Сегодня мы постараемся рассмотреть вопрос, "предмет" изучения которого у всех на виду, не зависимо от того, интересуется человек им или нет, наблюдает за ним в данный момент или нет.

Этот объект подарил нам жизнь и не только нам. Он - всемогущ, охватывает всё и управляет всеми процессами на Земле. Для тех, кто ещё не догадался к этому моменту, о чём ( или о ком) идёт речь, я называю объект - это Солнце, наше светило, ближайшая к нам звезда.

Солнечная энергия — энергия от Солнца в форме радиации и света.

Солнце является практически неисчерпаемым источником энергии, экологически чистой и бесплатной энергии. Она в значительной мере управляет климатом и погодой, и является основой жизни на нашей планете.

Технология, использующая солнечную энергию, называется солнечной энергетикой.

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 ПВт (петаватт, 1 ПВт = 10 в 15 степени ватт) солнечного излучения (или инсоляции).

Около 6 % инсоляции отражается от атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектра. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение.

Видимый спектр нам наглядно представляет радуга, которая образуется при определённых атмосферных условиях и демонстрирует все цвета видимого света.

Радуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе солнцем или луной) множества водяных капель (дождя или тумана).

Солнце излучает в направлении Земли 960 миллиардов кВт-часов ежедневно. Это количество энергии может теоретически удовлетворять мировые энергетические потребности в течение 180 лет.

Солнце относится к возобновляемому источнику энергии (ВИЭ). Кроме него, сюда же относятся ветер, вода (кроме крупных ГЭС), геотермальные источники, биотопливо, т. е. все источники, энергия которых считается неисчерпаемой.

В быстро развивающейся солнечной энергетике можно выделить два основных направления: солнечная теплоэнергетика, использующая солнечную энергию для получения теплоты, и солнечная электроэнергетика, использующая солнечную энергию для выработки электроэнергии.Солнечная тепловая энергия, исходя из названия, это энергия Солнца, которая используется для нагрева.

Когда солнечные лучи попадают на жидкость, они нагревают ее, и эту горячую жидкость можно использовать для различных целей: 20% энергопотребления больницы, гостиницы или дома приходится на использование горячей воды.Для этих целей необходимы специальные солнечные установки, которые позволяют использовать тепловой энергетический ресурс солнца.

Первое, что должно быть в установке такого типа, - это коллектор или солнечная панель (улавливатель). В ней нет фотоэлектрического элемента, который собирает фотоны света для преобразования их в электроэнергию. Эти коллекторы позволяют нам улавливать солнечное излучение, чтобы начать нагревание жидкости циркулирующей внутри них. Есть разные типы коллекторов и с разной производительностью.

Второе - наличие гидравлического контура - это трубы, по которым идёт нагретая вода к месту назначения. В большинстве установок цепь обычно замкнута. Поэтому говорят о прямой цепи от панели и обратной цепи, вплоть до панели.

Третье - наличие теплообменника. Теплообменник передает энергию, полученную от солнца, воде. Они могут находиться вне резервуара (пластинчатые теплообменники) или внутри (змеевик).

Четвёртое - необходим аккумулятор - это система хранения энергии. Аккумулятор накапливает горячую воду, чтобы она была доступна, когда нужна. Это резервуары, состоящие из емкости и необходимой изоляции, чтобы избежать потерь энергии и постоянно поддерживать температуру горячей воды.

Пятое - циркуляционные насосы. Они необходимы, чтобы перекачивать жидкость из одного места в другое, преодолевая перепады давления в контурах, а также силы трения и тяжести.

Существуют также дополнительные мощности, которые позволяют нейтрализовать те моменты, когда интенсивность солнечного излучения падает (пасмурная погода, отсутствие солнца).

Поэтому обязательно есть вспомогательная система - резервный генератор, который нагревает воду и полностью независим от солнечной системы. По своей сути - это котел, который начинает работать в условиях, когда поток солнечной тепловой энергии падает. Этот котёл нагревает накопленную воду другим доступным способом.

Обязательно имеется система безопасности, чтобы установка работала в оптимальных условиях и не выходила из строя со временем. Элементами, составляющими систему безопасности, являются:
- расширительные баки, которые принимают воду, сливающуюся туда при расширении от нагревания;
- предохранительные клапаны для предотвращения опасных пределов давления, они регулируют слив жидкости, когда давление начинает возрастать выше допущенной калибровки;
- улавливатели, которые извлекают и удаляют воздух, накапливающийся внутри контуров, чтобы избежать серьезных проблем в эксплуатации установки;

- оптимальный состав жидкости для передачи тепла солнечной тепловой установке; лучше всего, чтобы это было антифриз, поскольку в местах с очень низкой температурой замерзание воды в контурах может разрушить всю установку.В идеале жидкость установки такого типа должна содержать 60% воды и 40% гликоля. Гликоль- это двухатомный спирт, он отличается высокой температурой кипения (+197°C), раствор - 60% воды + 40% гликоля - замерзает при температуре -48,5 градусов Цельсия.

- радиаторы, предотвращающие перегрев воды;
- автоматическое управление - заставляет все работать правильно, поскольку предполагает автоматический контроль, который измеряет температуру в панелях, резервуарах, обеспечивает программирование, активацию электрического радиатора (если такая система существует), включает программатор, управление насосом и т. д.

Например, новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями (солнечными коллекторами), чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды.

К началу 2019 года общая площадь всех действующих в мире солнечных коллекторов превышала 600 млн квадратных метров, а их мощность - 480 ГВт. В России цифры скромные - 85 тыс. квадратных метров и 85 МВт.

В отличие от солнечных батарей коллекторы не вырабатывают электрическую энергию, только тепло. И в этом их преимущество.

КПД в оптимальных условиях обычной солнечной батареи (не путать с солнечными коллекторами) - около 15%. Дорогие экспериментальные модели могут увеличить его почти в два раза.

Ориентировочный КПД солнечных коллекторов значительно выше и составляет порядка 70-90%. Проще говоря, получать тепло из энергии солнца пока у нас получается значительно лучше, чем электричество.

Именно поэтому, чтобы обеспечить семью из 4 человек горячей водой в загородном доме с помощью коллектора, даже в нашем весьма умеренном климате, не придется превращать земельный участок в солнечную ферму.Существует на данный момент 3 вида солнечных коллекторов.

Это самый простой и дешевый вид солнечного коллектора, но с самым низким КПД.

Стоимость коллектора " под ключ" начинается от 100 тысяч рублей. Окупается такой коллектор по минимуму за 8 лет.

Но "умелым ручкам" не составит труда сделать простейший солнечный коллектор самостоятельно. Есть многочисленные пошаговые инструкции.

Вот что получается у умельцев:

Тепловая солнечная энергетика развивается в рамках концентраторной солнечной энергетики (CSP — concentrated solar power). Она основана на том, что солнечная энергия преобразуется в тепловую через непосредственный нагрев жидкости, которая затем может использоваться на различные нужды, в том числе и для дальнейшего преобразования в электрическую энергию.

В случае получения электроэнергии при нагреве жидкости образуется пар, который направляют на турбину с генератором, как на обычной тепловой электростанции. При этом вырабатывается электрический ток.

Надо отметить, что это направление солнечной энергетики в России развивается медленными темпами, ему уделяется мало внимания при колоссальном потенциале возможностей. Установленная мощность гелиоустановок (солнечных коллекторов) в 2020 г. оценивалась около 70 МВт.

Исследованиями по этому направлению солнечной энергетики в России занимаются Объединенный институт высоких температур (ОИВТ) РАН, лаборатория ВИЭ МГУ им. Ломоносова, Кубанский государственный аграрный университет.

Пока преобладающее значение имеет электроэнергетика с прямым преобразованием солнечного излучения в электрическую энергию (фотоэнергетика).

Считаю, что на данный момент надо учитывать, что кпд тепловых солнечных установок (70% - 90%) гораздо превосходит кпд солнечных батарей (15% - 30%) , работающих на фотоэнергетику. И этот факт говорит сам за себя.

Спасибо всем, кто прочитал статью, поставил "класс" или подписался.