С давних времен солнечная энергия использовалась людьми для сушки сельскохозяйственных продуктов, обогрева теплиц, вентиляции жилищ в зонах жаркого сухого климата. В настоящее время некоторые способы применения солнечной энергии достигли уже высокого технологического совершенства и эффективности и широко практикуются во многих странах с различными климатическими условиями. В целом способы утилизации солнечной энергии делятся на две основные группы: прямое использование солнечной радиации и косвенное, через ее вторичные проявления, в виде энергии ветра, тепловой энергии океана, энергетических запасов биомассы растений, гидроэнергии и т. д.
Прямое использование солнечной энергии, в свою очередь, можно подразделить на тепловое, фото- и термоэлектрическое превращение солнечной радиации, т. е. получение тепловой или электрической энергии при воздействии солнечной радиации на различного рода специальные устройства, известные под названием гелиоприемников или коллекторов.
Солнечные тепловые системы бывают пассивными и активными. Пассивные системы — это, как правило, неподвижные устройства, ориентированные под определенным углом к горизонту на юг. Ими могут быть стены или крыши домов, сельскохозяйственных помещений. Специальным образом окрашенные и остекленные, они позволяют получать за счет солнечной радиации низкотемпературное тепло, используемое для обогрева и вентиляции помещений, для подогрева воды.
Большими возможностями обладают активные тепловые солнечные системы, которые обеспечивают получение низко- и высокотемпературного тепла. В них применяются коллекторы для сбора солнечной радиации и подогрева до определенной температуры различных теплоносителей, прокачиваемых через эти устройства с помощью насосов или других устройств. Во многих случаях такие солнечные установки снабжаются особыми приспособлениями, позволяющими коллекторам «следить» за положением солнца, а следовательно, находиться в течение всего дня под постоянным воздействием солнечной радиации. Эти системы называются «следящими». На них достигаются температуры от 100° С до нескольких тысяч. Активные тепловые солнечные системы находят более широкое применение, чем пассивные. Они используются для обогрева и вентиляции различного рода помещений, включая жилые, для приготовления пищи, нагрева воды для бытовых и производственных нужд, для очистки и опреснения воды, для сушки сельскохозяйственных продуктов и древесины, для производства электричества и механической энергии. Безусловно, не все установки такого класса способны выполнять вышеперечисленный круг «обязанностей». В большинстве случаев каждая система может осуществлять одну или две функции, например служить для обогрева помещения и нагрева воды. Практически все типы солнечных тепловых устройств стационарны.
Фото- и термоэлектрическое превращение солнечной энергии относится по своей физической природе к категории устройств, осуществляющих прямую трансформацию солнечной радиации в электричество без промежуточных стадий. Данные системы, в свою очередь, подразделяются на наземные и космические. Наземные системы могут также снабжаться «следящими» устройствами, значительно повышающими эффективность фото- и термоэлектрических устройств. Солнечные фотоэлектрические преобразователи — главные источники энергии на космических аппаратах. Некоторые специалисты предсказывают в будущем создание крупных космических фотоэлектрических станций, с которых передача энергии на Землю будет осуществляться при помощи коротковолнового электромагнитного излучения.
Пассивные солнечные системы применяются в течение многих лет. Остекленные теплицы и террасы домов, как правило обращенные на юг, являются простейшим способом улавливания и использования лучистой энергии Солнца и классическим примером таких систем. Они и в настоящее время наиболее распространены. На них базируется такое важное направление в энергетике и строительстве, как «солнечная архитектура».
В основе работы пассивных устройств лежит принцип сбора солнечной энергии на зачерненных поверхностях, их разогрев и последующая передача тепла за счет теплопроводности и свободной конвекции обогреваемому пространству или теплоносителю.
Рис. 2. Пассивные солнечные системы
Самая простейшая из таких систем — ориентированное па юг окно (рис. 2, а). Солнечные лучи, проникающие через окно, разогревают воздух, находящийся в помещении, а также стены. Практически эта система не нуждается в каких-либо сложных инженерных устройствах. Окно должно быть лишь правильно ориентировано и соблюдены его размеры. Опыт, накопленный при использовании данного метода обогрева помещений, показывает, что при выполнении этих условий, по существу, без дополнительных затрат можно добиться повышения температуры воздуха в помещении па 10° л весенне-осенний период и на 5—8° в зимнее время.
Более сложной представляется система (рис. 2, б) с аккумулирующей зачерненной стеной, которая разогревается за счет поглощения солнечных лучей, а затем передает тепло обогреваемому помещению. Чтобы сократить потери тепла, стену обычно остекляют (получается изолятор вместе с воздушной прослойкой). Данная схема имеет существенное преимущество перед предыдущей, так как обладает простейшим аккумулятором, который может отдавать тепло окружающему пространству после захода солнца.
Практически аналогично строение системы, изображенной на рис. 2, в. Только здесь увеличено остекление, что позволяет расширить продолжительность воздействия солнечного излучения на аккумулирующую стену. Эта схема нашла широкое применение в солнечных теплицах.
Несколько отличается от предыдущих схема с так называемой аккумулирующей крышей. Она применяется как для обогрева помещений, так и для их охлаждения (рис. 2, г).
Обычно такие крыши снабжаются жалюзи и закрытыми резервуарами (баллонами) с водой, которые выполняют роль тепловых аккумуляторов. В прохладное время года днем жалюзи крыши остаются открытыми и за счет солнечной радиации баллоны с водой нагреваются. Ночью тепло от баллонов передается помещению, жалюзи закрываются.
В жаркие же периоды ночью крыша раздвигается и водяные резервуары охлаждаются за счет излучения в ночное небо. Днем жалюзи крыши задвигаются, начинается отбор тепла из помещения охлажденной за ночь водой. Применение такой схемы особенно перспективно в районах с жарким и сухим климатом.
Описанные выше схемы являются основными для «солнечной архитектуры». С учетом сезонности и зависимости интенсивности солнечного излучения от климатических условий здания, использующие солнечные установки, обычно снабжаются традиционными отопительными системами, которые включаются в периоды, когда интенсивность солнечной радиации недостаточна, или ночью. В настоящее время находят применение «солнечные дома» с тепловыми аккумуляторами.
Роль «солнечной архитектуры» особенно возросла в последние годы, когда стоимость эксплуатации обычных отопительных систем, использующих электричество, газ, нефтяные продукты или даже уголь и дрова, увеличилась в несколько раз. Опыт показывает, что пассивные солнечные системы позволяют обеспечить от 30 до 60% тепла, требуемого для обогрева помещений. Вместе с тем необходимо отметить, что эффективность данных систем в большой степени зависит от качества проектирования, методов строительства и теплофизических качеств строительных материалов, а также от наличия и качества аккумулирующих элементов.
В «солнечной архитектуре» часто встречаются более сложные по своему устройству солнечные коллекторы, которые для сбора солнечного тепла используют различные теплоносители. Такого типа системы относятся к классу тепловых стационарных устройств. Коллекторы являются основным элементом активных тепловых солнечных систем. Плоские коллекторы, имеющие в своем составе трубчатые или плоские теплообменники, в которых теплоноситель нагревается за счет поглощения зачерненными поверхностями теплообменника тепловой солнечной энергии, получили широкое распространение. Принципиальная схема плоского коллектора дана на рис. 3. Обычно коллекторы делают неподвижными, ориентируя их на юг, и наклоняют под некоторым углом к горизонту. В ряде случаев коллекторы оснащают простейшими приспособлениями для изменения угла наклона в зависимости от времени года.
Эффективность системы зависит и от качества ее зачернения. В настоящее время существуют специальные покрытия, эффективно поглощающие солнечное излучение и позволяющие подогревать теплоноситель до 100° С. Благодаря вакуумной изоляции в подобных системах достигается температура выше 150° С.
К основным элементам солнечных коллекторов относится стеклянная изоляция. Опа значительно уменьшает тепловые потери, которые обычно возникают у нагретых поверхностей за счет свободной конвекции, теплопроводности воздуха и излучения в инфракрасном диапазоне. Но пожалуй, самый важный компонент системы — теплоноситель. Различают коллекторы с естественной и принудительной (с помощью насосов) его циркуляцией. В настоящее время широкое применение находят солнечные установки не только с водой, но и с воздухом, а также с пизкокипящими жидкостями типа аммония (ΝΗ3). Исследования и практика показывают достаточно высокую их эффективность.
