По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

4.1 Солнечные концентраторы

Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду. Большие зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма "Luz Corp." установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят 354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %.

Все описываемые технологии, кроме солнечных прудов, для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии.

Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции - это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

4.1.1 Солнечные параболические концентраторы

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 ^оC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 ^оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт. Из-за многочисленных законодательных и политических трудностей компания "Luz International" и ее филиалы 25 ноября 1991 года известили о своем банкротстве. Теперь станциями "SEGS I - IX" управляют другие фирмы по старому контракту с "Southern California Edison". От планов постройки "SEGS X, XI, XII" пришлось отказаться, что означает потерю дополнительных 240 МВт запланированной мощности.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

4.1.2 Солнечная установка тарельчатого типа

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 ^оС и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике. В октябре 1989 г. энергокомпания закрыла станцию из-за повреждений на главной турбине и нехватки средств для ремонта станции.

4.1.3 Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником



В этих системах 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. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 ^оC.

Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВт_э. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 ^оC и проходит через приемник, где нагревается до 565 ^оC, 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.

4.2 Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах.

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли - на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный "рассол" используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

Этот тип электростанции испытан в Бейт Ха'Арава (Израиль), возле Мертвого моря. Израиль является мировым лидером в области использования соленых солнечных прудов. Компания "Ormat Systems Inc." установила несколько таких систем в акватории Мертвого моря.

Самая крупная из них имеет мощность 5 МВт. Пруд площадью 20 га превращает солнечный свет в электричество при КПД около 1%. Нижние слои воды в пруде имеют очень высокую плотность. Хотя солнечный пруд успешно работал в течение нескольких лет, в 1989 г. его пришлось закрыть по экономическим соображениям. Крупнейшим в США является солнечный пруд площадью 0,3 га в Эль Пасо (штат Техас). Он проработал без остановки с момента своего открытия в 1986 г. Он приводит в действие 70-киловаттный турбогенератор Рэнкина и опреснительную установку объемом 20 000 литров в день, а также поставляет техническое тепло на соседний пищевой комбинат. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 ^оC в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт·ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки. За пять лет работы установка выработала свыше 50000 кВт·ч электроэнергии. Искусственный соленый солнечный пруд сооружен в Майамисбурге (штат Огайо, США). Он используется для обогрева городского плавательного бассейна и дома отдыха.

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

В большинстве стран мира количество солнечной энергии, попадающей на крыши и стены зданий, намного превышает годовое потребление энергии жителями этих домов. Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания и/или обеспечить их горячей водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество.

Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы. Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца.

Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом, трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра или воды. Энергия Солнца "управляет" погодой на Земле. Большая доля солнечной радиации поглощается океанами и морями, вода в которых нагревается, испаряется и в виде дождей выпадает на землю, "питая" гидроэлектростанции. Ветер, необходимый ветротурбинам, образуется вследствие неоднородного нагревания воздуха. Другая категория возобновляемых источников энергии, возникающих благодаря энергии Солнца - биомасса. Зеленые растения поглощают солнечный свет, в результате фотосинтеза в них образуются органические вещества, из которых впоследствии можно получить тепловую и электрическую энергию. Таким образом, энергия ветра, воды и биомассы является производной солнечной энергии.

5.1 Пассивное использование солнечной энергии

Пассивные солнечные здания - это те, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему.

В пассивной солнечной системе сама конструкция здания выполняет роль коллектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинству наиболее простых систем, где тепло сохраняется в здании благодаря его стенам, потолкам или полам. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементы для накопления тепла, вмонтированные в конструкцию здания (например, ящики с камнями или заполненные водой баки или бутыли). Такие системы также классифицируются как пассивные солнечные. Пассивные солнечные здания - идеальное место для жизни. Здесь полнее ощущается связь с природой, в таком доме много естественного света, в нем экономится электроэнергия.

5.2 Тепловая масса (аккумуляция тепла)

Солнечная радиация, падающая на стены, окна, крыши и другие поверхности, поглощается зданием и сохраняется в виде тепловой массы. Затем это тепло излучается внутрь здания. Тепловая масса в солнечной системе теплоснабжения выполняет ту же самую функцию, что и батареи в солнечной фотоэлектрической системе (см. главу по фотоэлектричеству): накопление солнечной энергии для ее дальнейшего использования.

Тепловая масса может быть интегрирована в пассивную солнечную систему различными способами: от покрытого плиткой пола до заполненных водой емкостей. К материалам, которые поглощают и сохраняют тепло, относятся: бетонные плиты для пола, каменные стены и другие тяжелые строительные материалы. Они являются основным элементом в домах, пассивно использующих солнечную энергию. Даже если большая часть окон здания обращена на юг, но при этом нет запаса тепловой массы, то такой дом не будет энергоэффективным. Необходимо знать, что темная поверхность меньше отражает и больше поглощает тепло. Если пол покрыть темной плиткой, то он будет поглощать тепло в течение дня и излучать ночью. Величина теплового потока зависит от температурного различия между источником тепла и объектом, на который он направлен. Как описано выше, тепло перемещается тремя способами: благодаря проводимости (передача тепла твердыми материалами), конвекции (перемещение тепла благодаря движению жидкостей или газов) и излучению. Поверхность дома теряет тепло также благодаря этим трем способам. Хороший дизайн пассивного солнечного здания помогает минимизировать потерю тепла и максимизировать его эффективное распределение. Количество необходимой тепловой массы (материалы, аккумулирующие тепло) в большой степени зависит от климата. Тяжелые здания с большой тепловой массой более комфортны в жарком сухом или холодном климате, но в жарком и влажном климате такие здания малоэффективны. В прохладном климате тепловая масса действует как тепловой резерв на случай холодной погоды, улучшая, таким образом, комфортность и сокращая потребность во вспомогательном обогреве, за исключением пасмурных или очень холодных дней.

Обеспечение адекватной тепловой массы - обычно самая сложная задача для проектировщика в области пассивного солнечного строительства. Потребность в тепловой массе определяется общей площадью окон, обращенных на юг, и месторасположением здания. Для обеспечения эффективного дизайна необходимо следовать таким принципам:

· Располагайте тепловую массу в местах падения солнечных лучей. Тепловая масса, расположенная в местах прямого падения солнечных лучей, более эффективна по сравнению с массой, помещенной в труднодоступное для солнца место. Здания, проект которых рассчитан на косвенное поглощение солнечных лучей, нуждаются в 3-4 раза большем количестве тепловой массы, чем те, которые используют прямое.

· Распределяйте тепловую массу. Дома, использующие пассивный солнечный дизайн, более эффективны, когда тепловая масса относительно тонкая и распределена на большую площадь. Площадь поверхности тепловой массы должна быть, по крайней мере, в 3 раза, а предпочтительнее даже в 6 раз больше, чем суммарная поверхность окон, обращенных к югу. Плиты для пола, толщина которых составляет 8 - 10 см, более эффективны, чем пол толщиной в 40 - 50 см.

· Не покрывайте тепловую массу. Ковры и дорожки препятствуют передаче энергии к пассивным солнечным элементам и от них. Каменные стены могут иметь сухую отделку, но они не должны быть покрыты большими настенными гобеленами или деревянной обшивкой. Сухая отделка должна наноситься непосредственно на стену, а не на покрытия, прикрепленные к стене и создающие нежелательное изолирующее воздушное пространство между отделкой и тепловой массой.

· Изолируйте внутренние поверхности тепловой массы. Есть несколько методов изолирования плит для пола и внешних каменных стен. Такие меры необходимы для сбережения энергии. К сожалению, иногда могут возникнуть проблемы, например, появление термитов в пенопластовой термоизоляции для панелей перекрытия.

· Тепловая масса должна иметь многоцелевое назначение. Для оправдания финансовых затрат тепловая масса должна служить не только как аккумулятор тепла, но и для других целей. Например, каменные стены, способные хранить тепло, хотя и являются одним из элементов пассивного солнечного дизайна, но имеют неоправданно высокую стоимость, если необходимы только как тепловая масса. Покрытый плиткой пол сохраняет тепло, служит в качестве структурного элемента и является красивым элементом оформления. Внутренние каменные стены являются структурным элементом, разделяют комнаты и хранят тепло.

При разработке пассивной солнечной системы в процессе выбора строительных материалов необходимо обратить внимание на их способность удерживать тепло. Эта величина называется объемной теплоемкостью (Дж/м³·^оС) или, другими словами, это то количество тепла, которое способен поглотить и хранить материал.

