Общие сведения о солнечных установках

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВКАХ
1.1 Солнечные энергоустановки
1.2 Фотоэлектрические установки
1.3 Системы солнечного теплоснабжения
1.4 Концентрирующие гелиоприемники
1.5 Солнечные коллекторы
2 РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
2.1 Исходные данные
2.2 Определение характеристик коллектора
2.3 Влияние ориентации коллектора на долгосрочные характеристикиССТ
2.4 Расчет нагрузки теплоснабжения
3 Экологические последствия развития солнечной энергетики
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах [1]. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализованной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссион-ного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

В 1997 г. Казахстан приступил к разработке Национального плана действий по охране окружающей среды для устойчивого развития Республики Казахстан (НПДООС/УР), который станет основной для подготовки казахстанской повестки дня на XXI век. Главными его направлениями стали принципы, заложенные в Рио-де-Жанейро, предусматривающие неразрывность задач охраны окружающей среды и развития общества, включение экологических аспектов во все сферы и формы общественной деятельности. В казахстанском Центре НПДООС собрана большая база данных по различным экологическим проблемам.

Независимо от географического расположения Казахстана, ресурсы солнечной энергии в стране являются стабильными и приемлемыми, благодаря благоприятным сухим климатическим условиям. Количество солнечных часов составляет 2200-3000 часов в год, а энергия солнечного излучения 1,300-1,800 кВт м² в год, что делает возможным создание панели солнечных батарей в сельской местности, в частности, портативные системы фотоэлектроисточников. При таком уровне энергии перспективны солнечные нагреватели воды (СНВ), особенно в отдельных районах, не имеющих доступа к газовому трубопроводу.

Потенциальный уровень потока энергии на всей территории Казахстана составляет 1 трлн. кВт/ч. Уровень возможного использования потока энергии по условиям экологии составляет 1 трлн. кВт/ч (при КПД преобразования 100 %). Наиболее предпочтительные районы размещения гелиоэлектростанций в Казахстане – Приаралье, Кызылординская и Шымкентская области.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВКАХ

Солнечные энергоустановки

Солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии различными способами: преобразованием ее в тепловую энергию и затем в электрическую по обычной схеме ТЭС, непосредственным ее преобразованием в электрическую энергию при помощи солнечных батарей [2].

Тепловые СЭС. К настоящему времени предложено большое число типов тепловых СЭС. Наиболее известными являются тепловые башенные электростанции с различными концентраторами солнечной энергии, в которых реализуется паротурбинный цикл (солнечная энергия нагревает воду или другое рабочее тело до парообразного состояния, далее пар направляется в турбину, которая вращает электрогенератор) или применяется двигатель Стирлинга (солнечная энергия используется для нагревания рабочего тела в специальном тепловом двигателе, который приводит в движение ротор генератора).

Фотоэлектрические СЭС. Большой интерес представляют установки прямого преобразования солнечной радиации в электроэнергию с помощью ФЭП. Основным элементов ФЭП являются кристаллы или пленка полупроводникового материала, где непосредственно происходит преобразование энергии поглощенного кванта света в электроэнергию. Площадь единичного ФЭП обычно невелика, поэтому на СЭС они объединяются в модули, хотя при этом появляются дополнительные потери энергии в соединительных проводниках.

Важнейшими достоинствами фотоэлектрических СЭС являются модульность, высокая степень заводской готовности, простота обслуживания, высокая надежность, отсутствие вредных выбросов в окружающую среду в процессе эксплуатации и специальных требований к площадке (СЭС может располагаться на неудобьях). В качестве основных недостатков следует назвать сильную зависимость СЭС от погодных условий, большое отчуждение земли, генерирование постоянного тока, высокую стоимость.

В 1974 году удельная стоимость фотоэлементов составляла более 30 000 дол.кВт, в 1984 году - около 15 000 дол.кВт, к 2000 году она уменьшилась до 3500 дол.кВт.

Фотоэлектрическая СЭС в общем случае включает в себя фотоэлектрические модули, установленные на неподвижных или вращающихся решетках, концентраторы солнечного излучения (для ФЭП с концентраторами); конверторы "постоянный ток/переменный ток"; инверторы "постоянный ток/переменный ток"; повышающие трансформаторы; систему аккумулирования энергии.

Солнечные коллекторы. Строительство солнечных электростанций обходится пока дороже обычных тепловых электростанций. Поэтому сейчас более перспективен другой путь использования солнечной энергии - для отопления и нагрева.

Существуют экспериментальные дома, в которых 70 % потребности в тепле и горячей воде обеспечиваются за счет солнца. Можно строить "солнечные приставки" к котельным, что значительно экономит топливо.

Достоинством солнечной котельной является простота изготовления и малая стоимость оборудования. Приемники солнечного излучения представляют собой панели, покрытые обычным стеклом. Этот простой элемент позволяет превращать около половины солнечной энергии в тепловую энергию воды. Если учесть, что на каждый квадратный метр поверхности приходится около 300 Вт (летом значительно больше), то легко оценить практическую ценность солнечной котельной.

Как правило, в системах горячего водоснабжения предусматривается вспомогательный источник теплоты (электрический или топливный).

В принципе, система теплоснабжения может быть спроектирована таким образом, чтобы полностью удовлетворять потребность в теплоте за счет Солнца. Однако, экономически такой вариант, как правило, оказывается неоправданным, так как в летний период дорогостоящее гелиооборудование оказывается сильно недогруженным.

 

Фотоэлектрические установки

В фотоэлектрических установках осуществляется непосредственное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Достига-ется это путем реализации фотоэффекта физического явления, состоящего в возникновении ЭДС в полупроводниковом материале при попадании на него электромагнитного излучения – световых лучей и инфракрасных лучей в ближней к световым лучам области спектра. Устройства, где происходит фотоэффект, называются фотоэлектропреобразователями (ФЭП).

ФЭП изготовляется из полупроводниковых материалов, обладающих р - и n -проводимостью. Основными полупроводниковыми материалами для ФЭП является кремний и германий. В чистом виде это диэлектрики, но при добавке некоторых примесей они становятся полупроводниками р - и n - типа. В последнее время для производства ФЭП начинают использовать и другие полупроводники – арсенид галлия и антимонид галлия. ФЭП с этими полупроводниками выполняются двухслойными. В наружном, арсенидо-галлиевом, слое преобразуется в электричество видимый свет, а в антимонидно-галлиевом – инфракрасное излучение, поэтому КПД выше, чем у кремниевых и германиевых [9].

Конструкция ФЭП изготавливается в виде тонкопленочных элементов (при толщине слоя полупроводника 50 мкм) и состоит из двух пластинок: - кремния n -типа и кремния р -типа, которые закрыты с облучаемой стороны пленкой диоксида кремния. С противоположной стороны к полупроводниковым пластинам присоединены электроды. Элементы ФЭП соединяются в стандартные модули, из которых удобно монтировать солнечные батареи любой мощности и конфигурации. Солнечные батареи отличаются высокой надежностью и стабильностью, они не имеют движущихся деталей, срок их службы практически не ограничен. Их масса мала, а обслуживание отличается простотой.

Солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы (рисунок 5) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепло-воспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность;

5 – теплоизоляция; 6 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины

 

Рисунок 5. Плоский солнечный коллектор

 

На рисунке 6 представлена принципиальная схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с солнечными коллекторами, в которой предусмотрен автоматический дренаж коллекторов при прекращении воздействия солнечной радиации.

 

1 – солнечные плоские коллекторы; 2 – расширительный бак; 3 – дополнительный теплоисточник; 4 – теплообменник; 5 – отопительные приборы; 6 – циркуляционные насосы; 7 – бак-теплоаккумулятор

 

Рисунок 6. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного

отопления с плоскими коллекторами и их автоматическим дренажем

при прекращении циркуляции

 

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели).

Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения). Устройство теплоизоляции удорожает и утяжеляет конструкцию гелиоприемника.

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах.

При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50и%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м²).

1 – солнечные коллекторы; 2 – воздухосборник; 3 – низкотемпературный жидкостный теплоаккумулятор; 4 – испаритель теплового насоса; 5 – компрессор; 6 – дроссельный вентиль; 7 – высокотемпературный жидкостной теплоаккумулятор; 8 – конденсатор теплового насоса; 9 – дополнительный теплоисточник; 10 – магнитный вентиль; 11 – дат-чик температуры; 12 – отопительные приборы; 13 – циркуляционный насос.

 

Рисунок 7. Жидкостная двухконтурная комбинированная

низкотемпературная система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом и двумя жидкостными теплоаккумуляторами

 

Исходные данные

Местоположение ССТ - г. Ашхабад. Для этого города широта местности 38,0 °с.ш., расчетная температура наружного воздуха , длительность отопительного периода 119 суток.

Число жителей .

Размеры здания: длина , ширина , высота .

Тип коллектора — с двойным остеклением.

Ориентация коллектора (азимут) .

Угол наклона коллектора к горизонту - выбираем оптимальный при наибольшей нагрузки.

Эффективность промежуточного теплообменника .

Способ определения — на ЭВМ с помощью приложения Microsoft Excel.

Удельный объем бака-аккумулятора .

Удельный расход жидкости (воздуха) через коллектор .

Вид отопления помещения – водяное.

 

Таблица 1

Среднемесячное суточное поступление суммарной и диффузной солнечной радиации, на горизонтальную поверхность, коэффициент ясности атмосферы , температура наружного воздуха ,

	янв	фев	март	апр	май	июнь	июль	авг	сен	окт	нояб	дек
Н	7,42	10,58	13,63	18,34	24,16	26,83	26,59	24,97	20,57	14,71	9,03	6,48
НД	3,64	5,07	6,34	7,78	8,1	7,92	7,83	6,48	5,98	4,72	3,89	3,24
КЯ	0,45	0,50	0,49	0,53	0,61	0,65	0,66	0,68	0,68	0,64	0,51	0,44
ТВ	1,0	4,3	9,8	16,4	22,8	27,3	29,3	27,7	22,6	15,3	8,4	3,7

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВКАХ
1.1 Солнечные энергоустановки
1.2 Фотоэлектрические установки
1.3 Системы солнечного теплоснабжения
1.4 Концентрирующие гелиоприемники
1.5 Солнечные коллекторы
2 РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
2.1 Исходные данные
2.2 Определение характеристик коллектора
2.3 Влияние ориентации коллектора на долгосрочные характеристикиССТ
2.4 Расчет нагрузки теплоснабжения
3 Экологические последствия развития солнечной энергетики
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах [1]. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализованной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссион-ного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

В 1997 г. Казахстан приступил к разработке Национального плана действий по охране окружающей среды для устойчивого развития Республики Казахстан (НПДООС/УР), который станет основной для подготовки казахстанской повестки дня на XXI век. Главными его направлениями стали принципы, заложенные в Рио-де-Жанейро, предусматривающие неразрывность задач охраны окружающей среды и развития общества, включение экологических аспектов во все сферы и формы общественной деятельности. В казахстанском Центре НПДООС собрана большая база данных по различным экологическим проблемам.

Независимо от географического расположения Казахстана, ресурсы солнечной энергии в стране являются стабильными и приемлемыми, благодаря благоприятным сухим климатическим условиям. Количество солнечных часов составляет 2200-3000 часов в год, а энергия солнечного излучения 1,300-1,800 кВт м² в год, что делает возможным создание панели солнечных батарей в сельской местности, в частности, портативные системы фотоэлектроисточников. При таком уровне энергии перспективны солнечные нагреватели воды (СНВ), особенно в отдельных районах, не имеющих доступа к газовому трубопроводу.

Потенциальный уровень потока энергии на всей территории Казахстана составляет 1 трлн. кВт/ч. Уровень возможного использования потока энергии по условиям экологии составляет 1 трлн. кВт/ч (при КПД преобразования 100 %). Наиболее предпочтительные районы размещения гелиоэлектростанций в Казахстане – Приаралье, Кызылординская и Шымкентская области.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВКАХ

Солнечные энергоустановки

Солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии различными способами: преобразованием ее в тепловую энергию и затем в электрическую по обычной схеме ТЭС, непосредственным ее преобразованием в электрическую энергию при помощи солнечных батарей [2].

Тепловые СЭС. К настоящему времени предложено большое число типов тепловых СЭС. Наиболее известными являются тепловые башенные электростанции с различными концентраторами солнечной энергии, в которых реализуется паротурбинный цикл (солнечная энергия нагревает воду или другое рабочее тело до парообразного состояния, далее пар направляется в турбину, которая вращает электрогенератор) или применяется двигатель Стирлинга (солнечная энергия используется для нагревания рабочего тела в специальном тепловом двигателе, который приводит в движение ротор генератора).

