--6-05~2

энергетики в балансе электроустановок на возобновляемых источниках энергии в стране составила 33%, в то время как доли остальных видов сопоставимы и равны 25% для биоэнергетики, 23% для ветроэнергетики и 20% для возобновляемой гидроэнергетики.

Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, то есть в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела.

Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается системами солнечного отопления или горячего водоснабжения. Их характерным отличием от других систем является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию. По способу использования солнечного излучения системы отопления подразделяют как пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых элементом, воспринимающим солнечное излучение, является само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена - коллектор, кровля-коллектор).

Важным с точки зрения пассивного использования солнечной энергии является учет следующих факторов:

–ориентация строения на юг;

–его максимальная теплоизоляция;

–распределение жилых помещений на солнечной стороне;

–минимизация внешних затеняющих элементов;

–отсутствие затенения зданий при квартальной застройке;

–использование внутри помещений элементов его отделки и материалов, максимально поглощающих солнечную энергию и имеющих повышенную теплоемкость (плитка темных оттенков, мраморные подоконники, отсутствие обоев и т. п.).

Преимущества солнечной архитектуры:

–летом отсутствует перегрев, вызванный солнечным излучением, и поэтому уменьшается необходимость охлаждения;

–зимой солнечное излучение используется максимально, уменьшая необходимость отопления;

251

–при планировании домов используются только пассивные решения, такие как расположение и величина окон, расположение здания по отношению к сторонам света и т. д., поэтому не происходит дополнительного энергопотребления и загрязнения окружающей среды;

–является экономически целесообразным, так как пассивные, являющиеся частью здания компоненты служат столько же, сколько само здание;

–поскольку используются традиционные архитектурные элементы, это не влияет на внешний облик здания;

–уменьшает использование углеводородного топлива;

–препятствует дальнейшему развитию климатических измене-

ний.

Недостатки солнечной архитектуры:

–архитектуру пассивной солнечной энергии следует учитывать при проектировании здания;

–здание может иметь невыгодное для максимального использования солнечного излучения местоположение;

–в случае зданий, находящихся под защитой (исторические), могут возникнуть препятствия при изменении их внешнего вида.

Активными называются системы солнечного отопления, в которых гелиоприемник – гелиоколлектор – является самостоятельным отдельным устройством, заполненным теплоносителем.

Основные отличительные признаки коллекторов заключены в конструкции абсорбера и изоляции коллектора от окружающей среды. Физика процесса преобразования солнечного излучения в тепловую энергию одинакова для всех коллекторов: солнечная энергия в абсорбере преобразуется в тепловую энергию.

В плоских коллекторах абсорбер, как правило, защищен корпусом из высококачественной листовой стали или алюминия, а с фронтальной поверхности закрыт гелиостеклом с низким содержанием железа, которое обеспечивает долговременную защиту от неблагоприятных погодных условий. Антиотражающее покрытие стекла дополнительно уменьшает отражение. Тепловая изоляция корпуса снижает тепловые потери.

Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию в абсорбере, как в плоских, так и в трубчатых коллекторах, происхо-

252

дит, в принципе, идентично. Значительные отличия состоят в тепловой изоляции: в трубчатом коллекторе абсорбер, как в термосе, встроен в вакуумированную стеклянную трубку. Вакуум обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, поэтому тепловые потери будут более низкими, чем в плоских коллекторах, особенно при высоких температурах, то есть в условиях эксплуатации, которые ожидаются при замещении тепловой нагрузки на отопление или кондиционирование воздуха.

Условием надежности и длительной эксплуатации вакуумированных трубчатых коллекторов является долгосрочное сохранение вакуума благодаря надежной герметизации.

Существует два типа конструкции вакуумированных трубчатых коллекторов: прямоточные и с тепловой трубой. В прямоточных вакуумированных трубчатых коллекторах теплоноситель циркулирует непосредственно в трубках абсорбера. Поэтому они могут монтироваться в любом положении.

В конструкции с тепловыми трубами в закрытой трубке абсорбера происходит испарение вторичного теплоносителя (как правило, воды). В верхней части трубок пар конденсируется в так называемом конденсаторе – где теплота передается теплоносителю. Этот процесс требует определенного угла наклона коллектора для обеспечения передачи теплоты от испарителя к конденсатору тепловой трубы (рисунок 5.1.3).

Рисунок 5.1.3 – Вакуумированный трубчатый коллектор с тепловой трубой

253

Активные гелиосистемы по техническому решению схем делятся на одно-, двух- и многоконтурные, а по продолжительности работы - на сезонные и круглогодичные (рисунок 5.1.5).

Рисунок 5.1.5 – Двухконтурная круглогодичная гелиосистема с принудительной циркуляцией теплоносителя

Фотоэлектрическая генерация – процесс прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Данный процесс становится возможным при использовании фотоэффекта – явления, происходящего в веществах при их освещении (т.е. воздействием электромагнитным излучением). Фотоэффект делится на два вида:

–фотоэлектрическая эмиссия (внешний фотоэффект) – выход электронов из металлов;

–вентильный фотоэффект (внутренний фотоэффект) – перемещение зарядов через границу раздела проводников с различными типами проводимости.

Для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию используются фотоэлементы, изготовленные из полупроводниковых материалов. Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний (поликристаллический, аморфный, пленочный). Более эффективными являются сложные полупроводники (фосфид индия, арсенид галлия и др.)

В основе действия фотоэлементов лежит явление возникнове-

255

ния электрического тока при попадании излучения на пластину, состоящую из двух полупроводников с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом.

Фотоэлементы последовательно соединяют в солнечные модули, а те, в свою очередь, параллельно соединяются друг с другом в батареи. Таким образом, можно строить крупные фотоэлектрические станции.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение максимальной мощности вырабатываемой элементом электрической энергии к энергии потока излучения, падающей на элемент. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 20-25%.

Выработка электрической энергии за счет солнечной энергии в Республике Беларусь и средний за год коэффициент использования установленной мощности (далее – КИУМ) представлены на рисунках 5.1.6 и 5.1.7 соответственно.

Как видно из рисунка 5.1.6, наиболее интенсивное развитие солнечной энергетики происходило с 2014 по 2018 год, что соответствует периоду существования максимальных повышающих коэффициентов для тарифов на закупку электроэнергии государством от производителей энергии из возобновляемых источников энергии.

256

Коэффициент использования установленной мощности построенных на территории Республики Беларусь солнечных электростанций невелик и в среднем составляет 12-13% (провалы 2014 и 2016 годов обусловлены вводом крупных электростанций в конце учетного периода). Данный показатель в странах с более благоприятными для развития солнечной энергетики климатом и большим числом солнечных дней, таких как, например, Узбекистан, Турция, Афганистан, по данным Международной ассоциации возобновляемой энергетики, достигает 20% и выше. В то же время среднегодовые значения КИУМ в области солнечной электроэнергетики по миру в целом составляют аналогичные для белорусских солнечных электростанций значения 12-13%.

Ветроэнергетика и малая гидроэнергетика (потенциал и возможности использования в Беларуси). Энергия других природных явлений (приливов и отливов, волн, геотермальных процессов). Аккумулирование тепловой и электрической энергии.

Ветер давно используется человеком. Примером тому, первые парусники, первые ветряные мельницы. В Голландии энергия ветра использовалась не только для помола зерна, но и для перекачивания воды для осушения затапливаемой морем территории страны.

В середине девятнадцатого века ряд небольших машин, известных как американскиеветряные мельницы, были разработаны как насосы для водопоя скота, орошения земель и подачи воды для паровых двигателей на американских железных дорогах. С многолопастными стальными роторами, установленными на решетчатых башнях, они оснащались саморегулирующимися механизмами для поворота от разрушительного сильного ветра.

