Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие
.pdf
Наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на
Землю, составляет 1 кВт/м2 в диапазоне длин волн 0,3 – 2,5 мкм. Это излучение
называется коротковолновым и включает видимый спектр. В процессе
прохождения коротковолнового солнечного излучения через атмосферу
различают следующие виды взаимодействий:
1) поглощение – переход энергии излучения в тепло;
2) рассеяние – изменение направления распространения света в
зависимости от угла;
3) отражение не зависит от угла, в среднем около 30% интенсивности
космического солнечного излучения отражается обратно в космическое
пространство. Большую часть излучения отражают облака, меньшую – снег и
лед на поверхности земли.
Таким образом, перед установкой приемника солнечной энергии
необходимо определить, какое количество энергии требуется собрать и как
использовать собранную энергию. Тогда можно рассчитать размер приемника.
Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает
энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических
ресурсов. Использование всего 0,0125% могло бы обеспечить все сегодняшние
потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть
потребности в будущем. Преимущества технологий, использующих энергию
Солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не
добавляется тепло в приземные слои атмосферы и не происходит загрязнения
воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток – зависимость ее от состояния
атмосферы, времени суток и года. Энергия Солнца, которая достигает
поверхности Земли, имеет низкую интенсивность. Поэтому ее нужно
улавливать на сравнительно больших площадях, сконцентрировать и
превратить в транспортабельную форму энергии.
Таким образом, можно отметить "бесплатность", возобновляемость и
практически неисчерпаемость ресурсов солнечной энергии. Однако низкая
плотность солнечной радиации у поверхности Земли (в среднем 250 Вт/м2, в
наиболее благоприятных районах – 1 кВт/м2) и нерегулируемый режим
21
поступления к поверхности Земли (вращение Земли, облачность) создают
значительные технические трудности ее использования (необходимость
больших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориентирования,
аккумуляторов и пр.). Кроме того, нужно уметь запасать солнечную энергию,
чтобы поддержать энергоснабжение и в солнечные и в пасмурные дни.
Перечисленные трудности и затраты привели к мнению о непрактичности этого
энергоресурса, которое является достаточно преувеличенным.
Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую
и электрическую энергию, использована в биологических и химических
процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и
охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах,
протекающих при низких и высоких температурах.
Важнейшая цель современной энергетики – научиться использовать
энергию Солнца с минимальными капитальными затратами на сооружение и
эксплуатацию использующих энергию установок. По мере совершенствования
технологий и удорожания традиционных энергоресурсов этот вид энергии
будет находить все более широкое применение.
2.2. Солнечная энергетика в России и в мире
Несмотря на относительное непостоянство солнечной энергии, ее
«добыча» активно развивается в последние годы. В США построены 8 крупных
электростанций модульного типа, мощностью около 470 МВт. Мощность
произведенных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в
мире достигает около 300 МВт в год. В настоящее время в мире работает более
1,5 млн. гелиоустановок теплового типа.
Разрабатывают и необычные проекты гелиостанций. Например, в
Австралии принят план строительства солнечной башни высотой 1 км. У
подножия будет располагаться огромная теплица диаметром в семь
километров. Воздух, нагретый в теплице, будет идти по трубам, вращая
ветродвигатели. Мощность такой станции оценивается в 200 МВт, а стоимость
в 300 млрд. долл.
22
Российская Федерация обладает огромным потенциалом использования
солнечной энергии. Регионы юга России, Дальнего Востока и Забайкалья
отличаются высоким уровнем солнечной радиации, сравнимым с южными
регионами Европы, где солнечная энергетика уже получила интенсивное
развитие.
Значительная часть территории России имеет благоприятные
климатические условия для использования солнечной энергии. В южных
районах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000
часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную
поверхность – от 1280 до 1870 кВт·ч на 1 м2. В наиболее солнечном месяце
(июле) количество энергии, приходящейся на 1 м2 горизонтальной поверхности,
составляет в среднем от 6,4 до 7,5 кВт·ч в день. Следовательно, широкое
использование солнечной энергии может иметь здесь важное хозяйственное
значение.
В России практическое использование солнечной энергии крайне
ограничено, несмотря на широкие исследования, которые проводились и
проводятся в этом направлении. В стране существует лишь несколько
производств солнечных модулей, которые являются основой солнечных
фотоэлектрических установок (СФЭУ) различных типов, и очень ограниченный
сегмент потребителей, готовых приобретать СФЭУ. Осведомленность о
существовании и возможностях солнечной энергетики находится на низком
уровне, отсутствуют законодательные нормы, поддерживающие производство и
использование СФЭУ.
Сегодня возникает одновременно целый ряд проектов по созданию и
развитию производства СФЭУ в России. Проект строительства завода по
производству солнечных модулей на базе передовой тонкопленочной
технологии в Чувашской Республике (г. Новочебоксарск), реализуемый
компанией «Хевел».
Таким образом, гелиоэнергетика постепенно получает одно из
приоритетных мест в энергетическом развитии многих стран. Государства, в
23
свою очередь, принимают законы, которые оказывают существенную
поддержку развитию данной отрасли. Без принятия таких законов развитие
солнечной энергетики гасло бы на начальных стадиях развития.
2.3. Преобразователи солнечной энергии
В настоящее время солнечная энергия используется для получения
тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством
фотохимических реакций.
Наибольшее распространение в мире получили технологии использования
солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления. Установки и
системы теплоснабжения делятся на пассивные и активные.
В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии
осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций.
Активные системы основаны на использовании коллекторов устройств,
преобразующих солнечную энергию в тепло.
Основным конструктивным элементом солнечной установки является
коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии и ее
преобразование в теплоту и нагрев воздуха, воды или другого теплоносителя.
Различают два типа солнечных коллекторов: плоский и фокусирующий.
В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации,
а в фокусирующих – с концентрацией, то есть с увеличением плотности
поступающего потока радиации.
Плоские солнечные коллекторы
Солнечная энергия используется в основном для производства
низкопотенциального тепла для коммунально-бытового горячего
водоснабжения и теплоснабжения. Наибольшее количество производственных
процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30 – 90 °C), проходят
в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют
самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.
24
Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и
бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных
процессов и бытовых нужд. Преобладающим видом оборудования здесь
являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое
производство составляет, по нашим оценкам, не менее 2 млн.м2 в год, а
выработка низкопотенциального тепла за счет солнечной энергии достигает
5·106 Гкал.
Плоские солнечные коллекторы (рис. 1) состоят из стеклянного или
пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет,
изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового,
стеклянного, деревянного).
Рис. 1. Плоский солнечный коллектор:
1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус;
4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель;
7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины
25
На рис. 2. представлена принципиальная схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с солнечными коллекторами, в которой
предусмотрен автоматический дренаж коллекторов при прекращении
воздействия солнечной радиации.
Рис. 2. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с
плоскими коллекторами и их автоматическим дренажем при прекращении
циркуляции:
1 – солнечные плоские коллекторы; 2 – расширительный бак;
3 – дополнительный теплоисточник; 4 – теплообменник; 5 – отопительные
приборы; 6, 8 – циркуляционные насосы; 7 – бак-теплоаккумулятор.
Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах
требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в
систему дополнительного источника энергии (рис.3), что снижает
экономический эффект от их применения.
26
Рис. 3. Жидкостная двухконтурная комбинированная низкотемпературная
система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом и
двумя жидкостными теплоаккумуляторами:
1 – солнечные коллекторы; 2 – воздухосборник; 3 – низкотемпературный
жидкостный теплоаккумулятор; 4 – испаритель теплового насоса;
5 – компрессор; 6 – дроссельный вентиль; 7 – высокотемпературный
жидкостной теплоаккумулятор; 8 – конденсатор теплового насоса;
9 – дополнительный теплоисточник; 10 – магнитный вентиль; 11 – датчик
температуры; 12 – отопительные приборы; 13 – циркуляционный насос
В качестве тепловоспринимающей панели плоского солнечного
коллектора можно использовать любой металлический или пластмассовый лист
с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели
из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба
в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения
под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не
находят широкого применения. Под действием солнечной радиации
тепловоспринимающие панели разогреваются до температур, превышающих
температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию потерь тепла. Для
27
достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины
покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими
коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое
излучение в длинноволновой части спектра.
Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных
коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем.
Прежде всего, это высокая стоимость коллекторов. Увеличение
эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение
прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы
охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным
недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что
практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При
длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних
условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности
расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения
целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя
коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком
работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в
течение года и суток.
В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с
высоким уровнем средней интенсивности солнечной радиации (не ниже 300
Вт/м2).
В солнечном коллекторе возможно повышение температур теплоносителя
вплоть до 250 – 300 °C. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых
потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия,
герметизации или создания в коллекторах вакуума.
В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится
темная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от
окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет
практически полностью устранять потери теплоты в окружающую среду за счет
28
теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени
подавляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный
коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно
нагреть до температур 120 – 160 °С. Солнечный вакуумный коллектор
обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, практически вне
зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии
таких коллекторов составляет порядка 98%. Изоляция в виде вакуума позволяет
избежать потерь тепла.
Благодаря высокой теплоизоляции вакуумные солнечные коллекторы
работают очень эффективно при низких температурах окружающей среды.
Преимущество вакуумных коллекторов перед плоскими начинает проявляться
при температуре воздуха ниже 15 °C.
Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли
применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При
облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней
части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю
часть трубки (конденсатор), где, конденсируясь, передают тепло коллектору.
Концентраторы
Концентраторы предназначены для увеличения плотности теплового
потока солнечного излучения.
Конструкция концентрирующего гелиоприемника представлена на рис. 4.
Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или
параболические зеркала, параболоцилиндры, выполненные из полированного
металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент
(солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве
теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При
использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный
период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.
29
Рис. 4. Конструкция концентрирующего гелиоприемника – параболического
концентратора:
1 – солнечные лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный
коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения;
5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель
Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и
преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен
быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник
снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце,
электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором
для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.
На рис.5 представлена принципиальная схема жидкостной
комбинированной двухконтурной низкотемпературной системы солнечного
отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным
теплоаккумулятором. В контуре гелиоприемника в качестве теплоносителя
применен антифриз, а в контуре системы отопления – вода.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]