IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Солнце, как известно, является главным источником тепла и жизни на Земле. Солнечная энергия, падающая на поверхность планеты, в среднем 341 Вт/м². Источники тепла самой планеты в сравнении с этими данными незначительны. Около 30% из указанного числа отражается, а оставшаяся часть поглощается почвой и частично атмосферой. Поглощаемая поверхностью часть составляет 161 Вт/м². Из этого количества около 40 Вт/м² излучается Землей в космос в виде инфракрасных лучей и еще часть передается атмосфере, которая, в свою очередь, часть поглощаемой энергии излучает в космос, а часть возвращает на землю. Таким образом, выполняется баланс получаемой и излучаемой энергии. Непосредственно же поглощаемая энергия поверхностью составляет в сумме161+332 Вт/м² Человечество либо использует энергию Солнца законсервированную на планете в виде полезных ископаемых, либо только в последнее время, при чем в небольших количествах, преобразует в электрическую с помощью дорогостоящих фотоэлементов с последующим малоэффективным аккумулированием электроэнергии. Колоссальный поток тепловой и световой энергии, падающий ежесекундно на поверхность планеты, остается не использованным. (Баланс энергий представлен на рисунке 1).

Рисунок 1.

Тепловой баланс Земли

Наше предложение состоит в том, чтобы более активно использовать для бытовых и повседневных нужд людей солнечную энергию без сложных и затратных преобразований путем простого аккумулирования тепла и расходования его на подогрев воды и жилища. Кстати современные электрические аккумуляторы, по своей эффективности, оставляют желать лучшего, да и стоят не дешево. Мощность солнечного излучения при самом высоком положении Солнца составляет около 1350 Вт/м². Чтобы обеспечить бытовые нужды возьмем условно необходимую мощность за 10 кВт для этого понадобится солнечная энергия падающая на площадь 7,5 м². В средней полосе на квадратный метр, расположенный перпендикулярно солнечным лучам, падает солнечная энергия мощностью около 1 кВт. Очень важно правильно выбрать расположение солнечных панелей. От угла падения солнечного света в большой степени зависят коэффициенты поглощения и отражения лучей, что играет большую роль в практическом применении солнечных установок. Если лучи падают на стекло, то при угле падения до 30⁰ коэффициент отражения не превышает 5%, а следовательно, проходящее внутрь излучение 95% от падающего. При увеличении угла падения до 60⁰ отражение достигает 10%, далее при 70⁰ отражается 20% света, а при 80° — 40%. Изменять положение панелей в течении суток в связи с движением Солнца по небосводу технически довольно сложно и может заметно удорожить конструкцию. В течении года Солнце изменяет свою высоту на ±23°,а так как изменение угла падения лучей до 30⁰ вносит незначительные потери, то наклон панелей от перпендикуляра к поверхности практически можно выбрать равным географической широте местности. Горизонтальное расположение панелей не желательно тем, что пыль, грязь, атмосферные осадки ухудшают прозрачность стекла и даже могут полностью перекрыть световой поток. Поэтому чем больше угол наклона, тем меньше снега , пыли и дождя будет задерживаться на стекле. На практике допустимо располагать панели вертикально на стене. Вертикальная установка панелей практически гарантирует постоянное отсутствие снега на них, а вот разница в естественном запылении между вертикальными панелями и панелями, установленными с наклоном не менее 2:1, под открытым небом невелика, - небольшую пыль дожди, идущие хотя бы раз в неделю, смывают достаточно эффективно. И если с наклонных панелей сползающий тающий снег как губка стирает всю пыль, то на вертикальных панелях он не задерживается, и слой пыли там может копиться всю зиму, пока весенние дожди не смоют его.

Стекло, поверхность которого не гладкая, а имеет специальный рельеф, эффективнее воспринимает боковой свет и передаёт его на рабочие элементы солнечной панели. Наиболее оптимальным представляется волнообразный рельеф с ориентацией выступов и впадин с севера на юг (для наклонных и вертикальных панелей — сверху вниз), — своеобразная линейная линза. Правильно выбранное рифлёное стекло способно добавить к суточной выработке неподвижной панели до 5%, не ухудшая условий для естественного смывания пыли и схода снега.

Если расчеты, проведенные для среднего значения тепловой энергии Солнца и для средней географической широты России, дают такие впечатляющие результаты, то южный регион, в частности ЮФО и СКФО природой наделены еще большим световым и тепловым потоком.

В настоящее время в России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределёнными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5—2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1 % в энергобалансе. Но здесь учитывается превращение солнечной энергии в электричество и большим препятствием является высокая стоимость солнечных батарей [2].

Мы же акцентируем внимание на аккумуляции тепловой солнечной энергии и использование ее для бытовых нужд. В этом направлении делается еще меньше, хотя не требуется дорогостоящих вложений. Посещая Турцию или Египет, можно заметить на крышах даже многоэтажных зданий емкости с водой, которые бесплатно греет жаркое солнце. Конечно, Россия это не Турция, но на юге нашей страны (мы живем на 45-ой параллели) не менее жарко и достаточно много солнечных дней, однако, практика использования бесплатного источника энергии не получила должного распространения.

Теплоаккумуляторная установка это просто. Это коллектор (в нашей установке это стальной радиатор отопления, окрашенный черной краской, помещенный в деревянный ящик, с боков и снизу обложен пенопластом, сверху закрыт стеклянной рамой и установлен на юг с наклоном 45⁰), расположенный на южной вертикальной стене здания и аккумулятор тепла (Теплоизолированный бак емкостью 200 литров), установленный выше коллектора и соединенный с коллектором двумя трубами. Вода циркулирует самотеком за счет разности плотности горячей и холодной воды. Таким простейшим устройством можно полностью обеспечить потребность в горячей воде и для мытья посуды, и для душа. Хорошо теплоизолированный бак сохраняет теплую воду почти до утра.

В наших (южных) условиях продолжительность использования установки проверена девять месяцев в году. При улучшенной теплоизоляции и двойном остеклении, возможно, довести до круглогодичного использования. С учетом того, что в нашей местности, даже зимой, при отрицательных температурах, солнце горячее и количество солнечных дней велико, подобные установки могли бы не только обеспечивать горячее водоснабжение, но и до 30 % снизить затраты на отопление. Высокий экономический эффект при несравнимо низких материальных затратах обеспечит быструю окупаемость капитальных вложений в оборудование квартир теплоаккумуляторными установками.

Особенно интересно применение солнечных установок для приведения в действие всё шире распространяющихся, но весьма «прожорливых» кондиционеров. Ведь чем сильнее светит солнце, тем жарче и тем нужнее кондиционер. Но в таких условиях и солнечные установки способны выработать больше энергии, причём эта энергия будет использована кондиционером именно «здесь и сейчас», её не надо аккумулировать и хранить! К тому же совсем необязательно преобразовывать энергию в электрическую форму — абсорбционные тепловые машины используют тепло непосредственно, а это значит, что вместо фотоэлектрических батарей можно использовать солнечные коллекторы, наиболее эффективные как раз в ясную жаркую погоду.

Список использованных источников

1. Бедрицкий, А. И. Роль зеленых технологий в смягчении глобальных изменений климата / А. И. Бедрицкий // Энергонадзор и энергобезопасность. - 2012. - № 4. - С. 36-38. - (Возобновляемые источники энергии).

2. Патыко, Дмитрий. «Карманная» энергетика с зеленым характером / Дмитрий Патыко // Изобретатель. - 2012. - № 8. - С. 24-25. - (Наука и жизнь).

3.Кондратьев К. Я., Радиационные факторы современных измерений глобального климата. Л., 1980;

4.Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

5.http://khd2.narod.ru/gratis/solar.htm

Код для цитирования: Скопировать