Нові технології збереження енергії для України (реферат)

Реферат на тему:

Нові технології збереження енергії для України

Забуте право на Сонце, або тепло в Твоїй оселі

Гасло Майдану «Вільна людина в вільній країні» можливе лише тоді, коли
кожен бажаючий громадянин буде незалежним від монопольно контрольованих
природних ресурсів [1]. Крім їжі, одним з таких життєво необхідних
ресурсів є тепло для обігріву приміщень, електроенергія для роботи
побутових приладів та паливо для роботи транспорту. Всі вони нині
продукуються переважно з викопних ресурсів, а загальна вартість цієї
статті витрат може складати близько 50% витрат найбідніших верств
населення України. Ситуацію погіршує те, що людство насьогодні дійшло до
тієї межі, коли більша частина деяких природних ресурсів спожита [2], а
викликані людиною екологічні проблеми у вигляді забруднення
навколишнього середовища, парникового ефекту, підйому рівня світового
океану, тощо матимуть наслідком масові переселення людей, війни за
території та ресурси, тощо. У випадку подібних екстремальних явищ вони в
першу черг торкнуться України, як однієї з слаборозвинених країн, і тому
навряд чи актуальними будуть дотримання шляхетного гасла Майдану та
пошук умов для створення вільної України та Людини в ній. Враховуючи
значну інерційність природних систем, може виявитися, що навіть за умови
припинення будь-якої господарчої діяльності людства викликані ним зміни
в навколишньому середовищі виявляться незворотними та приведуть до
катастрофічних глобальних змін клімату. Нажаль, щодо майбутніх
перспектив планети нині ніхто не може дати певної відповіді, тому будемо
сподіватися, що точка неповернення ще не пройдена.

Сьогодні вже очевидно, що сучасний розвиток людства з хижацьким
використанням викопних ресурсів та відповідним забрудненням
навколишнього середовища веде все живе на нашій планеті до поглиблення
смертельної хвороби, назва якій – «людська цивілізація». Вихід для
нашого спільного виживання лише один: скоротити споживання природних
ресурсів хоча б до рівноваги, коли спожиті людством ресурси (в першу
чергу енергетичні) оборотно відновлюються в ході природних процесів.
Мусимо розчарувати також тих, хто покладає надії на розвиток атомної
енергетики: якщо зробити ставку на неї, то крім відомих негативних
факторів [3], також йдеться про те, що громадяни мають справу з
монопольним постачанням, а власник диктує ціни відповідно до своїх
забаганок, тож про поняття «свобода» і «право» в умовах централізованого
потоку ресурсів можна забути [4]. До того ж, існуюча нині занадто велика
централізація енергетики та наявність потужних магістральних мереж
роблять Україну вкрай вразливою з точки зору безпеки. Наприклад,
достатньо зруйнувати по одній опорі в 2-3 магістральних лініях
електропередач з напругою кілька сотень кіловольт, аби поставити всю
нашу країну на коліна, залишивши без енергопостачання в тому числі й
життєво важливі об’єкти. В зв’язку з цим постає потреба децентралізації
енергогенерації та енергопостачання, якою по своїй природі є
відновлювана енергетика. Наголошуємо, що активне використання ідей
відновлюваної енергетики дозволить досягти балансу з природою, та
мінімально убезпечити кожного з нас від несподіванок, пов’язаних з
припиненням централізованого електропостачання.

Те, що зміни клімату – це надзвичайно важливий наслідок діяльності
людства, на який варто серйозно реагувати, свідчать регулярні публікації
по цій темі у визнаних міжнародною науковою спільнотою журналах Nature
та Science. Остання подія в цьому напрямку: HYPERLINK
«http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/2007/» присудження
Нобелівської премії миру за 2007 рік громадській організації
HYPERLINK «http://www.ipcc.ch/» «Intergovernmental Panel on Climate
Change (IPCC)» («Міжурядова комісія щодо змін клімату») та
віце-президенту США Альберту Гору «за їх зусилля по розвитку та
поширенню знань щодо викликаних людською діяльністю змін клімату, та
закладення підґрунтя заходів по протидії таким змінам» [5]. Але якщо в
цивілізованому світі на найвищому рівні намагаються щось робити для
роз’яснення важливості збереження ресурсів та довкілля, то в Україні
такі спроби є справою небагатьох громадських активістів. Все доволі
очевидно: політики просто не зацікавленні в енергозбереженні, оскільки
представляючи державу Україна доволі часто «кришують» великі енергетичні
компанії з приватним інтересом, який полягає в максимальному продажу
ресурсів. Очевидно, що інтереси громадянина в мінімізації оплати за
тепло чи електроенергію тут абсолютно не збігаються з інтересами
політиків та постачальників. Тому нам всім треба брати справу в свої
руки та власними зусиллями розробляти заходи для приватного
енергозбереження та енергогенерації. На щастя, Україна має в цьому плані
немалий, але насьогодні забутий досвід завдяки «розвитку людської
цивілізації». Варто лише звернути увагу на Сонце, як джерело життя на
Землі. Завдяки можливості використання його дармової енергії можна
суттєво скороти використання викопних ресурсів для обігріву приміщень.

Коротко зазирнемо в історію. Зародження сонячної енергетики відбулося ще
до початку нашої ери. Так, першу пораду архітекторам по використанню
Сонця дав грецький історик Ксенофонт (430-354 рр. до н.е.): “Ми маємо
будувати південний фасад будинків вище, аби піймати зимове сонце”.
Сократ (469-399 рр. до н.е.) висунув ідею “Сонячного будинку”. В ньому
максимально використовувалося зимове Сонце і повністю виключалося
потрапляння прямого сонячного світла з південного боку влітку (див.
рис.9 на с.23 в [6]). А от як повідомляють матеріали HYPERLINK
«http://www.ecomuseum.kz/dieret/dieret.html» освітнього курсу DIERET ,
«в 100-му році н. е. історик Пліній Молодший збудував літній будинок в
Північній Італії, в одній з кімнат якого були вікна з тонкої слюди.
Кімната була теплішою за інші, а для її обігріву треба було менше дров.
У відомих римських банях в I-IV ст. н.е. навмисне встановлювали великі
вікна, які виходили на південь, аби в будинок надходило більше сонячного
тепла. До VI ст. сонячні кімнати в будинках та громадських будівлях
стали настільки звичними, що кодекс візантійського імператора Юстиніана
(VI ст. н.е.) запровадив «право на сонце», аби гарантувати
індивідуальний доступ до Сонця» (Кінець цитати. Детальніше про кодекс
читайте тут: HYPERLINK «http://en.wikipedia.org/wiki/Justinian_Code»
\t «_blank» http://en.wikipedia.org/wiki/Justinian_Code ).

