Использование солнечной энергии в России

В солнечной энергетике выделяют 3 направления: солнечные водо- нагревательные установки, солнечные электростанции и фотоэлектри- ческие преобразователи. Солнечные водонагревательные установки обычно представляют собой плоский солнечный коллектор, в котором нагревается вода, воздух или другой теплоноситель. Эти устройства ха- рактеризуются величиной площади нагрева. Суммарная площадь сол- нечных коллекторов в мире достигает 50–60 млн м                            ², что эквивалентно 5–7 млн т у.т. в год. В России их применение незначительное. Хотя да- же для условий Сибири возможен полезный эффект. В частности, в Но- восибирске работа по солнечным коллекторам для индивидуального домостроения ведется в рамках программы «ЭКОДОМ». В строящемся ЭКО поселке вблизи Академгородка уже сооружаются разного вида солнечные коллекторы, в том числе с подземными аккумуляторами теп- ла.

Солнечные электростанции (СЭС) используют обычный паросило- вой цикл, но при этом требуется применение концентратора солнечной энергии. Так, в США действует 7 СЭС общей мощностью 354 МВт. Но для России такие устройства считаются неэффективными.

Что касается фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), то сего- дня в мире наблюдается настоящий бум в этой области. В 2000 году в мире было произведено ФЭП общей мощностью 260 МВт. Больше всего в Японии – 80 МВт. А в России пренебрежимо мало – лишь 0,5 МВт.

КПД ФЭП достигают 24 % для монокристаллических преобразователей, 17 % – для поликристаллических и 11 % – для аморфных. Основным материалом является кремний. К сожалению, фотоэлектричество сего- дня является самым дорогим способом получения электроэнергии. Цена модулей ФЭП достигает 4000 долл./кВт, а установок на их основе – да- же до 10000. Самой дорогой является и стоимость производимой элек- троэнергии: 15–40 центов/кВт·ч. В области фотоэлектричества наиболее перспективными считаются следующие направления: ФЭП с концен- траторами солнечной энергии; ФЭП на основе арсенида галлия- арсенида алюминия; тонкопленочные солнечные элементы.

Схема и элементы солнечного устройства (основной элемент – сол- нечный коллектор) показаны на рис. 5.1.1.

 

 

Рис.5.1.1. Схема и элементы солнечного устройства:

1 – солнечный коллектор; 2 – емкость системы ГВ; 3 – насос; 4 – дополни- тельный источник теплоты; 5 – подвод холодной воды; 6 – потребитель

 

Для горячего водоснабжения (ГВС) и для отопления наиболее час- то применяют плоские коллекторы (рис. 5.1.2). Абсорбер, соединен с трубками отвода теплоты (вместо трубок могут быть устроены каналы небольшого сечения, например, из двух соответствующим образом профилированных листов).

Рис. 5.1.2. Устройство плоского коллектора.

I – интенсивность солнечного излучения; 1 – съемное укрытие; 2 – абсорбер; 3 – трубки отвода теплоты; 4 – тепловая изоляция; 5 – рама

 

Съемное укрытие уменьшает тепловые потери коллекторов, оно должно пропускать как можно больше коротковолнового излучения и как можно меньше инфракрасного (длинноволнового излучения). Для повышения эффективности укрытия на нижнюю сторону наносят реф- лексный слой для длинноволнового излучения, а на верхнюю                           – анти- рефлексный слой для коротковолнового излучения. Укрытие бывает большей частью из стекла в один, два или несколько слоев. Применяет- ся для крытия и пластмасса, имеющая то же пропускание солнечного

излучения, что и стекло, однако пропускание длинноволнового излуче- ния у нее выше. Абсорбером, как правило, является металлический лист, который должен поглащать как можно больше солнечного излу- чения и отражать как можно меньше инфракрасного излучения.потери отраженного излучения можно уменьшить за счет применения селекци- онного покрытия на поверхность абсорбера. Экспериментируют, на- пример, с окисью меди (CuO) и окисью никеля (Ni ₂O₃). Коллектор с се- лекционным покрытием и простейшим укрытием считается самым вы- годным для высокотемпературного преобразования солнечной энергии.

