4. Другие применения солнечной энергии

Солнечную энергию можно использовать не только для подогрева воды, но и для подогрева воздуха, просушивания зерна, обогрева зда­ний. Эти приложения имеют важное значение для экономики. Значи­тельная часть урожая в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить правильным просушиванием. Частичная разгрузка энергетики, связанная с проектированием или пе­рестройкой зданий для использования солнечного тепла, позволит сэко­номить громадные средства, которые затрачиваются на топливо. Тепло­вые двигатели, эффективность которых возрастает с повышением рабо­чей температуры, очевидно, также могут использовать солнечное тепло. Высокие температуры можно получить при концентрации потока сол­нечного излучения на малой площади.

Рассмотрим кратко некоторые возможности использования сол­нечной энергии.

1. Подогреватели воздуха

Теплый воздух необходим для просушки зерна и обогрева жилищ. Солнечные нагреватели воздуха подобны нагревателям воды, в которых жидкость нагревается, контактируя с поглощающей излучение поверх­ностью.

Плотность воздуха составляет 0,001 плотности воды, поэтому при том же энерговкладе объемный расход воздуха может быть гораздо вы­ше. Однако, поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем теплопроводность воды, для сходных условий передача энергии от при­емной поверхности к теплоносителю происходит намного слабее. По­этому нагреватели чаще всего изготавливают с шероховатыми прием­ными поверхностями или с поверхностями, на которых нарезаны канав­ки для увеличения площади и усиления турбулентности, необходимой для теплопередачи в воздухе. Альтернативный вариант состоит в увели­чении контактной поверхности при использовании пористых или сетча­тых приемников.

Нагреватели воздуха дешевле водяных, так как в них не требуется заливать тяжелую жидкость, их можно изготовить из светлых местных материалов и нет необходимости защищать от мороза.

2. Зерносушилки

Большинство культур перед закладкой на хранение необходимо просушить, иначе насекомые и плесневые грибки, которые быстро раз­множаются в условиях повышенной влажности, сделают их непригод­ными к употреблению. В зерносушилках происходит перенос влаги от сельскохозяйственной культуры в окружающий воздух.

Во время просушивания зерно будет отдавать влагу воздуху до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное содержание влаги, значение которого для данного продукта зависит от температуры и влажности окружающего воздуха.

Процесс просушивания происходит неравномерно. Большая часть влаги содержится в сельскохозяйственных продуктах в виде жидкости, попавшей в поры, которая быстро теряется после уборки урожая. Ос­тавшаяся часть воды, обычно 30.40 %, связана на поверхности про­дукта химически и поэтому удалить ее труднее. Зерно необходимо про­сушить достаточно быстро, в течение нескольких дней после уборки урожая, так как в сыром или даже влажном зерне быстро разрастается плесень.

В странах с холодным климатом большая часть энергии расходу­ется на отопление зданий зимой.

Пассивные солнечные системы. Идея пассивной отопительной солнечной системы состоит в выборе приемлемой площадки с обра­щенной к Солнцу поверхностью так, чтобы получить оптимальное ко­личество солнечного тепла для данной строительной конструкции. Пер­вый шаг состоит в обеспечении качественной изоляции здания, вклю­чающей предупреждение сквозняков и устройство контролируемой вен­тиляции с регенерацией тепла.

Считается, что качественно спроектированный дом можно обогре­вать от Солнца, однако конструирование пассивных солнечных отопи­тельных систем на практике оказывается более сложным. Такой дом на­гревается до необходимой температуры только к середине дня. Однако тепло в доме необходимо поддерживать и ночью, кроме того, в доме требуется вентиляция.

Недостатком простых систем прямого нагрева является то, что в таком доме может быть слишком жарко в течение дня, особенно летом. Это неудобство может быть уменьшено, если делать достаточно боль­шим козырек крыши.

Активные солнечные системы. В активных солнечных системах используются внешние нагреватели воздуха или воды. Такие системы легче контролировать, чем чисто пассивные, кроме того, их можно ус­танавливать на существующие здания.

Использование водонагревательных систем требует наличия теп­лообменников, для воздухонагревательных систем необходимы системы воздухопроводов. Циркуляция теплоносителей осуществляется с помо­щью насосов или вентиляторов. Активные солнечные системы, так же как и пассивные, хорошо работают только при минимальных потерях тепла.

Приведем конкретный пример использования солнечной энергии для отопления жилого дома (рис. 6.4).

Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широ­те 55°, поступающей в сутки на 20 м горизонтальной поверхности, со­ставляет 50.60 кВт-ч. Это соответствует затратам энергии на отопле­ние дома площадью 60 м .

Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснаб­жения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам

подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносите­ля по сравнению с жидкостным очевидны:

•S нет опасности, что система замерзнет;

•S нет необходимости в трубах и кранах;

S простота и дешевизна.

Недостаток - невысокая теплоемкость воздуха.

Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена ма­товой краской, не дающей запаха при нагреве. Ширина короба около 60 см. В части расположения солнечного коллектора на доме предпоч­тение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строитель­стве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с наклонным коллек­тором (например, занимающим часть крыши), не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

Рис. 6.4. Режимы солнечного теплоснабжения

Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспри­нимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально имеем в средней полосе. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного ото­пления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциаль­ную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориенти­рованном на юг (допустимо отклонение до 30° на восток или на запад).

Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также же­лание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктуют необходи­мость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепло­вую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воз­дух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

Для дома площадью 60 м объем аккумулятора составляет от 3 до

6. м . Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиоси­стемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в кон­кретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис. 6.4):

• отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

• отопление от аккумулятора (б);

• аккумулирование тепловой энергии (в);

• отопление от коллектора (г).

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух подни­мается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горя­чий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью венти­лятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретым.

В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает по­требности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60 %.