Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую

РЕФЕРАТ ПО ПРЕДМЕТУ «ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ»

Тема: Прямое преобразование солнечной энергии  в тепловую

        Наиболее мощным источником энергии  для человечества является Солнце, которое будет светить еще  как минимум 3-4 миллиарда лет.  Годовое количество солнечной  энергии почти в 15 тысяч раз  превышает потребности населения  нашей планеты, однако только  незначительная ее часть используется  на хозяйственные нужды.

        Для преобразования солнечной  энергии в тепловую служат гелиосистемы. Самый примитивный гелиоколлектор который используется с незапамятных времен— окрашенная в  черный цвет бочка для летнего душа.

       Плоский солнечный коллектор- первый из промышленных гелиосистем. Он представляет собой хорошо изолированный короб, в котором находится светопоглощающая панель, по которой течет теплоноситель, передавая полученное тепло воде. Плоские гелиоколлекторы широко эксплуатируются, успешно выполняя задачу снабжения коттеджа горячей водой. Система автономна, к тому же недорога. В наших климатических условиях она прекрасно подходит для домов сезонного проживания, например, дач или садовых домиков.

 Благодаря  современным высокоселективным  покрытиям среднее КПД плоских  гелиоколлекторов достигает 50%, хотя у более старых моделей из-за значительных теплопотерь оно ниже — 20 – 40. Эффективность работы оборудования падает при облачной погоде, а при температуре воздуха HИЖЕ -5°С теплопотери настолько высоки, что в его функционировании нет смысла. К тому же даже в солнечные дни при восходе и заходе солнца лучи не попадают на плоскость такого гелиоколлектора, поэтому он практически бездействует.

        После того как британской  компанией Thermomax впервые был разработан вакуумный солнечный коллектор, в этой сфере был достигнут новый качественный уровень. Это открытие сделало технически возможным выпуск солнечных батарей с особо высокими эксплуатационными характеристиками. В результате того, что солнечную батарею поместили в вакуум, разработчикам удалось сделать так, чтобы собирать с ее помощью максимум энергии и чтобы при этом она не была потеряна.

        Во всех наиболее эффективных  трубчатых коллекторах используется  физический принцип тепловой  трубы, которая представляет собой  полый расширяющийся кверху медный  стержень, запаянный с обоих концов  с расширением в верхней части.  Внутри находится нетоксичный  реагент, который при нагревании  закипает и испаряясь, поднимается в верхнюю часть – наконечник, температура на котором может достигать 2500С. И там конденсируется, отдавая тепло. Конденсат стекает по стенкам вниз, и процесс повторяется.

 

       Все гелиосистемы подразделяются  на одно- и двухконтурные. В  одноконтурных системах циркулирует  именно та вода, которая затем  расходуется из бака аккумулятора. В двухконтурных теплоносителем служит какая-либо незамерзающая нетоксичная жидкость, которая, нагреваясь, поступает в теплообменник бака-аккумулятора, где передает полученную тепловую энергию воде. Теплосъем может осуществляться по-разному, например, непосредственно с наконечника через стакан, впаянный в трубу, по которому протекает солярная жидкость. В закрытом контуре это может быть незамерзающая жидкость на основе гликоля (тепло поступает в накопительный бак), в открытой системе – вода (она попадает непосредственно на бойлер). Чтобы этого не было, тепло сразу после поглощения отдается теплоносителю и не уходит в окружающую среду. В этом заключается ключевое отличие между тепловыми и плоскими солнечными коллекторами.

       Эффективность U-образных тепловых труб (самых простых, используемых в трубчатых системах) на порядок выше, чем у плоских коллекторов. Благодаря цилиндрической форме они прекрасно работают в течение дня, потому что их поверхность постоянно освещена солнцем. Это приводит к получению стабильной энергии при различных углах падения солнечных лучей. Трубки хорошо защищены от неблагоприятных природных воздействий (града, ветра и прочего), но у таких систем есть и слабые места.

       Из-за того, что в этих коллекторах  теплоноситель протекает непосредственно  через трубу, возникают сложности  при монтаже. Каждая трубка  должна подключаться к системе  по отдельности, чтобы не было  подтекания теплоносителя. Требуется и серьезное эксплуатационное обслуживание, ведь утечка или механическое повреждение даже одной трубы вызывает остановку коллектора. Вакуумная тепловая труба (Heat pipe) автономна и состоит из 2 труб, выполненных из сверхпрочного боросиликатного стекла.

Внешняя — прозрачная, а внутренняя имеет специальное селективное покрытие, которое обеспечивает максимальное поглощение тепла при минимальном отражении. Во избежание теплопотерь между трубами создан вакуум.

      Для поддержания вакуума используется бариевый газопоглотитель, который в производственных условиях подвергается воздействию высоких температур, вследствие чего нижний конец вакуумной трубы покрывается слоем чистого бария. Он поглощает СО, СО2, N2, О2, Н2О и Н2, выделяющиеся из трубы в процессе хранения и эксплуатации, и является четким визуальным индикатором состояния вакуума. Когда вакуум исчезает, бариевый слой из серебряного становится белым. Это дает возможность легко определить, исправна ли труба. Поглощение тепла происходит в медной тепловой трубке, которая находится внутри вакуумной трубы. Способ передачи тепла от нее теплопроводу очень прост.

      Медная трубка внутри полая и содержит запатентованную неорганическую нетоксичную жидкость. При нагревании эта жидкость испаряется, а поскольку в трубке создан вакуум, это происходит даже при температуре 25-30°С. Пар поднимается к наконечнику (конденсатору) тепловой трубки, где отдает тепло воде, которая течет по теплопроводу. Затем он конденсируется и стекает вниз, и процесс повторяется сначала.

      Солнечный коллектор с вакуумными трубами показывает превосходные результаты и в облачные дни, потому что трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака. Благодаря изоляционным свойствам вакуума воздействие ветра и низких температур на их работу также незначительно по сравнению с воздействием на плоский СК. Система успешно работает до -35°С

      Вакуумированные трубы круглые, поэтому количество солнечного излучения, попадающего на коллектор, остается постоянным с утра до вечера. Благодаря этому общее количество поглощаемого солнечного излучения возрастает.

 Форма  труб обеспечивает превосходную  степень поглощения, поскольку солнечные  лучи всегда падают на ее  поверхность под прямым углом,  сводя отражение к минимуму. Трубы  уложены в коллекторе параллельно,  угол их наклона зависит от  географической широты данного  места. Ориентированные с севера  на юг, в течение дня они  пассивно следуют за солнцем.  Такой коллектор практически  не требует эксплуатационного  обслуживания: производители дают  на подобную продукцию гарантию  до 25 лет. Система полностью ремонтопригодна: в случае необходимости трубу можно заменить без остановки коллектора. По необходимости трубки можно добавлять (при недостатке тепла) или частично снимать (если произошел его переизбыток), уменьшая гелиополе. Их эксплуатационное обслуживание сводится практически к нулю.

      Последними из тепловых появились SV-трубы (вакуумные трубы сверхвысокой теплопроводности). SV-трубы работают по тому же принципу, что и обычные вакуумные трубы, и обладают всеми перечисленными достоинствами. Но они имеют ряд принципиальных отличий, существенно повышающих их эффективность.

 В SV-трубах вакуумируется не колба, а все внутреннее пространство трубы. В результате теплопотери сводятся к минимуму, и оборудование может эффективно работать до -50°С. Поскольку в них используется не двойное, а одинарное стекло, толщина стенки трубы увеличена на 0,6 мм, и она может без ущерба выдерживать попадание града размером 35 мм.

      Благодаря высокоселективному абсорбирующему слою такие трубы воспринимают диффузионный свет, а это значит, что они будут работать, даже если небо затянуто тучами, — лишь немного потеряют производительность. Они готовы к работе сразу же, как только на их поверхность упадут солнечные лучи, а буквально через 3-5 минут температура на наконечнике уже поднимется до+100°С (максимально — до +300°С). Ее эффективность на 15-20% выше, чем у Heat pipe.

      Трубчатые гелиосистемы отлично справляются с задачей снабжения дома горячей водой, подогревом бассейнов и теплиц, работают в системах вентиляции, кондиционирования и даже отопления зданий.

 

 

      Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели). Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, т.е. в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры. Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

      Энергетическая программа РБ до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогревательных установок, разработанных белорусскими учеными. Основным элементов солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости.

      Подогреватели воздуха. Солнечное излучение можно использовать для подогрева воздуха, просушивания зерна, для обогрева зданий. На обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов. Специально спроектированные или перестроенные здания для использования солнечного тепла позволяют сэкономить значительные количества топлива. Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому нагреватели такого типа чаще всего изготавливают с шероховатыми (для турбулизации потока) и имеющими большую площадь приемными поверхностями (для увеличения поверхности теплообмена).

 

      Концентраторы солнечной энергии (солнечные коллекторы). Концентрирующий коллектор включает в себя приемник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой-либо другой вид энергии, и концентратор, который представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Обычно концентратор постоянно вращается для обеспечения ориентации на Солнце. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения.

 

       Солнечные системы для получения электроэнергии (солнечные электростанции). Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры до 700° С, которой достаточно для работы теплового двигателя. Например, параболический концентратор с диаметром зеркала 30 м позволяет сконцентрировать мощность излучения порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии. Для создания солнечных электростанций большой мощности (порядка 10 МВт) возможны два варианта: рассредоточенные коллекторы и системы с центральной солнечной башней.

 

Способы получения электричества и тепла  из солнечного излучения

 

1) Получение  электроэнергии с помощью фотоэлементов.

2) Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

3) «Солнечный  парус» - устройство, способное в  безвоздушном пространстве преобразовывать  солнечные лучи в кинетическую  энергию.

4) Термовоздушные электростанции - преобразуют солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

5) Солнечные  аэростатные электростанции - генерируют  водяной пар внутри баллона  аэростата за счет нагрева  солнечным излучением поверхности  аэростата, покрытой селективно-поглощающим  покрытием. Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

 

Достоинства использования солнечной энергетики

 

1) Общедоступность  и неисчерпаемость источника  (Солнца).

2) Теоретически, полная безопасность для окружающей  среды (однако в настоящее время  в производстве фотоэлементов  и в них самих используются  вредные вещества).

 

 

Недостатки  использования солнечной энергетики

 

Фундаментальные проблемы:

1) Из-за относительно  небольшой величины солнечной  постоянной для солнечной энергетики  требуется использование больших  площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью  1 ГВт это может быть несколько  десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так  велик (например, гидроэнергетика  выводит из пользования заметно большие участки земли). К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельско-хозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема  нахождения больших площадей земли  под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных  электростанций, пригодных как для  наземного, так и для морского и для высотного базирования.

2) Поток солнечной  энергии на поверхности Земли  сильно зависит от широты и  климата. В разных местах среднее  количество солнечных дней в  году может различаться очень  сильно.

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

 

1)http://www.bookbrains.com/book_37_chapter_17_Prjamoe_preobrazovanie_solnechnojj_ehnergii  .html