Нетрадиционные источники энергии - Энергетические ресурсы солнечной радиации

Более 2000 лет тому назад римские жрецы использовали солнечную энергию для обмана доверчивых людей, демонстрируя им различные «чудеса». Одним из таких чудес было самовозгорание святого огня в храме богини Весты. На самом же деле в храме устанавливалось металлическое зеркало, а в его фокусе помещался кусочек высушенного дерева, который воспламенялся под действием собранных в фокусе солнечных лучей.
Известна также легенда об Архимеде, который в 214 г. до нашей эры зажег с помощью линзы римский флот под Сиракузами. В 1747 г. ученый Бюффон зажег дерево на расстоянии 6 м.
Использовать солнечную энергию в практических целях мечтали с давних пор. В 1837 г. астроном Гершель сконструировал «солнечный ящик», внутренность которого покрыл черной краской, а сверху прикрыл двумя стеклянными пластинками. Когда лучи солнца попадали в ящик, температура в нем повышалась до 115 °C. В 1874 г. физик Стретт (Реллей) построил «солнечный котел», вода в котором нагревалась с помощью металлического рефлектора конической формы. Положение котла изменялось в зависимости от положения Солнца на небосводе.
В настоящее время «солнечные машины» разнообразной конструкции работают во многих странах.
В нашей стране в Ташкенте построены баня, водоподъемник, опреснитель, которые работают исключительно за счет энергии Солнца. В Крыму развернулось строительство крупной солнечной электростанции (СЭС-5) с планируемой мощностью 5 тыс. кВт. По расчетам ученых, можно создать солнечную электростанцию мощностью до полумиллиона киловатт.
Три тысячи гостей принимает одновременно новый туристический комплекс «Словенска пляжа» на Черноморском побережье Адриатики в Югославии. Однако немногие из них знают, что расположившаяся рядом крытая стоянка для автолюбителей служит одновременно котельной. 1734 солнечные панели, смонтированные на кровле, ежедневно подогревают до 55° шестьсот тонн воды, которая используется для обслуживания комплекса. За два года эксплуатации установка сэкономила топлива на 70 млн. динаров. В Югославии энергию Солнца все чаще используют для хозяйственных нужд — отапливаются, снабжаются подогретой водой жилые дома, гостиницы, прежде всего в южных, приморских районах, где много безоблачных дней. Крупнейшие предприятия Сербии, Словении, Македонии включились в производство необходимого для этих целей оборудования. Испытываются разные типы установок. В Титограде, столице Черногории, началось строительство завода по выпуску специальных солнечных батарей.
Используют энергию Солнца и с помощью так называемых «солнечных прудов». Для этого воду в прудах (площадью один квадратный километр, глубиной один метр) разделяют на слои воды за счет внесения в них разного количества соли на различных уровнях. Это препятствует перемешиванию слоев воды, нагретых Солнцем, и уменьшает затраты тепла на испарение. Как показали эксперименты, на дне пруда температура воды может достигать 90оС. Энергию этой горячей воды легко использовать для практических целей. Простые вычисления показывают, что из одного такого пруда в солнечном районе можно получить за год около 30 млн. кВт дешевой энергии.
Сколько же такого дешевого тепла можно было бы дополнительно получить, если учесть, что за сутки на поверхность Земли от Солнца поступает больше тепла, чем человечество добывает путем сжигания топлива за 1000 лет!

Радиационный климат и наши гелиотехнические возможности

Под гелиотехническими возможностями подразумевается не только количественная характеристика потоков лучистой энергии, но и возможность их использования для работы гелиотехнических аппаратов. В этом смысле очень важна такая характеристика, как непрерывная продолжительность времени, в течение которого напряжение радиации остается достаточным для экономичной работы гелиоустановки.

Северная Степь

1. Средняя продолжительность солнечного сияния по месяцам, ч

Основными для гелиоэнергетики элементами радиационного режима являются суммарная радиация (Q) и ее составляющая — прямая (S) и рассеянная радиация (D).
Основными факторами, определяющими энергетические ресурсы суммарной радиации, являются астрономические — высота Солнца над горизонтом и продолжительность дня; метеорологические — облачность, помутнение атмосферы, отраженная от подстилающей поверхности радиация (альбедо).
Одной из важнейших характеристик радиационного режима в гелиоэнергетике является продолжительность солнечного сияния (ПСС), которая может служить косвенной характеристикой облачных условий. Между ПСС и элементами радиационного режима существует тесная связь.
В табл. 1 представлен годовой ход ПСС в различных пунктах Украины. Минимальные величины ПСС во всех пунктах наблюдаются в декабре, что вызвано наименьшей продолжительностью дня в этом месяце и наибольшей пасмурностью неба. В Полесье ПСС за декабрь составляет 30—40 ч, в Лесостепи увеличивается до 40— 50 ч. В Степи происходит дальнейший рост ПСС до 60 ч в месяц, и максимальные ее величины наблюдаются в Крыму (Симферополь — 78 ч в месяц). В северной и центральной частях республики это составляет всего 10—15 % возможной ПСС, а в Причерноморье и Крыму около 20 %. Распределение суммарной радиации (в мгДж/м²) по сезонам показано на рис. 1—4. На них пунктиром обозначены величины радиации при ясном небе, а сплошными линиями — при средних условиях облачности.
В январе ПСС несколько возрастает, а в феврале она уже примерно в два раза больше (чем в декабре) для Полесья и Лесостепи (65—70 ч в месяц) и почти в 2,5—3 раза для Степи и Крыма.
Начиная с марта с увеличением дня и уменьшением облачности ПСС интенсивно растет, достигая в июле наибольших значений.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

В среднем за год ПСС наибольших значений достигает на побережьях морей и составляет 2300—2400 ч (исключая Геническ — 1990 ч), наименьшие годовые величины ПСС наблюдаются в западных районах Полесья и Лесостепи (1800—1900 ч).
Очень важным фактором для работы гелиоустановок являются продолжительность облучения солнечной радиацией и тепловая инерция гелиоустановки (время разогрева установки до рабочей температуры). Например, время разогревания до рабочей температуры для солнечной кухни, солнечных водонагревателей, солнечных опреснителей соответственно составляет: 15—20 мин, около 1,5 ч и около 2 ч.
В Карпатах продолжительность солнечного сияния (инсоляции) летом в 1,5—3 раза больше, чем зимой, при этом в горных районах с увеличением высоты местности она уменьшается. С декабря по февраль длительность инсоляции по абсолютному значению наименьшая за год, однако продолжительность солнечного сияния на возвышенных местах в среднегорной части в 1,5 раза больше, чем в предгорных, расположенных ниже местностях.
Решающее влияние на выявленные особенности в режиме облачности и соответственно солнечного сияния оказывают орография и условия атмосферной циркуляции в масштабе континента.
Влияние Карпатских гор на особенности радиационного режима проявляется в том, что зоны равных Q, эффективного излучения и радиационного баланса (разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением земной поверхности) размещаются параллельно горному хребту, отклоняясь от широтного направления на равнине. Здесь же, в горных районах и на северо-восточных склонах Карпат, отмечаются минимальные для УССР годовые значения суммарной и поглощенной радиаций, эффективного излучения и относительного минимума радиационного баланса.
Известно, что величина Q с увеличением высоты местности до 200 м практически не растет, так как рост прямой солнечной радиации компенсируется уменьшением рассеянной. При подъеме до 1000 м рост Q зависит от положения слоя (верхней границы) дымки. Если последняя расположена выше 1000 м, то Q в этом слое повышается на 1—2 %, при высоте дымки ниже этого уровня Q увеличивается на 8—10 %.
На суммарную радиацию в холодное полугодие существенно влияет альбедо (отношение количества лучистой энергии солнца, отраженной от поверхности какого- либо тела, к количеству энергии, падающей на эту поверхность) подстилающей поверхности, изменяющееся в зависимости от устойчивости снежного покрова. Если снежный покров лежит весь месяц, суммарная радиация вырастает на 27 % (по сравнению с условиями бесснежной зимы и одинаковой облачности); если снег лежит 20 дней, она увеличивается на 9 %, а если 15 дней — на 5 %.
Таким образом, горный характер рельефа и особенности крупномасштабной атмосферной циркуляции определяют фактический радиационный режим рассматриваемой территории, создавая на относительно небольшой площади заметные различия в распределении радиационного баланса и его составляющих и оказывая влияние на радиационный режим прилегающих территорий.
В целом же радиационный режим территории Украины, особенно ее южных районов, благоприятен для практического использования солнечной энергии.

Солнечный дом

В последнее десятилетие опять возрос интерес к использованию солнечной энергии для отопления жилых и общественных зданий. Во многих странах построены сотни опытных зданий различного назначения с солнечным отоплением. Серийно выпускаются комплекты бытовых гелиосистем, предназначенных для обогрева жилищ и иных хозяйственных нужд.
В нашей стране, в соответствии с долгосрочной Энергетической программой, предусматривается всемерное использование возобновляющихся источников энергии и прежде всего солнечной. Климатические условия наших южных республик позволяют применять гелиотеплоснабжение в районах, расположенных южнее 50° с. ш. Здесь успешно эксплуатируется немалое число гелиоустановок. Но большая часть территории СССР расположена севернее 50° с. ш., а солнечная радиация здесь не столь интенсивна. Достаточно ли ее для отопления жилых домов?
Вот цифры, иллюстрирующие возможность использования солнечной энергии в районах Нечерноземья: среднее значение суммарной солнечной радиации, поступающей за сутки на 20 м² горизонтальной поверхности, составляет 200—240 Дж. Это соответствует затратам энергии на отопление дома с полезной площадью 60 м².
Значительный опыт использования солнечной энергии в умеренных широтах накоплен в Скандинавских странах. Разработаны проекты для Аляски и Севера Канады. Природно-климатические условия этих регионов вполне сопоставимы с условиями средней полосы СССР.
В Московском архитектурном институте в течение ряда лет ведутся разработки установок для применения энергии Солнца при отоплении зданий. В 1982 г. осуществлен эксперимент, в котором рассматривалась возможность использования гелиосистемы в небольшом сезоннообитаемом жилом доме (рис. 5).
Анализ отечественного и зарубежного опыта проектирования «солнечных» домов показал, что для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в жилое помещение. Удобство применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидно: нет опасности, что система в зимнее время замерзнет, нет нужды в трубах и кранах. Отсюда простота и дешевизна, возможность изготовления гелиосистемы своими силами. Проигрыш — невысокая теплоемкость воздуха.
Неравномерность притока солнечной радиации в течение суток, желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктуют необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной углубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью маломощного оконного вентилятора. Для небольшого дома, показанного на рисунке, объем засыпки составляет от 3 до 6 м³.
Система солнечного теплоснабжения дома работает в трех режимах: отопление от коллектора, аккумулирование тепловой энергии и отопление от аккумулятора. В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух: поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещение. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и при пасмурной погоде воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты уже подогретым.  Бак горячей воды, расположенный в застекленном теплоизолированном отсеке теплицы над душевой, нагревается непосредственно солнечными лучами. Понятно, что такая гелиосистема лишь частично обеспечивает потребность в отоплении. Расчеты показывают, что сезонная экономия топлива за счет комплексного использования солнечной энергии может достигать 50%.