Активное солнечное отопление | Министерство энергетики

Системы активного солнечного отопления используют солнечную энергию для нагрева жидкости — жидкости или воздуха — и затем передают солнечное тепло непосредственно во внутреннее пространство или в систему хранения для последующего использования. Если солнечная система не может обеспечить адекватный обогрев помещения, вспомогательная или резервная система обеспечивает дополнительное тепло. Жидкостные системы чаще используются при наличии накопителя и хорошо подходят для систем лучистого отопления, бойлеров с водяными радиаторами и даже абсорбционных тепловых насосов и охладителей. Как жидкостные, так и воздушные системы могут дополнять системы с принудительной подачей воздуха.

Жидкостное активное солнечное отопление

Солнечные коллекторы жидкости наиболее подходят для центрального отопления. Они такие же, как те, которые используются в системах солнечного нагрева воды для бытовых нужд. Плоские коллекторы являются наиболее распространенными, но также доступны вакуумные трубчатые и концентрирующие коллекторы. В коллекторе теплообменная или «рабочая» жидкость, такая как вода, антифриз (обычно нетоксичный пропиленгликоль) или другой тип жидкости, поглощает солнечное тепло. В соответствующее время контроллер включает циркуляционный насос для перемещения жидкости через коллектор.

Жидкость течет быстро, поэтому ее температура увеличивается только на 10–20 °F (5.6–11 °C) по мере прохождения через коллектор. Нагрев меньшего объема жидкости до более высокой температуры увеличивает потери тепла от коллектора и снижает эффективность системы. Жидкость поступает либо в резервуар для хранения, либо в теплообменник для немедленного использования. Другие компоненты системы включают трубопроводы, насосы, клапаны, расширительный бак, теплообменник, накопительный бак и элементы управления.

Скорость потока зависит от теплоносителя. Чтобы узнать больше о типах жидких солнечных коллекторов, их размерах, обслуживании и других вопросах, см. Солнечное водонагревание.

Сохранение тепла в жидких системах

Жидкостные системы аккумулируют солнечное тепло в баках с водой или в кладочной массе системы излучающих плит. В системах хранения резервуарного типа тепло от рабочей жидкости передается распределительной жидкости в теплообменнике снаружи или внутри резервуара.

Резервуары находятся под давлением или без давления, в зависимости от общей конструкции системы. Прежде чем выбрать накопительный бак, учитывайте стоимость, размер, долговечность, где его разместить (в подвале или на улице) и как его установить. Возможно, вам придется построить резервуар на месте, если резервуар необходимого размера не пройдет через существующие дверные проемы. Резервуары также имеют ограничения по температуре и давлению и должны соответствовать местным строительным, сантехническим и механическим нормам. Вы также должны отметить, какая изоляция необходима для предотвращения чрезмерных потерь тепла, и какое защитное покрытие или герметизация необходимы для предотвращения коррозии или утечек.

В системах с очень большими требованиями к хранению могут потребоваться специальные или нестандартные резервуары. Обычно это нержавеющая сталь, стекловолокно или высокотемпературный пластик. Бетонные и деревянные (джакузи) резервуары также являются вариантами. Каждый тип резервуара имеет свои преимущества и недостатки, и все типы требуют тщательного размещения из-за их размера и веса. Может оказаться более практичным использовать несколько небольших резервуаров, а не один большой. Самый простой вариант системы аккумулирования – использование стандартных бытовых водонагревателей. Они соответствуют строительным нормам и требованиям к сосудам под давлением, имеют антикоррозийное покрытие и просты в установке.

Распределение тепла для жидкостных систем

Вы можете использовать теплый пол, плинтусы с горячей водой или радиаторы, или центральную систему принудительной вентиляции для распределения солнечного тепла. В системе лучистого пола нагретая солнцем жидкость циркулирует по трубам, встроенным в пол из тонких бетонных плит, которые затем излучают тепло в помещение. Лучистый теплый пол идеально подходит для жидкостных солнечных систем, поскольку он хорошо работает при относительно низких температурах. Тщательно спроектированная система может не нуждаться в отдельном баке для хранения тепла, хотя в большинстве систем они предусмотрены для контроля температуры. Обычный котел или даже стандартный бытовой водонагреватель может обеспечивать резервное тепло. Плита обычно отделана плиткой. Системам излучающих плит требуется больше времени для обогрева дома с «холодного старта», чем другим типам систем распределения тепла. Однако, когда они работают, они обеспечивают постоянный уровень тепла. Ковры и коврики снижают эффективность системы. См. лучистое отопление для получения дополнительной информации.

Плинтусы и радиаторы с горячей водой требуют воды температурой от 160° до 180°F (от 71° до 82°C) для эффективного обогрева помещения. Как правило, плоские коллекторы жидкости нагревают перекачиваемую и распределяющую жидкость до температуры от 90° до 120°F (от 32° до 49°C). Таким образом, использование плинтусов или радиаторов с системой солнечного отопления требует, чтобы площадь поверхности плинтуса или радиаторов была больше, температура нагреваемой солнцем жидкости повышалась за счет резервной системы или среднетемпературного солнечного коллектора (например, вакуумного коллектора). трубчатый коллектор) можно заменить плоским коллектором.

Существует несколько вариантов включения жидкостной системы в систему воздушного отопления. Базовая конструкция заключается в размещении жидкостно-воздушного теплообменника или нагревательного змеевика в главном возвратном канале комнатного воздуха до того, как он попадет в печь. Воздух, возвращающийся из жилого помещения, нагревается, проходя над нагретой солнечным светом жидкостью в теплообменнике. Дополнительное тепло подается по мере необходимости от печи. Змеевик должен быть достаточно большим, чтобы передавать достаточное количество тепла воздуху при самой низкой рабочей температуре коллектора.

Вентиляция

Солнечные системы воздушного отопления используют воздух в качестве рабочей жидкости для поглощения и передачи солнечной энергии. Солнечные коллекторы воздуха могут напрямую обогревать отдельные помещения или потенциально могут предварительно нагревать воздух, поступающий в вентилятор с рекуперацией тепла или через воздушный змеевик теплового насоса с источником воздуха.

Воздушные коллекторы производят тепло раньше и позже в течение дня, чем жидкостные системы, поэтому они могут производить больше полезной энергии в течение отопительного сезона, чем жидкостные системы того же размера. Также, в отличие от жидкостных систем, воздушные системы не замерзают, а небольшие протечки в коллекторе или распределительных каналах не вызовут значительных проблем, хотя и ухудшат работу. Однако воздух является менее эффективным теплоносителем, чем жидкость, поэтому солнечные коллекторы воздуха работают с меньшей эффективностью, чем солнечные коллекторы жидкости.

Хотя некоторые ранние системы пропускали нагретый солнцем воздух через скальное ложе в качестве накопителя энергии, этот подход не рекомендуется из-за связанной с этим неэффективности, потенциальных проблем с конденсацией и плесенью в скальном ложе, а также воздействия этой влаги и плесени на качество воздуха в помещении.

Солнечные коллекторы воздуха часто интегрируют в стены или крыши, чтобы скрыть их внешний вид. Например, в черепичную крышу могут быть встроены воздушные пути для использования тепла, поглощаемого черепицей.

Обогреватели воздуха в помещении

Воздухосборники могут быть установлены на крыше или наружной (южной) стене для обогрева одного или нескольких помещений. Несмотря на то, что доступны заводские коллекторы для установки на месте, люди, которые делают это своими руками, могут построить и установить свой собственный воздушный коллектор. Простой коллектор оконного обогревателя можно сделать за несколько сотен долларов.

Коллектор имеет герметичный и изолированный металлический каркас и черную металлическую пластину для поглощения тепла с остеклением перед ней. Солнечное излучение нагревает пластину, которая, в свою очередь, нагревает воздух в коллекторе. Электрический вентилятор или воздуходувка вытягивает воздух из помещения через коллектор и нагнетает его обратно в помещение. Крышные коллекторы требуют воздуховодов для подачи воздуха между помещением и коллектором. Настенные коллекторы размещаются непосредственно на стене, выходящей на юг, и в стене прорезаются отверстия для входа и выхода воздуха коллектора.

Простые «коллекторы оконных коробок» вписываются в существующий оконный проем. Они могут быть активными (с помощью вентилятора) или пассивными. В пассивных типах воздух поступает снизу коллектора, по мере нагрева поднимается вверх и поступает в помещение. Дефлектор или заслонка не дает комнатному воздуху поступать обратно в панель (обратное термосифонирование), когда не светит солнце. Эти системы обеспечивают только небольшое количество тепла, потому что площадь коллектора относительно мала.

Коллекторы испаряемого воздуха

Коллекторы вытяжного воздуха используют простую технологию для улавливания солнечного тепла для обогрева зданий. Коллекторы состоят из темных перфорированных металлических пластин, установленных на южной стене здания. Между старой стеной и новым фасадом создается воздушное пространство. Темный внешний фасад поглощает солнечную энергию и быстро нагревается в солнечные дни, даже когда снаружи холодно.

Вентилятор или воздуходувка втягивает вентиляционный воздух в здание через крошечные отверстия в коллекторах и вверх через воздушное пространство между коллекторами и южной стеной. Солнечная энергия, поглощаемая коллекторами, нагревает воздух, проходящий через них, на целых 40°F. В отличие от других технологий обогрева помещений, коллекторы вытяжного воздуха не требуют дорогостоящего остекления.

Коллекторы вытяжного воздуха наиболее подходят для больших зданий с высокой вентиляционной нагрузкой, что делает их непригодными для современных плотно закрытых домов. Тем не менее, небольшие коллекторы испаряемого воздуха могут использоваться для предварительного нагрева воздуха, поступающего в вентилятор с рекуперацией тепла, или могут нагревать воздушный змеевик на воздушном тепловом насосе, повышая его эффективность и уровень комфорта в холодные дни. Однако в настоящее время нет информации о рентабельности использования коллектора выдыхаемого воздуха таким образом.

Экономика и другие преимущества активных систем солнечного отопления

Системы активного солнечного отопления наиболее рентабельны в холодном климате с хорошими солнечными ресурсами, когда они вытесняют более дорогие виды топлива для отопления, такие как электричество, пропан и нефть. Некоторые штаты предлагают освобождение от налога с продаж, кредиты или вычеты по подоходному налогу, а также освобождение или вычеты от налога на имущество для систем солнечной энергии. Здесь можно добавить предложение: Список стимулов для энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, включая активную солнечную тепловую энергию, доступен на сайте DSIRE.

Стоимость активной солнечной системы отопления будет варьироваться. На имеющиеся в продаже коллекторы распространяется гарантия 10 и более лет, и они легко прослужат десятилетиями дольше. Экономика активной системы отопления помещений улучшается, если она также нагревает воду для бытовых нужд, потому что в противном случае неиспользуемый коллектор может нагревать воду летом.

Отопление вашего дома с помощью активной системы солнечной энергии может значительно сократить ваши счета за топливо зимой. Солнечная система отопления также уменьшит загрязнение воздуха и парниковые газы, возникающие в результате использования ископаемого топлива для отопления или производства электроэнергии.

Выбор и определение размеров системы солнечного отопления

Выбор подходящей системы солнечной энергии зависит от таких факторов, как местоположение, дизайн и потребности в отоплении вашего дома. Местные соглашения могут ограничивать ваши возможности; например, ассоциации домовладельцев могут запретить вам устанавливать солнечные коллекторы в определенных частях вашего дома (хотя многим домовладельцам удалось оспорить такие соглашения).

Местный климат, тип и эффективность коллектора (коллекторов) и площадь коллектора определяют, сколько тепла может обеспечить система солнечного отопления. Обычно наиболее экономично проектировать активную систему, обеспечивающую от 40% до 80% потребности дома в отоплении. Системы, обеспечивающие менее 40% тепла дома, редко бывают рентабельными, за исключением случаев использования коллекторов солнечного нагревателя воздуха, которые обогревают одну или две комнаты и не требуют аккумулирования тепла. Хорошо спроектированный и изолированный дом, в котором используются методы пассивного солнечного отопления, потребует меньшей и менее дорогостоящей системы отопления любого типа и может нуждаться в очень небольшом дополнительном тепле, кроме солнечного.

Помимо того факта, что разработка активной системы для подачи достаточного количества тепла в течение 100% времени, как правило, непрактична или экономически неэффективна, большинство строительных норм и правил и ипотечных кредиторов требуют наличия резервной системы отопления. Дополнительные или резервные системы поставляют тепло, когда солнечная система не может удовлетворить потребности в отоплении. Резервные копии могут варьироваться от дровяной печи до обычной системы центрального отопления.

Строительные нормы, соглашения и правила для систем солнечного отопления

Прежде чем устанавливать солнечную энергетическую систему, вы должны изучить местные строительные нормы и правила, постановления о зонировании и соглашения о подразделении, а также любые специальные правила, относящиеся к участку. Вам, вероятно, потребуется разрешение на строительство, чтобы установить систему солнечной энергии в существующем здании.

В то время как большинство сообществ и муниципалитетов приветствуют жилые установки возобновляемой энергии, есть несколько, для которых системы возобновляемой энергии являются сравнительной новинкой, и поэтому они, возможно, не рассматривали их в своих кодексах. Вы должны соблюдать существующие строительные и разрешительные процедуры для установки вашей системы.

Вопрос соблюдения строительных норм и зонирования для установки солнечной системы обычно является местной проблемой. Даже если в штате действуют строительные нормы и правила, ваш город, округ или округ обычно соблюдает их. Общие проблемы, с которыми домовладельцы сталкиваются со строительными нормами, включают следующее:

Превышение нагрузки на крышу
Недопустимые теплообменники
Неправильная проводка
Незаконное вмешательство в систему снабжения питьевой водой.

Потенциальные проблемы зонирования включают в себя следующее:

Загромождение боковых дворов
Возведение незаконных выступов на крышах
Установка системы слишком близко к улицам или границам участков.

Особые нормативные акты, такие как соглашения местного сообщества, подразделения или ассоциации домовладельцев, также требуют соблюдения. Эти соглашения, правила исторического района и положения о поймах можно легко упустить из виду. Чтобы узнать, что необходимо для соблюдения требований местного законодательства, свяжитесь с отделами по зонированию и контролю за строительством в вашей местной юрисдикции, а также с любыми соответствующими домовладельцами, подразделениями, соседями и/или общественными ассоциациями.

Элементы управления для систем солнечного отопления

Органы управления солнечными системами отопления обычно более сложны, чем обычные системы отопления, потому что они должны анализировать больше сигналов и управлять большим количеством устройств (включая обычную резервную систему отопления). Солнечные элементы управления используют датчики, переключатели и/или двигатели для управления системой. Система использует другие элементы управления для предотвращения замерзания или чрезмерно высоких температур в коллекторах.

Читайте также:

Как смазывать петли - WD-40 Канада

Сердцем системы управления является дифференциальный термостат, который измеряет разницу температур между коллекторами и накопителем. Когда коллекторы на 10–20 °F (от 5.6 ° до 11 °C) теплее, чем накопительный блок, термостат включает насос или вентилятор для циркуляции воды или воздуха через коллектор для нагрева накопительной среды или дома.

Работа, производительность и стоимость этих элементов управления различаются. Некоторые системы управления контролируют температуру в различных частях системы, чтобы определить, как она работает. Самые сложные системы используют микропроцессоры для управления и оптимизации теплопередачи и доставки тепла в хранилище и зоны дома.

Можно использовать солнечную панель для питания низковольтных вентиляторов постоянного тока (постоянного тока) (для воздухосборников) или насосов (для жидкостных коллекторов). Выходная мощность солнечных панелей соответствует доступному притоку солнечного тепла к солнечному коллектору. При тщательном выборе размеров скорость вентилятора или насоса оптимизируется для эффективного поглощения солнечной энергии рабочей жидкостью. При слабом солнечном свете скорость вентилятора или насоса низкая, а при сильном солнечном свете они работают быстрее.

При использовании с комнатным воздухосборником отдельные элементы управления могут не понадобиться. Это также гарантирует, что система будет работать в случае отключения электроэнергии. Солнечная энергетическая система с аккумуляторной батареей также может обеспечивать питание для работы системы центрального отопления, хотя это дорого для больших систем.

Установка и обслуживание вашей системы солнечного отопления

Насколько хорошо работает активная солнечная энергетическая система, зависит от эффективного размещения, конструкции и установки системы, а также от качества и долговечности компонентов. Современные коллекторы и элементы управления отличаются высоким качеством, но поиск опытного подрядчика, который может правильно спроектировать и установить систему, может оказаться сложной задачей.

После того, как система установлена, ее необходимо должным образом обслуживать, чтобы оптимизировать ее производительность и избежать поломок. Разные системы требуют разных типов обслуживания, и вам следует настроить календарь, в котором перечислены задачи обслуживания, которые производители компонентов и установщики рекомендуют для вашей установки.

Большинство солнечных водонагревателей автоматически покрываются страховым полисом вашего домовладельца. Однако повреждений от замерзания, как правило, нет. Свяжитесь со своей страховой компанией, чтобы узнать, какова ее политика. Даже если ваш провайдер покроет вашу систему, лучше сообщить ему в письменной форме о том, что вы являетесь владельцем новой системы.

Разница между активным и пассивным солнечным отоплением

Активное и пассивное солнечное отопление — это два разных метода, в которых используется один и тот же источник энергии. Сравнение пассивной и активной солнечной энергии в первую очередь требует понимания используемых терминов. Оба эти метода являются методами «солнечного нагрева». Солнечное отопление конкретно определяется как обогрев помещений внутри здания за счет улавливания и преобразования лучистой энергии солнца.

Схема здания с пассивным солнечным отоплением.

Произошла ошибка при попытке загрузить это видео.

Попробуйте обновить страницу или обратитесь в службу поддержки.

Вы должны создать учетную запись, чтобы продолжить просмотр

Зарегистрируйтесь, чтобы посмотреть этот урок

Как участник, вы также получите неограниченный доступ к более чем 84,000 XNUMX уроков по математике, английскому языку, естественным наукам, истории и многому другому. Кроме того, вы можете получить практические тесты, викторины и индивидуальное обучение, чтобы помочь вам добиться успеха.

Получите неограниченный доступ к более чем 84,000 XNUMX уроков.

Уже зарегистрирован? Войдите здесь для доступа

Ресурсы, созданные учителями для учителей

Я определенно рекомендую Study.com своим коллегам. Это как Учитель взмахнул волшебной палочкой и сделал работу за меня. Я чувствую, что это спасательный круг.

Вы в ударе. Продолжайте хорошую работу!

Просто проверяю. Вы все еще смотрите?

Хотите посмотреть это снова позже?

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы добавить этот урок в индивидуальный курс.

Что такое активная и пассивная солнечная энергия?

На протяжении прошлого века люди использовали ископаемое топливо для обогрева домов. Этот процесс включает в себя сжигание домашнего мазута и электрическое отопление, использующее энергию угольных или газовых электростанций. До этого люди в основном полагались на древесину для отопления дома.

Истощение запасов ископаемого топлива в сочетании с их растущей стоимостью и современным климатическим кризисом привело к поиску альтернативных способов отопления домов. Один источник энергии абсолютно бесплатный, полностью возобновляемый и относительно простой: солнечная энергия.

Солнечная энергия определяется как любая лучистая энергия, излучаемая солнцем. Небольшая часть солнечной энергии достигает Земли в виде электромагнитных волн. К счастью, эти волны достаточно сильны, чтобы согреть землю, прогнать ветер и даже согреть дома. Системы активной солнечной энергии используют электрические и механические компоненты (фотоэлектрические элементы, тепловые насосы, воздуходувки и т. д.) для улавливания солнечной энергии. Пассивные солнечные энергетические системы используют солнечную энергию непосредственно для обогрева или охлаждения.

Пассивная и активная солнечная энергия для отопления дома

Термины «активное солнечное отопление» и «активная солнечная энергия» очень похожи. Термины «пассивное солнечное отопление» и «пассивная солнечная энергия» также очень похожи. Первые термины являются просто подтипами последних. Пассивное солнечное отопление использует пассивную солнечную энергию, а активное солнечное отопление использует активную солнечную энергию. Оба используются для обогрева здания до комфортных, пригодных для жизни температур.

Оба предполагают использование бесплатного возобновляемого источника энергии для проектирования энергоэффективного дома; следовательно, нет единственного лучшего выбора. Простой пример каждого метода см. в разделах ниже.

Пассивный дизайн солнечной энергии

Пассивное солнечное отопление включает в себя проектирование структур, использующих тепло и свет от солнца. Механические и электрические устройства, такие как вентиляторы и насосы, не используются. Вместо этого архитекторы используют естественные процессы, такие как проводимость и конвекция, чтобы поглощать тепло, сохранять его и позволять ему течь по всему зданию. Один из классических примеров пассивного солнечного отопления включает в себя проектирование домов на севере с окнами, выходящими на юг, нависающими крышами и каменными полами или кирпичными стенами. Окна, выходящие на южную сторону, позволят проникать солнечным лучам под низким углом зимой, а нависающая крыша будет блокировать солнечные лучи под большим углом летом. В каменных полах и кирпичных стенах используются материалы с высокой тепловой массой, что означает, что они могут удерживать большое количество тепла. Это позволит хранить тепловую энергию, чтобы ее можно было распределять в течение дня и ночи.

Здание в Германии с пассивным солнечным отоплением.

Активный дизайн солнечной энергии

В активном солнечном отоплении используются коллекторы, накопительные устройства и тепловые насосы для сбора солнечной энергии и распределения ее по всему дому. Одним из распространенных примеров является использование фотоэлектрических солнечных панелей. Это знакомые синие панели, которые часто можно увидеть на крышах домов или на обочинах дорог. Эти панели вырабатывают электричество из солнечного света, которое затем можно использовать для работы электрического обогревателя. Такой подход дает несколько преимуществ. Во-первых, этот подход можно использовать практически с любым домом, старым или новым, и не требует индивидуального архитектурного плана. Во-вторых, активные системы солнечного отопления улучшают преобразование солнечной энергии и могут производить гораздо больше тепла, чем пассивные системы. В-третьих, нагрев от активной системы происходит быстрее и может регулироваться по мере необходимости в теплые дни или холодные ночи. Наконец, энергия фотоэлектрических панелей может использоваться не только для обогрева, но и для охлаждения.

К сожалению, и пассивные, и активные системы имеют один и тот же главный недостаток: без какой-либо системы накопления энергии ни одна из них не может использоваться ночью, когда температура самая низкая.

Дом в Арканзасе с активным солнечным отоплением.

Краткое содержание урока

Пассивное солнечное отопление включает в себя проектирование конструкций, позволяющих использовать тепло и солнечный свет без помощи механических устройств. Активное солнечное отопление использует коллекторы, накопительные устройства и тепловые насосы для сбора солнечной энергии и распределения ее по всему дому или зданию. Солнечная энергия определяется как любая лучистая энергия, излучаемая солнцем. Небольшая часть солнечной энергии достигает Земли в виде электромагнитных волн. Эти волны достаточно сильны, чтобы согревать землю, гонять ветры и даже обогревать дома.

Пассивное солнечное отопление включает в себя проектирование конструкций, позволяющих использовать тепло и свет солнца без помощи механических или электрических устройств. Один из классических примеров пассивного солнечного отопления включает в себя проектирование домов на севере с окнами, выходящими на юг, и нависающими крышами. Окна, выходящие на юг, позволят солнечному свету проникать зимой, а нависающая крыша будет блокировать солнечные лучи под большим углом летом. С другой стороны, в активном солнечном отоплении используются коллекторы, накопительные устройства и тепловые насосы для сбора солнечной энергии и распределения ее по всему дому. Одним из распространенных примеров является использование фотоэлектрических солнечных панелей для работы электрического обогревателя. Этот подход имеет несколько преимуществ, в том числе гибкость площадки, время отклика и большую теплопроизводительность. К сожалению, и пассивные, и активные системы имеют один и тот же главный недостаток: без какой-либо системы накопления энергии ни одна из них не может использоваться ночью.

Чтобы разблокировать этот урок, вы должны быть участником Study.com.
Создать учетную запись

Руководство фермера по переходу на солнечную энергию

Исследователь NREL Джордан Макник работает с командами из Массачусетского университета (UMass) Clean Energy Extension и Hyperion над фотоэлектрическим исследовательским проектом двойного назначения в Исследовательском и образовательном центре сельскохозяйственных животных UMass в Южном Дирфилде, Массачусетс. Фото Денниса Шредера / NREL.

Проект является частью программы DOE InSPIRE, целью которой является улучшение экологической совместимости и взаимовыгодности развития солнечной энергетики с сельским хозяйством и природными ландшафтами. Фото Денниса Шредера / NREL.

Команда проекта исследует одновременное выращивание сельскохозяйственных культур под фотоэлектрическими батареями и производство электроэнергии с помощью панелей. Фото Денниса Шредера / NREL.

Исследователи NREL Джордан Макник и Пол Торселини вместе с профессором Университета Массачусетса Стивеном Гербертом осматривают испытательный участок в Исследовательско-образовательном центре сельскохозяйственных животных Университета Массачусетса в Южном Дирфилде, Массачусетс. Фото Денниса Шредера / NREL.

Эти овцы живут на солнечной ферме Ла-Ола на Ланаи, Гавайи. Они подстригают сорняки и траву в труднодоступных местах между солнечными панелями и под ними. Фото Меррилл Смит

Фотография из проекта является частью инициативы DOE InSPIRE, направленной на улучшение экологической совместимости и взаимной выгоды использования солнечной энергии для сельского хозяйства и природных ландшафтов. Фото Денниса Шредера / NREL.

Внимание, фермеры! SETO имеет открытую возможность финансирования солнечной энергетики и сельского хозяйства. Подайте заявку сегодня!

Растущее число ферм и сельскохозяйственных предприятий ищут солнечную энергию для своей повседневной деятельности. Частично благодаря инвестициям Управления технологий солнечной энергии стоимость перехода на солнечную энергию снизилась, что позволило установить больше установок по всей стране. Ответьте на эти вопросы, чтобы определить, что лучше для вас и вашей фермы.

Каковы преимущества совместного размещения солнечной и растениеводческой продукции?

Совместное размещение солнечной энергии и растениеводства имеет различные преимущества для разработчиков солнечной энергии и фермеров.

Преимущества для разработчиков солнечной энергии включают в себя:

Снижение затрат на установку — использование ранее вспаханных сельскохозяйственных культур может предотвратить необходимость дорогостоящей планировки для выравнивания земли до пригодного для использования уровня.
Снижение первоначальных рисков. Геотехнические риски могут увеличить стоимость установки солнечных батарей из-за повышенных потребностей в испытаниях. Ранее возделываемые сельскохозяйственные земли были определены как «вариант с наименьшим риском» в ходе серии опросов с установщиками солнечных батарей.
Снижение юридических рисков. Используя ранее нарушенные земли, установщики солнечных батарей могут снизить риск предварительных судебных разбирательств в процессе экологической экспертизы.
Потенциальное повышение производительности фотоэлектрических систем. Растительность под модулями может способствовать снижению температуры почвы и повышению эффективности солнечной энергии.

Преимущества для управляющих сельскохозяйственными угодьями включают:

Снижение затрат на электроэнергию
Диверсификация потока доходов
Расширение возможностей выращивания ценных теневыносливых культур для новых рынков
Маркетинговые возможности для аудитории, заботящейся об устойчивом развитии
Возможность поддерживать урожайность во время солнечной генерации
Обеспечьте пополнение запасов питательных веществ и земель на деградированных землях.
Потенциал сокращения водопотребления
Возможность продления вегетационного периода

Вы можете узнать больше об усилиях по размещению солнечной и сельскохозяйственной энергии в рамках проекта InSPIRE Министерства энергетики.

Будут ли солнечные модули загрязнять почву под ними или вокруг них?

Фотоэлектрические элементы на основе кремния являются наиболее широко используемой солнечной фотоэлектрической технологией. Большинство солнечных панелей имеют стеклянную переднюю часть, защищающую фотоэлемент, и алюминиевую или стальную раму. Исследования показывают, что «вымывание следов металлов из модулей вряд ли представляет значительный риск из-за герметичности установленных элементов».

В некоторых солнечных модулях используется теллурид кадмия (CdTe). Соединения кадмия токсичны, но исследования показывают, что такие соединения не могут выделяться из модулей CdTe при нормальной эксплуатации или даже во время пожаров. Для высвобождения соединений из модулей требуются температуры промышленного сжигания, которые намного выше, чем при лесных пожарах.

Могут ли солнечные модули изменить микроклимат под модулями и усугубить проблемы с инвазивными видами, грибками, нематодами или другими вредителями?

Было проведено относительно немного исследований влияния микроклимата под солнечными модулями, но текущие результаты исследований показывают, что среднее влияние практически отсутствует. Температура воздуха под панелями, как правило, ниже днем и теплее под панелями ночью. Одно исследование показало, что температура воздуха, влажность и температура урожая под модулями были аналогичны условиям яркого солнца. Это исследование показало, что температура почвы ночью под модулями была ниже, чем температура почвы на полном солнце в течение всего дня. Не было исследований, связывающих солнечное развитие с проблемами вредителей, но исследования показали, как местные растения могут процветать под солнечными установками.

Будут ли солнечные модули нагревать и сушить растительность или урожай под модулями?

Солнечные модули фактически охлаждают растения и растительность под ними в течение дня из-за затенения и согревают их ночью. Исследования показали, что эти температурные различия компенсируются, и что среднесуточные температуры культур были одинаковыми под модулями по сравнению с посевами на полном солнце, и это не повлияло на темпы роста культур. Модули могут предоставить фермерам возможность выращивать теневыносливые культуры и разнообразить выбор культур, а также продлевать вегетационный период и снижать потребность в воде. Одно исследование показало, что затенение от солнечных модулей дает вес урожая салата, равный или превышающий вес салата, выращенного на полном солнце.

Могут ли дикие животные, такие как антилопы или лоси, пастись под солнечными батареями?

Да, однако, при желании, защитное ограждение может защитить от более крупных животных, если считается, что они представляют риск повреждения модулей. Ограждение может быть построено для размещения мелких животных, таких как лисы. Участки под модулями можно повторно засеять, чтобы обеспечить среду обитания и корм для опылителей, птиц и других мелких видов.

Могут ли домашние животные, такие как овцы или крупный рогатый скот, пастись на наземных солнечных установках?

Овцы обычно используются для выпаса скота для контроля растительности на солнечных установках в США и Европе, поскольку овцы не забираются на модули и не повреждают их. Подъем фотоэлектрических модулей по высоте не требуется для обеспечения выпаса скота, поскольку растительность доступна под модулями на стандартной высоте. Выпас скота, как правило, несовместим с фотоэлектрическими установками из-за риска повреждения модулей. Выпас овец для контроля роста растительности может принести пользу местным пастухам, операторам солнечных батарей и земле из-за сокращения скашивания, гербицидов и других потребностей в управлении растительностью.

Каково воздействие солнечных модулей на птиц или других видов диких животных?

Солнечные модули создают возможность для взаимодействия с птицами. Фотоэлектрические модули, как правило, имеют меньшую отражающую способность, чем окна, и были установлены и проверены на предмет ударов птиц во многих аэропортах. Тем не менее, травмы и гибель птиц могут происходить в результате столкновений с линиями электропередач, транспортными средствами, ограждениями и солнечным оборудованием и конструкциями, такими как модули. Есть некоторые опасения, что птицы могут ошибочно принять солнечные установки за водоемы и попытаться приземлиться на них, но это не доказано. Комплексный обзор всех взаимодействий с солнечными батареями и птицами в Великобритании, проведенный в 2017 году, показал, что «риск столкновения птиц с солнечными панелями очень низок. Вероятно, существует больший риск столкновения с птицами, связанный с инфраструктурой, связанной с разработками солнечных фотоэлектрических систем, такой как воздушные линии электропередач».

Солнечные модули требуют использования другого электрического оборудования, такого как инверторы и соединительные коробки, которые издают некоторый шум. Частота большинства инверторов составляет 50-60 Гц, такая же, как и у электричества переменного тока в вашем доме или коммерческом здании, что находится в диапазоне, слышимом для людей, и значительно ниже более высоких частот, используемых для отпугивания животных. Звук, как правило, не слышен на краю огороженной границы, но если и слышен, то по громкости звук подобен фоновому шуму и рассеивается до неслышимости в 50–150 футах от края границы.

Можно ли выращивать местную растительность или среду обитания опылителей под солнечными модулями?

Да, солнечные установки могут поддерживать местную растительность и виды среды обитания опылителей. Низкорослые растения могут расти под солнечными панелями, что избавляет от необходимости скашивания и защиты панелей от затенения. Два штата (Миннесота и Мэриленд) разработали сертификацию солнечной энергии, благоприятной для опылителей, чтобы продвигать посадку среды обитания опылителей в рамках проектов солнечной энергетики коммунального масштаба. Среда обитания опылителей может принести пользу местным фермам, а также может стать местом пчеловодства.

Для получения дополнительной информации о благоприятных для опылителей стандартах и методах для солнечных участков посетите веб-сайт Центра опылителей в энергетике.

Повысят ли солнечные батареи цены на продукты?

Не было никаких документированных свидетельств того, что солнечные модули увеличивают цены на продукты питания. Солнечные проекты, засаженные средой обитания опылителей, могут фактически помочь повысить урожайность местного сельского хозяйства за счет увеличения опыления и других полезных услуг насекомых. Два штата (Миннесота и Мэриленд) уже разработали благоприятные для опылителей солнечные сертификаты, чтобы способствовать озеленению мест обитания опылителей, которые могут принести пользу местным фермам.

Кроме того, солнечная энергия может дать несколько преимуществ управляющим сельскохозяйственными угодьями, которые могут компенсировать капитальные затраты на установку солнечной энергии:

Солнечная энергия может быть установлена с нулевыми первоначальными капитальными затратами посредством лизинга.
Солнечные батареи могут быть установлены на малоплодородных сельскохозяйственных угодьях и обеспечить другой источник дохода для фермы. Этот другой поток доходов может компенсировать операционные расходы фермы и обеспечить экономическую устойчивость в плохие годы выращивания.
Солнечные батареи не нужно устанавливать на текущих или планируемых площадях выращивания.
Совместное размещение солнечных и сельскохозяйственных установок может быть спроектировано таким образом, чтобы оптимизировать как производство электроэнергии, так и производство продуктов питания.
Тень под солнечными модулями позволяет сажать ценные, теневыносливые и собираемые вручную культуры, которые обычно не продаются на рынке (например, салат в пустынных районах и т. д.).

Безопасно ли распылять агрохимикаты рядом с солнечными батареями?

В настоящее время вокруг некоторых солнечных модулей распыляют гербициды, чтобы предотвратить рост сорняков. Агрохимикаты не должны представлять проблемы. Следует проявлять осторожность, чтобы не обрызгать сами модули, но если это произойдет, модули можно смыть водой, поскольку они сделаны из стекла, стали или алюминия и рассчитаны на работу на открытом воздухе.

Могут ли солнечные модули питать мое ирригационное оборудование?

Да, солнечные батареи могут питать ирригационное оборудование. Солнечная энергия может компенсировать мощность, необходимую для насосов, и обеспечивать электроэнергией удаленные ирригационные системы, не требуя подключения к сети. Солнечные ирригационные насосы в настоящее время используются в Африке, Южной Америке и Индии.

Я сдаю в аренду свои сельскохозяйственные угодья. Могу ли я установить солнечные фотоэлектрические панели?

В зависимости от текущего землепользования арендатора, солнечная энергия может быть разрешена или запрещена на участке. Если текущие сельскохозяйственные операции подходят для использования солнечной энергии или существуют неиспользуемые земли, может подойти солнечная энергия.

Я не могу проехать на своем тракторе через солнечные батареи или вокруг них. Есть ли способы, которыми я все еще могу установить солнечную батарею?

Солнечные системы могут быть установлены на малоплодородных или засоленных землях или на окраинах полей, где не ведется сельское хозяйство. Если есть желание выращивать урожай под солнечными модулями и между ними, можно использовать тракторы меньшего размера или ручное управление. Не существует универсального солнечного дизайна, и разработчики должны учитывать потребности в земле и сельском хозяйстве в процессе проектирования.

Мне нужно сжигать свои поля каждый год. Могу ли я установить солнечные фотоэлектрические панели?

Вы не должны сжигать посевы под солнечными установками или вокруг них; это может привести к возгоранию электричества и повреждению оборудования. Тем не менее, солнечную энергию все же можно установить на ферме, где не требуется сжигание. Об этой необходимости следует сообщить разработчику солнечной энергии заранее в процессе выбора площадки.

Моя ферма затопляется весной. Могу ли я установить солнечные фотоэлектрические панели?

Солнечные могут быть установлены в поймах, но все электрооборудование должно быть установлено выше прогнозируемого уровня затопления. Подъем оборудования может увеличить стоимость установки и негативно повлиять на экономику проекта. Кроме того, стоимость страховки будет выше для фотоэлектрических систем в зоне затопления. Область, которая не будет затоплена, может лучше подходить для фотоэлектрической установки.

Как пыль влияет на производительность солнечных фотоэлектрических модулей?

Различные уровни потерь выработки электроэнергии из-за загрязнения должны быть включены в оценки выработки фотоэлектрических систем. Калькулятор загрязнения PV Watts NREL использует среднюю потерю загрязнения 2%, но эти потери сильно зависят от местных погодных условий и условий загрязнения. Наличие растительности под солнечными панелями и вокруг них может снизить уровень пыли и загрязнения на панелях.

Можно ли превратить мою землю обратно в сельскохозяйственные угодья после окончания жизни Солнечной системы?

Земля может быть возвращена в сельскохозяйственное использование в конце срока эксплуатации солнечных установок. Срок службы солнечной установки составляет примерно 20-25 лет и может обеспечить период восстановления, увеличивая ценность этой земли для сельского хозяйства в будущем. Предоставление почве покоя также может поддерживать качество почвы и способствовать биоразнообразию сельскохозяйственных угодий. Посадка сельскохозяйственных культур, таких как бобовые, под солнечной установкой может повысить уровень питательных веществ в почве.

Есть ли компромиссы в подъеме солнечных модулей для выращивания сельскохозяйственных культур?

Увеличение высоты фотоэлектрических модулей может увеличить стоимость солнечной установки. Из-за повышенной ветровой нагрузки на более высокие конструкции, вероятно, потребуется увеличить длину стальных фундаментных стоек под землей, чтобы выдержать дополнительную нагрузку на конструкцию.