Использование солнечной энергии в России
В солнечной энергетике выделяют 3 направления: солнечные водонагревательные установки, солнечные электростанции и фотоэлектрические преобразователи. Солнечные водонагревательные установки обычно представляют собой плоский солнечный коллектор, в котором нагревается вода, воздух или другой теплоноситель. Эти устройства характеризуются величиной площади нагрева. Суммарная площадь солнечных коллекторов в мире достигает 50 -60 млн м 2, что эквивалентно 5 -7 млн т у. т. в год. В России их применение незначительное. Хотя даже для условий Сибири возможен полезный эффект. В частности, в Новосибирске работа по солнечным коллекторам для индивидуального домостроения ведется в рамках программы «ЭКОДОМ» . В строящемся ЭКО поселке вблизи Академгородка уже сооружаются разного вида солнечные коллекторы, в том числе с подземными аккумуляторами тепла.
Солнечные электростанции (СЭС) используют обычный паросиловой цикл, но при этом требуется применение концентратора солнечной энергии. Так, в США действует 7 СЭС общей мощностью 354 МВт. Но для России такие устройства считаются неэффективными.
Что касается фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), то сегодня в мире наблюдается настоящий бум в этой области. В 2000 году в мире было произведено ФЭП общей мощностью 260 МВт. Больше всего в Японии - 80 МВт. А в России пренебрежимо мало - лишь 0, 5 МВт. КПД ФЭП достигают 24% для монокристаллических преобразователей, 17% - для поликристаллических и 11% - для аморфных. Основным материалом является кремний. К сожалению, фотоэлектричество сегодня является самым дорогим способом получения электроэнергии. Цена модулей ФЭП достигает 4000 долл. /к. Вт, а установок на их основе - даже до 10000. Самой дорогой является и стоимость производимой электроэнергии: 15 -40 центов/к. Втч. В области фотоэлектричества наиболее перспективными считаются следующие направления: ФЭП с концентраторами солнечной энергии; ФЭП на основе арсенида галлия - арсенида алюминия; тонкопленочные солнечные элементы.
Схема и элементы солнечного устройства: 1 - солнечный коллектор, 2 - емкость системы ГВС, 3 - насос, 4 - термометр, 5 - нагревательный элемент
Устройство плоского коллектора
Угол наклона коллектора должен составлять 30 -40˚ для того, чтобы эффективность гелиоустановки была высокой весь год. Отклонение выравнивания от юга не более чем на 45˚на восток или на запад возможно. Это незначительно сокращает поступление солнечной энергии. Если можно выбирать между юго-западным и юго-восточным расположением, следует выбрать юго-запад, т. к. при высокой температуре и рассеивании возможного утром тумана все же во второй половине дня следует ожидать более интенсивного солнечного излучения. Эта диаграмма показывает положение солнца в любое время года.
Производительность коллектора qк Вт/м 2, зависит от солнечного излучения I Вт/м 2, падающего на коллектор; от потерь, возникающих при отражении и поглощении излучения в съемном укрытии коллектора ZJ Вт/м 2, а также теплопередачи Zp Вт/м 2, зависящий от разницы температур коллектора tк ˚C, и окружающего воздуха tv ˚C. Тепловые потери за счет теплопередачи включают потери теплопроводностью, конвекцией и излучением передней стороной, а также боковыми стенками коллектора. Отражение излучения от съемного укрытия коллектора 8 -30%, отражение излучения от абсорбера 2 -10%, поглощение излучения укрытием коллектора 4 -10%. Другие потери могут возникать за счет загрязнения съемного укрытия – до 5%, затенение абсорбера укрытием (около 3%), наличие снега, наледи и росы.
Характерное изменение производительности коллектора в зависимости от разности температуры коллектора и окружающего воздуха приведено на рисунке. Кривая 1 справедлива для укрытия с одинарным простым остеклением, кривая 2 - для укрытий с двойным остеклением. Из рисунка хорошо видно, что небольшая разница температуры коллектора и окружающего воздуха позволяет достигнуть значительной эффективности и простейшем укрытии. Такое решение пригодно, например, для нагревания воды в бассейне при разнице температуры 25 -30 К. Кривая 3 справедлива для очень эффективных коллекторов. Большая эффективность достигается за счет еще большего ограничения тепловых потерь коллектора, а именно за счет того, что абсорбер и теплоноситель находятся в вакууме. В этом случае возникает проблема обеспечения прочности, поэтому такие коллекторы имеют вид трубочек. Трубчатые коллекторы действуют эффективно при высокой эксплуатационной температуре. Они значительно чувствительней, чем плоские коллекторы.
Солнечное излучение является переменным во времени источником энергии. Для восполнения его недостатка в систему солнечного устройства включают аккумулятор теплоты. Аккумулировать теплоту можно, используя твердый или жидкий теплоноситель. Выбор теплоносителя в системах аккумулирование зависит обычно от характера процесса использования солнечной энергии. При нагреве воды, естественно, для аккумуляции применяется теплая вода. Если же в коллекторах нагревается воздух, то выгодно сохранение теплоты в щебеночном аккумуляторе. Преимуществом этих способов аккумуляции является их легкая реализация, недостатком - малая аккумулирующая способность и в связи с этим большие размеры устройств. С этой точки зрения наиболее эффективна аккумуляция теплоты с использованием различных эвтектических смесей. Одной из неблагоприятных проблем при аккумуляции теплоты являются тепловые потери аккумулятора, которые можно значительно снизить, если аккумулятор разместить внутри здания.
Расчет солнечной системы ГВС для коттеджей Целью расчета солнечной системы ГВС в коттеджах является покрытие годовой нагрузки на ГВС за счет солнечной энергии на 60%, при этом летом достигается практически полное расчетное покрытие нагрузки на ГВС. Для этого емкостный водонагреватель солнечной системы должен содержать количество воды, равное ожидаемому дневному потреблению на ГВС. Размеры коллектора солнечной энергии определяются из расчета, чтобы весь объем емкостного водонагревателя за солнечный день (около 5 полных солнечных часов) нагревался до 60°С. Это позволяет обеспечить нагрузку на ГВС в следующий день с более слабой инсоляцией. С этой точки зрения определяют соотношение между объемом водонагревателя и площадью коллектора. В коттеджах среднесуточный расход воды на ГВС на человека выше, чем многоквартирном доме. Для расчета можно принимать значение расхода 30 л на человека при температуре 60°С. В качестве основного соотношения для выбора бивалентного водонагревателя можно принимать – на 100 л объема водонагревателя - 1, 5 м 2 или 1, 0 м 2 вакуумированного трубчатого коллектора. Условие: поверхность крыши может иметь отклонение от кожного направления не более 45°С, а угол наклона крыши находится в пределах от 25° до 55°. Иначе потери производительности компенсируются небольшим увеличении площади коллектора. В таблице приведено ориентировочное количество труб вакуумного коллектора, которое необходимо для обеспечения ГВС различного количества человек.
Чтобы дополнительно обеспечить поддержку отопления, количество вакуумных труб коллектора должно в среднем в 2 - 2, 5 раза превышать количество труб, требуемое для приготовления горячей воды. Излишки тепла выработанной системой после приготовления горячей воды могут быть направлены в систему отопления. Однако следует учесть, что расчет системы на покрытие затрат на отопление в зимнее время может привести к выработке излишнего количества тепловой энергии летом, которое не будет эффективно использовано. Как следствие нерационального расчета — завышенная стоимость системы и неприемлемые показатели окупаемости. На рисунке показаны потери нескольких типов домов и количество выработанной тепловой энергии различными количествами коллекторов. Расход тепла на: 1 - отопление здания с плохой теплоизоляцией, 2 - отопление здания с теплоизоляцией, 3 - обеспечение ГВС. Выработка тепла: 4 - система ГВС+отопление, 5 - система ГВС