Солнечная электростанция

   Рис.3. Однолопастной карусельный двигатель 
 

    2.ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА.

   Проблема  утилизации экологически чистой и притом «дармовой солнечной энергии волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в этом направлении позволили начать формировать реальный, развивающийся рынок солнечной энергетики. К настоящему времени основными способами прямой утилизации солнечной энергии являются преобразование ее в электрическую и тепловую. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, называются фотоэлектрическими или фотовольтаическими, а приборы, преобразующие солнечную энергию в тепловую, - термическими. В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы, сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Отличительной особенностью гибридных систем является возможность их функционирования в  автономном режиме, без подключения к централизованным энергосистемам. В литературе все три типа приборов называются гелиосистемами. Сейчас, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.

   2.1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

   Существует  два основных направления в развитии солнечной энергетики: решение глобального  вопроса снабжения энергией и  создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы; высокотемпературные и низкотемпературные.

     В преобразователях первого типа  солнечные лучи концентрируются  на небольшом участке, температура  которого поднимется до 3000°С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для плавки металлов (см. рис. 4.) 

   Рис.4.Высокотемпературный гелиостат

   Самая многочисленная часть солнечных  преобразователей работает при гораздо  меньших температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу. Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

   Солнечные установки практически не требуют  эксплуатационных расходов, не нуждаются  в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание  в чистоте. Работать они могут  бесконечно.

     2.2.КОНЦЕНТРАТОРЫ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

     С детства многие помнят, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении.

     Сфокусировать солнечные лучи  можно и с помощью вогнутого  зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

     Наиболее эффективно их можно  использовать в южных широтах,  но и в средней полосе они  находят применение. Зеркала в  установках используются либо  традиционные – стеклянные, либо  из полированного алюминия. Наиболее  эффективные концентраторы солнечного излучения (рис. 6) имеют форму:

   1.цилиндрического  параболоида (а);

   2.параболоида  вращения (б);

   3.плоско-линейной  линзы Френеля (в).

   Рис. 5. Формы концентраторов солнечной энергии 

     Фирма Loose Industries на солнечно-газовой  электростанции в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем – дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 м³ воды в час.

   В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко  из-за ее высокой стоимости.

   Рис.6. Солнечный водонагреватель

     Водонагреватель. Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

   Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°. КПД установки – 40%.

     Тепловые концентраторы. Каждый, кто хоть раз бывал в теплицах, знает, как резко отличаются условия внутри нее от окружающих: Температура в ней выше. Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.

   Это – деревянные, металлические, или  пластиковые короба, с одной стороны  закрытые одинарным или двойным  стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.  

    2.3.ЖИЛОЙ ДОМ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ

     Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте 55°, поступающей в сутки на 20 м²  горизонтальной поверхности, составляет 50-60 кВт/ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м² .

     Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны:

    - нет опасности, что система  замерзнет; 

    -нет необходимости в трубах  и кранах;

    - простота и дешевизна. 

     Недостаток – невысокая теплоемкость  воздуха. 

     Конструктивно коллектор представляет  собой ряд застекленных вертикальных  коробов, внутренняя поверхность которых зачернена матовой краской, не дающей запаха при нагреве. Ширина короба около 60 см. В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

     Плоский коллектор, помимо прямой  солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально имеем в средней полосе. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30° на восток или на запад).

     Неравномерность солнечной радиации  в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

     Для дома, площадью 60 м²  , объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м³ . Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах

   (рис.  7. а-г):

     – отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

     – отопление от аккумулятора (б);

     – аккумулирование тепловой энергии  (в);

     – отопление от коллектора (г).

     В холодные солнечные дни нагретый  в коллекторе воздух поднимается  и через отверстия у потолка  поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

     В средней полосе гелиосистема  лишь частично обеспечивает потребности  отопления. Опыт эксплуатации  показывает, что сезонная экономия  топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

   Рис. 7. Солнечный дом 
 
 

    2.4.ГЕЛИОСИСТЕМЫ НА ШИРОТЕ 60°

     Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование “Солар-91” и осуществляемая под лозунгом “За энергонезависимую Швейцарию!”, вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

     Программа “Солар-91” осуществляется  практически без поддержки государственного  бюджета, в основном, за счет  добровольных усилий и средств  отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов.  Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

     Крупные фирмы монтируют на  крышах производственных корпусов  гелиостанции мощностью до 300 кВт.  Одна такая станция может покрыть  потребности предприятия в энергии  на 50-70%.

     В районах альпийского высокогорья,  где нерентабельно прокладывать  линии электропередач, строятся  автономные гелиоустановки с  аккумуляторами.

     Опыт эксплуатации свидетельствует,  что Солнце уже в состоянии  обеспечить энергопотребности, по  меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.