированной системе солнечных батарей без дополни-

Рис. 45. Упрощенная схема использования солнечного коллектора

тельных элементов - € 0,2-0,25/кБт-ч - больше, чем от экологически чистой газовой системы (€ 0,15/кБт-ч при сегодняшних низких ценах на сырье), но более низкая, чем цена электрической отопительной си­стемы (€ 0,3/кБт-ч и больше). Следует отметить, что с каждым годом стоимость солнечного киловатт-часа снижается на несколько центов.

Солнечные батареи имеют также преимущества в управлении и обслуживании. Учитывая суммы, выделяемые в Германии и других странах на научные исследования в области систем использования солнечной энергии, можно сказать, что солнечные коллекторы уже сегодня являются отраслью экономики. Солнечные коллекторы - это возможное будущее. Если при строительстве нового дома финансовые средства не позволяют установить солнечную батарею, все равно она должна планироваться и устанавливаться в будущем. Однако использо­вание солнечного коллектора не означает отмены необходимых мер по тщательной теплоизоляции дома.

Конечно же, концепция создания энергоэффективного домострое­ния с использованием солнечной энергии актуальна не только для ин­дивидуального жилищного сектора. Ведущие экономически развитые страны уже давно успешно реализуют ее и в индустриальном домо­строении. Примером практической реализации этой концепции явля­ется реконструкция правительственного квартала в г. Берлине (Гер­мания), включая здание заседания немецкого парламента, Рейхстага [Schneider, A., 2009]. Южная часть кровли этого исторического здания оснащена солнечными батареями общей площадью 269 м2 (мощно­стью 37,5 кВт) (рис. 46).

Солнечные батареи в виде элегантных голубых ширм, которые хоро­шо видны со смотровых площадок рейхстага, покрывают здание нового берлинского железнодорожного вокзала (мощность - 189 кВт) (рис. 47).

Напротив здания федеральной канцелярии находится новое пра­вительственное офисное здание (Paul-Lobe-Haus), пересекающее реку Шпрее, на крыше которого, на стенах и в виде солнцезащитных кон­струкций смонтирована одна из крупнейших для архитектурных соору­жений солнечная электростанция на фотоэлектрических элементах из аморфного кремния (площадь - 3 239 м2, мощность - 123 кВт (рис. 48).

Как видно из табл. 12, наибольшую мощность имеет солнечная электростанция, смонтированная на здании федеральной канцелярии (149 кВт при площади 1721 м2. общая площадь солнечных батарей правительственного квартала составляет 9425 м2, мощность - 798 кВт (рис. 49).

Следует отметить, все правительственные здания соединены в еди­ную тепловую, электрическую и кондиционную сеть. учитывая имею­щуюся в энергетической системе квартала децентрализованную био­дизельную теплоэлектрическую станцию, тепловые коллекторы и др., энергетические потребности зданий на 80 % удовлетворяются за счет возобновляемых источников энергии.

с целью достижения максимальной энергоэффективности зданий излишняя тепловая энергия, производимая в летний период, накапли­вается и сохраняется в водоносных горизонтах земли и используется в зимний период времени (через специальные скважины закачивается на глубину 200-300 м, а зимой выкачивается и подается в систему отопле­ния (температура - 65°С). Аналогично зимний холод также использует­ся для понижения температуры воды до 5 °С, которая накапливается и хранится в земле, а летом подается в систему кондиционирования.

следует отметить, что в конструкциях зданий вписаны также и солнечные тепловые коллекторы, общая площадь которых составляет 1 500 м2. Они производят ежегодно 570 мВт-час. тепловой энергии, ко­торая используется не только для нагрева, но и для работы центробеж­ных охладительных систем.

одним из примеров действительно грандиозных сооружений явля­ется здание так называемого «солнечного ковчега» (SANYO Solar Ark), крупнейшего из когда-либо воздвигнутых человеком памятников сол­нечной энергии (рис. 50). Находится он в городе Гифу (Gifu) (Япония).

Строительство этой огромной фотоэлектрической системы, объе­диненной с современным научным центром, было закончено в декабре 2001 г. Возводили ее в течение двух лет ровно, затратив 3,3 млрд иен (около $30 млн). В апреле 2002-го «Ковчег» принял первых посетите­лей. Полная длина конструкции 315 м. Высота 31,6 м в центре и 37,1 м по краям. Ширина 13,7 м внизу и 4,6 м вверху. Вес - 3 тыс. т

количество фотоэлементов - 5 046. В темное время суток на фасаде включается 77 тыс. 200 красных, синих и зеленых светодиодов, контро­лируемых компьютером.

«Солнечный ковчег» окружен своеобразным аквапарком, вклю­чающим в себя фонтаны и два водоема, в каждом из которых имеется водопад.

Заявленная максимальная мощность системы 630 кВт, тогда как в год «Ковчег» вырабатывает 530 тыс. кВт-ч, что сопоставимо с резуль­татом работы маленькой электростанции. В «Ковчеге» действуют еще и системы очистки воды (Sanyo Aqua Clean system) и воздуха (перераба­тывается 95 т углерода в год) [www. community. livejoumal. com/buntarh].

На сегодняшний день одной из основных причин, тормозящих ши­рокое использование солнечных модулей, является их высокая стои-

мость и, как следствие, довольно большой срок окупаемости. Однако существует ряд разработок, позволяющий увеличить эффективность применения модулей путем их автоматизированной фокусировки на солнце. конечно, это ведет также к дополнительным потреблениям энергии. в последние годы появились фотоэлектрические преобразова­тели, которые следят за перемещающимся солнцем не двигаясь и от­бирают из потока света наиболее эффективные частоты. эти разработки в своей конструкции используют принципы голографии [www. nrel. gov]. так, американская компания Prism Solar Technologies выдвинула на рынок необычный продукт - солнечные фотоэлектрические модули, отличающиеся низкой стоимостью одного ватта выходной мощности и целым рядом привлекательных технических моментов. Идея ис­пользования принципов голографии для концентрации света в устрой­ствах для солнечной энергетики дискутировалась в технической лите­ратуре еще с начала 1980-х гг. Но в наши дни именно фирма Prism Solar Technologies довела эту идею до технического решения, а главное - до продукта, готового к массовому производству (рис. 51).

основной элемент новой солнечной панели - плоский пленочный голографический концентратор (Holographic Planar Concentrator - HPC).

Голографическая пленка размещается между двумя слоями стекла. на пленке при помощи лазера выполнены невидимые для глаза интерфе­ренционные линии, рассчитанные таким образом, что эта голограмма фильтрует из солнечного спектра частоты, которые наиболее сильно воздействуют на фотоэлектрическую батарею, которая размещается в этой же конструкции. такая батарея представляет собой определенным образом расположенные чередующиеся полосы из голографической пленки и фотоэлектрических преобразователей [www. prismsolar. com/ homepage. html]. солнечные лучи за счет многократного отражения от голограммы и от внутренней поверхности наружного стекла, кон­центрируются и направляются на участки между голограммами, где с обратной стороны стеклянной конструкции располагаются фотоэлек­трические преобразователи (рис. 52). толщина каждого из двух сло­ев стекла - 3,2 мм (желтый цвет), толщина голографической пленки - 7 микрон (оранжевый). Синим цветом выделен фотоэлектрический преобразователь. стрелки - направление солнечных лучей.

Благодаря сложной голограмме свет будет правильно отражаться и попадать на фотоэлектрический преобразователь не только при падении по нормали к поверхности, но и в довольно широком диапазоне углов.

Концентрация света здесь достигается не столь высокая, как в си­стемах с зеркалами, призмами или линзами - всего-то до 10 раз. Зато в отличие от упомянутых старых типов концентраторов HPC обладает значительными достоинствами. Это легкость и минимальная толщина. Это селекция света по частотам («тепловая» часть спектра на фото­ячейки не попадает), обеспечивающая более высокий КПД фотоэлек­трических преобразователей без их перегрева. В обычных конструкци-

ях с фокусировкой солнечного света за счет применения зеркал и линз (где концентрация солнечного света достигает 100 и более раз, да еще и концентрируется - весь спектр) принудительное охлаждение кремние­вых панелей - непременное условие их надежной работы.

По сравнению с солнечными батареями без концентраторов в рассма­триваемой конструкции для получения 1 Вт требуется на 50-85 % мень­ше кремния, что является одним из условий относительно низкой цены голографических панелей. Если сравнивать с аналогичными устройства­ми с концентрацией солнечной энергии, то можно отметить, что гологра­фические пленки намного дешевле больших зеркал или линз.

В рассматриваемых устройствах имеется еще одно весьма инте­ресное преимущество. Применяемая в HPC голограмма является мультиплексной, т. е. это фактически огромное количество голограмм, наложенных одна на другую и «работающих» при падении на них солнечного света под своим, индивидуальным углом. Такое решение позволяет получить высокую отдачу панели без поворота ее вслед за Солнцем. При каждом положении солнца на небе в пределах какого-то угла задачу сбора и направления света на фотоэлектрические ячейки решает одна из этих голограмм.

Отсутствие механизма поворота - это еще одна составляющая низ­кой стоимости таких солнечных батарей. Поэтому их можно монтиро­вать непосредственно на крыше.

В конце 2008 г. фирма Prism Solar Technologies начала серийный выпуск своих голографических батарей по весьма привлекательной цене $ 2,4 за ватт, что примерно в 1,5-2 раза дешевле самых массо­вых на рынке «обычных» батарей на основе кристаллического крем­ния (примерно 4,5-5 $ за ватт) [http://solarbuzz. com/Moduleprices. html]. Более того, второе поколение таких батарей компания обещает сделать еще дешевле - 1,5 $ за ватт (они появятся через несколько лет).

Первые образцы таких батарей проходят испытания в лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (National Renewable Energy Laboratory), а также в ряде районов Амери­ки и Японии [www. nrel. gov].