Використання енергії сонця.

17.09.2015

АЛЬТЕРНАТИВНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ — ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ

останнім часом інтерес до проблеми використання сонячної енергії різко зріс, і хоча це джерело також належить до відновлюваних, увага, що приділяється йому в усьому світі, змушує нас розглянути його можливості окремо. Потенційні можливості енергетики, заснованої на використанні безпосередньо сонячного випромінювання, надзвичайно великі. Зауважимо, що використання всього лише 0.0125% кількості енергії Сонця могло б забезпечити всі сьогоднішні потреби світової енергетики, а використовування 0.5 % — повністю покрити потреби на перспективу. На жаль, навряд чи коли — небудь ці величезні потенційні ресурси вдасться реалізувати у великих масштабах. Одним з найбільш серйозних перешкод такої реалізації є низька інтенсивність сонячного випромінювання. Навіть при найкращих атмосферних умовах ( південні широти, чисте небо ) щільність потоку сонячного випромінювання складає не більше 250 Вт/м2. По — цьому, щоб колектори сонячного випромінювання «збирали» за рік енергію, необхідну для задоволення всіх потреб людства потрібно розмістити їх на території 130 000 км2. Необхідність використовувати колектори величезних розмірів, крім того, тягне за собою значні матеріальні витрати.

Найпростіший колектор сонячного випромінювання являє собою зачерненный металевий (як правило, алюмінієвий) лист, усередині якого розташовуються труби з циркулюючої в ній рідиною. Нагріта за рахунок сонячної енергії, поглиненої колектором, рідина надходить для безпосереднього використання. Згідно з розрахунками виготовлення колекторів сонячного випромінювання площею 1 км2, вимагає приблизно 10^4 тонн алюмінію.

Доведені ж на сьогодні світові запаси цього металу оцінюються в 1.17*10^9 тонн. З написаного ясно, що існують різні фактори, що обмежують потужність сонячної енергетики. Припустимо, що в майбутньому для виготовлення колекторів стане можливим застосовувати не тільки алюміній, але й інші матеріали. Чи зміниться ситуація в цьому випадку?

Будемо виходити з того, що на окремій фазі розвитку енергетики (після 2100 року) усі світові потреби в енергії будуть задовольнятися за рахунок сонячної енергії. В рамках цієї моделі можна оцінити, що в цьому випадку потрібно «збирати» сонячну енергію на площі від 1*10^6 до 3*10^6 км2. В той же час загальна площа орних земель у світі становить сьогодні 13*10^6 км2.Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістким видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє гігантське збільшення потреб у матеріалах, а отже, в трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення. Підрахунки показують, що для виробництва 1 МВт* год електричної енергії з допомогою сонячної енергетики потрібно витратити від 10 000 до 40 000 людино-годин. У традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник становить 200-500 людино-годин. Поки що електрична енергія, породжена сонячними променями, обходиться набагато дорожче, ніж одержувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на дослідних установках і станціях, допоможуть вирішити не тільки технічні, але й економічні проблеми.

Перші спроби використання сонячної енергії на комерційній основі відносяться до 80-х років нашого століття. Найбільших успіхів у цій області домоглася фірма Loose Industries (США). Нею у грудні 1989 року введено в експлуатацію сонячно-газова станція потужністю 80 МВт. Тут же, в Каліфорнії, в 1994 році введено ще 480 МВт електричної потужності, причому, вартість 1 кВт/год енергії — 7-8 центів. Це нижче, ніж на традиційних станціях. В нічні години і взимку енергію дає, в основному, газ, а влітку і в денні години — сонце. Електростанція в Каліфорнії продемонструвала, що газ і сонце, як основні джерела енергії найближчого майбутнього, здатні ефективно доповнювати один одного. Тому не випадковий висновок, що в якості партнера сонячної енергії повинні виступати різні види рідкого або газоподібного палива. Найбільш вірогідною «кандидатурою» є водень. Його отримання з використанням сонячної енергії, наприклад, шляхом електролізу води може бути досить дешевим, а сам газ, що володіє високою теплотворною здатністю, легко транспортувати і довгостроково зберігати. Звідси висновок: найбільш економічна можливість використання сонячної енергії, яка проглядається сьогодні — направляти її для отримання вторинних видів енергії в сонячних районах земної кулі. Отримане рідке або газоподібне паливо можна буде перекачувати по трубопроводах або перевозити танкерами в інші райони. Швидкий розвиток геліоенергетики стало можливим завдяки зниженню вартості фотоелектричних перетворювачів в розрахунку на 1 Вт встановленої потужності з 1000 доларів у 1970 році до 3-5 доларів у 1997 році і підвищення їх ККД з 5 до18%. Зменшення вартості сонячного вати до 50 центів дозволить геліоустановкам конкурувати з іншими автономними джерелами енергії, наприклад, з дизельэлектростанциями.

ГЕЛІОУСТАНОВКИ НА ШИРОТІ 60°

Одним з лідерів практичного використання енергії Сонця стала Швейцарія. Тут побудовано приблизно 2600 геліоустановок на кремнієвих фотопреобразователях потужністю від 1 до 1000 кВт і сонячних колекторних пристроїв для отримання теплової енергії. Програма, що отримала найменування і здійснюється під гаслом. вносить помітний внесок у вирішення екологічних проблем та енергетичну незалежність країни, що імпортує сьогодні понад 70 відсотків енергії.

Програма «Солар-91″ здійснюється практично без підтримки державного бюджету, в основному, за рахунок добровільних зусиль і коштів окремих громадян, підприємців і муніципалітетів. До 2000-му році вона передбачає довести кількість геліоустановок до 3000. Геліоустановки на кремнієвих фотопреобразователях, найчастіше потужністю 2-3 кВт, монтують на дахах і фасадах будівель. Вона займає приблизно 20-30 квадратних метрів. Така установка виробляє на рік в середньому 2000 кВт/год електроенергії, що достатньо для забезпечення побутових потреб середнього швейцарського будинку і зарядки бортових акумуляторів електромобіля. Денний надлишок енергії в літню пору направляють в електричну мережу загального користування. Взимку ж, особливо в нічні години, енергія може бути безкоштовно повернута власнику геліоустановки.

Великі фірми монтують на дахах виробничих корпусів геліостанції потужністю до 300 кВт. Одна така станція може покрити потреби підприємства в енергії на 50-70%.

У районах альпійського високогір’я, де нерентабельно прокладати лінії електропередач, будуються автономні геліоустановки з акумуляторами.

Досвід експлуатації свідчить, що Сонце вже в змозі забезпечити енергопотреби, щонайменше, всіх житлових будинків в країні.

Геліоустановки, розташовуючись на дахах і стінах будинків, на шумозахисних огорож автодоріг, на транспортних і промислових спорудах не вимагають для розміщення дорогої сільськогосподарської або міської території.

Автономна сонячна установка біля селища Гримзель дає електроенергію для цілодобового освітлення автодорожнього тунелю. Поблизу міста Шура сонячні панелі, змонтовані на 700-метровій ділянці шумозащитного огорожі, щорічно дають 100 кВт електроенергії. Сонячні панелі потужністю 320 кВт, встановлені за замовленням фірми Biral на даху її виробничого корпусу в Мюнзінгене, майже повністю покривають технологічні потреби підприємства в теплі та електроенергії.

Сучасна концепція використання сонячної енергії найбільш повно виражена при будівництві корпусів заводу віконного скла в Арисдорфе, де сонячних панелей загальною потужністю 50 кВт ще при проектуванні була відведена додаткова роль елементів перекриття і оформлення фасаду.

ККД кремнієвих фотоперетворювачів при сильному нагріванні помітно знижується і тому під сонячними панелями прокладені вентиляційні трубопроводи для прокачування зовнішнього повітря. Нагріте повітря працює як теплоносій колекторних пристроїв. Темно-сині, іскристі на сонці фотоперетворювачі на південному і західному фасадах адміністративного корпусу, віддаючи в мережу 9 кВт електроенергії, виконують роль декоративного облицювання.

ГЕЛИОМОБИЛЬ СЬОГОДНІ

Один з великих розділів програми «Солар-91″ — розвиток транспортних засобів, що використовують сонячну енергію, так як автотранспорт чверть енергетичних ресурсів необхідних країні. Щорічно в Швейцарії проводиться міжнародне ралі солнцемобилей. Траса ралі, протяжністю 644 кілометра, прокладена по дорогах північно-західної Швейцарії та Австрії. Гонки складаються з 6 одноденних етапів, довжина кожного — від 80 до 150 кілометрів.

Швейцарські громадяни покладають великі надії на децентралізоване виробництво електричної та теплової енергії власними геліоустановки. Це відповідає незалежного і самостійного швейцарському характеру, почуття цивілізованого власника, не жаліє коштів заради чистоти гірського повітря, води і землі. Наявність персональних гелиостанций стимулює розвиток в країні електроніки та електротехніки, приладобудування, технології нових матеріалів та інших наукомістких галузей.

У червні 1985 року Урс Мунтвайлер, 27-річний інженер з Берна, провів по Дорогах Європи перше багатоденне ралі легких електромобілів, обладнаних фотопреобразователями і використовують для руху сонячну енергію. У ньому брало участь кілька швейцарських самодельщиков, восседавших з прикрученими до них зверху сонячними панелями. У всьому світі тоді навряд чи можна було нарахувати з десяток гелиомобилей.

Минуло чотири роки. «Тур де сол» перетворився на неофіційний чемпіонат світу. Економічність цього нового виду енергетичних ресурсів повинна порівнюватися з тими видами енергії, які будуть в тих же масштабах використовуватися в майбутньому.

Розрахунки показують, що вартість широкого виробництва синтетичного рідкого палива з допомогою сонячної енергії буде дорівнювати 60 доларів за барель. Для порівняння зазначимо, що сьогодні вартість бареля нафти з району Перської затоки становить 35 доларів.

Інтенсивність сонячного світла на рівні моря складає 1-3 кВт на квадратний метр. ККД кращих сонячних батарей становить 12-18 відсотків. З урахуванням ККД перетворення енергії сонячних променів з допомогою фотоперетворювачів дозволяє одержати з одного квадратного метра не більше 1/2 кВт потужності.

Досвід використання сонячної енергії в помірних широтах показує, що енергію сонця вигідніше безпосередньо акумулювати і використовувати у вигляді тепла. Розроблені проектні пропозиції для Аляски і півночі Канади. Природно-кліматичні умови цих регіонів порівнянні з умовами середньої смуги нашої країни. Існує два основних напрямки у розвитку сонячної енергетики: вирішення глобального питання постачання енергією та створення сонячних перетворювачів, розрахованих на виконання конкретних локальних задач. Ці перетворювачі, в свою чергу, також поділяються на дві групи: високотемпературні і низькотемпературні.

У перетворювачах першого типу сонячні промені концентруються на невеликій ділянці, температура якого підніметься до 3000°С. Такі установки вже існують. Вони використовуються, наприклад, для плавки металів.

найчисленніша частина сонячних перетворювачів працює при значно менших температурах — близько 100-200°С. З їх допомогою підігрівають воду, обессоливают її, піднімають з колодязів. У сонячних кухнях готують їжу. Сконцентрованим сонячним теплом сушать овочі, фрукти і навіть заморожують продукти. Енергію сонця можна акумулювати днем для обігріву будинків і теплиць в нічний час.

Сонячні установки практично не вимагають експлуатаційних витрат, не потребують ремонту і вимагають витрат лише на їх спорудження і підтримка в чистоті. Працювати вони можуть нескінченно.

КОНЦЕНТРАТОРИ СОНЯЧНОГО СВІТЛА

З дитинства багато хто пам’ятає що з допомогою збиральної лінзи від сонячного світла можна запалити папір. У промислових установках лінзи не використовуються: вони важкі, дорогі і складні у виготовленні.

Сфокусувати сонячні промені можна і за допомогою увігнутого дзеркала. Воно є основною частиною геліоконцентратора, приладу, в якому паралельні промені збираються за допомогою увігнутого дзеркала. Якщо у фокус дзеркала помістити трубу з водою, то вона нагріється. Такий принцип дії сонячних перетворювачів прямої дії.

Найбільш ефективно їх можна використовувати в південних широтах, але й у середній смузі вони знаходять застосування. Дзеркала в установках використовуються традиційні — скляні, або з полірованого алюмінію. Найбільш ефективні концентратори сонячного випромінювання (рис. 2) мають форму:

  1. циліндричного параболоїда (а);
  2. параболоїда обертання (б);
  3. плоско-лінійної лінзи Френеля (в).

Фірма Loose Industries на сонячно-газової електростанції в Каліфорнії використовує систему параболо-довгих циліндричних відбивачів у вигляді жолоба. У його фокусі проходить труба з теплоносієм — дифенилом, нагрівається до 350°С. Жолоб повертається для стеження за сонцем тільки навколо однієї осі (а не двох, як плоскі геліостати). Це дозволило спростити систему стеження за сонцем. Сонячна енергія може безпосередньо перетворюватися в механічну. Для цього використовується двигун Стірлінга. Якщо у фокусі параболічного дзеркала діаметром 1,5 м встановити динамічний перетворювач, що працює за циклом Стірлінга, одержуваної потужності (1 кВт) достатньо, щоб піднімати з глибини 20 метрів 2 м3 води на годину.

В реальних геліосистемах плоско-лінійна лінза Френеля використовується рідко через її високу вартість.

Водонагрівач Водонагрівач призначений для постачання гарячою водою, в основному, індивідуальних господарств. Пристрій складається з короба зі змійовиком, бака холодної води, бака-акумулятора і труб. Короб стаціонарно встановлюється під кутом 30-50° з орієнтацією на південну сторону. Холодна, більш важка, вода постійно надходить у нижню частину короба, там вона нагрівається і, витиснута холодною водою, що надходить в бак-акумулятор. Вона може бути використана для опалення, для душу або для інших побутових потреб. Денна продуктивність на широті 50° приблизно дорівнює 2 кВт/год з квадратного метра. Температура води в баку-акумуляторі досягає 60-70°. ККД установки — 40%.

Теплові концентратори Кожен, хто хоч раз бував у теплицях, знає, як різко відрізняються умови всередині неї від оточуючих: Температура в ній вище. Сонячні промені майже безперешкодно проходять крізь прозоре покриття і нагрівають ґрунт, рослини, стіни, конструкцію даху. У зворотному напрямку тепло розсіюється мало з-за підвищеної концентрації вуглекислого газу. За схожим принципом працюють і теплові концентратори.

— дерев’яні, металеві, або пластикові короби, з одного боку закриті одинарним або подвійним склом. Всередину короба для максимального поглинання сонячних променів вставляють хвилястий металевий лист, пофарбований в чорний колір. В коробі нагрівається повітря або вода, які періодично або постійно відбираються звідти з допомогою вентилятора або насоса.

ЖИТЛОВИЙ БУДИНОК З СОНЯЧНИМ ОПАЛЕННЯМ

Середнє за рік значення сумарної сонячної радіації на широті 55°, що надходить на добу на 20 м 2 горизонтальної поверхні, становить 50-60 кВт/год. Це відповідає витратам енергії на опалення будинку площею 60 м2.

Для умов експлуатації сезонно жилого помешкання середньої смуги найбільш придатною є повітряна система теплопостачання. Повітря нагрівається в сонячному колекторі та по воздуховодам подається в приміщення. Зручності застосування повітряного теплоносія в порівнянні з рідинним очевидні:

  • немає небезпеки, що система замерзне;
  • немає необхідності в трубах і кранах;
  • простота та дешевизна.

Недолік — невисока теплоємність повітря.

Конструктивно колектор являє собою ряд засклених вертикальних коробів, внутрішня поверхня яких зачернена матовою фарбою, не дає запаху при нагріванні. Ширина короба близько 60 див. В частині розташування сонячного колектора на будинку перевага віддається вертикальному варіанту. Він багато простіше в будівництві та подальшому обслуговуванні. Порівняно з похилим колектором (наприклад, займає частину даху), не потрібно ущільнення від води, відпадає проблема снігового навантаження, з вертикальних скла легко змити пил.

Плоский колектор, крім прямої сонячної радіації, сприймає розсіяну і відбиту радіацію: в похмуру погоду, при легкій хмарності, словом, у тих умовах, які ми реально маємо в середній смузі. Плоский колектор не створює високопотенційне теплоти, як концентрує колектор, але для конвекційного опалення цього і не потрібно, тут досить мати низькопотенційну теплоту. Сонячний колектор розташований на фасаді, орієнтованому на південь (допустиме відхилення до 30° на схід чи на захід).

Нерівномірність сонячної радіації протягом дня, а також бажання обігрівати будинок вночі і в похмурий день диктує необхідність влаштування теплового акумулятора. Вдень він накопичує теплову енергію, а вночі віддає. Для роботи з повітряним колектором найбільш раціональним вважається гравійно-гальковий акумулятор. Він дешевий, простий в будівництві.

Гравійну засипку можна розмістити у теплоізольованій заглибленою цокольної частини будинку. Тепле повітря нагнітається в акумулятор за допомогою вентилятора.

Для будинку, площею 60 м 2. об’єм акумулятора становить від 3 до 6 м3. Різниця визначається якістю виконання елементів геліосистеми, теплоізоляцією, а також режимом сонячної радіації в конкретній місцевості.

Система сонячного теплопостачання будинку працює в чотирьох режимах (рис. 4. а-г):

  • опалення та акумулювання теплової енергії (а);
  • опалення від акумулятора (б);
  • акумулювання теплової енергії (в);
  • опалення від колектора (р).

В холодні сонячні дні нагріте в колекторі повітря піднімається і через отвори в стелі надходить у приміщення. Циркуляція повітря відбувається за рахунок природної конвекції. В ясні теплі дні гаряче повітря забирається з верхньої зони колектора і з допомогою вентилятора проганяється через гравій, заряджаючи тепловий акумулятор. Для нічного опалення та на випадок похмурої погоди повітря з приміщення проганяється через акумулятор і повертається до кімнати підігрітий.

В середній смузі геліосистема лише частково забезпечує потреби опалення. Досвід експлуатації показує, що сезонна економія палива за рахунок використання сонячної енергії досягає 60%.

Короткий опис статті: сонячна енергія Огляд існуючих технологій отримання енергії від сонця, що таке геліоустановки, перетворювачі і концентратори сонячного світла. енергія, альтернативна, енергетика, джерела енергії, сонце, сонячні батареї, геліоустановки

Джерело: Використання енергії сонця.

Також ви можете прочитати