Она зависит от географического положения и климатических условий. Максимальной величины продолжительность солнечно­го излучения достигает в пустыне (например, в Сахаре 4000 ч в год) или высоко в горах.

Интенсивность и среднегодовая продолжительность солнечно­го излучения определяют количество солнечной энергии для дан­ного географического района (табл. 1—7).

<5Г

(О ‘ Ее значение дается в Вт/м2 или в ккал/м2 на единицу време­ни. Во внешних пределах атмосферы интенсивность солнечного излучения равна 1394 Вт/м2 [1200 ккал/(м2-ч)]. Около поверх­ности Земли можно принять среднюю величину 635 Вт/м2. v В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от ^ 950 Вт/м2 до 1220 Вт/м2. Среднее значение — примерно 1000 Вт/м2

860 ккал/(м2-ч)].

Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикуляр­ной излучению:

1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м2;

21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м2.

На рис. 6 и 7 показана интенсивность полного (глобального) излучения для Великобритании (по данным UK. ISES).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Просто цифры мало что значат для неспециалиста. Однако если мы рассмотрим их в денежном выражении, они приобретут вполне реальное значение.

Возьмем город в Великобритании, который имеет определен­ное законодательство, например Лондон. Какую стоимость энер­гии в деньгах посылает солнце на 100 м2 крыши типичного анг­лийского дома? Лондон получает в течение года в среднем

Дірхаш р$їїаї№ШІ, к#І
аувш-гвшнна
И&ЛІОТЕКА УРСР.

900 кВт-ч/м2, и при КПД коллектора, равном 45%, 100 м2 крыши обеспечат 40 500 кВт-ч в год. При стоимости электроэнергии 2 пенни за кВт-ч это составит 805 фунтов, т. е. сэкономит мисте­ру X. 67 фунтов в месяц. Жаль, что мы еще не можем собирать эти «деньги».

Что может означать солнце для такой страны, как Велико­британия? Потребление энергии в Великобритании возросло до

10,2GJXl09 в 1976 г., но это соответствует солнечной энергии, падающей только на 1,25% территории Великобритании. ’

Из приведенных цифр можно заключить, что поток энергии Солнца на Землю имеет исключительно важное значение. По­мимо энергии, излучение Солнца обладает многими важными качествами, которые уже известны, но некоторые из них еще не исследованы. Какое наиболее важное естественное действие Солнца на Землю? Трудно выбрать самое главное, так как мож­но сказать, что все исходит от Солнца, например, наш относи­тельно теплый климат в сравнении с холодом космоса, ветер, движение миллиардов тонн воды в виде дождя, фотосинтез де­ревьев, океанские течения и многое другое.

Какую техническую пользу можно извлечь из солнечной энер­гии? Возможности различны для теплого и холодного климата. Для территорий, расположенных до 40° с. ш., доступно большое и довольно регулярное количество тепла. В этих районах исполь­зование солнечной энергии уже широко распространено. В Япо­нии, например, работает несколько миллионов отопительных си­стем, нагреваемых солнцем. В Австралии, США (Флорида), Из­раиле широко используются различные солнечные установки. Было доказано, что и в северных широтах, между 45° и 55° с. ш., такие установки возможны и экономически выгодны. В Валла — сей, около Ливерпуля (53° с. ш.), школа обогревается солнечной энергией с 1960 г. (см. 9.2). Во Франции дома, обогреваемые солнцем, существуют уже много лет, например один из них в Шо — венси-ле-Шато, расположенном около 49° с. ш. (см. 9.3). В Швей­царии такие дома можно встретить в Гренхене, Клотене, Берне и других местах.

В Цюрихе зарегистрировано в год в среднем 1693 ч солнечно­го света. Это обеспечивает ежегодно энергию в 1160 кВт-ч со средней мощностью 655 Вт для каждого квадратного метра го­ризонтальной поверхности.

Возможности использования солнечной энергии очень различ­ны. В жарких странах, где обычно много солнца, но мало воды, построены опреснительные установки, действующие на солнеч: ной энергии (например, в Бари, в Южной Италии).

В районах пустыни на солнечной энергии работают водяные насосы (Чингетти, Мавритания). Для научных целей на солнеч­ной энергии построены печи, температура в которых достигает 4000°С (Одейло, Южная Франция).

Электрическая энергия также может вырабатываться солн­цем, но из-за высокой стоимости производства это пока неэконо­мично. Существует уже много видов приспособлений (котлы, ра­дио, телефоны, часы), которые приводятся в действие солнечной энергией.

В Центральной Европе около 50% всей энергии используется для отопления помещений и горячего водоснабжения. Если хотя бы частично удовлетворять эти потребности за счет солнечной

энергии, можно за год сэкономить несколько миллионов тонн нефти. (

Мы сознаем все недостатки солнечной энергии: нерегуляр­ность поступления, огромное рассеивание, что делает необходи­мым сравнительно большую поглощающую поверхность и, нако­нец, трудности, связанные с проблемой аккумулирования. Однако список преимуществ также велик: использование солнечной энер­гии це приводит к загрязнению окружающей среды; солнечные коллекторы могут быть построены всюду без всяких распредели­тельных систем; энергия эта доступна практически везде.

Важность этих преимуществ уже общеизвестна. Во всем мире ученые, политики и бизнесмены пытаются воспользоваться огром­ными возможностями, которые им предоставляет Солнце.

Полное излучение — сумма прямого и рассеянного излуче­ния — одно из самых важных значений для метеорологических наблюдений, поскольку оно сразу же может использоваться для вычисления энергетического баланса. В Лондоне (52° с. ш.) мак­симальная величина дневного полного излучения за месяц для горизонтальной поверхности равна 5 кВт-ч/м2 (18 MJ/м2) в день в июне и соответственно минимальное — 0,42 кВт-ч/м2 (1,5 MJ/м2) в день в декабре.

Полное излучение зависит от ориентации исследуемой поверх­ности относительно поступающей солнечной радиации. Напри­мер, в Европе в июне горизонтальная поверхность получает при­мерно в два раза больше, чем вертикальная, например 18 MJ/m2 в день против 10 MJ/м2 в день, но в декабре, почти в два раза меньше: горизонтальная поверхность 1,5 MJ/м2 в день, вертикаль­ная — 3,5 MJ/м2 в день.

Исходя из метеорологических данных для определенного райо­на можно определить оптимальную ориентацию здания, и устано­вить оптимальное положение солнечных коллекторов. . і

.. ’ • • »•

■ ‘■ ■_

Рассеянное излучение — результат прохождения солнечных лучей через атмосферу. Оно по-разному распределяется по всему полушарию и во многих отношениях слабее, чем прямое излуче­ние. Тем не менее оно может быть использовано с целью обогре­вания. Даже в облачный зимний день в Центральной Европе рассеянное излучение дает 50 300 Вт/м2. Рассеянное излучение не имеет определенной ориентации, оно происходит по всем направ­лениям.

«Перевозчик» солнечной энергии — излучение. Оно состоит из видимых световых лучей и невидимого ультрафиолетового и ин­фракрасного излучения (рис. 5). Видимые световые лучи имеют длину волны от 0,4 ц до 0,8 р (1р=10~6 м), длина волны ульт­рафиолетовых лучей меньше 0,4 р, а инфракрасных — больше 0,8 р. Примерно 9% солнечного излучения лежит в полосе теп­лового излучения. Солнце, ярко светящийся газовый шар, состоит в основном из водорода (70%) и гелия (27%). Энергия — это результат термоядерных реакций. При этом Солнце теряет мил­лионы тонн своей массы каждую секунду. Интенсивность излуче­ния на поверхности Солнца 70—80 тыс. кВт/м2 при температуре 6000° С. Наша Земля получает небольшую, но значительную часть этой энергии — приблизительно 180 000 млрд. кВт. Это примерно в 18 тыс. раз больше, чем то количество энергии, которое челове­чество выработало к сегодняшнему дню на всей Земле.

За пределами земной атмосферы поток излучения составляет 1394 Вт/м2, или 2кал/см2 в мин. Эта величина называется солнеч­ной постоянной. Проходя через атмосферу, огромное количество этого излучения (30—40%) рассеивается, и поверхность Земли на уровне моря в ясный день получает 0,855 кВт/м2—1кВт/м2 прямой радиации. Естественно, что часть (около 50%) рассеян­ного в атмосфере света достигает поверхности Земли также в ви­де энергии.

Продолжительность солнечного излучения и его интенсив­ность зависят от времени года, погодных условий и, конечно, от географического положения местности. Около 25% поверхности Земли получает солнечный свет, т. е. прямое солнечное излуче­ние, в течение всего дня. В большинстве стран продолжитель­ность действия прямого солнечного света и интенсивность излу­чения измеряются десятками дней. Для технических расчетов пользуются среднегодовыми показателями, из которых выводят­ся средние величины для каждого часа дня и каждого месяца.

Эти величины определяются отдельно для горизонтальных и различным образом ориентированных вертикальных поверхно­стей. Пользуясь такими данными, можно получить соответствую­щие значения эффекта радиации для каждого часа дня.

Это излучение называется солнечным светом. Его интенсив­ность и продолжительность имеют решающее значение для сол­нечной инженерии. Они контролируются постоянными измере­ниями, в результате которых вычисляется их средняя величина. В центре Швейцарии (около 400 м над уровнем моря) самая вы* сокая величина прямого излучения наблюдается в апреле и в конце сентября.

Например, в районе Цюриха (48° с. ш., 400 м над уровнем мо-

Волна полосы частот, обычно пригодной для разных видов использования

у / /’ / у /// V /// / гг ///// у ;

_______________ _ .. тепловое использование

■’////// солнечные камеры

2000	2500 I
2-5
Солнечное спектральное излучение за пределами околоземной атмосферы
2-0
Кривая для тела черного цвета
Рис 5. Кривая спектрального излучения. Солнечная энергия И АИК, май 1976 г. (с разрешения ИК — ISES)

ря) прямое излучение в солнечный день в апреле в полдень составляет 875 Вт/м2, а 21 декабря 775 Вт/м2. В Англии эти вели­чины соответственно равны 700 и 200 Вт/м2.

; • і

Другие классические виды энергии, такие, как сила воды (5% в 1975 г., приблизительно 2% в 1985 г.), природный газ (откры­тый около 50 лет назад) в настоящее время пригодны в ограни­ченных количествах. Они смогут обеспечить только небольшую часть наших будущих потребностей в энергии.

Уже давно специалисты знали о неудовлетворительном со­стоянии энергетической экономики, но особенно^ это стало ясно во время нефтяного кризиса 1973 г. Так что сейчас можно ска­зать, что эмбарго на нефть принесло больше пользы, чем тот дешевый поток нефти, который был нам доступен в последние 15 лет

В самом деле, мы, видимо, должны быть 6^ar°AaF’ па^ііГшт- обстоятельству, что повышение цен на нефть сти у р

иски новых источников энергии, не загрязняющих окружающую среду, а также привело к тому, что правительства и частные предприниматели готовы вложить большие средства в исследова­тельские работы по изысканию альтернативных источников энер­гии. В настоящее время исследуются энергия ветра, геотермиче­ский, биологический газ и другие виды энергии, но самый боль­шой и самый чистый энергетический источник лежит от нас на расстоянии 149 млн. км. Это Солнце.

Это одна из величайших надежд нашего века. В настоящее время в Америке 5%. в Европе 1% потребности в энергии удов­летворяется с помощью атомных источников. Согласно прогнозам Комиссии по атомной энергии при ООН, 70% мировых потребно­стей в энергии в 2000 г. будет удовлетворяться атомной энергией. Предполагается, что в 1985 г. атомная энергия будет обеспечи­вать в США 16,7% энергетических потребностей, во Франции — 50%, ФРГ—25%, в Великобритании — 7%. Однако существует слишком много нерешенных технических проблем, а теоретиче­ские разработки не могут еще внедряться в практику. Термоядер­ный реактор, в котором происходят те же процессы, что и на Солнце, изучается с 1952 г., но пока еще сомнительно, что эта проблема будет решена до 2000 г.

Трудности и опасность использования атомной энергии хоро­шо известны из многих дискуссий и средств массовой информа­ции во всех странах. Основная проблема состоит в том, что уче­ные 77 лет спустя после открытия первых радиоактивных элемен­тов до сих пор не знают, как поступать с радиоактивными отходами и что делать с реакторами после их амортизации. Если эти проблемы не найдут экономического и экологического разре­шения, то цена на атомную энергию будет высокой не только для развивающихся, но и для развитых капиталистических стран. Будем надеяться, что решение этих неотложных проблем будет найдено, иначе мечта об Атомном веке закончится, не начавшись, и исследования в этой области войдут в историю человечества как самое ошибочное капиталовложение нашей цивилизации.

