Сонячна енергетика

Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція на Сонце. Основна частина цієї енергії випускається у вигляді електромагнітного випромінювання в діапазоні довжин хвиль λ = 0,2 - 0,3 мкм. При проходженні через атмосферу сонячне світло послабляється, в основному за рахунок поглинання інфрачервоного випромінювання парами води, ультрафіолетового випромінювання - озоном і розсіювання випромінювання молекулами газів, що й перебувають у повітрі частками пилу й аерозолями. Параметром, що відображає вплив атмосфери на інтенсивність і спектральний состав сонячного випромінювання, що доходить до земної поверхні, є атмосферна маса (AM). При нульовій повітряній масі AM 0 у верхньої границі атмосфери інтенсивність випромінювання рівна ЄС = 1360 Вт м². Величина AM 1 відповідає проходженню сонячного випромінювання через безхмарну атмосферу до рівня моря при зенітальному розташуванні Сонця. Повітряна маса для будь-якого рівня земної поверхні в будь-який момент дня визначається по формулі

(10.1)

Де: Р - атмосферний тиск, Па; Р₀ - нормальний атмосферний тиск (1,013105 Па); q - кут висоти Сонця над обрієм. Найбільш характерної в земних умовах є величина AM 1,5 (). Вона прийнята за стандартну при інтегральній поверхневій щільності сонячного випромінювання ЄС = 835 Вт м². Енергія фотонів, у випромінюванні з довжиною хвилі λ , визначається з наступного вираження:

(10.2)

Тут: h - постійна Планка; с - швидкість світла; λ - довжина хвилі випромінювання.

На сонце предмети нагріваються в результаті поглинання ними енергії сонячного випромінювання. Це загальновідоме явище використовується в пристроях для теплового перетворення енергії. Такі, досить прості пристрої, називаються колектори або приймачі сонячного випромінювання. У якості прикладу на рис. 10.1. показані найпростіші колектори сонячного випромінювання.

Де: 1 - пластина колектора; 2- полююча підстава; 3- прозоре покриття.

Рис. 10.2. Найпростіші колектори сонячного випромінювання

Якщо позначити інтенсивність сонячного випромінювання через Е, а поглинаючу здатність пластини для цього виду радіації, позначити через α_с. Та можна показати, що під дією сонячного випромінювання пластина нагрівається доти, поки не досягне рівноважної температури Т. При такій температурі інтенсивність падаючого випромінювання, і того що випускається, рівні:

(10.3)

де: ε - випромінювальна здатність пластини при низьких температурах.

Тоді рівноважну температуру - Т можна визначити з рівняння

(10.4)

З наведеного рівняння видно, що рівноважна температура тем виїде, чим більше відношення α_c/ε.

Важливим фактором, що впливають на збирання сонячної енергії, є довгохвильове випромінювання, що приходить із атмосфери. Воно випускається головним чином молекулами вуглекислого газу й водяної пари при поглинанні ними прямого сонячного випромінювання, а також випромінювання, відбитого від землі й обумовленого конвекцією. Спектри поглинання цих молекул, обумовлені їхнім коливальним і обертовим рухами, лежать у видимій. і в інфрачервоній областях спектра. Загальна інтенсивність Р_а цього випромінювання суттєво залежить від змісту в атмосфері водяної пари, особливо поблизу земної поверхні. При підвищеній вологості й суцільної хмарності атмосфера поводиться приблизно так само, як чорне тіло з температурою близько 280 К (10° С); відповідна інтенсивність випромінювання на горизонтальній поверхні становить близько 300 Вт/м². Загальна ж інтенсивність атмосферного випромінювання рідко падає нижче 100 Вт/м².

Для збирання цього випромінювання застосовують так звані селективні поглиначі. Звичайно такий поглинач являє собою поліровану металеву поверхню, покриту тонкої темного кольору захисною плівкою окисів нікелю або міді. Його поглинаюча здатність у короткохвильовій області досить висока, порядку 0,9. При дуже тонкому покритті подібний поглинач прозорий для випромінювання з довжиною хвилі, що перевищує його товщину. Тоді його випромінювальна здатність у довгохвильовій частині спектра повинна бути не вище, чим у металу, тобто близько 0,1. Рівноважна температура такого селективного поглинача з величиною відносини α_с/ε, близької до 9, у розглянуті раніше умовах повинна підвищитися до 427 К, або 1540 С (якщо інтенсивність довгохвильового атмосферного випромінювання становить 200 Вт/м², а поглинаюча здатність до цього виду випромінювання рівна 0,1). Однак добитися такого істотного поліпшення практично дуже складно. Основні труднощі полягає в тому, що більшість селективних покриттів дуже чутливо до пилового забруднення, і в природних умовах їх характеристики згодом швидко погіршуються.

Крім звичайних плоских колекторів існують і інші конструкції сонячних колекторів, наприклад сонячний басейн. У такому пристрої поглиначем служить безпосередньо водний басейн, який при необхідності можна обладнати будь-яким покриттям. Під впливом сонячної радіації температура води підвищується як за рахунок безпосереднього поглинання водою фотонів енергії, так і за рахунок теплообміну між поглинаючим випромінювання днищем басейну й водою. При нагріванні вода розширюється й нагріті більш легкі шари піднімаються нагору. Було виявлено, що в деяких природних водоймах самі нагріті шари води виявляються скоріше на дні, чому на поверхні. Як припускають, це явище обумовлене високим змістом солі в таких водоймах і температура змінюється із глибиною басейну так само, як і концентрація солі, яка в поверхні води виявляється нижче, чим у дна. Результати експериментів показали, що рівноважна температура в подібних басейнах може досягати 100° С.

Процес поглинання сонячної радіації здійснюється тут почасти в товщі води, а почасти в дна басейну. Він супроводжується складним перерозподілом енергії між різними шарами рідини за рахунок теплопровідності й випромінювання. Внаслідок цього характеристики випромінювання басейну визначаються його поглинаючими властивостями. Для простоти можна вважати, що такий басейн подібний плоского колектора. Сонячні басейни мають ряд переваг перед колекторами інших типів. Це найбільш дешеві приймачі більших кількостей сонячної енергії; завдяки високій теплоємності води вони мають широкі можливості збереження внутрішньої енергії, і, незважаючи на різні технічні труднощі, сонячні басейни знаходять усе більше застосування.

Сонячна енергія використовується також для потреб опалення й нагрівання води. Необхідно відзначити, що використання сонячної енергії для опалення й гарячого водопостачання є одним з найпоширеніших способів її застосування. Системи гарячого водопостачання на основі плоского сонячного колектора вже зараз одержали широке поширення в Ізраїлеві і Японії, а на півдні США й навіть у Європі діють досить більші експериментальні установки для опалення будинків і нагрівання води в плавальних басейнах. На рис. 2.6. показана схема сонячного водонагрівача. Перебуваючи в тісному контакті з поглиначем колектора, вода нагрівається й за допомогою насоса або природної циркуляції приділяється від нього. Потім нагріта вода надходить у сховище, звідки її можна витрачати по необхідності.

У сонячному нагрівані, зображеному на рис. 10.2., основним теплообмінником є поглинач. Вода тут або безпосередньо обмиває тильну частину - пластини поглинача, або проходить через систему труб, що є частиною цієї пластини.

За умови якісного теплообміну між навколишнім середовищем і пластинами (це характерно для нагрівання води), температури поглинача й води стають однакові.

Оскільки вода нагрівається при проходженні через колектор, мабуть, що на вході поглинач холодніше, ніж на виході. Перепад температури залежить як від питомої теплоємності рідини, так і її швидкості. Корисна потужність такого нагрівана залежить від потужності падаючого на нього сонячного випромінювання, тому необхідно, насамперед вибрати найкращу орієнтацію колектора. У принципі будь-який колектор за допомогою спеціального механізму можна було б увесь час орієнтувати на сонце, але це досить дорогою спосіб. Тому в цей час використовуються нерухливі колектори, у

Рис. 10.2. Сонячний нагрівач

яких міняється тільки кут нахилу. Оптимальний кут нахилу для найбільшого виходу енергії залежить від широти, наприклад для середніх широт становить ≈ 50 - 65. Подальшого підвищення рівноважної температури поглинача й, отже, підвищення його ефективності, можна добитися, якщо за допомогою дзеркал сконцентрувати на ньому енергію сонячного випромінювання. На рис. 10.3. показаний пристрій параболічного концентратора, що фокусує сонячну енергію. На цьому Рис.: 1– падаючі сонячні промені; 2- відбиті сонячні промені; 3 - параболічний концентратор; 4 - поглинач (тіло, що нагрівається). У фокусі такого концентратора можна одержати рівноважну температуру, що дорівнює 1600 – 17000С. Одержанню більш високої температури перешкоджає непаралельність відбитих сонячних променів. У результаті цієї непаралельності енергія відбитих сонячних променів збирається не точно у фокусі концентратора, а в деякій області довкола нього. Отже, для одержання максимальної кількості енергії, що опромінюється тіло повинне бути досить більшим, щоб прийняти всі промені, відбиті від концентратора.

Рис. 10.3. Пристрій параболічного концентратора

Крім того, з погіршенням оптичних властивостей дзеркальної поверхні концентратора й зі збільшенням розмірів приймача сонячної енергії зменшується й рівноважна температура.

У ряді країн сонячну енергію використовують в опріснювальних установках для одержання питної води із засолених джерел. На рис. 10.4. показана схема одного із простих пристроїв, призначеного для опріснення води. Призначена для опріснення вода (2) набирається в ємність (3), розташовану в нижній частині теплоізоляційного пристрою (1), де вона нагрівається за рахунок поглинання сонячної енергії. Поверхня цієї ємності звичайно чорнять, тому що вода майже безперешкодно пропускає короткохвильову частину сонячного випромінювання (у деяких приладах воду підфарбовують у чорний колір, і вона стає поглиначем). З підвищенням температури рух молекул води стає більш інтенсивним і частина з них залишає поверхня води. Насичений водяними парами повітряний потік (4) піднімається нагору, де прохолоджується, стикаючись із поверхнею прозорого покриття, пари води частково конденсуються, а краплі, що утворювалися (5) стікають по ній униз, збираючись у ємності для опрісненої води (б), для наступного її використання (7). Охолоджене повітря знову опускається до поверхні води, замикаючи цикл конвективного руху. Для підвищення ефективності системи, необхідно, щоб у процесі конденсації на поверхні покриття утворювалася водна плівка. Тому що при конденсації води у вигляді крапель, значна частина падаючої на поверхню покриття сонячної радіації, відбивається ними; навіть при порівняно великих, кутах нахилу поверхні, коли вода досить швидко стікає, приблизно половина всієї поверхні покриття зайнята краплями води. На ретельно очищеній від слідів жиру скляної поверхні звичайно утворюється плівка води, тоді як майже на всіх, навіть більш чистих пластмасових поверхнях сконденсована вода випадає у вигляді крапель. На деяких нових пластичних матеріалах можлива плівкова конденсація води.

Продуктивність такої сонячної опріснювальної установки міняється протягом дня відповідно до зміни інтенсивності сонячної радіації що надходить на установку. При використанні дуже дрібної ємності,

Рис. 10.4. Схема установки для опріснення води

швидкість одержання опрісненої води в будь-який момент часу залежить тільки від величини сонячної радіації. При використанні глибокої ємності, необхідна температура води встановлюється лише через кілька днів, і надалі опріснену воду можна одержувати безупинно протягом доби. Однак, для цього необхідно, щоб кількість води в такому резервуарі в багато разів перевищувало денну продуктивність установки, наприклад 100 кг/м² при глибині близько 10 див.

Одним з основних недоліків таких опріснювальних установок є сезонна зміна їх продуктивності.

Для розв'язку ряду спеціальних завдань виникає необхідність будівництва досить великогабаритних, площею більш 1000 м² сонячних концентраторів. Таких експериментальних сонячних концентраторів, потужністю від 5 кВт до декількох МВт, налічується в цей час у світі близько десятка. Самими великими в цей час концентраторами з тепловою потужністю 1000 кВт є сонячні печі в Одейо (Французькі Піренеї) і в Паркенте (Узбекістан) - Більша Сонячна Піч (БСП). БСП дозволяє формувати у фокальній зоні променистий стаціонарний потік аж до 1000 Вт/див² за допомогою систем, що дзеркально концентрують, концентратора моделлю поверхні, що відбиває, 1840 м2 і 62 геліостатів із загальною поверхнею, що відбиває, 3022,⁵ м2 у режимі безперервного спостереження за Сонцем з точністю 3 кутових хвилини.

На додаток до прямого використання сонячного тепла, у регіонах з високим рівнем сонячної радіації її можна використовувати для одержання пари, яка обертає турбіну й виробляє електроенергію. Виробництво сонячної теплової електроенергії у великих масштабах досить добре відпрацьоване. ДО 2009 року енергокомпаніями США вже встановлене більш 400 мегават сонячних теплових електростанцій, які забезпечують електрикою 350 000 людей і заміщають еквівалент 2,3 млн. барелів нафти в рік. Дев'ять електростанцій, розташованих у пустелі Мохаве (в американському штаті Каліфорнія) мають 354 МВт установленої потужності й нагромадили 100 років досвіду промислової експлуатації. Ця технологія є настільки розвитому, що, по офіційних відомостях, може суперничати із традиційними електрогенеруючими технологіями в багатьох районах США. В інших регіонах миру також скоро повинні бути початі проекти по використанню сонячного тепла для виробітку електроенергії. Індію, Єгипет, Марокко б Мексика розробляють відповідні програми. По способу виробництва тепла сонячні теплові електростанції підрозділяють на сонячні концентратори (дзеркала) і сонячні пруди. Розглянемо деякі особливості сонячних концентраторів. Такі електростанції концентрують сонячну енергію за допомогою лінз і рефлекторів. Більші дзеркала концентрують сонячні промені настільки, що вода перетворюється в пару, виділяючи при цьому досить енергії для того, щоб обертати турбіну.

На острові Сицилія ще на початку 80-х років дала струм сонячна електростанції потужністю 1 Мвт. Принцип її роботи - баштовий.

Баштовий принцип побудови сонячних електростанцій показано на рис. 10.5. приймач, що нагрівається, - 2 розташовується на високій вежі - 1, (звідси й назва баштова), сонячне випромінювання концентрується, за допомогою дзеркальних відбивачів - 3 на теплопоглинальній поверхні котла, у якому утворюється пара. Утворена пара надходить на парову турбіну й далі на електрогенератор. У сонячній електростанції, побудованої в Сицилії, дзеркала фокусують сонячні промені на приймачі, розташованому на висоті 50 метрів. Приймач виробляє пару з температурою перевищуючої 500°С, який пускає в хід традиційну турбіну. При мінливій хмарності недолік сонячної енергії компенсується паровим акумулятором.

Сонячна електростанція, установлена в Альмерії на півдні Іспанії, має трохи інший принцип роботи. Тут, сфальцьоване на вершину вежі сонячне тепло, приводить у рух натрієвий круговорот (як в атомних реакторах на швидких нейтронах), а той уже нагріває воду до утвору пари. У такого варіанта ряд переваг. Натрієвий акумулятор тепла забезпечує на тільки безперервну роботу електростанції, але дає можливість частково накопичувати надлишкову енергію для роботи в похмуру погоду й уночі. Потужність іспанської станції всього 0,5 Мвт. Принцип нагрівання стисненого повітря використовується в сонячній електростанції, розробленої в Німеччині. Її потужність - 20 Мвт.

Рис. 10.5. Принцип роботи сонячної електростанції баштового типу

Тут використовуються рухливі дзеркала по 40м² кожне, керовані мікропроцесором, які розташовані навколо 200 - метрової вежі. Ці дзеркала фокусують сонячне випромінювання на нагрівач, де міститься стиснене повітря. Стиснене повітря нагрівається до 800°С і пускає в хід дві газові турбіни. Потім теплом цього повітря, що ж відпрацювало, нагрівається вода, і в дію вступає вже парова турбіна. Виходять як би два ступеню виробітку електроенергії. У результаті ККД станції піднятий до 18%, що суттєво більше, чим в інших геліоустановок.

Аналогічний принцип використовується в сонячній електростанції, розташованої поблизу Керчі. Потужність цієї станції - 5 Мвт. Конструкція станції наступна. Навколо вежі концентричними окружностями розмішено 1600 дзеркал, що направляють сонячні промені на паровий котел, який установлений на вежі 70-метрової висоти. Дзеркала площею 25 м² кожне, за допомогою автоматики стежать за Сонцем і відбивають сонячну енергію точно на поверхню котла, забезпечуючи її щільністю потоку в 150 раз більшу, ніж дає Сонце на поверхні Землі. У котлі при тиску 40 атмосфер генерується пара з температурою 250°С, що надходить на парову турбіну. У спеціальних ємностях-акумуляторах під тиском утримується вода, що накопичує тепло для роботи з ночей і в похмуру погоду. Завдяки цим акумуляторам станція може працювати ще 3-4 години після заходу Сонця, а на половинній потужності - близько півдоби.

Фірма "Luz Corp." установила величезні поля таких дзеркал у каліфорнійській пустелі. Вони виробляють 354 МВт електроенергії. Ці системи можуть перетворювати сонячну енергію в електричну із ККД близько 15 %. Слід зазначити, що потужність баштових сонячних електростанцій багато в чому визначається висотою самої вежі. При цьому, чим вище вежа, тим більша потужність, що відбирається. При досить високих вежах виключається ефект взаємного затінення дзеркал. Для одержання потужності в 50-100 МВт необхідна вежа висотою 200-300 метрів, із площею відбиваючих дзеркал в 2-3 км².

До недоліків існуючих сонячних теплових електростанцій ставляться наступні фактори: низька щільність потоку енергії, добова й сезонна циклічність, сильна залежність від погодних умов, вимога більших земельних площ під розміщення відбиваючих дзеркал.