Уменьшается общая стоимость дома и иноверного оборудования. При качественном монтаже установки эксплуатационные качества крыши не ухудшаются,

Для этого можно использовать устройство для оттаи­вания, которое прокачивает теплую воду из аккумулято­ра в коллектор, при этом остекление прогревается и снег соскальзывает с коллектора. В иных случаях приходится удалять снег вручную с соблюдением мер предосторож­ности, чтобы не повредить остекление.

При фотосинтезе в зеленых растениях используется солнечная энергия. Механизм фотосинтеза можно пред­ставить в виде следующей реакции: хлорофилл+пСб2+ -+-пН20-{-свет-»-хлорофилл -+-пСН20+п02, где СН20 — часть молекулы углевода, содержащей один атом угле­рода. Простейший углевод глюкоза имеет формулу 6(СН20), т. е. содержит шесть атомов углерода. Диок­сид углерода и вода поглощают только ультрафиолетовое излучение и длинное инфракрасное излучение, а хло­рофилл растений поглощает весь видимый свет (с дли-

О

ной волны короче 6800 А), при этом он активируется и пе­редает свою энергию воде, которая выделяет атом водо­рода для реакции с С02. За этим процессом следуют дру­гие химические реакции, в основном контролируемые энзимами и дающие жиры, белки и углеводы. Эффектив­ность фотосинтеза в естественных условиях чрезвычай­
но низкая — около 1 %, однако ежегодный прирост био­массы по своему энергосодержанию в 10 раз превышает годовое потребление энергии в мире и в 200 раз — энер­госодержание пищи, потребляемой человечеством.

Основными источниками биомассы являются леса и сельское хозяйство. За год леса дают 7,5-1010 т био­массы, а отходы сельскохозяйственного производства — 4,2-109т биомассы. В лабораторных условиях эффек­тивность фотосинтеза достигает 35 %.

Использование фотосинтеза для выращивания быст­рорастущих растений — сахарного тростника, кенафа, подсолнечника, сорго, маниоки, сине-зеленых водорослей, переработка биомассы с помощью ‘солнечной энергии, биофотолиз воды для производства водорода, биоконвер­сия органических материалов в метан, пиролиз и хими­ческое восстановление органических материалов с полу­чением твердых, жидких и газообразных топлив — вот те технологии, которые разрабатываются для получения экологически чистого топлива^, с помощью солнечной энергии.

Производительность солнечной установки для выра­щивания водорослей зависит от интенсивности и спект­рального состава света, тепловых и гидродинамических параметров процесса, конструкции фотосинтезирующего аппарата, концентрации углекислоты, количества и со­става питательной среды, вида водорослей и т. п. Важ­ным источником биомассы являются отходы сельского хозяйства, переработки древесины, городские пищевые отходы.

Преобразование биомассы в топливо включает био­логические методы — аэробное брожение, анаэробную ферментацию, гидролиз с помощью кислот и энзимов, микробиологические и биофизические процессы, термо­химические методы — пиролиз, восстановление, гидрога­зификацию и прямое сжигание.

Из отходов можно производить синтетическую нефть и газ, биогаз и спирты, которые заменят нефтепродук­ты и природный газ, в том числе в двигателях внутрен­него сгорания.

В Бразилии производят этиловый спирт из раститель­ного сырья — сахарного тростника и маниоки, имеющих урожайность соответственно 50—60 и 15—40 т с 1 га. Выход этилового спирта составляет 70 л из 1 т сахарного тростника и 170 л из 1 т маниоки. Этиловый спирт заме­няет бензин в 50 % автопарка страны.

Большие перспективы у солнечно-водородной энерге­тики. Водород удобен для транспорта энергии на боль­шие расстояния по трубопроводам. Он является важней­шим химическим сырьем и энергоносителем, его можно применять в качестве экологически чистого (при его сжи­гании образуется вода) топлива для двигателей внутрен­него сгорания и технологических процессов для произ­водства электроэнергии в топливных элементах. Водород можно аккумулировать посредством гидридов металлов или в жидком виде. Производство водорода путем элек­тролиза воды с использованием электроэнергии, полу­чаемой на СЭС, является весьма эффективным и срав­нительно дешевым процессом. Перспективен метод получения водорода путем биофотолиза воды с исполь­зованием фотосинтеза зеленых растений или сине-зеле­ных водорослей. Разрабатываются способы получения водорода с непрямыми химическими циклами, приводя­щими к разложению воды и получению водорода при не­высоких температурах.

Г лава пятая

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ
УСТАНОВОК

Современная технология позволяет устанавливать солнечные коллекторы на существующем доме без про­блем. Затраты при этом могут быть различными в зави­симости от архитектуры дома и других особенностей,

Да, для этого можно использовать плоские отража­тели (окрашенные в белый цвет листы фанеры), распо­ложенные под углом к коллектору так, чтобы отраженное солнечное излучение попадало на коллектор. На плоской крыше они могут соединять верхний край коллекторов предыдущего рада с нижним краем коллекторов данного ряда.

