4. Сонячне теплопостачання

Сонячна енергія порівняно легко використовується для отримання тепла. Температура до 100 °С досяжна і без концентрації променів, а теоретично досяжна температура з концентрацією променів становить приблизно 5600 °С.

Технологія отримання низькопотенційного тепла (до 100 °С ) має тривалу історію розвитку в багатьох країнах світу. Система складається з плоского сонячного колектора (СК), що містить рідкий або газоподібний теплоносій, і акумулятора тепла (або без нього). Ця система знаходить застосування для гарячого водопостачання і опалювання будівель. Для кондиціонування повітря потрібні трохи більш високі температури. Підраховано, що просте застосування сонячної енергії для гарячого водопостачання кондиціонування повітря в досяжний період покриє не більше за 2-5% світових потреб в первинних енергоресурсах.

Потреба в низькопотенційній тепловій енергії (до +65°С) в с.г.в. становить 30...45% від загального енергоспоживання. Тому найбільш економічно отримувати необхідну t° теплоносія без додаткових перетворювачів (без СТЕС i СФЕС). Для багатьох с.г.в. необхідний теплоносій у вигляді рідини (вода) або повітря з t до + 65°С.

Застосовують геліосистеми пасивні, активні або їх комбінацію.

Пасивна геліосистема найбільш дешева. Вона складеться з елементів будівельних конструкцій. Будинок з пасивною геліосистемой - це будівля зорієнтована певним чином на місцевості, з похилим дахом з південної сторони, заглиблена в землю з північної сторони, обладнана теплоізоляцією, шторами, що скручуються, екранами i т.д.

Активні геліосистеми включають СК i Акумулятори теплоти.

Сонячні водонагрівачі застосовуються в цілях опалювання і гарячого водопостачання з початку XX століття. До теперішнього часу у ряді країн (США, Німеччині, Норвегії), при державній підтримці по програмах енергозбереження, широко поширені встановлені на дахах або на засклених верандах сонячні колектори з полімерних пластмас із засклінням.

Пристрій сонячного модуля-водонагрівача (сонячного колектора) дуже простий (рис. 3).

Рис. 3. Простий сонячний водонагрівач

Плоский екран з привареними знизу трубами освітлює сонячними променями. Застосовуються і безтрубні екрани, у вигляді двох пластин з щілинним зазором між ними. Екран сполучений трубами з верхньою і нижней частями бака-накопичувача. У контурі встановлюється природна циркуляція: у труби поступає холодна вода з нижньої частини бака, нагріта в трубах екрану вода з меншою щільністю витікає у верхню частину бака. Верхню пластину екрану фарбують чорною матовою фарбою, аби збільшити коефіцієнт поглинання променистої енергії, і покривають склом або полімерною плівкою для захисту від атмосферних опадів. У регіонах з негативними температурами контур заповнюють водним розчином антифризу; нагрітий сонячним випромінюванням антифриз віддає теплоту воді бака-накопичувача в трубчастому теплообміннику.

По оцінках норвезьких енергетиків, річна економія енергії від систем сонячного теплопостачання в північній Європі складає 250...300 кВт.ч на квадратний метр площі колектора. Вартість сонячних колекторів в Норвегії - близько 80 євро за квадратний метр, включаючи захисне покриття при установці на даху. Період самоокуповування при цінах, що існують в Норвегії, на електроенергію - близько 10 років. При цьому виключається забруднення довкілля в результаті спалювання органічного палива в казанах традиційних ТЕЦ і котельних.

Сонячні ставки. Це оригінальний нагрівник в якому ТАМ є солона і дуже солона вода, а теплозахисною кришкою - прісна вода. Сонячний ставок в ЕйнБореке, Ізраїль, виробляє 150 кВт з площі 0,74 га при вартості 10 центів/кВт∙тод. На 1 м² ставка 0,5-1 кГ кухонної солі (NaCl) або MgCl₂.

Рис. 3 - Сонячний ставок

В світі існують також повітряні (калориферні) системи сонячного опалювання. Нагріте в сонячному колекторі повітря протікає через теплоакумулятор - ємкість, заповнену щебенем або галькою. При необхідності обігріву приміщення кімнатне повітря проганяють вентилятором через шар гальки.

Акумулятори енергії

У сільському господарстві найбільше поширення знайшли теплові акумулятори (ТА): рідкі, тверді, фазовий акумулятори (ФА).

Найбільш поширені: Рідкі - вода С=4,19 кДж/(кг∙К); тверді – щебінь С=0,92 кДж/(кг∙К); фазові акумулятори (ФА): парафін =54,4°С, =209 кДж/кг плюс С=2,08 кДж/(кг∙К), глауберова сіль =32,4°С, =251 кДж/кг плюс С=?).

Теплоємність ФА в десятки разів більше теплоємності води. Крім того, вони зберігають протягом фазового переходу постійну температуру. У жарких країнах для акумулювання енергії використовуються солоні озера.

Повітряна сонячна опалювальна система може експлуатуватися і без теплоакумулятора. В цьому випадку вентилятор проганяє кімнатне повітря безпосередньо через повітряний сонячний колектор. Новим способом використання сонячного випромінювання для теплофікації є вживання шибки, покритої поліефірною плівкою з металевим напиленням. Це стекло прозоро для променів світлового діапазону довжин хвиль, що несуть максимум енергії в сонячному спектрі, але воно відображає інфрачервоне випромінювання з приміщення і таким чином забезпечує «парниковий ефект» в квартирі. Такі стекла все ширше застосовуються у Фінляндії.

Сонячна енергія може використовуватися для опріснення морської і забрудненої води. Простий сонячний опріснювач є судиною, заповненою шаром солоної води малої товщини; сонячні промені, сконцентровані на судині, випарюють воду. Пара конденсується на похилій плоскій стінці, і конденсат стікає в збірку опрісненої води. Розроблені також сонячні холодильні установки, в яких хладоагент (аміак) випаровується сонячним випромінюванням і надалі бере участь в роботі холодильного циклу типа абсорбції. Сонячне теплове устаткування (теплові панелі, установки гарячого теплопостачання, сонячні опріснювачі) випускає НВО «Машинобудування» в м. Реутов Московської обл.

Сонячна енергія використовується також в невеликих високотемпературних установках (рис. 4). Сонячні промені фокусуються параболічним дзеркалом на об'єкті, що нагрівається (наприклад, плавильному тиглі). В порівнянні з нагріванням в печах такі установки створюють інтенсивніший нагрів і чистоту процесу. Такий же пристрій мають «сонячні кухні».

Рис. 4. Сонячний нагрівач

Використання СК в сільгоспвиробництві: Сушка с.г. культур. O6ігpів будівель, гаряче водопостачання. Для підвищення температури ТН додатково до СК можуть застосовуватися теплові насоси (ТН).