1

ВВЕДЕНИЕ

Использование солнечных коллекторов означает революцию в принципах строительства, отопления и обеспечении жилья горячей водой. Использование солнечной энергии позволяет уменьшить расходы на отопление в два раза, а на получение горячей воды в 4 раза. Солнечные коллекторы - самые эффективные на сегодня устройства по использованию энергии солнца. Если фотоэлектрические панели используют 14-18% от поступающей к ним энергии солнца, то эффективность солнечных коллекторов 90-95%. Основной принцип работы заключается в том, что солнечные коллекторы захватывают тепловую энергию, концентрируют и направляют для использования человеком.

Солнечные коллекторы все больше используются у нас и за рубежом для обеспечения горячей воды и в различных системах отопления. Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют ежегодно экономить до 90% традиционного топлива.

Существует ошибочное мнение, о малости солнечных ресурсов России для полноценного использования фотоэлектрических установок. Это не соответствует реальной картине, так как даже в средней полосе России солнечной энергии достаточно для круглогодичной работы солнечной электростанции, и к востоку страны солнечных ресурсов ещё больше. В Германии солнечной энергии меньше, чем в Московской области, но, уже несколько лет с успехом реализуется программа «Сто тысяч солнечных крыш», в рамках которой государство стимулирует развитие солнечной энергетики, выдавая дешёвые кредиты на покупку солнечных электростанций и покупая произведённую энергию по повышенным тарифам. Аналогичные программы действуют в Испании, США, Греции, Болгарии и других странах. Страны ЕЭС планируют довести производство электроэнергии от альтернативных и возобновляемых источников до 20% от всей произведённой энергии к 2020 году.

Однако возникает ряд сложностей с применением солнечных элементов в системах энергоснабжения. Во-первых, есть трудности с расчётом реальной производительности солнечных элементов, так как в реальных условиях они просто не способны выдавать те характеристики, которые описаны предприятием-изготовителем. На мощность, выдаваемую солнечным элементом, влияют такие факторы, как широта местности, где расположена солнечная электростанция, угол наклона по отношению к Солнцу, спектральный состав излучения, погода, время суток и температура. Во-вторых, при проектировании солнечной электростанции важно правильно рассчитать мощность её структурных элементов и их КПД, чтобы станция не вышла из строя из-за перегрузки отдельных её частей.

Для изучения солнечного коллектора были собраны два лабораторных стенда, на основе параболоцилиндрических зеркал с вакуумированным теплопоглощающим элементом с жидким теплоносителем и теплоустановка с плоским солнечным коллектором.

Глава 1.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1. Солнце как источник энергии

Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая на земной шар, примерно в 10.000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала. Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности.[5]

Таблица 1.Мощность солнечного излучения.

Ясное небо	Переменная облачность	Солнце в виде белого диска	Пасмурный день
1.000 Вт/кв. м	600 Вт/кв. м	300 Вт/кв. м	100 Вт/кв. м

Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения. Важно различать эти виды излучения, т.к. современные солнечные установки рассчитаны на различное излучение. Так, например, термические солнечные установки, предназначенные для подогрева воды, используют как прямое, так и рассеянное излучение солнца. Они преобразуют энергию излучения в тепло даже при облачной погоде.На графике показаны годовые колебания усредненного общего излучения в г.Карслруэ, Германия.

График 1. Годовые колебания.

Как солнечные лучи превращаютсяэлектрический ток?! «Фотовольтаик» – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью, так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки).

В настоящее время они изготавливаются почти исключительно из кремния – материала, получаемого из кварцевого песка, имеющегося почти в неограниченном количестве. Если солнце светит в условиях тумана, облачности или же находится низко над горизонтом, то оно светит «вполсилы», а это значит, что и солнечная батарея или коллектор работает лишь вполовину своей производительности. Наибольшего КПД фотогальваническая установка достигает при перпендикулярном облучении. Установка с жестким креплением должна быть расположена по возможности под углом в 30° и направлена на юг.

1.2 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения

Солнце излучает колоссальное количество энергии. И лишь часть попадает на Землю. Но и этого объема солнечной энергии, достигшей в течение суток нашей планеты, вполне хватит покрыть расходы человечества на весь год. Но, к сожалению не вся поступающая энергия может быть использована, так как часть поглощается атмосферой или отражается в космос.

Интенсивность солнечного потока, достигшего Землю, зависит от времени суток, года, погодных условий и местоположения. Подсчитанное количество солнечной энергии за день или год называется иррадиацией или «приход солнечной радиации». По этому значению можно узнать, насколько мощным было солнечное излучение. Единица измерения иррадиации Вт*ч/м² в день, или другой период.

Солнечной постоянной называется интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равному среднему расстоянию между Землей и Солнцем. Солнечная постоянная равна – 1353 Вт/м² . В связи с прохождением через атмосферу солнечный свет ослабевает из-за поглощения инфракрасного излучения и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Воздушной массой называется показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности.[2]

Рис. 1.1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения.

Нa рис.1.1 в различных условиях показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, следовательно, полная мощность излучения – 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту). Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она приближается распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.