Солнечная энергетика

Для достижения более  высоких температур теплоносителя  поверхность панели покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое  излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Слои создаются на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди.

Другим способом улучшения  характеристик плоских  коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (вакуумные солнечные коллекторы четвертого поколения).

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор

В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды ва куумированным пространством, что позво ляет практически полностью устранять по тери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подав ляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120 — 160°С .

Существует несколько  типов вакуумных солнечных водонагревателей-коллекторов.

1. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор низкого давления (открытый контур) с термосифонной системой.

Термосифонные системы  работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится  вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Тем временем, более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом начинается циркуляция во всей системе. В маленьких системах, бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы.

2. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор магистрального давления, термосифон со встроенным теплообменником.

Термосифон со встроенным теплообменником обеспечивает возможность  работы при магистральном давлении. Нагревается теплоноситель через  теплообменник из спиральной медной трубы, расположенный внутри теплоаккумулятора. Принцип работы этого типа солнечного водонагревателя такой же как и у обычного термосифона низкого давления. Но вместо того, чтобы использовать воду непосредственно в теплоаккумуляторе, коллектор магистрального давления использует медный спиральный теплообменник в баке. Преимущество в том, что систему можно использовать при низком качестве воды, потому что практически отсутствует коррозия и образование накипи внутри вакуумных трубок и теплоаккумулятора. Для районов с низкими температурами теплоаккумулятор заполняют антифризом.

1. Кран для заполнения и слива бака 2 . Вход коллектора 3. Теплоноситель бака 4. медный спиральный теплообменник 5. Атмосферный канал 6. Выход коллектора 7. Выход горячей воды 8. Теплоноситель теплоаккумулятора 9 . Вход холодной воды

3. Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор с выносным баком (СВНУ активного типа, закрытый контур).

Наиболее эффективные  и распространенные солнечные водонагреватели. Легко встраивается в существующие системы отопления или горячего водоснабжения. Подходят для всех типов климата и рекомендуются для районов с низкими температурами (до -50°С) и низкими значениями солнечной радиации. Оснащенный контроллером, коллектор автоматически поддерживает самые оптимальные параметры циркуляции, имеет режим антизамерзания, обеспечивает заданную температуру. При не достаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительный электронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе.

1. Коллектор из Норвегии.

В Норвегии разработан новый  солнечный коллектор из строительных пластмасс, в основе которого лежит  принцип объединения занимаемой солнечной поверхности системы  с внутренней системой горячей воды. Большое число установленных  систем как в односемейных домах, так и в больших зданиях доказало осуществимость и экономическую благоприятность концепции.

Система включает в себя солнечную крышу/фасад, тепловой резервуар  без давления и этажную систему  нагрева, действующую при минимальной  температуре, установленные все вместе без теплообменников. Настоящая солнечная система является системой обратной утечки. Единственный контроллер регулирует внутреннюю температуру, управляет солнечным насосом и обслуживает вспомогательный источник тепла.

Коллектор состоит из модульного строительного элемента для крыш и фасадов, базируемого на ширине 60 см, и различных стандартных длинах от 175 см до 520 см. Алюминиевые контуры, обрамляющие модули, обеспечивают легкость монтажа. Двойной трубопровод, размещенный внизу области коллектора, позволяет быструю, легкую сборку. Коллектор доступен также в версии для горизонтального водного потока. Коллектор был разработан в сотрудничестве между SolarNor AS и General Electric Plastics. Специальный пластический материал, NORYL(r) PX507, обеспеченный General Electric Plastics в качестве части совместного проекта EUREKA, предлагает необходимую долговечность в отношении высокой температуры и влажных условий. Канальная структура двустенного листа заполнена керамическими гранулами. Гранулы вызывают капиллярный эффект, когда вода следует через канал, приводя к удалению воздуха, который присутствует в коллекторе во время бездействия солнечной системы, и обеспечивая желаемую передачу тепла. Операционное давление - ниже атмосферного, что является особенностью, весьма важной с экономической точки зрения. Количество высококачественных, дорогих пластмасс может быть существенно снижено (поскольку механическое напряжение минимизировано), приводя к общей стоимости коллектора порядка 650 норвежских крон за квадратный метр. Коллектор заменяет другие строительные материалы аналогичной стоимости. Эскиз коллектора (см. рисунок) показывает различные элементы коллекторного модуля. Верхний слой образует двустенный поликарбонатный лист (LEXAN(r) Thermoclear) толщиной 6 мм, который может заменяться укрепленным стеклом. Между внешним листом и поглотителем есть воздушный промежуток толщиной 12 мм. Листы свободны расширяться в алюминиевой раме с каждой стороны. Коллектор размещается на кровати из минерального волокна и прикрепляется винтами к деревянным полосам. Вся область коллектора обрамляется штампованными алюминиевыми контурами, снабженными специальными резиновыми креплениями. Зазоры между модулями коллектора также закрываются резиновыми полосами. Эффективность солнечного коллектора изучалась различными исследовательскими институтами во время разработки концепции. Основное ограничение в проекте коллектора связано с необходимостью избегать температур в состоянии бездействия при максимальной лучевой интенсивности, превышающей 147°С, из-за свойств пластмасс. В дополнение к коллектору система SolarNor включает также тепловой резервуар, этажную систему нагрева и контроллер. Контроллер является центральным звеном в проекте системы.

Эта концепция, объединяющая солнечное пространство с нагревом домашней горячей воды, превосходно исполнена в большом количестве установок в односемейных домах и в больших зданиях. Благодаря интеграции системы в здание, а также множеству упрощений по сравнению с обычными нагревательными системами стоимость значительно понижается, делая использование солнечной энергии конкурентоспособным. В типичном применении полная стоимость системы, включая монтаж, будет варьироваться в диапазоне от 1000 до 1500 норвежских крон за квадратный метр.

3.3.2.  Солнечный коллектор “Альтэн-1”

Солнечный коллектор АЛЬТЭН-1 служит для нагрева воды за счет солнечной энергии и используется в     системах    горячего  водоснабжения и отопления домов, не имеющих централизованного энергоснабжения. В течение одного солнечного дня коллектор может нагреть около 150 литров воды до температуры 60-70°C. Абсорбер коллектора, поглощающий солнечную радиацию, выполнен из алюминиевых профилей с пазами, в которые вставляются и запрессовываются тонкостенные латунные трубки для протекания теплоносителя. Лицевая сторона алюминиевых профилей имеет высокоэффективное селективное покрытие, а вокруг абсорбера расположена оболочка из двухслойного ячеистого поликарбоната.

Параметры коллектора:

• размеры наружной прозрачной оболочки - 2,171м х 1,180м
• материал наружной прозрачной оболочки - двухслойный ячеистый 8мм поликарбонат "Полигаль"
• размеры поверхности абсорбера - 1.987м x 1.117м
• селективное покрытие абсорбера:

     коэффициент  поглощения = 0,94

                коэффициент излучения = 0,05

• внутренний диаметр латунных трубок до запрессовки - 11мм
• задняя тепловая изоляция - стекловолокно и двухслойный ячеистый 8мм поликарбонат "Полигаль"
• температура стагнации = 183 °C
• вес сухого коллектора - 33,5 кг

3.4.    Химические преобразователи солнечной энергии

 

Современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в которых запасена солнечная энергия (СЭ). Прежде всего  это ископаемые виды топлива, для  образования которых требуются  миллионы лет. В своей деятельности человечество с постоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине гигантский запас. Истощение месторождений нефти, угля и природного газа неизбежно, и, по различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы переключиться на альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую, ветровую, вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также  представляют поиски химических способов аккумулирования СЭ.