Рис. 3. Плоский солнечный коллектор
Наиболее распространенными системами данного типа являются водяные коллекторы, которые успешно используются в районах с жарким климатом для нагрева воды до 40—80° С. Вода с такой температурой может употребляться в санитарных целях, для обогрева помещений, а также после дополнительного подогрева для приготовления пищи. Например, коллектор площадью 1,5 м2 способен нагреть за 5—6 ч около 100 л воды до 70° С, т. е. один такой коллектор может обеспечить небольшую семью горячей водой в течение одного дня.
Водяные солнечные коллекторы устанавливаются в гостиницах, пансионатах, домах отдыха, детских учреждениях и в спортивных комплексах. В нашей стране они начали применяться в республиках Средней Азии, на Кавказе, в Крыму. Одной из первых была оборудована водонагревательной солнечной системой гостиница «Спортивная» в Симферополе. Рядом с гостиницей установлено па специальной форме 320 солнечных коллекторов общей площадью 200 м2 (рис. 4). Они снабжены водяным баком объемом 25 м3, который осуществляет функции аккумулятора. Система весьма эффективна. В неотопительный период эта установка дает экономию до 20 тыс. м3 природного газа, она обеспечивает 70% потребностей в горячей воде в летнее время и до 25% — за весь год.
В гостинице «Акация» па курорте «Золотые пески» в Болгарии прямо на крыше установлено 120 коллекторов площадью по 1,5 м2. Опи позволяют нагревать в течение дня 12 м3 воды до температуры 55—60° С. На другом болгарском курорте — «Албена» на крыше ресторана «Орхидея» размещено 100 водяных коллекторов. Они нагревают более 10 т воды в день до температуры 70° С. Часть воды дополнительно подогревается при помощи обычных нагревателей до 100° С и используется для приготовления пищи. Эти установки снабжены также хорошо изолированными резервуарами для сохранения горячей воды в течение 2—3 сут.
Экономичность и целесообразность применения водяных систем очевидны и доказаны практикой, и думается, что они найдут в ближайшее время самое широкое применение в различных районах нашей страны.
Рис. 4. Коллекторы водонагревательной солнечной системы гостиницы «Спортивная», город Симферополь
Использование воздуха в качестве теплоносителя вместо жидкости в солнечных коллекторах дает возможность широко применять данные системы в сушильных установках. С учетом необходимости беспрерывной работы сушильных установок, особенно в период уборки урожая, они должны быть обеспечены аккумулирующими теплоустройствами. В основном применяются аккумуляторы, работающие по принципу «каменной подушки» (рис. 5). Горячий воздух, проходя через несколько слоев камней с большой теплоемкостью, разогревает их. Это, в свою очередь, позволяет использовать накопленное тепло, прогоняя через данную «каменную подушку» холодный воздух. Продолжительность эксплуатации аккумулятора данного типа зависит от его размера и теплофизических свойств «каменной подушки». Обычно благодаря подобным системам накопленное тепло сохраняется в течение нескольких суток.
Плоские солнечные коллекторы применяются и отопительных системах помещений. Наиболее распространены схемы пассивная и «солнечный дом» с так называемой активной системой. Пассивная схема работает по принципу термосифонного эффекта, когда разогретая в коллекторе жидкость, обладая меньшей плотностью, движется вверх и поступает в обогреваемое помещение. Поскольку система действует в замкнутом цикле, подогретая жидкость постоянно вытесняется более холодной, и это будет продолжаться до тех пор, пока коллектор облучается солнцем.
Рис. 5. Солнечная сушильная установка с тепловым аккумулятором
1 — вход холодного воздуха; 2 — солнечный коллектор; 3 — вентилятор или компрессор; 4 — аккумулятор («каменная подушка»); 5 — вентилятор; 6 — контейнер для сушки продуктов; 7 — выход воздуха
В схеме «солнечный дом» вода нагревается в плоских коллекторах и поступает в резервуар, окруженный «каменной подушкой». Горячая вода отдает свое тепло «каменной подушке». Через нее пропускается холодный воздух, который, нагреваясь, подается в обогреваемое помещение. Как правило, и водяная и воздушная системы действуют по замкнутому циклу. «Каменная подушка» в данном случае используется как аккумулятор. Необходимо также отметить, что все солнечные отопительные системы применяются в комбинации с традиционными.
В настоящее время в СССР построено несколько десятков опытных индивидуальных жилых домов с различными системами солнечного снабжения. Расширяется опытное строительство и «солнечных домов». В 1981 г. в районе Еревана был построен такой дом. За четыре года его эксплуатации ежегодно экономилось до 2,8 тут, в среднем за счет солнечной энергии было получено 52% тепла (рис. 6).
Рис. 6. «Солнечный дом», пригород Еревана
Как уже упоминалось выше, водонагревательные, отопительные и сушильные солнечные системы нуждаются в аккумуляторах. Простейшими из них являются водяные резервуары, а также «каменные подушки». Вода и камень аккумулируют энергию за счет своей теплоемкости. Сравнительно низкая теплоемкость этих материалов не позволяет сделать аккумуляторы компактными, что и ограничивает их применение. Вместе с тем благодаря дешевизне и достаточной простоте водяные и каменные аккумуляторы весьма перспективны в солнечной энергетике.
Аккумуляция тепла при фазовых переходах, например поглощение его при плавлении материалов, дает возможность создать более компактные и эффективные устройства для накопления и хранения тепла. В качестве недорогих материалов могут быть использованы гидраты солей. Применение такого рода аккумулирующих агентов обеспечивает сокращение размеров самого аккумулятора более чем в 5—10 раз по сравнению с водяными и каменными.
Солнечные дистилляторы
Производство питьевой воды — большая проблема. Во многих районах земного шара применение в этих целях солнечной энергии особенно перспективно.
Простейшей дистилляционной, пли опреснительной, системой является резервуар с водой, имеющий наклонную стеклянную крышу (рис. 7).
Рис. 7. Солнечный дистиллятор
1 — вода; 2 — выход очищенной воды; 3 — вход очищаемой воды; 4 — выпуск воды с повышенным содержанием соли или примесей; 5 — пар; 6 — пленка конденсата; 7 — стеклянная крыша; 8 — тепловая изоляция
Резервуар выполнен в виде теплоизолированного и зачерненного изнутри сосуда, дно которого заливается соленой водой или водой, требующей очистки. Солнечные лучи, проходя через стеклянную поверхность, поглощаются зачерненными стенками. В результате происходит нагрев воды и ее испарение. Водяные пары конденсируются на прозрачной крыше резервуара, имеющей температуру, близкую к температуре наружной среды, и пресная вода стекает по наклонным поверхностям в сборник. Солнечные дистилляторы обычно ориентируются на юг, а угол наклона прозрачной крыши выбирается с учетом высоты положения солнца над горизонтом и условий безотрывного стекания пленки конденсатора на наклонной поверхности в сборник. Производительность таких систем определяется в основном интенсивностью солнечного излучения, а также поглощающей способностью черного покрытия и степенью герметизации всей системы. Обычная производительность таких опреснителей составляет 3—5 л/м2-сут.
испарение. Водяные пары конденсируются на прозрачной крыше резервуара, имеющей температуру, близкую к температуре наружной среды, и пресная вода стекает по наклонным поверхностям в сборник. Солнечные дистилляторы обычно ориентируются на юг, а угол наклона прозрачной крыши выбирается с учетом высоты положения солнца над горизонтом и условий безотрывного стекания пленки конденсатора на наклонной поверхности в сборник. Производительность таких систем определяется в основном интенсивностью солнечного излучения, а также поглощающей способностью черного покрытия и степенью герметизации всей системы. Обычная производительность таких опреснителей составляет 3—5 л/м2-сут.
Солнечные дистилляторы широко применяются в районах, где особенно ощущается дефицит в пресной воде при достаточных запасах засоленных вод. Это пустыни и полупустыни, а также морские побережья. При опреснении соленой воды в таких системах имеется еще один дополнительный продукт — соль, которая может использоваться для различных целей. Солнечные дистилляторы применяют и для очистки промышленных вод, имеющих в своем составе примеси, трудно извлекаемые обычными способами.
Необходимо, однако, отметить, что, несмотря па техническую простоту данных систем, стоимость 1 л очищенной воды в настоящее время примерно в 5 раз выше стоимости 1 л воды, полученной в обычных установках по производству дистиллированной воды. Вместе с тем установка солнечных дистилляторов в отдаленных районах, в которых транспортные расходы по доставке питьевой воды достаточно высоки, экономически обоснована.
