Как работают солнечные коллекторы, и что у них общего с глобальным потеплением, и что такое парниковый эффект?

Ситуация. Плоские солнечные коллекторы с водяным теплоносителем до сих пор используются для нагрева воды в домах и для аналогичных целей. (Фотоэлектрические коллекторы теперь широко применяются для выработки электроэнергии.) Плоский коллектор состоит из металлической пластины с прикрепленными к ней трубками, по которым течет вода. Пластина и трубки окрашены в черный цвет и помещены в изолированную раму, снизу которой находится теплоизоляция, а сверху — стеклянная или прозрачная пластиковая крышка. Как работает плоский коллектор? Какие процессы теплопередачи задействованы? Как плоский коллектор связан с изменением климата?

Металлическая пластина плоского солнечного коллектора с черной поверхностью изолирована снизу и покрыта стеклянной или прозрачной пластиковой пластиной сверху

Анализ. Плоский коллектор получает энергию от Солнца в виде электромагнитного излучения, которое является единственным видом теплопередачи, способным преодолевать вакуум космического пространства. Большая часть электромагнитных волн, исходящих от Солнца, находится в видимой части спектра, к которой чувствительны наши глаза. Эти волны легко проходят через прозрачную крышку коллектора.

Черная поверхность коллекторной пластины поглощает большую часть видимого света, почти не отражая его. Поглощенная световая энергия повышает температуру пластины, а вода, протекающая через трубки, прикрепленные к пластине, нагревается за счет теплопроводности. Теплоизоляция под пластиной уменьшает потери тепла в окружающую среду.

Поскольку пластина нагревается, она излучает тепло в виде электромагнитных волн в дальней инфракрасной части спектра. Однако стеклянная или пластиковая крышка непрозрачна для инфракрасного излучения, поэтому волны не могут пройти через нее. Крышка также предотвращает потери тепла за счет конвекции. Таким образом, коллектор становится "ловушкой" для энергии.

Односторонняя передача излучения, при котором свет в видимой части спектра проникает внутрь, а инфракрасное излучение от нагретых объектов не может выйти наружу, называется парниковым эффектом. Теплицы используют этот эффект, чтобы удерживать энергию Солнца в холодную погоду, создавая теплую среду для растений. Это тот же эффект, который вызывает нагрев автомобиля в солнечный день при закрытых окнах.

Углекислый газ и другие газы в атмосфере Земли играют ту же роль, что и крышка солнечного коллектора. Видимый свет проходит, но инфракрасное излучение не проходит

В случае глобального потепления Земля напоминает огромную теплицу. Углекислый газ и некоторые другие газы в атмосфере пропускают видимый свет от Солнца, но не пропускают часть инфракрасного излучения, испускаемого нагретыми растениями и другими объектами на поверхности Земли. Углекислый газ выделяется при сжигании любого углеродного топлива, включая уголь, нефть, природный газ и древесину. За исключением древесины, эти источники энергии называются ископаемыми топливами.

Интенсивное использование ископаемых топлив за последние сто лет постепенно увеличило количество углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, привело к постепенному повышению средней температуры Земли. Хотя моделирование средней температуры Земли является чрезвычайно сложной задачей, включающей океанские течения и множество других факторов, исследования показывают, что сжигание ископаемых топлив является одной из основных причин глобального потепления. Это происходит за очень короткий срок в геологических масштабах по сравнению с миллионами лет, которые потребовались для образования ископаемых топлив.

Еще одним важным фактором, влияющим на глобальную температуру, является роль растений. Растения поглощают углекислый газ из воздуха в процессе роста и выделяют его при отмирании или сжигании, но часть углерода остается в почве благодаря опавшим листьям и органическим остаткам. По мере уничтожения лесов и других растений из-за пожаров и вырубки деревьев для строительства и дорог, положительный эффект растений уменьшается.

Очевидным частичным решением проблемы увеличения парниковых газов является сокращение мирового использования ископаемых топлив. Энергосбережение может помочь, но все эти усилия не могут быть реализованы мгновенно. Исследования играют важную роль в разработке источников энергии, не требующих ископаемых топлив. К ним могут относиться ядерная энергия, а также возобновляемые источники, такие как ветер, солнечная энергия и энергия океанских волн.