Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

биологических процессах. Солнечные установки находят примене-

ние в системах отопления и охлаждения жилых и общественных

зданий, в технологических процессах, протекающих при низких,

средних и высоких температурах. Они используются для получения

горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды,

для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т. п.

Благодаря солнечной энергии осуществляются процесс фотосинтеза

и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью

20 млн км

(площадь Сахары 7 млн км

) за год поступает около

1,8 • 10

Дж (около 18 0 солнечной энергии.

Отопление и горячее водоснабжение

В районах с продолжительностью солнечного сияния более

1800 ч в год целесообразно использовать солнечную энергию для

теплоснабжения зданий. Солнечные водонагревательные установки

получили довольно широкое распространение благодаря простоте

их конструкции, надежности, быстрой окупаемости.

Около 25 % используемой энергии идет на отопление и горячее

водоснабжение зданий. Непосредственно солнечная энергия идеаль-

но подходит для отопления и горячего водоснабжения зданий. В

обоих случаях требуется сравнительно невысокая температура:

20—22 °С для воздуха в помещениях и 50—90 °С для воды. Такое

нагревание обычно осуществляют, сжигая газ или мазут при темпе-

ратуре свыше 1 000 °С.

При использовании солнечной энергии в этих целях в качестве

основных элементов применяются коллекторы, в которых лучи, по»

падая на черную поверхность, легко поглощаются и нагревают ее

как раз до нужного температурного диапазона. Различают два типа

солнечных коллекторов— плоские и фокусирующие. В плоских

энергия поглощается без концентрации, в фокусирующих — с уве-

личением плотности поступающего потока радиации. Наиболее рас-

пространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелио-

100

установках является плоский коллектор солнечной энергии

(рис.

7.1).

Существует множество

разновидностей плоских кол-

лекторов, но у них всегда есть

черная поверхность, а над ней

«окно» из стекла или про-

зрачной пластмассы. Эта по-

верхность поглощает свето-

вую энергию и превращает ее

в тепловую, а «окно» не по-

зволяет теплу рассеиваться в

пространство, т е. происходит

то же самое, что в оранжерее

или парнике (парниковый эф-

фект).

Чтобы нагреть воздух,

его пропускают между черной

поверхностью и окном, а воду — по трубам внутри самой поверхно-

сти.

Максимальная температура, до которой можно нагреть тепло-

носитель в плоском коллекторе, не превышает 100 °С. К числу

принципиальных преимуществ плоского коллектора относятся его

способность улавливать как прямую, так и рассеянную солнечную

энергию, и, как следствие этого, — возможность его стационарной

установки без необходимости слежения за Солнцем. Абсорбер плос-

кого коллектора солнечной энергии, как правило, изготавливается

из металла с высокой теплопроводностью, а именно из стали, алю-

миния и даже из меди.

По принципу работы солнечные водонагревательные установки

можно разделить на два типа: установки с естественной и принуди-

тельной циркуляцией теплоносителя. В последние годы увеличива-

ется производство пассивных водонагревателей, которые работают

без насоса, а следовательно, не потребляют электроэнергию. Они

Рис.

7.1.

Плоский коллектор

101

проще в конструкции, надежнее в эксплуатации, почти не требуюЦ

ухода, а по эффективности практически не уступают солнечным во*

донагревательным установкам с принудительной циркуляцией.

COJU

нечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией

теплоносителя являются саморегулирующимися системами, и рас-

ход жидкости в них полностью определяется интенсивностью по*

ступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и

гидравлическими характеристиками солнечного коллектора, бака*

аккумулятора и соединительных трубопроводов.

Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целе-

сообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объ-

ектов. В них солнечный коллектор представляет собой большой

массив модулей коллекторов. Эти установки имеют большую произ-

водительность, но, как правило, довольно сложны.

Для отопления зданий используются следующие типы пассив-

ных гелиосистем:

С прямым улавливанием солнечного излучения, поступаю-

щего через окна здания или через примыкающую к южной стене

здания солнечную теплицу (зимний сад, оранжерею).

С непрямым улавливанием солнечного излучения, то есть с

теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением юж-

ного фасада.

С контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным

аккумулятором теплоты.

Кроме того, могут использоваться гибкие системы, включаю-

щие пассивный и активный элементы.

