10228

30

С позиции возобновляемых источников энергии, Солнце является первоисточником большинства из рассматриваемых видов: непосредственно солнечная радиация, ветер (ветряная энергетика), теплота грунта (геотермальная энергетика), энергия движения воды и т.д. Поэтому во избежание путаницы в дальнейшем под солнечной энергетикой будем понимать только энергию солнечного света, которая основана на преобразовании электромагнитного излучения в электрическую или тепловую энергию.

Облучение параллельным пучком лучей поверхностей, поступающих с направления солнечного диска, называют инсоляцией (от лат. in — «внутрь» + sōl — «солнце»). Инсоляция значительно изменяется при переходе от одной точки земной поверхности к другой.

Среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную площадку, составляет:

вЦентральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт×ч/м2;

вСредиземноморье - приблизительно 1700 кВт×ч/м2;

вбольшинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт×ч/м2.

Вращение Земли вокруг Солнца не имело бы столь большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. При этом в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и были бы лишь незначительные сезонные изменения инсоляции, обусловленные изменением расстояния до Солнца при движении нашей планеты по орбите. В реальности земная ось отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23°,

ииз-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите.

Преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию

В основе преобразования энергии солнечного излучения в электрическую лежит фотоэффект - процесс испускания электронов металлами под действием света. Этот процесс связан с физическим явлением электронно-дырочного перехода (p-n- перехо́д) — области соприкосновения двух полупроводников p-типа (positive, положительный, дырочный) и n-типа (negative, отрицательный, электронный), в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому.

31

Рис. 23. Схема преобразования солнечной энергии в электрическую энергию Конструктивно фотоэлемент состоит из двух пластин полупроводникового

материала - кремния. Одна из используемых пластин содержит атомы бора, а вторая атомы мышьяка. При этом верхний слой характеризуется переизбытком электронов (область электронов), а нижняя – их нехваткой (так называемая дырочная область). Таким образом, на границе пластин поддерживается электронно-дырочный переход. В результате попадания на фотоэлемент солнечных лучей (фотонов) происходит освещение пластин и оба слоя взаимодействуют как электроды обыкновенной батареи – возникает Электродвижущая сила. Солнечный луч возбуждает электроны, которые начинают перемещаться из одной пластины в другую. Для снятия электрической энергии на обе поверхности напаивают тонкие слои проводника и подключают к нагрузке.

Кремний для производства солнечных электростанций может быть монокристаллическим или поликристаллическим. Внешне монокристаллический кремний можно отличить по равномерному чёрно-серому цвету поверхности фотоэлемента. Этот вид материала выращивают в промышленных условиях, после чего специальной нитью разрезают на тонкие пластины. Второй тип представляет собой более современное поколение элементов, сделанных из более доступного поликристаллического кремния. Изготовление проходит методом литья. Выглядит материал как поверхность с неравномерным синим переливом.

33

Рис. 27. Схема преобразования энергии электромагнитного излучения солнечных лучей в электрическую.

Солнечные панели являются источниками постоянного тока, а бытовые приборы в доме работают на переменном. Прежде чем осуществить это преобразование в инверторе ток проходит через контроллер заряда, который отключает нагрузку от аккумуляторных батарей, если они недопустимо разряжены, а также солнечную панель, если аккумуляторы полностью заряжены. В случае, если же аккумулятор заряжен, но через него продолжает протекать зарядный ток, то это может привести к закипанию электролита и бурному газовыделению (в случае с заливными батареями) или к вспучиванию и даже взрыву герметичных аккумуляторных батарей. В остальных случаях излишки полученного постоянного тока накапливаются в аккумуляторных батареях и расходуются по мере необходимости. Далее, постоянный ток преобразуется в переменный в инверторе, работающем при напряжении от 150 до 1000 Вольт. Затем полученный переменный ток с напряжением, как правило, 220 Вольт распределяется по бытовым приборам.

Конструкции солнечных панелей постоянно подвергаются модернизации, поскольку в среднем они имеют невысокий КПД в 23%, эффективность их работы зависит от погодных факторов (количества солнечных дней, выпадения осадков), они имеют достаточно высокую стоимость и длительный срок окупаемости.

Альтернативой кремниевым солнечным панелям, могут служить высокоэффективные солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ), работа которых организована на основе наногетероструктурных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и концентраторов солнечного излучения (линзы Френеля).

34

Рис. 28. Концентраторный фотоэлектрический модуль (0,5 м х 0,5 м) на основе 144 каскадных ФЭП и линз Френеля (разработка Физико-технического института им. А.И. Йоффе Санкт-Петербург)

Преобразование энергии солнечного излучения в тепловую энергию

Тепловая энергия солнечного излучения может быть использована для нагрева теплоносителя (воды или воды с добавлением незамерзающих жидкостей, например этиленгликоля), который впоследствии используется для нужд горячего водоснабжения, отопления и.т.д.

Устройство для сбора теплоты от видимого солнечного света и его инфракрасного излучения называют солнечным коллектором.

Различают коллекторы плоского типа и вакуумного типа.

Плоский коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемый в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя.

Рис. 29. Схема плоского коллектора.

Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Основным элементом вакуумного коллектора является вакуумная трубка. Она состоит из двух стеклянных труб (одна трубка вставлена в другую с большим диаметром). Внешняя труба выполнена из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла. Внутренняя труба также сделана из прозрачного боросиликатного стекла, покрытого

35

специальным селективным нанопокрытием, которое обеспечивает максимальное поглощение тепла при минимальном отражении. Во избежание кондуктивных и конвективных теплопотерь из пространства между двумя трубами выкачан воздух и создан вакуум. Для поддержания вакуума между двумя стеклянными трубами используется бариевый газопоглотитель (такой же, как в телевизионных трубках).

Рис. 30. Устройство вакуумной трубки.

Наибольшее распространение получили три типа вакуумных коллекторов:

1)трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде;

2)вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником;

3)вакуумный коллектор с термотрубками.

В трубчатом вакуумном коллекторе с прямой теплопередачей воде вакуумные трубки соединены с накопительным баком. Из контура теплообменника вода течёт прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. Такие системы еще называют термосифонными.

36

Рис. 31. Трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде.

К преимуществам этих систем относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом, обеспечивается циркуляция во всей системе. В маленьких системах бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из выше расположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы. Такая система имеет минимальное гидравлическое сопротивление.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником имеет все преимущества и особенности предыдущего типа коллекторов. Отличием является наличие встроенного в бак эффективного теплообменника, что позволяет подсоединить коллектор с баком к напорной сети водоснабжения.

37

Рис. 32. Трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником спирального типа.

При этом в трубках по-прежнему практически нет давления. Одним из преимуществ также является возможность заполнения водонагревательного контура незамерзающей жидкостью, что позволяет использовать его и при небольших минусовых температурах (до минус 5-10 градусов). Другим преимуществом является то, что в коллекторе не откладываются соли жесткости и другие загрязнения, так как объем теплоносителя один и тот же, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному теплообменнику.

Главным элементом вакуумного коллектора с термотрубками является

термотрубка – закрытая медная труба с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Работа высокотехнологичных вакуумных трубок основана на простом принципе тепловой трубы, которая представляет собой полый медный стержень, запаянный с обоих концов с расширением в верхней части. Внутри него находится нетоксичная жидкость (иноргатик).

38

Рис. 33. Вакуумный коллектор с термотрубками.

При нагревании жидкости до температуры кипения она закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть – наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-380 °С. И там конденсируется, отдавая тепло. А конденсат стекает по стенкам трубки вниз и процесс повторяется. Тепловая трубка вставляется в стеклянную трубу и фиксируется между двумя алюминиевыми ребрами. Форма ребер такова, что площадь их контакта с тепловой трубкой и внутренней поверхностью вакуумной трубы максимальна. Такая модель ребер обеспечивает максимальную передачу тепла к медной тепловой трубке, а потом теплоносителю в проточном теплообменнике.

Компания Ruсelf в своих каталогах приводит результаты сравнительного анализа эффективности солнечных коллекторов (таблица 1)

Из таблицы видно, что на сегодняшний день самым эффективным является вакуумный коллектор с термотрубками, единственным минусом которого, по отношению ко всем остальным коллекторам является его высокая стоимость. В России применение остальных типов коллекторов будет напрямую зависеть от климатических условий конкретного региона, однако в большинстве случаев эффективность использования в

39

различные периоды года будет неравномерной. Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде не сможет работать в минусовые и близкие к минусовым температуры наружного воздуха, поскольку его единственным теплоносителем является вода. В то же время он может стать оптимальным коллектором для стран, где минусовые температуры в течение года отсутствуют.

Помимо солнечного коллектора в систему приготовления и транспортировки теплоносителя входят контроллер (солнечный блок управления), насосы, расширительный бак и накопительный бойлер.

Рис. 34. Схема работы системы ГВС с плоским коллектором.