На жаль, як показує пошук через Google, на момент написання статті в
українському сегменті Інтернет комбінація слів «право на сонце» давала
аж одне (!) посилання на матеріал, який не мав відношення до значення,
яке вказувалося вище. В той же час в російському сегменті інтернет
аналогічний пошук для комбінації слів «право на солнце» дав близько 27
тисяч (!) посилань, значна частина яких стосується наведеної тут
тематики. Особисто для нас в цьому нема нічого дивного: владний режим
Росії зневажає всі права Людини, які шкодять його існуванню. При цьому
він «великодушно» погоджується, аби воля Людей спрямовувалися туди, де
можна досягти хоча б якогось успіху відносно безболісно для режиму.
Одним з таких прав є природне «право на сонце», яке навряд чи
деклароване Конституцією хоча б однієї з країн світу. Наприклад, в
HYPERLINK «http://moskva.aif.ru/issues/605/18_03» московських ЗМІ
активно обговорюється те, що норма інсоляції для Москви складає близько
2 годин на день, а якщо в когось під вікнами внаслідок «ущільнюючої
забудови» росте будинок та є підозра, що норма порушена, то можна
замовити експертизу та звернутися в органи влади. Втім, ми підозрюємо,
що в Україні скоріш за все нема аналогічного нормативу, який дозволив би
ефективно боротися зі знищенням дитячих площадок, стадіонів та лісових
насаджень всередині житлових масивів.

Це тим більше дивно, оскільки історія України містить багато знахідок
щодо відновлюваної енергетики. Варто лише звернути увагу на автономність
селянських господарств в Україні. Традиційно український селянин
створював енергетично самодостатнє господарство. Саме самодостатністю
селянина можна пояснити настійливі намагання українців здобути волю.
Адже для самодостатнього господаря не було потреби мати над собою вищу
владу, окрім стосунків самоврядування. У 16 столітті в Україні
створилася унікальна господарська система самоврядування та
господарювання на землях Запорізької січі. Основу господарства складали
хутори-зимівники. Саме така автономна структура забезпечувала
надзвичайну живучість козацької республіки. Хутірські господарства були
характерною рисою України. Поневолення України завжди супроводжувалося
руйнуванням її автономних господарств. Запорізька система
хуторів-зимівників була знищена у 80-роках 18 століття разом із
введенням кріпацтва [7], але все ж залишалася досить поширеною на
Західній Україні. Так, на початок 1913 року на Волині HYPERLINK
«http://hop.com.ua/biblio/h_b_3_2.htm» налічувалося 41320 хуторів.
Певне відродження автономних господарств відбулося за столипінської
реформи й на сході (в цьому якраз була нагальна економічна потреба). Але
найбільшого руйнування такі господарства зазнали за совєтської влади.
Хоча цікаво, що за НЕП хутірські господарства толерувалися (очевидно,
через їх економічну ефективність). Фактично вони були повністю
зруйновані вже у 70-х роках 20-го століття. Причина нищення автономних
господарств є більш політична, ніж економічна. Вільна людина нищилася,
перетворювалася на наймита, який у всьому залежав від центральної влади.
Влада забирала напівфабрикати і розподіляла готову продукцію на власний
розсуд. До того ж компактно розміщених людей легше й контролювати.
Руйнувалася автономна господарча інфраструктура, втрачалися навички.
Сільське населення вже годувалося й одягалося містом й при цьому не було
здатне виконувати власні виробничі функції. Простий процес виробництва
сільськогосподарської продукції, доступний неграмотному селянину,
перетворився в „битву за урожай”, що незмінно зазнавала поразки через
значні втрати. Боротьба совєтської влади з автономністю людини мала
регулярний, добре продуманий, планомірний характер. Нищився реманент,
продукція, переслідувалися промисли, руйнувався селянський уклад. Так, з
1946 по 1960 роки з карти Полтавщини зникли та зняті з обліку 645
хуторів, а за півстоліття зникло більше ніж 1000 населених пунктів [8].
В результаті криза центральних розподільчих органів у 90-х роках 20-го
століття найбільш болісно вдарила якраз по сільському населенню і саме
там, де була втрачена автономність господарств. Люди виявилися
нездатними навіть пекти власний хліб. Більше того, енергетична
залежність від великих енерговласників, з системою централізованого
енергопостачання, є однією з найбільших проблем малого й середнього
бізнесу (з селянами включно), що стримує розвиток середнього класу й
громадянського суспільства в Україні [9].

Нинішній стан розвитку відновлюваної енергетики дозволяє відродити
енергетичну й господарчу автономність та незалежність Людини. Саме такий
сценарій є єдино можливим за умов загрози світової енергетичної й
екологічної криз. Сучасні комунікаційні технології дозволяють уникнути й
основних проблем автономних господарств – їх соціальної й економічної
ізоляції. Основою існування таких господарств має стати їх енергетична
незалежність. Більше того, саме такі господарства можуть і мають стати
джерелом енергопостачання для інших споживачів, розташованих у великих
містах. Така практика вже не є новою для багатьох розвинених
демократичних країн. Енергокомпанії Німеччини зобов’язані сплачувати
вартість виробленої автономними господарствами електроенергії, що
надійшла до загальної енергомережі. Фактично їх електролічильники
працюють і в зворотному напрямку. В Данії кожна десята родина є членом
енергогенеруючого кооперативу, або власником вітроелектростанції [10].

Колишній СРСР мав значний досвід промислових розробок у сфері сонячної
енергетики, які проводилися переважно в другій половині 20-го століття.
Якимось дивом, з чиєїсь легкої руки (цікаво, хто ж був ініціатором цієї
справи?) в 70-ті роки в СРСР були спущені директиви на розвиток сонячної
енергетики й ці розробки фінансувалися з державного бюджету [11]. Цим
питанням займалися HYPERLINK
«http://www.mtu-net.ru/lge/predl/predl.html» Енергетичний інститут
ім.Кржижанівського , HYPERLINK
«http://oivt.nm.ru/razd-nach/index1.html» Інститут високих температур
АН СРСР , НПО „Солнце” АН Туркменської РСР, HYPERLINK
«http://www.academy.uz/old/rus/otdel/tehnic/1_2.htm» Фізико-технічний
інститут АН Узбецької РСР , Інститут ВНИИКТЭП Держплана СРСР (в 1991
році перетворений на HYPERLINK «http://www.oilmaps.ru/main/about»
Картографический Информационный Центр «ИНКОТЭК» ), ВНИПИ Теплопроект (з
1999 HYPERLINK «http://www.teploproekt.ru/about.html» ЗАО
Теплопроект-Т ), ППО „Спецгелиотепломонтаж” (Тбілісі), СО
„Сантехмонтаж”, HYPERLINK «http://www.engutil.ru/» ЦНИИЭП инженерного
оборудования , ТашкентЗНИИЭП, ТбилисиЗНИИЭП. Такі потужні ресурси могли
водночас вивести країну в світові лідери сонячної енергетики. Однак
особливості совєтського планування в поєднанні з відсутністю нагальної
потреби в таких розробках мирно упокоїли прекрасну справу. Про
досягнення тих часів можна прочитати на HYPERLINK
«http://www.geleo.boom.ru/article04.htm» сайті ентузіаста сонячної
енергетики, доктора технічних наук Бутузова Віталія Анатолійовича із
Краснодара , де крім всього наведені авторські схеми ефективних систем
для споживання сонячної енергії.

Серед згаданих вище організацій в Україні продовжують займатися сонячною
енергетикою лише енергетичний інститут ім.Кржижанівського та КиївЗНДІЕП
( HYPERLINK «http://www.zniiep.com.ua/» Київський зональний
науково-дослідний інститут експериментального проектування ). Саме в
КиївЗНДІЕП був розроблений в 1977 році перший радянський сонячний
колектор [11]. У 1991 році його фахівцям була присвоєна премія Ради
міністрів СРСР. Було виконано цілу серію проектів з сонячної енергетики.
В 1978 році побудовано сонячний колектор в п.Рибачий (Крим) в пансіонаті
„Горный”. В 1982 році – 9-поверховий житловий будинок в Херсоні з
сонячним колектором площею 270 м2. Будинки серій 67, 87 (5 поверхові) з
сонячними конструкціями в Ізмаїлі (45 кв.), Очакові (50 кв.), Феодосії
(110 кв.), Херсоні (64 кв.)… Дитячий садок на 420 місць з сонячним
колектором в Одесі… Житловий будинок в с.Колесне, с.Болгарка Одеська
обл… У 1987 році сонячно-теплова котельня в с.Кропивна Золотоніського
району Черкаської області… Ми не знаємо, чи вціліло насьогодні хоча б
щось з переліченого, але як бачимо, немалий досвід був.

Проблемою тогочасних сонячних колекторів була їх корозія та втрати води.
Це вимагало значних експлуатаційних витрат, проблема була ще й в тому,
що коштів на наступну експлуатацію не передбачалося. Сучасні технології
й матеріали дозволяють подолати ці труднощі й спростити наступну
експлуатацію. Саме тоді було створено основи нормативної бази
застосування геліоустановок, розроблено типові й експериментальні
проекти. На щастя цей потенціал в Україні збережено. В КиївЗНДІЕП працює
HYPERLINK «http://www.zniiep.com.ua/Energo/energo_ru.htm» центр
енергозбереження , видається збірник HYPERLINK
«http://www.zniiep.com.ua/Energo/energo_publications_ru.htm» \l «31»
«Энергосбережение в зданиях» . Використання сонячної сонячної енергії є
важливим, якщо не головним, фактором енергозбереження. Ми якось не
задумуємося над потужністю тієї енергії, яка потрапляє на Землю від
Сонця. А керівник центру В.Ф.Гершкович в роботі „Новый поворот к Солнцу”
[11] cтверджує, що енергії, яка падає на ділянку українського степу
розмірами 20 на 20 км вистачить для опалення й гарячого водопостачання
всіх будинків в Україні. Відчуваєте можливості? Проблема лише в тому як
цю енергію брати, зберігати, передавати. До того ж взимку нам цієї
енергії мало, а влітку з надлишком.

Є способи дуже складні, але є й елементарно прості, однак не менш
ефективні. Одному з таких простих способів, які застосовували в Україні
здавна і присвячена ця стаття. Як не дивно, але серед багатьох методів
енергозбереження детально розглянутих в розробці [12] такі способи й
рекомендації відсутні.

Ми не будемо далі втомлювати Вас вступною частиною про важливість для
кожного з нас сонячної енергетики, тому перейдемо до суті нашого
об’ємного матеріалу, підготовка якого велася авторами в ході активного
спілкування через Інтернет понад півроку. Зважаючи на те, що матеріал
містить розрахунки та практичні поради, то він розбитий відповідно на 2
частини: «Теоретичні дані та розрахунки» та «Практичні наслідки для
застосування». В теоретичній частині все наведено доволі стисло, але
достатньо, аби трохи просунуті в технічному плані читачі могли проводити
власні розрахунки. Хоч ми й намагалися максимально спростити цю частину,
але вона може бути дещо складною для розуміння непідготовленими
читачами. Тому закликаємо їх прочитати її хоча б «по діагоналі», аби
усвідомити поняття «зима», «літо» та «сонячний куб», які
використовуються в даній статті. Особливо просимо звернути увагу на Рис.
4, який показує кількісні перспективи «сонячної енергетики» для поясу
широт, в якому знаходиться Україна, після чого переходити до Частини 2
«…застосування».

