2891

опережающими темпами: ввод за последние 10 лет дизельных и бензогенераторов единичной мощности до 100 кВт превысил ввод крупных электростанций. Технико-экономические оценки показывают, что именно районы с децентрализованным и автономным энергоснабжением являются наиболее привлекательными для эффективного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Вклад нетрадиционных ВИЭ (без крупных ГЭС) в энергобаланс России пока не превышает 1 %. Принятые в последнее время государственные решения предписывают довести вклад ВИЭ к 2020 г. до 4,5 %, что потребует ввода энергоустановок на ВИЭ суммарной мощностью 20–25 ГВт.

Рис. В.6. Расположение объектов нетрадиционной и возобновляемой энергетики на территории России

На рис. В.6 показаны существующие объекты возобновляемых источников энергии на территории Российской Федерации.

11

1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов и экологической чистоте наиболее перспективна. В связи с ростом цен на органическое топливо и обострением экологических проблем использование возобновляемых энергоресурсов, в первую очередь солнечной энергии, при условии внедрения энергосберегающих технологий имеет приоритетное значение для будущего энергетики. В удаленных от источников энергоснабжения районах использование солнечной энергии (наряду с энергией ветра) является практически единственной альтернативой традиционной энергетике и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Солнечная энергетика – использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Источником энергии солнечного излучения являются термоядерные реакции, протекающие на Солнце. Основные характеристики Солнца представлены ниже.

* Значение потока солнечной радиации значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии. Например, суммарная мощность всех электростанций России 2,2 · 108 кВт.

Усолнечной энергии два основных преимущества. Во-первых,

еемного и она относится к возобновляемым энергоресурсам: дли-

тельность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.

Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества

12

энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: Солнце не всегда светит, даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью.

Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы и их экономическая рентабельность не доказана.

Для количественной оценки излучения применяется величина, называемая интенсивностью (Ес). Интенсивность – это мощность лучистой энергии, проходящей за пределами земной атмосферы в секунду на квадратный метр площадки, перпендикулярной солнечным лучам.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку

в1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на рас-

стоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/м2 (солнечная постоянная).

Из-за поглощения атмосферой Земли максимальный поток солнечного излучения на уровне моря 1020 Вт/м2. В средних широтах

вдневное время значение потока солнечного излучения достигает 800 Вт/м2 летом, снижаясь до 250–300 Вт/м2 зимой. Ночью это значение равно 0.

Обычно выделяют три составляющих суммарного солнечного излучения, достигающего поверхности Земли (рис. 1.1):

1.Прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей.

2.Диффузионное (рассеянное) молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение.

3.Отраженная земнойповерхностью доля солнечного излучения.

Имеются довольно широкие возможности использования солнечных установок для индивидуальных и промышленных потребителей, особенно в сельскохозяйственных районах. Расширение масштабов применения солнечных установок не только даст значительную экономию энергоресурсов, но и позволит смягчить экологическую ситуацию.

13

Рис. 1.1. Зоны солнечного излучения на поверхности Земли

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.

1.1.Использование солнечной энергии для отопления

икондиционирования воздуха

1.1.1. Солнечный коллектор

Особенность солнечных коллекторов состоит в том, что лучевоспринимающая поверхность обработана компонентами, которые обеспечивают максимальное тепловосприятие за счет их избирательности к тепловому спектру солнечного потока и нагревают воду, проходящую по трубкам. Солнечный водонагреватель-кол- лектор состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бакааккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30–50° с ориентацией на южную сторону (рис. 1.2).

14

Рис. 1.2. Солнечный коллектор

Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная вновь поступившей холодной водой, поднимается в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Для нагрева 100 л воды солнечная установка должна иметь 2–3 м3 солнечных коллекторов. Такая водонагревательная установка в солнечный день обеспечит нагрев воды до температуры 90 °С. В зимний период до 50 °С. Солнечные водонагревателиколлекторы особенно эффективны в климатических условиях Центральной Азии.

