Использование солнечной энергии

Использование солнечной энергии

Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев воды в плоских солнечных коллекторах. Принцип действия такого устройства достаточно прост: видимые лучи солнца, проникая сквозь стекло (проходит обычно 80-85%), встречаются с черным дном коллектора и в значительной степени поглощаются им. Дно начинает излучать тепловые инфракрасные лучи, которые не могут проникнуть сквозь стекло обратно наружу, а в нижнем направлении путь им преграждает слой теплоизоляции (рис. 1). Задержанное таким образом тепло передается теплоносителю, протекающему, как правило, по проложенному на дне коллектора змеевику, или полимерным трубкам.


Рис.1 Устройство плоского солнечного коллектора

Так же на рынке присутствуют солнечные коллекторы другого вида: они представляют собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка (рис. 2). По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной и объединяет функции прямого и обратного) холодный теплоноситель. Возвращаясь по центральному каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм - примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и забирает его в систему отопления или горячего водоснабжения объекта. Кроме представленных, есть солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покрытые по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет превратить в тепло солнечную радиацию максимально широкого диапазона.

Использование солнечной энергии
Рис. 2. Принцип работы коллектора с вакуумной трубкой

Простейшая система на основе теплового солнечного коллектора - его сочетание с расположенным выше него баком-аккумулятором горячей воды. Благодаря разнице плотностей горячей и холодной воды в контуре возникает циркуляция. Для обеспечения ее постоянства используется специальный насос. Такие конструкции достаточно широко представлены на европейском рынке теплотехнического оборудования и применяются для горячего водоснабжения.

Более сложный вариант предусматривает включение коллектора в отдельный контур. Циркулирующий в нем теплоноситель передает сохраненную солнечную энергию через теплообменник в теплоизолированный бак-аккумулятор, позволяющий «запасать» тепло в солнечное время суток и тратить его, когда это нужно. Такая система используется не только для ГВС, но и для отопления. Конструкция бака может предусматривать электрический или газовый нагреватель, который автоматически включается, когда энергии Солнца недостаточно.

Достаточно распространен и, пожалуй, наиболее перспективен вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов - система, представляющая собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов (рис. 3) (Технологически более «продвинутая» схема предусматривает еще и тепловой насос). Такое сочетание обеспечивает комфортные условия с наименьшими затратами традиционных энергоносителей. В данном случае бак-аккумулятор с системой встроенных (обычно) теплообменников играет роль объединяющего элемента всей установки теплоснабжения.

Использование солнечной энергии
Рис. 3. Комбинированная система теплоснабжения: 1 - солнечный коллектор, 2 - расширительный бак, 3 - бак-аккумулятор, 4 - отопительный котел

Современная концепция энергоэффективного и даже энергонезависимого (за рубежом прижилось понятие «пассивный») здания предполагает не только тепло-, но и электроснабжение от возобновляемых источников. Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в коллекторах на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), которые делятся на два основных вида: электровакуумные и полупроводниковые (рис. 4); последние являются наиболее эффективными. Преобразование энергии в ФЭП основано на эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Коэффициент преобразования света солнечных элементов в земных условиях достигает 22%. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность - десятков киловатт. На нашем рынке есть модули ФЭП как зарубежного, так и отечественного производства, изготавливаемых на основе монокристаллического кремния в алюминиевой рамке с КПД преобразования света 15-18% и пиковой мощностью 2,8-150 Вт. Все они имеют стеклянное покрытие и генерируют постоянный ток. Энергия может использоваться как непосредственно, так и, превращаясь в переменный ток, напряжением 220 В. Стоит сказать, что фотоэлектрические преобразователи используются и для создания достаточно мощных (до 10 МВт) электростанций.

Использование солнечной энергии
Рис. 4. Фотоэлектрический солнечный модуль

В настоящее время «солнечное» оборудование - полноправный товар теплотехнического рынка Европы. Тепловые и электрические коллекторы, баки-аккумуляторы, комбинированные водонагреватели, специальные циркуляционные насосы и автоматика для гелиосистем не первый год входят в каталоги ведущих производителей отопительной техники. В этой области работают, например следующие компании: Solvis, Ritter-Paradigma, Wagner / Co .. lbe, Viessmann, Nau, Buderus, Ikarus, Stiebel Eltron, Junkers, Wolf, Solatherm, Vaillant.

Кроме перечисленных установок, известны различные виды пассивных гелиосистем. К ним относятся, например, теплицы (оранжереи) и различные «солнечные ловушки», роль которых выполняют конструктивные элементы зданий. Естественно, мощность таких систем невелика. Их эффективность достигается правильным применением теплоизоляции, увеличением площади прозрачных поверхностей и ориентацией перпендикулярно солнечным лучам (они должны быть ориентированы на юг при угле наклона к горизонту, равном широте местности: для средней полосы России - 55-60 °). Повышение прозрачности покрытий и уменьшение поглощения лучей также приводят к увеличению эффективности обогрева. В настоящее время для более эффективного выращивания растений в теплицах разработаны прозрачные материалы, трансформирующие солнечный свет в лучи, которые стимулируют рост растений.

Для стабилизации температурного режима в гелиотеплицах используются грунтовые аккумуляторы тепла, которые располагаются под грядками и нагревают теплым воздухом или водой. В ряде случаев в качестве аккумулятора используется жилой дом. Такие оранжереи называются пристроенными, они располагаются с южной стороны дома (рис. 5). В этом случае между домом и оранжереях происходит процесс перераспределения тепла. В солнечную погоду оранжерея с прозрачной стенкой работает как солнечный коллектор и нагревает воздушные массы, которые, проникая в дом, передают ему тепло. В отсутствие солнечного освещения, при отоплении дома другими способами, воздушные массы попадают в оранжерею и обогревают ее.

Использование солнечной энергии
Рис. 5. Пример дома с пассивной гелиосистемой в виде пристроенной оранжереи

Через окна, которые играют роль «солнечных ловушек», в ясную погоду в здании может проникать значительное количество солнечной энергии. Интересно отметить, что, хотя продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, количество часов возможного освещения Солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом. Это вызвано тем, что оно значительное время светового дня находится на восточной и западной сторонах. Проектирование зданий, которые способны улавливать солнечную энергию для обогрева дома и сохранять тепло, приводит к экономии энергии, затрачиваемой на отопление.

Если в холодное время солнечное излучение - подспорье в экономии энергии на отопление, то в жаркую пору - это негативное явление, способное обернуться затратами на вентиляцию и кондиционирование. Проблема решается применением теплоотражающих и теплопоглощающих стекол, а также различных систем затемнения. Всем известны очки-«хамелеоны», стекло которых темнеет с увеличением освещенности. Такое стекло регулирует проникновение солнечного света в дом. В качестве примера их использования можно привести здание ООН в Нью-Йорке. Для затемнения обычно применяют непрозрачные материалы. Размещение их между стеклами окна не так эффективно, как внешнее, но более эффективно, чем внутреннее. Интересная разработка - автоматически регулируемые жалюзи фирмы Zomeworks Inc. (США). Их действие основано на разнице давлений в двух соединенных резервуарах, наполненных фреоном и расположенных с обеих сторон окна. Когда одна из емкостей нагревается сильнее, фреон перетекает от нее к другой и разворачивает жалюзи в нужном направлении. Кроме затемнения, используется система, предусматривающая естественное охлаждение строения прохладным воздухом, поступающим в здание с теневой стороны через подземную систему охлаждения. Одновременно воздух, нагретый солнцем, создает тягу и через систему заслонок захватывает наружу воздух из внутреннего помещения.

В заключение: кроме низкотемпературных систем, использующих солнечную радиацию естественной плотности (они, по мнению специалистов, наиболее эффективны), созданы и применяются в различных отраслях установки, где для достижения высоких температур плотность излучения повышается в сотни и тысячи раз. Оно осуществляется гелиоконцентраторами, включающими зеркала или линзы, фокусирующие солнечные лучи. Так, концентраторы применяются в солнечных печах для плавки и термической обработки в особо чистых условиях при температуре 2300-3000 ° С некоторых материалов, например, оксидов кремния и циркония. Одна из самых крупных таких печей, мощностью свыше 1 МВт, была построена в начале 1970-х гг. в Фон-Роме-Одейо (Франция). Концентрация солнечных лучей производится и для получения высоких температур в термодинамических солнечных электростанциях.

  • Дата публикации: 06.12.2010
  • 448

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться