Р. Байтасов - Основы энергосбережения. Конспект лекций

– использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;

– использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

В настоящее время финансируется создание отечественной установки на фотоэлементах. Одна солнечная электростанция установлена в Беловежской пуще и отапливает два дома, ещё несколько установлено в Чернобыльской зоне. Солнечные коллекторы, вырабатывающие тепло, рекомендуется устанавливать в коттеджах и загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант – система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семьи из 4—5 человек. Стоимость оборудования в пределах 900—3500 дол. США.

Кроме того, в Беларуси организовано производство гелиосистем для нагрева воды. Основой гелиосистем является плёночно-трубочный адсорбирующий коллектор. Он обладает высокой адсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращаются в полезную тепловую энергию. Пробные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках и т. д. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ёмкости. Приблизительная цена систем 400 дол. США.

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в тёплой воде в летний период на 90%, в переходный период – на 55—65%, в зимний – на 30%.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции.

Наиболее простым способом использования солнечной энергии для бытовых и промышленных нужд является её преобразование в тепловую энергию.

Простейшим накопителем энергии в форме теплоты является ёмкость, заполненная водой. Если ёмкость не изолирована и открыта – эффективность аккумулирования теплоты наименьшая, если закрыта и установлена на теплоизолирующей площадке – эффективность будет выше.

Тепловая гелиоустановка включает в себя: приёмник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию; передающее устройство с теплоносителем; теплоаккумулятор и другие элементы. В качестве приёмника используют коллекторы различных типов и конструкций.

Плоский гелиоколлектор. В основе его функционирования лежит парниковый эффект, суть которого заключается в следующем. Солнечное излучение попадает в теплоизолированный через прозрачное для солнечного излучения покрытие и нагревает поглотитель (нагреваемое тело) с циркулирующим внутри его теплоносителем.

Нагретый поглотитель, имеющий большую площадь, должен также отдавать энергию в виде инфракрасного излучения обратно через стекло. Однако этого не происходит благодаря тому, что прозрачное для коротковолнового солнечного излучения покрытие не пропускает инфракрасное излучение с большой длиной волны, которое исходит от поглотителя. Отбор тепловой энергии обеспечивается за счёт постоянной циркуляции теплоносителя (охлаждённого на входе и нагретого с выхода). Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100˚С, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела.

Концентрирующие коллекторы(концентраторы) используют в случаях, когда возможные приложения тепловых гелиоустановок требуют более высоких, чем 100˚С, температур. Концентрирующие коллекторы включают в свой состав приёмник (поглотитель) солнечного излучения и концентратор. Конструктивно концентратор выполняется в виде фокусирующей оптической системы. Функционально концентратор обеспечивает сбор солнечного излучения с большой площади и его концентрацию на приёмнике с небольшой площадью поверхности. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приёмник солнечного излучения.

Концентратор может быть также выполнен в виде системы плоских зеркал, каждое из которых направляет солнечное излучение на один приёмник в виде линзы и др. При использовании таких коллекторов в приёмнике достигается температура до нескольких сотен или даже тысяч градусов по Цельсию.

Объёмные коллекторыиспользуют для нагрева с помощью солнечного излучения больших объёмов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла. Простейшим примером объёмного коллектора может служить плёночная или застеклённая теплица, расположенная с южной стороны здания.

Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надёжного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором. Для обеспечения циркуляции теплоносителя используется насос. Однако если бак-аккумулятор расположить выше гелиоколлектора, то прокачка теплоносителя может осуществляться за счёт естественной циркуляции.

Для условий Беларуси при использовании воды в качестве теплоаккумулирующей массы ёмкость бака-аккумулятора выбирается в пределах 50…100 литров на 1 м² поверхности гелиоколлектора. Использование современных материалов позволяет создавать гелиоустановки без передающего и аккумулирующего устройств, функцию которых выполняет надёжно изолированный коллектор.

Одним из путей преобразования солнечной энергии в электрическую является строительство гелиотепловых электростанций. При этом необходимая температура парообразования достигается с помощью концентрирующих коллекторов. Важной особенностью данного процесса является необходимость постоянной ориентации системы коллектор-теплоприёмник на солнце, что усложняет и удорожает конструкцию этих устройств. В качестве рабочей жидкости в таких системах может использоваться вода или другие жидкости, обладающие более низкой температурой парообразования.

Более рациональным способом получения электроэнергии является прямое преобразование солнечной энергии в фото электрических установках, использующих явление фотоэффекта.

Фотоэффектомназывают электрические явления в веществах, происходящие при их взаимодействии со световым потоком. Так, при освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п), между ними возникает разность потенциалов (фото-ЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектоми относится, по сути, к внутреннему фотоэффекту. Вентильный фотоэффект положен в основу действия солнечных элементов, преобразующих солнечное излучение в электрический ток. Основной материал для изготовления солнечных элементов – кремний.