Где больше всего на земле аккумулируется энергии

Главная Информация

Солнечная энергетика

Главное преимущество в использовании солнечной энергии заключается в том, что это практически неисчерпаемый источник энергии. Ежедневно Солнце отдает Земле около 1кВт энергии на каждый квадратный метр. Даже небольшой доли этой энергии человечеству хватило бы с большим запасом на многие тысячелетия вперед.

Солнечная энергетика ранее использовалась лишь в космической отрасли. Впервые солнечные батареи были использованы в 1958 году для питания космического спутника земли. С тех пор в солнечной энергетике был сделан огромный скачок, давший путь для перехода этой технологии из разряда экзотики в повседневный и привычный источник энергии. Областей применения солнечных батарей с каждым днем становится все больше.

Труднодоступные районы

Даже сейчас существуют труднодоступные районы планеты, которые подключать к ресурсам электростанций оказывается дороже, чем установить солнечную батарею, преобразующую в электроэнергию обычный дневной свет.

Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией прибайкальскую метеостанцию на склонах Хамар-Дабан

Устанавливать электростанцию на жидком или твердом топливе оказывается дороже и ущербнее для окружающей экологии, чем использовать солнечные батареи. Чаще всего ими укрывают крыши домов, так что в солнечный день они вырабатывают электричество, которого достаточно и для освещения и работы бытовых устройств. А специальный проект в Испании оказался ещё успешнее. Из экономических соображений ряд современных домов был оборудован солнечными батареями, энергия которых используется для нагрева воды. Оказавшись отключенными от электричества, дефицит горячей воды и проблема с отоплением им не грозит.

Дом с солнечными батареями на крыше не подвержен перепадам в электросети

Солнечными панелями можно оборудовать практически любой дом, например, дачу или домик в деревне, к которой не подведен «свет».

Солнечные батареи решают проблему электроснабжения домов

Аргументов в пользу солнечных электростанций не счесть, но основным из них является экологичность. Примером, где отсутствие вредных выбросов солнечными батареями в окружающую среду сделало их альтернативой традиционными источникам электроэнергии, стала солнечная электростанция, расположенная недалеко от испанского местечка Севильи. Солнечные батареи водрузили на башню, на которую направили зеркала, отражающие и фокусирующие свет. Довольными остались около 10 тысяч близлежащих домохозяйств, которые снабжаются электроэнергией, преобразованной из света от солнца.

Самая крупная солнечная электростанция в Испании имеет мощность в 20 мегаватт

Солнечные батареи оказались практически единственным источником электроэнергии за пределами Земли. Ими оснащаются все космические аппараты. Когда Солнце освещает их, они вырабатывают электроэнергию, которая аккумулируется бортовыми батареями и используется для питания оборудования в тех местах, где свет недосягаем. В отличие от атомных электрогенераторов они не выделяют вредных веществ.

Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией МКС

Солнечные батареи нашли применение и в наземном транспорте. Не так давно компания Toyota стартовала продажи своей модели Prius, оборудованной гибридным двигателем. На крыше автомобиля нового поколения располагаются солнечные батареи, от которых тот при внезапно закончившемся топливе сможет проехать ещё километров 5.

Автомобиль на солнечных батареях экологически безопасен и беспрецедентно экономичен

Солнечные батареи для бытовых нужд

Встретить солнечные батареи в рознице по разумной цене становится всё проще. На глаза они попадаются, как в виде отдельных, работающих в качестве резервного источника питания устройств, так и встраиваются в различные приборы. Например, многие помнят, как в нашу жизнь вторглись калькуляторы, практически сразу получившие небольшие панели, позволяющие им работать без батареек, лишь попав на свет.

Калькулятор на солнечных батареях может работать всегда и везде, где есть свет

Разработчики устройств, которые могут работать от альтернативных источников электроэнергии пошли ещё дальше. На свет появились аккумуляторные фонарики, которые днем можно зарядить, просто положив встроенной солнечной батареей на свет, а в темное время суток пользоваться как обычно. Получается, по сути, универсальный спутник для путешествий, способный придти на помощь там, куда не добрался электрический ток. Не менее интересным оказался проект корейской компании Samsung, представившей на свет свой недорогой мобильник E1107 Crest Solar, задняя стенка которого получила небольшую солнечную панель, которой достаточно, чтобы пополнять заряд аккумулятора без подключения к сети. При положительном балансе на счету и в зоне действия операторов без связи с этим телефоном остаться просто невозможно.

