Solar energy

ВВЕДЕНИЕ В СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГЕТИКУ

Современный человек гордится своим новым осознанием от­крытия изобильного источника энергии, которая достигает нашей планеты через каких-нибудь восемь с половиной минут, покинув гигантскую печь, находящуюся в 150 000 000 км от нас. С момен­та своего зарождения живые существа находили простые спосо­бы использования для жизнедеятельности энергии этого мощного источника, которая обеспечивает бесконечный цикл жизни и смерти. Зеленые растения оптимально воспринимают интенсив­ные лучи солнца. Сам человек эмоционально и духовно реагирует на воздействие солнца, поклоняясь ему и строя свои жилища с должным уважением к его мощи, щедрости и неумолимости.

В своих Memorabilia (Ш, viii, 8—14) Ксенофон записал не­которые положения учения Сократа (470—399 до н. э.), касаю­щиеся жилища:

«И опять его высказывание о жилище... было уроком по ис­кусству строительства домов такими, какими они должны быть. Он так подходил к проблеме: «Должен ли тот, кто хочет иметь хороший дом, придумать его как приятным, так и пригодным для жилья?». Получив утвердительный ответ, он спрашивал: «Прият­но ли иметь его прохладным летом и теплым зимой?». И когда они соглашались с этим, он говорил: «В домах, обращенных фа­садом на юг, солнечные лучи проникают в портики зимой, но ле­том путь солнца проходит над нашими головами и над крышей, и потому там всегда тень. Тогда, если это является наилучшим расположением, мы должны возводить южный фасад выше, что­бы воспользоваться зимним солнцем, а северный фасад ниже, чтобы отгородиться от холодных ветров. Короче говоря, дом, в ко­тором хозяин может найти приятное убежище и в безопасности хранить свои вещи, вероятно, будет одновременно самым прият­ным и самым красивым».

В это отношение к солнцу человек привнес осознанные знания и изобретательность. Еще в доисторические времена солнце высушивало и сохраняло пищу человека. Оно испаряло воды океанов, давая соль. С тех пор как человек начал рассуждать, он признал солнце в качестве движущей силы и решающего фак­тора любого природного явления, в том числе созданного руками человека. Некоторые толкователи полагают, что великие египет- ские пирамиды, эти свидетельства величайших инженерных под­вигов человека, были задуманы как лестницы, ведущие к солнцу.

Около двух с половиной тысяч лет назад жрицы-девственницы в храмах Весты зажигали священный огонь при помощи солнечых лучей, концуентрированных металлическим конусами. В 212 году до н.э. греческий физик Архимед применил огромное вогнутое зеркало из металла (в виде сотен отполированных щитов, направляющих .." отраженные солнечные лучи на один из кораблей), чтобы сжечь римский флот, атаковавший Сиракузы.                                                                      ;

Помимо многочисленных способов использования энергии солнца природой и человеком, как-то: для выращивания зерна, повышения способности видеть или для получения солнечного загара, или сушки одежды, постоянно существует ряд других «обязанностей». Солнечная энергия используется для отопления и охлаждения зданий, для подогрева воды в плавательных бассейнах, для питания рефрижераторов, двигателей насосов и установок по переработке сточных вод. Солнечная энергия питает автомобили, печи, дистилляторы и сушилки. Возникающий под воздействием солнечной энергии ветер используется для производства механической и электрической энергии, которая используется как на земле, так и в космосе. Кухонные плиты и автомо­били могут работать на метане, полученном при использовании солнечной энергии в цикле работы очистных сооружений, органические остатки могут быть сожжены на электростанциях. Зависящие от режимов поступления солнечной энергии циклы испа­рения и выпадения осадков в сочетании с энергией падающей воды приводят в движение турбины и электрические машины. . Солнечные электролизеры расщепляют воду на кислород и водород, который может применяться как топливо. Многие другие разнообразные применения солнечной энергии хорошо описаны в книге Фаррингтона Дэниелса «Непосредственное использова­ние энергии Солнца», которая является прекрасным исследованием в этой области.

Однако ни одно из этих применений, в том числе и те, которые рассмотрены в данной книге, невозможно понять без знания ос­новных принципов солнечной энергетики. Большая часть энергии, которую мы получаем от солнца, поступает в виде коротковолно­вого излучения, которое не все видимо для человеческого глаза.

Когда это излучение падает на поверхность твердого или жидко- го тела, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, тело нагревается за счет теплопроводности, отдает часть энергии ок- у ружающей среде (воздуху, воде, другим твердым и жидким телам) и вторично излучает его на другие тела, имеющие более низкую температуру. Это излучение является длинноволновым.

Рис. 1Л. Солнечный коллектор для производства механической энергии (55 л. с.). Построен Фрэнком Шуманом и К. В. Бойесом в Меади (Египет) в 1913 г. для подъема воды

Рис. 1.2. Печатный станок, при­водимый в действие солнечной энергией. Париж, 1878 г.

Стекло, легко пропуская коротковолновое излучение, создает небольшое препятствие проникновению солнечной энергии, но в то же время оно является плохим проводником длинноволново­го излучения. После того как энергия солнца проникла через стекла окна и была поглощена каким-либо материалом внутри помещения, тепловая энергия путем излучения практически не передается наружу. Следовательно, стекло работает как тепло­вая ловушка. Это явление, известное под названием «парниковый эффект», с давнего времени используется в теплицах, которые достаточно прогреваются в солнечные дни даже в середине зимы. Солнечные коллекторы для отопления зданий, обычно называе­мые плоскими коллекторами, почти всегда имеют одно или нес­колько стеклянных покрытий, хотя вместо стекла часто применя­ются различные пластмассы и другие прозрачные материалы.

Под верхней пропускающей солнечные лучи пластиной в кол­лекторах имеется другая пластина, которая поглощает энергию
падающих на нее солнечных лучей. Эта поглощающая (тепловос­принимающая) пластина часто изготавливается из меди, алюми­ния, стали или другого подходящего материала и обычно покры­вается либо черной краской, либо одним из многих сложных по составу селективных покрытий, которые способствуют поглоще­нию большей части энергии излучения при малом уровне отраже­ния и переизлучения. После того как энергия поглощена, она мо­жет быть использована. Стеклянные покрытия коллектора приз­ваны снижать потерю тепла с лицевой стороны, а изоляция уменьшает потерю тепла через тыльную часть.

От поглощающей пластины тепло передается к жидкому или газообразному теплоносителю, поток которого омывает поглоща­ющую пластину при помощи насоса или воздуходувки. Жидкости (вода или незамерзающий теплоноситель типа этиленгликоля) протекают вдоль зачерненной теплоприемной поверхности или через трубки, вделанные в поглощающую пластину. Если в каче­стве теплоносителя используется воздух, то для улучшения теп­лообмена между воздухом и поверхностью поглощающей пласти­ны необходимо, чтобы площадь этой пластины была развита за счет множества небольших выступов неправильной формы.

В некоторых случаях можно осуществлять прокачку теплоно­сителя (жидкого или газообразного), не прибегая к механиче­ским средствам, а путем использования эффекта естественной конвекции, или термосифона. По мере подвода тепла нагретые слои жидкости поднимаются вверх, а их место занимают более холодные объемы. Если коллектор установлен с наклоном или вертикально, это положение будет вынуждать жидкость двигать­ся вдоль поглощающей пластины коллектора по всему тракту без затраты какой-либо дополнительной энергии. Некоторые си­стемы работают именно по такому простому принципу, и при правильной установке работают весьма эффективно. Однако пе­рекачивание с помощью насо­сов обычно обеспечивает боль­ший КПД коллектора и дает большие возможности при ис­пользовании тепла.

Это тепло может быть ис­пользовано для отопления жи­лых помещений здания с при­менением традиционных мето­дов, например с помощью ра­диаторов и регистров воз­душного отопления.

Рис. 1.3. Стекло как тепловая ловуш­ка, черная поверхность как поглоти­тель

Система зеркал, установленная в поле, фокусирует отраженные солнечные лучи на котел. Обыч­ная паровая турбина преобразует энергию пара в электрическую энергию не требуется, подогретые в коллекторе воздух или жидкость мо­гут направляться в контейнер для аккумулирования тепла. В случае применения в качестве теплоносителя воздуха аккуму­лятором тепла может служить контейнер с камнями или с ка­ким-либо другим теплоаккумулирующим материалом. Если теп­лоносителем является жидкость, то аккумулятор, как правило, представляет собой хорошо изолированный бак с водой, облада­ющей хорошей теплоемкостью. Тепло может также аккуму­лироваться в контейнерах с эвтектическими солями или соля­ми с фазовым переходом. Эти соли, способные аккумулировать большое количество тепла в сравнительно малом объеме, при плавлении в процессе нагрева накапливают тепло и отдают его потом при охлаждении и кристаллизации. Когда здание требует­ся отапливать, воздух или вода из отопительной системы прохо­дит через аккумулятор тепла, нагревается и поступает в обычные отопительные приборы для обогрева помещений.

Так как системы солнечного теплоснабжения не могут функ­ционировать в течение долгих периодов холодных, малосолнеч­ных дней, лишь немногие проекты, осуществленные на сегодняш­ний день, обеспечивают все потребности здания в отоплении при помощи солнечной энергии. Система, способная обеспечить до­статочное количество тепла для потребителя в течение этих периодов, будет иметь настолько большие габариты, что допол­нительные расходы редко оказываются оправданными. Поэтому система солнечного отопления почти всегда требует наличия системы обычного отопления в качестве дублирующей. То же са­мое справедливо и для систем солнечного охлаждения.

Рис. 1.5. Солнечный коллектор площадью 230 м² здания средней школы «Фокьер» (Уоррентон, шт. Виргиния, 1974 г.). Проект солнечной установки выпол­нен фирмой «Интертекнолоджи корпорейшн»

В большинстве случаев систему солнечного теплоснабжения и традиционную можно успешно объединять. Однако при этом могут потребоваться довольно существенные переделки традици­онной системы. Например, системы солнечного нагрева наиболее эффективны в работе при пониженных рабочих температурах. В этом случае коллекторы поглощают больше тепловой энергии, а потери системы — меньше. Обычная же система водяного ото­пления работает при сравнительно более высоких температурах. Поэтому оптимальная система потребует более низкого уровня рабочей температуры и несколько другого подхода ко всей систе­ме отопления в целом. По этой причине обычно трудно «вписать» систему солнечного отопления в существующую традиционную систему. Однако имеется ряд других способов использования солнечной энергии для существующих зданий, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Тепловая энергия солнечной радиации может быть использо­вана для охлаждения зданий на основе принципа абсорбционно­го охлаждения, на котором работают газовые холодильники. Однако используемое в настоящее время оборудование требует довольно высоких рабочих температур, намного превышающих температуры, соответствующие эффективной утилизации солнеч­ной энергии. Большая часть проведенных в этой области исследо­ваний посвящена разработке систем, работающих при меньших температурах, и разработке коллекторов, которые более эффек­тивны при повышенных температурах. Однако, вероятно, потребуется еще много времени, прежде чем системы солнечного охлаж­дения, в которых применяются солнечные коллекторы, будут жизнеспособны. В этой книге также рассматриваются и другие виды солнечного охлаждения, такие как компрессионные и осно­ванные на естественном охлаждении.