Найти тему

Самые используемые технологии в тепловой солнечной энергетике

Сегодня мы постараемся рассмотреть вопрос, "предмет" изучения которого у всех на виду, не зависимо от того, интересуется человек им или нет, наблюдает за ним в данный момент или нет.

Этот объект подарил нам жизнь и не только нам. Он - всемогущ, охватывает всё и управляет всеми процессами на Земле. Для тех, кто ещё не догадался к этому моменту, о чём ( или о ком) идёт речь, я называю объект - это Солнце, наше светило, ближайшая к нам звезда.

Солнечная энергия  — энергия от Солнца в форме радиации и света.

Солнце является практически неисчерпаемым источником энергии, экологически чистой и бесплатной энергии. Она в значительной мере управляет климатом и погодой, и является основой жизни на нашей планете.

Технология, использующая солнечную энергию, называется солнечной энергетикой.

Солнечная энергия - радиация и свет
Солнечная энергия - радиация и свет

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 ПВт (петаватт, 1 ПВт = 10 в 15 степени ватт) солнечного излучения (или инсоляции).

Около 6 % инсоляции отражается от атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектра. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение.

-3

Видимый спектр нам наглядно представляет радуга, которая образуется при определённых атмосферных условиях и демонстрирует все цвета видимого света.

Радуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе солнцем или луной) множества водяных капель (дождя или тумана).

Радуга - красочное природное явление которое представляет весь видимый спектр солнечного излучения
Радуга - красочное природное явление которое представляет весь видимый спектр солнечного излучения

Солнце излучает в направлении Земли 960 миллиардов кВт-часов ежедневно. Это количество энергии может теоретически удовлетворять мировые энергетические потребности в течение 180 лет.

Солнце относится к возобновляемому источнику энергии (ВИЭ). Кроме него, сюда же относятся ветер, вода (кроме крупных ГЭС), геотермальные источники, биотопливо, т. е. все источники, энергия которых считается неисчерпаемой.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

В быстро развивающейся солнечной энергетике можно выделить два основных направления: солнечная теплоэнергетика, использующая солнечную энергию для получения теплоты, и солнечная электроэнергетика, использующая солнечную энергию для выработки электроэнергии.

Когда мы говорим о солнечной энергии, первое, что мы представляем - это солнечные батареи, основанные на фотоэлектрическом эффекте солнечной энергии. Однако есть возможность использовать и другой вид энергии солнца - тепловую энергию.

Солнечная тепловая энергия, исходя из названия, это энергия Солнца, которая используется для нагрева.

Когда солнечные лучи попадают на жидкость, они нагревают ее, и эту горячую жидкость можно использовать для различных целей: 20% энергопотребления больницы, гостиницы или дома приходится на использование горячей воды.

С помощью солнечной тепловой энергии мы можем нагревать воду и использовать ее в своих интересах, чтобы в этом секторе энергетики нам не приходилось использовать ископаемые или другие виды энергии.

Для этих целей необходимы специальные солнечные установки, которые позволяют использовать тепловой энергетический ресурс солнца.

Первое, что должно быть в установке такого типа, - это коллектор или солнечная панель (улавливатель). В ней нет фотоэлектрического элемента, который собирает фотоны света для преобразования их в электроэнергию. Эти коллекторы позволяют нам улавливать солнечное излучение, чтобы начать нагревание жидкости циркулирующей внутри них. Есть разные типы коллекторов и с разной производительностью.

Солнечная панель (коллектор) - улавливатель теплового излучения солнца
Солнечная панель (коллектор) - улавливатель теплового излучения солнца

Второе - наличие гидравлического контура - это трубы, по которым идёт нагретая вода к месту назначения. В большинстве установок цепь обычно замкнута. Поэтому говорят о прямой цепи от панели и обратной цепи, вплоть до панели.

Гидравлический контур - система труб с нагретой водой
Гидравлический контур - система труб с нагретой водой

Третье - наличие теплообменника. Теплообменник передает энергию, полученную от солнца, воде. Они могут находиться вне резервуара (пластинчатые теплообменники) или внутри (змеевик).

Четвёртое - необходим аккумулятор - это система хранения энергии. Аккумулятор накапливает горячую воду, чтобы она была доступна, когда нужна. Это резервуары, состоящие из емкости и необходимой изоляции, чтобы избежать потерь энергии и постоянно поддерживать температуру горячей воды.

Аккумулятор -накопитель горячей воды
Аккумулятор -накопитель горячей воды

Пятое - циркуляционные насосы. Они необходимы, чтобы перекачивать жидкость из одного места в другое, преодолевая перепады давления в контурах, а также силы трения и тяжести.

Существуют также дополнительные мощности, которые позволяют нейтрализовать те моменты, когда интенсивность солнечного излучения падает (пасмурная погода, отсутствие солнца).

Поэтому обязательно есть вспомогательная система - резервный генератор, который нагревает воду и полностью независим от солнечной системы. По своей сути - это котел, который начинает работать в условиях, когда поток солнечной тепловой энергии падает. Этот котёл нагревает накопленную воду другим доступным способом.

Обязательно имеется система безопасности, чтобы установка работала в оптимальных условиях и не выходила из строя со временем. Элементами, составляющими систему безопасности, являются:

  • расширительные баки, которые принимают воду, сливающуюся туда при расширении от нагревания;
  • предохранительные клапаны для предотвращения опасных пределов давления, они регулируют слив жидкости, когда давление начинает возрастать выше допущенной калибровки;
  • улавливатели, которые извлекают и удаляют воздух, накапливающийся внутри контуров, чтобы избежать серьезных проблем в эксплуатации установки;
Очиститель от воздуха в системе - своеобразные ловушки воздуха, автоматически удаляющие его за пределы контура
Очиститель от воздуха в системе - своеобразные ловушки воздуха, автоматически удаляющие его за пределы контура
  • оптимальный состав жидкости для передачи тепла солнечной тепловой установке; лучше всего, чтобы это было антифриз, поскольку в местах с очень низкой температурой замерзание воды в контурах может разрушить всю установку.
Кроме того, жидкость должна быть нетоксичной, не кипеть, не подвергаться коррозии, иметь высокую теплоемкость, не тратиться впустую и быть экономичной. В противном случае энергия была бы невыгодной.

В идеале жидкость установки такого типа должна содержать 60% воды и 40% гликоля. Гликоль- это двухатомный спирт, он отличается высокой температурой кипения (+197°C), раствор - 60% воды + 40% гликоля - замерзает при температуре -48,5 градусов Цельсия.

  • радиаторы, предотвращающие перегрев воды;
  • автоматическое управление - заставляет все работать правильно, поскольку предполагает автоматический контроль, который измеряет температуру в панелях, резервуарах, обеспечивает программирование, активацию электрического радиатора (если такая система существует), включает программатор, управление насосом и т. д.
Простейшая схема солнечной тепловой установки
Простейшая схема солнечной тепловой установки

Например, новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями (солнечными коллекторами), чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды.

Солнечные тепловые батареи (солнечные коллекторы) на крышах домов
Солнечные тепловые батареи (солнечные коллекторы) на крышах домов

К началу 2019 года общая площадь всех действующих в мире солнечных коллекторов превышала 600 млн квадратных метров, а их мощность - 480 ГВт. В России цифры скромные - 85 тыс. квадратных метров и 85 МВт.

В отличие от солнечных батарей коллекторы не вырабатывают электрическую энергию, только тепло. И в этом их преимущество.

КПД в оптимальных условиях обычной солнечной батареи (не путать с солнечными коллекторами) - около 15%. Дорогие экспериментальные модели могут увеличить его почти в два раза.

Ориентировочный КПД солнечных коллекторов значительно выше и составляет порядка 70-90%. Проще говоря, получать тепло из энергии солнца пока у нас получается значительно лучше, чем электричество.

Именно поэтому, чтобы обеспечить семью из 4 человек горячей водой в загородном доме с помощью коллектора, даже в нашем весьма умеренном климате, не придется превращать земельный участок в солнечную ферму.

В среднем понадобится полезная площадь коллекторов в 4-6 квадратных метров (1-2 квадратных метра на человека) в зависимости от климатических условий и типа коллектора, которых достаточно много. Но при этом надо учитывать, что летом в средней полосе России хватит и небольшого солнечного коллектора, а для жизни зимой требуется коллектор большей площади.

Существует на данный момент 3 вида солнечных коллекторов.

Плоский коллектор больше всего напоминает солнечные батареи. Верхняя часть его закрыта высокопрочным стеклом. Металлический корпус покрыт теплоизоляцией, а изнутри обработан высокоэффективным материалом для поглощения тепла. Внутри расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Он проходит через теплообменник в накопительном баке, где передает тепло той воде, которая используется для бытовых нужд.
Плоский коллектор, его устройство
Плоский коллектор, его устройство
Вакуумные, или, как их еще называют, трубчатые коллекторы. Панель состоит из двойных трубок. Наружная трубка из высокопрочного стекла играет защитную роль. Внутренняя труба имеет меньший диаметр и покрыта абсорбером, который аккумулирует солнечное тепло. Между трубками вакуум, что сводит к нулю теплопотери и повышает эффективность системы. Далее это тепло передается стержням, изготовленным из меди, а они отдают его с помощью теплоносителя в аккумулирующий бак.
Вакуумный (трубчатый) коллектор
Вакуумный (трубчатый) коллектор
Системы с проточными нагревателями.Они могут быть как плоские, так и вакуумные, но могут работать без дополнительного резервного аккумулирующего бака и насосной группы. Нагретый теплоноситель аккумулируется в базовом баке, который расположен в верхней части системы. Его объем может быть разным, но чаще 250-400 литров. Через него проходит змеевик, по которому под давлением обычной водопроводной системы циркулирует вода. Она прогревается и поступает потребителю.

Это самый простой и дешевый вид солнечного коллектора, но с самым низким КПД.

Простейшая система с проточным нагревателем, где используется плоский коллектор
Простейшая система с проточным нагревателем, где используется плоский коллектор

Стоимость коллектора " под ключ" начинается от 100 тысяч рублей. Окупается такой коллектор по минимуму за 8 лет.

Но "умелым ручкам" не составит труда сделать простейший солнечный коллектор самостоятельно. Есть многочисленные пошаговые инструкции.

Сборка простейшего солнечного коллектора при использовании своих "производственных мощностей"
Сборка простейшего солнечного коллектора при использовании своих "производственных мощностей"

Вот что получается у умельцев:

Самодельный солнечный коллектор  или гелиоколлектор
Самодельный солнечный коллектор или гелиоколлектор

Тепловая солнечная энергетика развивается в рамках концентраторной солнечной энергетики (CSP — concentrated solar power). Она основана на том, что солнечная энергия преобразуется в тепловую через непосредственный нагрев жидкости, которая затем может использоваться на различные нужды, в том числе и для дальнейшего преобразования в электрическую энергию.

В случае получения электроэнергии при нагреве жидкости образуется пар, который направляют на турбину с генератором, как на обычной тепловой электростанции. При этом вырабатывается электрический ток.

Надо отметить, что это направление солнечной энергетики в России развивается медленными темпами, ему уделяется мало внимания при колоссальном потенциале возможностей. Установленная мощность гелиоустановок (солнечных коллекторов) в 2020 г. оценивалась около 70 МВт.

Исследованиями по этому направлению солнечной энергетики в России занимаются Объединенный институт высоких температур (ОИВТ) РАН, лаборатория ВИЭ МГУ им. Ломоносова, Кубанский государственный аграрный университет.

Пока преобладающее значение имеет электроэнергетика с прямым преобразованием солнечного излучения в электрическую энергию (фотоэнергетика).

Считаю, что на данный момент надо учитывать, что кпд тепловых солнечных установок (70% - 90%) гораздо превосходит кпд солнечных батарей (15% - 30%) , работающих на фотоэнергетику. И этот факт говорит сам за себя.

-17

Спасибо всем, кто прочитал статью, поставил "класс" и подписался.

#познаем вместе #энергетика #солнечная энергетика #возобновляемые источники энергии #тепловая энергия солнца #солнечное излучение #солнечный коллектор #солнечная тепловая установка #кпд солнечной тепловой установки #плоский коллектор