Использование солнечной радиации

                                             Содержание

   Введение…………………………………………………………..2

1. История использования солнечной радиации ………………3
2. Общие сведения о солнце…………………………………….4
3. Солнце как источник энергии………………………………..5
4. Использование солнечной радиации…………………………7
1. Солнечные коллекторы……………………………….8
2. Термосифон……………………………………………10
3. Обогрев бассейна……………………………………...11
4. Отопление помещений………………………………..12
5. Солнечные печи……………………………………….13
6. Солнечные тепловые электростанции……………….14
7. Солнечные пруды……………………………………..15
8. Солнечные концентраторы…………………………...16
9. Промышленное использование солнечного тепла….16

    Заключение………………………………………………………18

     Список литературы……………………………………………...20

                                                  Введение

       Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.

Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.

                             1.  История использования солнечной радиации

   Исторически сложилось так, что на проектирование зданий влияли местные климатические условия и доступность строительных материалов. Позднее человечество отделило себя от природы, идя по пути господства и контроля над ней. Этот путь привел к однотипному стилю зданий практически для любой местности. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды. Комната была теплее других, и для ее обогрева требовалось меньше дров. В известных римских банях в I-IV ст. н. э. специально устанавливались большие окна, выходящие на юг, для того чтобы больше солнечного тепла поступало в здание. К VI ст. солнечные комнаты в домах и общественных зданиях стали настолько обычны, что Джастиниан Коуд ввел "право на солнце", чтобы гарантировать индивидуальный доступ к солнцу. В XIX веке были очень популярны оранжереи, в которых было модно прогуливаться под сенью пышной растительной листвы.

            Из-за перебоев с электроэнергией во время второй мировой войны к концу 1947 года в Соединенных Штатах здания, пассивно использующие солнечную энергию, пользовались таким огромным спросом, что "Libbey-Owens-Ford Glass Company" издала книгу под названием "Ваш Солнечный Дом", в которой были представлены 49 лучших проектов солнечных зданий. В середине 50-х годов ХХ века, архитектор Франк Брайдджерс разработал первое в мире пассивное солнечное здание для офисного помещения. Установленная в нем солнечная система для горячего водоснабжения работает с того времени бесперебойно. Само же здание "Брайдджерс-Пэкстон" занесено в национальный исторический регистр страны как первое в мире офисное здание, обогреваемое при помощи энергии Солнца.

     Низкие цены на нефть после второй мировой войны отвлекли внимание населения от солнечных зданий и вопросов энергоэффективности. Начиная с середины 1990-х, рынок меняет свое отношение к экологии и использованию возобновляемой энергии, и в строительстве появляются тенденции, для которых характерно сочетание проекта будущего здания с окружающей природой.

                                  2. Общие сведения о солнце

Солнце - центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та печка, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света - квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это

конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.

Фотосфера - это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое "зерно" размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области - солнечные пятна. Они на 1500?С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800?С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть "окрашенной сферой". Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы - корона.

                              3. Солнце как источник энергии

           Наше Солнце - это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые

виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% - на процесс образования фотосинтеза в природе.

                            4. Использование солнечной радиации

Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы. Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы. Также в настоящее время ведутся разработки фотоэлектрических систем - это системы, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество.

Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом, трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра или воды. Энергия Солнца "управляет" погодой на Земле. Большая доля солнечной радиации поглощается океанами и морями, вода в которых нагревается, испаряется и в виде дождей выпадает на землю, "питая" гидроэлектростанции. Ветер, необходимый ветротурбинам, образуется вследствие неоднородного нагревания воздуха. Другая категория возобновляемых источников энергии, возникающих благодаря энергии Солнца - биомасса. Зеленые растения поглощают солнечный свет, в результате фотосинтеза в них образуются органические вещества, из которых впоследствии можно получить тепловую и электрическую энергию. Таким образом, энергия ветра, воды и биомассы является производной солнечной энергии.

Энергия - это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, в значительной степени способствовало индустриализации и развитию общества.

Солнечная энергия используется в следующих случаях:

• обеспечение горячей водой жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий;

• подогрев бассейнов;

• отопление помещений;

• сушка сельскохозяйственной продукции и др.;

• охлаждение и кондиционирование воздуха;

• очистка воды;

• приготовление пищи.

Применяемые технологии являются полностью разработанными, а первые две - в благоприятных условиях также экономически целесообразны. Смотрите ниже отдельную статью о коллекторах-концентраторах, которые с выгодой применяются для производства электроэнергии, особенно в регионах с большим количеством солнечной радиации.

4.1 Солнечные коллекторы

С древнейших времен человек использует энергию Солнца для нагрева воды. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца и преобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, использующих тепло.

Для типичного жилого дома или квартиры в Европе и Северной Америке нагрев воды - это второй по энергоемкости домашний процесс. Для ряда домов он даже является самым энергоемким. Использование энергии Солнца способно снизить стоимость бытового нагрева воды на 70%. Коллектор предварительно подогревает воду, которая затем подается на традиционную колонку или бойлер, где вода нагревается до нужной температуры. Это приводит к значительной экономии средств. Такую систему легко установить, она почти не требует ухода.

В наши дни солнечные водонагревательные системы используются в частных домах, многоквартирных зданиях, школах, автомойках, больницах, ресторанах, в сельском хозяйстве и промышленности. У всех перечисленных заведений есть нечто общее: в них используется горячая вода. Владельцы домов и руководители предприятий уже смогли убедиться в том, что солнечные системы для нагрева воды являются экономически выгодными и способны удовлетворить потребность в горячей воде в любом регионе мира.

Типы солнечных коллекторов.

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Их можно разделить на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

• Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода.

• Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.

• Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

          4.2 Термосифон

Термосифонными называются солнечные водонагревательные системы с естественной циркуляцией (конвекцией) теплоносителя, которые используются в условиях теплой зимы (при отсутствии морозов). В целом это не самые эффективные из солнечных энергосистем, но они имеют много преимуществ с точки зрения строительства жилья. Они просты в изготовлении и в большинстве своем работают без помощи электронасоса. Термосифонная циркуляция теплоносителя происходит благодаря изменению плотности воды с изменением ее температуры. Когда вода в коллекторе (обычно в плоском) нагревается, она поднимается по стояку и поступает в бак-накопитель; на ее место в коллектор со дна бака-накопителя поступает холодная вода. Поэтому необходимо располагать коллектор ниже бака-накопителя и утеплять соединительные трубы.

Термосифонным системам свойственны проблемы, связанные с замерзанием и разрывами коллекторов, что случается даже в теплых регионах, где мороз случается всего раз или два в году. Достаточно одной морозной ночи, чтобы незащищенный коллектор получил повреждения. Для защиты от замерзания иногда используют медные трубки толщиной 10 см и хорошо утепленные корпуса с двойным остеклением. Объем воды в такой системе слишком велик, что позволяет предотвратить замерзание и разрыв при небольшом морозе. Такие установки популярны в субтропических и тропических областях.

4.3 Обогрев бассейна

Системы подогрева воды для бассейнов - весьма полезное вложение денег. Департамент энергетики США выяснил, что плавательные бассейны по всей стране потребляют колоссальное количество энергии, и признал обогрев бассейнов одним из наиболее экономически выгодных путей снижения потребления энергии. В США и Европе солнечные обогреватели для бассейнов используются практически повсеместно. Только в Соединенных Штатах свыше 200000 бассейнов обогреваются солнечной энергией. Самые старые из этих систем находятся в эксплуатации уже более 25 лет и показали себя экономичными, высоконадежными, требующими минимального ухода. Важно отметить, что они хорошо работают и экономят деньги в течение купального сезона даже в условиях северного климата. Существуют солнечные системы для закрытых бассейнов, а также для крупных городских и коммерческих бассейнов.

Несмотря на то, что стоимость такой установки меняется в зависимости от размера бассейна и других специфических условий, если солнечные системы устанавливаются с целью снижения или отказа от потребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года окупаются за счет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на несколько недель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.

В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогреватель для бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому в бассейн подается вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установить абсорбер. Закрытые бассейны требуют установки стандартных коллекторов, чтобы обеспечить теплую воду и зимой.

Хотя чаще всего коллекторы устанавливают на крыше, для этого подходит любое место, куда большую часть дня поступает солнечный свет. Вид крыши и материалы, из которых она сделана, не имеют значения. Площадь коллекторов для данного бассейна рассчитывается, исходя из площади самого бассейна. Правильное соотношение площади бассейна к площади солнечного коллектора будет меняться в зависимости от таких факторов, как его размещение, ориентировка относительно Солнца, количество тени, падающей на бассейн и коллектор и желаемая продолжительность купального сезона. Однако в целом площадь коллектора обычно составляет 50 -- 100% от поверхности бассейна.

4.4 Отопление помещений

Выше мы говорили только о нагреве воды при помощи солнечной энергии. Активная солнечная отопительная установка может не только обеспечивать горячую воду, но и дополнительное отопление через систему центрального теплоснабжения. Для обеспечения производительности такой системы температура центрального отопления должна быть минимальной (желательно около 50 о C), также необходимо аккумулировать тепло для отопления. Удачным решением является комбинация солнечной отопительной установки с подогревом пола, при котором пол является тепловым аккумулятором.

Солнечные установки для отопления помещений менее выгодны, чем водонагреватели как с экономической, так и с энергетической точки зрения, так как отопление редко требуется в летнее время. Но если летом нужно отапливать помещения (например, в горных районах), то тогда отопительные установки становятся выгодными. В Центральной Европе, например, около 20% общей тепловой нагрузки традиционного дома и приблизительно 50% дома с низким энергопотреблением можно обеспечивать за счет современной активной солнечной системы, оснащенной системой аккумулирования тепла. Оставшееся тепло должно обеспечиваться за счет дополнительной энергоустановки. Чтобы увеличить долю энергии, получаемой от Солнца, нужно увеличивать объем аккумулятора тепла.

В Швейцарии конструируют солнечные установки для частных домов с хорошо утепленными накопительными баками вместительностью 5-30м3 (так называемые, системы Дженни), но стоят они дорого, а хранение горячей воды часто непрактично. Солнечный компонент системы Дженни превышает 50% и даже достигает 100%.

Если бы вышеописанная система полностью работала за счет солнечной водонагревательной установки, то понадобился бы коллектор площадью 25 м2 и бак-накопитель объемом 85 м3 с теплоизоляцией толщиной 100 см. Увеличение теплоемкости аккумулятора энергии приводит к значительному улучшению практических возможностей аккумулирования.

Хотя отопление индивидуальных жилых домов при помощи солнечной энергии является технически возможным, более экономически выгодным на сегодняшний день является вложение средств в теплоизоляцию для сокращения потребности в отоплении.

4.5 Солнечные печи

Успешное использование солнечных печей (плит) отмечалось в Европе и Индии уже в 18-м веке. Солнечные плиты и духовые шкафы поглощают солнечную энергию, превращая ее в тепло, которое накапливается внутри замкнутого пространства. Поглощенное тепло используется для варки, жарки и выпечки. Температура в солнечной печи может достигать 200 градусов Цельсия.

Солнечные печи бывают разных форм и размеров. Приведем несколько примеров: духовой шкаф, печь-концентратор, рефлектор, солнечный пароварочный аппарат и т.д. При всем разнообразии моделей, все печи улавливают тепло и удерживают его в теплоизолированной камере. В большинстве моделей солнечный свет непосредственно воздействует на пищу.

4.6  Солнечные тепловые  электростанции

В дополнение к прямому использованию солнечного тепла, в регионах с высоким уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. Промышленное применение этой технологии берет свое начало в 1980-х; с тех пор эта отрасль быстро развивалась. В настоящее время энергокомпаниями США уже установлено более 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 млн баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (в американском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной мощности и накопили 100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является настолько развитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционными электрогенерирующими технологиями во многих районах США. В других регионах мира также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для выработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатывают соответствующие программы, гранты для их финансирования предоставляет Глобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

          4.7  Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах.

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли - на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный "рассол" используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна наповерхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

4.8 Солнечные концентраторы

Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду.

Большие зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма "Luz Corp." установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят 354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %.

4.9  Промышленное использование  солнечного тепла

Не только домашние хозяйства, но и предприятия используют солнечные водонагреватели для предварительного подогрева воды перед последующим применением других методов, чтобы довести ее до кипения или испарения. Меньшая зависимость от колеблющихся цен на энергоносители - еще один фактор, делающий солнечные системы привлекательным вложением денег. Обычно, установка солнечного водонагревателя влечет за собой быструю и существенную экономию энергии. В зависимости от необходимого объема горячей воды и местного климата, предприятие может сэкономить 40-80% стоимости электричества и других энергоносителей. Например, ежедневная потребность в горячей воде в 24-этажном офисном здании Кук Джей в Сеуле (Южная Корея), обеспечивается более чем на 85% за счет солнечной водонагревательной системы. Система работает с 1984 года. Она оказалась настолько эффективной, что перекрыла плановые показатели и обеспечивает, сверх того, от 10 до 20 % годовой потребности в отоплении.

                                                  Заключение

В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказываться от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.