РОЗДІЛ 10. Сонячна енергетика

Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція на Сонце. Основна частина цієї енергії випускається у вигляді електромагнітного випромінювання в діапазоні довжин хвиль λ = 0,2 - 0,3 мкм. При проходженні через атмосферу сонячне світло послабляється, в основному за рахунок поглинання інфрачервоного випромінювання парами води, ультрафіолетового випромінювання - озоном і розсіювання випромінювання молекулами газів, що й перебувають у повітрі частками пилу й аерозолями. Параметром, що відображає вплив атмосфери на інтенсивність і спектральний состав сонячного випромінювання, що доходить до земної поверхні, є атмосферна маса (AM). При нульовій повітряній масі AM 0 у верхньої границі атмосфери інтенсивність випромінювання рівна ЄС = 1360 Вт м2. Величина AM 1 відповідає проходженню сонячного випромінювання через безхмарну атмосферу до рівня моря при зенітальному розташуванні Сонця. Повітряна маса для будь-якого рівня земної поверхні в будь-який момент дня визначається по формулі

(10.1)

(10.2)

Тут: h - постійна Планка; с - швидкість світла; λ - довжина хвилі випромінювання.

На сонце предмети нагріваються в результаті поглинання ними енергії сонячного випромінювання. Це загальновідоме явище використовується в пристроях для теплового перетворення енергії. Такі, досить прості пристрої, називаються колектори або приймачі сонячного випромінювання. У якості прикладу на рис. 10.1. показані найпростіші колектори сонячного випромінювання.

Де: 1 - пластина колектора; 2- полююча підстава; 3- прозоре покриття.

Рис. 10.2. Найпростіші колектори сонячного випромінювання

Якщо позначити інтенсивність сонячного випромінювання через Е, а поглинаючу здатність пластини для цього виду радіації, позначити через αс. Та можна показати, що під дією сонячного випромінювання пластина нагрівається доти, поки не досягне рівноважної температури Т. При такій температурі інтенсивність падаючого випромінювання, і того що випускається, рівні:

де: ε - випромінювальна здатність пластини при низьких температурах.

Тоді рівноважну температуру - Т можна визначити з рівняння

З наведеного рівняння видно, що рівноважна температура тем виїде, чим більше відношення αc/ε.

Важливим фактором, що впливають на збирання сонячної енергії, є довгохвильове випромінювання, що приходить із атмосфери. Воно випускається головним чином молекулами вуглекислого газу й водяної пари при поглинанні ними прямого сонячного випромінювання, а також випромінювання, відбитого від землі й обумовленого конвекцією. Спектри поглинання цих молекул, обумовлені їхнім коливальним і обертовим рухами, лежать у видимій. і в інфрачервоній областях спектра. Загальна інтенсивність Ра цього випромінювання суттєво залежить від змісту в атмосфері водяної пари, особливо поблизу земної поверхні. При підвищеній вологості й суцільної хмарності атмосфера поводиться приблизно так само, як чорне тіло з температурою близько 280 К (10° С); відповідна інтенсивність випромінювання на горизонтальній поверхні становить близько 300 Вт/м2. Загальна ж інтенсивність атмосферного випромінювання рідко падає нижче 100 Вт/м2.

Для збирання цього випромінювання застосовують так звані селективні поглиначі. Звичайно такий поглинач являє собою поліровану металеву поверхню, покриту тонкої темного кольору захисною плівкою окисів нікелю або міді. Його поглинаюча здатність у короткохвильовій області досить висока, порядку 0,9. При дуже тонкому покритті подібний поглинач прозорий для випромінювання з довжиною хвилі, що перевищує його товщину. Тоді його випромінювальна здатність у довгохвильовій частині спектра повинна бути не вище, чим у металу, тобто близько 0,1. Рівноважна температура такого селективного поглинача з величиною відносини αс/ε, близької до 9, у розглянуті раніше умовах повинна підвищитися до 427 К, або 1540 С (якщо інтенсивність довгохвильового атмосферного випромінювання становить 200 Вт/м2, а поглинаюча здатність до цього виду випромінювання рівна 0,1). Однак добитися такого істотного поліпшення практично дуже складно. Основні труднощі полягає в тому, що більшість селективних покриттів дуже чутливо до пилового забруднення, і в природних умовах їх характеристики згодом швидко погіршуються.

Крім звичайних плоских колекторів існують і інші конструкції сонячних колекторів, наприклад сонячний басейн. У такому пристрої поглиначем служить безпосередньо водний басейн, який при необхідності можна обладнати будь-яким покриттям. Під впливом сонячної радіації температура води підвищується як за рахунок безпосереднього поглинання водою фотонів енергії, так і за рахунок теплообміну між поглинаючим випромінювання днищем басейну й водою. При нагріванні вода розширюється й нагріті більш легкі шари піднімаються нагору. Було виявлено, що в деяких природних водоймах самі нагріті шари води виявляються скоріше на дні, чому на поверхні. Як припускають, це явище обумовлене високим змістом солі в таких водоймах і температура змінюється із глибиною басейну так само, як і концентрація солі, яка в поверхні води виявляється нижче, чим у дна. Результати експериментів показали, що рівноважна температура в подібних басейнах може досягати 100° С.

Процес поглинання сонячної радіації здійснюється тут почасти в товщі води, а почасти в дна басейну. Він супроводжується складним перерозподілом енергії між різними шарами рідини за рахунок теплопровідності й випромінювання. Внаслідок цього характеристики випромінювання басейну визначаються його поглинаючими властивостями. Для простоти можна вважати, що такий басейн подібний плоского колектора. Сонячні басейни мають ряд переваг перед колекторами інших типів. Це найбільш дешеві приймачі більших кількостей сонячної енергії; завдяки високій теплоємності води вони мають широкі можливості збереження внутрішньої енергії, і, незважаючи на різні технічні труднощі, сонячні басейни знаходять усе більше застосування.

Сонячна енергія використовується також для потреб опалення й нагрівання води. Необхідно відзначити, що використання сонячної енергії для опалення й гарячого водопостачання є одним з найпоширеніших способів її застосування. Системи гарячого водопостачання на основі плоского сонячного колектора вже зараз одержали широке поширення в Ізраїлеві і Японії, а на півдні США й навіть у Європі діють досить більші експериментальні установки для опалення будинків і нагрівання води в плавальних басейнах. На рис. 2.6. показана схема сонячного водонагрівача. Перебуваючи в тісному контакті з поглиначем колектора, вода нагрівається й за допомогою насоса або природної циркуляції приділяється від нього. Потім нагріта вода надходить у сховище, звідки її можна витрачати по необхідності.

У сонячному нагрівані, зображеному на рис. 10.2., основним теплообмінником є поглинач. Вода тут або безпосередньо обмиває тильну частину - пластини поглинача, або проходить через систему труб, що є частиною цієї пластини.

За умови якісного теплообміну між навколишнім середовищем і пластинами (це характерно для нагрівання води), температури поглинача й води стають однакові.

Оскільки вода нагрівається при проходженні через колектор, мабуть, що на вході поглинач холодніше, ніж на виході. Перепад температури залежить як від питомої теплоємності рідини, так і її швидкості. Корисна потужність такого нагрівана залежить від потужності падаючого на нього сонячного випромінювання, тому необхідно, насамперед вибрати найкращу орієнтацію колектора. У принципі будь-який колектор за допомогою спеціального механізму можна було б увесь час орієнтувати на сонце, але це досить дорогою спосіб. Тому в цей час використовуються нерухливі колектори, у