Мощность солнечной энергии. Как развита солнечная энергетика в России. Сферы использования солнечной энергии

Подробности Опубликовано 08.07.2015 15:28

Что принято называть солнечной энергией? Это энергия, производимая солнцем в виде света и тепла. Кроме того, существуют вторичные виды солнечной энергии, такие как энергия ветра и волн. Все названые виды энергии составляют большую часть возобновляемой энергии Земли.

Земля получает 174 петаватт (PW) солнечной радиации в верхних слоях атмосферы. 30% отражается обратно в космос, а остальная часть поглощается облаками, океанами и сушей. Поверхность земли, океаны и атмосфера поглощают солнечное излучение , что повышает их температуру. Теплый воздух, содержащий воду из океанов, поднимается вверх, вызывая конвекцию. Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака и вызывает дождь. Скрытая теплота конденсации воды увеличивает конвекцию, производя ветер. Энергия поглощается океанами и сушей, сохраняя поверхность при средней температуре около 14 C.

Зеленые растения преобразовывают солнечную энергию в химическую энергию посредством фотосинтеза. Производство наших продовольственных товаров полностью зависит от солнечной энергии. После своей жизни растения умирают и распадаются в Земле, так солнечная энергия обеспечивает биомассу, которая создала ископаемые виды топлива, которые мы знаем.

Способы использования солнечной энергии

Люди используют солнечную энергию в самых разных формах: для отопления и охлаждения помещений, производства питьевой воды дистилляции, дезинфекции, освещения, производства горячей воды и приготовления пищи. Способы использования солнечной энергии ограничены только человеческой изобретательностью.

Солнечные технологии бывают пассивными или активными, в зависимости от способа захвата энергии, которая затем преобразуется, и распространятся.

Активные солнечные технологии

К активным солнечным технологиям относят фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы.

Пассивные солнечные технологии

Пассивные методы включают ориентацию здание к Солнцу, чтобы получать максимальное количество дневного света и тепла, а также выбор материалов с нужными тепловыми свойствами.

Наша нынешняя зависимость от ископаемого топлива медленно заменяется альтернативными источниками энергии. Некоторые виды топлива, в конечном итоге могут стать бесполезным, но солнечная энергия никогда не устареет, не будет контролироваться иностранными державами, и не закончится. Солнце использует собственные запасы водорода, оно будет производить полезную энергию, пока не взорвется. Задачей, стоящей перед людьми, является захват этой энергии, пока что самым простым способом это сделать, остается использование ископаемого топлива.

Давайте поговорим о солнце.

Вот что сообщают нам не такие давние новости...

В США обанкротилась одна из ведущих компаний по производству солнечных батарей Abound Solar. Несмотря на поддержку американского правительства, предоставившего кредитные гарантии на 400 млн долларов, ей не удалось реализовать свою продукцию. Процесс ликвидации фирмы, долги которой превышают 100 млн долларов, официально начался в понедельник, сообщили сегодня в Ассоциации альтернативной энергии США.

Казалось бы, такое перспективное направление. Всегда думал, что за альтернативными источниками будущее, но информация последнего времени говорит о том, что пока без постоянного субсидирования эти отрасли абсолютно не жизнеспособны в конкурентной среде электроэнергетики. И как только внешние денежные потоки от государства заканчиваются, все накрывается медным тазом. А еще существует мнение, что это все заговор нефтяных компаний и владельцев. Мол они пытаются не допустить снижения значимости углеводородов на мировом энергетическом рынке.

Давайте узнаем больше про солнечные батареи и современные солнечные электростанции.

Сначала по принципах...

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» — атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

На сегодняшний день солнечные электростанции классифицируются на следующие типы:

Солнечная электростанция тарельчатого типа;

Башенного типа;

Солнечная электростанция, подразумевающая применение параболических концентраторов;

Электростанции, на которых используются фотобатареи;

Аэростатные электростанции;

Комбинированные солнечные электростанции.

Солнечные электростанции башенного типа основываются на принципах применения солнечной радиации и получения водяного пара. В самом центре этой конструкции располагается башня, высота которой может составлять от 18 до 24 метров (зависит от мощности и множества прочих параметров). Следует заметить, что на её верхушке располагается резервуар, заполненный водой. Он имеет черную окраску, что способствует максимально эффективному поглощению солнечного излучения. Кроме того, в этой башне располагается насосная группа, которая на турбогенератор доставляет пар. От башни по кругу на определенном расстоянии находятся гелиостаты, являющиеся зеркалами, укрепленными на опоре и подключенными к единой системе позиционирования.

Ещё одной распространенной в наше время солнечной электростанцией считается установка, в которой используются параболические концентраторы. Сущность функционирования этих СЭС состоит в нагреве теплоносителя до параметров, которые пригодны к применению в турбогенераторе. Их конструкция предусматривает монтаж параболического зеркала, отличающегося значительной длиной. Следует отметить, что специальная трубка устанавливается в фокусе параболы. Внутри нее находится теплоноситель (в большинстве случаев - масло). Он разогревается, передает теплоту воде, которая постепенно преобразуется в пар и попадает на турбогенератор.

Солнечные электростанции тарельчатого типа подразумевают использование принципа получения электрической энергии, аналогичного башенным моделям. Единственное отличие заключается в конструкции. Станция предусматривает наличие отдельных модулей, состоящих из опоры, куда закрепляется ферменная конструкция отражателя и приемника. Приемник располагается на заданном удалении от отражателя. Следует отметить, что в нем происходит концентрация отраженных солнечных лучей. Отражатель состоит из нескольких зеркал, имеющих форму тарелок, радиально находящихся на ферме. Что касается диаметров этих зеркал, то они могут достигать двух метров, а число зеркал - до нескольких десятков (зависит от мощности модуля).

Сущность комбинированных солнечных электростанций заключается в том, что в них дополнительно монтируются теплообменные аппараты, отвечающие за получение теплой воды, применяемой как для отопления и горячего водоснабжения, так и для технических нужд.

Давайте рассмотрим некоторые наиболее известные проекты.

Вот параболический тип солнечных концентраторов.

А вот смотрите какой интересный проект.

В Фуэнтес-де-Андалусия (Испания) была запущена в эксплуатацию коммерческая солнечная электростанция под названием Gemasolar Power Plant.

Солнечный комплекс был построен испанскими властями совместно с Объединенными Арабскими Эмиратами (ОАЭ). Общий объем инвестиций в проект составил примерно 427 млн. долларов.

Кликабельно 4000 рх

Кликайте на картинку и ощутите всю мощь станции:-)

Электростанция сможет производить электрическую энергию примерно 270 дней в году, а ее мощность составляет около 110 гигаватт/год. Согласно экспертным подсчетам, солнечный комплекс сможет снабжать электроэнергией город с населением примерно 100 000 человек.

В фантастической саге Ларри Нивена "Мир-кольцо" описывались зеркальные цветы, которые концентрировали солнечные лучи на своем пестике и получали необходимую для выживания энергию. По этому же принципу работает и солнечная станция Gemasolar Power Plant возле Севильи, Испания. Более 2600 зеркал, установленных на площади 185 гектаров, собирают лучи солнца на, грубо говоря, бочке с солью. Соли азотной кислоты отлично удерживают тепло и греют резервуары с водой, которая превращаясь в пар, крутит турбину.

Клкиабельно 3000 рх

Gemasolar Power Plant - это первая солнечная станция, которая вырабатывает энергию и ночью, а все благодаря соли, которая медленно остывает в темное время суток. Не зря слова соль и солнце созвучны! Производительность станции, строительство которой обошлось в 260 миллионов евро - 20 мегаватт. Это на два порядка меньше, чем можно
получать от АЭС, но зато солнечная энергия не наносит ущерба окружающей среде и исключает экологические катастрофы. Чтобы получить ту же энергию путем сжигания топлива, потребовалось бы выбрасывать в атмосферу 30 000
тонн углекислого газа ежегодно! Gemasolar Power Plant - самая большая и, пожалуй, самая красивая станция своего типа в Европе.

Кликабельно

Солнечная станция , открытая в начале октября 2011 года, пока что работает на 70% мощности, но ее создатели, компания Torresol Energy и арабский инвестор Masdar, рассчитывают уже в 2012 году выйти на полные обороты. В этом им поможет
сама погода Севильи, где практически всегда солнечно. И даже в тихом сумраке ночей от Севильи до Гренады теперь будет раздаваться не звон мечей, а тихое шипение нагретой солнцем соли.

Лучи солнца, сжатые зеркалами в тысячу раз, нагревают соль, которая курсирует через центральный приемник, до температуры свыше 500 оС.

Благодаря столь мощному тепловому буферу новой электростанции можно с запасом перекрыть всю ночь или облачный день. Поэтому Gemasolar Power Plant может работать без перебоев круглосуточно и большую часть дней в году.

Возможности теплового буфера новой электростанции с запасом перекрывают всю ночь или, к примеру, целый облачный день. Это свойство позволяет установке работать без перебоев 24 часа в сутки и большую часть дней в году.

Станция Gemasolar, которая обошлась партнёрам в $427 миллионов, уже подключена к энергетической сети. Она способна снабжать энергией до 25 тысяч домов, при этом расчётная экономия выбросов CO 2 составляет 30 тысяч тонн в год.

Энрике Сендагорта (Enrique Sendagorta), председатель Torresol Energy, говорит: «Стандартизация этой технологии будет означать реальное сокращение инвестиционных расходов для солнечных электростанций. Коммерческая эксплуатация установки проложит путь для других станций с центральной башней и теплоприёмником с расплавленной солью, повышающим количество энергии, получаемое из возобновляемого источника».

Кликабельно

На создание станции партнеры потратили 427 миллионов долларов. В настоящее время ее уже подключили к энергетической сети. Станция способна удовлетворить потребности в электроэнергии примерно 25 000 домов. Согласно расчетам экономия выбросов углекислого газа ежегодно будет составлять 30 000 т.

По словам председателя Torresol Energy, Энрике Сендагорта стандартизация данной технологии позволит сократить инвестиционные расходы для солнечных электростанций.

А вот другой проект:

Перед Вами - солнечная электростанция так называемого башенного типа с центральным приемником. В этих электростанциях для преобразования в электроэнергию солнечного света используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Каждое зеркало управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи были всегда были направлены на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорния) была построена еще в 1980 году и с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. На этой станции используется водно-паровая система мощностью 10 МВт.

Самую большую солнечную электростанцию в виде башни запустила компания Abengoa Solar. Ее мощность составляет 20 МВт. Солнечная башня PS20 расположена недалеко от Севильи, в Испании, и построена она рядом с ранее действовавшей башней PS10 меньшей мощности.

Солнечная электростанция PS20 концентрирует на башне высотой 161 метр лучи, отраженные от 1255 гелиостатов. Каждое зеркало гелиостата площадью 120 м 2 направляет солнечные лучи на солнечный коллектор, расположенный наверху 165-метровой башни. Коллектор превращает воду в пар, который приводит в движение турбину. Построена станция в 2007г. К 2013 году Испания планирует получать от солнечных установок разнообразной конструкции, включая башни, около 300 МВт электроэнергии.

Недостатком любой солнечной станции является падение ее выдаваемой мощности в случае появления облаков на небе, и полное прекращение работы в ночное время. Для решения этой проблемы предложено использования в качестве теплоносителя не воды, а солей с большей теплоемкостью. Расплавленная солнцем соль концентрируется в хранилище, построенного в виде большого термоса, и может использоваться для превращения воды в пар еще продолжительное время после того, как солнце скроется за горизонтом.

вот еще как пример башенной станции

В 1990-х годах “Solar One” была модернезирована для работы на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. При такой конструкции расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в “горячий” бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

В последнее десятилетие солнечная энергия, как альтернативный источник энергии используется все чаще для отопления и обеспечения зданий горячей водой. Основная причина – стремление заменить традиционное топливо доступными, экологически чистыми и восполняемыми энергоресурсами.

Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит в гелиосистемах – конструкция и принцип действия модуля определяет специфику его применения.

Гелиосистема – комплекс для преобразования солнечной лучевой энергии в тепловую, которая в последствии передается в теплообменник для нагрева теплоносителя системы отопления или водоснабжения.

Эффективность гелиотермической установки зависит от солнечной инсоляции – количество энергии, поступающей в течение одного светового дня на 1 кв.м поверхности, расположенной под углом 90° относительно направленности солнечных лучей. Измерительная величина показателя – кВт*ч/кв.м, значение параметра меняется в зависимости от сезона.

Средний уровень солнечной инсоляции для региона умеренно-континентального климата – 1000-1200 кВт*ч/кв.м (в год). Количество солнца – определяющий параметр для расчета производительности гелиосистемы.

Использование альтернативного энергетического источника позволяет отапливать дом, получать горячую воду без традиционных энергозатрат – исключительно посредством солнечного излучения

Монтаж системы гелиотеплоснабжения – дорогое мероприятие. Чтобы капитальные расходы оправдали себя, необходим точный расчет системы и соблюдение технологии установки.

Пример. Усредненная величина солнечной инсоляции для Тулы в середине лета – 4,67 кВ/кв.м*день при условии установки панели системы под углом 50°. Производительность гелиоколлектора площадью 5 кв.м рассчитывается следующим образом: 4,67*4=18,68 кВт теплоэнергии за день. Этого объема хватит для подогрева 500 л воды с температуры от 17°С до 45°С.

Как показывает практика, при использовании гелиоустановки, собственники коттеджа в летний период могут полностью перейти с электрического или газового обогрева воды на солнечный метод

Говоря о целесообразности внедрения новых технологий, важно учесть технические особенности конкретного гелиоколлектора. Одни начинают работать при 80 Вт/кв.м солнечной энергии, а другим достаточно – 20 Вт/ кв.м.

Даже в южном климате, применение коллекторной системы исключительно для отопления не окупится. Если установка будет задействована исключительно зимой при дефиците солнца, то стоимость оборудования не покроется и за 15-20 лет.

Чтобы максимально эффективно использовать гелиокомплекс, его необходимо включить в систему горячего водоснабжения. Даже зимой гелиолектор позволит «урезать» счета за энергоносители на подогрев воды до 40-50%.

По оценкам экспертов, при бытовом использовании гелиосистема окупается приблизительно за 5 лет. При росте цен на электроэнергию и газ срок окупаемости комплекса сократится

Кроме экономической выгоды «солнечный обогрев» имеет дополнительные плюсы:

Экологичность. Сокращается выброс углекислого газа. За год 1 кв.м гелиоколлектора предотвращает поступление в атмосферу 350-730 кг отработки.
Эстетичность. Пространство компактной ванны или кухни удается избавить от громоздких бойлеров или газовых колонок.
Долговечность. Производители уверяют, что при соблюдении технологии монтажа, комплекс прослужит порядка 25-30 лет. Многие компании предоставляют гарантию до 3-х лет.

Аргументы против использования энергии солнца: ярко выраженная сезонность, зависимость от погоды и высокие первоначальные инвестиции.

Общее устройство и принцип действия

Рассмотрим вариант гелиосистемы с коллектором в качестве основного рабочего элемента системы. Внешний вид агрегата напоминает металлический ящик, лицевая сторона которого изготовлена из закаленного стекла. Внутри короба размещен рабочий орган – змеевик с абсорбером. Теплопоглощающий блок обеспечивает нагрев теплоносителя – циркулирующая жидкость, передает сгенерированное тепло в контур водоснабжения.

Основные узлы гелиосистемы: 1 – коллекторное поле, 2 – воздухоотводчик, 3 – распределительная станция, 4 – резервуар сброса избыточного давления, 5 – контролер, 6 – бак-водонагреватель, 7,8 – тэн и теплообменник, 9 – клапан термосмесительный, 10 – расход горячей воды, 11 – поступление холодной воды, 12 – слив, Т1/Т2 – температурные датчики

Гелиоколлектор обязательно работает в тандеме с аккумулирующим баком. Поскольку теплоноситель нагревается до температуры 90-130°С, его нельзя подавать непосредственно в краны горячего водоснабжения или отопительные радиаторы. Теплоноситель поступает в теплообменник бойлера. Накопительный бак часто дополняется электрическим нагревателем.

Схема работы:

Солнце нагревает поверхность коллектора.
Тепловое излучение передается поглощающему элементу (абсорберу), в котором содержится рабочая жидкость.
Циркулирующий по трубкам змеевика теплоноситель разогревается.
Насосное оборудование, блок управления и контроля обеспечивают отвод теплоносителя по трубопроводу к змеевику накопительного бака.
Осуществляется передача тепла воде в бойлере.
Охлажденный теплоноситель поступает обратно в коллектор и цикл повторяется.

Нагретая вода от водонагревателя подается в контур отопления или к водозаборным точкам.

При обустройстве отопительной системы или круглогодичного горячего водоснабжения, система комплектуется источником дополнительного подогрева (котел, электрический ТЭН). Это необходимое условие для поддержания заданной температуры

Разновидности солнечных коллекторов

Независимо от назначения, гелиосистема комплектуется плоским или сферическими трубчатым гелиоколлектором. Каждый из вариантов имеет ряд отличительных особенностей в плане технических характеристик и эффективности эксплуатации.

Вакуумный – для холодного и умеренного климата

Конструктивно вакуумный гелиоколлектор напоминает термос – узкие трубки с теплоносителем размещены в колбах большего диаметра. Между сосудами образуется вакуумная прослойка, отвечающая за теплоизоляцию (сохранность тепла – до 95%). Трубчатая форма наиболее оптимальна для удержания вакуума и «оккупации» солнечных лучей.

Базовые элементы трубчатой гелиотермической установки: опорная рама, корпус теплообменника, вакуумные стеклянные трубки, обработанные высокоселективным покрытием для интенсивного «поглощения» солнечной энергии

Внутренняя (тепловая) трубка наполнена солевым раствором с низкой температурой кипения (24-25°С). При нагревании жидкость выпаривается – испарения поднимаются вверх колбы и нагревают теплоноситель, циркулирующий в корпусе коллектора. В процессе конденсации капли воды стекают в наконечник трубки и процесс повторяется.

Благодаря наличию вакуумной прослойки жидкость внутри тепловой колбы способна закипать и испаряться при минусовой уличной температуре (до -35°С).

Характеристики солнечных модулей зависят от таких критериев:

конструкция трубки – перьевая, коаксиальная;
устройство теплового канала – «Heat pipe», прямоточная циркуляция.

Перьевая колба — стеклянная трубка, в которой заключен пластинчатый абсорбер и тепловой канал. Вакуумная прослойка проходит через всю длину теплового канала.

Коаксиальная трубка – двойная колба с вакуумной «вставкой» между стенками двух резервуаров. Передача тепла осуществляется от внутренней поверхности трубки. Наконечник термотрубки оснащен индикатором вакуума.

Эффективность перьевых трубок (1) выше по сравнению с коаксиальными моделями (2). Однако первые дороже и сложнее в установке. Кроме того, в случае поломки, перьевую колбу придется менять целиком

Канал «Heat pipe» — наиболее распространенный вариант передачи тепла в гелиоколлекторах. Механизм действия основан на размещении в герметичных металлических трубках легкоиспаряющейся жидкости.

Популярность «Heat pipe» обусловлена доступной стоимостью, неприхотливостью обслуживания и ремонтопригодностью. В силу сложности теплообменного процесса максимальный уровень КПД – 65%

Прямоточный канал – через стеклянную колбу проходят параллельные, соединенные в U-образную дугу металлические трубки. Теплоноситель, протекая через канал, нагревается и подается к корпусу коллектора.

Варианты конструкций вакуумного гелиоколлектора: 1 – модификация с нагревательной центральной трубкой «Heat pipe», 2 – гелиоустановка с прямоточной циркуляцией теплоносителя

Коаксиальные и перьевые трубки могут по-разному комбинироваться с тепловыми каналами.

Вариант 1. Коаксиальная колба с «Heat pipe» — наиболее популярное решение. В коллекторе происходит многократная передача тепла от стенок стеклянной трубки к внутренней колбе, а затем к теплоносителю. Степень оптического КПД достигает 65%.

Схема устройства коаксиальной трубки «Heat pipe»: 1 –оболочка из стекла, 2 – селективное покрытие, 3 – металлическое оребрение, 4 – вакуум, 5 – тепловая колба с легкозакипающим веществом, 6 – внутренняя трубка из стекла

Вариант 2. Коаксиальная колба с прямоточной циркуляцией известна как, U-образный коллектор. Благодаря конструкции уменьшаются теплопотери – тепловая энергия от алюминия передается трубкам с циркулирующим теплоносителем. Наряду с высоким КПД (до 75%) модель имеет недостатки:

сложность монтажа – колбы являются единым целым с двухтрубным корпусом коллектора (mainfold) и устанавливаются целиком;
исключена замена одиночных трубок.

Кроме того, U-образный агрегат требователен к теплоносителю и дороже «Heat pipe» моделей.

Устройство U-образного гелиоколлектора: 1 – стеклянный «цилиндр», 2 – поглощающее покрытие, 3 – алюминиевый «чехол», 4 – колба с теплоносителем, 5 – вакуум, 6 – внутренняя трубка из стекла

Вариант 3. Перьевая трубка с принципом действия «Heat pipe». Отличительные особенности коллектора:

высокие оптические характеристики – КПД около 77%;
плоский абсорбер напрямую передает энергию тепла трубке с теплоносителем;
за счет использования одного слоя стекла снижено отражение солнечного излучения;

Возможна замена поврежденного элемента без слива теплоносителя из гелиосистемы.

Вариант 4. Перьевая колба прямоточного действия – наиболее эффективный инструмент использования солнечной энергии, как альтернативного источника энергии для нагрева воды или отопления жилья. Высокопроизводительный коллектор работает с КПД – 80%. Недостаток системы – трудность ремонта.

Схемы устройства перьевых солнечных коллекторов: 1 – гелиосистема с «Heat pipe» каналом, 2 – двухтрубный корпус гелиоколектора с прямоточным движением теплоносителя

Независимо от исполнения трубчатым коллекторам присущи следующие достоинства:

работоспособность при низкой температуре;
низкие тепловые потери;
длительность функционирования в течение суток;
способность разогревать теплоноситель до высоких температур;
невысокая парусность;
простота установки.

Основной недостаток вакуумных моделей – невозможность самоочищения от снежного покрова. Вакуумная прослойка не пропускает тепло наружу, поэтому слой снега не тает и перекрывает доступ солнца к коллекторному полю. Дополнительные минусы: высокая цена и необходимость соблюдения рабочего угла наклона колб не меньше 20°.

Водяной – оптимальный вариант для южных широт

Плоский (панельный) гелиоколлектор – прямоугольная алюминиевая пластина, закрытая сверху пластиковой или стеклянной крышкой. Внутри короба расположено абсорбционное поле, металлический змеевик и слой теплоизоляции. Площадь коллектора заполнена проточным трубопроводом, по которому движется теплоноситель.

Базовые составляющие плоского гелиоколлектора: корпус, абсорбер, защитное покрытие, прослойка термоизоляции и крепежные детали. При сборке используется матовое стекло с показателем пропускания спектрального диапазона 0,4-1,8 мкм

Теплопоглощение высокоселективного абсорбирующего покрытия достигает 90%. Проточный металлический трубопровод размещен между «поглотителем» и теплоизоляцией. Применяется две схемы укладки трубок: «арфа» и «меандр».

Трубчатый коллектор с жидким теплоносителем действует, как «тепличный» эффект – солнечные лучи проникают через стекло и прогревают трубопровод. Благодаря герметичности и теплоизоляции тепло удерживается внутри панели.

Прочность солнечного модуля во многом определяется материалом защитной крышки:

обычное стекло – самое дешевое и хрупкое покрытие;
закаленное стекло – высокая степень рассеивания света и повышенная прочность;
антирефлексное стекло – отличается максимальной поглощающей способностью (95%) за счет наличия слоя, элиминирующего отражение лучей солнца;
самоочищающееся (полярное) стекло с диоксид титаном – органические загрязнения выгорают на солнце, а остатки мусора смываются дождем.

Наиболее стойко переносит удары поликарбонатное стекло. Материал устанавливается в дорогих моделях.

Отражение солнечных лучей и поглощающая способность: 1 – антирефлексное покрытие, 2 – закаленное ударопрочное стекло. Оптимальная толщина защитной внешней оболочки – 4 мм

Эксплуатационно-функциональные особенности панельных гелиоустановок:

в системах принудительной циркуляции предусмотрена функция оттаивания, позволяющая быстро избавиться от снежного покрова на гелиополе;
призматическое стекло улавливает широкий диапазон лучей под разным углом – в летний период КПД установки достигает 78-80%;
коллектор не боится перегрева – при переизбытке тепловой энергии возможно принудительное охлаждение теплоносителя;
повышенная ударопрочность по сравнению с трубчатыми собратьями;
возможность монтажа под любым углом;
доступная ценовая политика.

Системы не лишены недостатков. В период дефицита солнечного излучения, по мере увеличения разницы температур, КПД плоского гелиоколлектора значительно падает из-за недостаточной теплоизоляции. Поэтому панельный модуль оправдывает себя в летнее время или в регионах с теплым климатом.

Гелиосистемы: особенности конструкции и эксплуатации

Многообразие гелиосистем можно классифицировать по таким параметрам: метод использования солнечной радиации, способ циркуляции теплоносителя, количество контуров и сезонность эксплуатации.

Активный и пассивный комплекс

В любой солнечной системе преобразования энергии предусмотрен гелиоприемник. Исходя из способа использования полученного тепла различают два типа гелиокомплексов: пассивные и активные.

Первая разновидность – система солнечного отопления, где теплопоглощающим элементом солнечного излучения выступают конструктивные элементы здания. В качестве гелиоприемной поверхности выступают кровля, стена-коллектор или окна.

Схема низкотемпературной пассивной гелиосистемы со стеной-коллектором: 1 – лучи солнца, 2 – полупрозрачный экран, 3 – воздушный барьер, 4 – разогретый воздух, 5- отработанные воздушные потоки, 6 – тепловое излучение от стены, 7 – теплопоглощающая поверхность стены-коллектора, 8 – декоративные жалюзи

В европейских странах пассивные технологии используются при возведении энергосберегающих зданий. Гелиоприемные поверхности декорируют под фальш-окна. За стеклянным покрытием размещается кирпичная зачерненная стена со светопроемами. В качестве теплоаккумуляторов выступают элементы сооружения – стены и перекрытия, изолированные полистиролом извне.

Активные системы подразумевают использование самостоятельных устройств, не относящихся к сооружению.

Термосифонные и циркуляционные системы

Гелиотермическое оборудование с естественным движением теплоносителя по контуру коллектор-аккумулятор-коллектор осуществляется за счет конвекции – теплая жидкость с малой плотностью поднимается вверх, охлажденная – стекает вниз.

В термосифонных системах накопительный бак размещается выше коллектора, обеспечивая самопроизвольную циркуляцию теплоносителя.

Схема работы свойственна одноконтурным сезонным системам. Термосифонный комплекс не рекомендуется использовать для коллекторов, площадью более 12 кв.м

Безнапорная гелиосистема имеет широкий перечень недостатков:

в облачные дни производительность комплекса падает – для движения теплоносителя требуется большая разница температур;
тепловые потери, обусловленные медленным передвижением жидкости;
риск перегрева бака ввиду неуправляемости нагревательного процесса;
нестабильность работы коллектора;
сложность размещения бака-аккумулятора – при монтаже на крыше возрастают теплопотери, ускоряются коррозийные процессы, появляется риск замерзания патрубков.

Плюсы «гравитационной» системы: простота конструкции и ценовая доступность.

Капитальные затраты на обустройство циркуляционной (принудительной) гелиосистемы значительно выше установки безнапорного комплекса. В контур «врезается» насос, обеспечивающий движения теплоносителя. Работа насосной станции управляется контролером.

Дополнительная тепловая мощность, вырабатываемая в принудительном комплексе, превышает мощность, потребляемую насосным оборудованием. Эффективность системы возрастет на треть

Такой способ циркуляции задействован в круглогодичных двухконтурных гелиотермических установках. Плюсы полнофункционального комплекса:

неограниченный выбор месторасположения аккумулирующего бака;
работоспособность вне сезона;
выбор оптимального режима нагрева;
безопасность – блокировка работы при перегреве.

Недостаток системы – зависимость от электроэнергии.

Техническое решение схем: одно – и двухконтурные

В одноконтурных установках циркулирует жидкость, которая впоследствии подается к водозаборным точкам. В зимний период воду с системы надо сливать, чтоб предупредить замерзание и растрескивание труб.

Особенности одноконтурных гелиотермических комплексов:

рекомендована «заправка» системы очищенной нежесткой водой – оседание солей на стенках труб приводит к засорению каналов и поломке коллектора;
коррозия из-за избытка воздуха в воде;
ограниченный срок службы – в пределах четырех-пяти лет;
высокий КПД летом.

В двухконтурных гелиокомплексах циркулирует специальный теплоноситель (незамерзающая жидкость с противовспенивающими и антикоррозийными добавками), отдающий тепло воде через теплообменник.

Схемы устройства одноконтурной (1) и двухконтурной (2) гелиосистемы. Второй вариант отличается повышенной надежностью, возможностью работы зимой и длительностью эксплуатации (20-50 лет)

Нюансы эксплуатации двухконтурного модуля: незначительное снижение КПД (на 3-5% меньше чем в одноконтурной системе), необходимость полной замены теплоносителя каждые 7 лет.

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте. При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков.

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. Обратный клапан при недостатке солнечной активности не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Выводы и полезное видео по теме

Принцип действия гелиоколлекторов панельного и трубчатого типа, особенности одно- и двухконтурных систем:

Оценка работоспособности плоского коллектора при минусовой температуре:

Технология монтажа панельного гелиоколлектора на примере модели Buderus:

Солнечная энергия – восполняемый источник получения тепла. С учетом роста цен на традиционные энергоресурсы внедрение гелиосистем оправдывает капитальные инвестиции и окупается в ближайшие пять лет при соблюдении техники монтажа.

Солнечная энергетика - активно развивающееся направление в энергоснабжении частных и общественных зданий. Каковы плюсы и минусы такого природного источника энергии, как солнечное излучение?

Преимущества солнечной энергии

1. Возобновляемость

Говоря о солнечной энергии, в первую очередь, необходимо упомянуть, что это - возобновляемый источник энергии, в отличие от ископаемых видов топлива - угля, нефти, газа, которые не восстанавливаются. По данным NASA еще порядка 6.5 млрд. лет жителям Земли не о чем беспокоиться - приблизительно столько Солнце будет согревать нашу планету своими лучами до тех пор, пока не взорвется.

2. Обильность

Потенциал солнечной энергии огромен - поверхность Земли облучается 120 тыс. тераваттами солнечного света, а это в 20 тыс. раз превышает общемировую потребность в ней.

3. Постоянство

Кроме того, солярная энергия неисчерпаема и постоянна - ее нельзя перерасходовать в процессе удовлетворения нужд человечества в энергоносителях, так что ее хватит в избытке и на долю будущих поколений.

4. Доступность

Помимо прочих достоинств солнечной энергии, она доступна в каждой точке мира - не только в экваториальной зоне Земли, но и в северных широтах. Скажем, Германия на данный момент занимает первое место в мире по использованию энергии солнца и обладает максимальным ее потенциалом.

5. Экологическая чистота

В свете последних тенденций в борьбе за экологическую чистоту Земли, солнечная энергетика - это наиболее перспективная отрасль, которая частично заменяет энергию, получаемую от невозобновляемых топливных ресурсов и, тем самым, выступает принципиальным шагом на пути защиты климата от глобального потепления. Производство, транспортировка, монтаж и использование солнечных электростанций практически не сопровождается вредными выбросами в атмосферу. Даже если они и присутствуют в незначительной мере, то по сравнению с традиционными источниками энергии - это почти что нулевое воздействие на окружающую среду.

Мы живём в мире будущего, хотя не во всех регионах это заметно. В любом случае возможность развития новых источников энергии сегодня всерьёз обсуждается в прогрессивных кругах. Одним из самых перспективных направлений выступает солнечная энергетика.

На данный момент около 1% электроэнергии на Земле получается вследствие переработки солнечного излучения. Так почему мы до сих пор не отказались от других «вредных» способов, и откажемся ли вообще? Предлагаем ознакомиться с нашей статьей и попытаться самостоятельно ответить на этот вопрос.

Как солнечная энергия преобразуется в электричество

Начнём с самого важного – каким образом солнечные лучи перерабатываются в электроэнергию.

Сам процесс носит название «Солнечная генерация» . Наиболее эффективные пути его обеспечения следующие:

фотовольтарика;
гелиотермальная энергетика;
солнечные аэростатные электростанции.

Рассмотрим каждый из них.

Фотовольтарика

В этом случае электрический ток появляется вследствие фотовольтарического эффекта . Принцип такой: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию фотонов (частиц света) и приходят в движение. В итоге мы получаем электрическое напряжение.

Именно такой процесс происходит в солнечных панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество.

Сама конструкция фотовольтарических панелей достаточно гибкая и может иметь разные размеры. Поэтому в использовании они очень практичны. К тому же панели имеют высокие эксплуатационные свойства: устойчивы к воздействию осадков и перепадам температур.

А вот как устроен отдельный модуль солнечной панели :

О применении солнечных батарей в качестве зарядных устройств, источников питания частных домах, для облагораживания городов и в медицинских целях можно почитать в .

Современные солнечные панели и электростанции

Из недавних примеров можно отметить солнечные панели компании SistineSolar . Они могут иметь любой оттенок и текстуру в отличие от традиционных тёмно-синих панелей. А это значит, что ими можно «оформить» крышу дома так, как Вам заблагорассудится.

Другое решение предложили разработчики Tesla. Они выпустили в продажу не просто панели, а полноценный кровельный материл, перерабатывающий солнечную энергию. содержит встроенные солнечные модули и также может иметь самое разнообразное исполнение. При этом сам материал гораздо прочнее обычной кровельной черепицы, у Solar Roof даже гарантия бесконечная.

В качестве примера полноценной СЭС можно привести недавно построенную в Европе станцию с двусторонними панелям. Последние собирают как прямое солнечное излучение, так и отражающее. Это позволяет повысить эффективность солнечной генерации на 30%. Эта станция должна вырабатывать в год около 400 МВт*ч.

Интерес вызывает и крупнейшая плавучая СЭС в Китае . Её мощность составляет 40 МВт. Подобные решения имеют 3 важных преимущества:

нет необходимости занимать большие наземные территории, что актуально для Китая;
в водоёмах уменьшается испаряемость воды;
сами фотоэлементы меньше нагреваются и работают эффективнее.

Кстати, эта плавучая СЭС была построена на месте заброшенного угледобывающего предприятия.

Технология, основанная на фотовольтарическом эффекте, является наиболее перспективной на сегодня, и по оценкам экспертов солнечные панели уже в ближайшие 30-40 лет смогут производить около 20% мировой потребности электроэнергии.

Гелиотермальная энергетика

Тут подход немного другой, т.к. солнечное излучение используется для нагревания сосуда с жидкостью. Благодаря этому она превращается в пар, который вращает турбину, что приводит в выработке электричества.

По такому же принципу работают тепловые электростанции, только жидкость нагревается посредством сжигания угля.

Самый наглядный пример использования данной технологии – это станция Иванпа Солар в пустыне Мохаве. Она является крупнейшей в мире солнечной гелиотермальной электростанцией.

Работает она с 2014 года и не использует никакого топлива для производства электричества – только экологически чистая солнечная энергия.

Котёл с водой располагается в башнях, которые Вы можете видеть в центре конструкции. Вокруг расположено поле из зеркал, направляющих солнечные лучи на вершину башни. При этом компьютер постоянно поворачивает эти зеркала в зависимости от расположения солнца.

Солнечный свет концентрируется на башне

Под воздействием концентрированной солнечной энергии вода в башне нагревается и становится паром. Так возникает давление, и пар начинает вращать турбину, вследствие чего выделяется электричество. Мощность этой станции – 392 мегаватт, что вполне можно сопоставить со средней ТЭЦ в Москве.

Интересно, что подобные станции могут работать и ночью. Это возможно благодаря помещению части разогретого пара в хранилище и постепенном его использовании для вращения турбины.

Солнечные аэростатные электростанции

Это оригинальное решение хоть и не получило широкого применения, но всё же имеет место быть.

Сама установка состоит из 4 основных частей:

Аэростат – располагается в небе, собирая солнечное излучение. Внутрь шара поступает вода, которая быстро нагревается, становясь паром.
Паропровод – по нему пар под давлением спускается к турбине, заставляя её вращаться.
Турбина – под воздействием потока пара она вращается, вырабатывая электрическую энергию.
Конденсатор и насос – пар, прошедший через турбину, конденсируется в воду и поднимается в аэростат с помощью насоса, где снова разогревается до парообразного состояния.

В чём преимущества солнечной энергетики

Солнце будет давать нам свою энергию ещё несколько миллиардов лет. При этом людям не нужно тратить средства и ресурсы для её добычи.
Генерация солнечной энергии – полностью экологичный процесс, не имеющий рисков для природы.
Автономность процесса. Сбор солнечного света и выработка электроэнергии проходит с минимальным участием человека. Единственное, что нужно делать, это следить за чистотой рабочих поверхностей или зеркал.
Выработавшие свой ресурс солнечные панели могут быть переработаны и снова использованы в производстве.

Проблемы развития солнечной энергетики

Несмотря на реализацию идей по поддержанию работы солнечных электростанций в ночное время, никто не застрахован от капризов природы. Затянутое облаками небо в течение нескольких дней значительно понижает выработку электричества, а ведь населению и предприятиям необходима его бесперебойная подача.

Строительство солнечной электростанции – удовольствие не из дешёвых. Это обусловлено необходимостью применять редкие элементы в их конструкции. Не все страны готовы растрачивать бюджеты на менее мощные электростанции, когда есть рабочие ТЭС и АЭС.

Для размещения таких установок необходимы большие площади, причём в местах, где солнечное излучение имеет достаточный уровень.

Как развита солнечная энергетика в России

К сожалению, в нашей стране пока во всю жгут уголь, газ и нефть, и наверняка Россия будет в числе последних, кто полностью перейдёт на альтернативную энергетику.

На сегодняшний день солнечная генерация составляет всего 0,03% энергобаланса РФ . Для сравнения в той же Германии этот показатель составляет более 20%. Частные предприниматели не заинтересованы во вложении средств в солнечную энергетику из-за долгой окупаемости и не такой уж высокой рентабельности, ведь газ у нас обходится гораздо дешевле.

В экономически развитых Московской и Ленинградской областях солнечная активность на низком уровне. Там строительство солнечных электростанций просто нецелесообразно. А вот южные регионы довольно перспективны.