Солнечная энергетика

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу 1,2* 1014 т. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия, остальные элементы составляют около 1%. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15-20 млн. градусов. На Солнце имеется в незначительном количестве кислород и поэтому процессы горения, понимаемые в обычном смысле, не протекают сколько-нибудь заметно. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов водорода и гелия.

Одна из проблем использования солнечной энергии заключается в том, что наибольшее количество ее поступает летом, а наибольшее потребление энергии происходит зимой.

Солнечная энергетика - отрасль науки и техники, разрабатывающая основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Солнечное излучение (СИ) - это процесс переноса энергии при распространении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны - это поток элементарных частиц и фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м2 в 1 с проходит 3 * 1021 фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм).

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн. км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 500-106 км2. Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам составляет (7,5—10)* 107 кВт ч/год, или (0,85-1,2)-1014 кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и климатических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом, размещения приемника СИ на Земле и по отношению Солнца и т.д.

Поток солнечного излучения на Землю меняется, достигая максимума в 2200 кВт-ч/м2 в год для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 кВт-ч/м2 в год. При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

В мире сегодня солнечная энергетика весьма интенсивно развивается и занимает заметное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран, например, в Германии. В этой стране, как в ряде других развитых и развивающихся стран, принят ряд законов на государственном уровне, которые дают существенную поддержку развитию нетрадиционных возобновляемых источников энергии и, в частности, солнечной энергетике.

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

  • - по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии - теплоту или электричество;
  • - по концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов;
  • - по технической сложности - простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т. п.) и сложные.

Последние можно разделить на два подвида. Первый базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные СЭС, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами.

Второй подвид базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Солнечные коллекторы (СК) - это технические устройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Системы теплоснабжения обычно принято разделять на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы теплоснабжения, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы здания или сооружения и не требуют дополнительного специального оборудования.

В настоящее время в мире все большее распространение получают активные системы теплоснабжения со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения энергии СИ, которые по сравнению с пассивными позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обеспечить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабжения в целом.

Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам:

  • 1) по назначению - для горячего водоснабжения, отопления;
  • 2) по виду теплоносителя - жидкостные и воздушные;
  • 3) по продолжительности работы - сезонные и круглогодичные;
  • 4) по техническому решению - одно-, двух- и многоконтурные.

Сегодня наиболее распространены плоские водонагреватели или СК, позволяющие использовать как прямую, так и диффузную составляющие СИ, которая весьма значительна в условиях России.

Такой СК представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны к СИ и боков ящик, внутри которого расположены теплопоглощающие каналы, по которым движется теплоноситель. Сверху СК закрыт светопроникающим материалом. Циркуляция теплоносителя в таком подогревателе (чаще всего воды) может осуществляться принудительно с помощью небольшого насоса или естественным путем за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и горячей воды (см. рис. 6.3, а).

Обычный солнечный водоподогреватель для нагрева воды до 50-60°С, в котором облучаемая поверхность ориентирована на юг под углом 25-35° к горизонту, имеет дневную производительность в среднем 70-80 л воды с 1 м2 поверхности нагревателя.

В ряде стран мира солнечные коллекторы систем теплоснабжения стали обычным атрибутом жизни. Технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны. Например, в США более 60% находящихся в среднем на широте Крыма частных и общественных бассейнов обогреваются за счет СИ. При этом используются простейшие и дешевые системы - бесстекольные, без тепловой изоляции, пластиковые.

Солнечные фотоэлектрические установки в настоящее время находят все более широкое распространение и применение как источники энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС.

Солнечный водонагреватель

Рис. 6.3. Солнечный водонагреватель: а - схема установки; б - секция солнечного водонагревателя; в - параболический концентратор СИ

Конструктивно СФЭУ, работа которой состоит в преобразовании энергии СИ в электрическую энергию, обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей. Электрический ток в фотоэлектрическом генераторе возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементе при попадании на него СИ. Наиболее эффективны фотоэлектрические генераторы, основанные на возбуждении ЭДС (электродвижущей силы) на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремний) или между разнородными проводниками.

За последние десятилетия фотоэнергетика сделала очень большие шаги в решении двух основных проблем: повышении КПД СФЭУ и снижении стоимости их производства.

Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе кремния трех видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими КПД:

  • 1) монокристаллический - 15-16% (до 24% на опытных образцах);
  • 2) поликристаллический - 12-13% (до 16% на опытных образцах);
  • 3) аморфный - 8-10% (до 14% на опытных образцах).

Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Сегодня уже исследуются двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения.

Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получено КПД 30%, а трехслойного 35-40%.

Наконец, в последние годы появился весьма перспективный конкурент для кремния в СФЭУ - арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД доЗО % при гораздо более слабой зависимости его КПД от температуры, поскольку во время работы СФЭУ поверхности их сильно нагреваются, что приводит к снижению их энергетических показателей. Для охлаждения таких установок необходимо использовать охлаждающую воду.

В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США.

По экспертным оценкам, вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире в 2005 г. составила 200 МВт, а в 2010 г. составит 700 МВт при среднегодовом приросте около 25%.

Сегодня в России имеется достаточная научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство, которое способно создавать любые современные СФЭУ.

  • 1. Опишите назначение ВЭУ и принцип ее работы.
  • 2. Как определяется энергия и мощность воздушного потока?
  • 3. Укажите три характерные рабочие скорости ветра ВЭУ.
  • 4. Как определяется мощность ВЭУ?
  • 5. На чем базируется солнечная энергетика?
  • 6. Опишите принцип работы солнечной фотоэлектрической установки.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >