Солнечных электростанций (СЭС)

Преимущества	Недостатки
Получение на выходе тепловых коллекторов электрической энергии, удобной для передачи	Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т.д.
Возможность получения высоких температур не только для нужд энергоснабжения, но и для получения особо чистых сплавов	Возникает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями; это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветра, в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем использующих концентраторы
Использование солнечного излучения как экологически чистого и неисчерпаемого источника	Применение низкокипящих жидкостей при неизбежной их утечке может привести к значительному загрязнению поверхностных и грунтовых вод. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитраты, которые высокотоксичны
Отсутствуют газовые выбросы при работе СЭС, экономия традиционных видов топлива	Низкий коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую поднимает серьезные проблемы, связанные с охлаждением конденсата; при этом тепловой сброс в биосферу более чем вдвое превышает сброс от традиционных станций, работающих на горючих ископаемых

 

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

Фотоэлектрические установки представляют собой параллельно или последовательно соединённые полупроводниковые элементы (фотоэлементы), в которых под влиянием солнечного излучения возникает фотоэлектрический эффект.

Экологическое воздействие объектов солнечной энергетики –
(фотоэлектрические преобразователи (ФЭП))

Преимущества	Недостатки
простота в изготовлении и обслуживании	относительно высокая стоимость модульных установок
долговечность, экологическая чистота в процессе эксплуатации	низкий КПД промышленных модулей
возможность применения в городских условиях (не требует больших площадей и бесшумны)	выбросы при производстве кремниевой пыли, кадмиевых и арсенидных соединений, опасных для здоровья людей

 

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.

Сфокусировать солнечные лучи можно 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. 13.20) имеют форму:

1. цилиндрического параболоида (а);

2. параболоида вращения (б);

3. плоско-линейной линзы Френеля (в). В реальных гелиосистемах плоско-линейную линзу Френеля используют редко из-за высокой стоимости.

Водонагреватели, использующие солнечную энергию, предназначены 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

Рис. 13.20. Формы концентраторов солнечной энергии.

 

нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккуму-лятор. 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 °С. КПД установки – до 40%.

Для условий эксплуатации дома с сезонным пребыванием людей в сред­ней полосе наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения.

Рис. 13.21. Солнечный водонагреватель.

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, кроме прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облач­ности, словом, в тех условиях, какие реальны в средней полосе. Пло­ский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирую­щий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, так как достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор распола­гают 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 самым рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев и 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 и режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис. 13.22, 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 забирают из верхней зоны коллектора и вентилятором прокачивают через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и воз­вращается в комнаты подогретый.

В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показал, что сезонная экономия топлива при использовании солнечной энергии достигает 60%.

 

Рис. 13.22. Схема работы солнечного отопления дома в разную погоду.

 

 

Рис. 13.23. Схема работы энергосберегающей системы

солнечного отопления дома с рекуператорами.

Рис. 13.24. Типовая принципиальная схема теплоснабжения коттеджа

от солнечной энергии.

 

Рис. 13.25. Использование солнечного коллектора для обеспечения отопления и горячего водоснабжения здания.

 

Рис. 13.26. Использование для горячего водоснабжения солнечных

коллекторов и дублирующего источника тепловой энергии.

 

 

Рис. 13.27. Жилой дом с солнечным отоплением.

 

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ века. Крупных успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов.

Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы - солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга.

ГЕЛИОУСТАНОВКИ НА ШИРОТЕ 60°

Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария, где 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. К 2000-му году она предусматривала довести количество гелиоустановок до 3000. 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. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях (рис. 13.28), не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

 

Рис. 13.28. Размещение солнечных коллекторов на крышах жилых домов.

 

Рис. 13.29. Принцип действия гелиоустановки.

 

 

Рис. 13.30. Схема использования гелиоустановок.

Водородная энергетика

 

Водородная энергетика – это развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода, которая вновь вводится в оборот водородной энергетики.

В последние десятилетие стало очевидным фактом, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Поэтому многих ученых интересует водород, запасы которого водах Мирового океана неисчерпаемы. Неоспоримым достоинством водородного топлива являются относительная экологическая безопасность его применения, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т. д. Но главная проблема сейчас - неэкономичность его промышленного производства.

В широком смысле водородная энергетика основана на использовании в качестве топлива водорода. Водородная энергетика также включает: получение водорода из воды и другого природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений, а также транспортировку водорода к потребителю с небольшими потерями. Но водородная энергетика пока не получила широкого применения. Методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для водородной энергетики, находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований.

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода. Однако в настоящее время 90-95 % всего водорода производится методом паровой конверсии природного газа метана, при котором водяной пар при температуре 700-1000 °C смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора.

Рис. 13.31. Интегрированная энергетическая система будущего.

 

Рис. 13.32. Европейское видение проблемы водородной энергетики.

Рис. 13.33. Получение, хранение и транспортировка водорода.