Охарактеризовать солнечную радиацию

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 20 % 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 масш­табов потребления низкосортного твердого топлива. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоре­сурсов, 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 и позволит смяг­чить экологическую ситуацию.

— В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, пионерлагерей, дачных посел­ков, а также для обогрева открытых и закрытых плава­тельных бассейнов, спортивных сооружений, душевых. Конкурентоспособны по сравнению с традиционными уста­новками гелиосушилки для сена, лесоматериалов и сельскохозяйственных продуктов. В сухом жарком кли­мате Средней Азии рационально использовать установки

для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйст­венных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. п.

В сфере сельскохозяйственного производства приме* нение недорогих воздушных коллекторов солнечной энер­гии поможет решить проблему отопления животноводче­ских ферм. Также щелесообразно интенсифицировать работы по использованию солнечной энергии для отопле­ния теплиц. Подогрев воды на фермах позволит улуч­шить условия труда и содержания животных. Солнечные установки отопления требуют значительных капитало­вложений, которые обычно не окупаются за предполага­емый срок службы установок в 20 лет в районах, лежа­щих севернее 45° с. ш. Однако даже в холодном климате скандинавских стран — Швеции и Финляндии — реализо­ваны крупномасштабные демонстрационные проекты солнечных систем теплоснабжения с применением тепло­вых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты, позво­ляющих покрывать практически всю нагрузку отопления за счет солнечной энергии. Особенностью этих систем яв­ляется аккумулирование теплоты солнечной радиации, по­ступающей в летний период, в больших подземных резер­вуарах или шахтныд выработках и использование этой теплоты, а также энергии окружающей среды (грунта, грунтовых вод и т. п.) для отопления зданий в зимний период. Эти системы пока экономически нерента­бельны, так как требуют больших капиталовложе­ний. В перспективе, по мере роста цен на топливо и сни­жения стоимости гелиосистем и их элементов, особенно сезонного аккумулятора теплоты, появится возможность создания централизованных систем солнечного тепло­снабжения с незначительным потреблением электриче­ской и тепловой энергии.

В районах с годовым приходом солнечной радиа­ции не менее 1200 кВт-ч/м2 при эффективном использо­вании этой энергии можно будет обеспечить до 25 % теплопотребления в системах отопления, до 50 % —в си­стемах горячего водоснабжения и-до 75% — в систе­мах кондиционирования воздуха. Благодаря этому суще­ственно снизится расход органического топлива и загряз­нение воздушного бассейна вредными газовыми выбро­сами, содержащими оксиды азота и серы. Если перевести на солнечное теплоснабжение 10 % потребителей сельских районов, расположенных южнее 50° с. ш., мож­

но экономить 1,7 млн. т условного топлива в год[1], а про­гнозируемая экономия топлива в стране в 2000 г. достиг­нет 20—30 млн. т условного топлива. Применение сол­нечных установок не только замещает дефицитное топливо, но и предотвращает загрязнение окружающей среды вредными выбросами топливоиспользующих уста­новок. В удаленных от источников энергоснабжения рай­онах использование солнечной энергии (наряду с энер­гией ветра) является практически единственной альтер­нативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Для расширения масштабов использования экологи­чески чистой солнечной энергии в народном хозяйстве страны в ближайшие 20—30 лет необходимо организо­вать производство высокоэффективного гелиотехническо­го оборудования различного назначения. Наиболее про­сты в конструктивном отношении солнечные водонагрева­тельные системы, имеющие годовой КПД 30—50%. Повышение эффективности гелиосистем отопления и ох­лаждения зданий связано с применением более совер­шенного гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальными архитектурно-теплотехническими решени­ями, направленными на сокращение тепловых потерь и соответствующее снижение потребности в энергии, а так­же на использование конструкции самого здания для улавливания солнечной энергии.

Основная проблема в использовании солнечной энер­гии для отопления индивидуальных домов в нашей стра­не — отсутствие массового производства солнечных кол­лекторов, аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования. Ключевой вопрос — разработка, оптими­зация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих высокую эффективность при допустимых ка — питалозатратах.

В сельской местности уже сейчас и в ближайшей перспективе можно использовать солнечную энергию для нагрева воды и отопления жилых и производственных помещений, сушки сельскохозяйственной продукции, вы­ращивания овощей, цветов, рассады, опреснения воды и ‘получения умеренного холода. Хотя нет сомнений в том, что наиболее эффективные в энергетическом и экономи­ческом отношении установки могут быть получены лишь в условиях крупномасштабного серийного производства с использованием современных технологий, тем не менее кооператоры и «индивидуалы» могут внести достойный вклад в решение проблемы использования солнечной энергии.

В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использо­вавшийся для перекачки воды. В конце XVIII в. веду­щий французский химик А. Лавуазье создал первую сол­нечную печь, в которой достигалась температура в 1650 °С и нагревались, образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода н платины. В 1866 г, француз А. Му — шо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и привода насосов. На всемирной выставке в Париже в і878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон по­строил солнечный воздушный двигатель с пароболо­цилиндрическим концентратором размером 4,8X3,3 м. Тогда же француз А. Пифф построил паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором плоицдыо около 10 м2, который приводил в действие печатный станок в типографии, где издавалась газета «Ле Солей» («Солн­це»).

Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работаз — шем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнеч­ной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к Дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилля­ции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в те­чение 30 лет, поставляя питьевую воду для руд­ника.

Английский изобретатель А. Г, Инеас построил в шта­те Аризона (США) большие солнечные концентраторы для производства водяного пара давлением 10 бар, ис­пользовавшегося для перекачки воды с расходом до 320 м3/ч. Концентратор параболической формы имел диаметр 10,2 м в верхней части и 4,5 м внизу, 1788 зер­

кал направляли лучи на котел, расположенный в фокусе концентратора.

В 1890 г. проф. В. К. Церасский в Москве осуществил процес плавления металлов солнечной энергией, сфоку­сированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °С.

В зарубежной и отечественной литературе отсутству­ют практические пособия по конструированию, изготов­лению и монтажу солнечных установок коммунально­бытового и сельскохозяйственного назначения небольшой мощности непосредственно на приусадебных участках. Данная книга должна восполнить пробел и помочь за­интересованным лицам построить простую гелиоустанов­ку самостоятельно.

В книге даны общая картина и перспективы исполь­зования солнечной энергии в СССР и за рубежом, опи­саны конструктивные особенности, методы расчета, из­готовления и монтажа солнечных установок для инди­видуальных потребителей и сельского хозяйства. В ней читатель найдет ответы на вопросы о том, как работают солнечные установки различного назначения, для каких целей наиболее целесообразно использовать солнечные установки в настоящее время и в ближайшей перспек­тиве, как самим изготовить солнечные установки и т. н.

Автор с благодарностью примет все замечания по книге, которые просит направлять в издательство по ад­ресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энер- гоатомиздат.

Автор

image003

Глава первая

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙРАДИАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГОИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Солнце — гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2-Ю30 кг) в 333 тыс. раз пре­вышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объ­ема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14% гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещест­ва Солнца равна 1400 кг/м3, а в его центре она достигает 76000 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд, кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромаг­нитных волн различной длины. Мощность потока сол­нечного излучения составляет 4• 1023 кВт. В центре Солн­ца давление достигает огромного значения в 2- 1Q10 МПа /(около 204 млрд, ат), а температура по разным оценкам составляет 8—40 млн. К, температура фотосферы на по­верхности Солнца приблизительно равна 5900 К.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212 г. до н. э. с помощью концентрирован­ных солнечных лучей зажигали священный огонь у хра­мов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса кораблей римского флота.

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

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает коток солнечной энергии в количестве 5,6 -1024 Дж. Ат­мосфера Земли отражает 35 % этой энергии, т. е. 1,9Х XIО24 Дж, обратно в космос, а остальная энергия расхо­дуется на нагрев земной поверхности (около 2,4- 1024 Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3-1024 Дж) и об­разование волн в морях и океанах, воздушных и океан­ских течений и ветра (около 1,2-1022 Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границы атмос­феры Земли равна 1,78-1017 Вт, а на поверхности Зем­ли 1,2-1017 Вт.

Плотность потока солнечной энергии /0 у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную пер­пендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м2 и называется солнечной постоянной, а сред­нее количество энергии £0.н, поступающей за 1 ч на 1 м2 этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м2). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орби­те расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км±1,7 %, а часовое количество вне­атмосферной солнечной энергии, поступающей на 1 м2 нормальной поверхности, изменяется в течение года ме­нее чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДж/(ч — м2).

Годовое количество поступающей на Землю солнеч­ной энергии составляет 1,05-1018 кВт-ч, причем на по­верхность суши приходится только Vs часть этой энергии, т е. 2-Ю17 кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = 3600 кДж, а 1000 кДж=278 Вт-ч.) К этому, добавляются энергия ветра (1,58-1016 кВт-ч в год с мощностью 1,8-1012 кВт) и другие косвенные виды солнечной энергии.

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 огромном^ количеству топлива — 2-1012 т условного топ­лива), при этом мощность потока энергии составляет 1,85-1012 кВт.

Распределение глобального потока солнечной радиа­ции на поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей за год на 1 м2 поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м2 на севере до 8000 МДж/м2 в наиболее жар­ких пустынных местах (рис. 1).

Среднегодовое количество солнечной энергии, посту­пающей за 1 день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м2 на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и

тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет 210—250 Вт/м2 в субтропических областях и пустынях, 130—210 Вт/м2 в центральной час­ти СССР и 80—130 Вт/м2 на севере СССР. Пиковая плотность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м2.

Солнечное излучение у верхней границы земной ат­мосферы приблизительно соответствует излучению абсо­лютно черного тела с температурой 5900 К и включает ультрафиолетовое излучение (длина волн Я от 0,2 до 0,4 мкм), видимый свет (Я от 0,4 до 0,78 мкм) и инфра­красное излучение с более длинными волнами. Макси­мум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волны 0,5 мкм.

При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается мо­лекулами озона, воздуха и водяного пара, а также час­тицами пыли — это приводит к ослаблению прямого солнечного излучения и появлению диффузного., (рас­сеянного) излучения. Часть энергии, поглощенной и рас­сеянной газовыми частицами, возвращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли в виде рассеянного (диффузного) излучения. Доля рассеянного (диффузного) излучения в

общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатологических факторов и из­меняется в течение года. Так, в Киеве она изменяется от 0,39 в июле до 0,75 в декабре, в Москве — соответственно от 0,54 до 0,8, в Ташкенте — от 0,19 до 0,5, а в Ашхаба­де ■— от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энер­гии на 1 м2 горизонтальной поверхности на всех широ­тах ■— от экватора до северного полюса.

На рис. 2. показано спектральное распределение ин­тенсивности прямого солнечного излучения / у верхней границы атмосферы и на уровне моря в сравнении с из­лучением абсолютно черного тела при, температуре 5900 К — На рис. З приведено изменение суточного прихо­да суммарного солнечного излучения на вертикальные поверхности с южной (а) и восточной или западной (б) ориентацией, расположенные на различных широтах — на экваторе (3), северном полюсе (СП), у полярного круга (ПК) и на широте 30, 42, 50 и 60° с. ш.

image006

В весенне-летний период (с 21.03 до 22.09) поступле­ние солнечной энергии на вертикальную поверхность в районе северного полюса максимальное, и с продвиже­нием на юг оно уменьшается и на экваторе достигает минимального значения — нуля — для поверхностей южной ориентации. В то же время в период с 22.09 до 21.03 поток солнечной радиации на вертикальную поверх­ность у северного полюса равен нулю, для поверхностей с восточной или западной ориентацией он максимален на экваторе и уменьшается при удалении от экватора, а за­висимость поступления солнечной радиации на южные вертикальные поверхности от широты местности более сложная.