Частина 1. Теоретичні дані та розрахунки

1.1 Модель, яка використовується в роботі

Нехай об’єкт, для якого будуть вестися розрахунки, нерухомо знаходиться
в т.А земної поверхні на географічній широті ?. До т.А прив’язуємо
нерухому систему координат, вісь АХ якої направляємо на географічний
захід, AY – на географічний південь, AZ – вгору перпендикулярно до
площини горизонту (див. Рис.1). Таким чином, об’єкт А знаходиться в
точці з координатами (0,0,0). Нехай рух Сонця довкола об’єкта А
відбувається по небесній сфері з радіусом 1, сфера описується за
допомогою простого рівняння x2+y2+z2=1. Роз’яснення інших означень
наведені на Рис.1.

В точці А земної поверхні розташований об’єкт, для якого ведеться
аналіз;

площина SWDNFO – площина горизонту;

точки S, W, N, O – відповідно точки географічного півдня, заходу,
півночі та сходу;

Р – полярна зірка;

вісь Р’AP – вісь добового обертання небесної сфери, вісь нахилена під
кутом ? (географічна широта місцевості) до площини горизонту;

площина WKOE – площина небесного екватора, яка проходить через об’єкт
спостереження А та перпендикулярна осі Р(AP. Як наслідок, небесна сфера
нахилена до площини горизонту під кутом (90o-?);

В рамках моделі, яка розглядається, шлях Сонця по небесній сфері
протягом будь-якого дня року відбувається в площині, яка паралельна
площині небесного екватора. Кут сходження ? — кут між площиною небесного
екватору та напрямком на сонце в найвищій точці підйому по небесній
сфері протягом певного дня. ?=0 для днів сонячного рівнодення, ?>0 для
літньої пори року — проміжок часу між днями весняного та осіннього
рівнодення, в іншому випадку ?<0. Максимальні та мінімальні значення ? дорівнюють відповідно +? та –?, де ?=23o27' визначається як кут між віссю власного обертання Землі та нормаллю до площини обертання Землі довкола Сонця. Ненульове значення ? визначає наявність пір року на планеті, а також має фундаментальне значення для розрахунків енергоефективних споруд. т. F та D – відповідно точки сходу та заходу Сонця зі сходженням ?>0 для
літньої пори року. Сонце в наведеному прикладі здійснює денну подорож по
дузі FCD на поверхні небесної сфери, залишок дуги на небесній сфері
відповідає нічній подорожі сонця.

Розташування осей координат для математичного опису руху сонця по
небесній сфері: центр координат розташований в т.А, вісь АХ спрямована
на географічний захід, вісь АY – на географічний південь, вісь AZ
спрямована перпендикулярно вгору до площини горизонту.

Для математичного опису руху Сонця по небесній сфері використовуємо
наступні спрощення:

1. Ми будемо використовувати поняття «літо» як проміжок часу між
весняним (20-21 березня в залежності від року) та осіннім рівноденням,
інший період відповідає поняттю «зима». Внаслідок нерівномірності
обертання Землі по еліптичній орбіті довкола Сонця фактичне осіннє
рівнодення (22-23 вересня, див. HYPERLINK
«http://uk.wikipedia.org/wiki/Рівнодення» \t «_blank»
http://uk.wikipedia.org/wiki/Рівнодення ) на кілька днів відрізняється
від осіннього рівнодення, яке дає запропонована нижче модель (Т=182-183
або 18-19 вересня).

2. Сонце по небесній сфері протягом будь-якого дня рухається рівномірно
в площині, паралельній небесному екватору. Сама площина кожного дня
змінює своє положення відповідно до кута сходження ? між площиною
небесного екватору та напрямком на сонце в найвищій точці підйому по
небесній сфері протягом конкретного дня. Вважаємо, що протягом одного
дня ? не змінюється і є постійним. Значення ? протягом року змінюється
по синусоїді [13]:

? = ?*sin(2?T/365.25)(1),

де ?=23o27′ – кут між віссю власного обертання Землі та нормаллю до
площини обертання Землі довкола Сонця; T – кількість днів (ціле число),
які минули від весняного рівнодення (20 березня), 365.25 – тривалість
року. ? може бути більше 0 (літо) або менше 0 (зима).

Значення ? змінюється лише на початку нової доби з порядковим номером Т,
протягом неї ? є незмінним.

3. Сонце зі сходженням ? рівномірно рухається по колу з центром в т.М
(див. Рис.1). Взимку це коло завжди розташоване нижче небесного
екватора, а влітку – вище. Для подальших розрахунків розбиваємо коло на
1440 рівних сегментів відповідно до кількості хвилин в добі. Тоді
координата х Сонця протягом доби змінюється відповідно до наступного
закону:

x = -cos?*sin(2?t/1440) (2)

деt–кількістьхвилин,якіминуливідпівночі,0<=t<=1440. 4. Координати y та z в рамках описуваної моделі змінюються по наступним залежностям: y = -cos?*sin?-sin?*sqrt(cos2?-x2) для t, яке належить [0…360]&[1080…1440], y = -cos?*sin?+sin?*sqrt(cos2?-x2) для t, як належить [360…1080], (3) z = y/tg?+sin?/sin? (4) 1.2 Наслідки, які випливають з аналізу моделі 1.2.1Тривалість дня протягом року: Тдня = 24*(1-(arccos(tg?*tg?))/?) (5). Розрахунки по наведеній залежності вказують на те, що одержувані значення тривалості дня є трохи меншими (10-15 хвилин) реальних значень за рахунок ненульового кутового розміру Сонця та явища рефракції. 1.2.2 Кут відхилення на північ точки сходу/заходу сонця відносно лінії схід-захід: Серед широкого кола людей побутує думка, що Сонце завжди сходить на географічному сході, а заходить на географічному заході. Насправді, це груба помилка. Влітку, коли Сонце завжди знаходиться вище небесного екватору, воно сходить та заходить північніше географічного сходу або заходу, що можна легко побачити з аналізу Рис.1, де Сонце зійде в т.F, a зайде в т.D. Взимку ситуація є симетрично протилежною, Сонце завжди сходить та заходить південніше лінії схід-захід OW (див. Рис.1). Точно на географічному сході/заході сонце з’являється лише в дні весняного та осіннього рівнодення. Азимут відхилення точки сходу/заходу Сонця від лінії «географічний схід-захід» OW (див. Рис.1) визначається сходженням Сонця ? та широтою місцевості ?: ? = arcsin(sin?/cos?) (6). + (найпівнічніша точка України). Очевидно, що в день зимового сонцестояння проходження сонця по небесній сфері визначається сектором O–AW–, наведеним на Рис.2, що має використовуватися для планування будинків з пасивним сонячним обігрівом. В будь-який інший день з порядковим номером Т відносно дня весняного рівнодення положення точки сходу та заходу Сонця можна порахувати за допомогою рівнянь (1) та (6). 1.2.3 Висота Сонця опівдні (y=0, t=720 хв.) Як показує аналіз даних, наведених на Рис.1, Сонце в найвищій точці підйому над горизонтом світить під кутом (90o-?+?) до горизонтальної поверхні землі, де ? визначається відповідно до (1). Ця подія має місце опівдні при t= 720хв.Томувмоментзимовогосонцестоянняпри?=-?=-23o27' довжина тіні опівдні, яку відкидає об’єкт висотою h, дорівнює h*tg(?+?). Наприклад, для широт України 44 та 52о висота тіні від об’єкту висотою h=1 м дорівнює відповідно 2.41 та 3.85 м. Тому при плануванні розташування об’єктів сонячної енергетики варто враховувати те, що для північніших регіонів розташування груп об’єктів для споживання сонячної енергії має бути на довших відстанях один від одного, ніж для більш південних. Детальніше про це мова піде нижче. 1.3 «Сонячний куб» За допомогою рівнянь (1)-(5) можна легко прослідкувати траєкторію Сонця на небесній сфері протягом будь-якого дня року. З іншого боку, знаючи положення Сонця в будь-який момент часу, можна легко знайти значення потоку сонячного тепла, яке припадає на будь-яку поверхню. Для цього нами була використана формула для визначення потоку через довільно орієнтовану площину: F=Fмах*sin? (7), де ? - кут між площиною та напрямком розповсюдження сонячних променів, а Fмах=1366 Вт – кількість сонячного тепла, яка припадає поза атмосферою планети на кожен 1 м2 поверхні, перпендикулярно орієнтованої до напрямку променів Сонця. Реальне значення на поверхні планети залежить від шляху, пройденого сонячними променями в атмосфері та кута нахилу поверхні, де відбувається поглинання енергії, до напрямку до Сонця, однак у всіх наших розрахунках ми використовували ідеальне значення Fмах=1366 Вт. З аналізу (7) випливає, що при зменшенні кута ? від 90o до 0o потік зменшуватиметься від максимального значення Fмах до нуля. Для того, аби проаналізувати денні кількості тепла, які при відсутності втрат припадають в різні пори року на найбільш поширені в побуті поверхні, нами введене поняття «сонячного куба», який описаний на Рис.3. Значення денних потоків тепла, які припадають на кожну з 5 освітлюваних Сонцем граней «сонячного куба», розраховували шляхом інтегрування з використанням рівнянь (1)-(4). В силу симетрії та описаних вище особливостей запропонованої нами моделі денні потоки тепла, які припадають на східну та західну грані, є однаковими протягом будь-якого дня року. Для того, аби читачі могли оцінити одержані нами значення в «електричному еквіваленті», результати відображені кВт-год/м2. Результати розрахунків з поясненнями наведені на Рис.4. Права колонка: Абсолютні значення денних кількостей сонячного тепла, які в ідеалі можуть припадати на «сонячний куб» з розміром ребра 1 м для широт 44, 48 та 52о. Верхній рисунок відображає данні для південної грані, середній – горизонтальної, а нижній для східної або західної граней. Дані для північної грані не відображені внаслідок незначної кількості тепла, яка припадає на неї (максимально можливе значення в день літнього сонцестояння не перевищує 3 кВт-год/(день*м2) для будь-якої широти України, взимку це значення завжди дорівнює нулю). Як показує аналіз наведених відносних та абсолютних даних, найменший внесок в енергетику «сонячного куба» дає північна грань, через яку влітку надходить не більше 3 кВт-год/(день*м2) тепла, а взимку відповідне значення завжди дорівнює нулю через те, що Сонце завжди знаходиться південніше лінії схід-захід. Особливо слід зауважити, що лише з південної грані «сонячного куба» можна споживати в найхолодніший період року найбільші кількості тепла, причому денні значення слабко залежать від часу та широти України і коливаються поблизу 9 кВт-год/(день*м2). Аби Ви могли оцінити це значення, зазначимо, що за відсутності втрат воно еквівалентно спалюванню 2.3 кг сухої деревини або 1.1 кг антрациту. 9 кВт-год або ~7.7 Mкал достатньо для нагрівання на 50о близько 150 кг води, яку можна використовувати для акумуляції надлишкового тепла в денний час. При входженні в літній період в день весняного рівнодення кількість сонячного тепла, яке припадає на південну вертикальну поверхню, починає різко падати як за рахунок зменшення кута між сонячними променями та поверхнею, так і скорочення часу її освітлення. Тривалість освітлення з півдня південної грані «сонячного куба» визначається як: Літо: Т = 24*(arccos(tg?/tg?))