Достоинства и недостатки солнечной энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Реферат

«Солнечные коллекторы»

Выполнила:

Глухих О.С.,

Проверила:

Поспелова М.Я.

Иркутск 2013 г



ВВЕДЕНИЕ

Солнце - источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь, - солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в Центральной Африке. По-видимому, энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности (дается-то даром), неисчерпаемости и экологической чистоте.

Почему же до сих пор она оставалась в тени? Почему в течение тысячелетий человек предпочитал согревать себя и готовить пищу, сжигая дрова, уголь, нефть, создавая хитроумные сооружения на быстрых реках и продувных ветрах, добывая (в последнее время) опасный радиоактивный уран? Потому что для технически неразвитого общества, прикованного к земной поверхности, солнечные энергостанции были бы маломощными, громоздкими, зависящими от погоды - практически неконкурентными. Только фантасты чутьем угадывали их будущий неизбежный взлет.

Солнечная энергия неисчерпаема - при бесконечном росте наших технических возможностей.

Цель работы - рассмотреть достоинства и недостатки солнечной энергетики и предложить перспективы ее развития в дальнейшем.

Солнечный коллектор -- устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие отсолнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.

Термодинамическое преобразование солнечной энергии

Существует два основных способа сооружения СЭС (использующих термодинамическое преобразование солнечной энергии).

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получить электричество практически так же, как и из других источников энергии, однако, солнечное излучение, падающее на землю, обладает рядом характерных особенностей:

1. низкой плотностью потока энергии;

2. суточной и сезонной цикличностью

3. зависимостью от погодных условий.

Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы применение тепловых режимов не вносили серьезных ограничений работы системы и, чтобы не возникало трудностей, связанных с ее использованием, т.е. подобная система должна иметь аккумулирующие устройства для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечение необходимого изменения производства энергии во времени.

Термодинамический преобразователь солнечной энергии должен содержать следующие компоненты:

1. систему управления падающей радиации,

2. приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю,

3. систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее тело,

4. тепловой аккумулятор,

5. теплообменники.

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу.

1. использование небольших (централизованных) станций для отда ленных районов.

2. создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков мегаватт, рассчитанных на работу в энергосистеме.



1. КОЛЛЕКТОРЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

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:

1. плоский,

2. фокусирующий.

В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих - с концентрацией, т.е. с увеличением плотности поступающего потока радиации.

Концентраторы солнечной энергии.

Концентраторы - это оптические устройства в виде зеркал или линз, в которых достигается повышение плотности потока солнечной энергии.

Зеркала плоские, параболоидные или параболоцилиндрические изготавливаются из тонкого металлического листа или фольги или др. Материалов с высокой отражательной способностью.

Сравнительная характеристика коллекторов различных типов

Солнечные станции строятся в основном двух типов:

1 - СЭС башенного типа,

2 - СЭС модульного типа.

Система, состоящая из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем - модульная СЭС.

Концентраторы не обязательно должны иметь форму параболоида, не обычно это предпочтительно. Каждый концентратор передает солнечную энергию жидкости теплоносителя. Горячая жидкость ото всех коллекторов собирается в центральной энергостанции. Тепло несущая жидкость может быть водяным паром, если она будет прямо использоваться в паровой турбине или какой-нибудь термохимической средой - например, диссоциированный аммиак. Основные недостатки систем с сосредоточенными коллекторами:

1 - для каждого отражателя требуется сложный по конструкции термический приемник, который размещается в его фокальной области.

2 - для съема энергии 20000 параболоидных отражателей привод генератора мощностью 100 МВт необходим дорогой высокотемпературный обменный контур, соединяющий рассредоточенные концентраторы.

Указанные выше трудности разрешаются, если вместо этих 10-20 тысяч приемников сделать один аналогичный по своим размерам и параметрам паровому котлу обычного типа, и поднять его над поверхностью Земли.

Таким образом, возникает концепция гелиостанции башенного типа. В этом случае все параболоиды заменяются практически плоскими отражателями, производство которых значительно дешевле.

СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода.

Достаточно большой водоем может быть просто вырыт (могут быть использованы и природные водоемы, например, в Израиле использовано Мертвое море в качестве солнечного пруда), что относительно недорого.

Солнечные пруды содержат в себе и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии, т.е., солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной степенью солености, причем наиболее соленый слой ( 0,5 м) располагается на дне. Солнечное излучение поглощается окрашенными в темный цвет дном водоема и придонный слой воды нагревается.

Придонный слой воды берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция (подъем вверх более теплой - более легкой- воды) подавляется и придонный слой нагревается все сильнее до 90° С, иногда - до кипения, при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу СЭС при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

2. НАЗЕМНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ

За последние 20 лет широкое распространение получили «солнечные дома», хозяйства от коттеджа до поместья, все энергетические потребности которых обеспечиваются собственной солнечной установкой. Не подводятся провода извне, нет счетчиков электроэнергии и теплой воды, не нужны запасы дров, угля, мазута. Никаких отключений и перебоев из-за прихотей Минтопэнерго - сам себе Чубайс, сам себе Черномырдин. Только все это пока, к сожалению, не у нас, а в США, Японии, Западной Европе, хотя климатические условия позволяют иметь это удобство во многих наших регионах. В чем дело, не очень понятно: то ли стоит дорого, то ли мода не дошла.

Используются разные способы преобразования солнечной энергии: фототермический, фотоэлектрический и фотохимический. В первом, простейшем, рабочее тело (теплоноситель) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и служит для отопления помещений. Коллектор располагается на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Система отражающих жалюзи, управляемая компьютером, обеспечивает нужную освещенность коллектора для заданного интервала температур в помещениях. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (несколько дней) - с помощью тепловых или механических аккумуляторов, долгосрочно (на зимний период) - химических. За день 1 м2 солнечного коллектора простой конструкции может дать 50-70 л горячей воды (80-90 °С). Типовые гелиоустановки давно используются в южных районах для снабжения горячей водой отопительных и других хозяйственных систем.

В «солнечном доме», обеспечивающем себя не только теплом, но и электроэнергией, используется другой тип гелиоустановки. В этом случае лучшим рабочим телом являются жидкости типа фреона с малой теплотой испарения, но из-за опасного загрязнения в случае утечки (влияние на озоновый слой атмосферы) их промышленное производство сейчас запрещено. Они работают при температуре около 100 °С, что не требует специальных концентраторов солнечного потока. Если теплоноситель - вода, температура нагрева должна быть 200-500 °С при обязательном использовании концентраторов - зеркал, отражающих свет с большой площади на коллектор.

Все чаще применяются в солнечных установках фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Последние обладают лучшей тепловой устойчивостью и более высоким КПД (реально до 20%). Применение гетероструктурных полупроводников, за открытие и внедрение которых академик Ж.И.Алферов получил недавно Нобелевскую премию, увеличивает эффективность преобразователей вдвое. Панели солнечных преобразователей, располагаемых, как правило, в верхней части здания, заменяют тепловой коллектор, и вырабатывают ток, идущий на освещение, обогрев и механические работы.

«Солнечный дом» - это современный уровень культуры жилья. Его эффективность и распространение в значительной степени зависят от такой простой истины, как экономное отношение к получаемой энергии. Он должен иметь надежную теплоизоляцию, современную вентиляционную технику, кондиционеры, т.е. не должен выбрасывать тепло «на ветер». Как показывает опыт, только за счет экономии тепла расходы электроэнергии сокращаются в несколько раз.

Границы малой солнечной энергетики постоянно расширяются, и теперь она способна обеспечивать энергией не только отдельные дома, но и целые заводы. В качестве примера можно назвать металлургический завод под Ташкентом, экспериментальные СЭС-5 в Крыму и «Solar-1» в Калифорнии. Это гелиостанции башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных у подножия. Зеркала должны быть подвижными, отслеживать дневное перемещение Солнца с помощью механической системы, управляемой компьютером, что усложняет установку и очень сказывается на стоимости производимой энергии. Вырабатываемый котлом пар приводит в действие электрогенератор, как на тепловых станциях.

Такие солнечные электростанции мощностью 0,1-10 МВт были построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Италия, Япония) и сейчас успешно работают. Появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие их широкому распространению - высокая себестоимость электроэнергии, в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Хотя имеется тенденция к снижению (за счет более простых гелиостатов, более эффективных полупроводников, легких ленточных панелей), пока наземные СЭС не могут экономически конкурировать с ТЭС. Другое дело - соображения экологического порядка. Молодые солнечные станции намного «чище» тепловых и свою нишу в энергетике они, несомненно, найдут. Прогресс науки и улучшение международного климата, когда СЭС, расположенная в пустынной местности, будет снабжать энергией сразу несколько стран, будут способствовать их внедрению. И все же наземные СЭС вряд ли способны полностью решить проблему «большой энергетики» для современной индустрии, как это делают в настоящее время крупные ТЭС и АЭС мощностью порядка 10 ГВт. Столь мощные СЭС были бы чрезвычайно громоздки, для их постройки нужно отчуждать огромные территории в пустынных местах и передавать электроэнергию на большие расстояния. При этом пропадает экологическая «чистота» и не устраняется тепловой нагрев Земли (что считалось изначально главными достоинствами солнечной энергетики). Чтобы предназначенное было полностью выполнено, надо выносить СЭС в космическое пространство.

Известно несколько типов преобразователей солнечной радиации (машинные - с газовыми и паровыми турбинами), прямые (без стадии механической работы) - на основе различных термо- и фотоэлементов), но сейчас, по-видимому, можно отдать твердый приоритет солнечным полупроводниковым батареям, давно и с успехом работающим в космосе. Это кремниевые полупроводники с добавками алюминия и лития, в которых происходит прямое преобразование солнечной радиации в электрический ток. Они надежны, достаточно эффективны (КПД = 15%) и относительно недороги.

Типы солнечных коллекторов

Плоские

Это наиболее распространенный вид солнечных коллекторов. Он используется в бытовых системах водообогревания и отоплении помещений. Он представляет собой остекленную панель с вмонтированной пластиной энергопоглотителя. Металлическая пластина предназначена для поглощения и удержания солнечной энергии. Чаще всего используют медь или алюминий как металлы-проводники тепловой энергии. Однако, специалисты считают, что для этих целей лучше подходит медь. Медь -- более лучший теплопроводник, меньше алюминия подвержена коррозии. Для усиления эффекта поглощения солнечной энергии, пластину обрабатывают специальным покрытием. Тонкий слой аморфного покрытия усиливает поглощающую способность пластины и отличается низким КИ (коэффициентом излучения) в длинноволной инфракрасной области. Матовое остекление коллектора, которое только пропускает свет, позволяет снизить потери тепла. При изготовлении стенок и дна коллектора используют теплоизолирующие материалы, которые также помогают избежать потери тепла.

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящейсистемой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурит). Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.

При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190--200 °C.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение "запаса мощности" по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой)[ Используется также аллюминиевый экран.

Вакуумные

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250--300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторахвакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

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. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей

Трубки вакуумного коллектора, расположенные под углом, соединены с баком, из которого вода контура теплообменника течет в трубки коллектора, нагреваясь, возвращается обратно. При этом емкость с водой надо расположить выше коллектора или использовать редукторы, которые позволят снизить давление. Вода нагревается в трубках коллектора и поднимается вверх, а холодная вода течет вниз. Происходит беспрерывная циркуляция воды в системе. Термосифонный эффект основан на естественной конвекции жидкости в коллекторе. Система должна быть безнапорной, чтобы избежать давление на трубки. Если трубка коллектора разобьется, произойдет утечка воды. Этот вид коллектора имеет достаточно большой объем воды контура теплообменника (от 60 до 200 л). Это может быть недостатком системы. Однако, низкая стоимость вакуумного коллектора может быть его преимуществом.

Вакуумный солнечный коллектор

В вакуумный солнечный коллектор с прямой теплопередачей воде может быть встроен теплообменник. Он встраивается в бак теплообменника, что позволяет соединить систему к системе водоснабжения. При этом сохраняется безнапорный режим в системе. Если заполнить водонагревательный конткр незамерзающей жидкостью, то коллектор можно использовать при минусовых температурах -- 5 -- 10 градусов. В коллекторах этого вида не скапливаются загрязнения и не откладываются соли отложения, потому что вода проходит по внутреннему теплообменнику, а объем теплоносителя не изменяется.

вакуумный солнечный коллектор с термотрубками

В основе конструкции этого коллектора -- закрытые медные трубки с небольшим содержанием жидкости низкой температуры кипения.

При нагревании жидкость испаряется и забирает тепло трубки. Пары, поднимаясь вверх, конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура или жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, процесс повторяется. Медный приемник с полиуретановой изоляцией покрыт нержавеющим листом. Тепло передается через приемник и поэтому отопительный контур разделен от трубок. В этом преимущество данного вида коллекторов. Не смотря на возможное повреждение одной из трубок коллектора, он продолжает работать. Заменить поврежденную трубку просто, при этом не требуется сливать жидкость из контура теплообменника.

Этот вид коллекторов более дорогой, но если учесть его преимущества, то они неоспоримы. Коллектор может работать при температуре -- 35 градусов, если коллектор имеет стеклянные тепловые трубки, и при температуре -- 50 градусов, если в основе конструкции металлические тепловые трубки!

Так как солнечный коллектор размещается снаружи помещения, а его составляющее оборудование внутри, то потери тепла миминизированы.

Солнечные коллекторы позволяют полностью обеспечить потребность в горячей воде в летнее время, а в зимний период обеспечит 60% в потребности горячей воды и 30% в потребности электроэнергии.

Потоки солнечной энергии в любое время года составляет 100 -- 250 вт/кв.м, в полдень достигает 1000вт/кв. м. при солнечной погоде в любой местности. Современные технологии разрабатывают установки, которые позволяют аккумулировать солнечную энергию и преобразовать ее в нужный вид энергии (электороэнергию, тепловую) при наименьших затратах. Использование плоских солнечных коллекторов является наиболее простым и дешевым способом решения этой задачи. Более сложный способ использования солнечной энергии -- при применении вакуумных солнечных коллекторов. Да, при солнечной погоде и в теплое время года оба вида солнечных коллекторов обеспечивают энергией в полной мере. Но при низких температурах применение вакуумного коллектора более предпочтительно. Причем, для плоских коллекторов максимальной температурой является 80-90 градусов, в вакуумных температура может превышать 100 градусов. В то же время в теплой и влажной среде плоских коллекторов есть опасность размножения бактерий и микроорганизмов, что исключается при применении вакуумных коллекторов.

Устройство бытового коллектора

Теплоноситель (вода, воздух или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе и баке-аккумуляторе, который располагается выше.

В более сложном варианте коллектор имеет свой контур, заполненный водой или антифризом. В контур включается насос для циркуляции теплоносителя. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания.

В тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно, температуру воды на нужном уровне поддерживает дополнительный электрический нагревательный элемент, который устанавливают за баком-аккумулятором. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов

Вакуумные трубчатые	Плоские высокоселективные
+	+
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до -30С	Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа	Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
-	-
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие теплопотери
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность монтажа связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
	Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120--250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы

Солнечные воздушные коллекторы - это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы представляют собой чаще всего простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом, избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности. Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов. Коллекторы предназначены для обогрева помещений в условиях достаточной солнечной освещенности и при отсутствии (или параллельно с ними) других источников энергии (таких как газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо). Коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции.

Применение

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. 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.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн мІ, а во всём мире -- 71,341 млн мІ.

Солнечные коллекторы -- концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[3]

В России

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта--апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/мІ (на юге Испании -- 5,5-6,0 кВтч/мІ, на юге Германии - до 5 кВтч/мІ). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 мІ с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50є с.ш.) и значительная часть Сибири.

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65є с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.

Солнечные башни

(Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.)

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов -- плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы.

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту.



Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300--390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север--юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоносительпоступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Параболические концентраторы

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий. солнечный энергия коллектор концентратор

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга [7].

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9--25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22--24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использованиякремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 % [8].

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09--0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04--0,05 к 2015 -- 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров -- до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорниикрупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Сегодня использование солнечных коллекторов для воспроизводства тепловой энергии не проекты будущего, а действующие и реализуемые программы во многих странах мира. Cолнечные коллекторы в инженерных конструкциях зданий очень широко используются в Америке, Австралии, Европе .

Распространено убеждение, что лучший способ использовать солнечную энергию в теплое время года -- выкрасить бак с водой в темный цвет, который позволит быстрее нагреть воду, и использовать ее по назначению. Использовать лишь этот способ аккумуляции солнечной энергии -- не эффективно и КПД этой системы очень низка! Ведь использовать солнечную энергию можно и зимой.

Солнечные системы для обогрева воды успешно могут быть применены для обогрева жилых домов, коттеджей, гостиничных комплексов, предприятий, промышленных объектов.

Использование солнечных коллекторов позволит решить вопросы:

- обеспечение горячего водоснабжения в автономном режиме

- отопление жилых и производственных помещений

- обогрев воды в бассейнах

- обеспечит технической водой нужного теплового режима

Солнечные коллекторы аккумулируют природную энергию солнца с максимальной эффективностью. Принцип работы солнечного коллектора основан на так называемом «парниковом эффекте». Солнечные лучи проходят в замкнутое пространство, превращаются в тепловую энергию, где она накапливается и сохраняется длительное время. При этом солнечные коллекторы спроектированы так, что обратно аккумулированная тепловая энергия не может пройти сквозь прозрачную установку. В основе гидравлической системы, предусматривающей использование солнечных коллекторов, используется термосифонный эффект. Принцип действия прост - жидкость при нагревании вытесняет более холодную воду, тем самым заставляет ее двигаться к месту обогрева.

Существуют разные формы солнечных коллекторов по форме, устройству поглощающих поверхностей, по способу аккумуляции солнечной энергии. Объединяет их -- экологическая безопасность и экономия бюджетных средств.

Принцип работы водонагревательной установки с применением солнечного коллектора.

Солнечная водонагревательная установка состоит из коллектора и теплообменника. через коллектор проходит теплоноситель. Теплоноситель, нагреваясь в коллекторе, отдает энергию воде через теплообменник (он вмонтирован в бак). Бак сохраняет горячую воду, поэтому важна его хорошая теплоизоляция. Как видно из схемы, в контуре, где работает солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В случае продолжительной пасмурной погоды в бакк-аккумулятор может быть вставлен нагреватель-дублер. При понижении температуры в аккумуляторном баке он включается автоматически и поддерживает необходимую температуру воды.

Итак, в солнечных коллекторах могут быть использованы:

* одноконтурные схемы для подогрева воды (сезонные или в местностях, где температура не опускается ниже 0 в течении года. В этих системах вода используется мягкая и чистая).

* двухконтурные схемы подогрева воды (использование независимо от погодных условий и качества воды)

По каждой схеме водонагревания циркуляция может быть естественной и принудительной, так и система теплоснабжения может быть пассивной и активной.

Если накопительный бак расположен выше солнечного коллектора, то идет естественная циркуляция теплоносителя. Если такое расположение бака невозможно, то применяется система с активной циркуляцией теплоносителя.

Безусловно, одноконтурная система более дешева, двухконтурная система с активной циркуляцией несколько дороже.

Установка солнечной энергосистемы может быть запланирована еще на стадии строительства дома или другого объекта. Как показывает опыт - это гораздо упрощает монтаж и эксплуатацию солнечных коллекторов. Можно подсоединить систему подогрева на солнечном коллекторе и к уже существующей системе теплоснабжения. В последнем случае вместо традиционного бойлера устанавливается бойлер гелиосистемы - накопительный бак солнечного коллектора, а в качестве источника горячей воды используется теплоноситель получивший тепло от солнечного коллектора.

Система отопления на солнечных коллекторах идеально соответствует системе водяных теплых полов и обогрева плавательных бассейнов. Особенную эффективность утилизации солнечной энергии имеют комбинированные системы, использующие солнечные коллекторы вместе с тепловыми насосами.

Среди всех типов солнечных коллекторов самыми популярными являются плоские коллекторы и коллекторы на вакуумных трубках.

Анализ рассматривает расчетное сравнение характеристик наиболее распространенных типов солнечных коллекторов, поскольку они являются основными элементами водонагревательных гелиоустановок.

Охарактеризуем актуальное состояние рынка солнечных коллекторов. Наиболее отработанные и часто предлагаемые сегодня конструкции коллекторов показаны на Рис.1. Здесь А и Г плоские солнечные коллекторы, а Б и В трубчатые солнечные коллекторы, причем в варианте В трубки снабжены рефлекторами. Коллекторы типа Г выполнены из пластика, не имеют остекления и применяются исключительно для нагрева воды в бассейне. Коллекторы А, Б, и В применяются, практически, во всех случаях, предусмотренных для нагрева воды, в том числе и для отопления.

На практике наиболее распространены плоские коллекторы, имеющие однослойное остекление (тип А), так как стоимость изготовления и тепловая производительность таких коллекторов имеют наиболее приемлемое соотношение. В зимнее время (или в северных широтах) становится заметным преимущество вакуумных коллекторов, и это будет проиллюстрировано ниже. Отметим, что здесь выбраны коллекторы разных, достаточно авторитетных производителей и, следовательно, будут сравниваться характеристики лучшего оборудования, представляющего группы А, Б, В, и Г. КПД современных коллекторов выражают характеристикой

где Eg - плотность суммарного падающего на коллектор солнечного излучения (Вт/м2), а ДТ-разность между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающей среды. Величина з0 представляет собой КПД солнечного коллектора при ДТ=0 и, в большинстве случаев, равна произведению пропускной способности стекла ? и поглощательной способности абсорбера As. В физическом смысле, КПД выражает отношение (полезной) тепловой энергии, отведенной от абсорбера с помощью циркулирующего через коллектор теплоносителя, к падающей на абсорбер суммарной лучистой энергии.

к1=3.56, к2=0.0146 з0= 0.779	к1=1.33, к2=0.0071 з0= 0.7	к1=0.82, к2=0.0064 з0= 0.661	к1=27.35, к2=0.1 з0= 0.78

Современные производители коллекторов измеряют КПД в эксперименте для каждой конкретной конструкции коллектора. По результатам испытаний с помощью приведенного выше уравнения (1) делается корреляция, учитывающая нелинейность КПД. В расчетах необходимо учитывать, что к.п.д. изменяет свое значение в течение дня и в течение года, в зависимости от температуры коллектора и температуры окружающей среды, а также от величины падающего излучения.

Рассмотрим, упрощенно, как соотносятся КПД коллекторов А, Б, В и Г.

Рис.2 показывает кривые эффективности коллекторов для летнего и зимнего периода года в южном районе России. Для этого региона будет выполнен и весь дальнейший анализ. С целью упрощения построения кривых в качестве Eg выбраны среднедневные солнечные потоки Вт/м.кв для января (190 Вт/м2) и июля (705Вт/м2).

Среднедневные солнечные потоки Вт/м.кв для января (190 Вт/м2) и июля (705Вт/м2). Необходимая для расчета дневная суммарная падающая радиация (по месяцам) может быть найдена из различных справочников, но многие авторитетные источники позволяют рассчитать необходимые данные в режиме on-line в Интернет. Так, например, для расчета суммарной солнечной радиации мы воспользовались интерактивной системой от PVGIS

Из построенных с помощью зависимости (1) графиков мы видим, что в зимнее время (Рис.2, а).) рабочая область температур коллектора (см. Пунктирные линии) смещается вправо, а значение к.п.д. с ростом температуры коллектора снижается более интенсивно. Данный пример подразумевает, температуру бака на уровне не менее +50 С, а рабочую температуру коллектора на 10 град. выше температуры бака. Заметим, что пластиковый солнечный водонагревающий коллектор вообще не попадает в условно отмеченную рабочую область.

