Потенциал солнечной энергии, поступающей на Землю в 5000 раз больше потенциала ветровой энергии, и в 1500 раз больше потенциала гидроэнергии [1]. При этом, принято, что без ущерба для экологии окружающей среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной энергии [2].
Известно, что мощность солнечной радиации на поверхности Земли составляет 1,75∙1017 Вт, что эквивалентно 5,4∙1024 Дж энергии в год. Это в 10 раз превышает общемировые запасы органического топлива, которые оцениваются в 6,9∙1023 Дж, или в 1000 раз превышает прогнозируемое до конца столетия общемировое энергопотребление, равное 15,3∙1020 Дж. Следовательно, использование даже 0,1 % суммарного энергетического потенциала солнечной радиации позволит целиком удовлетворить энергетические потребности человечества до конца XXI века.
В солнечной энергетике сегодняшнего дня выделяют 3 основных направления: солнечные водонагревательные установки (коллектора), солнечные электростанции (СЭС) и фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Солнечные водонагревательные установки обычно представляют собой плоский солнечный коллектор, в котором нагревается вода, воздух или другой теплоноситель. Эти устройства характеризуются величиной площади нагрева. Суммарная площадь солнечных коллекторов в мире достигает 50 – 60 млн м2, что эквивалентно 5 – 7 млн т у. т. в год. В России их применение незначительное. Хотя даже для условий Сибири возможен полезный эффект.
Преобразование солнечного излучения в тепло (фототермальное преобразование) может быть как пассивным (с использованием пассивных солярных элементов зданий — застекленные фасады, зимние сады), так и активным (с использованием дополнительного технического оборудования). Эти различия можно наглядно продемонстрировать с помощью схемы рисунка 1.
Рисунок 1 – Схема использования солнечной энергии
Преимуществом пассивных систем является то, что для их эксплуатации не требуется никакого дополнительного оборудования. Используется солнечный свет, попадающий внутрь здания (сооружения) через окна или прозрачные конструкции. Данную систему следует проектировать с учетом максимального использования поступившей энергии для других помещений. Самым подходящим здесь являются капитальные дома, позволяющие на непродолжительное время аккумулировать избыток энергии. Принципиальным здесь также является вид и регулирование системы отопления.
Пассивная система должна составлять со зданием единое гармоничное целое; этого проще всего добиться в новых постройках. Старые здания можно реконструировать (сделать застекленные пристройки, веранды и т.п.). Однако здесь необходимо принимать во внимание риск перегрева здания в летний период, для чего нужно установка соответствующей системы вентиляции, аккумулирования тепла строительными конструкциями.
Энергетическая выгода пассивной системы зависит от способа использования здания — например, дополнительное застекление лоджий экономически выгодно только в том случае, когда она зимой не отапливается.
Такие активные системы, как плоские и трубчатые коллекторы практически всегда можно установить на любое существующее здание. Они используются, прежде всего, для сезонного или круглогодичного нагрева воды или воздуха (в отопительный период воздуха, поступающего в здание при проветривании), подогрева воды в бассейнах и для дополнительного отопления зданий.
Однако излишки энергии в летние месяцы часто не находят применения.
Эффективность плоских коллекторов зависит, прежде всего, от разницы температур абсорбера (или передающей тепло жидкости) и окружающего воздуха. Чем выше требуется температура (например, 55 ⁰С для приготовления технической воды. Согласно правилам гигиены желательно хоты бы один раз в неделю подогревать содержание накопителя до 72 ⁰С, поскольку при эксплуатации при низких температурах и низком потреблении воды там могут размножиться вредные организмы.), тем ниже будет его эффективность. В вакуумных коллекторах, где абсорбер полностью изолирован вакуумом, эффективность уменьшается незначительно, поэтому они удовлетворительно работают и в морозные дни. Напротив, эффективность простых плоских коллекторов падает вместе с увеличивающейся разницей температур достаточно быстро.
Как правило, в средней полосе России в течение зимы солнечной энергии настолько мало, что и при использовании вакуумных коллекторов для покрытия текущих нужд требуются достаточно большие площади. Напротив, летом наблюдается значительный избыток тепловой энергии, и малоэффективные коллекторы получают достаточно солнечной энергии.
Базовым конструктивным элементом солнечного коллектора является абсорбер, например, плоская поглощающая панель с трубками для отвода теплоаккумулирующего рабочего тела. Помещением абсорбера под стеклянную панель создается солнечный коллектор, использующий «парниковый эффект». В зависимости от вида рабочего тела коллекторы подразделяются на жидкие и воздушные, или же комбинированные.
Солярные абсорберы преобразуют солнечное излучение в тепловую энергию (длинноволновое излучение). Эта энергия с помощью рабочего тела (жидкость, воздух) подается к месту использования или аккумулируется.
По форме коллекторы делятся на плоские и трубчатые (оснащены абсорбером, запаянным в вакуумную трубку). Вакуум понижает потери тепла и повышает эффективность при получении более высоких температур на выходе.
Высококачественные коллекторы оснащены абсорбером, оснащенным спектрально-селекционным слоем (особый черный цвет или гальваническое покрытие), они обладают более высокой эффективностью и могут преобразовывать и рассеянное солнечное излучение. Застекление также делается с помощью специального стекла, имеющего низкую поглощательную способность солнечного излучения и повышенную механическую прочность.
В концентрирующих коллекторах торцовая (линеарные линзы Фреснела) или отражающая поверхность (вогнутое стекло) концентрирует излучение на меньшей абсорбирующей площади. Таким образом, достигается получение более высоких температур и большей эффективности. Для этих коллекторов, как правило, необходима установка оборудования с поворотным механизмом, с помощью которого можно менять положение коллектора или абсорбера вслед за движением солнца.