Фотоэлектрические СЭС. Большой интерес представляют установки прямого преобразования солнечной радиации в электроэнергию с помощью ФЭП. Основным элементов ФЭП являются кристаллы или пленка полупроводникового материала, где непосредственно происходит преобразование энергии поглощенного кванта света в электроэнергию. Площадь единичного ФЭП обычно невелика, поэтому на СЭС они объединяются в модули, хотя при этом появляются дополнительные потери энергии в соединительных проводниках.

Важнейшими достоинствами фотоэлектрических СЭС являются модульность, высокая степень заводской готовности, простота обслуживания, высокая надежность, отсутствие вредных выбросов в окружающую среду в процессе эксплуатации и специальных требований к площадке (СЭС может располагаться на неудобьях). В качестве основных недостатков следует назвать сильную зависимость СЭС от погодных условий, большое отчуждение земли, генерирование постоянного тока, высокую стоимость.

В 1974 году удельная стоимость фотоэлементов составляла более 30 000 дол.кВт, в 1984 году - около 15 000 дол.кВт, к 2000 году она уменьшилась до 3500 дол.кВт.

Фотоэлектрическая СЭС в общем случае включает в себя фотоэлектрические модули, установленные на неподвижных или вращающихся решетках, концентраторы солнечного излучения (для ФЭП с концентраторами); конверторы "постоянный ток/переменный ток"; инверторы "постоянный ток/переменный ток"; повышающие трансформаторы; систему аккумулирования энергии.

Солнечные коллекторы. Строительство солнечных электростанций обходится пока дороже обычных тепловых электростанций. Поэтому сейчас более перспективен другой путь использования солнечной энергии - для отопления и нагрева.

Существуют экспериментальные дома, в которых 70 % потребности в тепле и горячей воде обеспечиваются за счет солнца. Можно строить "солнечные приставки" к котельным, что значительно экономит топливо.

Достоинством солнечной котельной является простота изготовления и малая стоимость оборудования. Приемники солнечного излучения представляют собой панели, покрытые обычным стеклом. Этот простой элемент позволяет превращать около половины солнечной энергии в тепловую энергию воды. Если учесть, что на каждый квадратный метр поверхности приходится около 300 Вт (летом значительно больше), то легко оценить практическую ценность солнечной котельной.

Как правило, в системах горячего водоснабжения предусматривается вспомогательный источник теплоты (электрический или топливный).

В принципе, система теплоснабжения может быть спроектирована таким образом, чтобы полностью удовлетворять потребность в теплоте за счет Солнца. Однако, экономически такой вариант, как правило, оказывается неоправданным, так как в летний период дорогостоящее гелиооборудование оказывается сильно недогруженным.

 

Фотоэлектрические установки

В фотоэлектрических установках осуществляется непосредственное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Достига-ется это путем реализации фотоэффекта физического явления, состоящего в возникновении ЭДС в полупроводниковом материале при попадании на него электромагнитного излучения – световых лучей и инфракрасных лучей в ближней к световым лучам области спектра. Устройства, где происходит фотоэффект, называются фотоэлектропреобразователями (ФЭП).

ФЭП изготовляется из полупроводниковых материалов, обладающих р - и n -проводимостью. Основными полупроводниковыми материалами для ФЭП является кремний и германий. В чистом виде это диэлектрики, но при добавке некоторых примесей они становятся полупроводниками р - и n - типа. В последнее время для производства ФЭП начинают использовать и другие полупроводники – арсенид галлия и антимонид галлия. ФЭП с этими полупроводниками выполняются двухслойными. В наружном, арсенидо-галлиевом, слое преобразуется в электричество видимый свет, а в антимонидно-галлиевом – инфракрасное излучение, поэтому КПД выше, чем у кремниевых и германиевых [9].

Конструкция ФЭП изготавливается в виде тонкопленочных элементов (при толщине слоя полупроводника 50 мкм) и состоит из двух пластинок: - кремния n -типа и кремния р -типа, которые закрыты с облучаемой стороны пленкой диоксида кремния. С противоположной стороны к полупроводниковым пластинам присоединены электроды. Элементы ФЭП соединяются в стандартные модули, из которых удобно монтировать солнечные батареи любой мощности и конфигурации. Солнечные батареи отличаются высокой надежностью и стабильностью, они не имеют движущихся деталей, срок их службы практически не ограничен. Их масса мала, а обслуживание отличается простотой.