Краткие теоретические сведения об энергетическом потенциале солнечной радиации и физические основы её использования

В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Эти источники энергии рассматриваются как существенное дополнение к традиционным. Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна.

В нашей стране потребляется около значительная часть всего мирового производства первичных энергоресурсов, однако себестоимость органического топлива растет быстрыми темпами, обостряются экологические проблемы., связанные с загрязнением окружающей среды топливоиспользующими установками, особенно при увеличении в I масштабов потребления низкосортного твердого топлива. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов и в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

Имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для индивидуальных потребителей, особенно в сельской местности. Расширение масштабов применения солнечных установок не только даст значительную экономию энергоресурсов, но я позволит смягчить экологическую ситуацию.

Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. На Землю попадает незначительная доля излучаемой Солнцем энергии, причем 95% её – это коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм.

Плотность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м и называется солнечной постоянной, а среднее количество энергии, поступающей за 1 час на 1 м этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч/м).

Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5% всей падающей на Землю солнечной энергии, т.е. 1,62^.10¹⁶ кВт/ч в год (что эквивалентно 1^.10¹² т условного топлива), при этом мощность потока энергии составляет 1,85^.10¹² кВт.

Пиковая плотность потока солнечной энергии в южных районах Украины достигает 1 Втм², а годовое число часов солнечного сияния равно 2005-2080. Этот район относится к районам, которые имеют наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, используется для получения горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п.

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, её преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя.

Наиболее простым по конструкции и распространенным типом является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принципе "горячего ящика", который служит своеобразной ловушкой для солнечных лучей, поступающих в него через прозрачные поверхности остекления на абсорбер, представляющий собой совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя, образующих единый конструктивный элемент. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера должна быть окрашена в черный цвет или должна иметь специальное поглощающее покрытие. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе, не превышает 100°С и зависит как от климатических данных, так и от характеристик коллектора и условий его эксплуатации.

Рис. 1. Конструктивные элементы плоского коллектора солнечной энергии: 1 - остекление; 2 – лучепоглощающая поверхность с трубками для нагреваемой жидкости; 3 - корпус; 4 - теплоизоляция.

К числу принципиальных преимуществ плоского коллектора по сравнениями с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого – возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

Рис. 2. Общий вид плоского коллектора солнечной энергии:

1 - корпус; 2 - теплоизоляция; 3 - лучепоглощающая поверхность; 4 - двухслойное остекление; 5 патрубок.для подвода теплоносителя (патрубок для отвода нагретого теплоносителя не показан).

В последние годы разработаны конструкции КСЭ с использованием тепловых труб. Тепловая труба представляет собой вакуумированное герметичное устройство в виде трубы или плоского канала с продольными канавками или капиллярно-пористым телом - фитилем на внутренней поверхности канала, частично заполненного рабочей жидкостью. При подводе теплоты жидкость в одной части тепловой трубы - в испарительной зоне - испаряется и образующиеся пары переносятся в зону отвода тепла (в зону конденсации), где они конденсируются, и по капиллярной структуре жидкость возвращается в зону испарения.

Возможен широкий выбор рабочих жидкостей, в частности могут использоваться дистиллированная вода, ацетон и хладагенты при низких температурах.

В тепловой трубе без фитиля, называемой термосифоном, возврат конденсата в зону испарения происходит под воздействием силы тяжести, поэтом тепловая труба этого типа может работать лишь при условии расположения зоны конденсации выше зоны испарения. Дм КСЭ с тепловой трубой характерны: высокая плотность потока передаваемой теплоты и большая компактность устройства, передача теплоты в одном направлении - из зоны испарения в зону конденсации, отсутствие расхода энергии и специального устройства на перенос среды, передача теплоты при малой разности температур, саморегулируемость. Выбрав должным образом заполнитель, можно полностью исключить проблемы, связанные с коррозией и замерзанием системы. На рис. 2 показан пример конструктивного выполнения КСЭ 25 кг на 1 м² площади поверхности.

Рис. 3. Конструкция солнечного коллектора с плоской тепловой трубой: 1 остекление; 2 тепловая труба (испарительная зона); 3 -конденсационная зона; 4 - труба для отвода теплоты; 5 - теплоизоляция; б - корпус.

Одной из перспективных направлений использования солнечных установок является создание и эксплуатация в водоподъемниках артезианской воды, особенно для капельною полива садово-огородных сельскохозяйственных культур как на фермерских хозяйствах, так и в быту. Преимущество таких преобразователей тепловой энергии в механическую заключается в том, что здесь поднимаемая холодная артезианская вода может являться единовременно и охладителем рабочего тела солнечного преобразователя, что является необходимым условием для функционирования тепловых двигателей. Имеющий место небольшой к.п.д таких установок, если хорошо вникнуть в суть проблемы, не является препятствием для создания таких систем. поскольку экономический эффект включает в себя повышение урожайности сельскохозяйственных культур, использованию неорошаемых земель, солнечная энергия является даровой, восполняемой энергией, а использование водоподнимающих поливных установок приходится по сроку в период наибольшей солнечной активности по отдачи энергии.

Вопрос создания таких установок является актуальным и для Херсонской области, особенно для её левобережья, отличающегося неглубоким залеганием грунтовых вод и богатыми земельными ресурсами для выращивания специфических культур, которыми славится Херсонщина, такими как арбузы, виноград, баклажаны и т.д.

Дата добавления: 2015-07-19