Солнечная энергия

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷ К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1, 2·10¹⁷ 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. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10% и поток солнечной энергии 17 МДж/м² в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м² площади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км² на одного человека приходится 2000 м² земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5% этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

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 перпеникулярную 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.

В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей.

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.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогревательных установок, разработанных белорусскими учеными. Найденные ими удачные 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 ^оС.

На рис.15 представлены различные варианты приемников солнечного излучения.

Рис. 15. Последовательность приемников солнечного излучения в порядке возрастания их эффективности и стоимости

Простые приемники (рис.1, а-д) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть.

Приемники более сложной конструкции (рис.15, 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.15,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.15,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.15,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 ^оС. Очень широкое распространение получили в Японии, Израиле. Параметры нагревателя ограничены тепловыми потерями с поверхности, особенно их увеличением в ветреную погоду.

Рис.15, 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 1 мм.

Рис.15, 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.15, 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.15, 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.15, 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.

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.16), так и естественной циркуляцией (естественной конвекцией) (рис.17). 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.

Рис16. Нагревательная система принудительной циркуляцией

1- приемник излучения; 2- регулятор; 3- изолированный накопительный резервуар; 4- насос

Рис17. Нагревательная система с естественной циркуляцией

1- приемник излучения; 3- изолированный накопительный резервуар

Подогреватели воздуха

Солнечное излучение можно использовать для подогрева воздуха, просушивания зерна, обогрева зданий. Эти приложения имеют важное значение для экономики. Значительная часть урожая зерна в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить правильным просушиванием. На обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов. Частичная разгрузка энергетики, связанная с проектированием или перестройкой зданий для использования солнечного тепла, позволит сэкономить значительные количества топлива, затрачиваемого ежегодно на эти цели.

Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому нагреватели такого типа чаще всего изготавливают с шероховатыми (для турбулизации потока) и имеющими большую площадь приемными поверхностями (для увеличения поверхности теплообмена).

На рис.18 изображены два типа воздушных нагревателей, во втором из которых используются пористые или сетчатые приемники излучения для увеличения контактной поверхности теплообмена.

Рис. 18. Воздушные нагреватели:

1 - стеклянное покрытие; 2 - шероховатая черная поглощающая поверхность; 3 - пористая поглощающая пластина; 4 - изоляция

Концентраторы солнечной энергии (солнечные коллекторы)

Многие возможные приложения требуют более высоких температур, чем те, которые можно получить даже с помощью лучших плоских нагревателей. Для решения этих задач используются концентрирующие коллекторы, принцип действия которых изображен на рис. 5.

Рис. 19. Параболический концентратор: 1 - зеркало; 2 – приемник

Концентрирующий коллектор включает в себя приемник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой-либо другой вид энергии, и концентратор, который представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Обычно концентратору обеспечивается постоянное вращение, обеспечивающее его ориентацию на Солнце. Чаще всего концентратор представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения.

В качестве концентраторов солнечной энергии могут также использоваться оптические линзы. В отличие от зеркал, концентрирующих отраженное излучение, линзы концентрируют проходящее через них излучение.

Солнечные системы для получения электроэнергии (солнечные электростанции)

Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры до 700 ^оС, достаточно большие для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Например, параболический концентратор с диаметром зеркала 30 м позволяет сконцентрировать мощность излучения порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии. Коллектор передает солнечную энергию теплоносителю, который в этом случае может представлять собой водяной пар высокой температуры и который направляется в паровую турбину для выработки электроэнергии.

Для создания солнечных электростанций большой (порядка 10 МВт) мощности могут существовать два варианта: рассредоточенные коллекторы и системы с центральной солнечной башней.

Солнечная электростанция с рассредоточенными коллекторами изображена на рис.6 и состоит из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за Солнцем. Каждый коллектор передает солнечную энергию жидкости – теплоносителю, горячая жидкость (пар) от всех коллекторов собирается в центральной энергостанции и поступает на турбину электрогенератора.

Рис. 20. Солнечная электростанция с рассредоточенными коллекторами:

1 - коллекторы; 2 - трубопроводы; 3 - солнечное излучение

Солнечная электростанция с центральной башней состоит из расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник, помещенный на вершине башни.

Аккумуляторы тепловой энергии

Солнечные пруды. В случаях, требующих нагрева больших объемов жидкости до температур ниже 100 ^оС, применение стандартных нагревателей, описанных выше, оказывается слишком дорогостоящим. Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода. Достаточно большой водоем может быть вырыт просто в земле.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды различной степени солености, причем наиболее соленый слой толщиной примерно 0,5 м располагается на дне (рис.21).

Рис.21. Солнечный пруд. (Конвекция подавлена и придонные слои жидкости сохраняют тепло, полученное от Солнца)

Солнечное излучение поглощается дном водоема и придонный слой воды нагревается. В обычных однородных водоемах нагретая вода, более легкая, чем окружающая ее, поднимается вверх и в процессе свободной конвекции передает тепло воздуху над водоемом. В неоднородном водоеме придонный слой воды обычно берется более соленым, чем слой над ним, так, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все же остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция не возникает и придонный слой нагревается все сильнее. Существуют растворы, плотность которых повышается при нагревании. Их использование позволяет иметь стабильные солнечные пруды. В солнечных прудах достигается равновесная температура до 90 ^оС и выше. Солнечный пруд в Эйн-Бореке, Израиль, производит 150 кВт электроэнергии с площади 0,74 га при стоимости 0,1 доллар США за 1 кВт ч.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую.

(Фотоэлектрические преобразователи)

Самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электрическую энергию.

Это становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект.

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10–15 % (то есть при освещенности, равной 1 кВт/м², они вырабатывают электрическую мощность 1–1,5 Вт с каждого квадратного дециметра) при создаваемой разности потенциалов около 1В.

В 1958 году впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов.

Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работающие на солнечных батареях.

За последние годы мировая продажа солнечных модулей составила по суммарной мощности 25 МВт в 1986 году и около 60 МВт – в 1991 году.

Полная стоимость солнечных элементов с 1974 по 1984 год упала примерно со 100 до 4 долларов США за 1 Вт максимальной мощности. Предполагается снижение этой величины до 0,8 долларов США. Однако даже при полной стоимости солнечных элементов 4 доллара США на 1Вт плюс вспомогательной аппаратуры 2 доллара США на 1 Вт при облученности местности 20 МДж/м² в день и долговечности солнечных батарей 20 лет стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составляет примерно 16 центов США за 1кВт ч (4,4 цента за МДж). Это вполне конкурентоспособно с электроэнергией, вырабатываемой дизель-генераторами, особенно в отдаленных районах, где стоимость доставки топлива и обслуживания резко возрастает. Ожидается, что в ближайшие несколько лет солнечные батареи будут широко использоваться развивающимися странами в сельских местностях в осветительных системах и системах водоснабжения.

Основные компоненты солнечной энергетической установки изображены на рис.24 и включают в себя: Б – солнечную батарею с приборами контроля и управления, А – аккумуляторную батарею, И – инвертор для преобразования постоянного тока солнечной батареи в переменный ток промышленных параметров, потребляемый большинством электрических устройств.

Рис. 24. Основные компоненты солнечной энергетической установки

Несмотря на неравномерность суточного потока солнечного излучения и его отсутствие в ночное время, аккумуляторная батарея, накапливая вырабатываемое солнечной батареей электричество, позволяет обеспечить непрерывную работу солнечной энергетической установки.