§2. Солнечная энергетика

Солнце – самая близкая звезда к Земле – является родоначальником практически всех горючих ископаемых планеты, а также первоисточником новых возобновляемых видов энергии.

Недра Солнца обладают температурой, достаточной для постоянного синтеза водорода в гелий, т.е. для термоядерной реакции, которая и является источником колоссальных энергетических потоков, испускаемых Солнцем в виде электромагнитного излучения.

Энергетическая отдача Солнца всего лишь за 1 сек. равнозначна превращению в энергию вещества массой 4,210⁶ т. При этом Земля получает лишь 210^-10 излучения. Однако это такая энергия, количество которой за год поступления на Землю в 50 раз превосходит всю энергию, которую можно было бы извлечь из мировых разведанных запасов горючих ископаемых. Вместе с тем на поверхность Земли попадает лишь 50% этого энергетического потока, остальная же часть поглощается и рассеивается атмосферой, отражается облаками и самой поверхностью (рис. 49).

Количество поступающей на поверхность Земли солнечной энергии зависит от климатических особенностей рассматриваемой территории, периода года, широты, облачности, времени суток. Поэтому на энергетических системах, использующих солнечную энергию, должны устраиваться элементы, которые аккумулировали бы солнечную энергию в периоды излучения высокой интенсивности и могли бы включаться в систему в ночное время или при слишком малом солнечном излучении.

Верхние

слои

атмосферы а б в г д

5% 20%

25%

23% 27%

Поверхность земли

Рис.49. Прохождение солнечных лучей через атмосферу Земли

а – отражение от поверхности Земли; б – отражение облаками; в – поглощение

атмосферой; г – рассеивание атмосферой с достижением земной поверхности;

д – доля излучения, достигающего поверхности Земли.

По сравнению с энергией традиционных источников солнечная энергия обладает малой плотностью. Поэтому для получения тепловых потоков, достаточных для функционирования современных энергетических систем и технологических процессов, необходимо применять солнечные концентраторы.

Прямое использование солнечной энергии основано на тепловом, фото- и термоэлектрическом ее превращении. Рассмотрим схемы некоторых устройств и принципы их действия.

Тепловые стационарные устройства

Солнечная энергия используется для отопления жилых помещений, для подогрева и опреснения воды, регулирования микроклимата. В системах, предназначенных для выполнения данных функций (тепловых стационарных устройствах), используются так называемые солнечные коллекторы, имеющие в своем составе плоские или трубчатые теплообменники, в которых циркулирует жидкий теплоноситель. Солнечный коллектор с трубчатым теплообменником может иметь следующую конструкцию (рис. 50):

Рис.50. Солнечный коллектор с трубчатым теплообменником

В черном ящике под двойным стеклом располагаются трубы, по которым циркулирует теплоноситель; нагрев его возможен до 60-80 ⁰С. Один квадратный метр такого нагревателя дает до 70 л горячей воды в день. Экономия – до 700 кг угля в год.

Широкое распространение получили коллекторы с плоскими теплообменниками (рис. 51).

Стекло Поглощающее

покрытие

Тепловая изоляция

Рис.51. Солнечный коллектор с плоскими теплообменниками

Эффективность системы зависит от качества зачернения поверхности теплообменника. В настоящее время используют специальные покрытия, эффективно поглощающие солнечное излучение и позволяющие подогревать теплоноситель до 100 ⁰С. При наличии вакуумной изоляции достигается температура теплоносителя выше 150 ⁰С.

В Швеции солнечные нагреватели площадью 30000 м² используются для нагревания воды, которая летом закачивается в подземную пещеру и хранится там для использования зимой в системах отопления 550 жилых домов. Потери тепла в процессе хранения в первый год составили 70%, через 10 лет, после нагрева пород, потери не более 28%. Объем используемой воды около 100000 м³.

В России, в районах Нечерноземья, среднее значение суммарной солнечной радиации, поступающей за сутки на 20 м² горизонтальной поверхности, составляет 200-240 Дж. Этого достаточно для отопления дома с полезной площадью 60 м². Однако здесь более уместно пока говорить о сезонной эксплуатации солнечной энергии.

Опыт показывает, что для условий сезонной эксплуатации в средней полосе России наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения, при которой в солнечном коллекторе нагревается воздух (теплоноситель), и затем этот воздух по воздуховодам подается в помещение. Предусматривается 3 режима работы системы:

1 – отопление от коллектора;

2 – аккумулирование тепловой энергии;

3 – отопление от аккумулятора.

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается в помещение и циркулирует в нем в результате естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух из коллектора с помощью вентилятора прокачивается через тепловой аккумулятор – слой гравия – и заряжает его. Для ночного отопления и при пасмурной погоде воздух из помещения прогоняется через тепловой аккумулятор и возвращается в комнаты уже подогретым.

Понятно, что такая гелиосистема лишь частично обеспечивает потребность в отоплении, но, тем не менее, сезонная экономия топлива за счет комплексного использования энергии может достигать 50%.

Важной проблемой для отдельных регионов планеты является производство питьевой воды. При этом для большинства из них особенно перспективно в этих целях использование солнечной энергии.

Простейшей оросительной системой является резервуар с водой, помещенный в теплоизолированную емкость с наклонной стеклянной крышей (рис.52).

Резервуар выполнен в виде теплоизолированного и зачерненного изнутри сосуда, дно которого заливается соленой водой или водой, требующей очистки. Солнечные лучи, проходя через стеклянную поверхность, поглощаются зачерненными поверхностями сосуда. В результате происходит нагрев воды и ее испарение. Водяные пары конденсируются на прозрачной крыше емкости, имеющей температуру, близкую к температуре наружной среды.

Солнечные опреснители широко применяются в районах, где особенно ощущается дефицит в пресной воде при достаточных запасах засоленных вод.

Необходимо отметить, что, несмотря на техническую простоту данных систем, стоимость опреснения в них пока примерно в 5 раз дороже, чем опреснение традиционными методами.

Солнечная печь

Сильная концентрация солнечного излучения в фокусе большого параболического зеркала позволяет получить очень высокие (до 3800 ⁰С) температуры, трудно достижимые другими способами. Этот способ используется для плавления тугоплавких веществ, вплоть до вольфрама и углерода, в солнечных печах (рис. 53).

Данные устройства не только экологически чистые, но и не загрязняют посторонними примесями находящиеся в них вещества.

7

55 5

6

2 3 1 8 4

Рис.52. Солнечный опреснитель

1 – исходная вода; 2 – выход опресненной воды; 3 – вход исходной воды;

4 – выпуск воды с повышенным содержанием соли или примесей; 5 – пар;

6 – пленка конденсата; 7 – стеклянная крышка; 8 – тепловая изоляция.

Гелиостаты

Фокальная зона

Концен-

тратор

Рис.53. Солнечная печь с горизонтальными параболическими

концентраторами

Наиболее мощные солнечные печи установлены в Армении (до 3000 ⁰С) и во Франции (до 3800 ⁰С).

Солнечные тепловые электростанции с паровым циклом

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС) с паровым циклом работают как обычные тепловые электростанции; нагрев воды до 250-400 ⁰С производится в солнечном котле, кото-

рый устанавливается на башне высотой 70-120 м (рис. 54).

Башня

Градирня

Тепловой аккумулятор

Парогенератор

Турбогенератор

Гелио-

статы

Рис.54. Гелиостатная электростанция с паровым циклом

и тепловым аккумулятором

На котел направляются солнечные лучи, отраженные от нескольких тысяч зеркал-гелио-статов площадью 25-40 м² каждое. Положение гелиостатов относительно Солнца поддерживается оптимальным с помощью ЭВМ.

В ряде случаев в качестве теплоносителя используют не воду, а расплав солей. Это удобнее, т.к. расплавленные соли не создают высокого давления, как пар при высокой температуре.

СТЭС оборудуются тепловыми аккумуляторами, чтобы они могли работать в ночное время. По этой причине тепловая мощность солнечного котла должна быть в 2-3 раза больше тепловой мощности турбины.

Подобные системы эксплуатируются в странах СНГ, в США, Франции.

Гелиоаэродинамическая (парниковая) солнечная электростанция

В гелиоаэродинамических СЭС энергию вырабатывает электрогенератор с вертикальной воздушной турбиной, расположенной в основании трубы-башни высотой до 200 м (рис. 55).

Для вращения лопастей турбины используется поток горячего воздуха, который нагревается в расположенном вокруг трубы парнике.

Подобная установка мощностью 100 кВт сооружена во Франции. Помимо выработки электроэнергии парниковая СЭС может использоваться для «продувки» загазованных автотранспортом кварталов больших городов.