Солнечная энергия и перспективы ее использования

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленныхна крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черныйцвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный илипластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечногосвета. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу,накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиацияраспределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций взависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водойдля стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться дляпредварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящеевремя рынок предлагает множество различных моделей коллекторов.

Интегрированный коллектор

Простейший вид солнечного коллектора — это «емкостной» или«термосифонный коллектор», получивший это название потому, чтоколлектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагреваетсяи хранится «одноразовая» порция воды. Такие коллекторы используютсядля предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужнойтемпературы в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условияхдомашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель.Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такойколлектор — недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательнойсистеме, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимальноготехобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами.

Плоские коллекторы

Плоские коллекторы — самый распространенный вид солнечных коллекторов,используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этотколлектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик состеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черныйцвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либоматовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее толькосвет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную частьпоступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает натепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла.Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что ещебольше сокращает тепловые потери.

Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба видаколлекторов бывают остекленными или неостекленными.

Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы

Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы дляприменения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют вэффективности в неблагоприятные дни — в холодную, облачную и ветреную погоду.Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят кпреждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, — кухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостаткиустраняются путем использования вакуумированных коллекторов.

Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там,где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозьнаружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается втепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит изнескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплентрубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) сселективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник иотдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.

Вакуум в стеклянной трубке — лучшая из возможных теплоизоляций дляколлектора — снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящуютрубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат — отличные рабочиехарактеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.

Фокусирующие коллекторы

Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхностидля концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется«теплоприемник». Достигаемая ими температура значительно выше, чем наплоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечноеизлучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду.Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большойповерхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигаетсявысокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется вфокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкойфокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальнойлинии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такиеколлекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией — близко к экватору и в пустынных районах.

Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечныеколлекторы узкого назначения — солнечные печи (для приготовления еды) исолнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную водупрактически из любого источника.

Солнечные печи

Онидешевы и просты в изготовлении. Они состоят из просторной хорошотеплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (например,фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюлячерного цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда изалюминия или нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать дляобеззараживания воды, если доводить ее до кипения.

Бываютящичные и зеркальные (с отражателем) солнечные печи.

Солнечные дистилляторы

Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причемисточником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. В их основележит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный дистилляториспользует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он изтеплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено стаким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальнуюемкость. Небольшой солнечный дистиллятор — размером с кухонную плиту — всолнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.

3.2.2 Солнечные системы

Солнечные системы горячего водоснабжения

Горячее водоснабжение — наиболее распространенный вид прямого применениясолнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов,в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячейводы, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах сотносительно небольшим количеством солнечной радиации, например в СевернойЕвропе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде.Больше получить невозможно, разве что с помощью сезонного регулирования. ВЮжной Европе солнечный коллектор может обеспечить 70-90% потребляемой горячейводы. Нагрев воды с помощью энергии Солнца — очень практичный и экономныйспособ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В сочетании сдеревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворятьпрактически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

Термосифонные солнечные системы

Термосифонныминазываются солнечные водонагревательные системы с естественной циркуляцией(конвекцией) теплоносителя, которые используются в условиях теплой зимы (приотсутствии морозов). В целом это не самые эффективные из солнечныхэнергосистем, но они имеют много преимуществ с точки зрения строительства жилья.Термосифонная циркуляция теплоносителя происходит благодаря изменению плотностиводы с изменением ее температуры. Термосифонная система делится на три основныечасти:

· плоскийколлектор (абсорбер);

· трубопроводы;

· Бак-накопительдля горячей воды (бойлер).

Когдавода в коллекторе (обычно в плоском) нагревается, она поднимается по стояку ипоступает в бак-накопитель; на ее место в коллектор со дна бака-накопителяпоступает холодная вода. Поэтому необходимо располагать коллектор нижебака-накопителя и утеплять соединительные трубы.

Такие установки популярны в субтропических и тропических областях.