Величина объемной теплоемкости для некоторых часто используемых строительных материалов:

Материал	Плотность (кг\м3)	Объемная теплоемкость (Дж/м3·оС)
Вода	1000	4186
Бетон	2100	1764
Кирпич	1700	1360
Камень: мрамор	2500	2250
Материалы, не подходящие для хранения тепла
Гипсокартон	950	798
Древесина	610	866
Матовое стекловолокно	25	25

Раньше проектировщики, работающие в области пассивного солнечного строительства, в качестве теплоносителя использовали воду, хранящуюся в больших контейнерах. Хотя вода и является дешевой, контейнеры и место, которые они занимают, стоят достаточно дорого. Некоторые проектировщики перешли к емкостям, заполненным камнями, используя их как резервуары для тепловой массы. Нужно учитывать, что для сохранения того же количества тепла потребуется камней в три раза больше, чем воды. Однако влажная среда, образующаяся в местах, где устанавливаются емкости с водой, вызывает появление резкого неприятного запаха и является благоприятной средой для размножения грибков и бактерий. Эти проблемы подорвали репутацию такого варианта пассивного солнечного строительства. Хранение тепла с помощью воды и камней требует сложных систем управления, насосов, и вентиляторов. Такой процесс сохранения тепла сегодня почти не используется. Основная причина этого состоит в том, что функционирование таких систем зависит от электроэнергии, эти системы требуют обслуживания, подвергаются периодическим поломкам и, соответственно, требуют ремонта.

5.3 Солнечные коллекторы

С древнейших времен человек использует энергию Солнца для нагрева воды. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца и преобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, использующих тепло.

Для типичного жилого дома или квартиры в Европе и Северной Америке нагрев воды - это второй по энергоемкости домашний процесс. Для ряда домов он даже является самым энергоемким. Использование энергии Солнца способно снизить стоимость бытового нагрева воды на 70%. Коллектор предварительно подогревает воду, которая затем подается на традиционную колонку или бойлер, где вода нагревается до нужной температуры. Это приводит к значительной экономии средств. Такую систему легко установить, она почти не требует ухода.

В наши дни солнечные водонагревательные системы используются в частных домах, многоквартирных зданиях, школах, автомойках, больницах, ресторанах, в сельском хозяйстве и промышленности. У всех перечисленных заведений есть нечто общее: в них используется горячая вода. Владельцы домов и руководители предприятий уже смогли убедиться в том, что солнечные системы для нагрева воды являются экономически выгодными и способны удовлетворить потребность в горячей воде в любом регионе мира.

5.4 Типы солнечных коллекторов

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Их можно разделить на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

· Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода.

· Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.

· Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

5.4.1 Интегрированный коллектор

Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или "термосифонный коллектор", получивший это название потому, что коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами. К этому виду коллекторов принадлежат также "Integrated Collector and Storage" - интегрированные коллекторы-накопители. Они состоят из одного или нескольких черных баков, наполненных водой и помещенных в теплоизолированный ящик, накрытый стеклянной крышкой. Иногда в ящик помещают также рефлектор, усиливающий солнечное излучение. Свет проходит сквозь стекло и нагревает воду. Эти устройства совсем недороги, однако перед наступлением холодов воду из них необходимо слить либо защитить от замерзания.

5.4.2 Плоские коллекторы

Плоские коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает порядка 10% падающей радиации, некоторые пластины-поглотители обрабатываются специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска. Селективное покрытие, используемое в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание. Селективные покрытия отличаются высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Поглощающие пластины обычно изготовлены из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Медь дороже, но лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина-поглотитель должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию. Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов бывают остекленными или неостекленными.

5.4.3 Жидкостные коллекторы

В жидкостных коллекторах солнечная энергия нагревает жидкость, текущую по трубкам, прикрепленным к поглощающей пластине. Тепло, поглощенное пластиной, немедленно передается жидкости.

Трубки могут располагаться параллельно друг другу, причем на каждой имеются входное и выпускное отверстия, либо в виде змеевика. Змеевидное расположение трубок устраняет возможность протекания через соединительные отверстия и обеспечивает равномерный поток жидкости. С другой стороны, при спуске жидкости во избежание замерзания могут возникнуть трудности, так как в изогнутых трубках может местами оставаться вода.

В самых простых жидкостных системах используется обычная вода, которая нагревается прямо в коллекторе и поступает в ванную, кухню и т.п. Эта модель известна как "разомкнутая" (либо "прямая") система. В регионах с холодным климатом жидкостные коллекторы нуждаются в спуске воды в холодное время года, когда температура опускается до точки замерзания; либо в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость. В таких системах жидкий теплоноситель поглощает тепло, накопленное коллектором, и проходит через теплообменник. Теплообменником обычно служит установленный в доме водяной бак, в котором тепло передается воде. Эта модель называется "замкнутой системой" ("непрямой").

Остекленные жидкостные коллекторы используются для нагрева бытовой воды, а также для отопления помещений. Неостекленные коллекторы обычно нагревают воду для бассейнов. Поскольку таким коллекторам не нужно выдерживать высокую температуру, в них применяются недорогие материалы: пластмасса, резина. Они не нуждаются в защите от замерзания, так как используются в теплое время года.

5.4.4 Воздушные коллекторы

Воздушные коллекторы имеют то преимущество, что им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку теплоносителя в воздушном коллекторе труднее заметить и устранить, она приносит меньше неприятностей, чем утечка жидкости. В воздушных системах часто используются более дешевые материалы, чем в жидкостных, например, пластмассовое остекление, потому, что рабочая температура в них ниже.

Воздушные коллекторы представляют собой простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Поглощающими пластинами в воздушных коллекторах служат металлические панели, многослойные экраны, в том числе и из неметаллических материалов. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утепленной задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 ^оС выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надежность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Однако применение солнечных воздухонагревателей по-прежнему ограничивается отоплением помещений и сушкой сельскохозяйственной продукции, в основном в развивающихся странах. Есть несколько факторов, ограничивающих более широкое применение воздушных коллекторов в промышленном масштабе. Среди них большая площадь коллекторов из-за малой плотности и низкой удельной теплоемкости воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным; необходимость длинного воздуховода; высокая потребность в электроэнергии для прогонки воздуха через коллектор, а также трудности аккумулирования теплоты. В регионах с относительно низким поступлением солнечной радиации и долгими периодами неблагоприятной погоды требуется дополнительное тепло; в результате стоимость капиталовложений настолько возрастает, что это ограничивает конкурентоспособность солнечных коллекторов по сравнению с традиционными отопительными системами. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов.



Принцип действия.

Воздушные солнечные коллекторы можно разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В простейшем из них воздух проходит через коллектор под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3-5 ^оC из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных теплопотерь можно достичь подъема температуры на 20-50 ^оC в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные коллекторы позволяют снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах. Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м³ наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 ^оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

5.4.5 Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы

Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни - в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, - к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных коллекторов.

Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.

Вакуумированные коллекторы являются модульными, т.е. трубки можно добавлять или убирать по мере надобности, в зависимости от потребности в горячей воде. При изготовлении коллекторов этого типа из пространства между трубками высасывается воздух и образуется вакуум. Благодаря этому устраняются потери тепла, связанные с теплопроводностью воздуха и конвекцией, вызванной его циркуляцией. Остается радиационная потеря тепла (тепловая энергия движется от теплой к холодной поверхности, даже в условиях вакуума). Однако эта потеря мала и незначительна по сравнению с количеством тепла, передаваемого жидкости в трубке-поглотителе. Вакуум в стеклянной трубке - лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора - снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат - отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.

Существует множество различных видов вакуумированных коллекторов. В некоторых внутри трубки-поглотителя проходит еще одна, третья стеклянная трубка; есть и другие конструкции теплопередающих ребер и жидкостных трубок. Существует вакуумный коллектор, который вмещает по 19 литров воды в каждой трубке, устраняя, таким образом, потребность в отдельном баке для хранения воды. Можно также разместить позади вакуумных трубок рефлекторы, чтобы дополнительно концентрировать на коллекторе солнечную радиацию.

Такие факторы, как атмосферное давление и технические трудности, связанные с запайкой оболочки коллектора, делают его производство весьма трудоемким. Для преодоления колоссальной силы атмосферного давления необходимо укрепить прозрачную оболочку массой внутренних опор. До сих пор не решена проблема создания эффективной высоковакуумной системы при умеренной себестоимости. Имеет смысл применять и адаптировать более совершенные технологии, разработанные для ламповой промышленности с ее испытанным массовым производством. Вполне осуществимо на практике создание трубчатого вакуумированного коллектора и поддержание в нем высокого вакуума по аналогии с электролампами и трубками для телевизоров. Для снижения потерь тепла через внутреннюю газовую атмосферу (т.е. конвективных потерь) необходимо поддерживать идеальную вакуумную изоляцию коллектора в течение всего периода его службы.

В регионах с высокими перепадами температур эти коллекторы гораздо эффективнее плоских по ряду причин. Во-первых, они хорошо работают в условиях как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Эта особенность в сочетании со свойством вакуума сводить к минимуму потери тепла наружу делает эти коллекторы незаменимыми в условиях холодной пасмурной зимы. Во-вторых, благодаря округлой форме вакуумной трубки, солнечный свет падает перпендикулярно поглотителю в течение большей части дня. Для сравнения, в неподвижно закрепленном плоском коллекторе солнечный свет падает перпендикулярно его поверхности только в полдень. Вакуумированные коллекторы отличаются более высокой температурой воды и эффективностью, чем плоские, но при этом они и дороже.

6.ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Солнечная энергия используется в следующих случаях: обеспечение горячей водой жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий; подогрев бассейнов; топление помещений; сушка сельскохозяйственной продукции и др.; охлаждение и кондиционирование воздуха; очистка воды; приготовление пищи.

Применяемые технологии являются полностью разработанными, а первые две - в благоприятных условиях также экономически целесообразны. Смотрите ниже отдельную статью о коллекторах-концентраторах, которые с выгодой применяются для производства электроэнергии, особенно в регионах с большим количеством солнечной радиации.

6.1 Отопление помещений при помощи солнечной энергии

Выше мы говорили только о нагреве воды при помощи солнечной энергии. Активная солнечная отопительная установка может не только обеспечивать горячую воду, но и дополнительное отопление через систему центрального теплоснабжения. Для обеспечения производительности такой системы температура центрального отопления должна быть минимальной (желательно около 50 ^оC), также необходимо аккумулировать тепло для отопления. Удачным решением является комбинация солнечной отопительной установки с подогревом пола, при котором пол является тепловым аккумулятором.

Солнечные установки для отопления помещений менее выгодны, чем водонагреватели, как с экономической, так и с энергетической точки зрения, так как отопление редко требуется в летнее время. Но если летом нужно отапливать помещения (например, в горных районах), то тогда отопительные установки становятся выгодными. В Центральной Европе, например, около 20% общей тепловой нагрузки традиционного дома и приблизительно 50% дома с низким энергопотреблением можно обеспечивать за счет современной активной солнечной системы, оснащенной системой аккумулирования тепла. Оставшееся тепло должно обеспечиваться за счет дополнительной энергоустановки. Чтобы увеличить долю энергии, получаемой от Солнца, нужно увеличивать объем аккумулятора тепла.

В Швейцарии конструируют солнечные установки для частных домов с хорошо утепленными накопительными баками вместительностью 5-30м³ (так называемые, системы Дженни), но стоят они дорого, а хранение горячей воды часто непрактично. Солнечный компонент системы Дженни превышает 50% и даже достигает 100%.

Если бы вышеописанная система полностью работала за счет солнечной водонагревательной установки, то понадобился бы коллектор площадью 25 м³ и бак-накопитель объемом 85 м³ с теплоизоляцией толщиной 100 см. Увеличение теплоемкости аккумулятора энергии приводит к значительному улучшению практических возможностей аккумулирования.

Хотя отопление индивидуальных жилых домов при помощи солнечной энергии является технически возможным, более экономически выгодным на сегодняшний день является вложение средств в теплоизоляцию для сокращения потребности в отоплении.

6.2 Солнечные системы горячего водоснабжения

В настоящее время в нескольких миллионах жилых домов и предприятий пользуются солнечными системами нагрева воды. Это экономичный и надежный вид горячего водоснабжения. Нагрев воды для бытовых целей или отопления с помощью солнечной энергии - естественный и простой метод сбережения энергии и сохранения запасов ископаемого топлива. Хорошо спроектированная и правильно установленная солнечная система может, благодаря своему эстетичному виду, повысить стоимость дома. На новостройках такие системы включаются в общий план строительства, так что они практически незаметны со стороны, тогда как приспособить систему к старой постройке бывает зачастую нелегко.

Солнечный коллектор позволяет своему владельцу сэкономить деньги, не оказывая при этом вредного влияния на окружающую среду. Использование одного солнечного коллектора позволяет сократить выбросы в атмосферу углекислого газа на одну-две тонны в год. Переход на солнечную энергию предотвращает выбросы и других загрязнителей, таких как двуокись серы, угарный газ и закись азота.

Горячее водоснабжение - наиболее распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации, например в Северной Европе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Больше получить невозможно, разве что с помощью сезонного регулирования (см. главу ниже). В Южной Европе солнечный коллектор может обеспечить 70-90% потребляемой горячей воды. Нагрев воды в помощью энергии Солнца - очень практичный и экономный способ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности 10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В сочетании с деревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворять практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

6.3 Обогрев бассейнов

Системы подогрева воды для бассейнов - весьма полезное вложение денег. Департамент энергетики США выяснил, что плавательные бассейны по всей стране потребляют колоссальное количество энергии, и признал обогрев бассейнов одним из наиболее экономически выгодных путей снижения потребления энергии. В США и Европе солнечные обогреватели для бассейнов используются практически повсеместно. Только в Соединенных Штатах свыше 200000 бассейнов обогреваются солнечной энергией. Самые старые из этих систем находятся в эксплуатации уже более 25 лет и показали себя экономичными, высоконадежными, требующими минимального ухода. Важно отметить, что они хорошо работают и экономят деньги в течение купального сезона даже в условиях северного климата. Существуют солнечные системы для закрытых бассейнов, а также для крупных городских и коммерческих бассейнов.

Несмотря на то, что стоимость такой установки меняется в зависимости от размера бассейна и других специфических условий, если солнечные системы устанавливаются с целью снижения или отказа от потребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года окупаются за счет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на несколько недель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.

В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогреватель для бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому в бассейн подается вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установить абсорбер. Закрытые бассейны требуют установки стандартных коллекторов, чтобы обеспечить теплую воду и зимой.

Хотя чаще всего коллекторы устанавливают на крыше, для этого подходит любое место, куда большую часть дня поступает солнечный свет. Вид крыши и материалы, из которых она сделана, не имеют значения. Площадь коллекторов для данного бассейна рассчитывается, исходя из площади самого бассейна.

Правильное соотношение площади бассейна к площади солнечного коллектора будет меняться в зависимости от таких факторов, как его размещение, ориентировка относительно Солнца, количество тени, падающей на бассейн и коллектор и желаемая продолжительность купального сезона. Однако в целом площадь коллектора обычно составляет 50 - 100% от поверхности бассейна.

6.4 Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт Helios с фотоэлементами на крыльях.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что ни как не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из сказанного выше следует вывод о перспективности фотоэлектрической солнечной энергетики. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится "под рукой" у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии.

Недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Поэтому весьма важной является проблема аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных энергоустановок. В настоящее время эта проблема решается в основном путем использования обычных химических накопителей - аккумуляторов. Одним из перспективных способов аккумулирования является использование электроэнергии для электролиза воды на водород и кислород с последующим хранением и использованием водорода в качестве экологически чистого топлива, так как при сгорании водорода образуются только пары воды.

Крупномасштабное развитие фотоэнергетики даст огромный толчок развитию районов Земли с высоким среднегодовым поступлением солнечного излучения. Это касается в первую очередь пустынных и засушливых районов, которые с "приходом" солнечной электроэнергии станут районами, пригодными для активного земледелия - житницами Земли. Значит ли это, что усилия специалистов надо сосредоточить только на разработке фотоэлектрических преобразователей и решении непосредственно связанных с ними проблем? Конечно, нет. Нельзя развивать какое-то одно направление за счет подавления других направлений. Это же касается и электроэнергетики: ее нельзя строить, базируясь только на одном виде ресурсов. Она должна основываться на многих источниках: солнечных, ветровых, атомных и, конечно, на традиционных, ископаемых источниках. Это позволит найти оптимальные пути их взаимодействия, постепенно переходя к совершенной, экологически чистой и надежной энергетике будущего.

Литература

1. Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. // Соросов. образоват. журнал. -- 1996. -- № 7. -- С. 93 -- 98.

2. Згут, М. Ловушки для солнца: [О конструкциях накопителей солнеч. энергии] // Наука и жизнь. -- 1988.-- № 6. -- С. 87 -- 88.

3. Емельянов, А. Солнечная альтернатива: Альтернативная энергетика // Экология и жизнь. -- 2001. -- № 6. - С. 22 -- 23.

4. Игнатишев, Р. Надежда на солнце: Светоэлектропреобразовательная энергетика в Беларуси // Бел. думка. -- 2002. -- № 9. -- С. 80 -- 83.

5. Лебедев. В. Солнечное будущее: альтернативная энергетика/ В. Лебедев // Наука и инновации, 2008, № 5. -- 2008. -- С. 19 -- 21.