3. Енергетична характеристика сонячного випромінення

Сонце - гігантський „термоядерний реактор”, який працює на водні і щосекунди шляхом плавлення переробляє 564 млн т водню на 560 млн т гелію. За 1 с виробляється енергії більше, ніж 6 млрд АЕС змогли б виробити за рік. Завдяки захисній оболонці атмосфери лише частина цієї енергії досягає поверхні Землі.

Енергія, що йде від Сонця, розповсюджується у вигляді електромагнітного випромінювання в діапазоні від коротких радіохвиль довжиною ЗО м до рентгенівських променів з довжиною хвилі 10^-10 м. Частина електромагнітних коливань відбивається і/або поглинається атмосферою, хмарами, і та частина, яка досягає поверхні Землі, є сонячною радіацією.

Сонячна радіація - це електромагнітне випромінювання, що зосереджується в основному в діапазоні хвиль довжиною 0,28- 3,0 мкм.

Сонячний спектр складається:

- з ультрафіолетових хвиль довжиною 0,28-0,38 мкм, які є невидимими для людського ока і становлять приблизно 2 % сонячного спектра;

- зі світових хвиль у діапазоні 0,38-0,78 мкм (380-780 нм), які становлять приблизно 49 % спектра;

- з інфрачервоних хвиль довжиною 0,78-3,0 мкм, на частку яких припадає більша частина сонячного спектра

-49 %.

Решта частини спектра відіграє незначну роль у тепловому балансі Землі.

Потужність сонячної радіації на 1 м² поверхні Землі дорівнює 1359 Вт/м², ця величина є сонячною сталою.

Широтні зміни радіаційного балансу поверхні землі, які залежать від рівня радіації, температури, вологості повітря, вітру, опадів, що є результатом обертання Землі навколо своєї осі і Сонця.

Значна частина території України характеризується середньою інтенсивністю сонячної радіації. За реальних умов хмарності річний прихід сумарної сонячної радіації знаходиться на рівні 1050 — 1450 кВт-год/м² при загальному збільшенні з півночі на південь. При цьому внесок розсіяної радіації становить 40-50 %.

Найбільша кількість годин сонячного сяйва (2300-2400) спостерігається в Криму та на узбережжях Чорного й Азовського морів. У степовій Україні - 2000-2200 год/рік, у напрямку Полісся і на сході України - 1740-1840 год/рік, у низинах Закарпатської області - 2025 год/рік. Найбільш сонячні місяці - травень-серпень, найменше сонячного сяйва - в листопаді-лютому.

4. Сонячна теплоенергетика

Системы солнечного теплоснабжения классифицируются следующим образом:

• системы «активного» солнечного теплоснабжения, использующие «активные» установки на основе солнечных коллекторов с циркуляцией теплоносителя, в качестве которого могут применяться жидкость (вода, растворы солей) и газ (воздух);

• системы «пассивного» солнечного отопления, в которых разные конструкционные элементы сооружения служат в качестве теплоприемников солнечной энергии;

• комбинированные системы солнечного теплоснабжения, в которых использованы элементы «пассивного» и «активного» солнечного теплоснабжения.

В современных низкои среднетемпературных системах теплоснабжения (до 100°С), применяющихся для превращения солнечной энергии в низкопотенциальное тепло для горячего водоснабжения, отопления и других тепловых процессов, основным элементом является плоский коллектор, представляющий собой гелиоприемный абсорбер, в котором циркулирует теплоноситель, конструкция плоского солнечного коллектора теплоизолирована с тыльной и застеклена с лицевой стороны. Особенностью плоского коллектора является то, что он улавливает как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию. Объемы таких систем рассчитываются в квадратных метрах солнечных коллекторов.

В системах высокотемпературного теплоснабжения (выше 100°С) применяют высокотемпературные солнечные коллекторы. На данное время наилучшим из них считается концентрирующий солнечный коллектор, представляющий собой параболический желоб с черной трубкой в центре, на которой фокусируется солнечное излучение. Такие коллекторы очень эффективны в промышленности или для производства пара в электроэнергетике. Их недостатком является невозможность использования рассеянной солнечной радиации.

В обычных плоских коллекторах практически невозможно получить температуру теплоносителя выше 100°С. Увеличения рабочей температуры теплоносителя до 250–300°С можно достичь с помощью вакуумных стеклянных солнечных коллекторов. Как теплоноситель в коллекторах могут использоваться вода, раствор этиленгликоля и пропиленгликоля, силиконовое масло, а также воздух.

Пассивные солнечные системы являются более простыми и дешевыми по сравнению с активными, так как не требуют дополнительных устройств поглощения, преобразования и распределения солнечной энергии. Пассивное использование энергии Солнца для отопления зданий осуществляется за счет планировочных, архитектурно-конструктивных решений, застекления, когда все здание может быть рассмотрено как коллектор солнечной теплоты.

В пассивной системе должна быть оптимальная ориентация здания приблизительно вдоль оси восток-запад, на южной стороне должно быть не менее 50–70% всех окон, на северной – не больше 10%, жилые комнаты должны располагаться с южной стороны и т.п. Кроме того, предусматриваются специальные устройства – крыша-теплонакопитель, конвекционные системы и др.

Активное использование солнечной энергии может быть осуществлено с помощью солнечного соляного пруда. Такие пруды являются хорошими аккумуляторами солнечной энергии. Благодаря тому, что плотность солевого раствора в нижних слоях по сравнению с верхними значительно выше, в таких прудах практически отсутствует конвективный тепломассообмен, в результате чего в придонной зоне пруда создается слой воды с высокой температурой. На активном использовании теплового действия солнечных лучей базируются солнечные энергетические печи, обогрев бассейнов, опреснение морской и засоленной воды, получение дистиллированной воды, солнечные бытовые печи, сушка сельскохозяйственных продуктов и др.