Наибольший эффект достигается, если солнечное излучение на- правлено перпендикулярно абсорберу. Обеспечения этого положения потребовало бы автоматического направления коллектора. Такое реше- ние, однако, слишком дорого. Поэтому иногда применяют комбиниро- ванное решение, т. е. закрепление коллектора проектируют в двух по- ложениях: одно для зимнего и второе для летнего времени года. Наибо- лее дешево неподвижное закрепление коллектора в одном положении, но в этом случае абсорбер должен иметь большую способность погло- щать солнечное излучение при разных углах падения солнечных лучей.

Если же коллекторы закрепляются неподвижно, то необходимо принять решение об их наклоне в соответствии с тем, в какое время года будет преобладать использование солнечного излучения. Угол наклона коллектора должен составлять 30–50° для того, чтобы эффективность гелиоустановки была высокой весь год. Отклонение выравнивания от юга не более чем на 45° на восток или запад возможно. Это незначи- тельно сокращает поступление солнечной энергии. Если можно выби- рать между юго-западным и юго-восточным расположением, следует выбрать юго-запад, так как (теоретически кажется, что инсоляция оди- наковая) при высокой температуре и рассеивании возможного утром тумана все же во второй половине дня следует ожидать более интенсив- ного солнечного излучения (рис. 5.1.3). Отклонения от идеального по- ложения коллектора можно в какой-то мере компенсировать, увеличив площадь коллектора.

Эта диаграмма показывает положение солнца в любое время года. Например, 21 января солнце встает под углом 60° к южному ориентиру и в полдень достигает максимальной величины примерно в 23°.

На рис. 5.1.4 видно, как меняется эффективность при отклонении от оптимального положения. Хорошо заметно, как незначительно со- кращается эффективность работы гелиосистемы (линия10 %) в дальних зонах.

Соединительная линия – крепление гелиоустановки трубами.

 

Рис. 5.1.3. Диаграмма «Высота Солнца»

 

Рис. 5.1.4. Диаграмма понижения эффективности при отклонении от

южного направления.

Для передачи теплоты в качестве теплоносителя наиболее часто применяется вода. Если хотят использовать солнечную энергию и в зимнее время, то необходимо сделать так, чтобы вода не замерзала. Проблему можно решить, обеспечив автоматический спуск воды из контура коллектора. Другое решение состоит в устройстве двух конту- ров; в закрытом первичном контуре протекает незамерзающая жид- кость, из него теплота передается вторичному водяному контуру.

С точности зрения эффективности работы коллектора важным фак- тором является его тепловая изоляция. Для этой цели применяется ба- зальтовая вата, пенополиуретан или стойкий PVC (hPVC).

Производительность коллектора q к, Вт/м ², зависит от солнечного

излучения I, Вт/м ², падающего на коллектор; от потерь, возникающих при отражении и поглощении излучения в съемном укрытии коллектора

Z J  , Вт/м², а также от теплопередачи Z р , Вт/м², зависящей от разницы

температуры коллектора

(рис. 5.1.5).

t к,°C, и окружающего воздуха

t v,°C

Рис. 5.1.5. Тепловой баланс коллектора

 

Тепловые потери за счет теплопередачи включают потери тепло- проводностью, конвекцией и излучением передней стороной, а также боковыми стенками коллектора. Отражение излучения от съемного ук- рытия коллектора 8–30 %, отражение излучения от абсорбера 2–10 %, поглощение излучения укрытием коллектора 4–10 %. Другие потери могут возникать за счет загрязнения съемного укрытия – до 5 % (уменьшает пропускание излучения через укрытие), затенение абсорбе- ра укрытием (около 3 %), наличие снега, наледи и росы.

Если потери от отражения и поглощения солнечного излучения по- стоянны, то для определенной интенсивности солнечного излучения

производительность коллекторов тем больше, чем меньше разница тем- пературы коллектора и температуры окружающей среды (рис. 5.1.5).

Поэтому выгодно температуру теплоносителя поддерживать на воз- можно более низком уровне.

Поскольку температура окружающего воздуха выше в летнее время года, то и эффективность коллектора выше, чем в зимнее время. В лет- нее время года производительность может достигнуть 80 %, а в зим- нее – только 10 %. За год эффективность использования падающего солнечного излучения составит: 75–80 % энергии для нагревания воды на 30 °С; 65–70 % на 45 °С и 55–60 % на 60 °С.

Характерное изменение производительности коллектора в зависи- мости от разности температуры коллектора и окружающего воздуха приведено на рис. 4. Кривая 1 справедлива для укрытия с одинарным простым остеклением, кривая 2 – для укрытий с двойным остеклением. Из рис. 5.1.6 хорошо видно, что небольшая разница температуры кол- лектора и окружающего воздуха позволяет достигнуть значительной эффективности и при простейшем укрытии.

Рис. 5.1.6. Изменение производительности коллектора с расчетной мощ-

ностью 800 Вт/м²

 

Такое решение пригодно, например, для нагревания воды в бассей- не при разнице температуры 25–30 K. Кривая 3 справедлива для очень эффективных коллекторов. Большая эффективность достигается за счет еще большего ограничения тепловых потерь коллектора, а именно за счет того, что абсорбер и теплоноситель находятся в вакууме. В этом случае возникает проблема обеспечения прочности, поэтому такие кол- лекторы имеют вид трубочек. Трубчатые коллекторы действуют эффек- тивно при высокой эксплуатационной температуре. Они значительно чувствительней, чем плоские коллекторы.

Солнечное излучение является переменным во времени источни- ком энергии. Для восполнения его недостатка в систему солнечного устройства включают аккумулятор теплоты. Аккумулировать теплоту можно, используя твердый или жидкий теплоноситель.

Можно также использовать фазовое изменение состояния некото- рых веществ. Выбор теплоносителя в системах аккумулирование зави- сит обычно от характера процесса использования солнечной энергии. При нагреве воды, естественно, для аккумуляции применяется теплая вода. Если же в коллекторах нагревается воздух, то выгодно сохранение теплоты в щебеночном аккумуляторе. Преимуществом этих способов аккумуляции является их легкая реализация, недостатком – малая акку- мулирующая способность и в связи с этим большие размеры устройств. С этой точки зрения наиболее эффективна аккумуляция теплоты с ис- пользованием различных эвтектических смесей (табл. 5.1.1). Недостат- ком этого способа аккумуляции является пока слишком высокая его стоимость.

Таблица 5.1.1

Примеры эвтектических смесей, рекомендуемых для аккумуляции

солнечной энергии

Состав смеси, %	Температура плавления, °С	Аккумулируемая теплота, кДж/кг
CaCI2 – MgCl2 – Н2О 41–10–49	25	175
Ацетамид-кислота стеа- риновая 17–83	65	218
Мочевина NH4NO3 45,3–54,7	46	172

 

Одной из неблагоприятных проблем при аккумуляции теплоты яв- ляются тепловые потери аккумулятора, которые можно значительно снизить, если аккумулятор разместить внутри здания.

Один из таких проектов основан на следующих принципах: основ- ным источником энергии является электроэнергия, потребляемая но- чью; теплота, получаемая за счет электроэнергии ночью и от солнечной энергии днем, аккумулируется водой; накопительная емкости с водой размещается в вертикальном положении и по возможности в середине отапливаемого здания, чтобы теплота, излучаемая с поверхности емко- сти, использовалась для обогрева пространства вокруг него; емкость проходит через все здание от фундамента до плоской крыши, где закан- чивается крышкой с тепловой изоляцией; емкость может быть выполне- на из бетона, стали или слоистого пластика; ее внутренний объем из

расчета 1–1,3 м³ на 10 м² отапливаемой площади, а внутренний диаметр должен быть не менее 80 см.

Элементами солнечного устройства могут также являться: цирку- ляционные насосы, регуляторы контура коллектора, емкости под давле- нием, обменники, расширительные баки и др.

На рис. 5.1.7 дана схема устройства для системы ГВС, на рис. 5.1.8

– комбинированное устройство для системы ГВС и отопления.

Рис. 5.1.7. Схема устройства для системы горячего водоснабжения

1 – коллектор; 2 – накопительная емкость системы ГВ; 3 – воздухоотделитель- ный вентиль; 4 – расширительный бак; 5 – циркуляционный насос; 6 – регулятор;

7 – подвод холодной воды; 8 – выход теплой воды

Рис. 5.1.8. Схема комбинированного устройства для отопления и ГВС

1 – коллектор; 2 – накопительная емкость системы ГВС; 3 – теплообменник; 4 – накопительная емкость системы отопления; 5 – котел; 6 – дополнительный

нагреватель хозяйственной воды; 7 – отопительная система; 8 – подвод холодной воды; 9 – отвод теплой хозяйственной воды

 

Особое место занимает вопрос энергосбережения за счет использо- вания низкопотенциального тепла (5–50 °С) при помощи теплонасосных

установках (ТНУ) для обеспечения отопительно-вентиляционных и тех- нологических нагрузок различных предприятий и объектов ЖКХ (под- робнее ТНУ будут рассмотрены в следующем разделе).

Тепловые насосы (ТН), так же и холодильные установки относятся к трансформаторам тепла, в которых тепло низкого потенциала с темпе-

ратурой

T н, трансформируется (передается) на высокий температурный

уровень T в.

Другой возможностью эффективного использования солнечной энергии является применение теплового насоса, который передает теп- лоту за счет механической работы. Источником теплоты может быть грунтовая или речная вода, атмосферный воздух, земля, воздух, отво- димый из здания, и т. п. В качестве холодильного агента применяют, например, фреон марки R 12, R 22, R 502.

Эффект, полученный от передачи теплоты, тем больше, чем мень- ше разница температуры на входе и выходе.

Если компрессор приводится в действие электроэнергией, которая выработана с эффективностью 28–35 %, то тепловой насос энергетиче- ски выгоден, если фактор e имеет значение 3–4.

Комбинация системы солнечного оборудования с тепловым насо- сом (рис. 5.1.9) имеет следующие преимущества: тепловой насос можно применить и для коллекторов малой энергетической производительно- сти при пасмурной погоде, которой бы одной было недостаточно для отопления; отбор теплоты из первичного контура коллектора сопровож- дается охлаждением теплоносителя, тем самым увеличивается эффек- тивность коллекторов. Недостатком является значительная стоимость.

 

Рис. 5.1.9. Комбинация теплового насоса с солнечным устройством

1 – коллектор; 2 – накопительная емкость; 3 – вентиляторы; 4 – тепловой насос; 5 – испаритель; 6 – конденсатор

Системы солнечного оборудования изменяет архитектуру дома, по- этому их установка должна решаться по согласованию с соответствую- щими архитектурными органами.

Для снижения капитальных затрат коллекторы выгодно устраивать так, чтобы они были частью строительных конструкций. Однако для этого необходим соответствующий уклон кровли, благоприятный для установки солнечного оборудования, лучше с ориентацией на юг. Само- стоятельное размещение коллекторов дороже, чем расположение их в пределах строительных конструкций; однако его достоинством является легкий подход к коллекторам и независимость от здания.

В настоящее время наиболее выгодно использовать солнечную энергию для индивидуальных домов (используемых для постоянного проживания), так как они имеют достаточную площадь кровли, где раз- мещается необходимое количество коллекторов. При неблагоприятной ориентации и при уклоне кровли не отвечающей необходимым требова- ниям установки солнечного оборудования, можно разместить коллекто- ры возле здания. Важно также, что низкоэтажная застройка может быть обеспечена теплотой от центрального источника только при больших капитальных затратах.

Использование солнечного оборудования для системы ГВС и осо- бенно для отопления будет требовать новых подходов к решению строительных конструкций и внутренней планировки зданий. Речь идет о значительном улучшении теплотехнических свойств строительных конструкций по сравнению с современным уровнем, в том числе и                           о прочностных решениях конструкций и т. п. Специального рассмотрения требует размещение аккумулирующей емкости, а также конструкция пола, если он используется для обогрева помещения.

Вопрос эффективности использования солнечной энергии, однако, нужно понимать как открытую проблему. Развитие техники приводит постоянно к совершенствованию оборудования, создаются условия для массового изготовления элементов этого оборудования и тем самым к снижению их отпускной цены. Общественно необходимые затраты на получение энергии, например на покупку топлива, постоянно увели- чиваются, что расширяет возможности применения систем солнечного оборудования.