Солнечные системы подогрева воды

Чащевсего используются для обогрева бассейнов. Несмотря на то, что стоимость такойустановки меняется в зависимости от размера бассейна и других специфическихусловий, если солнечные системы устанавливаются с целью снижения или отказа отпотребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года окупаются засчет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на нескольконедель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.

В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогревательдля бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому вбассейн подается вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установитьабсорбер. Закрытые бассейны требуют установки стандартных коллекторов, чтобыобеспечить теплую воду и зимой.

Сезонное аккумулирование тепла

Есть и такие установки, которые позволяют зимой использовать тепло,накопленное летом солнечными коллекторами и сохраненное при помощи большихаккумулирующих баков (сезонное аккумулирование). Здесь проблема заключается втом, что количество жидкости, необходимое для обогрева дома, сопоставимо собъемом самого дома. Вдобавок, хранилище тепла необходимо очень хорошоизолировать. Чтобы обычный домашний бак-накопитель сохранил большую часть теплав течение полугода, его пришлось бы обернуть в слой изоляции толщиной 4 метра.Поэтому выгодно делать объем накопительной емкости очень большим. Из-за этогоснижается отношение площади поверхности к объему.

Крупные солнечные установки центрального отопления используются в Дании,Швеции, Швейцарии, Франции и США. Солнечные модули устанавливают прямо наземле. Без хранилища такая солнечная отопительная установка может покрыть около5% годовой потребности в тепле, так как установка не должна вырабатыватьбольше, чем минимальное количество потребляемого тепла, включая потери врайонной системе отопления (до 20% при передаче). Если есть хранение дневноготепла в ночное время, то солнечная отопительная установка может покрывать10-12% потребности в тепле, включая потери при передаче, а с сезонным хранениемтепла — до 100%. Существует также возможность комбинирования районногоотопления с индивидуальными солнечными коллекторами. Районную систему отопленияможно отключить на лето, когда горячее водоснабжение обеспечивается Солнцем, инет потребности в отоплении.

Солнечная энергия в сочетании с другими возобновляемымиисточниками.

Хороший результат приносит комбинирование различных возобновляемыхисточников энергии, например, тепло Солнца в сочетании с сезоннымаккумулированием тепла в виде биомассы. Либо, если оставшаяся потребность вэнергии очень низка, можно использовать жидкие или газообразные виды биотопливав сочетании с эффективными котлами в дополнение к солнечному отоплению.

Интересную комбинацию представляют собой солнечное отопление и котлы,работающие на твердой биомассе. Этим же решается и проблема сезонного хранениясолнечной энергии. Использование биомассы летом не является оптимальнымрешением, так как КПД котлов при частичной загрузке невысок, к тому жеотносительно высоки потери в трубах — а в небольших системах сжигание древесинылетом может причинять неудобство. В таких случаях все 100% тепловой нагрузкилетом может обеспечиваться за счет солнечного отопления. Зимой, когдаколичество солнечной энергии незначительно, практически все тепловырабатывается за счет сжигания биомассы.

В Центральной Европе накоплен большой опыт комбинирования солнечного отопленияи сжигания биомассы для производства тепла. Обычно около 20-30% общей тепловойнагрузки покрывает солнечная система, а главная нагрузка (70-80%)обеспечивается биомассой. Это сочетание может применяться и в индивидуальныхжилых домах, и в системах центрального (районного) отопления. В условияхЦентральной Европы около 10 м3 биомассы (например, дров) достаточнодля отопления частного дома, причем солнечная установка помогает сэкономить до3 м3 дров в год.

/> 

3.2.3 Солнечные тепловые  электростанции

В дополнение к прямому использованию солнечного тепла, в регионах свысоким уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара,который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечнойтепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно.Промышленное применение этой технологии берет свое начало в 1980-х; с тех порэта отрасль быстро развивалась. В настоящее время энергокомпаниями США ужеустановлено более 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которыеобеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 млн.баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (вамериканском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной мощности и накопили100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является настолькоразвитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционнымиэлектрогенерирующими технологиями во многих районах США. В других регионах миратакже скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла длявыработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатываютсоответствующие программы, гранты для их финансирования предоставляетГлобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и СШАновые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанцииподразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.