1.1.2. Солнечный абсорбер

Солнечный абсорбер состоит из тепловоспринимающей панели с каналами, по которым циркулирует теплоноситель. Тепловоспринимающая панель не изолирует остеклением со стороны, обращенной к солнцу, а частично и теплоизоляцией с обратной стороны. В связи с этим отпадает необходимость в корпусе, что значительно снижает стоимость данной конструкции по сравнению с солнечными коллекторами. Теплоноситель подается с постоянной

15

температурой на 3–5 °С ниже температуры окружающего воздуха. Охлаждение теплоносителя производится с помощью теплового насоса. За счет этого возможно полезное использование не только прямой и рассеянной радиации, но и теплоты атмосферы, осадков, фазовых превращений при конденсации и инеобразовании на их поверхности (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Солнечный абсорбер

Солнечные абсорберы фактически не имеют потерь тепла. Лишь 5–10 % падающей на их поверхность солнечной радиации отражается от нее в зависимости от цвета и качества покрытия. Абсорберы не требуют очистки от пыли, так как она увеличивает коэффициент поглощения солнечной радиации.

В качестве абсорбционного гелиоприемника чаще всего используются тепловоспринимающие панели двух типов: лист-труба и штампованные панели из алюминия.

Солнечные абсорберы устанавливаются на кровле или могут служить ее конструктивным элементом, а также применяются в виде облицовочных стен, балконных ограждений или элементов ограды. При этом из-за их небольшого веса в отличие от солнечных коллекторов не требуется усиления несущих конструкций.

16

Основной недостаток солнечных абсорберов – необходимость поддержания постоянно низкого температурного уровня теплоносителя, из-за чего невозможно его использование для отопления и горячего водоснабжения в зимний период. Для повышения потенциала низкотемпературного теплоносителя применяется тепловой насос.

1.1.3. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор

В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет практически полностью устранять потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Поскольку полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температуры 120–150 °С. Существуют несколько типов вакуумных солнечных водонагревате- лей-коллекторов.

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор низкого давления (открытый контур) с термосифонной системой

Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода в трубках стремится вверх (рис. 1.4). В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Тем временем более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом начинается циркуляция во всей системе. В маленьких системах бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы.

17

Рис. 1.4. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор низкого давления (открытый контур) с термосифонной системой

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор магистрального давления, термосифон со встроенным теплообменником

Термосифон со встроенным теплообменником обеспечивает возможность работы при магистральном давлении (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор магистрального давления, термосифон со встроенным теплообменником: 1 – кран для заполнения и слива бака; 2 – вход коллектора; 3 – теплоноситель бака; 4 – медный спиральный теплообменник; 5 – атмосферный канал; 6 – выход коллектора; 7 – выход горячей воды; 8 – теплоноситель теплоаккумулятора;

9 – вход холодной воды

18

Нагревается теплоноситель через теплообменник из спиральной медной трубы, расположенный внутри теплоаккумулятора. Принцип работы этого типа солнечного водонагревателя такой же, как и у обычного термосифона низкого давления. Но вместо того, чтобы использовать воду непосредственно в теплоаккумуляторе, коллектор магистрального давления использует медный спиральный теплообменник в баке. Преимущество в том, что систему можно использовать при низком качестве воды, потому что практически отсутствует коррозия и образование накипи внутри вакуумных трубок и теплоаккумулятора. Для районов с низкими температурами теплоаккумулятор заполняют антифризом.

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор с выносным баком (СНВУ активного типа, закрытый контур)

Наиболее эффективны и распространены солнечные водонагреватели с выносным баком (рис. 1.6). Они легко встраиваются в существующие системы отопления или горячего водоснабжения, подходят для всех типов климата и рекомендуются для районов с низкими температурами(до –50 °С) инизкимизначениями солнечной радиации.

Рис. 1.6. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор с выносным баком (СНВУ активного типа, закрытый контур): 1 – коллектор; 2 – трубы; 3 – солнечная станция (насос, клапаны, манометры) и контроллер; 4 – теплоаккумулятор

19

Оснащенный контроллером, коллектор автоматически поддерживает самые оптимальные параметры циркуляции, имеет режим антизамерзания, обеспечивает заданную температуру. При недостаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительныйэлектронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе.

Приемник, изображенный на рис. 1.7, позволяет нагревать небольшие объемы жидкости, которая с помощью насоса перекачивается в изолированную накопительную емкость. Для систем, используемых в домашнем хозяйстве, резервуары объемом 100–200 л могут обеспечить суточную потребность в горячей воде. Обычно скорость прокачки выбирают такой, чтобы температура воды повышалась примерно на 4 °С при каждом проходе через нагреватель. Для этого используются односкоростные насосы, поскольку они наиболее дешевые.

Рис. 1.7. Нагревательная система с изолированным накопителем и принудительной циркуляцией: 1 – приемник; 2 – изолированный накопительный резервуар; 3 – насос; 4 – контроллер; 5 – датчики температуры

20