Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую энергию

Солнце ежесекундно излучает 370∙10¹² ТДж тепловой энергии. Но из этого количества теплоты на землю попадает, в энергетическом эквиваленте, только 1,2∙10¹⁴ кВт, т.е. в 10⁸ раз больше, чем на сегодняшний день потребляется в мире. Солнечная энергия передается на Землю в виде электромагнитного излучения, проходящего путь в космосе от Солнца до Земли. Плотность потока солнечного излучения составляет примерно 1 кВт/м², но это длится всего лишь в течение 1 – 2 ч в разгар летнего дня на широтах, близких к экватору. В большинстве районов средняя величина облучение составляет 200 – 250 Вт/м². Сравнивая эту величину со значением средней плотности энергии искусственно созданной человеком, которая составляет всего 0,02Вт/м², следует отметить, что она в 10000 раз больше.

Люди издавна ощущали могущество Солнца, и в связи с большим потенциалом солнечной энергии, для них всегда было заманчиво максимально использовать ее для своих нужд.

Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию происходит следующим образом. Атомы и молекулы вещества или материи, поглощая электромагнитное излучение, преобразуют его в кинетическую энергию их хаотического движения, т.е. тепловую энергию. Следствием этого процесса является повышение температуры материи или вещества.

Для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую энергию широко используются: гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели), подогреватели воздуха и солнечные коллекторы.

6.2.1. Гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели).

В практике использования солнечной энергии наиболее распространенным является способом использования солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

Основным элементом гелиоподогревателя является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Наибольшее распространение получили плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, что позволяет им работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными для нагревания жидкостей до температур не выше 100°С [11].

В практике используют простые и сложные схемы приемников солнечного излучения. На рисунке 6.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения. Простые приемники (рисунок 6.1. а) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть. Приемники сложной конструкции (рисунок 6.1. б, в)нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре (тепловом аккумуляторе), что позволяет снижать теплопотери системы в целом [11].

6.2.2. Подогреватели воздуха.

Энергию солнечного излучения можно использовать для подогрева воздуха, который в дальнейшем расходуется для обогрева помещений, а также просушивания зерна, травы, фруктов и т.п. Значительная часть урожая сельхозпродукции в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить своевременным просушиванием. В связи с тем, что на обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов, то можно частично разгрузить теплоэнергосистему, используя подогретый воздух для отопления зданий или путем постройки зданий специальной конструкции, предусматривающих использование солнечного тепла, для целей отопления (рисунок 6.3) [11].

6.2.3. Солнечные коллекторы (концентраторы солнечной энергии).

В некоторых случаях требуются более высокие температуры, чем те, которые могут создать плоские приемники. Эта проблема решается с помощью солнечных коллекторов.

Солнечный коллектор состоит из концентратора солнечной энергии и приемника. Концентратор представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Приемник поглощает солнечное излучение собранное концентратором и преобразует его в любой другой вид энергии. Концентратор имеет свободу вращения, которое обеспечивает ему ориентацию на Солнце. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения (рисунок 6.5). Солнечные коллекторы позволяют получать тепловую энергию достаточную для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Например, солнечный коллектор с параболический зеркалом диаметром 30 м, позволяет сконцентрировать мощность излучения в приемнике порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии.