Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

2.ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА.  

 Проблема утилизации  экологически чистой и притом  «дармовой солнечной энергии волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в этом направлении позволили начать формировать реальный, развивающийся рынок солнечной энергетики. К настоящему времени основными способами прямой утилизации солнечной энергии являются преобразование ее в электрическую и тепловую. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, называются фотоэлектрическими или фотовольтаическими, а приборы, преобразующие солнечную энергию в тепловую, - термическими. В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы, сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Отличительной особенностью гибридных систем является возможность их функционирования в автономном режиме, без подключения к централизованным энергосистемам. В литературе все три типа приборов называются гелиосистемами. Сейчас, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. 

2.1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ  

 Существует два  основных направления в развитии  солнечной энергетики: решение глобального  вопроса снабжения энергией и  создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных  локальных задач. Эти преобразователи,  в свою очередь, также делятся  на две группы; высокотемпературные  и низкотемпературные.  

 В преобразователях  первого типа солнечные лучи  концентрируются на небольшом  участке, температура которого  поднимется до 3000°С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для плавки металлов (см. рис. 4.) 
 
 
 
 

 Самая многочисленная  часть солнечных преобразователей  работает при гораздо меньших  температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из  колодцев. В солнечных кухнях  готовят пищу. Сконцентрированным  солнечным теплом сушат овощи,  фрукты и даже замораживают  продукты. Энергию солнца можно  аккумулировать днем для обогрева  домов и теплиц в ночное  время.  

 Солнечные установки  практически не требуют эксплуатационных  расходов, не нуждаются в ремонте  и требуют затрат лишь на  их сооружение и поддержание  в чистоте. Работать они могут  бесконечно. 

2.2.КОНЦЕНТРАТОРЫ  СОЛНЕЧНОГО СВЕТА 

 С детства многие  помнят, что с помощью собирательной  линзы от солнечного света  можно зажечь бумагу. В промышленных  установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны  в изготовлении.  

 Сфокусировать  солнечные лучи можно и с  помощью вогнутого зеркала. Оно  является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные  солнечные лучи собираются с  помощью вогнутого зеркала. Если  в фокус зеркала поместить  трубу с водой, то она нагреется.  Таков принцип действия солнечных  преобразователей прямого действия.  

 Наиболее эффективно  их можно использовать в южных  широтах, но и в средней полосе  они находят применение. Зеркала  в установках используются либо  традиционные – стеклянные, либо  из полированного алюминия. Наиболее  эффективные концентраторы солнечного  излучения (рис. 6) имеют форму: 

1.цилиндрического  параболоида (а);

2.параболоида вращения (б);

3.плоско-линейной  линзы Френеля (в). 
 
 
 

 Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем – дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 мі воды в час.  

 В реальных  гелиосистемах плоско-линейная линза  Френеля используется редко из-за  ее высокой стоимости.  

Водонагреватель. Водонагреватель  предназначен для снабжения горячей  водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается  под углом 30-50° с ориентацией  на южную сторону. Холодная, более  тяжелая, вода постоянно поступает  в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.  

 Дневная производительность  на широте 50° примерно равна  2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°. КПД установки – 40%.  

Тепловые концентраторы. Каждый, кто хоть раз бывал в  теплицах, знает, как резко отличаются условия внутри нее от окружающих: Температура в ней выше. Солнечные  лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают  почву, растения, стены, конструкцию  крыши. В обратном направлении тепло  рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.  

 Это – деревянные, металлические, или пластиковые  короба, с одной стороны закрытые  одинарным или двойным стеклом.  Внутрь короба для максимального  поглощения солнечных лучей вставляют  волнистый металлический лист, окрашенный  в черный цвет. В коробе нагревается  воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.  
 

2.3.ЖИЛОЙ ДОМ С  СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ  

 Среднее за  год значение суммарной солнечной  радиации на широте 55°, поступающей  в сутки на 20 мІ горизонтальной поверхности, составляет 50-60 кВт/ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 мІ .  

 Для условий  эксплуатации сезонно обитаемого  жилища средней полосы наиболее  подходящей является воздушная  система теплоснабжения. Воздух  нагревается в солнечном коллекторе  и по воздуховодам подается  в помещение. Удобства применения  воздушного теплоносителя по  сравнению с жидкостным очевидны: 

- нет опасности,  что система замерзнет; 

-нет необходимости  в трубах и кранах;

- простота и дешевизна. 

 Недостаток –  невысокая теплоемкость воздуха.  

 Конструктивно  коллектор представляет собой  ряд застекленных вертикальных  коробов, внутренняя поверхность  которых зачернена матовой краской,  не дающей запаха при нагреве.  Ширина короба около 60 см. В  части расположения солнечного  коллектора на доме предпочтение  отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве  и дальнейшем обслуживании. По  сравнению с наклонным коллектором  (например, занимающим часть крыши), не требуется уплотнения от  воды, отпадает проблема снеговой  нагрузки, с вертикальных стекол  легко смыть пыль.  

 Плоский коллектор,  помимо прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную  радиацию: в пасмурную погоду, при  легкой облачности, словом, в тех  условиях, какие мы реально имеем  в средней полосе. Плоский коллектор  не создает высокопотенциальной  теплоты, как концентрирующий  коллектор, но для конвекционного  отопления этого и не требуется,  здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30° на восток или на запад).  

 Неравномерность  солнечной радиации в течение  дня, а также желание обогревать  дом ночью и в пасмурный  день диктует необходимость устройства  теплового аккумулятора. Днем он  накапливает тепловую энергию,  а ночью отдает. Для работы  с воздушным коллектором наиболее  рациональным считается гравийно-галечный  аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.  

 Для дома, площадью 60 мІ , объем аккумулятора составляет от 3 до 6 мі . Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах  

– отопление и  аккумулирование тепловой энергии (а);

 – отопление  от аккумулятора (б);

 – аккумулирование  тепловой энергии (в);

 – отопление  от коллектора (г).  

 В холодные  солнечные дни нагретый в коллекторе  воздух поднимается и через  отверстия у потолка поступает  в помещения. Циркуляция воздуха  идет за счет естественной  конвекции. В ясные теплые дни  горячий воздух забирается из  верхней зоны коллектора и  с помощью вентилятора прокачивается  через гравий, заряжая тепловой  аккумулятор. Для ночного отопления  и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.  

 В средней полосе  гелиосистема лишь частично обеспечивает  потребности отопления. Опыт эксплуатации  показывает, что сезонная экономия  топлива за счет использования  солнечной энергии достигает  60%. 

2.4.ГЕЛИОСИСТЕМЫ  НА ШИРОТЕ 60° 

 Одним из лидеров  практического использования энергии  Солнца стала Швейцария. Здесь  построено примерно 2600 гелиоустановок  на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование “Солар-91” и осуществляемая под лозунгом “За энергонезависимую Швейцарию!”, вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии. 

 Программа “Солар-91”  осуществляется практически без  поддержки государственного бюджета,  в основном, за счет добровольных  усилий и средств отдельных  граждан, предпринимателей и муниципалитетов.  Гелиоустановку на кремниевых  фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки. 

 Крупные фирмы  монтируют на крышах производственных  корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%.  

 В районах альпийского  высокогорья, где нерентабельно  прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки  с аккумуляторами.  

 Опыт эксплуатации  свидетельствует, что Солнце уже  в состоянии обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.  

 Автономная солнечная  установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии.