Общеизвестно, что на солнце предметы нагревают­ся. Солнечную энергию можно использовать либо не­посредственно — для обогрева домов или приготовле­ния пищи, либо косвенно — для генерирования элек­тричества. На солнце предметы нагревают­ся в результате поглощения ими энергии солнечного излучения. Для объяснения этого явления в свое время предлагалось множество механизмов, но только по­явившаяся в этом столетии квантовая теория оказа­лась в состоянии справиться с подобной проблемой.

Во многих устройствах для теплового преобразования используются так называемые коллекторы - приемники солнечного излучения (рис. 1). Получая энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь излучением с окружающей средой.

Рис. 1. Плоские солнечные коллекторы.

Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную способность пластины для этого вида радиации через αс. Под действием солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и испускаемого излучения равны, что позволяет записать равенство

αс Р = εσТ4, (1)

где ε — излучательная способность пластины при низких температурах.

Тогда равновесную темпера­туру Т мы получим из уравнения

(2)

Очевидно, равновесная температура тем выше, чем больше отношение αс/ε. А согласно табл. 3 [Бринкворт], это отношение иногда, в частности для полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше. Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных целей обычно выбирают материалы с высо­кой поглощательной способностью, для которых отно­шение αс/ε близко к 1. Такие материалы называются нейтральными поглотителями. Полагая Р = 800 Вт/м2 (типичная интенсивность сол­нечного излучения в тропиках в летнее время), из уравнения (2) мы находим значение равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно близка к реальной темпе­ратуре черной пластины, установленной на длительное время под тропическим солнцем.

Таблица 3

Радиационные характеристики веществ

Важным фактором, влияющим на собира­ние солнечной энергии, является длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается главным образом молекулами углекислого газа и во­дяного пара при поглощении ими прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от земли и обусловленного конвекцией. Спектры поглощения этих молекул, связанные с их колебательными и вра­щательными движениями, лежат в видимой и инфра­красной областях.Общая интенсивность Ра этого излучения сущест­венно зависит от содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности. При повы­шенной влажности и сплошной облачности атмосфера ведет себя примерно так же, как черное тело с темпе­ратурой около 280 К (10° С); соответствующая интен­сивность излучения на горизонтальной поверхности составляет около 300 Вт/м2. Общая же интенсивность атмосферного излуче­ния редко падает ниже 100 Вт/м2. Для собирания этого излучения применяют так называемые селективные поглотители. Обычно такой поглотитель представляет собой полированную металлическую поверхность, по­крытую тонкой темного цвета защитной пленкой оки­сей никеля или меди. Его поглощательная способность в коротковолновой области довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны, превышаю­щей его толщину. Тогда его излучательная способность в длинноволновой части спектра должна быть не выше, чем у металла, то есть около 0,1. Равновесная темпе­ратура такого селективного поглотителя с величиной отношения αс/ε, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях должна повыситься до 427 К, или 1540С (если интенсивность длинноволнового атмосферного излучения составляет 200 Вт/м2, а поглощательная способность к этому виду излучения равна 0,1). Одна­ко добиться такого существенного улучшения практи­чески очень сложно. Основная трудность заключается в том, что большинство селективных покрытий очень чувствительно к пылевому загрязнению, и в естествен­ных условиях их характеристики со временем быстро ухудшаются.

Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. На рис. 2 схематически показано одно из таких простейших устройств с плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя. Этот показатель называется коэффициентом концентрации К. Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квад­ратной формы снабжен, как показано на рис. 2, че­тырьмя зеркалами того же размера (что облегчает компоновку и сборку устройства), установленными под углом β = 60°, то в этом случае коэффициент концентрации равен 3. На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невоз­можным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К, как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного типа достигает 180° С (для ней­трального поглотителя) и 332° С (для селективного