Основы энергосбережения. Конспект лекций - Р. Байтасов

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000К. Электромагнитным излучением солнечная энергия переносится в космическом пространстве и достигает поверхности Земли.

Солнечная энергия достигает Земли в виде направленного и рассеянного (диффузного) лучистых потоков.

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины.

Поток излучения – величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Измеряется в Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещённость) – величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Коэффициент поглощения (поглощательная способность тела) – величина, измеряемая отношением потока излучения, заключённого в узком спектральном интервале частот, поглощаемого поверхностью тела, к потоку излучения, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффициент поглощения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно чёрным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптическим свойствам к чёрному телу является сажа.

Коэффициент отражения (отражательная способность) тела – величина, равная отношению потока излучения, отражённого поверхностью тела, к падающему на эту поверхность потоку. Для поверхностей, на которые рассеивают падающее солнечное излучение эту величину называют альбедо.

Таблица 2.1 Отражательная способность некоторых поверхностей

Поток солнечной энергии используется для горячего водоснабжения, отопления, получения электрической энергии.

Получение электроэнергии от Солнца не даёт вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Солнечные батареи занимают много места. Однако в сравнении с другими источниками, например углём, они вполне приемлемы. Более того, солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, а также использоваться в пустынях.

Особенности солнечных батарей позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции можно легко транспортировать и устанавливать в другом месте. Поэтому солнечные батареи, применяемые в сельской местности и в отдалённых районах, дают более дешёвую электроэнергию.

Жители отдалённых районов используют энергию солнечных батарей для освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Практическое значение солнечная энергия имеет при подъёме воды из скважин и на нужды здравоохранения.

Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их высокая стоимость, которая в будущем должна снизиться благодаря развитию новых технологий. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5 дол. За 1 Вт мощности и, как результат, цена 1 кВт-ч электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путём сжигания топлива.

В Беларуси 80% энергии Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразным.

Одним из показателей, характеризующих радиационное излучение является число часов солнечного сияния, которое для Беларуси и среднеевропейской части России составляет от 1750 до 1850 ч в год в зависимости от региона. Беларусь по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения со странами Западной Европы, а по приходу среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Данию, Великобританию. Эти страны наряду с «солнечными» странами считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования.

Минимальное число дней без солнца приходится на декабрь. По данным многочисленных наблюдений, таких дней бывает один или два. Напротив, в июле наибольшее количество солнечных дней – 19—22.

В Беларуси целесообразны три варианта использования солнечной энергии:

– пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов «солнечной архитектуры». Расчёты показывают, что количество энергии, падающей на южную сторону крыши домов площадью 100м² на широте Минска, вполне хватает даже для отопления зимой (при том, что 10% солнечной энергии аккумулируется летом и затраты на отопление квадратного метра в отопительный сезон составляют 70 кВт-ч при хорошей теплоизоляции стен, полов, потолков). Размеры дешёвого гравийного теплового аккумулятора приемлемы: 10 х 10 х 1,5 м³. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, построенное с использованием этого принципа – немецкий Международный образовательный центр (IBB) в Минске;

– использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;

– использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

В настоящее время финансируется создание отечественной установки на фотоэлементах. Одна солнечная электростанция установлена в Беловежской пуще и отапливает два дома, ещё несколько установлено в Чернобыльской зоне. Солнечные коллекторы, вырабатывающие тепло, рекомендуется устанавливать в коттеджах и загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант – система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семьи из 4—5 человек. Стоимость оборудования в пределах 900—3500 дол. США.

Кроме того, в Беларуси организовано производство гелиосистем для нагрева воды. Основой гелиосистем является плёночно-трубочный адсорбирующий коллектор. Он обладает высокой адсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращаются в полезную тепловую энергию. Пробные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках и т. д. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ёмкости. Приблизительная цена систем 400 дол. США.

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в тёплой воде в летний период на 90%, в переходный период – на 55—65%, в зимний – на 30%.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции.

2.2. Тепловые гелиоустановки

Наиболее простым способом использования солнечной энергии для бытовых и промышленных нужд является её преобразование в тепловую энергию.

Простейшим накопителем энергии в форме теплоты является ёмкость, заполненная водой. Если ёмкость не изолирована и открыта – эффективность аккумулирования теплоты наименьшая, если закрыта и установлена на теплоизолирующей площадке – эффективность будет выше.

Тепловая гелиоустановка включает в себя: приёмник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию; передающее устройство с теплоносителем; теплоаккумулятор и другие элементы. В качестве приёмника используют коллекторы различных типов и конструкций.

Плоский гелиоколлектор. В основе его функционирования лежит парниковый эффект, суть которого заключается в следующем. Солнечное излучение попадает в теплоизолированный через прозрачное для солнечного излучения покрытие и нагревает поглотитель (нагреваемое тело) с циркулирующим внутри его теплоносителем.

Нагретый поглотитель, имеющий большую площадь, должен также отдавать энергию в виде инфракрасного излучения обратно через стекло. Однако этого не происходит благодаря тому, что прозрачное для коротковолнового солнечного излучения покрытие не пропускает инфракрасное излучение с большой длиной волны, которое исходит от поглотителя. Отбор тепловой энергии обеспечивается за счёт постоянной циркуляции теплоносителя (охлаждённого на входе и нагретого с выхода). Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100˚С, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела.