Солнечная энергия, ее характеристики. Солнечные энергетические установки. Солнечные электростанции. Системы солнечного теплоснабжения зданий. Солнечные коллекторы, их типы, принципы действия и расчет.

Количество энергии излучения солнца во всем диапазоне длин волн, получаемой в единицу времени единичной площадкой, перпендикулярной солнечным лучам, вне земной атмосферы на среднем расстоянии между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее значение J₀=1353 Вт/м². Так как расстояние до Солнца меняется, то эффективная солнечная постоянная I (учет сезонных колебаний):

, где n- порядковый номер дня.

При прохождении через атмосферу мощность солнечной радиации ослабляется за счет процессов поглощения и рассеяния пылью, аэрозолями и молекулами газов, входящих в состав воздуха. Распределение глобального потока солнечной радиации по поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей за год на 1 м² поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м² на севере, до 8000 МДж/м² в наиболее широких, пустынных местах. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет 210-250 Вт/м² в субтропических областях и пустынях: 130-120 Вт/м², в центральной части России и 80-130 Вт/м² на севере России.

Пиковая мощность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м². Суммарная мощность солнечной радиации I=I_в+I_d, достигающей поверхности Земли складывается из прямой I_в и диффузной (рассеянной) I_d,. Прямая солнечная радиация представляет собой пучок почти параллельных лучей, не имеющих своего направления при прохождении через атмосферу, что позволяет использовать для ее концентрации зеркальные и линзовые концентраторы. Диффузная солнечная радиация поступает на поверхность Земли с разных направлений и классические методы концентрации к ней не применимы. Для рассеянного излучения в общем потоке солнечной радиации зависит от географических и климатических факторов и изменяется в течение года, так в Киеве она 0,4 (июль) ¸ 0,75 (декабрь); Москва 0,55 ¸ 0,8; Ташкент 0,2 ¸ 0,5.

Солнечное излучение у верхней границы атмосферы примерно соответствует излучение абсолютно черного тела с температурой 5900 К (поверхность Солнца) и включает в себя ультрафиолетовое излучение (λ=0,2-0,4мкм), видимое (λ=0,4-0,78мкм) и инфракрасное с более длинными волнами (λ>0,78 мкм). Максимум интенсивности излучения приходится на длину волны 0,5 мкм (зелёный цвет).

Годовой поток солнечного излучения на территории России изменяется в широких пределах. На 1 м² горизонтальной поверхности на северных островах и северо-востоке Сибири за год поступает 550 ¸ 830 кВт×ч, на европейской части России и Сибири 830 ¸ 1100 кВт×ч, в южных районах Украины, Молдавии, Поволжья, Сибири и Дальнего Востока 1100 ¸ 1380 кВт/ч, в Заволжье и Средней Азии 1400 ¸ 1600, в пустынных районах Туркмении > 2000 кВт×ч.

В районах, благоприятных для использования солнечной энергии, проживает около 130 млн. человек, в том числе более 60 млн. в сельской местности. В центральной части России за летнее полугодие, когда теплопотребление минимально, на Землю поступает 2/3 всего годового количества солнечной энергии, а в июле приход солнечной энергии в 5-10 раз больше, чем в декабре.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской и минерализованной воды, для сушки материалов, сельхозпродуктов и т.п.

Солнечные коллекторы.

Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солнца. Область применения солнечных коллекторов – системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, горячего водоснабжения, а также паросиловые установки (энерго) с низкокипящим рабочим телом.

Эффективность коллектора определяется его оптическим и тепловым к.п.д. Оптический к.п.д. показывает, какая часть солнечной радиации достигнет поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей черной поверхностью и учитывает потери энергии, связанные с отличием от единицы коэффициента пропускания стекла и коэффициента поглощения абсорбирующей поверхности. Для коллектора с однослойным остеклением: , где - произведение коэффициента пропускания стекла на коэффициент поглощения абсорбирующий излучение поверхности при нормальном падении солнечных лучей.

Если угол падения лучей отличается от прямого, вводится поправочный коэффициент , учитывающий увеличение потерь на отражение от стекла и поглощающей поверхности. Тогда оптический к.п.д. с учетом угла падения лучей: , где .

Кроме этих потерь, в любом коллекторе присутствуют потери теплоты в окружающую среду , которые учитываются тепловым к.п.д., который равен отношению количества полезной теплоты , отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии излучения, поступающей к нему от Солнца за то же время:

, где

- площадь апертуры коллектора, в стерадианах;

- плотность потока солнечной радиации.

Оптический и тепловой к.п.д. коллектора связан соотношением: .

Тепловые потери характеризуются полным коэффициентом потерь: , где

- температура черной поглощающей поверхности;

- температура окружающей среды.

Величина может считаться постоянной. Тогда, подставив , формула для к.п.д. приводится к виду:

.

Тепловой к.п.д. также может быть записан через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:

, где

- средняя температура теплоносителя;

- параметр, называемый «эффективностью коллектора» и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечную радиацию, и теплоносителю, он зависит от конденсации коллектора и равен 0,8-0,9 – для плоских воздушных коллекторов, 0,9-0,95 – для плоских жидкостных коллекторов, 0,95-1,0 – для вакуумных коллекторов.

Плоские солнечные коллекторы обычно используют в системах, где уровень нагрева теплоносителя не превышает 80 ^оС. В том случае, когда необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы.

В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечную радиацию, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет значительно уменьшить теплопотери в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение подавляются селективными покрытиями. Теплоноситель в вакуумном коллекторе можно нагреть до 120-150 ^оС.

В плоском коллекторе площадь окна равна площади лучепоглощающей поверхности и поэтому плотность лучистого потока не увеличивается. При использовании концентраторов, т.е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это имеет место в фокусирующих коллекторах, требующих специального механизма слежения за Солнцем. Зеркала – плоские, параболоидные или параболоцилиндрические изготовляют из тонкого металлического листа или фольги или других материалов с высокой отражательной способностью; линзы из стекла или прозрачных пластмасс. Фокусирующие коллекторы обычно применяют там, где требуются высокие температуры (солнечные электростанции, печи, кухни и т.д.). В системах теплоснабжения зданий фокусирующие коллекторы не используются.

Системы солнечного теплоснабжения. Нагретый в коллекторе теплоноситель может быть использован в системах отопления, горячего водоснабжения и для технических нужд.

а

) Схема по принципу термосифона: бак с водой выше коллектора, нагретая вода в верхнюю часть бака-аккумулятора БА, а холодная вода вытесняется снизу. ДИ – дублирующий источник теплоты, К – коллектор. Системы горячего водоснабжения по этой схеме достаточно простые и получили широкое распространение.

б) Схема с принудительной циркуляцией с помощью насоса. Насос включается автоматически, как только разность температур в верхней части коллектора и в нижней части бака достигает заданного значения. Бак может быть ниже коллектора.

в) Двухконтурная схема для низких температур (отрицательных) наружного воздуха имеет антифриз, циркулирующий по первому контуру. Передача теплоты от антифриза к воде может осуществляться либо в баке-аккумуляторе, либо в промежуточном теплообменнике (отдельном).

г) Двухконтурная схема солнечного отопления и горячего водоснабжения.

В системах солнечного теплоснабжения предусматривается вспомогательный источник теплоты (электрический, топливный), который либо встраивается в аккумуляторный бак, либо устанавливается на линии, идущей к нагрузке. В принципе, система солнечного теплоснабжения может быть спроектирована для полного удовлетворения потребности в теплоте за счет радиации. Однако, экономически это неоправданно, так как в летний период дорогостоящее гелиооборудование оказывается сильно недогруженным. Вместимость водяных аккумуляторов в системах отопления с жидкостным теплоносителем составляет обычно от 50 до 100 л на 1 м² площади коллектора.

С

олнечные электростанции.

Д

ля преобразования солнечной радиации в электроэнергию в промышленных масштабах обычно используют солнечные электростанции (СЭС) с центральным приемником. Солнечная радиация отражается многочисленными зеркалами на центральный приемник, расположенный на вершине башни. В центральном приемнике рабочее тело нагревается до заданных параметров и направляется либо в турбину (в одноконтурных схемах), либо в промежуточный теплообменник-парогенератор (в двухконтурных схемах). Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию аналогично обычным ТЭС (паротурбинный цикл).

Устройство, состоящее из системы зеркал, закрепленных на общей опорной конструкции, и имеющее систему слежения за Солнцем, которая обеспечивает постоянное отражение солнечных лучей на центральный приемник, называется гелиостатом. Совокупность гелиостатов, расположенных вокруг центрального приемника или занимающих сектор к северу от него, образует гелиостатное поле. Центральные приемники, применяющиеся на действующих СЭС делятся на приемники внешнего облучения, у которых тепловоспринимающие панели расположены по наружной цилиндрической поверхности и приемники полостного типа, отличающиеся более сложной конструкцией и более высоким к.п.д. (до 90 %). Для обеспечения работы станции в периоды кратковременных перерывов о поступлении солнечной радиации предусмотрена система аккумулирования теплоты.

В мире создано шесть экспериментальных СЭС с центральным теплоприемником мощностью 0,5 ¸ 5,0 МВт.

Схема одноконтурной СЭС с центральным приемником (ЦП) внешнего облучения (Барстоу, США, 10 МВт).

ПТ – паровая турбина;

РН – регенеративный нагреватель;

Д – деаэратор;

НСА – нагреватель системы аккумуляции тепла;

ТА – тепловой аккумулятор (7000 т. гравия с песком и 900 тыс. л. термостойкого масла);

ПГА – парогенератор системы аккумулирования тепла;

РБ – расширительный бак;

ОП – охладитель пара, идущего на аккумуляцию тепла.

Схема двухконтурной СЭС с полостным теплоприемником (Гаргасон, Франция, 2,5 МВт).

ПГ II – парогенератор II-го контура;

П

К – параболоидные концентраторы для нагрева теплоносителя во вспомогательном контуре;

НБ – накопительный бак-емкость со стратификацией по высоте.

Схема СЭС с параболоидными концентраторами и промперегревом (Калифорния, СЭС 30 ¸ 80 МВт).

Зеркальная поверхность параболлоцилиндра концентрирует солнечную энергию на теплоприемнике, выполненном в виде трубы с селективным покрытием, заключенной в вакуумированной оболочке. Каждый параболлоцилиндрический концентратор с теплоприемником и системой слежения за Солнцем образует модуль, который соединяется с другими модулями параллельно или последовательно. Рабочее тело, проходя через теплоприемники модулей, нагревается, и через систему трубопроводов направляется в центральную преобразовательную систему, работающую по циклу Ренкина.

В

схемах ПСЭС два контура: в контуре концентраторов используется кремнийорганический теплоноситель с повышенной термостойкостью ( ^оС, ^оС), а во втором контуре рабочее тело – водяной пар. В схеме предусмотрен газовый котел, который позволяет отказаться от дорогостоящей системы аккумулирования теплоты.

ГК – газовый котел;

ТПП – теплообменник промперегрева;

ППК – поле параболоидных концентраторов.

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной теплоэнергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе крепления, которые преобразуют в электрическую энергию и рассеянную составляющую солнечной радиации с к.п.д. 12-15 %. Лабораторные образцы имеют к.п.д. 23 %. Мировое производство солнечных элементов превышает 60 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30 %. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, питания бытовых приборов, в транспортных средствах и т.п. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 $/Вт, модулей 5-6 $/Вт и систем 9-10 $/Вт.

Характеристики автономной солнечной энергоустановки для сельского коттеджа, магазина, общественного здания:

Стоимость = 18000 $; Солнечная батарея = 1800 кВт/ч; Электрический аккумулятор = 18 кВт/ч;

Контроллер заряда, инвертор; Годовое производство электроэнергии = 18000-3600 кВт×ч;

Нагрузка, (кВт×ч)/год:

Освещение = 150; Телевизор, радио, пылесос = 200; Холодильник = 90;

Морозильник = 180; Стиральная машина = 240; СВЧ-печь = 400;

Вентилятор = 275; Посудомоечная машина = 310; Стоимость энергии = 0,56 $/(кВт×ч);

Габариты = 20 м², масса 270 кг.

Преимущества по сравнению с электрогенератором на жидком топливе – экономичнее. Вторая фаза массового использования СЭС в энергосистеме связана с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 5 раз (бесшумность, экологическая чистота) 1-2 $ за Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10-0,12 $/кВт×ч.Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая цена кремния солнечного качества 40-100 $/кг.

В России в настоящее время существует 8 предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год. Производство солнечных элементов к 2010 г. может быть доведено до 2000 МВт в год. Однако для этого необходима инвестиционная поддержка, в первую очередь по созданию новых технологий производства кремния. Крупные СЭС могут быть использованы для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах.

№ 67