Основы солнечной теплоэнергетики


ДЖ. ДАФФИ, У. БЕКМАН



            ОСНОВЫ СОЛНЕЧНОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ


Перевод с английского
О.С. Попеля, С.Е. Фрида, Г.А. Гухман, С.В. Киселёвой, А.В. Мальцевой под редакцией О.С. Попеля











л

                                                 Издательский Дом
                                                 ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

Дж. Даффи, У. Бекман
   Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство / Дж. Даффи, У. Бекман — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 888 с.
   ISBN 978-5-91559-141-6

   Третье издание книги Джона Даффи и Уильяма Бекмана «Основы солнечной теплоэнергетики» является наиболее основательным, авторитетным и цитируемым среди специалистов-гелиоэнергетиков фундаментальным научным трудом, посвященным описанию расчетно-теоретических и экспериментальных методов исследования процессов теплового преобразования солнечной энергии.
   В книге рассмотрены как базовые процессы преобразования энергии, математические модели и методы проектирования солнечных энергоустановок и систем солнечного теплоснабжения, так и подходы к практической реализации этих систем. Книга обобщает почти пятидесятилетний опыт Лаборатории солнечной энергетики Висконсинского университета США. Это разработчик системы динамического моделирования установок возобновляемой энергетики TRNSYS, ставшей по сути стандартом при проектировании гелиоустановок в большинстве стран мира.
   По охвату и глубине изложения данное руководство стало самой фундаментальной работой в области основ гелиотехники и ее издание в русском переводе будет необходимо для широкого круга специалистов.
   Она крайне полезна и для преподавателей и студентов вузов, готовящих специалистов в области альтернативной энергетики.


















ISBN 978-5-91559-141-6
ISBN 978-0-471-69867-8 (англ)

                             ©


2013, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ









Предисловие научного редактора перевода..............................14

Часть I
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Глава 1 СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ..................................................21
   1.1. Солнце.......................................................21
   1.2. Солнечная постоянная.........................................23
   1.3. Спектральное распределение заатмосферного излучения..........25
   1.4. Изменчивость потока заатмосферного излучения.................28
   1.5. Определения..................................................29
   1.6. Направление распространения прямого солнечного излучения.....32
   1.7. Углы для следящих поверхностей...............................40
   1.8. Отношение потоков прямого солнечного излучения, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности.........................43
   1.9. Затенение....................................................50
   1.10. Заатмосферное излучение, поступающее на горизонтальную поверхность........................................................57
   1.11. Выводы......................................................62
   Литература........................................................63

Глава 2 СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ.............................64
   2.1. Определения..................................................64
   2.2. Пиргелиометры и пиргелиометрические шкалы....................65
   2.3. Пиранометры..................................................69
   2.4. Измерение продолжительности солнечного сияния................75
   2.5. Данные о солнечном излучении.................................76
   2.6. Ослабление солнечного излучения в атмосфере..................84
   2.7. Оценка средних значений солнечного излучения.................88
   2.8. Оценки потоков солнечного излучения при ясном небе...........93
   2.9. Распределение ясных и облачных дней и часов..................97

-JU Оглавление

   2.10. Прямая и рассеянная составляющие часовой суммы солнечного излучения...........................................................101
   2.11. Прямая и рассеянная составляющие дневного солнечного излучения...103
   2.12. Прямая и рассеянная составляющие среднемесячной дневной суммы солнечного излучения................................................105
   2.13. Определение часовых сумм солнечного излучения на основе суточных данных..............................................................107
   2.14. Солнечное излучение, падающее на наклонную поверхность........112
   2.15. Излучение на наклонных поверхностях: изотропный небосвод......117
   2.16. Излучение на наклонных поверхностях: анизотропный небосвод....118
   2.17. Увеличение потока солнечного излучения........................124
   2.18. Прямое излучение на движущихся поверхностях...................129
   2.19. Среднее излучение на наклонных поверхностях: изотропный небосвод.130
   2.20. Среднее излучение на наклонных поверхностях: КТ-метод.........135
   2.21. Влияние ориентации приемной поверхности на Нт.................141
   2.22. Используемость................................................144
   2.23. Обобщенная используемость.....................................148
   2.24. Дневная используемость........................................156
   2.25. Заключение....................................................162
   Литература..........................................................163

Глава 3
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА...................................168
     3.1. Спектр электромагнитного излучения...........................168
     3.2. Фотонное излучение...........................................169
     3.3. Черное тело — идеальный поглотитель и излучатель.............170
     3.4. Закон Планка и закон смещения Вина...........................170
     3.5. Уравнение Стефана—Больцмана..................................172
     3.6. Таблицы энергии излучения черного тела.......................172
     3.7. Интенсивность и плотность потока излучения...................175
     3.8. Радиационный теплообмен между серыми поверхностями...........178
     3.9. Излучение небосвода..........................................179
   3.10. Коэффициент теплопередачи излучением..........................180
   3.11. Свободная конвекция между плоскими параллельными пластинами и между концентрическими цилиндрами.................................182
   3.12. Подавление конвекции..........................................187
   3.13. V-образная гофрированная поглощающая панель...................190
   3.14. Формулы теплообмена для течения в трубах и каналах............191
   3.15. Конвективный коэффициент теплоотдачи за счет ветра............196
   3.16. Теплообмен и потери давления в насадках и перфорированных пластинах...........................................................198
   3.17. Метод эффективность-NTU для расчета теплообменников...........201
   Литература..........................................................204

Оглавление Л, 5

    Глава 4
    РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ...................206
        4.1. Поглощательная способность и степень черноты................207
        4.2. Закон Кирхгофа..............................................209
        4.3. Отражательная способность поверхностей......................211
        4.4. Соотношения между поглощательной способностью, степенью черноты и отражательной способностью.....................................215
        4.5. Интегральные степень черноты и поглощательная способность...216
        4.6. Расчет степени черноты и поглощательной способности.........218
        4.7. Измерение радиационных свойств поверхности..................221
        4.8. Селективные поверхности.....................................223
        4.9. Методы достижения селективности.............................227
       4.10. Оптимальные свойства селективной поверхности................232
       4.11. Угловая зависимость поглощательной способности в области солнечного спектра................................................232
       4.12. Поглощательная способность полостных приемников.............233
       4.13. Зеркально отражающие поверхности............................234
       Литература........................................................236

    Глава 5
    ПРОХОЖДЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ОСТЕКЛЕНИЕ: ПОГЛОЩЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ................................................239
        5.1. Отражение излучения.........................................239
        5.2. Поглощение излучения остеклением............................243
        5.3. Оптические свойства прозрачных покрытий.....................243
        5.4. Пропускание рассеянного излучения...........................249
        5.5. Приведенная поглощательная способность......................251
        5.6. Угловая зависимость (та)....................................253
        5.7. Спектральная зависимость пропускательной способности........253
        5.8. Влияние поверхностных слоев на пропускательную способность..256
        5.9. Поглощенное солнечное излучение.............................258
       5.10. Среднемесячное поглощенное солнечное излучение..............261
       5.11. Поглощательная способность помещений........................267
       5.12. Поглощательная способность фотоэлементов....................269
       5.13. Заключение..................................................273
       Литература........................................................273

    Глава 6
    ПЛОСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ.........................................275
        6.1. Описание плоских коллекторов................................276
        6.2. Основное уравнение энергетического баланса..................276
        6.3. Распределения температуры в плоских коллекторах.............278

_1 Оглавление

         6.4. Полный коэффициент тепловых потерь коллектора.................279
         6.5. Распределение температуры между трубами и коэффициент эффективности коллектора..........................................293
         6.6. Распределение температуры в направлении течения жидкости.....301
         6.7. Коэффициент отвода тепла от коллектора и коэффициент расхода...........................................................302
         6.8. Критический уровень солнечного излучения.....................306
         6.9. Средние температуры жидкости и панели .......................307
        6.10. Эффективная приведенная поглощательная способность...........308
        6.11. Влияние пыли и затенения.....................................311
        6.12. Влияние теплоемкости в плоских коллекторах...................313
        6.13. Геометрические формы поглощающей панели жидкостного коллектора.........................................................316
        6.14. Воздухонагреватели...........................................322
        6.15. Измерение характеристик коллектора...........................329
        6.16. Параметры, характеризующие коллектор.........................330
       6.17. Испытания коллектора: КПД, модификатор угла падения и постоянная времени................................................332
        6.18. Результаты испытаний.........................................342
        6.19. Преобразование результатов тепловых испытаний................345
        6.20. Поправки на расход в FR(та)п и FR UL.........................349
        6.21. Распределение расхода в солнечных коллекторах................352
        6.22. Характеристики коллектора в условиях эксплуатации............353
        6.23. Практические рекомендации по плоским коллекторам.............354
        6.24. Примеры......................................................358
        6.25. Заключение...................................................364
        Литература.........................................................364

    Глава 7
    КОНЦЕНТРИРУЮЩИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ...................................368
         7.1. Конфигурации концентрирующих солнечных коллекторов...........369
         7.2. Коэффициент концентрации.....................................372
         7.3. Тепловые параметры коллекторов с концентраторами.............375
         7.4. Оптические характеристики концентрирующих солнечных коллекторов.......................................................382
         7.5. Массивы цилиндрических приемников............................383
         7.6. Оптические свойства неизображающих концентраторов............386
         7.7. Ориентация коллекторов с СРС и поглощенная ими энергия.......393
         7.8. Параметры коллекторов с СРС..................................398
         7.9. Линейные изображающие концентраторы: геометрия...............400
        7.10. Изображения, создаваемые идеальными линейными концентраторами....................................................403

Оглавление Л, 7

        7.11. Изображения, создаваемые неидеальными линейными концентраторами..................................................409
        7.12. Использование метода построения ходалучей для определения параметров концентраторов........................................411
        7.13. Модификаторы угла падения излучения и энергетические балансы.412
        7.14. Параболические концентраторы.................................418
        7.15. Системы с центральным приемником.............................419
        7.16. Практические соображения.....................................420
        Литература.........................................................422

    Глава 8
    АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ................................................424
        8.1. Графики нагрузки и выработки солнечного коллектора............425
        8.2. Аккумулирование энергии в солнечных энергоустановках..........426
        8.3. Водяной аккумулятор...........................................428
        8.4. Стратификация в водяном аккумуляторе..........................431
        8.5. Аккумуляторы с твердой насадкой...............................437
        8.6. Теплоаккумулирующие стены.....................................445
        8.7. Сезонное аккумулирование......................................447
        8.8. Аккумулирование тепла на основе фазовых переходов.............450
        8.9. Химические аккумуляторы энергии...............................455
        8.10. Электрохимические аккумуляторы...............................457
        Литература.........................................................459

    Глава 9
    НАГРУЗКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ................................462
        9.1. Примеры нагрузок зависящих от времени........................463
        9.2. Нагрузки горячего водоснабжения...............................464
        9.3. Отопительные нагрузки, градусо-дни и температура равновесия...465
        9.4. Коэффициент тепловых потерь здания............................469
        9.5. Теплоаккумулирующая способностьздания.........................471
        9.6. Нагрузки охлаждения...........................................472
        9.7. Тепловые нагрузки плавательных бассейнов......................472
        Литература.........................................................475

    Глава 10
    ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ................................................477
        10.1. Модели основных компонент системы............................478
        10.2. Коэффициент эффективности теплообменника коллекторного контура..........................................................479
        10.3. Коэффициенты учета потерь в трубопроводах и воздуховодах.....481

_1 Оглавление

        10.4. Регуляторы.................................................484
        10.5. Массивы коллекторов: последовательное соединение...........486
        10.6. Характеристики частично затененных коллекторов.............488
        10.7. Массив последовательно соединенных по-разному ориентированных коллекторов......................................................491
        10.8. Использование модифицированных уравнений коллектора........493
        10.9. Модели систем..............................................497
       10.10. Доля покрытия и доля экономии..............................500
       10.11. Заключение ................................................502
       Литература........................................................502

    Глава 11
    ЭКОНОМИКА СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК.........................................503
        11.1. Затраты на солнечные энергоустановки.......................504
        11.2. Модельные переменные.......................................505
        11.3. Показатели экономической эффективности.....................506
        11.4. Дисконтирование и инфляция.................................508
        11.5. Выводы.....................................................510
        Литература........................................................510

Часть II
ПРИМЕНЕНИЯ

    Глава 12
    СОЛНЕЧНЫЙ НАГРЕВ ВОДЫ: АКТИВНЫЙ И ПАССИВНЫЙ..........................513
        12.1. Системы нагрева воды.......................................513
        12.2. Замерзание и кипение.......................................517
        12.3. Дополнительный нагрев......................................519
        12.4. Системы с принудительной циркуляцией.......................521
        12.5. Установки с малым расходом теплоносителя...................523
        12.6. Установки с естественной циркуляцией.......................524
        12.7. Солнечные водонагреватели аккумуляционного типа............526
        12.8. Реконструкция водонагревательных систем....................529
        12.9. Водонагреватели в системах отопления и охлаждения..........529
       12.10. Испытание и нормирование солнечных водонагревателей........530
       12.11. Экономика солнечного нагрева воды..........................530
       12.12. Подогрев воды в плавательных бассейнах.....................530
       12.13. Выводы.....................................................532
       Литература........................................................532

Оглавление -JU 9

    Глава 13
    ОТОПЛЕНИЕ ЗДАНИЙ: АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ...................................534
       13.1. Исторические заметки........................................535
       13.2. Системы солнечного отопления................................536
       13.3. Жидкостная система теплоснабжения дома CSU-III с плоскими солнечными коллекторами...........................................542
       13.4. Воздушная система теплоснабжения дома CSU-II................546
       13.5. Параметрическое исследование системы отопления..............548
       13.6. Системы солнечного отопления с тепловыми насосами...........554
       13.7. Системы аккумулирования тепла на основе фазовых переходов...559
       13.8. Системы межсезонного аккумулирования энергии.................563
       13.9. Системы использования солнечной энергии и провальной электроэнергии....................................................567
      13.10. Перегрев системы солнечного отопления.......................569
      13.11. Экономика солнечного отопления..............................570
      13.12. Некоторые соображения об архитектуре зданий.................572
      Литература.........................................................575

    Глава 14
    ОТОПЛЕНИЕ ЗДАНИЙ: ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ...............................577
       14.1. Концепции пассивного обогрева...............................578
       14.2. Критерии комфорта и отопительные нагрузки...................579
       14.3. Подвижная теплоизоляция и управление ею.....................579
       14.4. Затенение: навесы и козырьки................................580
       14.5. Системы с прямым облучением.................................584
       14.6. Стены и крыши типа солнечный коллектор-аккумулятор..........589
       14.7. Теплицы.....................................................593
       14.8. Гибридные системы с активными солнечными коллекторами и пассивным аккумулированием тепла................................595
       14.9. Другие гибридные системы....................................596
      14.10. Применения пассивных систем.................................597
      14.11. Перераспределение тепла в пассивных зданиях.................600
      14.12. Экономика пассивных систем солнечного отопления.............601
      Литература.........................................................601

    Глава 15
    СОЛНЕЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ.................................................603
       15.1. Солнечное абсорбционное охлаждение..........................604
       15.2. Теория абсорбционного охлаждения............................606
       15.3. Комбинированный солнечный нагрев и охлаждение...............612
       15.4. Моделирование солнечного кондиционера воздуха...............613

Оглавление

       15.5. Опыт эксплуатации солнечных холодильных установок..........617
       15.6. Применение солнечного абсорбционного охлаждения для кондиционирования воздуха...................................620
       15.7. Солнечное испарительное охлаждение.........................621
       15.8. Вентиляционные и рециркуляционные испарительные циклы......623
       15.9. Солнечно-механическое охлаждение...........................625
       15.10. Другие возможности «солнечного» кондиционирования воздуха.627
       15.11. Пассивное охлаждение......................................629
       Литература.......................................................629

    Глава 16
    СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВКАХ...........................631
       16.1. Интеграция с промышленными установками.....................632
       16.2. Особенности проектирования систем..........................632
       16.3. Экономика промышленных тепловых установок..................633
       16.4. Открытые системы подогрева воздуха.........................634
       16.5. Системы подогрева воздуха с рециркуляцией..................638
       16.6. Открытые системы нагрева воды в промышленности.............640
       16.7. Системы промышленного подогрева воды с рециркуляцией.......642
       16.8. Нагрев воды с помощью мелких солнечных прудов..............644
       16.9. Выводы.....................................................646
       Литература.......................................................646

    Глава 17
    СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ....................................................648
       17.1. Системы теплового преобразования энергии...................649
       17.2. Солнечная насосная установка...............................650
       17.3. Системы LUZ................................................651
       17.4. Электростанции с центральным приемником....................656
       17.5. Солнечные электростанции «SOLAR ONE» и «SOLAR TWO».........659
       Литература.......................................................660

    Глава 18
    СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ: ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ.............................662
       18.1. Солнечные пруды с градиентом концентрации соли.............662
       18.2. Теория солнечных прудов....................................664
       18.3. Практическое применение солнечных       прудов.............666
       18.4. Солнечная дистилляция......................................668
       18.5. Испарители.................................................673
       18.6. Прямая солнечная сушка.....................................675
       18.7. Заключение.................................................675
       Литература.......................................................675

Оглавление -JU 11

Часть III
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

   Глава 19
   МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК..........................679
       19.1. Программы моделирования................................679
       19.2. Полезность моделирования...............................680
       19.3. Результаты моделирования...............................681
       19.4. TRNSYS: программа моделирования тепловых процессов.....684
       19.5. Моделирование и эксперимент............................690
       19.6. Метеорологические данные...............................692
       19.7. Ограничения моделирования..............................694
       Литература...................................................695

   Глава 20
   ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ АКТИВНЫХ СИСТЕМ:
   МЕТОД/-ДИАГРАММ..................................................697
       20.1. Обзор инженерных методов расчета.......................697
       20.2. Метод/-диаграмм........................................698
       20.3. Метод/-диаграмм для жидкостных систем..................703
       20.4. Метод/-диаграмм для воздушных систем...................708
       20.5. Системы горячего водоснабжения.........................713
       20.6. Допущения и погрешности метода/-диаграмм...............715
       20.7. Расчет параллельной солнечно-теплонасосной системы.....717
       20.8. Заключение.............................................720
       Литература...................................................721

   Глава 21
   ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ АКТИВНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ИСПОЛЬЗУЕМОСТИ...........................................723
       21.1. Часовая используемость.................................724
       21.2. Дневная используемость.................................727
       21.3. Метод $-,/-диаграмм....................................732
       21.4. Заключение.............................................743
       Литература...................................................743

   Глава 22
   ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ ПАССИВНЫХ И ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ...................744
       22.1. Подходы к расчету пассивных систем.....................744
       22.2. Метод соотношения солнечного излучения и нагрузки......745

Оглавление

       22.3. Метод неиспользуемости: системы прямого нагрева............754
       22.4. Метод неиспользуемости: теплоаккумулирующая стена-коллектор.761
       22.5. Гибридные системы: активный сбор тепла с пассивным аккумулированием...............................................769
       22.6. Другие гибридные системы...................................776
       Литература.......................................................776

    Глава 23
    ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ..........................778
       23.1. Фотоэлектрические преобразователи..........................779
       23.2. Характеристики и модели фотопреобразователей...............781
       23.3. Температура фотоэлемента...................................791
       23.4. Характеристики нагрузки. Системы с прямым подключением нагрузки к ФЭП.................................................794
       23.5. Регуляторы и устройства слежения за максимальной мощностью.798
       23.6. Практические приложения....................................799
       23.7. Инженерные методы расчета..................................800
       23.8. Фотоэлектрические генераторы с концентраторами.............807
       23.9. Заключение.................................................808
       Литература........................................................808

    Глава 24
    ЭНЕРГИЯ ВЕТРА.......................................................810
       24.1. Введение...................................................810
       24.2. Ресурсы энергии ветра......................................814
       24.3. Одномерная модель ветроколеса..............................823
       24.4. Оценка средней мощности и выработки электроэнергии ветроэлектрической установкой..................................828
       24.5. Заключение.................................................834
       Литература.......................................................834

    Приложение 1
    УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................835
       П1.1. Обозначения................................................835
       П1.2. Обозначения, касающиеся излучения..........................839

    Приложение 2 МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ        (SI)............................840

    Приложение 3
    СРЕДНЕМЕСЯЧНЫЕ Rb В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ф И ф - Д........................841

Оглавление

-1^ 13

   Приложение 4
   СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ


.......................................849

   Приложение 5 КЛИМАТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ....................................854
   Приложение 6 ДИАГРАММЫ ПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЦА..............................862
   Приложение 7 СРЕДНИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ЗАТЕНЕНИЯ СВЕСОВ КРЫШИ.............868

   Список дополнительной литературы........................884

        ПРЕДИСЛОВИЕ
        НАУЧНОГО РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА









               Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) вызывают неуклонный рост интереса на всех уровнях мирового сообщества. ВИЭ приобрели не только энергетическое и экологическое, но и мировое политическое звучание. В наше время они уже вносят заметный вклад в глобальное потребление энергии, однако повышенный интерес к ним, прежде всего, связывается с надеждами на экологически безопасное и устойчивое энергоснабжение человечества в будущем. В то время как традиционная энергетика, базирующаяся на использовании ископаемых органических энергоресурсов, с начала XXI в. росла в среднем с темпом всего около 2 % в год, использование основных нетрадиционных ВИЭ росло в это же время со средними темпами в десятки процентов в год (рис. 1) [1].


Рис. 1. Средние годовые темпы роста мощности энергоустановок на ВИЭ и производства биотоплива в 2005—2010 гг.

       Столь высокие темпы проникновения ВИЭ на крайне инерционный энергетический рынок, новые технологии на который пробиваются десятилетиями, говорят о том, что возобновляемая энергетика становится все более серьезным «игроком» и заслуживает пристального внимания.
       Вклад нетрадиционных ВИЭ в глобальное потребление энергии пока немногим превышает 2 %, а в производство электроэнергии составляет менее 4 %. Казалось бы не много, однако отмеченные ранее высокие темпы развития практического

Предисловие научного редактора перевода

Л-¹⁶

    использования ВИЭ свидетельствуют о том, что новые технологии преобразования нетрадиционных ВИЭ сделали заявку на то, чтобы претендовать на серьезные роли в будущей мировой энергетике.
       Этот вывод подтверждается непрерывным ростом инвестиций в данный сектор энергетики, которые в 2010 г. превысили 200 млрд долл. (рис. 2) [1] и в отличие от инвестиций в другие сектора мировой экономики не претерпели какого-либо спада вследствие мирового финансово-экономического кризиса 2008 г.


Рис. 2. Рост инвестиций в развитие нетрадиционных ВИЭ

       Страны-лидеры по инвестициям в ВИЭ включают Китай, Германию, США, Италию и Бразилию. Инвестиции Китая в 2010 г. составили 49 млрд долл., Германии — 41 млрд (из них 34,3 млрд было инвестировано в малую распределенную энергетику на ВИЭ, в основном в крышные фотоэлектрические установки), США — 25 млрд. Максимальные темпы роста инвестиций в ВИЭ по отношению к 2009 г. имели место в Италии (248 %), США (58 %), Канаде (47 %), Бельгии (40 %), Китае (28 %), Индии и Бразилии (по 25 %).
       В 2011 г. суммарная установленная мощность энергоустановок на нетрадиционных ВИЭ достигла 370 ГВт и сравнялась с суммарной мощностью действующих в 32 странах мира 439 ядерных энергетических реакторов. В Евро-Азиатской части земного шара вклад ВИЭ (без крупных гидроэлектростанций) в энергетический баланс региона превысил 6 %.
       Важными являются также следующие факты, характеризующие состояние развития ВИЭ в некоторых странах на конец 2010 г. [1].
       В США вклад ВИЭ в суммарное потребление энергии достиг 10,9 % (для сравнения вклад ядерной энергетики 11,3 %) и вырос по сравнению с 2009 г. на 5,6 %.
       В Китае за год введено в эксплуатацию 29 ГВт новых мощностей на базе ВИЭ, что по отношению к установленной мощности всех электростанций страны (263 ГВт) составляет 12 %. С учетом крупных ГЭС доля ВИЭ в суммарной мощности электрогенерирующих установок достигла 26 % и 18 % в суммарной генерации. Вклад ВИЭ в потребление первичной энергии в 2010 г. достиг 9 %.

¹⁶ -V

Предисловие научного редактора перевода

       В Германии вклад ВИЭ в топливно-энергетический баланс страны достиг 11 %, в том числе в производстве электроэнергии доля ВИЭ составила 16,8 %, в производстве тепловой энергии (преимущественно в результате использования биомассы) 9,8 %, а в использовании моторных топлив 5,8 % (биотоплива). Среди различных ВИЭ, используемых для производства электроэнергии, лидирующую роль играют ветровые установки (36 %), биомасса, малые ГЭС и фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии.
       Рекордно высокие доли производства электроэнергии с использованием энергии ветра достигнуты в Дании (22 %), Португалии (21 %), Испании (15,4 %) и в Ирландии (10,1 %).



    Рис. 3. Достигнутые в 2005 и 2009 гг. показатели по вкладу ВИЭ в конечное потребление энергии в странах ЕС и цели на 2020 г.

       В настоящее время около 100 стран мира сформулировали целевые индикаторы по развитию ВИЭ на период до 2020 г. и на более дальнюю перспективу. В большинстве случаев в течение ближайших 10—20 лет планируется достичь вклада ВИЭ в энергобалансы на уровне от 10 до 30 %. Наиболее амбициозные целевые индикаторы приняты в Европейском Союзе (рис. 3).

