Использование солнечной энергии
Ещё тысячелетия назад человек понял, что жизненную энергию даёт Солнце. Считается, что первым, кто сформулировал некоторые основные положения, которыми следует руководствоваться при использовании солнечной энергии применительно к зданиям, был философ Сократ (470- 399 гг. до н. э.). В «Записках Ксенофонта» об этом говорится следующее: «... В домах, ориентированных на юг, зимой лучи солнца проникают в портик, но летом, когда солнце находится прямо над нашими головами и крышами, там тень. Поэтому, если считать такое расположение самым лучшим, то следует строить южную часть здания выше, чтобы препятствовать холодным ветрам...».
Другим примером использования энергии Солнца в древности считается атака Архимеда на флот римлян в Сиракузах в 214 г. до н. э. Предполагают, что он изготовил большое число хорошо отполированных фокусирующих металлических зеркал, поставил их вдоль берега таким образом, чтобы отражённые лучи солнца концентрировались на корпусах и снастях римских судов, находившихся в гавани или у берега. Некоторые из судов загорелись, и римский флот обратился в бегство. Практика применения солнечной энергии в древности в основном связана с использованием различных фокусирующих устройств, таких как зеркала или линзы.
Первые опыты использования солнечной энергии. В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 °С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором больших размером. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.
Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.
В 1890 г. профессор В. К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °С.
Солнце – самая близкая к Земле звезда – является родоначальником практически всех горючих ископаемых нашей планеты, а также первоисточником новых и возобновляемых видов энергии.
Солнечная энергия аккумулируется растениями в процессе фотосинтеза, в результате которого содержащийся в воздухе углекислый газ и солнечный свет участвуют в образовании углеводов. Все виды горючего топлива (уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф), а также древесина, сельскохозяйственные продукты являются производными этого феноменального механизма.
Недра Солнца обладают температурой, достаточной для постоянного синтеза водорода в гелий, т. е. для термоядерной реакции, которая и является источником колоссальных энергетических потоков, выпускаемых Солнцем в виде электромагнитного излучения.
Расчёты показывают, что современные мировые энергетические потребности можно было бы обеспечить за счёт солнечной энергии, ежегодно получаемой площадью в 20 тыс. км2, что составляет всего 0,005 % земной поверхности. Если даже принять во внимание, что КПД энергетических устройств, использующих солнечное излучение, не превышает 10 %, то территория, примерно равная Белоруссии, могла бы удовлетворить мировые энергетические потребности за счёт падающей на неё солнечной энергии.
Однако при оценках потенциальных возможностей солнечной энергии необходимо учитывать климатические особенности рассматриваемых территорий.
В основе работы пассивных устройств лежит принцип сбора солнечной энергии на зачернённых поверхностях, их разогрев и последующая передача тепла за счёт теплопроводности и свободной конвекции обогреваемому пространству или теплоносителю. Самая простейшая из таких систем – ориентированное на юг окно. Солнечные лучи, проникающие через окно, разогревают воздух, находящийся в помещении, а также стены. Практически эта система не нуждается в каких-либо сложных инженерных устройствах. Окно должно быть лишь правильно ориентировано и соблюдены его размеры. Опыт, накопленный при использовании данного метода обогрева помещений, показывает, что при выполнении этих условий, по существу, без дополнительных затрат можно добиться повышения температуры воздуха в помещении на 10° в весенне-осенний период и на 5-8 ° в зимнее время (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Пассивные устройства солнечной энергии
Более сложной представляется система с аккумулирующей зачернённой стеной, которая разогревается за счёт поглощения солнечных лучей, а затем передаёт тепло обогреваемому помещению. Чтобы сократить потери тепла, стену обычно остекляют (получается изолятор вместе с воздушной прослойкой). Данная схема имеет существенное преимущество перед предыдущей, так как обладает простейшим аккумулятором, который может отдавать тепло окружающему пространству после захода солнца. Существуют также более сложные, но основанные на этом же принципе, системы (рис. 3.4).
Роль «солнечной архитектуры» особенно возросла в последние годы, когда стоимость эксплуатации обычных отопительных систем, использующих электричество, газ, нефтяные продукты или даже уголь и дрова, увеличилась в несколько раз. Опыт показывает, что пассивные солнечные системы позволяют обеспечить от 30 до 60 % тепла, требуемого для обогрева помещений.
В «солнечной архитектуре» часто встречаются более сложные по своему устройству солнечные коллекторы, которые для сбора солнечного тепла используют различные теплоносители. Такого типа системы относятся к классу тепловых стационарных устройств. Получили широкое распространение плоские коллекторы, имеющие в своём составе трубчатые или плоские теплообменники, в которых теплоноситель нагревается за счёт поглощения зачернёнными поверхностями теплообменника тепловой солнечной энергии.
Самый важный компонент системы – теплоноситель. Различают коллекторы с естественной и принудительной (с помощью насосов) его циркуляцией. Широкое применение находят солнечные установки не только с водой, но и с воздухом, а также с низкокипящими жидкостями типа аммония (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Водяной солнечный коллектор
Наиболее распространёнными системами данного типа являются водяные коллекторы, которые успешно используются в районах с жарким климатом для нагрева воды до 40-80 °С. Например, коллектор площадью 1,5 м2 способен нагреть за 5-6 ч около 100 л воды до 70 °С. Водяные солнечные коллекторы устанавливаются в гостиницах, пансионатах, домах отдыха, детских учреждениях и спортивных комплексах. Экономичность и целесообразность применения водяных систем доказаны практикой.
Использование воздуха в качестве теплоносителя вместо жидкости в солнечных коллекторах даёт возможность широко применять данные системы в сушильных установках, которые используются особенно в период уборки урожая. Такие устройства обеспечиваются аккумуляторами, работающими по принципу «каменной подушки», где горячий воздух, проходя через несколько слоёв камней с большой теплоёмкостью, разогревает их (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Солнечная сушильная установка с тепловым аккумулятором
На рисунке обозначено: 1 – вход холодного воздуха; 2 – солнечный коллектор; 3 – вентилятор или компрессор; 4 – аккумулятор («каменная подушка»); 5 – вентилятор; 6 – контейнер для сушки продуктов; 7 – выход воздуха.
Обычно благодаря подобным системам накопленное тепло сохраняется в течение нескольких суток.
Плоские солнечные коллекторы применяются в отопительных системах помещений. Наиболее распространена система «солнечный дом», где вода нагревается в плоских коллекторах и поступает в резервуар, окружённый «каменной подушкой». Горячая вода отдаёт своё тепло «каменной подушке». Через неё пропускается холодный воздух, который, нагреваясь, подаётся в обогреваемое помещение. «Каменная подушка» в данном случае используется как аккумулятор.
