/ Солнечные коллекторы / Гелиоэнергетика

Гелиоэнергетика

В настоящее время человечество активно внедряет новые экологически чистые источники энергии. Первый бурный переход на новые источники энергии состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно-конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. В настоящее время человечество вновь переживает очередной этап перехода на новые источники энергии, который начался в 1990 году и по прогнозам ученых продлиться до 2020 года. Особенность этого этапа заключается в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. В течение этого времени человечество должно внедрить в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как гелиоэнергетика и тепловые насосы. В противном случае грядущие экологические катастрофы поставят под угрозу возможность дальнейшего существования жизни на нашей планете.

Потенциальные возможности гелиоэнергетики

Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность потока солнечной радиации вне атмосферы Земли равна 1,4 кВт/м², а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м².

Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая нашей планетой, составляет 1,7×1014 кВт. Мощность солнечной радиации колоссальная, примерно в 500 раз превышает предельные и вряд ли достижимые потребности человеческой цивилизации, которые по оценке Римского клуба, могут составить 3×1011 кВт. Если оценить всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то она составит 10¹⁸кВт×ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения, другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе. Небольшая часть энергии Солнца, около 0,2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны. И только 0,02% солнечной радиации захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете. Малая доля от этих 0,02% обеспечила миллионы лет назад накопление на Земле запасов ископаемого топлива.

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

• Солнечная энергия доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому солнечная энергетика привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости.

• Солнечная радиация - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.

• Солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

Основными направлениями использования солнечной энергии считаются:

• получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения ;

• превращение солнечной радиации в электрическую энергию.

Получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения

Получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения представляет наиболее простой по технической реализации способ использования солнечной энергии. Тепло, получаемое в результате прямой абсорбции солнечной радиации, используется для нагрева воды солнечными коллекторами, обогрева помещений, сушки материалов и продуктов сельскохозяйственного производства. Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей воды с помощью гелиосистем обусловлен тем, что в промышленно развитых странах около 30-40% производимой энергии потребляется на так называемые низкотемпературные нагревы (<100°С).

Получение такого низкотемпературного тепла можно осуществить с помощью вакуумного и плоского солнечных коллекторов, работающих на принципе тепличного эффекта. Физическая суть этого эффекта заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхность солнечного коллектора, который прозрачный для солнечных лучей, практически без потерь проникает внутрь и, попадая на теплоприемник гелиоколлектора нагревает его, а процесс рассеивания тепловой энергии теплоприемника минимизирован. Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0,4 мкм –1,8 мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95%. Расположенный в нижней части солнечного коллектора (плоский) или внутри трубки (вакуумный) теплоприемник представляет собой абсорбирующее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения до 82-92%. Поглощая прямое солнечное излучение, это абсорбирующее покрытие может нагреваться в зависимости от мощности падающего солнечного излучения до (50-90)°С. Нагретое до таких температур тело излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне.

Для спектрального диапазона, соответствующего инфракрасному излучению, стекло обладает низким коэффициентом пропускания, а вакуум в вакуумных солнечных коллекторах сводит это к нулю. Это и приводит к тепличному эффекту, заключающемуся в накоплении энергии под стеклом и увеличении температуры теплоприемника до 160°С для плоского гелиоколлектора и 250°С для вакуумного гелиоколлектора (трубчатого), если преобразованная солнечная энергия не выводится из солнечного коллектора теплоносителем (режим стагнации гелиосистемы). В рабочем режиме накопленное солнечное тепло расходуется на нагрев воды, которые циркулируют через солнечный водонагреватель. В средней полосе Европы в летний период производительность плоских солнечных коллекторов может достигать 50-60 литров воды, а вакуумных - 70-90 литров воды, нагретой до 60-70°С с каждого квадратного метра в день. КПД плоского солнечного коллектора составляет порядка 70% и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в солнечном водонагревателе. КПД вакуумного солнечного коллектора (трубчатого) составляет порядка 92% и зависит только от плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в солнечном водонагревателе. С уменьшением температуры, до которой необходимо нагреть воду, циркулирующую через гелиоколлектор, КПД солнечного коллектора увеличивается. Однако стандартная температура нагреваемой воды составляет 50°С. Для солнечного коллектора основной технической характеристикой является объем воды, нагретой до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром гелиоколлектора. Этот параметр зависит от времени года и географического положения места, в котором устанавливается гелиосистема. Эффективность солнечного коллектора зависит от характеристик селективно поглощающего покрытия, которое обладает свойством хорошо поглощать видимую часть солнечного спектра и практически не излучает в инфракрасной области спектра. Селективные покрытия представляют собой один из наукоемких элементов в конструкции гелиоколлектора. Одним из основных экономических показателей солнечного коллектора, наряду с его стоимостью, является надежность и долговечность. Именно этими показателями отличается продукция большинства Европейский стран. Срок службы гелиоколлектора составляет не менее 10 лет. Солнечные коллекторы Прогресс-ХХI обладают низкой материалоемкостью (вес материала затраченный на изготовление 1м² поверхности) и низкой инерционностью (время нагрева воды до заданной температуры при заданном давлении воды).

В гелиосистему получения низкотемпературного тепла также входят накопители тепла, которые в простейшем случае представляют собой термоизолированные емкости (термосы) для хранения горячей воды. Объем накопителя и необходимая площадь солнечных коллекторов определяются суточным потреблением тепла и средним числом солнечных дней в году в данной местности. Если гелиоколлектор использует не воду, а незамерзающую жидкость, то с помощью теплообменника в накопительном теплоизолированном баке и дополнительного нагревателя (газ, электричество и т.п.) можно в течение года экономить до 50-60% энергии, необходимой для обогрева дома и других  домашних нужд в тепловой энергии, что практически широко используется в промышленно развитых странах. В этом случае солнечные коллекторы работают круглогодично в автоматическом режиме параллельно с обычными топливными или электрическими нагревателями воды. В солнечных установках для сушки материалов и продуктов сельского хозяйства в качестве теплоносителя используется воздух.

 Количество солнечной энергии, которое попадает на Землю

Поток солнечного излучения или по другому говоря-солнечной радиации, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли (в том числе и облаками), максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м² в час. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах значение потока солнечной радиации в два раза меньше. На рисунке показана Карта солнечного излучения планеты Земля.

Карта солнечного излучения планеты Земля

Использования гелиоэнергетики в Украине

На территории Украины энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт*час на 1 м² (в летние дни – до 6 – 6,5 кВт×час ) т. е. около 1,5 тысячи кВт×час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит весьма широкий характер.

Вышеизложенное дает основание считать, что на Украине существуют все необходимые и достаточные условия для широкомасштабного внедрения гелиоэнергетики и солнечных коллекторов для производства тепла в частности в народное хозяйство.

При использовании материалов  этого сайта, ссылка на www.progress21.com.ua  есть обязательной.