Солнечная энергия. Располагаемые запасы и перспективы использования солнечной энергии. Конструкции солнечных панелей. – 2 часа

В летнее время средние потоки солнечной радиации составляют 5 – 6 кВт ч/м²день, что практически равно потокам радиации в южных странах, где солнечные установки уже нашли широкое коммерческое применение. Вместе с тем в зимний период среднее поступление солнечной энергии в 3 – 4 раза ниже летнего. Среднедневные температуры наружного воздуха существенно опускаются ниже нуля лишь в феврале, что позволяет рассматривать возможность использования солнечных установок без применения незамерзающих теплоносителей в течение большей части года (9 – 10 месяцев).

На эффективность работы солнечных установок заметное влияние оказывает угол наклона солнечного коллектора к горизонту (при оптимальной южной ориентации плоскости коллектора).

Технологии использования солнечной энергии для нагрева воды и отопления зданий сегодня являются наиболее разработанными и продвинутыми на рынок. Суммарная площадь солнечных коллекторов теплоиспользующих установок, действующих в мире, оценивается в 60 – 70 млн. м². Только в европейских странах к концу 2002 года действовало более 16 млн. м² солнечных коллекторов, и в соответствии с прогнозом Европейского Союза к 2010 году их количество в странах ЕС должно возрасти до 100 млн. м², что эквивалентно объему производства тепловой энергии 10 – 12 млн. т у.т. в год.

Солнечные водонагревательные установки (СВУ) находят все более масштабное применение в частном и общественном секторах Германии, Испании, Дании, Швеции, Финляндии и других стран с похожими на российские климатическими условиями. В США и Канаде более 60 % частных и общественных плавательных бассейнов обогревается с помощью солнечной энергии.

В Казахстане установки солнечного нагрева воды пока не получили широкого применения, что связано с пока еще относительно низкими по сравнению с другими странами ценами на энергоносители и с недостаточной подготовленностью рынка.

Вместе с тем, в последние годы, в связи с ростом тарифов на энергию и цен на топливо и стремлением потребителей к повышению надежности теплоснабжения за счет создания собственных источников тепловой энергии, интерес к использованию солнечных водонагревательных установок резко возрос.

Основные технические проблемы, стоящие на пути широкого практического применения солнечной энергии для тепло- и энергоснабжения связаны, прежде всего, с относительно низкой плотностью потока энергии, что обусловливает необходимость использования приемников солнечного излучения значительной площади, и его непостоянством во времени, что требует создания аккумуляторов энергии.

В конечном итоге, несмотря на то, что солнечное излучение само по себе бесплатно, построение систем сбора, преобразования и аккумулирования энергии приводит к необходимости значительных затрат на создание солнечных установок и снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, особенно если последние используют дешевое органическое топливо.

Таким образом, основная задача проводимых во многих странах мира, в том числе и Казахстана, исследований и разработок состоит в научном обосновании и создании технологий и оборудования для использования солнечной энергии. Эти разработки могли бы найти ниши для экономически эффективного применения в различных сферах народного хозяйства с учетом специфики регионов и конкретных потребителей.

Конструкции солнечных панелей поглотителей и теплообменников

Основные наиболее перспективные сферы применения солнечных нагревательных установок следующие:

– горячее водоснабжение индивидуальных жилых домов, объектов санаторно-курортного и оздоровительного назначения, полевых станов, и других объектов жилищно-коммунального и сельского хозяйства. Использование солнечных установок оказывается особенно эффективным, если они замещают электрические водонагреватели или нагреватели, работающие на жидком топливе.

Первоочередной интерес представляют объекты, нагрузка которых по горячему водоснабжению имеет летний максимум, то есть совпадает с максимальным поступлением солнечной энергии на поверхность земли (летние дома отдыха, санатории, летние кафе, некоторые объекты сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, дачные участки и т. п.);

– использование солнечной энергии для подогрева воды в общественных и частных плавательных бассейнах;

– обеспечение теплом разнообразных сушилок сельскохозяйственной и другой продукции, работающих в теплый период года;

– представляет интерес рассмотрение возможности создания солнечно-топливных котельных, работающих на жидком топливе и угле.

Пример использования солнечной водонагревательной установки дан на рисунке 4.1.

Рисунок 4.2 – Пример использования солнечной водонагревательной установки

Вероятность получения только за счет солнечной энергии горячей бытовой воды в летний период превышает 80 %. В неотопительный период (с апреля по октябрь) получение горячей воды за счет солнечной энергии можно ожидать в 60 – 70 % дней. Для повышения надежности горячего водоснабжения солнечная установка может быть снабжена дублирующим источником энергии.

Основным рабочим элементов таких систем является солнечный коллектор.

Солнечные коллекторы (СК) – это технические устройства, предназначенные для прямого преобразования солнечного излучения (СИ) в тепловую энергию в системах теплоснабжения для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Системы теплоснабжения обычно принято разделять на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы теплоснабжения, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы здания или сооружения и не требуют дополнительного специального оборудования.

В настоящее время в мире все большее распространение получают активные системы теплоснабжения со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распределения энергии СИ. Эти системы, по сравнению с пассивными, позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обеспечить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабжения в целом.

Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам:

– назначению: для горячего водоснабжения и отопления;

– виду теплоносителя: жидкостные и воздушные;

– продолжительности работы: сезонные и круглогодичные;

– техническому решению: одно-, двух- и многоконтурные.

Сегодня наиболее распространены плоские водонагреватели или СК, позволяющие использовать как прямую, так и диффузную составляющую СИ.

Такой СК представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны к СИ и боков ящик, внутри которого расположены теплопоглощающие каналы, по которым движется теплоноситель. Сверху СК закрыт светопроникающим материалом. Циркуляция теплоносителя в таком подогревателе (чаще всего воды) может осуществляться принудительно с помощью небольшого насоса или естественным путем за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и горячей воды (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3– Общий вид и схема работы солнечного коллектора

Обычный солнечный водоподогреватель для нагрева воды до 50 60 ^оС, в котором облучаемая поверхность ориентирована на юг под углом 25 ÷ 35 градусов к горизонту, имеет дневную производительность в среднем 70 ÷ 80 л воды с 1 м² поверхности нагревателя.

В ряде стран мира солнечные коллекторы систем теплоснабжения стали обычным атрибутом жизни. Технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны. Например, в США более 60 % находящихся в среднем на широте Крыма частных и общественных бассейнов обогреваются за счет СИ. При этом используются простейшие и дешевые системы – бесстекольные, без тепловой изоляции, пластиковые.

Лекция 5