26 Апреля 2018

Солнечная энергия - как люди научились применять ее в наши дни?

Опубликовал К.В. Кулик

         Наше Солнце является источником почти всех, используемых сегодня, видов энергии. Углеводороды, содержат запасённую в недрах Земли законсервированную энергию преобразования органического мира в течение сотен миллионов лет. Ветровая энергия, гидроэнергия рек и некоторые другие виды энергии это, в конечном итоге, тоже энергия нашего светила. Только ядерная энергия и энергия приливов не являются следствием воздействия Солнца, а созданы другими причинами и физическими законами окружающего нас мира.

         Солнечную энергию невозможно накапливать, её можно использовать непосредственно как лучистую энергию или в сильно преобразованном виде, конечно, с большими потерями.

         Вне земной атмосферы, солнечные лучи падающие перпендикулярно земной поверхности, на одном квадратном метре её, отдают мощность в 1,4 кВт и, если отнести её к площади поперечного сечения Земли, получается мощность порядка 170х1015Вт, а за год на Землю приходит 1500х1015кВт.ч лучистой энергии, что примерно в 20 тысяч раз больше всего мирового потребления энергии человечеством за год. Однако всю эту энергию невозможно использовать, даже теоретически.

         Из рассмотрения баланса солнечной энергии приходящей на Землю следует:

  • 34% - отражается в окружающее пространство атмосферной облачностью;
  • 19% - поглощает атмосфера Земли;
  • 47% - доходит до земной поверхности.

         Из пришедшей к поверхности Земли солнечной энергии, часть затрачивается на испарение воды земной гидросферы и перемешивание атмосферы—27%, на энергию теплового излучения в атмосферу –20%, и, в конечном итоге, вся энергия, накопленная в атмосфере—66%, излучается в мировое пространство.

         Этот баланс тепла от солнечной радиации удерживается уже много сотен миллионов лет. Он свидетельствует о том, что вся энергия получаемая Землёй от солнца, в конечном итоге, рассеивается в окружающее мировое пространство и поверхность Земли не нагревается.

         Энергия излучения Солнца, приходящая на общую площадь поверхности Земли, создаёт среднюю мощность на 1 квадратном метре около 340 Вт, а средняя величина энергии на поверхности Земли составляет около160Вт/м2.

         Приходящая к поверхности Земли мощность зависит от широты местности, от облачности над ней. Пыль и влага в атмосфере, высота поверхности над уровнем моря, также сильно влияют на неё. Однако, основное влияние на величину мощности солнечной радиации, оказывают время года и время суток.

         Все эти условия сильно влияют на возможность использования солнечной энергии человечеством и все усилия цивилизации сводятся к тому, чтобы эффективно использовать хотя бы часть, даваемой нам Солнцем энергии.

         Сегодня, основными направлениями использования солнечной энергии являются:

  • получение низко потенциального тепла с невысокими температурами, для горячего водоснабжения, отопления помещений, опреснения воды, сушки различных материалов и бытовых нужд;
  • получение тепла средне- и высоко потенциальных параметров для процессов переработки материалов—плавления, спекания, синтеза;
  • получения электроэнергии непосредственно из лучистой энергии с помощью полупроводников, термоэлементов, солнечных термоэмиссионных преобразователей.

         Солнечная энергия, приходящая на поверхность Земли имеет низкую плотность, поэтому создание высоких температур теплоносителей в солнечных агрегатах, обеспечивается сбором энергии Солнца с большой площади и концентрацией её в определённом месте. В силу специфики солнечной энергии, для эффективного её использования, необходимо создавать устройства для её аккумулирования, что также усложняет и удорожает любую солнечную тепловую установку.

         Температура теплоносителя в преобразователе энергии, которую можно получить от лучистой энергии, определяется энергетическим балансом, в соответствии с уравнением:

         qсолн=qтепл+qконв+qизл

         где:

  • qсолн—падающее на 1 квадратный метр поверхности солнечное излучение;
  • qтепл—теплопроводность к телам, с которыми эта поверхность соприкасается;
  • qконв—конвекция движения воэдуха около этих поверхночтей;
  • qизл—излучение от нагретой поверхности.

         На этом балансе основан принцип использования лучистой энергии Солнца для получения низко потенциального тепла в устройствах, которые называются плоские солнечные коллекторы (ПСК).

         Как же устроен и работает плоский солнечный коллектор?

         В простом исполнении он представляет собой металлический корпус в форме кожуха, с теплоизолированными от внешней среды стенками. Внутри корпуса устанавливается трубчатый теплообменник, по которому протекает теплоноситель (вода или специальный раствор). Верхняя стенка корпуса, обращённая к Солнцу закрыта двумя слоями стекла, сквозь которые, к теплообменнику, проникает лучистая энергия.

         Внутренняя поверхность корпуса выкрашена в чёрный цвет, для лучшего поглощения лучистой энергии. Стекло верхней стенки уменьшает потери тепла теплообменника от конвекции и от излучения и, т.к. обычное стекло полностью прозрачно для видимого спектра излучения Солнца и практически полностью не прозрачно для инфракрасной части спектра, которую излучает нагретый теплообменник, тепло полученное извне, почти полностью остаётся внутри корпуса и потери его в окружающую среду, минимальны.

         Плоский солнечный коллектор поглощает не только прямое солнечное излучение, но также и рассеянное, отражённое от облаков, что является его существенным преимуществом.

         Теплоноситель, нагретый в плоском солнечном коллекторе (ПСК), подаётся на отопление, ГВС, на установки для сушки пищевых продуктов. Недостатком ПСК является невозможность накопления энергии, её нужно потреблять здесь и сейчас, поэтому для использования такого источника тепла в тёмное время суток, необходимо применение аккумулятора или дублирующей энерго установки.

         Главный недостаток ПСК—это низкие температуры получаемые в теплоносителе. Некоторое увеличение температуры получают в них за счёт специального покрытия внутренней поверхности корпуса и применения специального изготовления стёкол.

         Чёрная краска внутри корпуса увеличивает поглощение лучистой энергии, но, одновременно, она при этой же температуре, излучает больше, чем не окрашенная. Это излучение инфракрасное и обычное стекло для него не прозрачно, но само стекло поглощает инфракрасное излучение, нагревается и начинает излучать энергию во внешнюю среду. Энергия частично теряется, тем больше, чем выше температура теплообменника.

         Чтобы нивелировать эту особенность, внутри корпуса создаётся покрытие, слабо излучающее в инфракрасной области и, т.о. позволяет повысить температуру теплоносителя на 10ОС и более.

         Эффективность использования солнечной энергии в ПСК увеличивают применением стёкол с малым коэффициентом поглощения и отражения. Для этого применяется стекло в котором минимально содержится железо и поверхность которого специально обрабатывается( травлением). Для получения более высокой температуры теплоносителя, применяются устройства называемые концентраторами.

         Трубчатый коллектор с теплоносителем, устанавливают в фокусе параболического зеркала, размещённого вдоль продольной оси коллектора. Коллектор представляет собой двух стенную стеклянную трубку, в которой создан вакуум между стенками. В таком коллекторе нет потерь тепла ни от конвекции, ни от теплопроводности. В таких коллекторах получают температуру теплоносителя до 200-250ОС, что значительно расширяет сферу их применения. Общим недостатком ПСК является необходимость применения систем ориентирования на Солнце, невысокая надёжность и сравнительно высокая стоимость.

         Для получения высоких температур применяются большие концентраторы, собирающие в своём фокусе значительную энергию при очень высокой температуре. Такие установки называются солнечными печами.

         Установка солнечная печь, представляет собой множество плоских зеркал, с системой наведения на Солнце. Все эти зеркала отражают солнечное излучение на большое параболическое зеркало, которое фокусирует их на плавильный агрегат солнечной печи, где создаётся температура до 3000ОС. Эти печи применяются для обработки тугоплавких металлов и получение их практически без примесей.

         Солнечная энергия, после преобразования, может использоваться в виде механической и электрической, но несмотря на то, что источник её является практически бесплатным, применение её связано с большими капитальными затратами, что связан с низкой плотностью лучистой энергии Солнца на поверхности Земли.

         Для получения мощности в 1млн.кВт на солнечной установке, необходимо собрать энергию Солнца с площади около 40 км2 при КПД 10%. Покрытие зеркалами или коллекторами такой площади, представляет собой трудную и дорогую задачу. Большую трудность представляет и переменность в поступлении энергии (время года, время суток).

