Учебное пособие 800525
.pdfтёплое время года – выкрасить бак с водой в тёмный цвет, который позволит быстрее нагреть воду, и использовать её по назначению. Использовать лишь этот способ аккумуляции солнечной энергии – не эффективно и КПД этой системы очень низка! Использовать солнечную энергию возможно не только летом, но и зимой.
Солнечные системы для нагрева воды успешно могут быть использованы для обогрева жилых домов, коттеджей, гостиничных комплексов, предприятий, промышленных объектов.
Использование солнечных коллекторов позволит решить вопро-
сы:
–обеспечения горячего водоснабжения в автономном режиме;
–отопления жилых и производственных помещений;
–обогрева воды в бассейнах;
–обеспечения технической водой нужного теплового режима технологий производства.
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
втепловую 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 её двигаться к месту потребления.
Существуют различные конструкции солнечных коллекторов по форме, устройству поглощающих поверхностей, по способу аккумуляции солнечной энергии. Объединяет их экологическая безопасность и экономия бюджетных средств.
Плоский солнечный коллектор (рис. 1) 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
101
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.
Рис. 1. Плоский солнечный коллектор
Трубки вакуумного коллектора (рис. 2), расположенные под углом, соединены с баком, из которого вода контура теплообменника тычет в трубки коллектора, нагреваясь, возвращается обратно. При этом ёмкость с водой надо расположить выше коллектора или использовать редукторы, которые позволят снизить давление. Вода нагревается в трубках коллектора и поднимается вверх, а холодная вода тычет вниз. Происходит беспрерывная естественная 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 разобьётся, произойдёт 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.
102
Рис. 2. Вакуумный солнечный коллектор
Ввакуумный 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 контур незамерзающей жидкостью, то коллектор можно использовать при минусовых температурах (от минус 5 до минус 10 °C). В коллекторах этого вида не скапливаются загрязнения и не откладываются соли отложения, потому что вода проходит по внутреннему теплообменнику, а объем теплоносителя не изменяется.
Воснове конструкции вакуумного солнечного коллектора с термотрубками (рис. 3) используются 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 приёмник с полиуретановой изоляцией покрыт нержавеющим листом. Тепло передаётся через приёмник и поэтому отопительный контур разделён от трубок. В этом преимущество данного вида коллекторов. Несмотря на возможное повреждение одной из трубок коллектора, он продолжает работать. Заменить повреждённую трубку просто, при этом не требуется сливать жидкость из контура теплообменника.
103
Рис. 3. Вакуумный солнечный коллектор с термотрубками
Преимущества, неоспоримы. Коллектор может работать при температуре минус 35 °С, если коллектор имеет стеклянные тепловые трубки. Данный вид коллекторов более дорогой, но, если учесть, что его можно использовать и при температуре минус 50 °С, если в основе конструкции предусмотреть металлические тепловые трубки.
Так как солнечный коллектор размещается снаружи помещения, а его аккумулирующее 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 от 100 до 250 Вт/м2, в полдень достигает 1000 Вт/м2 при солнечной погоде в любой местности. Современные технологии позволяют разрабатывать установки, которые аккумулируют солнечную энергию и преобразовывают её в нужный вид энергии (электрическую, тепловую) при наименьших затратах. Использование плоских солнечных коллекторов является наиболее простым и дешёвым способом решения этой задачи. Более сложный способ использования солнечной энергии – при применении вакуумных солнечных коллекторов. Да, при солнечной погоде и в тёплое время года оба вида солнечных коллекторов обеспечивают энергией в полной мере. Но при низких
104
температурах применение вакуумного коллектора более предпочтительно. Причём, для плоских коллекторов максимальной температурой является 80–90 °С, в вакуумных температура может превышать 100 °С. В то же время в тёплой и влажной среде плоских коллекторов есть опасность размножения бактерий и микроорганизмов, что исключается при применении вакуумных коллекторов.
По принципу работы солнечные концентраторы сильно отличаются от фотоэлектрических преобразователей. Мало того, солнечные электростанции теплового типа намного эффективней фотоэлектрических в силу ряда особенностей.
Задача солнечного концентратора – сфокусировать солнечные лучи на ёмкости с теплоносителем, которым могут выступать, например, масло или вода, хорошо поглощающие солнечную энергию. Методы концентрации бывают разными: параболоцилиндрические концентраторы, параболические зеркала, или гелиоцентрические установки башенного типа.
В одних концентраторах излучение солнца фокусируется вдоль фокальной линии, в других – в фокусной точке, где и расположен приёмник. Когда солнечное излучение отражается с большей поверхности на меньшую поверхность (на поверхность приёмника), достигается высокая температура, теплоноситель поглощает тепло, двигаясь через приёмник. Система в целом содержит также аккумулирующую часть и систему передачи энергии.
Эффективность концентраторов сильно снижается в период облачности, поскольку фокусируется лишь прямое солнечное излучение. Именно по этой причине такие системы достигают самого высокого КПД в регионах, где уровень инсоляции особенно высок: в пустынях, в районе экватора. Для повышения эффективности использования солнечного излучения, концентраторы оснащаются специальными трекерами, следящими системами, обеспечивающими максимально точную ориентацию концентраторов в направлении солнца.
Поскольку стоимость солнечных концентраторов высока, а следящие системы требуют периодического обслуживания, их применение в основном ограничено промышленными системами генерации электроэнергии.
Такие установки могут использоваться в гибридных системах в совокупности, например, с углеводородным топливом, тогда аккумулирующая система обеспечит снижение себестоимости получае-
105
мого электричества. Это станет возможным, так как генерация будет происходить круглосуточно.
Параболоцилиндрические солнечные концентраторы (рис. 4) бывают в длину до 50 метров, они имеют вид вытянутой зеркальной параболы. Такой концентратор состоит из массива вогнутых зеркал, каждое из которых собирает параллельные солнечные лучи, и фокусирует их в конкретной точке. Вдоль такой параболы, располагается труба с теплоносителем так, что на неё и фокусируются все отражённые зеркалами лучи. Чтобы снизить потери тепла, трубу окружают стеклянной трубкой, которая протянута вдоль линии фокуса цилиндра.
Рис. 4. Параболоцилиндрический солнечные концентраторы
Такие концентраторы располагаются рядами в направлении се- вер–юг, и они, безусловно, оснащаются системами слежения за солнцем. Сфокусированное в линию излучение, нагревает теплоноситель почти до 400 °C, он проходит через теплообменники, вырабатывая пар, который и вращает турбину генератора.
Справедливости ради стоит отметить, что на месте трубы может быть расположен и фотоэлемент. Однако, несмотря на то, что с фотоэлементами, размеры концентраторов могут быть меньшими, это чревато уменьшением КПД и проблемой перегрева, для решения которой требуется разработка качественной системы охлаждения.
В пустыне штата Калифорния в 80–е было сооружено 9 электростанций на параболоцилиндрических концентраторах, суммарной мощностью 354 МВт. Затем эта же компания (Luz International) возвела ещё и гибридную станцию SEGS I в Деггетте, мощностью
106
13,8 МВт, которая включала в себя дополнительно печи на природном газе. В общем, по состоянию на 1990 год, компанией было построено гибридных электростанций на суммарную мощность 80 МВт.
Развитие солнечной генерации на параболоцилиндрических электростанциях ведётся в Марокко, Мексике, Алжире и других развивающихся странах при финансировании Всемирного банка.
Специалисты в итоге заключают, что сегодня параболоцилиндрические электростанции уступают как по рентабельности, так и по эффективности солнечным электростанциям башенного и тарельчатого типа.
Солнечные установки тарельчатого типа – это, похожие на спутниковые тарелки, параболические зеркала, которыми солнечные лучи фокусируются на приёмник, расположенный в фокусе каждой такой тарелки (рис. 5). При этом температура теплоносителя при данной технологии нагрева достигает 1000 °С. Жидкий теплоноситель сразу подаётся к генератору или двигателю, который совмещён с приёмником. Здесь используются, например, двигатели Стирлинга и Брайтона, что позволяет значительно повысить производительность таких систем, поскольку оптическая эффективность высока, а начальные затраты невысоки.
Рис. 5. Солнечные установки тарельчатого типа
Мировым рекордом по эффективности гелиоустановки параболического тарельчатого типа является 29 % КПД, достигнутый при преобразовании тепловой энергии в электрическую, на тарельчатой установке, совмещённой с двигателем Стирлинга на Ранчо Мираж.
107
Благодаря модульному проектированию, солнечные системы тарельчатого типа очень перспективны, они позволяют легко добиваться требуемых уровней мощности как для гибридных потребителей, подключённых к коммунальным электросетям, так и для автономных. Примером может служить проект «STEP», состоящий из 114 зеркал параболической формы, имеющих диаметр 7 метров, расположенный в штате Джорджия.
Система производит пар среднего, низкого и высокого давления. Пар низкого давления подаётся в систему кондиционирования трикотажной фабрики, пар среднего давления – для самого трикотажного производства, а пар высокого давления – непосредственно для генерации электричества.
Безусловно, тарельчатые солнечные концентраторы, объединённые с двигателем Стирлинга, интересуют владельцев крупных энергетических компаний. Так корпорация «Science Applications International Corporation», в сотрудничестве с тройкой энергетических компаний, разрабатывает систему с использованием двигателя Стирлинга и параболических зеркал, которая сможет производить 25 кВт электроэнергии.
В солнечных электростанциях башенного типа с центральным приёмником (рис. 6), солнечное излучение фокусируется на приёмник, который расположен в верхней части башни. Вокруг башни в большом количестве расставлены отражатели–гелиостаты. Гелиостаты снабжены двуосной системе слежения за солнцем, благодаря которой они всегда повёрнуты так, что лучи неподвижно сконцентрированы на теплоприемнике.
Рис. 6. Солнечная электростанция башенного типа с центральным приёмником
108
Приёмник поглощает тепловую энергию, которая потом вращает турбину генератора. Жидкий теплоноситель циркулируя в приёмнике, передаёт пар тепловому аккумулятору. Обычно работает водяной пар с температурой 550 °C, воздух и другое газообразное вещество с температурой до 1000 °C, органические жидкости, обладающие низкой температурой кипения – ниже 100 °C, а также жидкий металл – до 800 °C.
В зависимости от назначения станции, пар может вращать турбину для выработки электроэнергии, или непосредственно использоваться на каком–нибудь производстве. Температура в приёмнике варьируется в диапазоне от 538 до 1482 °C.
Башенная электростанция «Solar One» в Южной Калифорнии, одна из первых станций такого типа, изначально производила электроэнергию посредством водно–паровой системы, выдавая 10 МВт. Затем она претерпела модернизацию, и усовершенствованный приёмник, работающий теперь на расплавленных солях, и теплоаккумулирующая система стали значительно эффективней.
Это привело к тому, что башенные электростанции с теплоаккумулятором ознаменовали прорыв в технологиях солнечных концентраторов: электроэнергия в такой электростанции может производиться по мере надобности, так как теплоаккумулирующая система может хранить тепло до 13 часов.
Технология расплавленной соли даёт возможность сохранять солнечное тепло при температуре 550 °C, и электроэнергия теперь может производиться в любое время суток и при любой погоде. Башенная станция «Solar Two» мощностью 10 МВт, стала прототипом промышленных электростанций такого типа. В перспективе – строительство промышленных станций мощностями от 30 до 200 МВт для крупных промышленных предприятий.
Перспективы открываются колоссальные, однако развитие тормозится из–за потребности в больших площадях, и немалой стоимости возведения башенных станций промышленных масштабов. Например, для того, чтобы разместить 100 мега ваттную башенную станцию, нужно 200 га, в то время как для атомной электростанции, которая может производить 1000 мегаватт электроэнергии, нужно всего 50 га. Параболоцилиндрические станции (модульного типа) на небольшие мощности, в свою очередь, рентабельней башенных.
Таким образом, башенные и параболоцилиндрические концентраторы подходят для электростанций мощностью от 30 МВт до 200
109
МВт, которые соединены с сетью. Модульные тарельчатые концентраторы подойдут для автономного электроснабжения сетей, которым требуется всего несколько мегаватт. Как башенные, так и тарельчатые системы дороги в производстве, однако дают весьма высокий КПД.
Как видим, параболоцилиндрические концентраторы занимают оптимальное положение в качестве наиболее перспективной из технологий солнечных концентраторов на ближайшие годы.
Принцип работы водонагревательной установки с применением солнечного коллектора (рис. 7) заключается в следующем. Солнечная водонагревательная установка состоит из коллектора и теплообменника. через коллектор проходит теплоноситель. Теплоноситель, нагреваясь в коллекторе, отдаёт 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 бак–аккумулятор может быть вставлен нагреватель–дублёр. При понижении температуры в аккумуляторном баке он включается автоматически и поддерживает необходимую температуру воды.
Рис. 7. Водонагревательная установка с применением солнечного коллектора
Итак, в солнечных коллекторах могут быть использованы:
–одноконтурные схемы для подогрева воды (сезонные или в местностях, где температура не опускается ниже 0 °С в течении года. В этих системах вода используется мягкая и чистая).
–двухконтурные схемы подогрева воды (использование независимо от погодных условий и качества воды)
110