Общие сведения. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается через космическое пространство на поверхности Земли

Электромагнитным излучением солнечная энергия передается через космическое пространство на поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1, 2х10¹⁷ Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю составляет примерно 1кВт/м². Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м² в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека, или примерно 170 МДж энергии в день.

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 освещенность) – 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, заключенного 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 черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптическим свойствам к черному телу является сажа.

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

Поверхность	Альбедо
Водная поверхность	0, 03-0, 04
Поверхность суши	0, 15-0, 30
Снежный покров	0, 5-0, 6
Поверхность Земли (среднее значение)	0, 34

Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели). Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, то есть в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела.

Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

Использование солнечной энергии в республике в настоящее время рассматривается по двум направлениям:

гелиотепловое;

гелиоэлектрическое.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогревательных установок, разработанных белорусскими учеными. Найденные ими технические решения делают их производство более технологичным и многократно снижают их вес. К 2010 году планируется их применение, обеспечивающее эквивалентную экономию 50 тыс. т. условного топлива в год.

Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. С учетом также их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100 ⁰С.

На рис.9.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения.

Рис. 9.1. Последовательность приемников солнечного излучения в порядке возрастания их эффективности и стоимости

Простые приемники (рис.9.1, а-д) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть.

Приемники более сложной конструкции (рис.9.2, е-и) нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре, что позволяет снижать теплопотери системы в целом.

Остановимся кратко на характеристиках каждой из этих конструкций.

Рис.9.1 а) – открытый резервуар на поверхности земли (например, бассейн) - простейший возможный нагреватель воды. Повышение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоотдачей к земле и воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды.

Рис.9.1 б) – открытый резервуар, теплоизолированный от земли. Повышение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоотдачей к воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды.

Рис.9.1 в) – черный резервуар. Жидкость заключена в емкости с черной матовой поверхностью, обычно располагаемой на крыше здания. Потери тепла на испарение отсутствуют, коэффициент поглощения черной поверхности близок к единице. Нагреватели этого типа достаточно недороги, просты в изготовлении и позволяют нагревать воду до температуры около 45 ⁰С. Очень широкое распространение получили в Японии, Израиле. Параметры нагревателя ограничены тепловыми потерями с поверхности, особенно их увеличением в ветреную погоду.

Рис.9.1 г) – черный резервуар с теплоизолированным дном. Потери тепла в предыдущей конструкции можно уменьшить почти в два раза, если теплоизолировать дно приемника. Для достижения этого достаточно всего нескольких сантиметров изолирующего слоя, в качестве которого можно использовать практически любой пористый материал с размером пор до 10.2 мм.

Рис.9.1 д) – закрытые черные нагреватели. Для исключения теплоотдачи от приемника в воздух, особенно в ветреную погоду, емкость нагревателя помещается в контейнер с прозрачной для солнечного излучения крышкой. Лучшим материалом для крышек является стекло. Используются также специальные покрытия из пластика, имеющие подобные стеклу оптические свойства, но менее хрупкие.

Рис.9.1 е) – металлические проточные нагреватели. В такой системе вода протекает по параллельным трубкам, закрепленным на зачерненной металлической пластине. Обычно диаметр трубок составляет около 2 см, расстояние между ними 20 см, толщина пластины 0,3 см. Пластину с трубками для защиты от ветра помещают в контейнер со стеклянной крышкой.

Характеристики проточного нагревателя могут быть улучшены за счет:

- уменьшения конвективного переноса между приемной пластиной и стеклянной крышкой, если над первой крышкой поместить еще одну дополнительную стеклянную крышку (рис.9.1, ж),

- уменьшения радиационных потерь от пластины, если ее поверхность делать не черной, а селективной, то есть сильно поглощающей, но слабо излучающей в определенной области спектра (рис.9.1, з),

- использования вакуумированных приемников, в которых заполненная жидкостью черная трубка помещается внутри наружной стеклянной трубки и в пространстве между ними создается вакуум. Вакуумирование исключает конвективный перенос тепла через наружную поверхность (рис.9.1, и).

Нагретую в проточном нагревателе жидкость можно использовать сразу или запасать. Скорость прокачки выбирают такой, чтобы температура воды повышалась примерно на 4^оС при каждом проходе через нагреватель. Прокачка нагретой жидкости может осуществляться как принудительно (насосом) (рис.9.2), так и естественной циркуляцией (естественной конвекцией) (рис.9.3). В последнем случае нагреватель должен находиться ниже накопителя нагретой воды.

Системы с принудительной циркуляцией выгодны, поскольку для их создания можно использовать существующие водонагревательные системы, вводя в них приемник солнечного излучения и насос. Кроме того, в них нет необходимости располагать накопительную емкость выше приемника. Недостатком их является зависимость от электроэнергии, потребляемой насосом.

К системам с принудительной циркуляцией относятся многоконтурные (n -контурные) системы (рис.9.4). К достоинствам данных систем можно отнести использование в первом контуре в качестве рабочего тела вещества с низкой температурой замерзания (кристаллизации), что позволяет использовать их круглогодично.

Рис.9.2. Нагревательная система c принудительной циркуляцией

Рис.9.3. Нагревательная система с естественной циркуляцией

Рис.9.4. Двухконтурная нагревательная система с принудительной циркуляцией:

1 – приемник излучения; 2 – теплоизолированный накопительный резервуар;

3 – насос; 4-теплообменник

СВП относится к наиболее простым устройствам утилизации энергии солнечного излучения (плотность излучения его, примерно, 1 кВт/м²). Затраты энергии на подогрев воды для бытовых нужд составляют в наших широтах до 20% от среднегодового потребления энергии на душу населения, подогрев воды для производственных нужд увеличивают эту долю почти вдвое.

Между тем, анализ и эксперименты показывают, что солнечное излучение, даже когда солнце за облаками, позволяет в условиях Белоруссии в период с апреля по октябрь включительно, т.е. более полугода, обеспечивать бытовые потребности в горячей воде (с температурой 50–80°С), имея солнечный водоподогреватель площадью 1,5–2,5 м² на человека.

Любая поверхность, на которую попадают солнечные лучи, нагревается. Степень этого нагрева зависит от ориентации поверхности относительно потока лучей (максимально нагревается поверхность перпендикулярная этому потоку), поглощающей способности (степени черноты), потерь тепла, которые применительно к СВП следует разделить на полезные (нагрев воды) и вредные (потери тепла в окружающую среду).

Исключительная простота конструкции и исполнения позволяет изготавливать СВП самостоятельно любому человеку, имеющему элементарные трудовые навыки, из широкого набора доступных материалов.

Для того чтобы конструкция такого СВП оказалась эффективной, необходимо оценить влияние отдельных конструктивных элементов на служебные свойства – способность нагревать воду.

Эффективный СВП должен:

быть ориентирован относительно солнца;

иметь большую поглощающую способность воспринимающей излучение поверхности;

иметь минимальное термическое сопротивление при передаче тепла к воде от воспринимающей поверхности;

совершенную теплоизоляцию от окружающей среды.

В представленном в данной лабораторной работе СВП вышеперечисленные принципы на технически целесообразном уровне реализованы следующим образом:

конструктивным наклоном воспринимающей поверхности СВП в соответствии с широтным расположением Белоруссии (~ 60°);

черными матовыми воспринимающими поверхностями (степень черноты ~0,6);

малой толщиной (~ 0,3 мм) стенок металлических каналов для воды и наличием перемещения воды в этих каналах за счет конвекции;

слоем пенопласта (~50 мм) на тыльной стороне воспринимающей поверхности, воздушным промежутком (~10 мм) и стеклом (толщиной ~ 6 мм) на лицевой стороне, деревянной рамой обрамляющей этот пакет.