Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы, 3
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
4. Солнечная радиация и времена года
5. Удивительные свойства стекла
6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии - 1, 2
7. Активное солнечное нагревание
8. Пассивное солнечное нагревание - 1, 2, 3, 4
9. Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы - 1, 2
Параболические концентрационные системы в виде блюда
Вместо передачи солнечного тепла от солнцесборника вниз к отдельно стоящему двигателю, применяется и другой подход: можно поместить двигатель непосредственно в центре зеркала. Этот принцип использован в двигателях Стирлинга:
Двигатели Стирлинга на солнечной энергии производства компании «Боинг».
Двигатели Стирлинга имеют долгую историю использования. Они были изобретены еще в 1816 году. Такие двигатели были установлены на паровозах. Но их использование было проблемным из-за высоких температур теплоносителя (выше 700°C). Благодаря использованию новых материалов современные двигатели Стирлинга могут быть работать при температурах до 1000°C, что дает более высокую эффективность. Современные экспериментальные солнечные системы, использующие этот принцип, позволяют получить очень высокую полную конверсионную эффективностью, которая приближается к 30% в среднем за день.
Параболические зеркала также подвергаются интересным экспериментальным изменениям в Германии. Вместо тяжелых стеклянных зеркал используют круглые листы пластмассы, покрытые алюминием. Создавая частичный вакуум за таким зеркалом, его изгибают в параболическую форму. Это создает очень легковесное зеркало, которое в свою очередь требует легковесную поддерживающую и поворачивающую структуру.
Солнечные водоемы
Полностью другой подход к производству солнечного теплового электричества - солнечный водоем, который использует большое соленое озеро в качестве своего рода плоского солнцесборника:
Солнечный водоем, используемый для управления паровой теплотурбиной.
Перевод надписей:
Солнечный свет
Легкая пресная вода 30°С
Тяжелая соленая вода 90°С
К холодной части турбины
Холодная вода
Жидкость
Генератор
Конденсатор
Турбина
Пар
Насос
Горячая вода
К горячей части турбины
Если озеро имеет правильный градиент солевой концентрации воды (соленая вода внизу - пресная вверху), то достаточно много солнечной энергии поглощается внизу водоема.
Горячая соленая вода не может подниматься вверх, так как она тяжелее, чем пресная вода вверху. Верхние слои воды фактически действуют как изолирующее одеяло, и температура внизу водоема может достичь 90°C. Этого вполне достаточно для нагрева до температуры, необходимой для работы двигателя с ORC-циклом (видео на английском).
Термодинамические ограничения относительно низких температур подразумевают низкую эффективность конверсии солнечного теплоэлектричества - обычно менее 2%. Однако, 50 МВт электростанция, получающая энергию от озера площадью 20 га, уже построена.
Одно преимущество этой системы в том, что большая тепловая масса водоема работает как теплохранилище, и производство электричества может продолжаться и днем, и ночью, как это и требуется.
На практике, система имеет и значительные проблемы в использовании: большие количества пресной воды затрудняют поддержание правильного солевого градиента. Также трудно найти выгодное местоположение солнечного водоема, хотя подходят пустыни. Как раз там можно начать опреснение воды за счет производимого тепла. Можно создавая достаточно пресной воды, чтобы поддерживать работу фабрики, и для питьевых нужд.
Хотя изначально такая система была предложена изобретателем Гарри Табор (Harry Tabor) из Израиля, первые коммерческие системы были построены в США и Саудовской Аравии.
Солнечные водоемы действительно неэффективны в северных широтах северного полушария, так как поверхность для теплосбора наклонена большую часть суток под большим углом к солнцу. Их лучшее местоположение - в регионах мира, где есть естественные плоские соленые пустыни.
Океаническая тепловая конверсия энергии (OTEC)
Океаническая (морская) тепловая конверсия энергии, при которой море используется в качестве солнцесборника, позволяет использовать разницу температуры сорской воды на разных глубинах для получения энергии. Вода вверху теплее, чем на глубине. При разнице глубин в 1000 м разница температур составляет примерно 20°C.
Плавающие платформы OTEC
Теплая вода
Вход
Выход
Швартовочный тросс
Передающий кабель
Холодная вода
Хотя теоретическая эффективность системы небольшая, и ORC-систему нужно постоянно подстраивать для нагревания на искомую температуру, зато постоянно доступно чрезвычайно большое количество воды.
Первые же эксперименты на судне в Карибском море в 1930-х были вполне успешны. Но воду пришлось поднимать с очень большой глубины, чтобы получить существенную температурную разницу, и система едва производила чуть большую энергию, чем ее было использовано при перекачке.
Позже были проведены масштабные эксперименты в Тихом Океане, и с бóльшим успехом. Было опробовано много схем оборудования. Были также огромные технические трудности. Станции ОТЕС, производящией 10 МВт электричества, нужно было бы прокачивать насосами приблизительно 500 м3 в секунду как теплой, так и холодной воды через теплообменники, при этом оставаясь в море на глубине 1 000 метров.
Солнечные камины
Солнечный камин (еще переводится как дымоход или паропровод) использует теплый воздух, нагретый в очень большой теплице. Теплый воздух поднимается вверх по высокой трубе и вращает воздушную турбину в основании трубы камина. Турбина генерирует электричество. Все это кажется достаточное простым. Но вот что не просто, так это масштаб строительства. Прототип такой системы мощностью 50 кВт строился в Манзанаресе (Mаnzаnаres) в Испании в 1981 году для теплосбора из теплицы диаметром 240 м, из которой теплый воздух выходил по трубе высотой 195 метров.
Солнечный камин в Манзанарес в Испании.
Такие системы достаточно финансоемкие. В солнечных регионах мира оптимальный по стоимости завод (вероятно, настолько дорогой, насколько это рационально) мог бы производить 100 МВт электроэнергии, используя солнцесборник диаметром 3,6 км и воздушную трубу высотой 950 м (Sхlаiх, 1995). Однако из-за того, что такая система производит только теплый воздух (нагрев которого теоретически не превышает 35°C), полная эффективность была бы низкой - около 1,3%. Такая система требовала бы значительно бóльшую сухопутную область, чем система с аналогичной производительностью, но использующая высокотемпературные концентрирующие солнцесборники.
Практика строительства индивидуальных систем в Австрии
Быстрый рост индустрии солнечных водонагревателей в Австрии в значительной степени обусловлен установкой систем собственного (домашнего) производства, которое началось в провинции Стирия (Styriа) в 1983 году. К 1986 системы домашнего строительства по примерно одному образцу в Стирии по объему равнялись всем промышленно производимым аналогичным системам в Австрии.
Австрийское Общество Возобновляемой Энергии (Arbeitsgemeinsхаft Erneuerbаre Energize, AEE), основанное в 1988, развивало проекты солнцесборников домашнего производства, проводя учебные семинары и давая напрокат инструменты для строительства. Изначально коммерческие производители не принимали во внимание домашние самодельные системы, даже несмотря на фактическую серийность производства, но в конечном счете пришлось признать, что рынок реагирует на их наличие выпуском специфических запчастей и инструментов, которые покупают не только местные жители-рукодельники, но и местные водопроводчики и строители. В конце 1999 года в Австрии было 2 миллиона м2 солнцесборников, среди которых около 400 000 м2 были системами однородной (типовой) конструкции.
Самый главный маркетинговый инструмент австрийской солнечной промышленности - передача информации про успешную работу солнечных систем от их пользователей из уст в уста. Около 60% систем, работающий в DIY группах, было установлено заинтересованными друзьями и соседями, смотрящими на уже установленные системы.
Подобные пробные схемы, как например в Хили Сити Фарм (Heeley City Farm) возле Шеффилда сейчас пробуют применить в Великобритании. Но ожидания больше реальных перспектив. В южной Европе больше солнечного света, так что солнечная система может производить там в два раза больше энергии на квадратный метр, чем в Великобритании. Не удивительно, что Греция имеет высокий уровень использования солнечных водонагревателей, находящихся в собственности жителей. Но кто бы мог подумать, что столько высокого уровня в 1999 достигнет население Австрии? С 1995 по 1998 год там устанавливали около 200 000 м2 систем за год. Многие из них были самодельными системам.
Солнечное водонагревание также популярно в Германии, где продажи водонагревателей достигли 900 000 м2 уже в 2001 году, но в 2002 году было некоторое снижение до 540 000 м2, что отражало неуверенность жителей в немецкой экономике.
Эта неуверенность имеет значения и в любом другом месте. Хотя установка таких систем в Великобритании в те времена имело меньшие масштабы (около 15 000 м2 за год), производство расло, и с учетом экспорта (большей частью это относится к эвакуирующим трубчатым солнцесборникам), в 2003 году установка составила 40 000 м2 за год. Бóльшая их часть была выпущена под торговыми марками немецких производителей, а британские продавцы быстро реагируют на успехи немецкого рынка, наращивая обороты.
Опыт таких стран, как Австрия, в 1997 году позволил Европейской Комиссии сделать вывод, что развитие солнечного водонагревания поможет ЕС снизить выбросы CО2 (CEC, 1997). В документах комиссии говорилось, что при таких темпах установки систем в ЕС ежегодный прироста составляет 20% за год, и к 2010 году будет установлено всего 100 млн. м2. Хотя к 1999 году суммарные объемы установки увеличились, 75% систем находилось в трех странах - Германии, Австрии и Греции. Хотя объемы установки в Испании и Нидерландах с 1994 по 1999 год значительно увеличились, было сомнительно к 2010 году достичь подобных уровней в остальных странах ЕС.
Еще одна важная оценка касается Китая, в котором создан наибольший солнечный рынок во всем мире. В 2001 рынок был оценен в 5,5 млн м2, по большей части это вакуумные солнцесборники от 1000 производителей.
Относительно влияния на окружающую среду, та от солнечных водонагревающих схем в Великобритании оно была бы минимальным. Используемые материалы - те же, что для обычного строительства и слесарного дела. Солнцесборники с насосами могут быть установлены на обычных крышах, и визуально панели почти не отличаются от нормальных кровельных материалов, а резервуары теплохранения скрыты в пространстве под крышей. В странах Средиземноморья, правда, используются свободно стоящие термосифоны на плоских крышах, что выглядит не эстетично, некоторым не нравится визуально. Но не так много солнцесборников связаны с такой проблемой, имеют установленный наверху резервуар хранения теплоносителя. (Компании солнечных водонагревателей Бейли «День и ночь» также пришлось сталкиваться с этими проблемами. И она предложила маскировать резервуар хранения под дымоход).
Продолжение следует.
Также рекомендую: Экскурсия на ветроэлектростанцию в Калифорнии
.