Солнечная энергетика (лекция № 7)

Содержание
Классификация солнечных установок (СУ) и их особенности.
Основные технические схемы СУ и их характеристики.
Экономика и социально-экологические аспекты СЭ.

Классификация СУ

Солнечные энергетические установки коммунально-бытового назначения
Относительно классификации: СИ используется для тепловой энергии, автономный потребитель, размещение на Земле, с постоянной ориентацией на Солнце, простые, по стационарности: передвижные, переносные и стационарные. Наибольшее распространение получили плоские солнечные коллекторы (используются все три составляющие СИ).
Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник

Солнечные энергетические установки коммунально-бытового назначения
а) б) в) г) д)
а) открытый резервуар на поверхности Земли;
б) открытый резервуар поднятый над Землей;
в) черный резервуар на крыше здания;
г) черный резервуар изолированный от контакта с Землей или крышей;
д) черный резервуар в контейнере со стеклянной крышкой.
(Продолжение)

Солнечные энергетические установки коммунально-бытового назначения
В целом в подобных простейших нагревателях воды удается достигать температуры до 400÷500 С, что вполне комфортно для бытовых условий и достижимо за весьма небольшой промежуток времени.
Достоинства: дешевы и можно изготавливать из подручных средств
Недостатки: большие потери тепла, можно использовать в отдельные периоды времени
(Продолжение)

Плоские солнечные коллекторы (СК)
Состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей поверхности, окрашенной со стороны к солнцу в черный цвет и изоляции на обратной стороне и корпуса.
В нижней части СК расположен теплоприемник – абсорбирующая поверхность с коэффициентом поглощения СИ до 90%, при поглощении СИ даже без стекла она нагревается от 500 С до 800 С.
Для защиты от ветра тепловоспринимающую поверхность помещают в контейнер.
Производительность: В средней полосе Европы в летний период производительность таких CК может достигать 50-60 литров воды, нагретой до 60°С -70°С с каждого квадратного метра в день.

Плоские солнечные коллекторы
Коэффициент поглощения солнечной энергии коллектором
достигает 98%, но из-за потерь КПД ниже и составляет от 50
до 75%.
(Продолжение)

Особенности плоских солнечных коллекторов
Эффективность солнечного коллектора может быть увеличена примерно на 20% при использовании на теплоприемной поверхности селективно поглощающих покрытий, которые обладают свойством хорошо поглощать видимую часть солнечною спектра и практически не излучать в инфракрасной области спектра.
При заданной величине СИ эффективность процесса преобразования СИ в тепло будет зависеть от четырех КПД всех основных элементов СК, т.е. от коэффициента пропускания СИ через светопрозрачное покрытие; КПД теплопоглащающего материала абсорбера; КПД теплоизоляции и КПД корпуса СК.
3. Неравномерность загрузки в течение суток и года.
4. В средних широтах требуют больших баков аккумуляторов.

Особенности вакуумных солнечных коллекторов

Активные и пассивные системы для подогрева воды с использованием солнечных коллекторов
Пассивные системы – с естественной циркуляцией воды
1 – СК;
2 – бак-накопитель нагретой воды (НВ);
3 – отводящая труба;
4 – подводящая труба холодной воды (ХВ)
Так как плотность воды в верхней части СК меньше, чем внизу, следовательно в системе возникает разность давлений (Δp, в Па), которая вызывает естественную циркуляцию воды в СУ.

Активные и пассивные системы для подогрева воды с использованием солнечных коллекторов
2. Активные системы – с принудительной циркуляцией воды
Одноконтурная схема:
1 – солнечный коллектор;
2 бак-аккумулятор;
3 – насос;
4 – клапан; ХВ и ГВ – холодная и горячая вода.
Их основное отличие от пассивных схем заключается в наличии в них насоса для принудительной подачи холодной воды в СК и далее в бак-аккумулятор.
СК целесообразно покрывать не более 80% всей потребности в горячей воде, поэтому в подобных СУ обычно включается система дополнительного подогрева воды (ДПВ) (например, электроподогрев или топливный котел).

Солнечные пруды
В замкнутый водоем или пруд наливают несколько слоев жидкости с разной концентрацией солей (концентрация солей минимальная – в верхних слоях, максимальная – в нижних), то при освещении этого пруда СИ нижние слои будут нагреваться значительно до более высокой температуры, чем верхние.
В зависимости от конструктивных особенностей солнечного пруда и состава раствора солей, в нижних слоях солнечного пруда можно получить горячую жидкость с температурой 60-900 С
3. Растворы солей в разных слоях жидкости в солнечном пруде должны быть подобраны так, чтобы избежать естественной конвекции.
Электростанция с солнечным прудом:
1- дамбы;
2 – горячая вода с высокой концентрацией соли;
3 – охлажденная вода;
4 – теплообменник;
5 – турбина; 6 – генератор;
7 – конденсатор;
8 - насосы

Башенные солнечные электростанции (БСЭС)
1. В основе БСЭС лежит широко известный термодинамический цикл обычной ТЭС, где вместо парового котла, нагреваемого за счет сжигания органического топлива (газ, нефть, уголь, торф и т.д.) используется аналогичный котел с разными жидкими или парообразными теплоносителями, нагреваемыми за счет СИ.
2. Приемник СИ (котел) размещается высоко над Землей на башне (отсюда и название СУ – башенные), на который концентрируется СИ с помощью множества автоматически управляемых зеркальных отражателей (гелиостатов).
(КПД БСЭС ~17%)

Башенные солнечные электростанции (БСЭС)
а) Основные сооружения БСЭС:
1 – башня,
2 – котел-теплоприемник СИ,
3 – гелиостаты;
б) Принципиальная схема преобразования солнечной энергии в электрическую:
1 – гелиостаты,
2 – котел,
3 – турбина,
4 – генератор,
5 – конденсатор
Мощность БСЭС во многом определяется высотой башни с котлом –приемником СИ. В этом случае высокая башня исключает эффект взаимного затенения гелиостатов. Для мощности БСЭС в 50÷100 МВт требуется башня высотой 200÷300 м с используемой площадью полем гелиостатов в 2÷3 км2 (около 15÷25 тысяч).

БСЭС, построенные в конце XX века в мире

Концентраторы СИ
Концентраторы СИ - это оптические системы направляющие поток СИ на приемник.
Особенности использования концентраторов:
Концентраторы необходимо непрерывно ориентировать на Солнце.
Высокая стоимость конструкции.
Необходима постоянная очистка поверхности.
Способны нагревать теплоноситель до высоких температур.

Концентраторы СИ

Фотоэлектрические преобразователи
В солнечных фотоэлектрических установках (СФЭУ) используется явление фотоэффекта – под действием падающего света в солнечном элементе происходит перераспределение зарядов и возникает ЭДС.

Фотоэлектрические преобразователи
Определение выработки электрической энергии с помощью СФЭУ проводится по формуле :
где n – количество СФЭМ, – площадь СФЭМ, – КПД СФЭМ, определяется по формуле :
где τ– коэффициент прозрачности защитного покрытия, 0.85; Кзап– коэффициент заполнения солнечного элемента, для прямоугольных элементов 0,98-0,99 о.е., для элементов округлой формы менее 0,9; ηΔN– КПД, определяющий потери мощности при последовательной коммутации СФЭМ, обычно 0,9-0,95 о.е.; ηΔU – КПД, определяющий потери напряжения в сети при передачи энергии от элемента к потребителю, обычно 0,95-0,97 о.е.; ηСФЭМ – КПД СФЭМ, определяющийся материалом элемента, числом слоев и конструкцией.