Мобильный телефон Samsung E1107 Crest Solar оснащен солнечными батареями

Впрочем, если ваш мобильный телефон, смартфон, ноутбук или другое устройство не получило от производителя альтернативного зарядника на солнечных батареях, Вы всегда можете восполнить этот недостаток. Как раз для таких случаев продаются внешние солнечные панели, многие из которых могут накапливать электроэнергию во встроенных или входящих в комплект поставки аккумуляторах, а затем отдавать её подключаемым девайсам.

Внешняя солнечная батарея для питания мобильных телефонов и других компактных устройств

А как часто вам приходилось скучать во время загородного отдыха или туристического похода без музыки или света в палатке, выбросив батарейки, которые исчерпали свой электрический заряд? Конечно, карманные солнечные батареи вряд ли помогут в этом, но вот более крупные модели вполне. Такими переносными солнечными электростанциями очень часто оснащаются походные сумки и рюкзаки, а стоят они ненамного дороже обычных моделей, без которых не обходится ни один туристический поход.

Аккумулирование энергии солнца Мировым океаном

Аккумулирование энергии солнца Мировым океаном / А. А. Вардияшвили, М. О. Мурадов, А. А. Вардияшвили [и др.]. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 5 (109). — С. 23-26. — URL: https://moluch.ru/archive/109/26612/ (дата обращения: 16.03.2024).

Мировой океан — гигантский аккумулятор энергии Солнца. Оценка различных авторов количества тепловой энергии Мирового океана расходится иногда на несколько порядков. Например, американский специалист Д. Д. Айзекс оценивает энергию градиента температур в океане цифрой 1021 Дж, а российский специалист Е. Н. Малявин — 7,51023 Дж8, поясняя, что речь идет и доступной энергии, т. е. об энергии, которую можно получить из океана при разности температур 20оС с помощью современных преобразователей. Отмечается, что запасов тепловой энергии океана хватит на тысячу лет, даже если считать ее расход по уровню потребления ХХI века. Потребление энергии во втором десятилетии ХХI в. Оценивается цифрой порядка 2,8105 млрд. кВт-ч.

Мировой океан — крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. Между верхними теплыми слоями воды, поглощающими солнечное излучение, и более холодными придонными достигается разность температур до 20 °С (рис.1). Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды.

Рис. 1. Изменение температуры океана в зависимости от глубины

Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в любую другую требует создания тепловой машины, использующей естественный перепад температур между прогретыми верхними и холодными нижними слоями вод. В первом приближении доля преобразуемой энергии может быть определена через КПД термодинамического цикла Карно

; , (1)

где Тг и Тх— температуры теплого и холодного слоев воды.

Считая в среднем, что разность температур в 12 0С на всей свободной ото льда поверхности океана площадью 3×10 м2 в слое толщиной 100 м общую тепловую мощность, сохраняющуюся в океане в любой момент времени, можно определить по формуле

,(2)

где р — плотность воды, кг/м3; v — объем нагретых вод, м3;

Принимая ср = 4,19 кДж/(кг К), величина запасенной энергии составит Дж.

В. А. Акуличев и А. К. Ильин поставили вопрос иначе: сколько можно взять энергии из океана без вреда для окружающей среды. [1] В качестве критерия они приняли допустимое понижение температуры поверхности океана на 0,5 К. Расчет сделан для перемешанного слоя вод тропической части Мирового океана в связи с использованием его энергии станциями ОТЕС. Цифра 0,5 К принята на том основании, что она близка к флуктуациям средней температуры, наблюдающимся под влиянием естественных причин. Как известно, они не превосходят нескольких десятых долей градуса. Тогда максимально допустимая мощность, которую можно снять в тропической зоне Мирового океана, составит 11 млрд. кВт. При непрерывной работе тепловых преобразователей за год такой мощностью будет выработано 0,96105 млрд. кВт-ч, или 3,41020 Дж. Цифра эта примерно втрое меньше потребления энергии, прогнозируемого на 2020 г.

Есть и другие причины, ограничивающие использование тепловой энергии Мирового океана. Речь идет о значительном выделении углекислого газа (СО2) из глубинных холодных вод, которые должны подниматься в больших количествах на поверхность для работы тепловых преобразователей. Из-за снижения давления и повышения температуры этих вод при подъеме на поверхность из них будет выделяться растворенная углекислота. Кроме выделения углекислоты могут наблюдается и другие нежелательные явления, связанные с гидродинамическими и тепловыми эффектами в океане, а также с возможными утечками рабочих жидкостей, т. е. аммиака, фреона или ядовитых веществ, необходимых для промывки теплообменников, например хлора. Все это свидетельствует о том, что вопрос об оптимальной величине съема тепловой энергии и местах наилучшего размещения станций ОТЕС достаточно сложен и нуждается в тщательном изучении.

Проекты по преобразованию тепловой энергии океана принято наименовать термином ОТЕС (осean termal energy conversion): т. е. преобразование тепловой энергии океана в механическую и далее в электрическую.

Лучи Солнца падают на него сверху. Но вспомним, что если спиральный электронагреватель опустить в стакан с холодной водой, в его верхнюю часть, то вода сверху закипает, а внизу останется холодной; объясняется это малой теплопроводностью воды.

Нет, такой способностью световые лучи не обладают. 60 % светового потока поглощается в первом метре водяной толщи. Ослабление идет по экспоненциальному закону с достаточно большим показателем степени. В результате действия этого закона на глубине в 100 м уже сумерки в полдень, когда на поверхности глаза режет от яркого солнца. На протяжении 100 м освещенность снижается от 100 тыс. до нескольких люкс. И это происходит в относительно прозрачных водах центральной части Черного моря. На глубинах в 500–600 м остатки солнечного света можно обнаружить только с помощью чувствительного фотоумножителя.

Следует заметить, что светотехнические единицы (люксы) мало пригодны для измерений в воде, лучше пользоваться энергетическими, оценивая интенсивность излучения в ваттах на квадратный сантиметр. Дело в том, что морская вода — избирательный фильтр. Она плохо пропускает длинноволновые лучи Солнца и гораздо лучше — коротковолновые. Например, если опускать в воду какой-нибудь красный предмет, скажем, диск, то он перестанет быть видимым гораздо раньше, чем белый. А перед исчезновением побелеет. Что же касается инфракрасных лучей, то они поглощаются в воде практически полностью после прохождения слоя толщиной 3–4 м.

Но на эти лучи приходится основная часть энергии в спектре излучения Солнца. Благодаря перемешиванию путем турбулентности и конвекции. Если перемешивания не будет, Солнце нагреет лишь тонкую поверхностную пленку воды и тепло не будет запасаться в достаточном количестве. Прекратится «центральное отопление» планеты, Земля замерзнет. К счастью, этого не происходит. Турбулентность исправно работает, тщательно перемешивая воды Мирового океана в поверхностном слое, а глубже эстафету по переносу тепла принимает конвекция. Это сложный и еще недостаточно исследованный процесс.

Исключительную роль в перемешивании имеет соленость вод Мирового океана. За счет испарения воды с поверхности соленость в поверхностном слое возрастает. Но более соленая вода — более тяжелая, поэтому она опускается вниз, на глубину, несмотря на то, что она теплая.

Имеется еще один вид конвекции — проникающая. В этом случае струи тяжелой воды прямо с поверхности идет далеко в глубину. Такое интенсивное и мало изученное явление наблюдалось на Средиземном море.

В результате действия этих факторов верхний слой океана обычно хорошо перемешан. Он так и называется — перемешанный. Толщина его зависит от времени года, силы ветра и географического района. Например, летом в штиль толщина перемешанного слоя на Черном море всего 20–30 м. А и Тихом океане близ экватора был обнаружен (экспедицией на научно-исследовательском судне «Дмитрий Менделеев») перемешанный слой толщиной около 700 м. От поверхности до глубины в 700 м располагался слой теплой и прозрачной воды с температурой около 27оС. Этот район Тихого океана по своим гидрофизическим свойствам похож на Саргассово море в Атлантическом океане. Зимой на Черном море перемешанный слой в 3–4 раза толще летнего, его глубина доходит до 100–120 м. столь большая разница объясняется интенсивным перемешиванием в зимнее время: чем сильнее ветер, тем больше волнение на поверхности и сильнее идет перемешивание. Такой слой скачка называют еще сезонным, поскольку глубина залегания слоя зависит от сезона года.

Океан устойчиво стратифицирован, как говорят гидрофизики. Именно благодаря этому верхние слои воды океана могут служить для нагрева рабочей жидкости в тепловых преобразователях, использующих его энергию.

Процесс преобразования тепловой энергии океана осуществляется тепловыми машинами ОТЕС, работающими за счет разности температур холодной воды Тx, поднятой с глубины, и горячей Тг забираемой с поверхности (рис.2). Горячая вода с поверхности океана 6 при температуре Тг охлаждается в испарителе 1 и испаряет теплоноситель, имеющий низкую теплоту испарения (аммиак, фреоны, вода при низком давлении). Пар поступает в турбину 2 и производит работу. В конденсаторе 5 холодная вода, забираемая из глубины океана 7, с температурой Тх, нагревается и конденсирует пар. Конденсат теплоносителя насосом 4 подается вновь в испаритель.

Рис. 2. Принципиальная схема преобразования тепловой энергии океана: 1-не паритель, 2-турбина, 3-генератор, 4-насос, 5-конденсатор, 6-теплая вода (поверхность океана), 7-холодная вода (глубины океана)

В идеальном случае для ОТЕС, работающей по замкнутому циклу, отбираемое тепло определяется по формуле (2).

На основе второго закона термодинамики максимальная механическая мощность, которую можно получить от преобразования тепла

(3)

В соответствии с формулами (2) и (3), механическая мощность идеального преобразователя тепла

(3)

Требуемый расход воды:

(4)

Если принять °С, ΔТ=20°С, 1000 кг/м3, ср=4200 Дж/(кг К), то для получения механической мощности N=1 МВт необходимый расход воды . Это показывает, что для получения больших мощностей требуются значительные потоки воды, т. е. требуется применение громоздких установок.

Как видно из формулы (4), мощность ОТЕС установки зависит от ΔТ. Опыт показал экономическую целесообразность ОТЕС в районах океана, где ΔТ >20 0С, Такие районы расположены в тропиках, между 20° северной и 20° южной широт. В этих районах в течение года температуры Тг и Т, мало изменяются, что гарантирует стабильную выработку энергии в течение года.

Широкомасштабному промышленному развитию морской и океанской тепловой энергетики способствует ряд преимуществ:

ОТЭС используют чистый, неограниченный, возобновляемый природный ресурс. Тепло поверхности морей и холодная вода глубоководья заменяют традиционные ископаемые топлива, используемые для производства электричества.
ОТЭС не воздействуют негативно на окружающую среду. Используемая в процессе работы станции вода возвращается в соответствующие океанские слои без каких-либо негативных последствий.
ОТЭС способны, наряду с электроэнергией, производить пресную воду, что особенно важно для островных наций, где поступления пресной воды ограничены.
Солнечной энергии, поступающей в верхние слои океана, более чем достаточно для обеспечения человечества чистой энергией в будущем.
Использование океанской энергии увеличивает независимость от импортируемых традиционных видов топлива, повышая тем самым энергетическую безопасность.
Холодная вода ОТЭС может также использоваться для охлаждения и кондиционирования зданий, в сельском хозяйстве, для выращивания рыбы, моллюсков и водорослей.
ОТЭС могут быть использованы для производства энергоемких газов водорода, метанола и аммиака.

Акуличев В. А., Ильин А. К. Тепловые энергетические ресурсы тропических районов Мирового океана. –Владивосток: ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1984, с. 3.
Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М.: Мир, 1987. -272 с.
Шетцле С. Аккумулирование тепловой энергии в водоносных горизонтах. М.: Энергоатомиздат, 1984. -208 с.
П. Э. Аллокулов, Б. Э. Хайриддинов, В. Д. Ким. Нетрадиционная теплоэнергетика. Издательство «Фан» АНРУз. 2009. -187 с.

Основные термины (генерируются автоматически): Мировой океан, тепловая энергия, тепловая энергия океана, вод, Холодная вода, глубина, кг К, перемешанный слой, разность температур, Тихий океан.

Топ-10 стран по использованию солнечной энергии

Германия уже который год является «флагманом» мировой солнечной энергетики, однако в 2013 году рост мощностей в стране был минимальным.

Топ-10 стран по использованию солнечной энергии

1.Германия
Установленная мощность: 35,3 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 25,5%
Германия уже который год является «флагманом» мировой солнечной энергетики, однако в 2013 году рост мощностей в стране был минимальным. Связано это с сокращением государственных дотаций производителям солнечной энергии. Впрочем, планов к 2050 году вырабатывать 80% потребляемой энергии с помощью возобновляемых источников энергии руководство страны не отменяет. Уникальной особенностью производства солнечной энергии в Германии является то, что 90% всех панелей расположены на крышах домов. Кроме того, половина солнечных электростанций принадлежит частным лицам, а не генерирующим компаниям.

2.Китай
Установленная мощность: 19,9 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 14,3%
В 2013 году Китай совершил настоящий прорыв в использовании солнечной энергетики, заняв первое место в мире по суммарному увеличению мощности (12,9 ГВт). Этого удалось достичь благодаря огромным капиталовложениям в высокотехнологичное производство. Планы руководства КНР на 2015 год еще более амбициозны: довести мощность солнечных электростанций до 35 ГВт.

3.Италия
Установленная мощность: 17,5 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 12,5%
Бум солнечной энергетики в стране начался в 2003 году. Ежегодные дотации в эту отрасль доходили до 10 млрд евро, что делало их самыми большими в мире. С 2005 по 2010 год в Италии законодательно субсидировалась электроэнергия, вырабатываемая с помощью солнечных станций. В последний год темпы роста существенно снизились, но Италия по-прежнему остается одним из главных производителей солнечной энергии, обеспечивая с ее помощью
7% потребностей страны в электроэнергии.

4.Япония
Установленная мощность: 13,5 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 9,7%
После аварии на АЭС Фукусима Япония взяла курс на развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 2011 году был принят закон, по которому энергетические компании обязали в течение 20 лет закупать электричество, полученное с помощью ВИЭ. К 2020 году в планах Страны восходящего солнца довести мощность солнечных электростанций до 28 ГВт.

5.США
Установленная мощность: 12,2 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 8,7%
США являются лидером в области финансирования исследований солнечной энергии. Кроме того, производители электроэнергии из ВИЭ пользуются широкой государственной поддержкой. Согласно оценкам Министерства энергетики США, на солнечную энергию к 2050 году будет приходиться 27% всей вырабатываемой страной электроэнергии (сейчас 1%).

6.Испания
Установленная мощность: 5,3 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 3,8%
Отличные погодные условия и щедрые государственные субсидии сделали Испанию одной из самых привлекательных стран Европы в плане развития солнечной энергетики. Сейчас на ее долю приходится 3% всей потребляемой в стране электроэнергии. Впрочем, в последние годы рост мощностей солнечных электростанций сильно замедлился из-за снижения правительственной поддержки и неблагоприятной экономической ситуации в стране.

7.Франция
Установленная мощность: 4,6 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 3,3%
Большинство солнечной энергии во Франции производится на небольших установках, подключенных к электрической сети. Согласно Национальному плану развития ВИЭ Франция к 2015 году планировала довести мощность солнечных электростанций до 3000 МВт и к 2020 году до 5400 МВт. Первая часть задуманного была с успехом реализована еще в 2012 году.

8.Великобритания
Установленная мощность: 3,4 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 2,4%
Великобритания является одной из немногих стран Европы, которая за последний год увеличила темпы развития солнечной энергетики. В 2014 году в стране была принята «Стратегия развития солнечной энергетики», по которой к 2020 году планируется довести мощность солнечных электростанций до 20 ГВт.

9.Австралия
Установленная мощность: 3,2 ГВт
Доля в общемировой солнечной генерации: 2,3%
Несмотря на благоприятные для развития солнечной энергетики климатические условия, в Австралии она находится в зачаточном состоянии. Первая солнечная электростанция промышленных масштабов начала работу лишь в 2011 году. Однако в последние годы благодаря государственной поддержке солнечная энергетика в стране развивается быстрыми темпами.

10.Бельгия
Установленная мощность: 2,8 ГВт
Доля в общемировой генерации: 2%
В планах Бельгии к 2025 году полностью отказаться от ядерной энергии, сосредоточившись на возобновляемых источниках. Большая роль в этом отводится развитию солнечной энергетики.

Технологии использования солнечной энергии в различных климатических зонах (широтах) мира

Гарантия на все поставляемое оборудование 1 год, гарантия не распространяется на отдельные части или детали в случае, если в руководстве по эксплуатации, прилагаемом к товару, отмечено, что на данные детали или части действует особый гарантийный срок.

Потенциал солнечной энергии, поступающей на Землю в 5000 раз больше потенциала ветровой энергии, и в 1500 раз больше потенциала гидроэнергии [1]. При этом, принято, что без ущерба для экологии окружающей среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной энергии [2].

Известно, что мощность солнечной радиации на поверхности Земли составляет 1,75∙10 17 Вт, что эквивалентно 5,4∙10 24 Дж энергии в год. Это в 10 раз превышает общемировые запасы органического топлива, которые оцениваются в 6,9∙10 23 Дж, или в 1000 раз превышает прогнозируемое до конца столетия общемировое энергопотребление, равное 15,3∙10 20 Дж. Следовательно, использование даже 0,1 % суммарного энергетического потенциала солнечной радиации позволит целиком удовлетворить энергетические потребности человечества до конца XXI века.

В солнечной энергетике сегодняшнего дня выделяют 3 основных направления: солнечные водонагревательные установки (коллектора), солнечные электростанции (СЭС) и фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Солнечные водонагревательные установки обычно представляют собой плоский солнечный коллектор, в котором нагревается вода, воздух или другой теплоноситель. Эти устройства характеризуются величиной площади нагрева. Суммарная площадь солнечных коллекторов в мире достигает 50 — 60 млн м 2 , что эквивалентно 5 — 7 млн т у. т. в год. В России их применение незначительное. Хотя даже для условий Сибири возможет полезный эффект.

Преобразование солнечного излучения в тепло (фототермальное преобразование) может быть как пассивным (с использованием пассивных солярных элементов зданий — застекленные фасады, зимние сады), так и активным (с использованием дополнительного технического оборудования). Эти различия можно наглядно продемонстрировать с помощью схемы рисунка 1.

Рисунок 1 — Схема использования солнечной энергии

Преимуществом пассивных систем является то, что для их эксплуатации не требуется никакого дополнительного оборудования. Используется солнечный свет, попадающий внутрь здания (сооружения) через окна или прозрачные конструкции. Данную систему следует проектировать с учетом максимального использования поступившей энергии для других помещений. Самым подходящим здесь являются капитальные дома, позволяющие на непродолжительное время аккумулировать избыток энергии. Принципиальным здесь также является вид и регулирование системы отопления.

Пассивная система должна составлять со зданием единое гармоничное целое; этого проще всего добиться в новых постройках. Старые здания можно реконструировать (сделать застекленные пристройки, веранды и т.п.). Однако здесь необходимо принимать во внимание риск перегрева здания в летний период, для чего нужно установка соответствующей системы вентиляции, аккумулирования тепла строительными конструкциями.

Энергетическая выгода пассивной системы зависит от способа использования здания — например, дополнительное застекление лоджий экономически выгодно только в том случае, когда она зимой не отапливается.

Такие активные системы, как плоские и трубчатые коллекторы практически всегда можно установить на любое существующее здание. Они используются, прежде всего, для сезонного или круглогодичного нагрева воды или воздуха (в отопительный период воздуха, поступающего в здание при проветривании), подогрева воды в бассейнах и для дополнительного отопления зданий. Однако излишки энергии в летние месяцы часто не находят применения.

Эффективность плоских коллекторов зависит, прежде всего, от разницы температур абсорбера (или передающей тепло жидкости) и окружающего воздуха. Чем выше требуется температура (например, 55 ⁰С для приготовления технической воды. Согласно правилам гигиены желательно хоты бы один раз в неделю подогревать содержание накопителя до 72 ⁰С, поскольку при эксплуатации при низких температурах и низком потреблении воды там могут размножиться вредные организмы.), тем ниже будет его эффективность. В вакуумных коллекторах, где абсорбер полностью изолирован вакуумом, эффективность уменьшается незначительно, поэтому они удовлетворительно работают и в морозные дни. Напротив, эффективность простых плоских коллекторов падает вместе с увеличивающейся разницей температур достаточно быстро.

Как правило, в средней полосе России в течение зимы солнечной энергии настолько мало, что и при использовании вакуумных коллекторов для покрытия текущих нужд требуются достаточно большие площади. Напротив, летом наблюдается значительный избыток тепловой энергии, и малоэффективные коллекторы получают достаточно солнечной энергии.

Базовым конструктивным элементом солнечного коллектора является абсорбер, например, плоская поглощающая панель с трубками для отвода теплоаккумулирующего рабочего тела. Помещением абсорбера под стеклянную панель создается солнечный коллектор, использующий «парниковый эффект». В зависимости от вида рабочего тела коллекторы подразделяются на жидкие и воздушные, или же комбинированные.

Солярные абсорберы преобразуют солнечное излучение в тепловую энергию (длинноволновое излучение). Эта энергия с помощью рабочего тела (жидкость, воздух) подается к месту использования или аккумулируется.

По форме коллекторы делятся на плоские и трубчатые (оснащены абсорбером, запаянным в вакуумную трубку). Вакуум понижает потери тепла и повышает эффективность при получении более высоких температур на выходе.

Высококачественные коллекторы оснащены абсорбером, оснащенным спектрально-селекционным слоем (особый черный цвет или гальваническое покрытие), они обладают более высокой эффективностью и могут преобразовывать и рассеянное солнечное излучение. Застекление также делается с помощью специального стекла, имеющего низкую поглощательную способность солнечного излучения и повышенную механическую прочность.

В концентрирующих коллекторах торцовая (линеарные линзы Фреснела) или отражающая поверхность (вогнутое стекло) концентрирует излучение на меньшей абсорбирующей площади. Таким образом, достигается получение более высоких температур и большей эффективности. Для этих коллекторов, как правило, необходима установка оборудования с поворотным механизмом, с помощью которого можно менять положение коллектора или абсорбера вслед за движением солнца.

Лучше всего солярная система работает, когда она спроектирована с учетом реальных местных условий (проведения расчетов, размещение коллекторов и способ использования), на основании следующих исходных данных:

количества солнечных часов и интенсивность солнечного излучения, меняющаяся в зависимости от загрязнения атмосферы (город, сельская местность, горы);
годовые колебания внешних температур, ветра или других осложняющих метеорологических явлений, прежде всего, обледенения, поскольку оно обуславливает тепловые потери коллектора;
положение — идеальное положение на юг (или с небольшим отклонением 45⁰); юго-западное положение является предпочтительным, поскольку максимальная производительность системы наступает, как правило, около 14 часов, когда в связи с максимальной дневной температурой воздуха потери минимальны; автоматический поворот коллектора за движением солнца не экономичен;
наклон солнечных коллекторов для круглогодичной эксплуатации в средней полосе России может составлять от 30 до 60⁰ относительно горизонта, в летние месяцы более выгоден угол 30⁰, а в зимние — 60⁰;
затенение коллекторов нежелательно, кратковременное затенение допускается в утренние часы;
теплопотребление в течение года в идеале должно повторять изменения солнечного излучения. Больше подходят многоквартирные дома и коттеджи. Школы, напротив, не слишком подходят, поскольку в период наиболее интенсивного солнечного излучения они, как правило, не используются.

Коллектора с естественной циркуляцией рабочего тела используют в очень простых миниатюрных системах, предназначенных, прежде всего, для сезонного обогрева. Течение рабочей жидкости в системе происходит благодаря разнице плотности охлажденной и нагретой теплоаккумулирующей жидкости. Накопитель необходимо поместить выше коллектора. Недостатком здесь является низкая регулируемость массообмена (более низкая производительность). Большинство современных коллекторов спроектировано на принудительную циркуляцию жидкости, и в связи с высоким гидравлическим сопротивлением не пригодно для естественной циркуляции. Хотя преимущества очевидны; более низкие расходы на эксплуатацию, максимальная простота, независимость от внешнего источника электроэнергии, высокая надежность.

В коллекторах с принудительной циркуляцией рабочего тела используют циркуляционный насос. Преимуществом здесь являются точное регулирование прохождения рабочего тела через коллектор, обеспечивающее большую эффективность передачи тепла. Уменьшение потока жидкости из-за гидравлических потерь можно компенсировать изменением частоты вращения рабочего органа насоса. Недостатком являются более высокие расходы на эксплуатацию, большая сложность системы, более низкая надежность, риск отключения насоса, зависимость от внешнего источника электроэнергии.

Одноконтурные системы непосредственно нагревают воду без теплообменника. Преимуществом здесь является высокая эффективность передачи тепла, более низкие расходы на эксплуатацию, простота. Недостаток заключается в возможности использования только для сезонной эксплуатации (бассейны), риск вероятности размножения бактерий и водорослей, при низких температурах есть риск замерзания воды. Использование необработанной водопроводной воды приводит к засорению и коррозии коллектора и всей системы. Используется исключительно в самом простом оборудовании для сезонного нагрева воды.

Двухконтурные системы работают с двумя теплообменниками и двумя независимыми контурами. По первому контуру нагретая рабочая жидкость подается из коллектора в теплообменник. Второй контур забирает тепло из теплообменника и передает его к месту использования (накопитель). В первый контур, как правило, заливается незамерзающая жидкость. Преимуществом является возможность круглогодичной эксплуатации. Разница в давлении в контурах дает возможность подачи различных носителей. Недостатком является более низкая эффективность вследствие потерь в теплообменнике, более высокие расходы на эксплуатацию и сложность конструкции.

Существенным преимуществом коллекторов является то, что наряду с прямым солнечным излучением они воспринимают рассеянное излучение, отраженное от облаков, предметов и т.п. [3]. Рассеянное излучение предстает как свет неба; если бы его не было, то и в дневное время небо оставалось бы черным, с четким и ярким солнечным диском.

Для нагрева воды в летний период (бассейн, душ) достаточно использование одноконтурной системы с простым абсорбентом (пластиковая панель с полостями для подогреваемой воды). Для круглогодичной эксплуатации чаще всего используется двухконтурная система с коллекторами, теплообменником и незамерзающим рабочим телом первого контура.

Солнечная энергия также может аккумулироваться в накопителях типа щебень и пр. Однако чем продолжительнее период накопления, тем данная система дороже и менее экономична; поэтому чаще всего используется кратковременная аккумулирование (несколько дней) в сочетании с гибкими отопительными системами, снижающими свою мощность, если в застекленные помещения поступает солнечная энергия.

На территориях с высоким уровнем загрязнения атмосферы необходимо учитывать сокращение эффективного излучения на 5 — 10 %, иногда до 15 — 20 %. На территориях, находящихся на высоте от 700 до 2000 м над уровнем моря, напротив, следует учитывать увеличение эффективного излучения на 5 %.

В Краснодарском крае при южной ориентации остекления в помещениях даже в самый холодный месяц зимы — январь можно удовлетворить теплопотребление в среднем на 40 — 70 %, при минимальных затратах, системой пассивного солнечного отопления. В средней полосе России их эффективность ниже, но применение недорогих средств, регулирующих поступление солнечного излучения через окна, позволяет сберечь энергию [4].

В таблице 1 приведены характеристики одного из секторов солнечной энергетики — солнечных коллекторов основных типов

Таблица 1 — Характеристика основных типов солнечных коллекторов [5]

Тип солнечного коллектора

Рабочая температура, ⁰С

Где больше всего на земле аккумулируется энергии