Возможность использования солнечной энергии для отопле­ния в наше время общепризнана. Хотя технология этого исполь­зования была известна уже очень давно, настоятельная необхо­димость обратиться к ней появилась только после энергетиче­ского кризиса 1973 г., когда во многих странах возникла потребность в новых источниках энергии. Теперь во многих стра­нах ведется строительство домов, спроектированных на основе использования энергии солнца, и в настоящее время уже можно оценить этот опыт и дать практические рекомендации.

П. Р. Сабади — руководитель проекта и основатель компании по использованию солнечной энергии, изобретатель системы сол­нечного аккумулятора и автор проекта первого большого здания солнечной фабрики, спроектированного и построенного в Швей­царии, в Цюрихе. П. Сабади читает лекции по использованию солнечной энергии в технических институтах Швейцарии, Авст­рии и ФРГ. Его книга «Как я могу согреться солнцем?» завоева­ла популярность в ФРГ. П. Сабади принадлежат также много­численные статьи о солнечной энергии, опубликованные в фран­цузских и немецких журналах и периодических изданиях.

Предлагаемая читателю книга — широко известный труд «Дом и энергия солнца» («Hous und Sonnenkraft»), который за короткий срок выдержал три издания.

Проблема использования солнечной энергии рассматривается на фоне исторических и экономических предпосылок.

В книге рассматриваются и сравниваются различные типы солнечных коллекторов и анализируются многие способы акку­мулирования солнечной энергии. Отдельная глава посвящена солнечным домам, которые уже построены в Европе и США. Подробно описываются особенности строительства подобных со­оружений и даются их технические характеристики.

Множество фотографий, диаграммы и таблицы помогут чита­телю составить ясное представление о прошлом, настоящем и бу­дущем использования солнечной энергии……

В ноябре 1973 г. разразился энергетический кризис, что поста­вило многие страны перед угрозой энергетического эмбарго. Транспорт, заводы и фабрики, центральные отопительные систе­мы могли прийти в бездействие, и мы неожиданно увидели, что наше постоянно нуждающееся в энергии общество построено на весьма непрочном основании.

Сегодня у нас снова есть нефть (хотя мы должны платить за нее намного дороже), но никогда впредь в мире не будет такого положения, каким оно было до ноября 1973 г.

Растущий страх за энергетические резервы, за наш уровень жизни доминирует сегодня в мире. Расточение энергии стало грехом, а поиски новых видов энергии — важнейшей задачей. В журналах и по телевидению теперь можно увидеть необычные здания, в которых солнечное излучение используется в качестве энергетического источника. В результате может сложиться впе­чатление, что использование солнечной энергии для бытовых целей — нечто такое, чего раньше никогда не было. Однако воз­можность использования солнечной энергии для этих целей была известна тысячи лет назад, а в нашем столетии была открыта заново. До самого последнего времени новые открытия в области солнечной энергетики публиковались, главным образом, в спе­циальных журналах и изданиях университетов, которые доступ­ны немногим. В этой книге хотелось бы дать информацию общего характера и продемонстрировать широкому кругу специалистов возможность обеспечения зданий теплом за счет солнечной энер­гии.

Использовать нефть можно, в конце концов, только для произ­водства жизненно важного сырья и протеина. Возможно, запрет на использование нефти для отопления не так далек, но он дол­жен быть вызван не политическими причинами, а здравым смыслом.

Мы должны понять, что перерасход энергии и связанное с ним загрязнение окружающей среды может со временем разру­шить всю цивилизацию. Необходимо «очистить» энергию. Осуще­ствить это могут инженеры, ученые, архитекторы, строители, по­литические деятели. Но и все люди должны осознать свою ответ­ственность и помочь найти решение этой проблемы. Эта книга представляет собой прямой вклад в реализацию идеи охраны окружающей среды путем широкого использования солнечной энергии. [1]

рия человечества была и есть история борьбы за получение все большего количества энергии. Все существенные достижения человека были в действительности новыми формами получения и использования энергии. С незапамятных времен человек нуж­дался в энергии, чтобы постоянно улучшать свои жизненные условия. С открытием нового вида энергии менялся образ жизни человека. Самым первым видом энергии в распоряжении челове­ка была сила его собственных мускулов. Однако ему пришлось преодолеть предел этой силы, поскольку его уже не удовлетворял тот комфорт, который он мог создать своими собственными ру­ками.

Прошли тысячелетия, и человек освоил внешние источники энергии — огонь и силу прирученных им животных. Значение этих двух видов энергии неизмеримо. Так, еще в 1860 г. 15% энер­гии, используемой во всем мире, производилось усилиями чело­века и 73% —животных.

Энергия используется в виде тепла и механической силы. Сна­чала механическая энергия вырабатывалась ветром и водой и немного позже переработкой тепла или посредством взрыва. Ар­химед и Герои из Александрии впервые предложили вырабаты­вать механическую энергию из тепла.

Больший спрос на энергию появился со стремлением к срав­нительно более развитой цивилизации. Достаточно вспомнить об огромных обогреваемых купальных комплексах античного време­ни. Отапливаемое сооружение в Тель-Азмаре размером 55X32 м было построено около 300 г. до н. э.; королевский дворец Арзава в Юго-Западной Анатолии с расположенной в центре пола обог­ревательной установкой возведен в 1200 г. до н. э. Римские бани обогревались горячим воздухом и потребляли массу энергии. Термы Каракаллы были рассчитаны на 2300 чел., а термы Диок­летиана — на 3200 чел. Все эти сооружения обслуживали не только властителей, но и все население города. Никогда раньше не было возможности обеспечить потребность в энергии такого количества людей.

Проживающие в США 6% населения земного шара исполь­зуют */з энергии, производимой во всем мире. Американец в сред­нем использует энергии в 3 раза больше, чем западноевропеец, и в 9 раз больше, чем турок. История современной энергетики началась в XVII в., когда в период Возрождения были заново открыты давно забытые идеи Аристотеля и Герона. Француз Де­нис Папин первый построил паровую установку. XVIII и в осо­бенности XIX в. дали миру целую плеяду изобретателей и мыслителей, изобретения и идеи которых создали интеллектуаль­ный и технический базис современного общества.

Изобреталось множество машин, которые, создавая все боль­ше ценностей, требовали, естественно, большего количества энергии. Уголь был главным источником энергии вплоть до 1958 г., но прогресс последних 20 лет основан на нефти, активно использующейся с начала XIX в. Но еще в начале XX в. могли сказать: «Нефть— бесполезное выделение земли. Это липкая жидкость, которая дурно пахнет и не может быть никак исполь­зована». С тех пор было добыто 38 млрд, т нефти, а с 1955 г. по 1968 г. расход нефти утроился.

Сегодня 5 млрд, т нефти используется ежегодно, и специали­сты считают, что ежегодный прирост расхода нефти равен 7,3 %. Известные запасы нефти составляют приблизительно 90 млрд, т, а это означает, что примерно через 45 лет на земле не останется ни одной капли нефти. Поскольку снабжение нефтью уменынает-

Рис. 3. «Солнечный дом» с плоскими солнечными панелями во Франции (Софэ)

ся, цена ее может стать настолько высокой, что использование ее в качестве источника энергии для отопления вскоре будет нерен­табельным.

Каково положение с другими источниками энергии?

1.1. УГОЛЬ

Запасы угля до сих пор достаточно велики, особенно в Совет­ском Союзе, США и Китае. Специалисты предполагают, что его количество доходит до 7600 млрд, т, что максимальное использо­вание угля будет достигнуто приблизительно к 2150 г. и что уголь не будет считаться дефицитом вплоть до 2300 г. Уголь был пер­вым источником энергии, использование которого вызвало необ­ходимость охраны окружающей среды. В 1307 г. в Лондоне все печи для обжига извести, использующие уголь, были запрещены по причине выделения тяжелого дыма. Добыча угля становится все более трудоемкой: 50 лет назад разрабатывались месторож­дения угля на глубине 350 м, а сегодня средняя глубина залега-

ния промышленных разработок достигает 700—1000 м. Кроме того, постоянная угледобыча оставляет испорченными многие квадратные километры земли.