Потенциал солнечной энергии можно охарактеризо­вать среднегодовым значением прихода солнечной ради­ации на 1 м2 горизонтальной поверхности. Годовое по­ступление солнечной энергии на территории стран СЭВ характеризуется следующими данными (в кВт-ч/м2): СССР — от 800 (68° с. ш.) до 2000 (39° с. ш.); ГДР. ЧСФР и Польша — 950—1050; Венгрия — 1200; МНР — 1750; Куба — 1900; Болгария — 2000.

Годовой поток солнечного излучения на территории СССР изменяется в широких пределах. Так, на 1 м2 го­ризонтальной поверхности на северных островах и севе­ро-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550—830 кВт-ч, на большей части европейской территории и Сибири — 830—1100 кВт-ч, в южных рай­онах Украины, Молдавии, Поволжья, Сибири и Дальнего Востока — 1100—1380 кВт-ч, в Закавказье и Средней Азии — 1400—1600 кВт-ч, в пустынных районах Турк­мении — 2000 кВт-ч и более.

Годовое число часов солнечного сияния равно: в Тур­кмении — 3100, Узбекистане и Таджикистане — 2815— 2880, Казахстане и Киргизии — 2575—2695, Армении. Грузии и Азербайджане — 2125—2520, Украине и Мол­давии — 2005—2080.

Условия для использования солнечной энергии в СССР наиболее благоприятны в республиках Средней Азии, Казахстане, Нижнем Поволжье, Северном Кавка­зе и республиках Закавказья, на юге Украины и Сибири, в Молдавии. В Средней Азии продолжительность све­тового дня в июне достигает 16 ч, в декабре — 8—10 ч. Здесь в году 300 солнечных дней, продолжительность солнечного сияния 2500—3100 ч в год, а летом — 320—

400 ч в месяц. В районах, благоприятных для использо­вания солнечной энергии, проживает около 130 млн. че­ловек, в том числе более 60 млн. в сельской местности.

В центральной части СССР за летнее полугодие, ког­да теплопотребление минимально, на Землю поступает около 2/з всего годового количества солнечной энергии, а в июле приход солнечной энергии в 5—10 раз больше, чем в декабре.

В табл. П1 приведены данные по дневным потокам суммарной и рассеянной (диффузной) солнечной энер­гии, поступающим на горизонтальную поверхность в течение года в наиболее крупных городах Советского Со­юза. Там же указаны среднемесячные значения темпера­туры наружного воздуха в этих городах. Эти данные не­обходимы для выполнения расчетов солнечных устано­вок.

К солнечной энергии добавляются другие возобнов­ляемые источники энергии, среди которых наибольшим потенциалом для практического использования облада­ет энергия ветра и биомассы. Потенциальные ресурсы ветровой энергии в СССР составляют 8- 1012 кВт-ч/год, а технически реализуемая мощность — 2-Ю10 кВт. В СССР разработаны ветроэнергетические установки (ВЭ5^) мощностью 30 и 100 кВт. За рубежом, например,, в США, ФРГ, Швеции, Дании и др., эксплуатируется большое количество больших и малых ВЭУ. В США в 1986 г, суммарная мощность 30 тыс. ВЭУ составляла 1500 МВт, в том числе 7 ВЭУ имели мощность 25ь— 72 МВт, а — себестоимость электроэнергии от ВЭУ состав­ляет 0,03—0,06 долл/(кВт-ч).

Годовая продукция фотосинтеза, в результате кото­рого образуется биомасса, составляет 57-1012 кг угле­рода, при этом накопленная энергия биомассы в десятки раз превосходит годовую потребность человечества в энергии.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий