Солнечная энергетика. Часть 2

1 2

---

3.3. Солнечные системы

Солнечные системы горячего водоснабжения Самым популярным видом для применения солнечной энергии служит снабжение домов горячей жидкостью. Обычно, установка для такого водоснабжения представляет из себя несколько коллекторов, которые служат для нагрева воды на солнце, а также специального бака, где эта горячая вода будет храниться. Этот способ популярен, поскольку даже в тех местах, где солнечная радиация очень мала, такой метод все равно в состоянии обеспечить 50 – 90% всей необходимой для потребления горячей воды. Получить более высокий % возможно лишь с помощью сезонного регулирования. Так, коллекторы в Южной Европе в состоянии обеспечивать более половины необходимой воды. Такой метод для нагревания жидкости с помощью той энергии, которую выделяет Солнце – очень простой метод, но одновременно с этим еще и очень эффективный и выгодный. Коллекторы с их коэффициентом полезно действия более 60% значительно превосходят те же фотоэлектрические системы с их коэффициентом до 15%. Если в пару к коллектору добавить еще и печи, работающие на дереве, то круглый год можно добиться необходимого результата без применения ископаемого топлива. Что такое термосифонные солнечные системы. Термином «термосифонный» именуют обычно такую систему, при которой солнечная система для постоянного нагрева воды использует циркуляцию ее носителя тепла. Такие системы, как правило, практически всегда используются в условиях теплой зимы, то есть, когда не наблюдается никаких заморозков. Если сравнить, то можно понять, что такие солнечные системы отнюдь не являются самыми эффективными, но, они достаточно удобны с точки зрения постройки объектов с ними. Нужно отметить, что причиной происходящей циркуляции служит изменение температуры воды, а также ее плотности. Система обычно состоит из 3 частей :плоской форы коллектор, трубы как виды провода, бак, в котором хранится и накапливается горячая жидкость. После нагрева жидкости в коллекторе она по трубке перетекает в контейнер. В коллекторе ее заменяет остывшая вода, которая поступает из бака. Из-за этого он должен находится ниже, чем бак. Такие установки популярны в субтропических и тропических областях. Солнечные системы подогрева воды Как правило, применяются при организации обогрева для бассейнов. Немаловажным является тот факт, что цена данного агрегата изменяется в соответствии с размерами бассейна и другими специфическими условиями. При этом, средний срок окупаемости монтируемых солнечных систем при необходимости снизить или полностью отказаться от применения других видов, а также электрической энергии, составляет от двух до четырёх лет. Кроме всего прочего, процесс обогрева бассейна обеспечивает вполне естественное удлинение купального сезона при условии отсутствия дополнительных расходов. Как показывает практика, основные конструктивные характеристики строений в большинстве случаев позволяют выполнить установку солнечного обогревателя для бассейнов. Чаще всего с этой целью приобретается стандартный чёрный шланг для подачи воды, а открытые бассейны оснащаются специальным абсорбером. Закрытая конструкция потребует монтажа традиционного коллектора, обеспечивающего наличие тёплой воды в зимний период. Большое внимание уделяется сезонному аккумулированию тепловой энергии. В настоящее время налажен выпуск установок, обеспечивающих использование в зимний период тепла, которое накапливается на протяжении всего лета посредством солнечных коллекторов. Сохранение такой тепловой энергии определяется большими аккумулирующими баками. Основная проблема, которая возникает при таком подходе, заключается в необходимости обеспечить достаточно большой объём аккумулируемой воды. Кроме всего прочего, тепловое хранилище крайне важно максимально эффективно заизолировать. С целью сохранения обычным домашним накопительным баком значительной части тепловой энергии на протяжении полугода, потребуется осуществить изоляцию такого резервуара особым теплоизолирующим материалом, имеющим толщину 400 см. Именно по этой причине требуется устанавливать накопительные ёмкости максимально возможного объёма. Таким образом, удаётся минимизировать показатели отношения площади поверхности такого бака к его объёму. Массивные солнечные установки, применяемые в централизованных отопительных системах, в настоящее время применяются на территории многих стран, включая Данию и Швецию, а также Швейцарию, Францию и США. Модули солнечного типа монтируются непосредственно на земле, но в условиях отсутствия хранилища данными солнечными отопительными установками могут покрываться порядка 5% тепловых потребностей в годовом эквиваленте. С этой точки зрения монтируемыми установками не должно вырабатываться больше тепла, чем минимальный объём потребляемой тепловой энергии с учётом тепловых потерь в условиях районной системы обогрева. Хорошей результативностью характеризуется сочетание разных возобновляемых источников для энергии. К примеру, тепловая энергия Солнца просто прекрасно дополняется аккумулированием тепловой энергии в сезонном режиме по типу биомассы. Не менее эффективным считается комбинирование жидких вариантов или газообразных видов биологического топлива, которые достойно сочетаются с высокоэффективным котловым оборудованием, дополняющим солнечный обогрев. Интерес представляет комбинация солнечного обогрева и котлового оборудования, работающего на твёрдой биологической массе, что позволяет решить проблема сезонного сохранения энергии солнца. Следует отметить, что КПД котла в условиях частичной загрузки является невысоким. С этой точки зрения 100% тепловая летняя нагрузка часто обеспечивается посредством солнечного отопления с переходом в зимний период на сжигание биологической массы. В Центральной Европе накоплен большой опыт комбинирования солнечного отопления и сжигания биомассы для производства тепла. Обычно около 20-30% общей тепловой нагрузки покрывает солнечная система, а главная нагрузка (70-80%) обеспечивается биомассой. Это сочетание может применяться и в индивидуальных жилых домах, и в системах центрального (районного) отопления. В условиях Центральной Европы около 10 м³ биомассы (например, дров) достаточно для отопления частного дома, причем солнечная установка помогает сэкономить до 3 м³ дров в год.

3.4. Солнечные тепловые электростанции

  Помимо прямолинейного задействования тепла от Солнца, дополнительно в регионах с высокой степенью солнечной радиации её могут задействовать, чтобы получить пар, вращающий турбину, и создающий электрическую энергию. Создание тепловой электрической энергии от Солнца в больших масштабах представляет собой очень конкурентоспособную область. Использование такой технологии в промышленности уходит в далёкие 80-е годы, именно тогда эта отрасль возникла и начала активно развиваться. Сейчас энергетические компании в Америке организовали свыше 400 мегаватт электростанций, которые работают на солнечной энергии, и дают электричество свыше 300 000 людям. Они замещают около 2,3 млн. баррелей нефти за год. 9 таких станций расположились в пустыне Мохаве (штат Калифорния), они держат 354 МВт мощности и сохранили 100 лет опыта эксплуатации промышленного типа. Такая технология очень продвинута, по сведениям надёжных источников, она может на достойном уровне составлять конкуренцию классическим технологиям, которые генерируют электрическую энергию в различных районах Америки. Другие страны также открывают проекты по задействованию тепла Солнца с целью формирования электрической энергии. В частности в эти страны входит Индия, Египет, Марокко и Мексика. В этом деле их поддерживает Глобальная программа защиты окружающей среды, оказывая необходимое финансирование. Греция, Испания и Америка создаёт новые проекты производителями электрической энергии, которые держатся независимо. По варианту создания тепла электростанции теплового характера, которые работают от Солнца, делятся на концентраторы (зеркала) солнечного характера и пруды солнечного характера. Первый вариант накапливает энергию от Солнца за счёт специальных линз и рефлекторов. Поскольку такой вид тепла можно сохранять, то станции вырабатывают электрическую энергию по факту необходимости, в дневное или ночное время, вне зависимости от текущей погоды. Зеркала больших размеров могут быть с фокусом точечного или линейного типа, они концентрируют лучи Солнца до такого уровня, что жидкость становится паром, при этом выделяется достаточно энергии для вращения турбины. Компания-разработчик выставила большие поля для таких зеркал в пустыне на территории Калифорнии. Вместе они создают больше 350 МВт электрической энергии. Такие системы легко превращают энергию Солнца в электричество с КПД = примерно 15%. В настоящее время встречаются такие разновидности концентраторов солнечного типа: параболические, установки в форме тарелки, электрические станции в форме башни с приемником по центру. Второй вариант решает недостатки первых. К сожалению, ни зеркала, ни иные фотоэлементы не способны создавать энергию ночью. Для того чтобы это происходило, энергию, которая была накоплена за день, должна храниться в специальных емкостях теплоаккумулирующего типа. Пруды солнечного типа как раз работают по такому принципу. Такие пруды обладают высокой степенью концентрации соли в воде (на слое придонного типа, неконвективного среднего, где концентрация соли растёт по глубине, а также на конвенкционном слое с малым содержанием соли — только на поверхности). Свет Солнца падает на гладь пруда, и тепло скапливается в нижних слоях воды за счёт большого содержания соли. Вода высокой степени солености, прогретая энергией Солнца, не может подниматься из-за высокой степени плотности. По этой причине она остаётся на дне, нагреваясь сильнее, пока не закипит. Именно она используется в дневное и ночное время в качестве главного теплового источника, за счёт которого турбина с теплоносителем органического типа создаёт электрическую энергию. Средний слой пруда служит теплоизоляционным элементов, который мешает возникать конвекции, блокирует утрату тепла со дна. Температурное различие на дне и поверхности труда позволяет приводить генератор в работу. Тепловой носитель, который пускается по трубам по нижнему слою воды переходит в систему Рэнкина замкнутого типа, где вращается турбина, производящая электрическую энергию.

3.5.Фотоэлектрические системы

  Агрегаты, применяемые в прямом преобразовании потоков световой энергии или энергии солнца в электрическую энергию, сегодня носят название фотоэлементов (Photovoltaics). Данный термин произошёл от греческого слова photos, что в переводе обозначает «свет» и названия единицы электрической движущей силы «вольт». Процесс трансформации света солнца в электрическую энергию осуществляется внутри фотоэлементов, которые изготовлены на основе материалов полупроводникового типа. К числу таких материалов относится кремний, который в условиях влияния солнечного света способен вырабатывать электричество. При соединении фотоэлементов в единые модули, которые объединяются между собой, вполне возможно возводить большие фотоэлектрические подстанции. Крупная станция такого типа в настоящее время представлена пяти-мегаваттной установкой Карриса Плейн, располагающейся в штате Калифорния (США). Коэффициент полезного действия фотоэлектрических установок сегодня не превышает, как правило, 10%. При этом, показатели эффективности отдельных фотоэлементов способен превышать 20%. Фотоэлектрические системы солнечного типа отличаются простотой эксплуатации благодаря отсутствию в конструкции движущих механизмов. При этом, структура фотоэлементов обладает достаточно сложными полупроводниковыми устройствами и отличается физическим принципом работы. Возникновению электрического тока способствует образование фотоэлектрической панели, или специального модуля. Такие электрические свойства фотоэлектрического модуля позволяют вырабатывать достаточное количество постоянного, а не переменного тока, который может использоваться в самых разнообразных простых устройствах, получающих питание от батарей. Переменные токовые величины изменяют собственное направление с учётом строго регулярных временных промежутков. Данный вариант электрической энергии поставляется в настоящее время производителями, используется в большинстве инновационных устройств и современной технике, бытовых и электронных приборах. Простейшими системами энергия от эксплуатируемых фотоэлектрических модулей применяется напрямую, а в других ситуация используется установка инвертора. В ближайшие десятилетия значительная часть мирового населения познакомится с фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционная необходимость сооружения крупных дорогостоящих электростанций и распределительных систем. По мере того, как стоимость фотоэлементов будет снижаться, а технология — совершенствоваться, откроется несколько потенциально огромных рынков фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, встроенные в стройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение домов. Потребительские товары — от ручного инструмента до автомобилей — выиграют в качестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты. Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы применения фотоэлементов для удовлетворения потребностей населения. Солнечные насосы работают по принципу фотоэлектрики и являются простейшими механическими системами. Они могут стать хорошей заменой в будущем электрическим генераторам и насосам ручного типа. Подачу воды эти устройства производят в солнечный, яркий день. Именно в жаркий промежуток дня вода наиболее востребована потребителем. Солнечные насосы не требуют сложной установки. Их легко смонтировать и установить в нужном месте может всего один человек. Для этого не нужно иметь особых знаний, опыта, навыков и профессионального оборудования. Насос представляет собой простую конструкцию с аккумулятором, который заряжается от энергии солнца. Солнечная энергия собирается в генератор, откуда она расходуется насосом по мере необходимости. Энергия сохраняется в нём долгое время. В местах, удалённых от электричества, в сложных природных условиях, в любую непогоду и ненастье энергия бережно расходуется системой. Она накапливается и сохраняется в аккумуляторах, которые питают насос и другое электрическое оборудование. Фотоэлектрики аккумулируют солнечную энергию и собирают её в генератор. Благодаря этому фотоэлектричество становится доступным в любое время суток. В мире эту технику получения энергии используют уже давно и довольно успешно. Системы фотоэлектрики имеют большую мощность. Она нужна для того, что бы запитывать различное оборудование, осветительную технику, телевизоры и электронные аппараты, компьютер и бытовые приборы. Генераторные системы фотоэлектрики имеют большую мощность. Их используют в случаях, когда требуется большой расход энергии. Обычного аккумулятора для этой цели обычно бывает мало, а энергия генератора дополняет её. Днём приборы собирают электрическую энергию, расходуют её на повседневные нужды, а затем заряжают аккумулятор. Во время его зарядки приходит в действие генератор. Он включается и работает до момента полной зарядки аккумулятора. Иногда генератор восполняет недостающую энергию в батарее. Это происходит, когда расход энергии превышает мощность аккумулятора. Генератор-это дизельный двигатель, который способен вырабатывать большое количество энергии и днём и ночью. Это устройство является основным источником питания аккумулятора, он дублирует его работу в любое время суток и при любой погоде. Фотоэлектрический модуль имеет ряд преимуществ: работает в бесшумном режиме; не требует обслуживания; не загрязняет атмосферу. Целесообразно проводить комбинирование фотоэлектрических систем и генератора. Это позволит значительно снизить себестоимость системы. Если использовать фотоэлектрические приборы самостоятельно, то ёмкость аккумуляторов должна быть довольно большая. Это необходимо для обеспечения питания системы в ночное время. Для подстраховки можно присоединить системы фотоэлектрики к электрической сети. Так снижается часть нагрузки на саму систему. В этом случае часть энергии поступает из аккумуляторов, а часть из электрической сети. Аккумулятор в этом случае можно не использовать и отключить его. В Европе системами фотоэлектрики пользуются почти все домовладельцы. Солнечная энергия собирается в аккумуляторы, используется на месте или подаётся в сеть. Обычно её хватает на нужды домовладельца, но иногда энергии требуется больше, особенно в ночное время суток, тогда её недостаток восполняется из сети. В тех случаях, когда энергии больше чем достаточно, её излишки продают в сеть. В этом случае сеть выполняет резервную роль. Станции фотоэлектрики промышленного типа работают в бесшумном режиме. Они экологически чистые, не загрязняют воздух, работают тихо и бесшумно. Эти установки в нашей стране в новинку, их не часто можно встретить в коммунальном хозяйстве. Установка солнечных фотоэлектрических систем не способствует удешевлению энергии, а наоборот делает её очень дорогой. При подсчётах выяснилось, что электрическая энергия стоит сегодня намного дешевле, чем солнечная. У этой системы есть один большой недостаток: она собирает и аккумулирует энергию только днём.

 ГЛАВА 4. СОЛНЕЧНАЯ АРХИТЕКТУРА

Существует несколько основных способов пассивного использования солнечной энергии в архитектуре. Используя их, можно создать множество различных схем, тем самым получая разнообразные проекты зданий. Приоритетами при постройке здания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачное расположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северном полушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (и наоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобы ограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время); правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежать нежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время, хорошо изолированная конструкция здания. Расположение, изоляция, ориентация окон и тепловая нагрузка на помещения должны представлять собой единую систему. Для уменьшения колебаний внутренней температуры изоляция должна быть помещена с внешней стороны здания. Однако в местах с быстрым внутренним обогревом, где требуется немного изоляции, или с низкой теплоемкостью, изоляция должна быть с внутренней стороны. Тогда дизайн здания будет оптимальным при любом микроклимате. Стоит отметить и тот факт, что правильный баланс между тепловой нагрузкой на помещения и изоляцией ведет не только к сбережению энергии, но также и к экономии строительных материалов. Пассивные солнечные здания — идеальное место для жизни. Здесь полнее ощущается связь с природой, в таком доме много естественного света, в нем экономится электроэнергия. Пассивное использование солнечного света обеспечивает примерно 15% потребности обогрева помещений в стандартном здании и является важным источником энергосбережения. При проектировании здания необходимо учитывать принципы пассивного солнечного строительства для максимального использования солнечной энергии. Эти принципы можно применять везде и практически без дополнительных затрат. Во время проектирования здания также следует учитывать применение активных солнечных систем, таких как солнечные коллекторы и фотоэлектрические батареи. Это оборудование устанавливается на южной стороне здания. Чтобы максимизировать количество тепла в зимнее время, солнечные коллекторы в Европе и Северной Америке должны устанавливаться с углом наклона более 50° от горизонтальной плоскости. Неподвижные фотоэлектрические батареи получают в течение года наибольшее количество солнечной радиации, когда угол наклона относительно уровня горизонта равняется географической широте, на которой расположено здание. Угол наклона крыши здания и его ориентация на юг являются важными аспектами при разработке проекта здания. Солнечные коллекторы для горячего водоснабжения и фотоэлектрические батареи должны быть расположены в непосредственной близости от места потребления энергии. Важно помнить, что близкое расположение ванной комнаты и кухни позволяет сэкономить на установке активных солнечных систем (в этом случае можно использовать один солнечный коллектор на два помещения) и минимизировать потери энергии на транспортировку. Главным критерием при выборе оборудования является его эффективность. Как описывалось выше солнечная электростанция — получает энергию от солнца и соответственно перед выбором количества и вида солнечных батарей необходимо рассчитать режим работы фотоэлектрических модулей (ФЭМ): круглогодичный или сезонный. Для этого нам потребуются значения солнечной инсоляции (радиации) [4]. В таблице 4.1 указаны удельные месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации (Е_уд) для места где будут установлены СЭС. Расчет на данном этапе делаем общим для всех объектов, так как они находиться в радиусе 5 километров между собой. Различия, имеются лишь в окружающем ландшафте. Таблица 4.1 — Значения удельной солнечной радиации Как видно из таблицы 4.1оптимальное использование СЭС придётся на период с Марта по Сентябрь, минимальные значения выработанной энергии СЭС будут с Октября по Февраль. Продолжительность солнечного сияния составляет 1716-2100 часов и зависит так же от рельефа местности [9]. Далее рассчитаем месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации по формуле и занесем данные в таблицу 4.2. Е = Е_уд; Пдм, кВт-ч/м² где п_дм — количество дней в заданном месяце. Пример. Расчет солнечной радиации в Январе (п_дм = 31 день в Январе). Е = 1,17- 31 = 36,27 кВт-ч/м². Остальные значения в таблице 4.2. Таблица 4.2- Значения месячной и годовой солнечной радиации Критерий для определения рационального режима работы ФЭМ находится по формуле: ?рад=?год/?мес, где Е_год — средние годовые суммы суммарной радиации на горизонтальную поверхность, кВтч/м²; Емес — среднемесячная сумма суммарной радиации на горизонтальную поверхность, минимальная в течение года, кВт-ч/м². Коэффициент к_рад характеризует отношении солнечной радиации при наименее солнечном месяца к радиации за весь год, поэтому можно сказать, что если это отношение будет больше 50, то режим работы для ФЭМ необходимо выбрать сезонный, если меньше 50 — круглогодичный [4]. К_рад=1215,97/26,35= 46,15. Так как значение к_рад получилось менее 50, то использование ФЭМ применимо круглогодичное.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказываться от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. В настоящее время разрабатываются новые космические проекты, имеющие целью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают участие десятки стран. Данные о процессах, происходящих на Солнце, получают с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и космических ракетах, на горных вершина и в глубинах океанов. Большое внимание нужно уделить и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д. Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Литература

1. Поиски жизни в Солнечной системе: Перевод с английского. М.: Мир, 1988 г., с. 44-57
2. Жуков Г.Ф. Общая теория энергии.//М: 1995., с. 11-25
3. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. М., 1984, с. 106-111
4. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 1985, с. 69-93
5. Энциклопедический словарь юного астронома, М.:Педагогика,1980 г., с. 11-23
6. Видяпин В.И., Журавлева Г.П. Физика. Общая теория.//М: 2005,с. 166-174
7. Дагаев М. М. Астрофизика.//М:1987,с. 55-61
8. Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1966, с. 163-194

---

1 2