3 Конструювання сонячних енергетичних установок.

Сонячна енергетична установка – це енергетична установка, що перетворює енергію сонячної радіації в інші види енергії (наприклад, в теплову або в електричну).

Сонце кожну секунду випромінює 88^.10²⁴ кал теплоти, що еквівалентно 1,25 ^. 10¹⁶ т у.п. або 1,02 ^. 10²⁰ кВтгод. На Землю надходить тільки частина цієї енергії - біля 10¹⁸ кВтгод. (123 ^. 10¹² т у.п.) за рік, що майже в 10000 разів більше світового споживання енергії і приблизно в 100 разів більше енергії всіх розвіданих горючих копалин на Землі.

Густина сонячного потоку в космосі приблизно дорівнює 1,35 кВт/м².

Максимальна інтенсивність сонячного випромінювання на поверхні Землі складає близько 1 кВт/м², однак тривалість його становить всього 1-2 години в літні дні. Середня інтенсивність сонячного випромінювання в більшості районів земної кулі становить 200  250 Вт/м². Безпосередньо на поверхню Землі надходить біля 50% від загальної кількості сонячного випромінювання, що проходить через верхні шари атмосфери, 23% з якої становить розсіяна сонячна радіація і 27% – пряма сонячна радіація.

При створенні та впровадженні сонячного енергетичного обладнання використовуються дані про кількість сумарної сонячної радіації і її складових, періодичність та змінність режимів її надходження.

Переваги енергії сонячної радіації порівняно з традиційними видами палива полягають в наступному:

• джерело енергії практично невичерпне;

• можливість використання енергії сонячної радіації на більшості ділянок поверхні Землі як місцевого енергетичного джерела;

• можливість безпосереднього перетворення енергії сонячної радіації в електричну;

• можливість отримання високих температур ( 500⁰С);

• прискорювати дію у фотохімічних процесах.

Освоєння сонячної енергії здійснюються за трьома основними напрямками:

1. Тепловому – уловлюється радіаційне випромінення сонячним колектором – об’ємна конструкція, через яку циркулює теплоносій, а її зовнішня сторона (обернена до джерела випромінення) має чорну поглинаючу поверхню.

Рис. 3.1 Теплова система нагрівання води

2. Теплодинамічному – концентрується енергія сонячної радіації на котлі, пара з якого надходить на турбіну з електрогенератором.

Рис.3.2 Сонячна теплодинамічна електростанція

3. Фотоелектричному – уловлюється електромагнітне випромінення (оптичного діапазону) Сонця та перетворюється в електроенергію постійного струму. Конструкція сучасних генераторів, що виконані на напівпровідниковій основі, мають коефіцієнт перетворення біля 17%.

Рис.3.3 Фотоелектричні панелі

3.1 Загальні підходи до побудови теплових сонячних енергетичних установок.

Системи, що перетворюють енергію сонячної радіації в теплову, умовно поділяють на дві групи:

• “пасивні” – приймачем служать самі об’єкти, що нагріваються. Використання енергії Сонця проводиться за рахунок планіровочного та архітектурно-будівельного розташування споруд;

• “активні” – енергія уловлюється, накопичується та транспортується в спеціальних пристроях. Основним елементом є геліоприймач. Як теплоносій, може виступати газ (повітря), або рідина (вода, розчин солей). В залежності від виду теплоносія будується подальша конструкція теплової сонячної енергоустановки. Для низькопотенційних установок найбільш розповсюдженим типом геліоприймача є плоский. Він побудований як ящик, в середині якого розташований колектор, конструктивно виконаний у вигляді трубопроводу різної конфігурації з гофрованою або чарунчастою поверхнею. Колектор має покриття з великою поглинаючою спроможністю. Стінки ящика обкладені тепловою ізоляцією. Один з боків має прозоре покриття, яке може бути одно–, дво– чи тришарове.

1 – прозоре покриття; 2 – плита або трубка; 3 – корпус.

Рис. 3.4 Види плоских сонячних колекторів.

За призначенням теплові сонячні енергоустановки застосовують, в основному, для гарячого водозабезпечення та кондиціювання як для індивідуальних споживачів, так і для групових, або будують централізовані системи.

Для надійності енергопостачання до сонячних енергоустановок додають акумулюючі пристрої з короткочасною або довгостроковою акумуляцією. Крім того, вони можуть мати дублюючий (резервний) нагрівач (наприклад, електронагрівач, що живиться від центральної мережі).

За характером руху теплоносія системи можуть бути з вільним або вимушеним режимом теплообміну, а за числом контурів теплообміну: одно–, дво– або багатоконтурними.

Таким чином, сонячні енергоустановки входять в фізичну систему узгодження енергопотоку надходження енергії сонячної радіації та потреб споживача, що діє протягом певного нормативного часу. В даній системі вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та енергія від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта в теплоті.

Припустимо, що існує і-та кількість (скінчена) об’єктів виробництва, що підлягає енергозабезпеченню від енергії сонячної радіації протягом періоду з j-тої кількості днів. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами, що побудовані за блочним принципом і містять первинні перетворювачі (сонячні нагрівачі), систему накопичення (теплові акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насоси для циркуляції теплоносія, електронагрівач). Тоді рівняння відносно використання енергії сонячної радіації буде становити:

при і=1,…,n , (3.1)

де - вектори, компоненти яких є

значеннями теплових потреб і-того об’єкта

в j-тий день експлуатації;

- вектори, компонентами яких є значення

енергії від утилізаторів сонячної радіації на

і-тому об’єкті в j-тий день експлуатації;

а – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації сонячної радіації.