/?, Зима: співпадає з тривалістю дня (див. рівняння (5)). Відповідні дані для різних широт України наведені на Рис.5. Очевидно, що головною перевагою для використання південної грані «сонячного куба» для обігріву є те, що взимку вона освітлена протягом всього світлового дня під максимальним кутом, а влітку, коли сонячне тепло малопотрібне, воно потрапляє на південну грань лише протягом частини дня, а кут є відносно невеликим. Частина 2. Практичні наслідки для застосування 2.1 Будівництво нового одноповерхового приватного будинку Ми не будемо винаходити велосипед, тому скористаємося тим, що на землях України інтуїтивно використовувалося споконвіку, а через сучасну централізацію в ході наступу «цивілізації» успішно забулося. Раніше вже повідомлялося, що в Україні традиційно будинки розташовували таким чином, аби їх довша сторона та більшість вікон виходили на південь [14]. Для захисту від надмірних сонячних променів використовували т.зв. «піддашки». Це ж саме підтверджує наведений вище аналіз «сонячного куба». Крім того, хочемо навести приклад плану реальної хати 19 століття, яку планувалося збудувати для сім’ї військового російських окупаційних військ, які перебували на території нинішньої Кіровоградської обл. (Рис.6). Скоріш за все, наведена хата з піддашком була збудована на 2 сім’ї та орієнтована довгою стороною по лінії схід-захід, аби забезпечити максимальне надходження тепла через південні вікна. Крім того, план свідчить, що при такій орієнтації вінка з півночі були повністю відсутні. Сам піддашок був виконаний не у вигляді виносу даху, а у вигляді добудови, яка має бокові двері, що додатково захищають південну стіну від видування тепла вітрами зі сходу та заходу. Логічно припустити, що цій хаті були «теплі» та «холодні» внутрішні приміщення. «Холодні» приміщення розташовувалися з північного боку та могли використовуватися влітку, а от «теплі» приміщення – переважно взимку завдяки додатковому притоку сонячного тепла через південні вікна. Крім того, «холодні» приміщення могли відігравати роль теплового ізолятора від втрат тепла з «теплих» кімнат в навколишнє середовище при відповідному розташуванні печі та ізоляції переходу між кімнатами. Аналіз «сонячного куба» та наведених прикладів вказує на перспективність використання піддашків з південного боку будинків для збереження тепла взимку та зменшення кількості сонячного тепла, яке надходить в приміщення влітку. Однак, при плануванні такого будівництва треба зважати на правильне співвідношення між шириною піддашку та відстанню від нього до верхнього краю вікна, аби піддашок виконував покладену на нього функцію. На Рис.7 наведено положення Сонця опівдні для різних пір року. Оскільки доступ Сонця в приміщення через південні вікна потрібен саме взимку (нагадаємо, що в даній статті це період між ~20 вересня та ~20 березня), то вікно має бути гарантовано освітленим при будь-якому положенні Сонця протягом будь-якого дня в цей період. Це можливо, якщо тінь від піддашку в дні весняного/осіннього рівнодення сягає лише верхнього краю вікна, в той час як влітку настає затінення більшої частини вікна принаймні опівдні. Таким чином, оптимальний кут між напрямком до Сонця в дні весяного/осіннього рівнодення та південною стіною складає ? (? - широта місцевості). Тож, якщо Ви плануєте, що відстань по вертикалі від верхнього краю вікна до піддашку у Вашій хаті складатиме 1 м, то для широт України 44 та 52о ширина піддашку відповідно має бути 96.5 см та 1м 28 см (див. формулу в поясненні до Рис. 7). Якщо піддашок буде коротшим зазначеної величини, то повітря всередині будинку перегріватиметься влітку через вікно сонячними променями, а якщо довшим – то сонячні промені частково не надходитимуть до приміщення взимку. Таким чином, на основі викладеного вище можемо навести ряд рекомендацій для будівництва одноповерхового приватного будинку з пасивним сонячним обігрівом, якщо Ви плануєте будувати його у відповідності до принципу: «тепло взимку – прохолодно влітку»: 2.1.1. Вибір місця для будівництва Найоптимальніше, аби Ви мали повністю чисту від інших забудов чи високих дерев ділянку. В такому випадку Ваш майбутній будинок треба розташовувати поблизу північної межі, аби майбутня забудова та затінення вікон Вашої будівлі не залежали від волі сусідів. Пам’ятайте українську поговірку: «Куди рідко заглядає сонце, туди часто заходить лікар» [15]. Для того, аби сонце було Вашим частим гостем, радимо скористатися розрахунками, наведеними в розділі 1.2.2 для дня зимового сонцестояння, коли тіні є найдовшими порівняно з будь-яким іншим періодом року. В цей день Сонце піднімається над горизонтом опівдні під кутом (90o-?-?). Тож довжина тіні опівдні (цей час, як Ви маєте здогадатися, майже ніколи не дорівнює дванадцятій годині за Київським часом, а знаходиться орієнтовно посередині між моментами сходу та заходу Сонця у Вашій місцевості) від об’єкта з висотою 1 м складає величини (див. розділ 1.1.3) 2.41 та 3.85 м для широт України відповідно 44 та 52о. Тому в першому наближенні обрати місце Вашого будинку треба таким чином, аби в секторі появи Сонця в день зимового сонцестояння (див. рис. 2) будь-які об’єкти переважно знаходилися від південної стіни будинку на відстані більшій, ніж їх потрійна висота. В крайньому випадку, якщо перед Вашим порогом має рости деревина, то бажано, аби її крона знаходилася вище верхнього рівня південної стіни будинку. Ще краще, якщо дерева ростимуть з північного боку будинку, своєю масою частково оберігаючи його від холодних вітрів з півночі. 2.1.2. Розташування будинку та його внутрішнє планування Головний момент, про який ми наголошували раніше: будинок має розташовуватися довгою стороною по лінії схід-захід, в ньому має бути реалізована ідея «холодних» та «теплих» кімнат, та відповідно розрахований піддашок з південного боку (див. Рис.6, 7). Вхід до будинку має бути з південного боку будинку, як і більшість його вікон. Всередині «теплих» приміщень треба передбачити наявність т.зв. теплової маси: стіна та долівка в місцях доступу сонячних променів має бути виготовлена з матеріалів з високою теплоємністю (напр. бетон, камінь, цегла, вода). Теплова маса відіграватиме ту ж саму функцію, що й звичайні батареї опалення: накопичення сонячної енергії для її подальшого використання [10]. 