Пассивные системы составляют интегральную часть самого

здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобы

обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энер-,

гии для отопления. Наряду с окнами и остекленными поверхностями

южного фасада для улавливания солнечного излучения также ис-

пользуются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в

102

верхней части здания, которые повышают уровень комфорта чело-

века, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо.

Одно из важнейших условий эффективности работы пассивной ге-

лиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и

ориентации здания на основе критерия максимального поступления

и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы.

Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно

осуществляться при соблюдении следующих условий:

1) оптимальная ориентация дома— вдоль оси восток—запад

или

с отклонением до 30° от этой оси;

2) концентрация 50—70 % окон на южной стороне, на

северной — не более 10 %, причем южные окна должны иметь двух-

слойное остекление, а северные — трехслойное;

3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и

низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;

4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать распо-

ложение жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных по-

мещений — с северной;

5) должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулирующая

способность внутренних стен и пола для поглощения и аккумулиро-

вания теплоты солнечной энергии.

Существенным недостатком пассивной системы являются

большие суточные колебания температуры воздуха внутри помеще-

ний. Пассивные системы имеют такой же срок службы, как и само

здание.

Обе системы в случае суровой зимы могут не обеспечить доста-

точного нагрева, и придется прибегать к дополнительным источни-

кам отопления. Однако даже если солнечный свет даст всего 20 %

необходимого тепла, это на столько же снизит потребность в тради-

ционных видах топлива. Наконец, в доме с пассивной солнечной

нагревательной системой небольшая печь часто служит надежной

защитой от зимнего холода.

103

Потребность в резервной системе отопления можно снизить и

за счет повышения теплоаккумулирующей способности. Сохранение

тепла должно обеспечиваться прежде всего особенностями конст-

рукции самого здания. При хорошей теплоизоляции само помеще-

ние становится тепловым аккумулятором. Как это ни удивительно,

чтобы эффективно использовать солнечную энергию, необходимо

вывернуть дом наизнанку, расположив теплоизоляцию снаружи, а

кладку изнутри.

Хорошо спроектированный дом с пассивной солнечной отопи-

тельной системой позволяет экономить до 75 % расходов на энер-

гию при дополнительных строительных затратах, составляющих

всего 5—10 % почти в любых климатических условиях. Уже суще-

ствующие дома в большинстве случаев также можно оборудовать

пассивным солнечным отоплением.

В среднем домашнем хозяйстве на нагревание воды расходует-

ся от трети до половины всей потребляемой энергии. Солнечные

системы здесь могут быть экономически даже рентабельнее отопи-

тельных, поскольку те нужны только зимой, а потребности в горя-

чей воде и ее экономии существуют круглый год. В районах с теп-

лым климатом достаточно использовать пассивные солнечные во-

донагревательные установки, а там, где зима холодная, предпочти-

тельнее системы с циркулирующим антифризом. Если солнечного

коллектора не хватает для достижения нужной температуры воды,

всегда можно предусмотреть резервную систему подогрева с тради-

ционным топливом.

Сейчас в мире эксплуатируется более 5 млн солнечных водона-

гревательных установок, используемых в системах отопления зда-

ний.

По использованию солнечной энергии на душу населения на

первом месте в мире стоит Кипр, где 90 % коттеджей и большое

число отелей и многоквартирных домов располагают солнечными

104

водонагревателями. В Израиле солнечная энергия обеспечивает

65 % горячего водоснабжения жилищ.

Преобразование солнечной энергии в электрическую

Чтобы преобразовать солнечное излучение в электроэнергию,

применяют либо фотоэлектрические преобразователи, либо нагре-

вание воды до кипения с получением пара, приводящего в действие

турбогенераторы.

Башенные и модульные электростанции

В настоящее время строятся солнечные электростанции (СЭС) в

основном двух типов: башенного и распределенного (модульного).

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была вы-

сказана более 350 лет назад, однако строительство таких станций

началось только в 1965 г., а в 1980-х годах был построен ряд мощ-

ных СЭС в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем

гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации солнечной

энергии в несколько тысяч раз. Система слежения за Солнцем слож-

на, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление сис-

темой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в

тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температу-

рой до 550 °С, воздух или другие газы — до 1

ООО

°С, низкокипящие

органические жидкости (в том числе фреоны) — до 100 °С.

Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая

стоимость и большая площадь. Так, для размещения СЭС мощно-

стью 100 МВт требуется площадь 200 га, а для АЭС мощностью

1 000 МВт— всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт

нерентабельны, их оптимальная мощность — 100 МВт, а высота

башни — 250 м.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в экс-

плуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 мощно-

стью 5 МВт. 1 600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м

105

каждый, с коэффициентом отражения 0,71, концентрируют солнеч-

ную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра,

установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенерато-

ром.

Установка, представленная на рис. 7.2, была введена в эксплуа-

тацию в 1983 г. на юге Калифорнии. К 1994 г в мире построено еще

17 аналогичных энергобашен: 9 — в Калифорнии, остальные — в

Израиле, Франции, Испании, Японии, Италии и СССР. По своей

рентабельности они могут конкурировать с АЭС, а кроме того, не

загрязняют окружающую среду.

Рис.

7.2. Энергобашня

В СЭС распределительного (модульного) типа используется

большое число модулей, каждый из которых включает параболо-

цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник,

расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагре-

ва рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который

соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа по-

строена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

106

При небольшой мощности СЭС модульного типа более эконо-

мичны чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используют-

ся линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной

степенью концентрации около 100.

Солнечные пруды

СЭС на базе солнечных прудов (рис. 7.3) значительно дешевле

СЭС других типов, так как не требуют зеркальных отражателей со

сложной системой ориентации. Однако их можно сооружать только

в районах с жарким климатом.

Рис.

7.3. Солнечный пруд

В солнечном пруду происходит одновременное улавливание и

накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Об-

наружено, что в некоторых естественных соленых озерах темпера-

тура воды у дна может достигать 70 °С. Это обусловлено высокой

концентрацией соли. (В обычном водоеме поглощаемая солнечная

энергия нагревает в основном поверхностный слой, и эта теплота

довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной

ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружаю-

107

щим воздухом.) Описанный эффект достигается благодаря тому, что

по глубине солнечного пруда поддерживается градиент поваренной

соли, направленный сверху вниз, то есть весь объем жидкости как

бы разделен на три зоны, концентрация соли по глубине постепенно

увеличивается и достигает максимального значения на нижнем

уровне. Толщина этого нижнего слоя составляет 2/3 глубины водо-

ема. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости,

поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает приле-

гающие слои жидкости, в результате чего температура ее может

достигать 90—100°С, в то время как температура поверхностного

слоя остается на уровне 20 °С. Благодаря высокой теплоемкости во-

ды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое коли-

чество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение тем-

пературы в нижнем слое в холодный период года происходит мед-

ленно, так что пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теп-

лота к потребителю отводится из нижней зоны пруда — либо

посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо

путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором

циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушает-

ся температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ

теплотехнически более эффективен и экономичен.

Обычно глубина пруда составляет 1—3 м. На 1 м

площади

пруда требуется 500—1 ООО кг поваренной соли, ее можно заменить

хлоридом магния.

Наиболее крупный из существующих солнечных прудов, пло-

щадью 250 000 м

, находится в Израиле (в Бейт-Ха-Арава). Пруд

используется для производства электроэнергии: мощность энергети-

ческой установки, работающей по циклу Ренкина, равна 5 МВт. Се-

бестоимость электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других

типов.

108

Фотоэлектрические преобразователи

Наиболее многообещающая из всех разработанных технологий

производства электричества за счет энергии Солнца — использова-

ние фотоэлектрических преобразователей, или солнечных батарей.

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в по-

стоянный электрический ток посредством солнечных батарей —

устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полу-

проводниковых материалов (рис. 7.4). Преимущество фотоэлектри-

ческих преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвиж-

ных частей, их высокой надежностью и стабильностью. Срок служ-

бы ФЭП практически не ограничен. Они имеют малую массу, отли-

чаются простотой обслуживания, эффективным использованием как

прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип кон-

струкций позволяет создавать установки практически любой мощ-

ности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП явля-

ются высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практи-

чески 10—12%).

Рис.

7.4. Фотопреобразователь

109