       Интересные факты о солнечной энергии

  •          Солнечная энергия не производит загрязнителей и является одной из самых чистых источников энергии.
  •          Это восстановливаемый источник энергии. Считается, что нашему Солнцу уже 4600000000 лет, и водородного горючего в нем хватит еще на 5 млрд лет.
  •          Единственное ограничение для солнечной энергии - это невозможность ее использования ночью.
  •          Количество произведенной энергии зависит от количества солнечного света, географического расположения, времени суток и погодных условий.
  •          Солнечная энергия является неисчерпаемым бесплатным источником энергии.
  •          Хотя Солнце находится на расстоянии почти 150 млн километров от Земли, лучи света проходят это расстояние менее чем за 10 минут.
  •          Солнечная энергия состоит из инфракрасного излучения и света, или фотонов.
  •          Солнечная энергия делится на активную и пассивную.
  •          Фотогальванические панели и солнечные коллекторы являются примерами активных солнечных технологий.
  •          Пассивные солнечные технологии включают построение помещений с улучшенной циркуляцией воздуха, ориентацией пространства или структурами для использования солнечного света.
  •          В верхних слоях атмосферы Земля получает 174 петаватт солнечной радиации. Примерно 30 процентов отражается обратно в космос, а остальные абсорбируется океанами, облаками и земельными массивами.
  •          Земля, океаны и атмосфера поглощают солнечную радиацию, вследствие чего их температура повышается. Теплый воздух, поднимающийся над океанами, вызывает конвекцию. Когда этот воздух достигает значительной высоты, путем конденсации водяного пара образуются облака. Из этих облаков выпадает дождь, который возвращает воду на поверхность Земли, тем самым завершая круговорот воды.
  •          Зеленые растения путем фотосинтеза превращают солнечную энергию в химическую, которая создает биомассу - основу ископаемого горючего.
  •          Солнечная энергия пригодна для производства питьевой воды. Можно очищать сточные воды без применения электричества и химикатов.
  •          С помощью солнечной энергии можно готовить, сушить и пастеризовать пищу.
  •          В фотогальванических панелях солнечная энергия в форме протонов, или света, конвертируется в электричество.
  •          Широкие световые лучи с помощью зеркал или линз можно сфокусировать в узкие лучи для получения концентрированной солнечной энергии.
  •          Системы аккумулирования тепла могут хранить солнечную энергию в форме тепла, используя обычные материалы с высокой удельной теплоемкостью (камни, земля и вода).
  •          Также солнечную энергию можно хранить в расплавах солей.
  •          Космические миссии разных стран используют солнечную энергию для питания космических аппаратов.
  •          Учитывая непрерывный прогресс в научных исследованиях, в будущем солнечная энергия будет доступной, дешевой и эффективной.
  •          Земля получает примерно 1366 ватт прямой солнечной радиации на квадратный метр.
  •          Самая солнечная электростанция в мире, площадью 1000 акров, расположенная в пустыне Мохаве в Калифорнии.
  •          Солнечные батареи не требуют сложного технического обслуживания.
  •          Также отсутствуют текущие расходы после их установки.
  •          Домашняя система солнечных батарей состоит из нескольких солнечных панелей, инвертора, батареи, регулятора заряда, электропроводки и крепежных средств. Панели поглощают солнечный свет и преобразуют его в электроэнергию с помощью встроенной системы. Батарея накапливает электроэнергию, которую можно использовать позже - вечером или в пасмурную погоду.
  •          При наличии резервного батарейного питания солнечная энергия может подавать электроэнергию круглосуточно, даже в облачный день или ночью.
  •          Солнечная электроэнергия измеряется в киловатт-часах. 1 киловатт = 1000 ватт.
  •          Начальная стоимость является одной из основных причин, почему солнечная энергия до сих пор не используется многими людьми.
  •          Солнечная энергия используется с VI века до нашей эры. Изогнутые зеркала из блестящего металла использовались для фокусировки солнечных лучей с целью разжигания огня. Они назывались yang-suis - солнечные зажигалки, или обжигающие зеркала.

         Таким образом, применение солнечной энергии для создания крупных источников требует создания новых технологий и совершенствования уже имеющихся что, вместе с вышеизложенными трудностями, отодвигает их создание на долгосрочную перспективу.