работает при гораздо меньших температурах -- порядка
100...200oС. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее,
поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу.
Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже
замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем
для обогрева домов и теплиц в ночное время.
Солнечные установки практически не требуют
эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют
затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать
они могут бесконечно.
4.3.4. КОНЦЕНТРАТОРЫ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА
С детства многие помнят что с помощью собирательной линзы
от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных
установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в
изготовлении.
Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого
зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора,
прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с
помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу
с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных
преобразователей прямого действия.
Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах,
но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в
установках используются либо традиционные -- стеклянные, либо
из полированного алюминия.
Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения
(рис. p091) имеют форму:
цилиндрического параболоида (а);
параболоида вращения (б);
плоско-линейной линзы Френеля (в).
Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции
в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных
отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с
теплоносителем -- дифенилом, нагреваемым до 350oС. Желоб
поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси
(а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить
систему слежения за солнцем.
Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться
в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга.
Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м
установить динамический преобразователь, работающий по циклу
Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы
поднимать с глубины 20 метров 2 м3 воды в час.
В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля
используется редко из-за ее высокой стоимости.
Водонагреватель
Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой,
в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из
короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и
труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30...50o с
ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода
постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается
и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она
может быть использована для отопления, для душа либо для других
бытовых нужд.
Дневная производительность на широте 50o примерно равна 2
квтч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе
достигает 60...70o. КПД установки -- 40%.
Тепловые концентраторы
Каждый, кто хоть раз бывал в теплицах, знает, как резко
отличаются условия внутри нее от окружающих: Температура в ней
выше (механизм парникового эффекта см. стр. 6). Солнечные лучи
почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и
нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном
направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной
концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и
тепловые концентраторы.
Это -- деревянные, металлические, или пластиковые короба,
с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом. Внутрь
короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют
волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В
коробе нагревается воздух или вода, которые периодически или
постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.
4.3.5. ЖИЛОЙ ДОМ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ
Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на
широте 55o, поступающей в сутки на 20 м2 горизонтальной
поверхности, составляет 50...60 кВтч. Это соответствует
затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2.
Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней
полосы наиболее подходящей является воздушная система
теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по
воздуховодам подается в помещение. Удобства применения
воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны:
нет опасности, что система замерзнет;
нет необходимости в трубах и кранах;
простота и дешевизна.
Недостаток -- невысокая теплоемкость воздуха.
Конструктивно коллектор представляет собой ряд
застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность
которых зачернена матовой краской, не дающей запаха при
нагреве. Ширина короба около 60 см.
В части расположения солнечного коллектора на доме
предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в
строительстве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с
наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не
требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой
нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.
Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации,
воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную
погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы
реально имеем в средней полосе.
Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты,
как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления
этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную
теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде,
ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30o на восток
или на запад) [9].
Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также
желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует
необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он
накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с
воздушным коллектором наиболее рациональным считается
гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве.
Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной
заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в
аккумулятор с помощью вентилятора.
Для дома, площадью 60 м2, объем аккумулятора составляет от
3 до 6 м3. Разброс определяется качеством исполнения элементов
гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной
радиации в конкретной местности.
Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех
режимах (рис. p095 а...г):
отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);
отопление от аккумулятора (б);
аккумулирование тепловой энергии (в);
отопление от коллектора (г).
В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух
поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения.
Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные
теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора
и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая
тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай
пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через
аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.
В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает
потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что
сезонная экономия топлива за счет использования солнечной
энергии достигает 60%.
4.4. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА
Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра,
был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника
энергии объединяет один и тот же используемый принцип.
Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно
представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром
колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной,
с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая
непосредственно использует энергию ветра для движения.
Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели
(двигатели карусельного типа см. рис. p068), возрождается
сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже
построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты
наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую
половину инвестируют будущие потребители экологически чистой
энергии.
Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать
ветродвигатель в качестве движителя для перемещения по воде.
Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге,
должно было приводить в движение гребные колеса. Идея так и
осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного
направления может двигать судно в любом направлении [14].
Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918
г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией
одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной
мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым
должна отвечать ветроустановка.
В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам
не был обособлен от общих тенденций времени -- использовать
ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее
распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве.
Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На
всемирно известном "Фраме" ("Фрам" [фр. frum вперед] --
исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он
вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение
насосы и якорные механизмы.
В России к началу нынешнего века вращалось около 2500
тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917
года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились.
Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на
научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была
построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая
установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект
агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как
Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был
закрыт [14].
Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным
головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США к 1940
году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны
одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали
ремонтировать -- экономисты подсчитали, что выгодней
использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие
исследования этой установки прекратились, а ее создатель и
владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной
книге "Энергия ветра", которая не потеряла до сих пор своей
актуальности.
Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в
крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны.
Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные
капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях,
освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие
цены и удовлетворительную экологическую чистоту.
Существенным недостатком энергии ветра является ее
изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет
расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии
объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то
средняя их мощность будет постоянной. При наличии других
