Солнечная тепловая энергия
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Продолжаю выкладывать переводы оксфордского учебника по возобновляемым видам энергии.
СОЛНЕЧНАЯ ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ
1. Введение
Cолнце - основной источник большинства возобновляемых видов энергии. С древности Cолнце считали божеством, а использовать солнечное излучение в равной мере помогали как инженеры, так и архитекторы.
Рассмотрим некоторые методы сбора солнечной тепловой и электрической энергия. Солнечная фотоэлектрическая энергия подробно рассмотрена позже. Методы сбора солнечной тепловой энергии многообразны, так что мы можем дать только вводную информацию, чтобы указать читателю, как лучше глубже изучать эту тему.
Какие типы систем могут использоваться, чтобы собрать солнечную тепловую энергию?
Большинство систем для низкотемпературного солнечного нагревания зависят от используемого остекления, в частности от его способности передавать видимый свет и блокировать инфракрасное излучение. Высокотемпературное солнечное нагревание предполагает использование зеркал. На практике солнечные системы обоих типов могут быть реализованы большим количеством способов.
Активное солнечное нагревание
Для него всегда используются дискретные солнцесборники, обычно установленные на крышах зданий. По большинстве своем это весьма простые устройства, низкотемпературные (до 100°C). Они используются для местного горячего водоснабжения или нагрева плавательных бассейнов.
Солнечные тепловые двигатели
Это устройства дополняют активное солнечное нагревание. Для них используются более сложные солнцесборники, что позволяет получать более высоки температуры (выше 100°C, что необходимо для образования водяного пара - мое дополнение) и управлять паровыми турбинами, производящими электроэнергию. Они могут быть разных типов, но 90% мирового производства электроэнергии с помощью солнечных тепловых двигателей сосредоточено в пустыне Мохаве в Калифорнии.
Пассивное солнечное нагревание
Это понятие имеет два несколько отличных значения.
В «узком» смысле подразумевается абсорбция солнечной энергии непосредственно в здание, что сокращает энергию, требуемую для нагревания помещений до необходимых, пригодных для жизни в нем температур (это также называют космическим нагреванием). Пассивные солнечные нагреватели по большей части используют воздух, чтобы распространять собранную энергию, обычно без насосов или вентиляторов, посредством естественных потоков в здании.
В «широком» смысле подразумевается процесс объединения элементов дизайна и архитектуры зданий, которые позволяют снизить их потребность в нагреве в зимнее время. Большой вклад солнечного тепла в нагревание зданий выглядит тем более впечатлящим с учетом того, что с его помощью удается минимизировать потребность в ископаемых (окаменевших) топливах, что значительно снижает стоимость обогрева. Хотя речь и идет о низкотемпературном нагреве.
В этой главе для экономии времени мы сосредоточиваемся на «узком» смысле, хотя для полного понимания важен и «широкий» смысл, с которым сопряжены денежные вложения в утепление, способные уменьшить теплопотери в пять и более раз.
Дневной свет
Речь идет о приемах наилучшего использования естественного дневного света, в том числе и о возможностях автоматически выключать искусственное освещение при достаточном естественном. Это предусматривается при строительстве в архитектурном проекте.
В этом случае особенно важно учитывать местный климат и местоположение здания. Как показывает опыт, неудачи в использовании солнечной энергии, ее неиспользование для наилучшего освещения и нагрева, связанны именно с тем, что многие из здания построены без учета местного климата. Это также означает, что для успешного использования солнечных технологий нельзя просто взять варианты, используемые на юге Европе и перенести, например, в северную Шотландию.
Однако большинство методов, описанных в этой главе, хорошо опробованы и проверены еще в прошлом столетии. Даже самые совершенные современные солнечные тепловые электросиловых станции - всего лишь несколько улучшенные версии изобретенных еще в начале двадцатого столетия систем. Опыт использования солнечной тепловой энергии во всех формах прежде всего подталкивает людей усовершенствовать системы так, чтобы они были намного дешевле конвенциональных систем, использующих окаменелые топлива по действующим ценам.
