Энергия солнца в теплотехнике

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                                   3

1 ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ                                                            6

2 ПРИМЕНЕНИЕ КОЛЛЕКТОРОВ                                                                    10

3 РАБОТА СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ                     11

4 ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ                                   12

5  ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ           13

Заключение                                                                                                             15

Библиографический список                                                                                  16

 

 

Введение

    В последнее время во всем мире наблюдается тенденция к росту энергопотребления, что обусловлено стремительными темпами развития мировой экономики, ростом народонаселения, а так же эволюцией образа жизни людей.

    Предвидимое истощение доступных запасов ископаемого топлива, уязвимость источников путей их доставки для атак со стороны мирового терроризма, растущая монополизация отрасли и постоянно возрастающие цены на энергоносители создали угрозу энергетической безопасности в глобальном масштабе.

    Поэтому «энергетическая безопасность» рассматривается промышленно развитыми странами мира, как элемент национальной безопасности и безусловное обязательство государства обеспечить экономический рост вне зависимости от наличия энергетических ресурсов и цен на них.

    На этом фоне насущной необходимостью становится переход к устойчивому развитию энергетики с целью обеспечения глобальной энергетической безопасности на основе энергосбережения и эффективного использования новых и возобновляемых источников топлива и энергии.

    Отрасли энергетики можно охарактеризовать по видам использования энергоносителей: ядерная, угольная, газовая, мазутная, гидро-, ветро-, геотермальная, биомассовая, волновая и приливная, градиент - температурная, солнечная.

    Солнечная энергетика, как долгосрочная перспектива, имеет одно из первостепенных значений. Кроме того, солнечная энергетика отличается экономичностью и ресурсной базой. Ресурсы солнечной энергии огромны и доступны каждой стране. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, только за неделю превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. По терминологии, принятой в ООН, все виды энергии, в основе которых лежит солнечная энергия, называются возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

    Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется "теплоприемник". Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной лИспользование энергии возобновляемых (альтернативных) источников (энергии Солнца, ветра, биомассы, геотермальной энергии, энергии морей и океанов) является приоритетным. Основные преимущества этих источников - перспектива сохранения запаса энергоресурсов для будущих поколений при минимизации загрязнения атмосферы, энергетическая независимость государств, чья экономика связана с поставкой энергоносителей извне. За тридцать лет практического использования энергии возобновляемых источников ее объем ежегодно увеличивается. Наиболее бурно в мире развивается ветроэнергетика – в среднем около 50 % прироста ежегодно, солнечная энергетика до 33%, геотермальная и водная - более 8%.

    Сегодня 19% производства  мировой энергии обеспечивают  возобновляемые источники. Нобелевский лауреат в области физики полупроводников-   академик Ж.И. Алферов, более 20 лет тому назад на годичном общем собрании Академии наук СССР сообщил, что если бы на развитие возобновляемых (альтернативных) источников энергии было затрачено только 15% средств, брошенных на развитие атомной энергетики, то АЭС для производства электроэнергии в СССР вообще не понадобились бы. Это еще раз подтверждает, что использование солнечной энергии является одним из весьма перспективных направлений энергетики.

    В солнечной  энергетике существует два основных  направления – фото-электроэнергетика,  т.е. выработка электроэнергии  с помощью солнечных элементов  и теплоэнергетика (получение  тепловой энергии с солнечных  кол лекторов). На основе современных технологий созданы солнечные батареи, превращающие солнечную энергию в электрическую и автономные солнечные коллекторы (водонагреватели). Уверенно входят в повседневную жизнь жителей во многих развитых странах. 

1. ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

 

Вступление

1. Плоские коллекторы

   Плоский коллектор (рис.1) состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент (стекло) обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов.

    При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—200 °C.

    Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности. [4]

Рисунок 1 Плоский коллектор: 1-Абсорбер; 2-Стекло; 3-Медные трубки с теплоносителем; 4-Теплоизоляция

 

    Абсорбер поглощает коротковолновое солнечное излучение. Его обычно делают из меди или алюминия, а поверхность металлизируют хромом или никелем. Если не требуются высокие температуры, то абсорбер делают из черного пластика. В абсорбер встраивают медные трубки, по которым течет теплоноситель, забирая у него тепло. Для предотвращения потерь тепла вследствие теплопроводности через корпус абсорбер с трубками снизу и сбоку изолируют полиуретановой пеной или стекловатой. В качестве прозрачно

го покрытия устанавливают  стекло, обедненное атомами металлов. Оно пропускает большую часть коротковолнового излучения, нагревающее абсорбер, а также предотвращает конвекцию.

    Чтобы уменьшить потери вследствие теплопроводности абсорбер  и медные трубки с протекающим по ним теплоносителем помещают в стеклянные трубки, из которых откачивают воздух.

 

1.2 Коллекторы с вакуумными трубками

    Возможно, повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

    Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

    Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где, конденсируясь, передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

    Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

    Стоимость, примерно, в два раза выше, по сравнению с плоскими коллекторами

    На рисунках 2 и 3 представлено строение коллекторов с вакуумными трубками:

Рисунок 2 Коллектор с  вакуумными трубками: 1-Вакуумные трубки; 2-Стекло; 3-Аллюминиевый корпус; 4-Трубки с теплоносителем; 5-Абсорбер; 6-Теплоизоляция

 

Рисунок 3 Коллектор с  вакуумными трубками: 1-Теплообменник; 2-Протекающая вода; 3-Вакуумные трубки; 4-Абсорбер; 5-Трубки с теплоносителем

 

 

1.2Концентраторы

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

    Концентраторы работают лучше всего тогда, когда они обращены прямо к Солнцу. Для этого используются следящие устройства, которые в течение дня поворачивают коллектор "лицом" к Солнцу. Одноосные следящие устройства поворачиваются с востока на запад; двуосные - с востока на запад и с севера на юг (чтобы следить за движением Солнца по небу в течение года). Концентраторы используются в основном в промышленных установках, так как они дороги, а следящие устройства нуждаются в постоянном уходе. В некоторых бытовых солнечных энергосистемах используются параболические концентраторы. Эти установки применяются для горячего водоснабжения, отопления и очистки воды. В бытовых системах применяются в основном одноосные следящие устройства - они дешевле и проще двуосных. Больше информации о концентраторах вы найдете в главе о солнечных тепловых электростанциях.

    Главное отличие солнечных коллекторов-концентраторов от обычных солнечных коллекторов - наличие рефлектров (отражателей, зеркал), которые фокусируют солнечный свет с большой площади на светопоглощающем элементе, как показано на (рис. 4). Таким образом, увеличивается мощность потока лучистой солнечной энергии, направленной к светопоглощающему элементу, на единицу его площади. 
    За счёт увеличения плотности потока солнечной энергии достигается уменьшение площади световоспринимающего элемента, снижение его стоимости. 
    В солнечных коллекторах концентраторах применяются параболоцилиндрические концентраторы (в этом случае приёмник солнечной энергии - труба, находящаяся в фокусе оптической системы) или параболические концентраторы, фокусирующие солнечный свет в точку. Зеркала обычно изготавливаются из полированного алюминия со специальными покрытиями.

    Часто в солнечных коллекторах-концентраторах применяются устройства слежения за солнцем, которые могут поворачивать систему в зависимости от расположения светила. [6 ]

 

2. ПРИМЕНЕНИЕ КОЛЛЕКТОРОВ

 

    Солнечные коллекторы применяются для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

    В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

    Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

    Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды [1, с.67],[5]

 

3. РАБОТА СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

 

    Сердце системы - это коллектор. Коллектор представляет собой устройство, позволяющее эффективно использовать энергию солнечного излучения для нагрева теплоносителя. Энергию, полученную теплоносителем (обычно это смесь воды и антифриза) от Солнца, направляют на бытовые нужды теплоснабжения или горячего водоснабжения. С виду коллекторы представляют

собой прямоугольные  устройства, площадью поверхности 2-4 м2. Обычно коллекторы устанавливают на крышах домов или на участке возле дома. Нагретая вода хранится в баке-накопителе, откуда ее можно изымать для различных нужд. Когда температура воды в коллекторе превысит температуру в баке, автоматизированная система управления включает насосы, заставляющие воду циркулировать между коллектором и баком. Чтобы иметь теплую воду и отопление в периоды неблагоприятных погодных условий и в зимнее время в систему интегрируется котел на древесном топливе, газе, электронагреватель или ее подключают к центральному отоплению. [1 с.88]