УДК. 620.91:504.4 М(Л)Б. Бектенов

УДК. 620.91:504.4
М(Л)Б. Бектенов
УЧЕТ ПОТЕРИ ТЕПЛА, ОТРАЖАЕМОГО ОТ СТЕКЛА
В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГЕЛЕОУСТАНОВКЕ
Энергия, потребляемая в различных видах для целей промышленности, транспорта, бытовых
нужд, в настоящие время получается в основном, за счет сжигания ископаемого топлива (более 80-85%).
Источник этот – невозобновляемый, и если энергетика продолжит развиваться
современными темпами, то недалёком будущем он иссякнет.
Увеличение потребления энергии на Земном шаре показано на рис 1, причем через семь лет
потребность в электроэнергии увеличится не менее чем на 30 %.
С ростом потребности энергии увеличивается выброс парниковых газов в окружающую
среду. Это вынуждает ученых искать новые возобновляемые виды энергоисточника.
Возникающие на базе преоброзования солнечной и геотермальной энергии, а также энергии
гравитации планеты биомасса, ветровая, солнечная, геотермальная и гидроэнергии, могут быть
использованы для выработки
электричества и тепла. Однако теоретический потенциал
возобновляемых источников энергии (ВИЭ) ограничен техническими, экономическими
предпосылками. Содействие в их использовании можно осуществить путём стимулирования
ценовых механизмов.
Увеличение эмиссии парниковых газов, особенно СО2, в рамках переговоров о разработке
нового международного соглашения, заменяющий Киотский протокол, срок которого истекает в
2012 году, всё более предпочтение отдаёт использованию ВИЭ, т.е. новым видам энергоносителей.
Энергоноситель – это вещество, отдающее энергию путём прямого или косвенного
преоброзования.
Возобновляемая энергия или регенеративная, альтернативная энергия- это первичная
энергия, представляемая человечеством неисчерпаемой [1].
Источником возобновляемой энергии являются: солнечная, планетная гравитация и
геотермальная энергия. Путём их естественного преоброзования получаются другие формы ВИЭ,
например солнечные лучи преобразовываются в ветро и гидроэнергию. Биомасса также другая
форма солнечной энергии (рис. 2) [2].
По исследованиям ученых среди всех видов энергоносителей практически неистощимым
является солнечная энергия. В табл. 1 мы приводим орентировочные данные по всем
предпологаемым энергетическим запасам Земного шара, выраженные в тысячах миллиардов
киловатт часов. Для сравнения приводим энергию вечных или возобновляемых источников,
отдаваемая ежегодно Земле.
Как видно, из табл. ежегодно отдаваемая Солнцем энергия Земле превышает весь запас
невозобновляемых источников энергии.
По расчетам [3] приблизительно с горизонтальной поверхности земли площадью 80 км2
можно получить столько же энергии сколько всё человечество использует в настоящее время.
Основным направлением использования солнечной энергии является преобразование
лучистой энергии в тепло и электроэнергию .
Источники энергии
Формы энергии
→
Солнечная энергия
Глобальное изучение Тепло
атмосферы и поверхности
земли.
Испарение/ осадки,
Ветер.
Волны.
Морское течение.
Биомасса.
Рис .2. Возобновляемые источники и формы энергии
Таблица 1.
Невозобновляемые источники (общие запасы)
Внутреатомная энергия
547000*1012квт.ч.
Топливные ресурсы
55000 __.___
Внутреннее тепло Земли
134 __.___
→
Возобновляемые источники (ежегодно)
Энергия солнца
Энергия морских приливов
Энергия ветра
Энергия рек
580000*1012квт.ч.
70000 __.___
1700 __.___
18 __.___
В статье мы рассматриваем наиболее простые устройства для превращения лучистой
энергии солнца в тепло-низкотемпературные установки типа «горячего ящика» (рис.3).
Рис. 3. Принципиальная схема «горячего ящика»
Обычный ящик – корпус которого изготовлен из дерева или бетона (для уменьшения
тепловых потерь корпус изготавливается из пенопласта) с толстыми стенками и хорошо
изолированным дном покрывается сверху одним или несколькими слоями оконного стекла,
установленными герметично. Солнечные лучи , падающие на нагреватель , проходит сквозь
стекло, хорошо пропускающее видимую часть спектра, т.е с длиной волны от 0,4 до 0,8 мк и
несколько хуже -невидимые инфрокрасные лучи до 3 мк. Именно в этом диапазоне сосредоточена
наибольшая часть энергии солнечных лучей. Прошедшие сквозь стекло лучи попадают на
нагреваемую металлическую зачерненную поверхность, поглощаются ею, нагревают ее и
жидкость, содержащийся в котле.
Летом в таком ящике можно довести температуру до 70-75 и даже до 950С . Для этого
необходимо поставить второе стекло с промежутком между ними 2-2,5 см. При восьми слоях
стекла можно получить температуру 210 градусов [4]. Однако, при этом возрастают потери
вследствие поглощения солнечных лучей стеклом и многократного отражения их между
стеклами.
В «горячем ящике» происходит следующий процесс: коротковолновая часть спектра солнечных
лучей поглощается черной металлической поверхностью: дно ящика излучает тепловые
длинноволновые лучи, а стекло непропускает это излучения наружу. Таким образом, воздух в ящике
нагревается, а термоизолятор уменьшает потери тепла через дно и стенки. Потери тепла котлом в
окружеещее пространство через дно ящика, боковые стенки и через воздушную прослойку ,
образованную поверхностью котла и стеклом, рассчитываются по приведенным автором формулами [3].
Приведем расчет плотности потока падающей на поверхность котла радиации, после
прохождения ее через один или несколько слоев стекла. Для этого воспользуемся формулой
Френеля, Бугера и Стокса.
Для естественного (неполяризованного) излучения отражательная способность от одной
поверхности стекла согласно Френелю опредеяется по формуле.
I r 1 sin 2 (i  i / ) tg 2 (i  i / )
,
R0 


I 0 2 sin 2 (i  i / ) tg (i  i / )
(1)
где i, i/ – углы соответственно падения и преломления луча, I0 , Ir – соответственно
падающая и отражающая радиация.
Излучение отражается и от верхней и от нижней поверхности стеклянной пластины,
поэтому после прохождения через одно стекло отраженная доля радиации будет равна
R1  I 
I  R0
I  R0
(2)
При прохождении через n слоев стекла отраженная доля падающей радиации будет
Rn  I 
I  R0
I  (2n  1) R0
(3)
Если учесть также поглощение лучистой энергии в толще стекла (А), которое определяется
по формуле Бугера
A=1-e-kd/cosi,
(4)
где k- коэффициент поглощения 1/м, d – толщина слоя стекла м, то пропущенная стеклом
радиация по Стоксу будет
D1 
(1  R0 )2 e  kd / cos i
2
4
(5)
4
1  R0 (e  kd / cos i )2
Зная потери лучистой энергии Солнца на отражение, поглощение и теплопроводностью
можно определить производительность низкотемпературных гелиоустановок.
ЛИТЕРАТУРА
1 . Quaschning, V. (2007) : Reyenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 5.
Munchen: Изд. Hanser.
2 . Kaltschmidt, M., Streicher , W., Wiese, A. (2006) Ernenerbare Energien. Systemtechnik ,
Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. 4. Изд . Berlin, Heidelberg : Springer.
3 . Бектенов М. Исследование эффективности селективных покрытий в солнечных водонагревателях
(Автореферат канд. диссертации , 1973)
4 . Бектенов М(Л) Б.Солнце – источник энергии на Земле. Алматы,2008.
Резюме
Температурасы төмен гелиоқондырғылардағы жылу шығынының шыныдан шағылған сәулеге
байланыстылығын ескеру.
Summary
We should consider heat loses in glass to find coefficient of efficiency of low-temperature helio-settings.
Казахский национальный аграрный университет
Поступила 20.04.12 г.