Расчет солнечных установок включает определение располагаемого количества солнечной энергии, тепло- производительности солнечного коллектора и установки в целом, тепловой нагрузки отопления и горячего водо­снабжения, энергетических и геометрических характе­ристик гелиосистемы, в том числе площади поверхности коллектора, объема аккумулятора теплоты, годовой доли солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки и годо­вой экономии топлива.

Определение располагаемого количества солнечной энергии. Количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность Земли, сильно зависит от широты местности (см. рис. 1 и табл. 1). Отношение среД-

немесячных приходов солнечной радиации в июне и де­кабре с увеличением широты возрастает, и на широте 50®,с. ш. оно приблизительно равно 13. Еще в большей мере различается поступление солнечной энергии в са­мый хороший и самый плохой дни года, при этом отно­шение £макс И £мян может достигать 50. Эти данные сви­детельствуют о большом изменении в течение года коли­чества поступающей солнечной энергии, а следовательно, и о подобном изменении теплопроизводительности гелио­системы.

Для расчета располагаемого количества солнечной энергии, поступающего на наклонную лучепоглощающую поверхность, необходимо знать углы падения солнечных лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте. Положение некоторой точки А на зем­ной поверхности относительно солнечных лучей в дан­ный момент времени определяется тремя основными уг­лами — широтой местоположения точки ф, часовым уг­лом © и склонением Солнца б (рис. 66). Широта ф — это угол между линией, соединяющей точку Л с центром Зем­ли 0, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол © — это угол, измеренный в экваториальной плос­кости между проекцией линии 0А и проекцией линии, со­единяющей центры Земли и Солнца. Угол ©=0 в солнеч­ный полдень, а 1 ч соответствует 15°. Склонение Солн­

ца б — это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца б в течение года непрерывно изменя­ется — от —23°27′ в день зимнего солнцестояния 22 де­кабря до — f-23°27′ в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Склонение Солнца в данный день определяется по

формуле

где п — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января. В качестве п обычно берется номер среднего расчетного дня месяца для 1—XII месяцев года.

Ниже приводятся данные для п и б для среднего дня I—XII месяцев:

.. ……….. 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

в, град. . —20,9 —13 —2,4 9,4 18,8 23,1 21,2 13,5 2,2 —9,6 —18,9 -23

Наряду с тремя основными углами <р, ю и 6 в расче­тах солнечной радиации используют также зенитный угол z, угол высоты а и. азимут а Солнца (рис. 67).

Зенитный угол Солнца г—это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точ-

ке Л. Угол высоты Солнца о—это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма о+г равна 90°. Ази­мут Солнца а — это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг. Азимут поверхности а„ измеряется как угол между нормалью к поверхности и направлением на юг.

Связь между дополнительными и основными углами устанавливается следующими уравнениями:

зенитный угол cos z=cos б> cos ф cost 64-sin ф sin б;

угол высоты Солнца а=90—г, поэтому sin а=cos z ‘ азимут Солнца sin a—sec a cos б sin ©.

В солнечный полдень (©=0) а=0 при ф>б и а=я при ф<6.

Максимальный угол высоты Солнца достигается в солнечный полдень при ©=0, т. е. аМакс=я/2—|ф—б|.

При пользовании приведенными формулами для се­верного полушария широта ф берется со знаком «4-», а для южного — со знаком «—», склонение Солнца б имеет знак «+».для лета (от весеннего до осеннего рав­ноденствия) и знак «—» в остальное время года. Угол © изменяется от 0 в солнечный полдень до 180° в полночь, при ©<90° он имеет знак «+», а при ©>90° — знак <—». Азимут Солнца а изменяется от 0 до 180°.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ори­ентированную поверхность, имеющую азимут а„ и угол наклона к горизонту р, определяется по формуле

cos і — sin р [cos б (sin ф cos аа cos © + sin au sin ©) —

— sin б COS ф COS Оці 4- cosp [cos б cos ф cos w — f — sin б sin фі,

где ф — широта; 6 — склонение Солнца; ю — часовой угол Солнца.

Угол падения лучей на горизонтальную поверхность (Р=0)

COS / — COS б COS ф COS © — f — sin б sin ф.

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (Р=90°)

cos і = cos б (sin ф cos аа cos © +

-f — sin an sin ю)—sin б cos ф cos ап.

Азимут вертикальной поверхности аа в том случае, если она ориентирована на юг, равен 0°, на запад 90°, на

восток —90°, на север 180°. Подставляя эти значения а„ в последнюю формулу, получаем выражения — для угла падения лучей на вертикальную поверхность данной ориентации.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией (ап=0°) имеем

cos і = sin (ф — Р) sin б + COS (ф — P) COS 6 COS ft).

Для обеспечения улавливания максимального коли — — честна {за расчетный период) солнечной энергии кол­лектор обычно устанавливают в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту.

Среднемесячное дневное суммарное количество сол­нечной энергии, поступающей на наклонную поверхность солнечного коллектора, определяется по формуле

Ea = RE,

где Е — среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную по­верхность, МДж/(м2-дни); R — отношение среднемесяч­ных дневных количеств солнечной радиации, поступаю­щей на наклонную и горизонтальную поверхности.

В табл. 5 даны значения отношения R среднемесяч­ных потоков суммарной солнечной радиации, поступаю­щей на наклонную и горизонтальную поверхности на од­ной широте (50° с. ш.). Это отношение представляет со­бой коэффициент пересчета количества солнечной энергии с горизонтальной плоскости на поверхность солнечного колектора с углом наклона к горизонту от 30 до 90° (вертикальное положение).

На количество солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность коллектора, оказывает влияние ориентация коллектора относительно южного направ­ления, характеризуемая углом между нормалью к плос­кости КСЭ и южным направлением — азимутом коллек­тора ак. При ак=±15° среднегодовой приход солнечной энергии на поверхность солнечного коллектора по срав­нению с южно ориентированным коллектором уменьша­ется всего на 2 %, а при ак=±40° — на 13 %, при этом наибольшее отклонение (25%) имеет место в январе — декабре и наименьшее (5 %) — в июне — июле.

Коэффициент пересчета количества солнечной энер­гии с горизонтальной поверхности на наклонную поверх­ность солнечного коллектора с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению:

R=(l-l2.)Rn+IlL l±"»P.+pL-™L’

V JS J " f 2 2

где Ep — среднемесячное дневное количество рассеянно­го солнечного излучения, поступающего на горизонталь­ную поверхность, МДж/(м2-дни); EVIE — среднемесяч­ная дневная доля рассеянного солнечного излучения; R„ — среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; {$ — угол наклона поверхности солнечного коллектора к горизонту; р — коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обыч­но принимаемый равным 0,7 для зимы и 0,2 для лета.

В табл. П1 приведены данные по поступлению сум­марного и рассеянного солнечного излучения на гори­зонтальную поверхность для основных городов СССР, а более подробные-данные содержатся в «Справочнике по климату СССР».

Среднемесячный коэффициент пересчета прямого сол­

нечного излучения для поверхности наклонного коллек­тора с южной ориентацией имеет вид

COS (<р — р) COS б Sin юа. н + Сйд. н sin (<р — Р) sin в

П___________ ;___________________________

«Д — >

л

CQS Ф COS 6 sin (03 + ®з sin <р sin о

где ф — широта местности, град; р — угол наклона кол­лектора к горизонту, град; б — склонение Солнца в средний день месяца, град.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизон­тальной поверхности

©з = arccos (— tg ф tg 6).

В качестве часового угла захода Солнца для наклон­ной поверхности с южной ориентацией принимают мень­шую из двух величин: ©s или величину ©З. н, рассчитан­ную по формуле

юа и?= arccos Ї— tg (ф—р) tg 61.

Угол склонения Солнца б для среднего дня месяца рассчитывается по приведенной выше формуле;

Расход теплоты на отопление к горячее водоснабже­ние. Тепловую нагрузку отопления (Дж) для каждого месяца можно определить по формуле

Qo =® Е/(| Fi Aft + ФииФ——— Qb. t>

где Кі — расчетный коэффициент теплопотерь для дан­ного элемента ограждающих конструкций (стен, окон, по­толка, пола) , Вт/(м2-°С); Ft — площадь поверхности эле­мента ограждающих конструкций, м2; Д< — расчетная разность температур, °С; т —г продолжительность рас­четного периода, с; <3Ииф — теплопотери, обусловленные инфильтрацией холодного воздуха, Дж; QB. T — внутрен­нее тепловыделение от людей, оборудования, осветитель­ных приборов, Дж.

Для многослойных стен и других элементов огражде­ния коэффициент теплопотерь равен

где ав и Он — коэффициенты теплоотдачи для внутрен­ней и наружной поверхностей стены, Вт/(м2-°С); bt

и ki — толщина (м) и коэффициент теплопроводности [Вт/(М"°С)] слоя стены.

Средний расход теплоты (Дж) на горячее водоснаб­жение здания за расчетный период

Qr. B = 1>2оСрР(^Р-В ^х. в) Nfly

где N — число жителей; а — норма расхода воды на го­рячее водоснабжение жилых зданий на 1 человека в сут­ки, л/сут; tx, в — температура холодной (водопроводной) воды, °С; Ср — удельная изобарная теплоемкость воды, равная 4190 Дж/(кг-ъС); р — плотность воды, равная

1 кг/л; tT. в — температура горячей воды, °С; п—число дней в расчетном периоде.

Тепловую нагрузку отопления и горячего водоснабже­ния за месяц можно записать как

Ф“ = Фо + ^г. в-

Годовая тепловая нагрузка складывается из месячных величин:

I

На рис. 68 приведена номограмма для определения расходов горячей воды Уг. в (м3) и теплоты Qr. B (ГДж) за месяц или год в зависимости от числа жителей N, су­точной нормы расхода воды а (л/дни) на 1 человека, раз­ности температур АТ горячей и холодной воды, °С.

Приведем пример пользования номограммой. При су­точной норме расхода воды 80 л/чел в день и разности температур воды Д7’=30 °С годовой расчетный расход теплоты Q™* для N=4 чел. равен 15ГДж/год, а для 40 чел. 150 ГДж/год, а расход воды 1350 м3/год.