9.1.1 Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.

Солнце ежесекундно излучает 370∙10¹² ТДж тепловой энергии. Но из этого количества теплоты на землю попадает, в энергетическом эквиваленте, только 1,2∙10¹⁴ кВт, т.е. в 10⁸ раз больше, чем на сегодняшний день потребляется в мире. Солнечная энергия передается на Землю в виде электромагнитного излучения, проходящего путь в космосе от Солнца до Земли. Плотность потока солнечного излучения составляет примерно 1 кВт/м², но это длится всего лишь в течение 1 – 2 ч в разгар летнего дня на широтах, близких к экватору. В большинстве районов средняя величина облучение составляет 200 – 250 Вт/м². Сравнивая эту величину со значением средней плотности энергии искусственно созданной человеком, которая составляет всего 0,02 Вт/м², следует отметить, что она в 10 тыс. раз больше создаваемой человеком.

Для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую энергию широко используются: гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели), подогреватели воздуха и солнечные коллекторы.

Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию происходит следующим образом. Атомы и молекулы вещества или материи, поглощая электромагнитное излучение, преобразуют его в кинетическую энергию их хаотического движения, т.е. тепловую энергию. Следствием этого процесса является повышение температуры материи или вещества

Гелиоподогреватели. В практике использования солнечной энергии наиболее распространенным способом является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

Основным элементом гелиоподогревателя является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Наибольшее распространение получили плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, что позволяет им работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными для нагревания жидкостей до температур не выше 100°С [31].

В практике используют простые и сложные схемы приемников солнечного излучения. На рисунке 9.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения. Простые приемники (рисунок 9.1. а) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть. Приемники сложной конструкции (рисунок 9.1. б, в) нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре (тепловом аккумуляторе), что позволяет снижать теплопотери системы в целом [31].

Рисунок 9.1, а — открытый резервуар на поверхности земли (например, бочка с водой, бассейн) — простейший нагреватель воды. Повышение температуры воды в нем ограничено высоким коэффициентом отражения солнечных лучей с поверхности воды, теплоотдачей части тепловой энергии земле и воздуху, а также потерей части поглощенного тепла на испарение воды.

Рисунок 9.1. Схемы приемников гелиоподогревателей.

Рисунок 9.1, б — вакуумированый подогреватель. Он представляет собой конструкцию, состоящую из стеклянной внешней трубки внутри которой помещается черная металлическая труба, внутри которой циркулирует жидкость. В пространстве между трубками создается вакуум, исключающий перенос тепла от внутренней трубы наружу.

Рисунок 9.1, в — проточный нагреватель. В конструкции данного нагревателя вода циркулирует по параллельным трубкам 3, закрепленным на зачерненной металлической поглощающей пластине 4. Поглощающая пластина выполняется за одно целое с проточными трубками и покрывается черной матовой краской. Поглощающая пластина с трубками помещается в изолированный контейнер 1, закрываемый сверху стеклянной крышкой 2.

Нагретая в гелиоподогревателе вода может использоваться сразу или накапливаться в тепловом аккумуляторе, представляющим собой емкость с теплоизолированными стенками. Схема гелиоподогревателя с естественной циркуляцией жидкости приведена на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 Нагревательная система с естественной циркуляцией.

Подогреватели воздуха. Энергию солнечного излучения можно использовать для подогрева воздуха, который в дальнейшем расходуется для обогрева помещений, а также просушивания собранного урожая сельхозпродукции (зерна, травы, фруктов и т.п.) Значительная часть урожая сельхозпродукции в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить своевременным просушиванием.

Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому поглощающие пластины у этих нагревателей изготавливают шероховатыми (для турбулизации потока) и имеющими большую площадь поверхности соприкосновения с воздушным потоком [31].

На рисунке 9.3 изображены два варианта исполнения подогревателей воздуха. Во втором варианте используются сетчатые приемники солнечного излучения для увеличения контактной поверхности и создания турбулентного движения потока воздуха с целью увеличения теплообмена.

Рисунок 9.3. Подогреватели воздуха.

1 — стеклянное покрытие; 2 — шероховатая черная поглощающая поверхность; 3 — пористая поглощающая пластина, 4 — изоляция

Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.

В связи с тем, что на обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов, то можно частично разгрузить теплоэнергосистему, используя подогретый воздух для отопления зданий или путем постройки зданий специальной конструкции, предусматривающих использование солнечного тепла, для целей отопления.

Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать здание ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

Для дома, площадью 60 м² , объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м³. Разброс определяется качеством исполнения элементов подогревателя воздуха, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рисунок 9.4. а-г):

• отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

• отопление от аккумулятора (б);

• аккумулирование тепловой энергии (в);

• отопление от коллектора (г).

В холодные солнечные дни нагретый в подогревателе воздух поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

В средней полосе подогреватель воздуха лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

Рисунок 9.4. Солнечный дом.

В некоторых случаях требуются более высокие температуры, чем те, которые могут создать плоские приемники. Эта проблема решается с помощью солнечных коллекторов (гелиостатов).

Солнечный коллектор состоит из концентратора солнечной энергии и приемника. Концентратор представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Приемник поглощает солнечное излучение собранное концентратором и преобразует его в любой другой вид энергии. Солнечные коллекторы, в свою очередь, делятся на две группы: низкотемпературные и высокотемпературные Концентратор имеет свободу вращения, которое обеспечивает ему ориентацию на Солнце. Чаще всего он представляет собой вогнутое зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения. Зеркала в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного алюминия. Для низкотемпературных солнечных коллекторов наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму, представленную на рисунке 9.5: цилиндрического параболоида (а), параболоида вращения (б) и плоско-линейной линзы Френеля (в). Такие солнечные коллекторы способны создать температуру в приемнике – порядка 100 – 200^оС.

Вариант высокотемпературного солнечного коллектора представлен на рисунке 9.6. В таком преобразователе солнечные лучи концентрируются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3000°С. Они используются, например, для плавки металлов.

Рисунок 9.6. Высокотемпературный солнечный коллектор.