2. Солнечный водонагреватель на крыше
Для большинства людей «солнечный нагреватели» подразумевают установленные на крышах водонагреватели. В конце 1999 года было подсчитано, что для этих целей в Европе используется 8,5 млн м2 нагревательных поверхностей, и почти половина из них в Германии (Weiss, 2001). Чаще всего используются простые плоские солнценагревательные пластины. Есть две основных формы таких устройства: насосные и термосифоны.
Солнечный водонагреватель с насосом
Это форма, наиболее употребимая в северной Европе. Плоские панели, соединенные с насосами, состоят из трех элементов, как показано на фото, предоставленной компанией Arcon:
Водяной насос, использующий солнечное тепло, устроен так:
В конструкции использованы:
- Трубки для циркуляции воды. Water channels.
- Прозрачное покрытие. Transparent cover.
- Черная пластина. Black plate.
- Изоляция. Insulation.
- Температурный датчик. Temperature sensor.
- Насос. Pump.
- Горячая вода. Hot water.
- Кипятильник (иммерсионный водонагреватель). Immersion heater.
- Нагревной теплообменник. Heat exchanger.
- Подача холодной воды. Cold main supply.
- Температурный датчик. Temperature sensor.
- Контроллер. Controller.
Компоненты солнечной панели:
- Остекление. Glazing.
- Поглощающая пластина. Absorber plate.
- Изоляция. Insulation.
1. Панель солнцесбора, обычно площадью 3-5 м2, ставят на крыше и наклоняют так, чтобы солнечные лучи падали на нее перпендикулярно бóльшую часть светового дня. В ее конструкции три компонента. Поглощающая пластина изготавливается из стали и присоединяется к медным трубкам, по которым циркулирует вода. Пластина окрашена специальной черной краской, чтобы максимизировать поглощение солнечной радиации. Сверху пластина покрыта листом стекла или прозрачного пластика, снизу - теплоизолятором, уменьшающим теплопотери.
2. Резервуар водонагревателя имеет емкость около 200 литров, что примерно вдвое больше емкости обычных бытовых водонагревателей. В него встроена водонагревательная спираль (электрический кипятильник) для зимнего использования. Резервуар покрыт теплоизолятором из 50 мм слоя стекловолокна или пенополиуретана. Горячая вода циркулирует по системе, вытекая по обменнику внизу резервуара.
3. В системе есть насос, перемещающий воду по контуру водообмена. Датчики дают сигнал, когда солнцесборник становится горячим. Тогда электронасос включается. Начиная с широт северной Европы солнцесборники должны выдерживать температуру замерзания воды, а в воду в системе необходимо добавлять антифриз - чаще всего это нетоксичный пропиленгликоль (вместо ядовитого этиленгликоля, который обычно используется в автомобильных двигателях).
Такая система в Великобритании может снабжать 40-50% потребностей в горячей воде типичного дома (Sаdler, 1996).
Солнечный водонагреватель-термосифон
В местах, где не бывает заморозков, можно использовать резервуары нагревателей, находящиеся на открытом воздухе. Это более простые устройства - термосифоны:
Это типичный средиземноморский солнценагревной термосифон - изолированный резервуар хранения находится наверху.
Эта конструкция не нуждается в применении насосов, так как осуществляется естественная конвекция горячей воды от солнцесборника к резервуару хранения, установленному выше солнцесборника. Нет никакой потребности в теплообменниках, так как горячая вода циркулирует непосредственно через один контур водообмена.
Естественно резервуар хранения также содержит электрический кипятильник для использование в облачные дни. Средиземноморские системы обычно проектируются, чтобы их устанавливали на здания с плоскими крышами. В странах с самым высоким уровнем солнечного освещения достаточно использовать солнцесборники площадью 2 м2.
Продолжение следует.
.