Солнечная энергия

Когда солнечные лучи падают на какую-нибудь поверхность, ее температура повышается по сравнению с окружающим воздухом. Это повышение температуры есть результат накопления тепла на этой поверхности благодаря поглощению энергии солнечной радиации. Если под нагревающейся поверхностью мы устроим емкость, в которой будет циркулировать вода, то вода будет нагреваться. Время повышения температуры до нужного уровня зависит от того количества калорий, которое вода получит от солнца, а также от устройства поглощающих элементов (солнечные коллекторы) и аккумуляторов (цистерна, бак).

Д-р С. Г. Абботт, пионер в исследовании солнечной энергии, в своей книге "Как использовать тепло Солнца" описывает примитивный, но тем не менее удобный генератор теплой воды так: "Я купил 6 м длинного черного садового шланга, обмотал 4,5 м вокруг деревянной рамы и поднял эту конструкцию по лестнице на южную сторону крыши моего дома.

Остальные 1,5 м я привязал к крану во дворе и к крану в ванной. Благодаря этому простому устройству в солнечный день мы имели 22 л очень теплой воды каждые полчаса". Конечно, установки, коммерчески выгодные, сегодня не так просты. Однако они устроены но тому же принципу, хотя и имеют гораздо большую эффективность. Современный солнечный генератор теплой воды состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и резервуара с теплой водой. Поверхность коллектора может нагреть воду от 50° С до 80° С. В вакуумных коллекторах с идеальными поверхностями температура достигает 300-350° С. Использование параболических радиационных концентраторов позволяет достигнуть еще более высокой температуры.

Нагретая солнцем вода из коллектора (55-56° С) поступает в теплообменник солнечного бака (цистерны), в котором нагревается нужное для употребления количество воды (150- 500 л). Это нагревание может быть различным в зависимости от продолжительности и интенсивности солнечного света. Циркуляция нагретой воды может происходить по термосифонному принципу или с помощью насоса, который контролируется термостатом, установленным в самом верхнем коллекторе.

Баки (цистерны) могут быть сделаны из металла или пластика и должны иметь термическую изоляцию. Для промышленных нужд, когда требуется много воды, используют баки массового производства вместимостью несколько тысяч литров. Такие баки пригодны для больниц, казарм, бань, кемпингов, отелей, школ-интернатов и т. д. Коллекторы могут быть объединены в серии, и дневная норма нагретой солнцем воды, таким образом, будет увеличена. 8 Северной Африке и на Среднем Востоке существуют установки, которые дают в день 50-100 тыс.

л горячей воды. Большие установки такого рода существуют и в Европе. Например, французская фирма "Софэ" построила высокопродуктивную установку при гостинице на 35 номеров и кемпинге. В Берне, в Швейцарии, действует установка, которая производит 9 тыс. л горячей воды с помощью 40 м2 поверхности коллектора. В некоторых японских установках солнечные коллекторы и баки-аккумуляторы составляют единую систему. Чтобы обеспечить естественную термосифонную циркуляцию, баки должны быть по меньшей мере на 600 мм выше, чем самый верхний коллектор; если это невозможно, нужно использовать циркуляционный насос.

Связь с домом'осуществляется посредством тонких усиленных медных трубок диаметром 30 мм, применение которых позволяет избежать теплопотери. Для пасмурных дней предусмотрен электронагревательный элемент мощностью 0,5- 2 кВт-ч, регулируемый термостатом. Баки и система труб работают под давлением приблизительно 6 атм. , а контрольное давление во многих случаях равно 10-12 атм. Баки с теплой водой устанавливаются на крыше или в подвале. Французская фирма "Эксенерсоль" разработала систему, в которой накопительные баки проектируются как кухонная мебель и расставляются на кухне так же, как плита или холодильник. Французская фирма "Софэ", о которой уже упоминалось, серийно выпускает бойлеры на двойном источнике питания: солнечно-электрические, солнечно-газовые или солнечно-нефтяные, использующиеся во Франции и Испании.

Для разных климатических зон и географического положения существует оптимальное отношение между поверхностью коллектора и объемом бака. Как среднюю величину "Софэ" предлагает 35 л/м2-ч. Путем объединения солнечного бойлера с уже существующим нефтяным, газовым или электрическим можно сократить затраты энергии за счет предварительного нагрева холодной воды посредством радиации даже в пасмурную погоду. Когда нужное количество воды нагревается солнцем, традиционное отопление автоматически отключается. Из-за постоянно увеличивающейся потребности в горячей воде использование солнечного нагрева становится все более важным средством экономии топлива и денежных средств.

В 1940 г. в день на человека приходилось 25-30 л горячей воды; в 1960 г. -40-60 л, а в 1980 г. эта цифра возрастет до 70-90 л в день. Эта цифра уже превышена в США. С помощью солнечной энергии можно удовлетворить значительную часть потребностей в горячей воде и в результате сохранить другие виды энергии. В солнечных районах можно в течение 9 мес в году получать горячую воду с температурой по меньшей мере 50° С с помощью коллекторов с обычной поверхностью.

Даже около Лондона можно каждый день в течение пяти летних месяцев получать 50 л горячей воды с температурой 55° С с 1 м2 поверхности коллектора. Потребность в горячей воде зависит от размера дома, количества людей, проживающих в нем, от уровня жизни, рода занятий, возраста, времени года и других условий. Требуемая температура колеблется между 30 и 90° С, но если возможно, не следует превышать 60° С, чтобы избежать коррозии и накипи. Температура воды в водоразборном кране обычно составляет 35-40° С - в ванной; 55-60° С - на кухне и 90-95° С - для стирки (фактически температура используемой воды равна примерно 45° С). Для наполнения ванны требуется около 150 л воды при 40°С, это означает затрату 4500 ккал и требует расхода приблизительно 0,75 л нефти.

Сегодня в Швейцарии ежедневно на человека в среднем расходуется 60 л горячей воды (3 тыс. ккал, 0,5 л нефти). Это составляет ежегодно 2200 л на человека (1,1 млн. ккал, или около 200 л нефти). Многие сооруженные в Швейцарии установки для солнечного горячего водоснабжения доказали, что даже при средних климатических условиях (например, Цюрих - 47°30' с. ш. , интенсивность солнечного излучения 1160 кВт-ч-м2 в год; продолжительность-1693 ч в год) много горячей воды можно получить посредством использования солнечной энергии. Солнечный коллектор, который превращает примерно 70% солнечного излучения в тепло, нагревающее воду, может в Центральной Швейцарии производить в год в среднем более 7 тыс.

л горячей воды t=50° С. В Альпах или в Тессине производительность повышается до 10 тыс. л/м2 в год. Шэрер из Гренхена (Швейцария) спроектировал солнечную установку для горячего водоснабжения с поверхностью коллектора 10,5 м2 и таким образом сэкономил около 1187 л нефти в течение летних месяцев (апрель - сентябрь). В это время даже обычные комбинированные обогревательные системы работают с малой производительностью: 10-20% вместо 60-80%. В солнечные дни нефтяные нагреватели полностью отключались, и среднедневной расход нефти в год сократился с 16,73 до 10,24 л, таким образом, в день экономилось около 6,5 л нефти.

В июле и августе в Цюрихе можно получить максимальное количество горячей воды, около 42 л/м2 в день, минимальное - в декабре - около 4 л/м2 в день, в конце февраля - около 20 л/м2 в день, то же в середине октября. Интенсивность солнечного излучения также достигает своего максимума и минимума в эти месяцы (в августе--около 4,4 кВт/м2 в день; в декабре- около 0,8 кВт/м2 в день).

Эти цифры предполагают среднюю производительность коллектора для Цюриха 45%. * При температуре поступающей воды +10° С это позволяет получить горячую воду с? = 50° С. Для центральной Англии (52° с. ш. ) больше всего горячей воды производится в июне и июле- около 45 л/м2 в день, меньше всего в декабре - около 2 л/м2 в день. Если мы суммируем эти цифры по всей стране, например по Швейцарии, мы увидим, как много импортируемой нефти можно сэкономить, получая горячую воду с помощью солнечной энергии. В Швейцарии ежедневная потребность в теплой воде на одного человека, составляющая 40 л при? = 60° С, может легко быть получена летом с 1 м2 поверхности коллектора.

Если каждый домовладелец имел бы 1-2 м2 коллекторов на крыше (всего 6 млн. м2), Швейцария могла бы, согласно расчетам Швейцарской ассоциации по солнечной энергии (SSES), сэкономить около 1 млн. т нефти в год. Это составит 10% импорта нефти, или 1/3 всех потребностей в электричестве. Согласно расчетам, проведенным во Франции, обычный дом площадью примерно 100 м2 будет потреблять в 2000 г.

около 4 тыс. кВт-ч энергии в год (12,5 кВт-ч в день), из них в среднем 2 тыс. кВт-ч в год может производиться за счет солнца. Строительство 1 млн. водяных солнечных нагревательных установок сэкономят стране около 2 млрд. кВт-ч энергии ежегодно. Такие же расчеты (И. Ф. Р. Дикинсом, "Е. М. А. Лимитед"), проведенные в Великобритании, показали, что дом на четырех человек потребляет 150 л горячей воды (t=60° С) в день, что составляет 9 кВт-ч в день, т. е. 3300 кВт-ч в год. В юго-восточной Англии можно получить 1000 кВт-ч/м2 солнечной энергии в год. При средней производительности 30% коллектор площадью 8 м2 удовлетворят 2/3 всех потребностей в горячей воде в частном доме.

Это составит 2000 кВт-ч в год, и, таким образом, как и во Франции, 1 млн. таких установок обеспечит общую ежегодную экономию в 2 млрд. кВт-ч. На втором симпозиуме Швейцарской ассоциации по солнечной энергии в Лозаннском университете (июнь 1975 г. ) были приведены некоторые цифры, демонстрирующие экономию нефти путем использования солнечной энергии. Например, для отеля в Перпиньяне (примерно на 35 номеров) цифры, определяющие эту экономию в течение семи лет, следующие: с мая по август- 200 л нефти на м2; с ноября по февраль - 50 л нефти на м2; с сентября по октябрь и с марта по апрель - 70 л нефти на м2.

Это означает ежегодную экономию нефти 320 л на м2 поверхности коллектора. В Перпиньяне 2500 солнечных часов в году, 150 теплых дней. Неудивительно, что в 1951 г. 50 тыс. водяных солнечно-нагревательных установок уже существовало во Флориде. Экономия электроэнергии исчислялась 150 тыс. кВт-ч каждый день. Низкие цены на нефть и электричество в 60-е годы сделали эти установки сравнительно менее экономичными, но сегодня несколько миллионов солнечных обогревателей построено во 'зсем мире, 3,5 млн. - только в Японии. Европейские фирмы также проявляют большой интерес к этой новой технологии, так что можно надеяться, что такие установки получат еще более широкое распространение..