Использование энергии Солнца на Земле

Технология изготовления солнечных коллекторов достигла практически современного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли из американской "Carnegie Steel Company" изобрел коллектор с теплоизолированным корпусом и медными трубками. Этот коллектор весьма походил на современную термосифонную систему (см. ниже). К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, а бизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000 коллекторов. Введенное в США во время второй мировой войны нормирование меди привело к резкому падению рынка солнечных обогревателей.

До всемирного нефтяного  кризиса 1973 года эти устройства пребывали  в забвении. Однако кризис пробудил новый интерес к альтернативным источникам энергии. В результате возрос спрос и на солнечную энергию. Многие страны живо интересуются развитием этой области. Эффективность систем солнечного отопления с 1970-х постоянно возрастает благодаря использованию для покрытия коллекторов закаленного стекла с пониженным содержанием железа (оно пропускает больше солнечной энергии, чем обычное стекло), улучшенной теплоизоляции и прочному селективному покрытию.

ТИПЫ  СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Типичный солнечный коллектор  накапливает солнечную энергию  в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют солнечные  коллекторы различных размеров и  конструкций в зависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Их можно разделить на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева  воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком  горячая вода.

Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.

Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и  используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Воздушные солнечные коллекторы можно разделить на группы по способу  циркуляции воздуха. В простейшем из них воздух проходит через коллектор  под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры  на 3-5 оC из-за высоких потерь тепла  на поверхности коллектора через  конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных теплопотерь можно достичь подъема температуры на 20-50 оC в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные коллекторы позволяют снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой  коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах. Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м3 наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

КОНЦЕНТРАТОРЫ

Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется "теплоприемник". Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной линии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такие коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией - близко к экватору и в пустынных районах.

Концентраторы работают лучше  всего тогда, когда они обращены прямо к Солнцу. Для этого используются следящие устройства, которые в течение  дня поворачивают коллектор "лицом" к Солнцу. Одноосные следящие устройства поворачиваются с востока на запад; двуосные - с востока на запад и с севера на юг (чтобы следить за движением Солнца по небу в течение года). Концентраторы используются в основном в промышленных установках, так как они дороги, а следящие устройства нуждаются в постоянном уходе. В некоторых бытовых солнечных энергосистемах используются параболические концентраторы. Эти установки применяются для горячего водоснабжения, отопления и очистки воды. В бытовых системах применяются в основном одноосные следящие устройства - они дешевле и проще двуосных. Больше информации о концентраторах вы найдете в главе о солнечных тепловых электростанциях.

СОЛНЕЧНЫЕ ПЕЧИ И ДИСТИЛЛЯТОРЫ

Существуют и другие недорогие  технологически несложные солнечные  коллекторы узкого назначения - солнечные печи (для приготовления еды) и солнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную воду практически из любого источника.

Солнечные печи дешевы и  просты в изготовлении. Они состоят  из просторной хорошо теплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (напимер, фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюля черного цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда из алюминия или нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать для обеззараживания воды, если доводить ее до кипения.

Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причем источником может служить даже соленая  или сильно загрязненная вода. В  их основе лежит принцип испарения  воды из открытого контейнера. Солнечный  дистиллятор использует энергию  Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он из теплоизолированного  контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено с таким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальную емкость. Небольшой солнечный дистиллятор -- размером с кухонную плиту - в солнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Солнечная энергия используется в следующих случаях:

• обеспечение горячей водой жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий;
• подогрев бассейнов;
• отопление помещений;
• сушка сельскохозяйственной продукции и др.;
• охлаждение и кондиционирование воздуха;
• очистка воды;
• приготовление пищи.

Применяемые технологии являются полностью разработанными, а первые две - в благоприятных условиях также  экономически целесообразны. Смотрите ниже отдельную статью о коллекторах-концентраторах, которые с выгодой применяются для производства электроэнергии, особенно в регионах с большим количеством солнечной радиации (см. главу "Солнечные тепловые электростанции").

СОЛНЕЧНЫЕ СИСТЕМЫ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

В настоящее время в  нескольких миллионах жилых домов  и предприятий пользуются солнечными системами нагрева воды. Это экономичный  и надежный вид горячего водоснабжения. Нагрев воды для бытовых целей  или отопления с помощью солнечной энергии - естественный и простой метод сбережения энергии и сохранения запасов ископаемого топлива. Хорошо спроектированная и правильно установленная солнечная система может, благодаря своему эстетичному виду, повысить стоимость дома. На новостройках такие системы включаются в общий план строительства, так что они практически незаметны со стороны, тогда как приспособить систему к старой постройке бывает зачастую нелегко.

Солнечный коллектор позволяет  своему владельцу сэкономить деньги, не оказывая при этом вредного влияния  на окружающую среду. Использование  одного солнечного коллектора позволяет сократить выбросы в атмосферу углекислого газа на одну-две тонны в год. Переход на солнечную энергию предотвращает выбросы и других загрязнителей, таких как двуокись серы, угарный газ и закись азота.

Горячее водоснабжение - наиболее распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации, например в Северной Европе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Больше получить невозможно, разве что с помощью сезонного регулирования (см. главу ниже). В Южной Европе солнечный коллектор может обеспечить 70-90% потребляемой горячей воды. Нагрев воды в помощью энергии Солнца - очень практичный и экономный способ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности 10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В сочетании с деревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворять практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

МОЖЕТ ЛИ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР СОПЕРНИЧАТЬ  
С ПРИВЫЧНЫМИ ОБОГРЕВАТЕЛЯМИ?

Стоимость полной системы  горячего водоснабжения и отопления  в разных странах значительно  отличается: в Европе и США она  составляет от 2000 до 4000 долларов США. Зависит  она, в частности, и от требований к горячей воде, принятых в данной стране, и от климата. Начальное капиталовложение в такую систему, как правило, выше, чем требуется для установки электро- или газового обогревателя, но с учетом суммы всех расходов общие затраты за весь срок службы солнечных водонагревателей обычно ниже, чем для традиционных систем обогрева. Необходимо отметить, что основной срок окупаемости средств, вложенных в солнечную систему, зависит от цен на ископаемые энергоносители, ею замещаемые. В странах Европейского Союза срок окупаемости составляет обычно менее 10 лет. Ожидаемый срок службы солнечных обогревательных систем -- 20-30 лет.

Важной характеристикой  солнечной установки является ее энергетическая окупаемость - время, необходимое  солнечной установке для выработки  такого количества энергии, какое было бы затрачено на ее производство. В Северной Европе, на которую приходится меньше солнечной энергии, чем на другие обитаемые части света, солнечная установка для нагрева горячей воды окупает затраченную на нее энергию за 3-4 года.

ОТОПЛЕНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ СОЛНЕЧНОЙ  ЭНЕРГИИ

Выше мы говорили только о нагреве воды при помощи солнечной  энергии. Активная солнечная отопительная установка может не только обеспечивать горячую воду, но и дополнительное отопление через систему центрального теплоснабжения. Для обеспечения производительности такой системы температура центрального отопления должна быть минимальной (желательно около 50 оC), также необходимо аккумулировать тепло для отопления. Удачным решением является комбинация солнечной отопительной установки с подогревом пола, при котором пол является тепловым аккумулятором.

Солнечные установки для  отопления помещений менее выгодны, чем водонагреватели как с экономической, так и с энергетической точки зрения, так как отопление редко требуется в летнее время. Но если летом нужно отапливать помещения (например, в горных районах), то тогда отопительные установки становятся выгодными. В Центральной Европе, например, около 20% общей тепловой нагрузки традиционного дома и приблизительно 50% дома с низким энергопотреблением можно обеспечивать за счет современной активной солнечной системы, оснащенной системой аккумулирования тепла. Оставшееся тепло должно обеспечиваться за счет дополнительной энергоустановки. Чтобы увеличить долю энергии, получаемой от Солнца, нужно увеличивать объем аккумулятора тепла.

В Швейцарии конструируют солнечные установки для частных  домов с хорошо утепленными накопительными баками вместительностью 5-30м³ (так называемые, системы Дженни), но стоят они дорого, а хранение горячей воды часто непрактично. Солнечный компонент системы Дженни превышает 50% и даже достигает 100%.

Если бы вышеописанная  система полностью работала за счет солнечной водонагревательной установки, то понадобился бы коллектор площадью 25 м³ и бак-накопитель объемом 85 м³ с теплоизоляцией толщиной 100 см. Увеличение теплоемкости аккумулятора энергии приводит к значительному улучшению практических возможностей аккумулирования.

Хотя отопление индивидуальных жилых домов при помощи солнечной  энергии является технически возможным, более экономически выгодным на сегодняшний день является вложение средств в теплоизоляцию для сокращения потребности в отоплении.