Диапазон использования  солнечного излучения чрезвычайно  широк. Энергией Солнца питаются высоко температурные установки, концентрирующие поток лучей с помощью зеркал. В качестве аккумуляторов энергии в них используются как физические теплоносители, так и некоторые неорганические вещества, способные к циклическим реакциям термического разложения- синтеза (оксиды, гидраты, сульфаты, карбонаты). Устройства другого типа преобразуют энергию излучения в электрическую, тепловую или энергию химических реакций посредством фотофизических или фотохимических процессов. Среди фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми являются следующие:

·Фотокаталитическое разложение воды под действием металлокомплексных соединений;

Создание «солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных  переносах или фотогальваническом эффекте;

Фотосинтез - наиболее эффективный  биохимический способ преобразования энергии Солнца.

Наряду с ними значительный интерес представляют химические системы, способные аккумулировать СЭ в виде энергии напряжения химических связей. Такие системы удовлетворять  требованиям , которые относятся  как к фотохромному реагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса.

 

А ↔ В + ΔН.

 

Основные требования сводятся следующему:

Реагент А должен поглощать  свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм), так как более 50% СЕ, достигающей  Земли, распределено в области 300-700 нм. Фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы избежать фотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь энергии оба компонента должны быть нелюминесцирующими;

Обратная реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);

Для длительного сохранения запасённой фотопродуктом В энергии  активационный барьер термического перехода В→А должен быть достаточно большим – порядка 100 кДж/моль;

Прямая фотохимическая реакция должна характеризоваться  высоким квантовым выходом, обратная подвержена каталитическому ускорению или тепловому инициированию;

Прямой и обратный процессы должны характеризоваться  высокими степенями превращения  и отсутствием побочных продуктов;

Вещества А и В  должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными и химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху.

Среди органических систем, удовлетворяющих указанным выше условиям, наиболее важными являются следующие:

Валентная изомеризация нитрон – оксазиридин;

Геометрическая (Е)↔(Z) изомеризация производных индиго;

Геометрическая изомеризация N – ацилированных аминов и нитрилов с последующей внутримолекулярной перегруппировкой;

Термически обратимая  реакция фотодимеризации производных  антрацена.

Циклические реакции фотораспада – термической рекомбинации свойственны и некоторым неорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:

 

NOCl → NO + 1/2Cl

 

Основное преимущество органических систем перед неорганическими  связано с возможностью широкого варьирования строения молекул с целью улучшения их спектральных характеристик как аккумуляторов и преобразователей СЭ.  

Система норборнадиен – квадрициклан.

Исследования, проводимые в последние годы, указывают на перспективность использования  систем, для которых характерна фотоинициируемая валентная изомеризация по типу (2π+2π) – циклоприсоединения. В этих реакциях две π – связи преобразуются в две σ – связи с образованием циклобутанового производного.

Как правило, в подобных системах термодинамическое равновесие полностью смещено в сторону реагента.

Рассмотрим более детально один из наиболее перспективных объектов для такого рода превращений –  норборнадиен  (бицикло   гепта – 2,5 – диен) и его производные. Соединения норборнадиенового ряда могут быть достаточно легко синтезированы по реакции дневного синтеза. Реагентами для получения норборнадиен производных являются крупнотоннажные продукты органического синтеза – циклопентадиен и ацетилен.

Норборнадиен – интересная и во многом уникальная молекула. Это  редкий пример 1,4 – диеновых углеводородов, в которых такое расположение двойных связей является наиболее термодинамически устойчивым.

Использование сенсиблизаторов.

Фотопревращение незамещённого  норборнадиена в квадрициклан характеризуется  низким квантовым выходом, который, однако, может быть значительно повышен при использовании сенсибилизаторов. Наилучшие результаты получены при использовании солей меди или фенилкетонов. Однако и в этих системах имеются недостатки: во-первых, они “работают” только в УФ – области спектра; во-вторых, комплексы Cu окисляются до соединений Cu(||), не проявляющих фотоактивности, а кетоны химически взаимодействуют с норборнадиеном при облучении, образуя продукты фотоприсоединения. Эти причины затрудняют практическое использование такого рода сенсибилизаторов.