Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Рис. 2.15. Сценарий развития мировой энергетики

Таблица 2.1

Установки ВИЭ в Республике Беларусь по состоянию на 01.08.2017 г.

71

Рис. 2.16. Баланс возобновляемых источников энергии

вБеларуси, % (2016 г.)

2.2.Солнечная энергетика

2.2.1.Солнечное излучение и его характеристики

Солнечная энергия излучается в пространство благодаря термоядерной реакции, которая протекает внутри звезды.

На землю падает поток энергии, равный 174·1015 Вт. Основной величиной, характеризующей этот вид энергии, является солнечная постоянная, т. е. плотность потока излучения, падающего на площадку, перпендикулярную этому излучению и расположенную над атмосферой. Ее численное значение составляет около 1353 Вт/м2.

Проходя через атмосферу, солнечное излучение ослабляется, частично пронизывает атмосферу прямыми лучами и достигает земной поверхности в виде прямого и рассеянного излучения (рис. 2.17, 2.18). На уровне Земли солнечная постоянная не превышает 1000 Вт/м2.

72

Солнечное излучение

Рис. 2.17. Процессы, происходящие при прохождении солнечного излучения через атмосферу

Как видно из рис. 2.18 только примерно половина энергии (89 из 174 пента Вт) достигает поверхности земли. Остальная часть энергии, как уже упоминалось, отражается атмосферой, облаками, поверхностью земли. 33 пента Вт энергии адсорбируется атмосферой. Энергия также излучается в околоземное пространство атмосферой и поверхностью земли.

Солнечное излучение, достигающее земной поверхности, неоднородно по своему составу и его можно разделить на три диапазона: ультрафиолетовый, видимое излучение и инфракрасный диапазон.

Каждый участок спектра вносит свою долю излучения: ультрафиолетовый – 7 %, видимый – 47 %, инфракрасный – 46 %.

Облученность рассматриваемой площадки зависит от географической широты, времени года, суток, наличия облаков и загрязнений в атмосфере, от угла наклона к горизонту.

Как уже упоминалось выше, солнечное излучение состоит из прямого и рассеянного (диффузного) излучения. Последнее возникает от солнечного света, который рассеивается через облака, за счет испарения и др. и попадает на поверхность земли по различным направлениям. Некоторые солнечные системы (гелиоустановки) используют

73

прямое излучение (яркое солнце), в большинстве случаев можно использовать как прямое, так и диффузное излучение.

Рис. 2.18. Количественные характеристики солнечной энергии: (earth – земля; clouds – облака; latent heat – латентная (скрытая) теплота;

PW – peta (penta) watt (1015 ватт); absorbed by land and oceans – абсорбировано землей и океанами)

Солнце является основным поставщиком энергии на нашей планете. Его излучение превышает нынешнее мировое потребление энергии в 7 тыс. раз. Если бы солнечное излучение в Сахаре использовалось на 10 %, то на площадь приблизительно 700 км на 700 км можно было бы производить нынешнюю мировую потребность в энергии (рис. 2.19). Однако, при современном развитии техники и технологий невозможно экономически выгодно обеспечить передачу энергии потребителям, находящимся в различных местах земного шара.

На географической широте Республики Беларусь солнечное излучение намного меньше, чем в Сахаре: в республике в год излучается до 1200 кВт·ч/м2. Это соответствует количеству энергии, содержащемуся в 60 литрах нефти. В целом ежегодное солнечное излучение на всей территории Беларуси составляет такое количество

74

энергии, которое превышает в 20 раз потребность в газе для выработки энергии.

Рис. 2.19. Потенциальные возможности использования солнечной энергии в пустыне Сахара

Величина солнечной радиации, приходящейся на квадратный метр поверхности, зависит в значительной степени от угла падения и, соответственно, от времени года. Как видно из табл. 2.2, месячное излучение на территории г. Минска изменяется примерно от

12 кВт ч/м2 (декабрь) до 158 кВт ч/м2.

2.2.2. Общая характеристика технологий использования солнечного излучения. Пассивное использование солнечной энергии

Технологии использования солнечной энергии можно классифицировать следующим образом:

–пассивное использование солнечного излучения;

–водонагрев (солнечные тепловые коллекторы) (рис. 2.20, а);

–фотоэлектричество (фотоэлектрические модули) (рис. 2.20, б);

75

–использование концентрированного солнечного излучения

(рис. 2.20, в);

–использование солнечного излучения для получения топлива (например, водорода).

Таблица 2.2

Ежемесячное солнечное излучение на территории г. Минска и г. Василевичи (кВт ч/м2)

Рис. 2.20. Варианты использования солнечной энергии

Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества,

76

т. е. в тепловую энергию. При пассивном использовании солнечного излучения нагрев объектов, например, внутренних помещений жилых зданий, осуществляется за счет прямого поглощения солнечного излучения, конструкциями, мебелью и другими предметами, находящихся внутри помещения (рис. 2.21). Результатом этого является повышение температуры и, соответственно, снижение тепловой энергии, требуемой для обогрева зданий за счет других источников (котельные, электрический обогрев и др.). Это направление в домостроении получило название «солнечная архитектура».

Важным с точки зрения пассивного использования солнечной энергии является учет следующих факторов (рис. 2.22):

–ориентация строения на юг;

–его максимальная теплоизоляция;

–распределение жилых помещений на солнечной стороне;

–минимизация внешних затеняющих элементов;

–отсутствие затенения зданий при квартальной застройке;

–использование внутри помещений элементов его отделки и материалов, максимально поглощающих солнечную энергию и имеющих повышенную теплоемкость (плитка темных оттенков, мраморные подоконники, отсутствие обоев и т. п.)

Рис. 2.21. Пассивное использование солнечной энергии в домостроении

77

а

б

Рис. 2.22. Размещение здания и особенности его конструкции в солнечной архитектуре

Как видно из рис. 2.21, 2.22 применение специальных выступающих элементов конструкции здания позволяет обеспечить проникновение солнечных лучей внутрь помещений в зимнее время, а в летнее горячее время ограничить нагрев за счет солнечной энергии. Можно также отметить, что зашторивание окон вместе с остеклением (рис. 2.23) обеспечивает проникновение в дом только 12,1 % тепловой и 8 % радиационной составляющей солнечной энергии.

78

Рис. 2.23. Влияние зашторивания и остекления на проникновение в дом солнечной энергии

Преимущества солнечной архитектуры:

–летом отсутствует перегрев, вызванный солнечным излучением, и поэтому уменьшается необходимость охлаждения;

–зимой солнечное излучение используется максимально, уменьшая необходимость отопления;

–при планировании домов используются только пассивные решения, такие как расположение и величина окон, расположение здания по отношению к сторонам света и т. д., поэтому не происходит дополнительного энергопотребления и загрязнения окружающей среды;

–является экономически целесообразным, так как пассивные, являющиеся частью здания компоненты служат столько же, сколько само здание;

–поскольку используются традиционные архитектурные элементы, это не влияет на внешний облик здания;

–уменьшает использование углеводородного топлива;

–препятствуетдальнейшему развитиюклиматическихизменений.

79

Недостатки солнечной архитектуры:

–архитектуру пассивной солнечной энергии следует учитывать при проектировании здания;

–здание может иметь невыгодное для максимального использования солнечного излучения местоположение;

–в случае зданий, находящихся под защитой (исторические), могут возникнуть препятствия при изменении их внешнего вида;

2.2.3. Преобразование солнечной энергии в тепловую. Тепловые коллекторы, конструкции, применение

Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Схема использования солнечных водонагревательных коллекторов

Солнечные водонагревательные коллекторы можно классифицировать по следующим характеристикам:

1)по конструкции систем циркуляции жидкости: а) открытые (рис. 2.25, а); б) закрытые (рис. 2.25, б).

80