В настоящее время вопросам использования возоб­новляемых источников энергии уделяется серьезное вни­мание. Эти источники энергии рассматриваются как суще­ственное дополнение к традиционным. Среди возобнов­ляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеме­стной распространенности наиболее перспективна.

В нашей стране потребляется около 20 % всего миро­вого производства первичных энергоресурсов, однако се­бестоимость органического топлива растет быстрыми темпами, обостряются экологические проблемы, связан­ные с загрязнением окружающей среды топливоисполь­зующими установками, особенно при увеличении масш­табов потребления низкосортного твердого топлива. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоре­сурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотер­мальной энергии, наряду с внедрением энергосберегаю­щих технологий.

Имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для индивидуальных потребите­лей, особенно в сельской местности. Расширение масшта­бов применения солнечных установок не только даст зна­чительную экономию энергоресурсов, но и позволит смяг­чить экологическую ситуацию.

— В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, пионерлагерей, дачных посел­ков, а также для обогрева открытых и закрытых плава­тельных бассейнов, спортивных сооружений, душевых. Конкурентоспособны по сравнению с традиционными уста­новками гелиосушилки для сена, лесоматериалов и сельскохозяйственных продуктов. В сухом жарком кли­мате Средней Азии рационально использовать установки

для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйст­венных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. п.

В сфере сельскохозяйственного производства приме* нение недорогих воздушных коллекторов солнечной энер­гии поможет решить проблему отопления животноводче­ских ферм. Также щелесообразно интенсифицировать работы по использованию солнечной энергии для отопле­ния теплиц. Подогрев воды на фермах позволит улуч­шить условия труда и содержания животных. Солнечные установки отопления требуют значительных капитало­вложений, которые обычно не окупаются за предполага­емый срок службы установок в 20 лет в районах, лежа­щих севернее 45° с. ш. Однако даже в холодном климате скандинавских стран — Швеции и Финляндии — реализо­ваны крупномасштабные демонстрационные проекты солнечных систем теплоснабжения с применением тепло­вых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты, позво­ляющих покрывать практически всю нагрузку отопления за счет солнечной энергии. Особенностью этих систем яв­ляется аккумулирование теплоты солнечной радиации, по­ступающей в летний период, в больших подземных резер­вуарах или шахтныд выработках и использование этой теплоты, а также энергии окружающей среды (грунта, грунтовых вод и т. п.) для отопления зданий в зимний период. Эти системы пока экономически нерента­бельны, так как требуют больших капиталовложе­ний. В перспективе, по мере роста цен на топливо и сни­жения стоимости гелиосистем и их элементов, особенно сезонного аккумулятора теплоты, появится возможность создания централизованных систем солнечного тепло­снабжения с незначительным потреблением электриче­ской и тепловой энергии.

В районах с годовым приходом солнечной радиа­ции не менее 1200 кВт-ч/м2 при эффективном использо­вании этой энергии можно будет обеспечить до 25 % теплопотребления в системах отопления, до 50 % —в си­стемах горячего водоснабжения и-до 75% — в систе­мах кондиционирования воздуха. Благодаря этому суще­ственно снизится расход органического топлива и загряз­нение воздушного бассейна вредными газовыми выбро­сами, содержащими оксиды азота и серы. Если перевести на солнечное теплоснабжение 10 % потребителей сельских районов, расположенных южнее 50° с. ш., мож­

но экономить 1,7 млн. т условного топлива в год[1], а про­гнозируемая экономия топлива в стране в 2000 г. достиг­нет 20—30 млн. т условного топлива. Применение сол­нечных установок не только замещает дефицитное топливо, но и предотвращает загрязнение окружающей среды вредными выбросами топливоиспользующих уста­новок. В удаленных от источников энергоснабжения рай­онах использование солнечной энергии (наряду с энер­гией ветра) является практически единственной альтер­нативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Для расширения масштабов использования экологи­чески чистой солнечной энергии в народном хозяйстве страны в ближайшие 20—30 лет необходимо организо­вать производство высокоэффективного гелиотехническо­го оборудования различного назначения. Наиболее про­сты в конструктивном отношении солнечные водонагрева­тельные системы, имеющие годовой КПД 30—50%. Повышение эффективности гелиосистем отопления и ох­лаждения зданий связано с применением более совер­шенного гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальными архитектурно-теплотехническими решени­ями, направленными на сокращение тепловых потерь и соответствующее снижение потребности в энергии, а так­же на использование конструкции самого здания для улавливания солнечной энергии.

Основная проблема в использовании солнечной энер­гии для отопления индивидуальных домов в нашей стра­не — отсутствие массового производства солнечных кол­лекторов, аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования. Ключевой вопрос — разработка, оптими­зация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих высокую эффективность при допустимых ка — питалозатратах.

В сельской местности уже сейчас и в ближайшей перспективе можно использовать солнечную энергию для нагрева воды и отопления жилых и производственных помещений, сушки сельскохозяйственной продукции, вы­ращивания овощей, цветов, рассады, опреснения воды и ‘получения умеренного холода. Хотя нет сомнений в том, что наиболее эффективные в энергетическом и экономи­ческом отношении установки могут быть получены лишь в условиях крупномасштабного серийного производства с использованием современных технологий, тем не менее кооператоры и «индивидуалы» могут внести достойный вклад в решение проблемы использования солнечной энергии.

В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использо­вавшийся для перекачки воды. В конце XVIII в. веду­щий французский химик А. Лавуазье создал первую сол­нечную печь, в которой достигалась температура в 1650 °С и нагревались, образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода н платины. В 1866 г, француз А. Му — шо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и привода насосов. На всемирной выставке в Париже в і878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон по­строил солнечный воздушный двигатель с пароболо­цилиндрическим концентратором размером 4,8X3,3 м. Тогда же француз А. Пифф построил паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором плоицдыо около 10 м2, который приводил в действие печатный станок в типографии, где издавалась газета «Ле Солей» («Солн­це»).

Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работаз — шем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнеч­ной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к Дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилля­ции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в те­чение 30 лет, поставляя питьевую воду для руд­ника.

Английский изобретатель А. Г, Инеас построил в шта­те Аризона (США) большие солнечные концентраторы для производства водяного пара давлением 10 бар, ис­пользовавшегося для перекачки воды с расходом до 320 м3/ч. Концентратор параболической формы имел диаметр 10,2 м в верхней части и 4,5 м внизу, 1788 зер­

кал направляли лучи на котел, расположенный в фокусе концентратора.

В 1890 г. проф. В. К. Церасский в Москве осуществил процес плавления металлов солнечной энергией, сфоку­сированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °С.

В зарубежной и отечественной литературе отсутству­ют практические пособия по конструированию, изготов­лению и монтажу солнечных установок коммунально­бытового и сельскохозяйственного назначения небольшой мощности непосредственно на приусадебных участках. Данная книга должна восполнить пробел и помочь за­интересованным лицам построить простую гелиоустанов­ку самостоятельно.

В книге даны общая картина и перспективы исполь­зования солнечной энергии в СССР и за рубежом, опи­саны конструктивные особенности, методы расчета, из­готовления и монтажа солнечных установок для инди­видуальных потребителей и сельского хозяйства. В ней читатель найдет ответы на вопросы о том, как работают солнечные установки различного назначения, для каких целей наиболее целесообразно использовать солнечные установки в настоящее время и в ближайшей перспек­тиве, как самим изготовить солнечные установки и т. н.

Автор с благодарностью примет все замечания по книге, которые просит направлять в издательство по ад­ресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энер- гоатомиздат.

Автор

Глава первая

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙ
РАДИАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Солнце — гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2-Ю30 кг) в 333 тыс. раз пре­вышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объ­ема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14% гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещест­ва Солнца равна 1400 кг/м3, а в его центре она достигает 76000 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд, кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромаг­нитных волн различной длины. Мощность потока сол­нечного излучения составляет 4• 1023 кВт. В центре Солн­ца давление достигает огромного значения в 2- 1Q10 МПа /(около 204 млрд, ат), а температура по разным оценкам составляет 8—40 млн. К, температура фотосферы на по­верхности Солнца приблизительно равна 5900 К.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212 г. до н. э. с помощью концентрирован­ных солнечных лучей зажигали священный огонь у хра­мов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса кораблей римского флота.

Солнечная радиация — это неисчерпаемый возобнов­ляемый источник экологически чистой энергии. На Зем­лю попадает незначительная доля излучаемой Солнцем энергии, причем 95 % поступающей солнечной энергии —• это коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм.

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает коток солнечной энергии в количестве 5,6 -1024 Дж. Ат­мосфера Земли отражает 35 % этой энергии, т. е. 1,9Х XIО24 Дж, обратно в космос, а остальная энергия расхо­дуется на нагрев земной поверхности (около 2,4- 1024 Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3-1024 Дж) и об­разование волн в морях и океанах, воздушных и океан­ских течений и ветра (около 1,2-1022 Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границы атмос­феры Земли равна 1,78-1017 Вт, а на поверхности Зем­ли 1,2-1017 Вт.

Плотность потока солнечной энергии /0 у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную пер­пендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м2 и называется солнечной постоянной, а сред­нее количество энергии £0.н, поступающей за 1 ч на 1 м2 этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м2). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орби­те расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км±1,7 %, а часовое количество вне­атмосферной солнечной энергии, поступающей на 1 м2 нормальной поверхности, изменяется в течение года ме­нее чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДж/(ч — м2).

Годовое количество поступающей на Землю солнеч­ной энергии составляет 1,05-1018 кВт-ч, причем на по­верхность суши приходится только Vs часть этой энергии, т е. 2-Ю17 кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = 3600 кДж, а 1000 кДж=278 Вт-ч.) К этому, добавляются энергия ветра (1,58-1016 кВт-ч в год с мощностью 1,8-1012 кВт) и другие косвенные виды солнечной энергии.

Без ущерба для экологической среды может быть ис­пользовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной энергии, т. е., 1,62-1016 кВт-ч в год (что эквивалентно огромном^ количеству топлива — 2-1012 т условного топ­лива), при этом мощность потока энергии составляет 1,85-1012 кВт.

Распределение глобального потока солнечной радиа­ции на поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей за год на 1 м2 поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м2 на севере до 8000 МДж/м2 в наиболее жар­ких пустынных местах (рис. 1).

Среднегодовое количество солнечной энергии, посту­пающей за 1 день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м2 на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и

тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет 210—250 Вт/м2 в субтропических областях и пустынях, 130—210 Вт/м2 в центральной час­ти СССР и 80—130 Вт/м2 на севере СССР. Пиковая плотность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м2.

Солнечное излучение у верхней границы земной ат­мосферы приблизительно соответствует излучению абсо­лютно черного тела с температурой 5900 К и включает ультрафиолетовое излучение (длина волн Я от 0,2 до 0,4 мкм), видимый свет (Я от 0,4 до 0,78 мкм) и инфра­красное излучение с более длинными волнами. Макси­мум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волны 0,5 мкм.

При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается мо­лекулами озона, воздуха и водяного пара, а также час­тицами пыли — это приводит к ослаблению прямого солнечного излучения и появлению диффузного., (рас­сеянного) излучения. Часть энергии, поглощенной и рас­сеянной газовыми частицами, возвращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли в виде рассеянного (диффузного) излучения. Доля рассеянного (диффузного) излучения в

Таблица 1. Среднемесячное дневное поступление суммарной солнечной анергии на поверхность Земли Е, МДж/м2 в день Ширина, град Месяц 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 I 20,9 17,3 13,3 9 4,7 1,8 -• 11 22 19,1 15,5 11,5 7,2 3,6 0,7 — _ — III 23 21,6 19,1 15,8 12,2 7,9 4 1,1 _ _ ■ IV 22,7 22,7 22 20,2 17,6 14 10,1 6,1 2,1 0,4 V 21,2 22,7 23,4 23 22 19,8 16,6 13 10,4 8,3 VI 19,8 22,3 23,8 24,5 24,1 23 21,2 18,7 16,9 16,9 VII 19,4 22 23,8 24,5 24,5 22,7 21,6 19,1 18 17,6 VIII 20,5 22,3 22,7 23,4 22,3 20,5 18 14,4 11,5 10,8 IX 22 22,7 22,3 20,9 18,4 15,5 11,5 7,6 3,6 1,4 X 22,7 21,6 19,8 16,9 13,3 9,4 5,4 1,8 _ ‘ XI XII 22 20,9 19,4 17,6 16,2 13,7 12,6 9,4 8.3 5.4 4,3 1,8 1,4 Средне­ годовой 21,4 20,9 19,6 17,6 14 11,9 9,2 6,8 5,2 4,6 поток

общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатологических факторов и из­меняется в течение года. Так, в Киеве она изменяется от 0,39 в июле до 0,75 в декабре, в Москве — соответственно от 0,54 до 0,8, в Ташкенте — от 0,19 до 0,5, а в Ашхаба­де ■— от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энер­гии на 1 м2 горизонтальной поверхности на всех широ­тах ■— от экватора до северного полюса.

Ряс. 2. Интенсивность прямого солнечного излучения выше атмосфе — ры Земли (/о), на уровне моря (/) и излучения абсолютно черного тела при температуре 5900 К (ЛЯ) в зависимости от длины волны X

На рис. 2. показано спектральное распределение ин­тенсивности прямого солнечного излучения / у верхней границы атмосферы и на уровне моря в сравнении с из­лучением абсолютно черного тела при, температуре 5900 К — На рис. З приведено изменение суточного прихо­да суммарного солнечного излучения на вертикальные поверхности с южной (а) и восточной или западной (б) ориентацией, расположенные на различных широтах — на экваторе (3), северном полюсе (СП), у полярного круга (ПК) и на широте 30, 42, 50 и 60° с. ш.

В весенне-летний период (с 21.03 до 22.09) поступле­ние солнечной энергии на вертикальную поверхность в районе северного полюса максимальное, и с продвиже­нием на юг оно уменьшается и на экваторе достигает минимального значения — нуля — для поверхностей южной ориентации. В то же время в период с 22.09 до 21.03 поток солнечной радиации на вертикальную поверх­ность у северного полюса равен нулю, для поверхностей с восточной или западной ориентацией он максимален на экваторе и уменьшается при удалении от экватора, а за­висимость поступления солнечной радиации на южные вертикальные поверхности от широты местности более сложная.

Потенциал солнечной энергии можно охарактеризо­вать среднегодовым значением прихода солнечной ради­ации на 1 м2 горизонтальной поверхности. Годовое по­ступление солнечной энергии на территории стран СЭВ характеризуется следующими данными (в кВт-ч/м2): СССР — от 800 (68° с. ш.) до 2000 (39° с. ш.); ГДР. ЧСФР и Польша — 950—1050; Венгрия — 1200; МНР — 1750; Куба — 1900; Болгария — 2000.

Годовой поток солнечного излучения на территории СССР изменяется в широких пределах. Так, на 1 м2 го­ризонтальной поверхности на северных островах и севе­ро-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550—830 кВт-ч, на большей части европейской территории и Сибири — 830—1100 кВт-ч, в южных рай­онах Украины, Молдавии, Поволжья, Сибири и Дальнего Востока — 1100—1380 кВт-ч, в Закавказье и Средней Азии — 1400—1600 кВт-ч, в пустынных районах Турк­мении — 2000 кВт-ч и более.

Годовое число часов солнечного сияния равно: в Тур­кмении — 3100, Узбекистане и Таджикистане — 2815— 2880, Казахстане и Киргизии — 2575—2695, Армении. Грузии и Азербайджане — 2125—2520, Украине и Мол­давии — 2005—2080.

Условия для использования солнечной энергии в СССР наиболее благоприятны в республиках Средней Азии, Казахстане, Нижнем Поволжье, Северном Кавка­зе и республиках Закавказья, на юге Украины и Сибири, в Молдавии. В Средней Азии продолжительность све­тового дня в июне достигает 16 ч, в декабре — 8—10 ч. Здесь в году 300 солнечных дней, продолжительность солнечного сияния 2500—3100 ч в год, а летом — 320—

400 ч в месяц. В районах, благоприятных для использо­вания солнечной энергии, проживает около 130 млн. че­ловек, в том числе более 60 млн. в сельской местности.

В центральной части СССР за летнее полугодие, ког­да теплопотребление минимально, на Землю поступает около 2/з всего годового количества солнечной энергии, а в июле приход солнечной энергии в 5—10 раз больше, чем в декабре.

В табл. П1 приведены данные по дневным потокам суммарной и рассеянной (диффузной) солнечной энер­гии, поступающим на горизонтальную поверхность в течение года в наиболее крупных городах Советского Со­юза. Там же указаны среднемесячные значения темпера­туры наружного воздуха в этих городах. Эти данные не­обходимы для выполнения расчетов солнечных устано­вок.

К солнечной энергии добавляются другие возобнов­ляемые источники энергии, среди которых наибольшим потенциалом для практического использования облада­ет энергия ветра и биомассы. Потенциальные ресурсы ветровой энергии в СССР составляют 8- 1012 кВт-ч/год, а технически реализуемая мощность — 2-Ю10 кВт. В СССР разработаны ветроэнергетические установки (ВЭ5^) мощностью 30 и 100 кВт. За рубежом, например,, в США, ФРГ, Швеции, Дании и др., эксплуатируется большое количество больших и малых ВЭУ. В США в 1986 г, суммарная мощность 30 тыс. ВЭУ составляла 1500 МВт, в том числе 7 ВЭУ имели мощность 25ь— 72 МВт, а — себестоимость электроэнергии от ВЭУ состав­ляет 0,03—0,06 долл/(кВт-ч).

Годовая продукция фотосинтеза, в результате кото­рого образуется биомасса, составляет 57-1012 кг угле­рода, при этом накопленная энергия биомассы в десятки раз превосходит годовую потребность человечества в энергии.