2.1.3. Додатковий обігрів за допомогою пристроїв відновлюваної енергетики Ми не будемо детально зупинятися на цьому питанні, оскільки можливі варіанти з використанням стіни Тромба-Мішеля та вітрової енергетики були описані в одній з попередніх публікацій [14] та широко висвітлені в літературі [6, 15-19]. Наведені в даній роботі формули дозволяють обрати оптимальне розташування сонячних пристроїв відповідно до Ваших потреб. Додатково лише хочемо озвучити одну ідею, реалізації якої під різними приводами будуть уникати нові виробники та продавці теплових сонячних колекторів, які містять рідкі теплоносії. Чіплятимуть Вас на гачок під соусом «ми пропонуємо Вам незамерзаючий імпортний теплоносій марки «Secha morzha+» по надзвичайно низькій ціні 49.99 у.о./л, який виготовляється з високоякісної натуральної сировини з використанням найновіших запатентованих технологій та наукових розробок». Не ведіться ні в якому разі, з Вас просто видурюватимуть гроші. Насправді, можна дешево і сердито використовувати як теплоносій в теплових колекторах звичайну 40о горілку або самогон, які замерзатимуть при температурах нижче -20 оС. Такий мороз в умовах глобального потепління є нині доволі рідкісним для України явищем, тож за крайньої потреби можна буде цю рідину безпечно для власного здоров’я злити з системи, на відміну, наприклад, від етиленгліколю. Зрозуміло, що пасивний сонячний обігрів Вашого новозбудованого будинку не замінить повністю опалення, але допоможе суттєво заощадити на паливі в умовах, коли його вартість постійно зростає. Однак, крім споживання енергії Сонця треба подбати про те, аби не випустити тепло з власних приміщень. Як правило, найбільше тепла наші будинки втрачають через вікна. Як показує аналіз енергетики «сонячного куба» (див. Рис. 4), через північні вікна очікувати невеликі кількості сонячного тепла можна лише влітку. Натомість взимку будуть лише втрати, тому це було причиною для уникання розташування вікон з північного боку будинків. Як правило, додатково для теплозбереження північні стіни будинків з осені обставляли кукурудзинням, що подекуди нині можна побачити в селах на Черкащині. В нинішню епоху, якщо Ви маєте достатньо коштів, то можна ставити вікна також і з півночі. Для цього треба придбати склопакети з т.зв. «селективним склом», які потроху з’являються на ринку України, але вироблені на жаль не в Україні. Ідея селективного скла зводиться до наступного: будь-який предмет, нагрітий до певної температури, випромінює електромагнітні хвилі. Розподіл випромінення по довжинам хвиль в залежності від температури визначається HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/Planck's_law" формулою Планка , в Інтернеті можна легко знайти HYPERLINK "http://www.vias.org/simulations/simusoft_blackbody.html" програму для моделювання такого розподілу. Наприклад, Сонце з ефективною температурою поверхні близько 5500 оС випромінює в видимому діапазоні, а от оточуючі нас предмети з температурою 20-30 оС випромінюють тепло в інфрачервоному діапазоні. Селективне скло влаштоване таким чином, що є майже прозорим для видимого випромінювання, але відбиває назад в приміщення інфрачервоне (теплове), чим допомагає зберегти тепло всередині приміщення. Для цього звичайне скло покривають тонкими плівками металів або їх окисів, наприклад, двоокисом олова (див. c.29 в [16]). Використання селективного скла є доволі перспективним напрямком для застосування в енергоефективних будинках, а його випуск міг би був за бажання легко впровадженим вітчизняними приватними фірмами, не звертаючись за допомогою до закордонних виробників. Інший варіант – виготовлення вікон на основі склопакетів з потрійним шаром звичайного скла. 2.2 Будівництво нового багатоповерхового будинку На будівництво нових багатоквартирних будинків в Україні ми навряд чи зможемо вплинути нашою статтею, але спробуємо помріяти. В принципі немає великої різниці порівняно з приватним одноповерховим будинком, треба уникати затінення від навколишніх будівель та відповідним чином організовувати зовнішню архітектуру будинку. Так, один з авторів цієї статті під час її написання жив в Дрездені в недавно збудованому шестиповерховому будинку, який разом з сусідніми такими ж будинками був орієнтований довгою стороною по лінії схід-захід. Особливість цього мікрорайону полягала в тому, що з північного боку будинки не мали жодного балкону, хоч звідти й відкривався й мальовничий вид на старовинний Дрезден, а всі балкони були розташовані з південного боку. Очевидно, що наявність балконів з північного боку викликає додаткові втрати тепла. А от з південного боку балкон діє як певний піддашок до розташованого нижче поверху, затінюючи влітку вікна та приміщення від сонячних променів. Про піддашки в сучасному виконанні також писалося в репортажі кількамісячної давності зі Страсбурга [20]. Тут додатково слід наголосити на наступному. В колишній Німецькій Демократичній Республіці, як і в СРСР будинки часто зводилися без дотримання норм енергозбереження. Нині всі ці будинки в Дрездені поступово покриваються захисними теплозберігаючими щитами, які навіть при невдалому розташуванні щодо Сонця дозволяють зберегти тепло в приміщеннях. Очевидно, що Україну чекає той же шлях. Крім того, при плануванні нових мікрорайонів з однотипними будинками варто враховувати визначений на Рис.2 та описаний в підрозділі 2.1.1 «сектор незатінення». В такому випадку будинки будуть розташовані в шаховому порядку подібно до того, як наведено на Рис.8. Зауважимо, що при зростанні широти розміри «сектору незатінення» зростатимуть, тому для дотримання «права на сонце» відстані між будинками треба буде збільшувати відповідно до наведених вище розрахунків. 2.3 Поради для купівлі готового (вже збудованого) житла в приватному або в багатоквартирному будинках На сьогоднішній день на ринку України нема диференціації в цінах для будинків чи квартир, які враховують чи не враховують «право на сонце». Тому якщо Ви плануєте купувати собі готове житло, то при виборі маєте скористатися наведеними тут підказками, суттєво заощадивши в майбутньому на опаленні Вашого житла. Для тих, хто купує квартиру, можемо запропонувати купувати квартири не на нижніх поверхах, які як правило через «ущільнюючу забудову» потрапляють в «сектор тіні». Конкретний мінімальний поверх треба визначати з врахуванням довколишніх будівель. 2.4. Теплиці для сільського господарства, весняні квіткові клумби Як вже повідомлялося раніше [20], Європа майже цілий рік потопає в квітах. Якщо для літньої пори це не є зовсім дивиною, то ранньої весни це твердження для нас є незвичним. Німці доволі часто на добре освітлених галявинах насипають невеликі (до 1 м висотою) пагорби, на південних схилах яких ще в лютому висаджують стійкі до невеликих заморозків квіти. Очевидно, що опівдні кут між поверхнею такого пагорба та сонячними променями сягатиме 90o, пагорб дуже добре прогріватиметься, а земля акумулюватиме тепло на ніч, хоча з північного боку може ще лежати сніг. Інший варіант застосування сонячного тепла взимку – це теплиці. Вони по своїй природі мають бути налаштованими на максимальне споживання енергії Сонця. Однак, традиційно випадків вони суцільно виконані зі скла, мають великі тепловтрати через скло та не враховують головних напрямків надходження сонячного тепла. Як наслідок, взимку через дорожнечу палива теплиці в Україні не працюють, а незаможні громадяни споживають овочі лише в літній сезон. На основі аналізу енергетики «сонячного куба» та сектору появи Сонця в день зимового рівнодення ми пропонуємо всім зацікавленим спробувати будувати теплиці, ідея яких викладена на Рис. 9. Кількість тепла, яка надходитиме в сонячний день до цих приміщень, можна оцінити на основі Рис. 4 з врахуванням площі південної стіни, виготовленої зі скла. Додатковою перевагою наведеної теплиці є економія будівельних матеріалів. Якщо ж теплиця Вам не потрібна, на приватному подвір’ї чи виробництві можна збудувати аналогічну споруду для робіт в сонячні дні. Навіть якщо на вулиці буде мороз, то близько полудня та після нього всередині буде якщо не літо, то суттєво тепліше, ніж ззовні! Можливо, відповідно до наведеної ідеї нас чекає в майбутньому зміна архітектури й житлових будинків. Якщо Вас зацікавили наведені тут ідеї, то в додатку до цієї статті наведена Таблиця, якою Ви можете скористатися при плануванні використання «права на сонце» у Вашій місцевості. Вячеслав Хаврусь, канд. хім. наук, ведучий розділу Майдану HYPERLINK "http://maidanua.org/wiki/index.php/Енергетика" «Відновлювана енергетика» , e-mail: vhavrus(aт)yahoo.com Ігор Шелевицький, докт. техн. наук, професор, e-mail: sheleviv(aт)ya.ru Автори запрошують до дискусії та подальшої співпраці зацікавлених осіб та організації. Перелік посилань: [1] В.Хаврусь Ми не бидло, ми не козли? – Раби! ( HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/mai/1137959533.html" Ч.1 , HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/mai/1138542796.html" Ч.2 , HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/mai/1139771726.html" Ч.3 , HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/mai/1140983520.html" Ч.4 ). [2] О.В.Крылов Ограниченность ресурсов как причина предстоящего кризиса // Вестник Российской Академии наук, том 70, № 2, 2000 г., с. 136-146. Адреса в Інтернеті - HYPERLINK "http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/ALERT.HTM" \t "_blank" http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/ALERT.HTM [3] HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/mai/1186596592.html" І.Шелевицький Атомна енергетика і чорна металургія – що з того українцям? [4] Герман Шеер “Восход Солнца в мировой экономике. Стратегия экологической модернизации”, перевод с немецкого. - М., 2002. (Библиотека журнала "Экология и жизнь"). [5] Новини Майдан-ІНФОРМу: HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/news/2007/1192821107.html" “An Inconvenient Truth” – фільм, який має побачити кожен . [6] П.Р.Сабади “Солнечный дом”, пер. с англ. Н.Б.Гладковой, Москва, Стройиздат, 1981, 114 с. (книга доступна для завантаження з Інтернет). [7] HYPERLINK "http://www.cossackdom.com/calture/malenko_ztrpk.htm" Л.М.Маленко Запорозькі традиції південноукраїнського козацтва останньої чверті ХVIII–ХІХ століття . [8] HYPERLINK "http://eko-kremen.info/svit8_derzhreg.shtml" Полтавська область. Адміністративно-територіальний поділ. Харків "Прапор". - 1978. 230 с. [9] HYPERLINK "http://www.varianty.org.ua/Humanitarians_on_XXI/Syrins'ky.htm" Р.Сирінський Cередній клас як тема сучасної української політичної думки [10] Дистанційний Інтернет-курс "ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ", підготований міжнародною мережею по збалансованій енергії INFORSE. Автором російської версії є Агентство по відновлюваній енергетиці (Україна). Детальніше - HYPERLINK "http://www.ecomuseum.kz/dieret/dieret.html" \t "_blank" http://www.ecomuseum.kz/dieret/dieret.html [11] HYPERLINK "http://truba.com.ua/artic/ru_291" В.Ф.Гершкович Новый поворот к Солнцу [12] HYPERLINK "http://www.zniiep.com.ua/Energo/energo_systems_ru.html" Энергосберегающие системы жилых зданий. Пособие по проектированию. КиевЗНИИЭП. Центр энергосбережения. Киев – 2006. [13] П.В.Маковецкий Смотри в корень! Сборник любопытных задач и вопросов. 3 изд. – М.: «Наука», 1976; 4 изд. – М.: «Наука», 1979; 5 изд. – М.: «Наука», 1984. Адреса в Інтернеті - HYPERLINK "http://n-t.ru/ri/mk/sk.htm" \t "_blank" http://n-t.ru/ri/mk/sk.htm [14] HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/mai/1177526220.html" В.Хаврусь, А.Трипольський Першочергові заходи для пом’якшення впливу майбутньої енергетичної кризи на громадян України [15] Дані надані Ф.М.Плотніром. Детальніше про краєзнавця див. наприклад наступні повідомлення: HYPERLINK "http://maidan.org.ua/static/news/1098618569.html" \t "_blank" http://maidan.org.ua/static/news/1098618569.html та HYPERLINK "http://www.day.kiev.ua/138592/" \t "_blank" http://www.day.kiev.ua/138592/ [16] Я.И.Шефтер Использование энергии ветра. - М.:Энергоатомиздат, 1983.- 200 с. [17] Под ред. Э.В.Сарнацкого, С.А.Чистовича Системы солнечного тепло- и хладоснабжения.- М.: Стройиздат, 1990.- 324 с. [18] В.Д.Левенберг Энергетические установки без топлива.- Л.: Судостроение, 1987.- 104 с. [19] Н.В.Харченко Индивидуальные солнечные установки.- М.: Энергоатомиздат, 1991.-208 с. [20] HYPERLINK "http://maidanua.org/static/mai/1184448797.html" М.Карнацька, В.Хаврусь Подорож у казку “Перець в шоколаді”

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *