Учебные материалы > Преобразование солнечной энергии в тепло

Преобразование солнечной энергии в тепло

Преобразование энергии солнечного излучения в тепло, которое может быть либо сразу потреблено, либо использовано для получения электричества

Согласно легенде, Архимед, фокусируя слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжег римский флот, осаждавший под командованием Марка Клавдия Марцелла город Сиракузы. Так было реализовано для военных нужд преобразование солнечной энергии в тепловую. Вообще, такой подход является характерным для развития всей науки и техники - все новое и прогрессивное появляется в первую очередь в военной области. В свое время лауреат Нобелевской премии по химии сэр Джордж Портер сказал: "Если бы солнечные лучи служили орудием войны, солнечная энергия использовалась бы уже несколько столетий назад".

Теплицы. Принцип действия теплиц основан на том, что обыкновенное стекло свободно пропускает большинство волн в видимой части спектра (необходимой растениям для фотосинтеза) и практически непрозрачно для инфракрасных и ультрафиолетовых лучей - они поглощаются.

Кстати именно поэтому нельзя загореть в квартире, находясь за окном даже в самый солнечный день. Атмосфера тоже поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения и именно поэтому в горах загореть легче, чем на равнине.

Если солнечные лучи падают на предмет, накрытый стеклянным ящиком, этот предмет нагреется сильнее, чем в случае, если бы он находился на открытом воздухе. Этому будут способствовать следующие свойства тел: предмет, помещенный под лучи Солнца будет одновременно и поглощать, и излучать теплоту. Длина наиболее излучаемой волны, зависит от температуры тела и с ее увеличением уменьшается. Предмет будет поглощать солнечное излучение, а затем излучать его обратно. При его нагревании длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения, сместится в инфракрасную область спектра. Стеклянные стенки не пропустят уходящую длинноволновую радиацию. Часть энергии, поглощенная стеклом, будет излучаться в окружающую среду одинаково по всем направлениям, т.е. половина этой энергии будет излучена обратно, внутрь стеклянного ящика, и все, что находится в нем, нагреется еще сильнее. Вообще, явление задерживания инфракрасных лучей часто называют парниковым эффектом.

Одной из версий о конце света является глобальное потепление на Земле вследствие парникового эффекта, созданного оболочкой газообразных отходов человеческой жизнедеятельности, образующую вокруг Земли экран для инфракрасных лучей.

Непосредственный нагрев теплоносителей в теплоизолированных ящиках. Коллектор (солнечная панель) выполняется из теплоизолирующего материала и сверху закрывается пленкой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное излучение. Это создает парниковый эффект. Внутрь ящика помещаются трубки с теплоносителем (вода, масло, ртуть, сернистый ангидрид и др.). Тепловое излучение из ящика не выходит. Под действием естественной конвекции обеспечивается циркуляция теплоносителя в системе. Такие теплонагреватели используются для обеспечения теплом отдельных зданий, бань, бассейнов. При этом обычно они монтируются как часть крыши.

Температура теплоносителя в домашних гелиосистемах при неподвижных коллекторах редко превышают 100°С. Для того, чтобы рабочая температура теплоносителя находилась в диапазоне от 100 до 500°С, нужно иметь гелиостаты, которые могли бы поворачиваться хотя бы вокруг одной оси, а также позволяли бы концентрировать солнечные лучи на теплоприемнике.

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС). Солнечная энергия используется как заменитель органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Устанавливаются вогнутые зеркала-концентраторы, которые для повышения эффективности с помощью систем автоматики следят (поворачиваются) за Солнцем. В этом случае их называют гелиостаты. Гелиостаты фокусируют излучение Солнца на нагревательных поверхностях котельной установки, расположенной в центре поля гелиостатов на башне высотой 50 - 200 м. Получаемый в котле пар подается на турбину, которая в свою очередь вращает электрогенератор.

Такой способ преобразования энергии связан со следующими проблемами:

Удается получить пар с относительно небольшой температурой. Как следствие, КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию в таких установках может составлять около 10%.
Создание и эксплуатация крупных коллекторных систем для концентрации солнечных лучей является делом сложным. Чтобы получить на СТЭС, расположенной на широте Сахары, мощность 1000 МВт при указанных КПД, нужно собрать излучение на площади 35км². Для Волгограда эта величина достигает 80 км².
Стоимость электроэнергии, производимой опытной солнечной установкой, почти в 10 раз превышает стоимость электроэнергии, производимой ТЭС на органическом топливе.
Для обеспечения круглосуточного энергоснабжения от солнечной электростанции требуется обеспечить аккумулирование энергии днем, чтобы иметь возможность удовлетворять потребителей ночью. Эти проблемы являются серьезным препятствием для широкого внедрения таких установок.

В СССР солнечная ТЭС была пущена в Крыму в 1985 году и имела мощность 5 МВт. Станция имеет башню 70 м с водяным котлом на вершине. Солнечные лучи концентрируются на стенках котла при помощи 1600 зеркал площадью 25 м² каждое. Зеркала размещаются в чашеобразной выемке диаметром 500 м, в центре которой установлена башня. Зеркала по специальной программе следят за Солнцем, двигаясь по двум осям.

Источник: yznaika.com