Вообще, ветры возникают в результате крупномасштабных перемещений воздушных масс в атмосфере. Эти движения воздуха создаются в глобальном масштабе в основном за счет дифференциального солнечного нагрева земной атмосферы, поэтому энергия ветра, как и гидроэнергия, является косвенной формой солнечной энергии. Воздух в экваториальных областях нагревается сильнее, чем в других широтах, в результате чего он становится более легким и менее

257

плотным. Этот теплый воздух поднимается на большие высоты и затем течет на север и на юг к полюсам, где воздух у поверхности более холодный.

Это движение прекращается примерно на 30° северной широты и 30° южной широты, где воздух начинает охлаждаться и опускаться, а обратный поток этого более холодного воздуха происходит в самых нижних слоях атмосферы.

Области земного шара, где воздух опускается, являются зонами высокого давления, и наоборот, там, где воздух поднимается, образуются зоны низкого давления. Этот горизонтальный градиент давления приводит в движение поток воздуха от высокого давления к низкому, что определяет скорость и первоначальное направление движения ветра. Чем больше градиент давления, тем больше сила, действующая на воздух, и тем выше скорость ветра. Поскольку направление силы направлено от более высокого давления к более низкому, первоначальная тенденция ветра направлена перпендикулярно изобарам (линиям равного давления). Однако, как только движение ветра устанавливается, возникает отклоняющая сила, обусловленная вращением Земли, которая изменяет направление движения ветра. Эта сила известна как сила Кориолиса.

Она важна во многих ветреных районах мира, но не играет большой роли вблизи экватора. В дополнение к основным глобальным системам ветра существует также целый ряд местных эффектов. Дифференциальный нагрев моря и суши также вызывает изменения в общем потоке. Характер рельефа местности, начиная от гор и долин и заканчивая более локальными препятствиями, такими как здания и деревья.

Пограничный слой относится к нижней области атмосферы, где скорость ветра задерживается силами трения на поверхности Земли. В результате скорость ветра увеличивается с увеличением высоты над поверхностью Земли. Отсюда ясно, что доступный ветровой ресурс зависит от высоты мачты ветроэнергоустановки (ВЭУ) и , соответственно, от диаметра ветроколеса. В последние годы этот показатель увеличился, что отражает рост масштабов технологии ветряных турбин, высота оси вращения ветроволеса многомегаваттныхВЭУ теперь составляет более 100 м.

Для Беларуси по данным многолетних наблюдений (Рисунок 5.1.8) среднегодовые скорости ветра составляют от 2,5 до 4,2

258

м/с, а среднемесячная максимальная - до 4,9 м/с. Максимальные среднемесячные скорости ветра достигаются зимой, а минимальные - летом. В соответствии с другими источниками среднегодовая скорость ветра в отдельных регионах Беларуси предполагается более высокой и может составлять выше 5 м/с. Скорость ветра в целом зависит как от времени года, так и от времени суток. Для принятия решения об использовании энергии ветра необходим тщательный анализ о ее располагаемом потенциале.

Рисунок 5.1.8– Фоновая скорость ветра на территории Республики Беларусь: слева – высота 10м, справа – расчетные значения на высоте 60 м.

Европейский доступный ресурс наземного ветра оценивается в 4800 ТВт ч/год с учетом типичных коэффициентов преобразования ветряных турбин, а европейские ресурсы оффшорного ветра ресурс в районе 3000 ТВт ч/год, хотя это сильно зависит от предполагаемого допустимого расстояния от берега. По прогнозам к 2030 году страны ЕС смогут генерировать 965 ТВтч электроэнергии, получаемой от ветропарков наземного и морского базирования, что составит около 23% от потребности этих стран в электроэнергии.

ВЭУ классифицируются по ориентации оси вращения ветроколеса. Они бывают ветрикальноосевыми и горизонтальноосевыми

(рисунок 5.1.9).

259