Предисловие научного редактора перевода

Л-¹⁷

      Следует подчеркнуть, что в большинстве стран-лидеров ускоренное освоение ВИЭ осуществляется при определяющей государственной законодательной и прямой финансовой поддержке.
      Среди широкого спектра технологий энергетического использования ВИЭ преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую энергию является особенно привлекательным. Так в 2011 г. суммарная тепловая мощность действующих в мире солнечных водонагревательных установок (без учета установок для нагрева воды в плавательных бассейнах) превысила 200 ГВт (более 350 млн м² солнечных коллекторов). На мировом рынке работает более 6000 компаний, занимающихся производством и монтажом солнечных тепловых установок. Только в Китае в 2010 г. было изготовлено, установлено внутри страны и продано за рубеж 49 млн м² различных типов солнечных коллекторов. Странами-лидерами по установленной тепловой мощности используемых солнечных водонагревателей в расчете на 1000 жителей являются Кипр (около 600 кВт), Израиль (400 кВт), Австрия (320 кВт) Греция (300 кВт) и Германия (более 100 кВт). По суммарной тепловой мощности солнечных установок на первом месте в мире находится Китай (около 120 ГВт или около 180 млн м²), на втором и третьем местах находятся Турция и Германия [1]. Суммарная мощность фотоэлектрических установок, действующих в мире, приближается к 50 ГВт, а мощность тепловых солнечных электростанций уже достигла нескольких гигаватт.
      В России возобновляемые источники энергии пока не получили широкого практического применения. Однако интерес к ним неуклонно растет. Ожидается, что к 2020 г. вклад ВИЭ в производство электроэнергии в России возрастет до 2—4 %. Хотя для этого необходимы более активные действия по государственному стимулированию развития ВИЭ. В ряде регионов страны некоторые технологии практического использования ВИЭ уже доказали свою конкурентоспособность. В первую очередь это относится к потребителям, расположенным вне систем централизованного энергоснабжения. А это около 2/3 территории нашей страны с населением около 20 млн человек.
      Предлагаемая вниманию читателя книга профессоров Висконсинского университета (США) Джона Даффи и Уильяма Бекмана на сегодняшний день является, пожалуй, наиболее серьезным и подробным руководством по системам солнечного теплоснабжения и ряду других смежных вопросов использования возобновляемых источников энергии. В ней обобщен более чем сорокалетний опыт исследований, выполненных в Лаборатории солнечной энергетики Висконсинского университета (США), опыт разработки и использования программы динамического моделирования систем преобразования энергии возобновляемых источников TRNSYS, применяемой сегодня всеми ведущими мировыми научными и проектными центрами в рассматриваемой области и ставшей уже стандартом де-факто.
      Книга состоит из трех частей. Первая, посвященная принципам работы и методам оценки характеристик солнечных установок, начинается с рассмотрения физических основ: природы солнечного излучения, факторов его распространения в атмосфере, прохождения солнечного излучения через частично прозрачные среды и его взаимодействия с непрозрачными материалами. Рассмотрены некоторые характерные, прежде всего, для солнечных коллекторов задачи конвективного и лучисто

¹⁸ -V

Предисловие научного редактора перевода

   го теплообмена. Далее сформулированы математические модели компонентов системы солнечного теплоснабжения: солнечного коллектора (плоского и концентрирующего), системы аккумулирования тепла, тепловой нагрузки, рассмотрены вопросы «сборки» модели системы из моделей компонентов и технико-экономического анализа установок солнечного теплоснабжения.
       Помимо теоретического анализа и построения математических моделей в монографии приводится большое количество практических рекомендаций, базирующихся на результатах опыта конструирования и эксплуатации солнечных энергоустановок. Эти вопросы более подробно рассматриваются во второй части книги, где описаны практические приложения — реализации методов использования солнечной энергии в конкретных энергоустановках.
       Третья часть книги посвящена методам оценки долговременных характеристик солнечных энергоустановок и содержит в себе краткое описание принципов построения и структуры системы моделирования TRNSYS, а также упрощенных инженерных методик оценки производительности систем солнечного теплоснабжения, разработанных в Висконсинском университете под руководством авторов. Рассмотрены также методы оценки долгосрочных энергетических показателей фотоэлектрических и ветровых установок.
       В процессе перевода текст был подвергнут некоторому сокращению, терминология была приведена в соответствие с принятой в России. В некоторых случаях, когда соответствующий термин в отечественной практике отсутствует, приходилось «конструировать» его из англоязычного. Так, например, получилось с довольно часто упоминаемым в книге термином «используемость». Мы ограничились таким переводом слова utilizability, поскольку точный его перевод получался весьма громоздким.
       В связи с тем, что в оригинале переводимой книги практически нет ссылок на российские разработки в области возобновляемых источников энергии, мы сочли возможным в конце книги дать краткий список дополнительной литературы, ознакомление с которой позволит читателю глубже ознакомиться с проблемами использования ВИЭ в России.
       Книга представляет несомненный интерес для научных работников, инженеров, проектантов, аспирантов и студентов, специализирующихся в области возобновляемой энергетики, особенно в части использования солнечной энергии для получения низкопотенциального тепла.


               Литература
       1. Renewables 2011. Global status report. Renewable Energy Policy Network for the 21st Centure. / www.ren21.net.

ЧАСТЬ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

I

            В данной части книги рассмотрены основные идеи и расчетные методики, необходимые для понимания того, как работают солнечные установки и как можно оценить их производительность. В первых пяти главах этой части изложены теоретические основы к материалу гл. 6, в которой выводится уравнение энергетического баланса солнечного коллектора, определяющее его полезную производительность в зависимости от поступающего солнечного излучения и тепловых потерь, разность между которыми и представляет собой полезный эффект работы коллектора.
    Первая глава касается природы излучения, испускаемого Солнцем и падающего на землю. В рассмотрение включены геометрические факторы, в частности, влияние угла падения прямого солнечного излучения на различные поверхности на количество поступающей на поверхность энергии за разные промежутки времени. Следующая глава охватывает вопросы влияния на распространение солнечного излучения атмосферы. Рассматривается каким образом доступные данные по солнечному излучению могут быть обработаны с целью получения информации о поступлении энергии на поверхности различной ориентации.
    В гл. 3 рассмотрен ряд теплообменных задач, возникающих в солнечных энергетических установках и составляющих одну из основ энергетического анализа солнечных коллекторов, аккумуляторов и других элементов солнечных установок.
    В следующих двух главах анализируется взаимодействие излучения с непрозрачными и прозрачными материалами, т. е. процессы излучения, поглощения, отражения и прохождения падающего солнечного и собственного длинноволнового излучения. В результате формируется база для детального рассмотрения в гл. 6 характеристик плоского солнечного коллектора. В гл. 7 описываются коллекторы с концентраторами, а в гл. 8 — аккумулирование энергии в различных средах. В гл. 9 содержится краткое обсуждение нагрузок, на которые работает солнечная энергоустановка, и исходных данных, которые необходимо знать для анализа ее работы.
    В гл. 10 отдельные элементы рассматриваются в комплексе, в ней показано как функционирует система солнечного теплоснабжения и как ее долговременные параметры могут быть определены путем численного моделирования, целью которого является предсказание производительности системы, в том числе с учетом нестационарности процессов. Последняя глава посвящена экономике солнечных установок.

ГЛАВА


        СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ


1

           Строение и характеристики Солнца определяют природу энергии излучения, испускаемого им в космическое пространство. Первым важным предметом обсуждения этой главы являются характеристики потока этой энергии за пределами атмосферы Земли, в том числе его интенсивность и спектральный состав. В первую очередь мы будем рассматривать излучение в диапазоне длин волн 0,25—3,0 мкм, так как этот участок солнечного спектра включает в себя большую часть испускаемой Солнцем энергии.
    Вторая важная тема в этой главе — солнечная геометрия (положение Солнца, направление падения лучей и пересечение ими поверхностей различной ориентации), а также проблемы затенения. Третья тема — излучение за пределами земной атмосферы, поступающее на горизонтальную поверхность. Этот поток энергии представляет собой теоретический верхний предел потока энергии солнечного излучения, доступного на поверхности Земли.
    Понимание природы заатмосферного солнечного излучения, влияния ориентации приемной поверхности на количество поглощенной энергии, а также теоретически возможного прихода солнечной энергии на земную поверхность важно при осмыслении и использовании данных по солнечному излучению, которым посвящена гл. 2.


1.1.       СОЛНЦЕ

           Солнце представляет собой сферическое тело диаметром 1,39 ■ 10⁶ км из раскаленного газообразного вещества, отстоящее от Земли на расстоянии ~1,5 ■ 10⁸ км. По наблюдениям с Земли, Солнце делает один оборот вокруг своей оси примерно за четыре недели. Однако оно вращается не как твердое тело: экваториальная область совершает каждый оборот за 27 суток, а полярные районы — примерно за30 суток.
    Поверхность Солнца имеет эффективную радиационную температуру 5777 К¹. Температура близких к центру внутренних областей по разным оценкам составляет

    ¹ Эффективная радиационная температура 5777 К — температура абсолютно черного тела, излучающего то же количество энергии, что и Солнце. Можно определить и другие эффективные температуры, например, температуру абсолютно черного тела, для которого длина волны, на которой энергия излучения максимальна, соответствует длине волны максимума солнечного излучения, равную около 6300 К.