Сравнение коллекторов можно продолжить, используя простую методику расчета для “солнечных установок с дублером”, предлагаемую строительными нормами ВСН-52- 86 [3]. Согласно этой методике для заданного количества горячей воды мы можем вычислить потребную площадь коллекторов как

Верхняя часть данного соотношения выражает количество тепла (кВт*ч), необходимое для подогрева кг воды от температуры tw1 до температуры tw2, а нижняя часть - произведение КПД на упавшую в течение дня на 1м.кв. поверхности коллектора суммарную солнечную радиацию, (Вт*ч/м2 в день).



Рис.2. Сравнение КПД коллекторов при различной инсоляции

КПД коллектора согласно ВСН рекомендуется вычислять по формуле

где U- к-т потерь, паспортная характеристика коллектора, Вт/м2К; (t1+t2)/2 - средняя температура теплоносителя; te- температура окружающей среды; Уgi /9 - среднедневной падающий поток Вт/м2; и то же что и з0 в выражении (1). В отечественной литературе нелинейностью характеристики коллектора, как правило, предлагают пренебречь. Температурный напор между выходной и входной температурой нагреваемой воды и соответствующими температурами теплоносителя ВСН устанавливают равным 5 градусам (t1 - tw1= t2 - tw2= 5).

Результаты расчета по выражениям (2) и (3) для каждого месяца показаны на Рис.3. Здесь кривые 1 и 2 показывают, соответственно, площадь коллекторов типа А и типа Б необходимую для производства 250 л горячей воды с температурой 45°C в разные месяцы. С апреля по сентябрь результаты для плоского и вакуумного коллектора очень близки, но в «холодные» месяцы наблюдается заметное различие. Если мы зафиксируем значение площади коллекторов равным 3.5м.кв., и определим с помощью тех же соотношений соответствующую производительность по горячей воде (Х-л/сут), то получим кривые 4 и 5.

Разумеется, с апреля по сентябрь мы получим перепроизводство горячей воды или её перегрев. Интегрирование кривых 4 и 5 показывает, что доля производства тепла, необходимого для круглогодичного обеспечения ГВС в объеме 250 л в день с помощью коллекторов типа А составит - 78%, а с помощью коллекторов типа Б - 88% (это получено с учетом равенства площадей абсорберов, и с зачетом перепроизведенного тепла).

На практике перепроизводство тепла в солнечных установках стараются не допускать (если в системе нет сезонных аккумуляторов тепла), поэтому вклад солнечной энергии в производство ГВС для обычных солнечных систем планируют на уровне не выше 40-70% годовой потребности.

Для более развернутого представления принципа работы солнечных установок построим простую нестационарную модель. Такая модель будет учитывать влияние теплоемкости бака аккумулятора и коллекторов, почасовую циклограмму потребления горячей воды и почасовую циклограмму падающего солнечного излучения, а также симулировать включение и выключение циркуляционного насоса («солнечного контура») и электронагревателя в зависимости от температуры воды в баке.

Рис.3. Расчет площади коллекторов и производительности гелиоустановки по ВСН

Имея данные о величине солнечной энергии попавшей на поверхность абсорбера за день, можно вычислить почасовую инсоляцию коллектора по формуле [5]

Здесь h- угловое время, ?-широта, д-склонение, а «a» & «b» зависят от hs [5]

С учетом (4), нестационарная модель гелиоустановки может быть описана следующим образом

Здесь уравнение (7) учитывает тепловую инерцию коллектора, изменение температуры которого зависит от соотношения падающего и отводимого потока, а уравнение (8) учитывает тепловую инерцию бака. Тепловой баланс бака определяется четырьмя составляющими: теплом поступающим от электронагревателя и от гелио контура - с плюсом, а потерями через теплоизоляцию и отбором воды для нужд ГВС - с минусом. Расход на нужды ГВС из бака будет меньше, если температура в баке выше, чем требуется в точке разбора воды (Тmix), и это учитывается соотношением:



Чтобы лучше понять, как устроена и как работает модель а, также, представить как работает в нестационарном режиме гелиоустановка можно самостоятельно «поэкспериментировать» с программой, решающей систему уравнений (7), (8) в EXCEL и размещенной по ссылке: "http://easycalc.chat.ru"

В данный момент нас интересует, прежде всего, в чем проявляется отличие обычных тепловых и вакуумных солнечных коллекторов типа А и типа Б при симуляции нестационарной работы гелиоустановки. Моделирование установившегося суточного цикла в феврале представлено на Рис. 4. При установившемся цикле температура воды в баке на старте и в конце цикла должна иметь одно и то же значение, что обеспечивается повторными расчетами для одних и тех же суток. На рисунке мы видим, суточный сценарий водоразбора (ГВС-циклограмма), включение и выключение нагревателя, профиль средней температуры бака и температуры коллектора с учетом включения и выключения циркуляции в гелиоконтуре. Серые линии иллюстрируют расчет для плоского солнечного коллектора, цветные - для вакуумного, шаг интегрирования 3сек.

Рисунок 4. Сравнение нестационарной работы вакуумного и плоского солнечных коллекторов, в феврале, при равенстве площадей абсорберов

Сравнение вакуумного и плоского солнечного коллектора с равной площадью абсорберов в данном расчете справедливо для рассматриваемого месяца, и дает соответственно 31% и 47% производительности в понимании, что 100% - это вся тепловая энергия необходимая для суточного обеспечения ГВС в объеме 250 л.

Надо отметить, что результаты нестационарного расчета соотносятся с расчетами проведенными по методике ВСН, но каждый из двух представленных методов страдает определенными недостатками и не может быть использован для получения убедительных количественных оценок. Метод ВСН не учитывает тепловой инерции, характера работы ГВС, температуры регулирования и объема бака, расход теплоносителя в гелиоконтуре, а также переменную длительность светового дня и др.

Лишены большинства перечисленных «минусов» современные профессиональные программы, разработанные для расчета инженерных характеристик гелиосистем. Мы воспользуемся одной из таких программ, разработанной в Германии. Программа называется «Т-сол» и позволяет выполнять следующее:

· моделировать работу (почасовую) гелиоустановки за любой период времени в пределах года

· учитывать неодинаковый профиль потребления ГВС по часам по дням недели и по месяцам

· моделировать затенение коллекторов различными объектами: зданиями, деревьями элементами ландшафта, в том числе учитывать затенения сезонного характера (например, листву деревьев)

· учитывать в широком диапазоне фактическую ориентацию и угол наклона коллекторов

· рассматривать различные схемные решения гелиосистем с разным числом аккумуляторов, с разным типом дублирующих источников энергии, с наличием в системе панельного и радиаторного отопления, учитывать подключение бассейна и т.п.

· проводить экономические оценки для разного типа замещаемого топлива, а также рассчитывать снижение вредных выбросов.

· осуществлять оптимизацию и сравнение различных вариантов решения одной и той же задачи.

· выводить графическую и отчетную документацию содержащую множество локальных и интегральных параметров (температурных, энергетических, тепловых и.др.) характеризующих работу гелиоустановки и др.

Вакуумные солнечные коллекторы

С помощью указанной профессиональной программы мы сравним две гелиоустановки, оборудованные, соответственно, вакуумными и обычными плоскими остекленными коллекторами.

Условия сравнения выберем следующие:

· идентичные климатические и эксплуатационные характеристики, в частности, одинаковая для обеих установок ориентация коллекторов.

· близкое к максимальному годовое солнечное покрытие энергией на нужды ГВС. Обеспечим следующий сценарий расчетов

· (1) - варьируя площадью плоских коллекторов получим высокое расчетное (на уровне порядка 60%) годовое покрытие солнечной энергией без перепроизводства ГВС в летние месяы. (Т.е. если взять в качестве примера рисунок 2, то пик кривой-5 должен, лишь касаться снизу линии-250 л).

· (2) - расчет для установки с вакуумными коллекторами будем производить до тех пор пока не получится аналогичное варианту (1) «годовое солнечное покрытие». Это обеспечивается также варьированием площади абсорбера.