Тема 6. Нетрадиционные способы получения и использования энергии. Гелиоэнергетика.
Общие положения.
Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.
Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую.
Примеры использования солнечной энергии.
6.1 Общие положения
Основой научно-технического прогресса и связанного с ним экономического развития общества является его энерговооруженность. На сегодняшний день энергопроизводство добавляющей энергии на Земле достигло величины примерно 1010 кВт, т.е. в среднем около 2,0 кВт на каждого жителя. Уровень энергопроизводства в 10 – 12 кВт на человека, который на сегодняшний день достигнут в индустриальных странах, через некоторое время будет реализован и в других странах. Учитывая, что предел энергопроизводства добавляющей энергии на Земле по экологическим условиям не должен превышать 1011 кВт, то предельная численность населения не должна быть больше 10 млрд. человек. По прогнозам демографов численность населения на Земле к 2050 году может составить более 10 млрд. человек. Таким образом, глобальное обеспечение органическими энергоресурсами прогнозируемого мирового энергопотребления принципиально ограничено.
Исходя из этого, очевидно, что уже сейчас необходимо думать о сокращении потребления органических энергоресурсов, и переходе возобновляемые источники энергии (ВИЭ) на энергоресурсы недобавляющие энергию в биосферу Земли. Все это является еще одним веским аргументом в пользу развития нетрадиционной энергетики.
В законе Республики Беларусь "Об энергосбережении" дано определение понятия "нетрадиционные и возобновляемые источники энергии". В соответствии с этим определением к ним относят источники электрической и тепловой энергии, использующие: энергию солнца, ветра, биомассы (включая древесные отходы), твердые бытовые отходы, энергию сточных вод, промышленных водостоков и т.п.
6.2. Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.
Солнце ежесекундно излучает 370∙1012 ТДж тепловой энергии. Но из этого количества теплоты на землю попадает, в энергетическом эквиваленте, только 1,2∙1014 кВт, т.е. в 108 раз больше, чем на сегодняшний день потребляется в мире. Солнечная энергия передается на Землю в виде электромагнитного излучения, проходящего путь в космосе от Солнца до Земли. Плотность потока солнечного излучения составляет примерно 1 кВт/м2, но это длится всего лишь в течение 1 – 2 ч в разгар летнего дня на широтах, близких к экватору. В большинстве районов средняя величина облучение составляет 200 – 250 Вт/м2. Сравнивая эту величину со значением средней плотности энергии искусственно созданной человеком, которая составляет всего 0,02Вт/м2, следует отметить, что она в 10000 раз больше.
Люди издавна ощущали могущество Солнца, и в связи с большим потенциалом солнечной энергии, для них всегда было заманчиво максимально использовать ее для своих нужд.
Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию происходит следующим образом. Атомы и молекулы вещества или материи, поглощая электромагнитное излучение, преобразуют его в кинетическую энергию их хаотического движения, т.е. тепловую энергию. Следствием этого процесса является повышение температуры материи или вещества.
Для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую энергию широко используются: гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели), подогреватели воздуха и солнечные коллекторы.
6.2.1. Гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели).
В практике использования солнечной энергии наиболее распространенным является способом использования солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.
Основным элементом гелиоподогревателя является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Наибольшее распространение получили плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, что позволяет им работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными для нагревания жидкостей до температур не выше 100°С [11].
В практике используют простые и сложные схемы приемников солнечного излучения. На рисунке 6.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения. Простые приемники (рисунок 6.1. а) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть. Приемники сложной конструкции (рисунок 6.1. б, в) нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре (тепловом аккумуляторе), что позволяет снижать теплопотери системы в целом [11].
Рисунок 6.1, а — открытый резервуар на поверхности земли (например, бочка с водой, бассейн) — простейший нагреватель воды. Повышение температуры воды в нем ограничено высоким коэффициентом отражения солнечных лучей с поверхности воды, теплоотдачей части тепловой энергии земле и воздуху, а также потерей части поглощенного тепла на испарение воды.
Рисунок 6.1. Схемы приемников гелиоподогревателей.
Рисунок 6.1, б — вакуумированый подогреватель. Он представляет собой конструкцию, состоящую из стеклянной внешней трубки внутри которой помещается черная металлическая трубка, внутри которой циркулирует жидкость. В пространстве между трубками создается вакуум, исключающий перенос тепла от внутренней трубки наружу.
Рисунок 6.1, в — проточный нагреватель. В конструкции данного нагревателя вода циркулирует по параллельным трубкам 3, закрепленным на зачерненной металлической поглощающей пластине 4. Поглощающая пластина выполняется за одно целое с проточными трубками и покрывается черной матовой краской. Поглощающая пластина с трубками помещается в изолированный контейнер 1, закрываемый сверху стеклянной крышкой 2.
Нагретая в гелиоподогревателе вода может использовать сразу или накапливаться в тепловом аккумуляторе, представляющим собой емкость с теплоизолированными стенками. Схема гелиоподогревателя с естественной циркуляцией жидкости приведена на рисунке 6.2.
Рисунок 6.2 Нагревательная система с естественной циркуляцией.
6.2.2. Подогреватели воздуха.
Энергию солнечного излучения можно использовать для подогрева воздуха, который в дальнейшем расходуется для обогрева помещений, а также просушивания зерна, травы, фруктов и т.п. Значительная часть урожая сельхозпродукции в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить своевременным просушиванием. В связи с тем, что на обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов, то можно частично разгрузить теплоэнергосистему, используя подогретый воздух для отопления зданий или путем постройки зданий специальной конструкции, предусматривающих использование солнечного тепла, для целей отопления (рисунок 6.3) [11].
Рисунок 6.3 Жилой дом со "стеной Тромба".
1- солнечная стена; 2- окно; 3- наружное остекление; 4- поглощающая черная поверхность;
5- подвал.
Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому Поглощающие пластины у этих нагревателей изготавливают шероховатыми (для турбулизации потока) и имеющими большую площадь поверхности соприкосновения с воздушным потоком [10].
На рисунке 6.4 изображены два варианта исполнения подогревателей воздуха. Во втором варианте используются сетчатые приемники солнечного излучения для увеличения контактной поверхности и создания турбулентного движения потока воздуха с целью увеличения теплообмена.
Рисунок 6.4. Подогреватели воздуха.
1 — стеклянное покрытие; 2 — шероховатая черная поглощающая поверхность; 3 — пористая поглощающая пластина, 4 — изоляция
Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
6.2.3. Солнечные коллекторы (концентраторы солнечной энергии).
В некоторых случаях требуются более высокие температуры, чем те, которые могут создать плоские приемники. Эта проблема решается с помощью солнечных коллекторов.
Солнечный коллектор состоит из концентратора солнечной энергии и приемника. Концентратор представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Приемник поглощает солнечное излучение собранное концентратором и преобразует его в любой другой вид энергии. Концентратор имеет свободу вращения, которое обеспечивает ему ориентацию на Солнце. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения (рисунок 6.5).
Слежение
Рисунок 6.5. Солнечный коллектор с параболическим концентратором: 1 — зеркало; 2 — приемник
Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
Солнечные коллекторы позволяют получать тепловую энергию достаточную для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Например, солнечный коллектор с параболический зеркалом диаметром 30 м, позволяет сконцентрировать мощность излучения в приемнике порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии.