Контакты

Использование солнечных коллекторов

Энергия солнца является одним из наиболее доступных и перспективных возобновляемых источников энергии

Энергия солнца является одним из наиболее доступных и перспективных возобновляемых источников энергии. Рост интереса к использованию именно этого вида энергии обусловлен, с одной стороны, постоянным ростом цен на органическое топливо, в частности, на природ-ный газ и нефть, с другой - постоянно набирающим силу движением за охрану окружающей среды. Немаловажным фактором является и, своего рода, мода в мире на использование возобновляемых источников энергии, которая, как можно констатировать, дошла и до Украины.

Рассмотрим использование тепловой энергии для получения полезной теплоты, что обеспечивается установками, называемыми у нас солнечными коллекторами.

Рис. 1  Солнечные коллекторы на крыше частного жилого дома

Принцип действия таких установок достаточно прост: энергия солнца используется для нагрева некоего теплоносителя, энергия которого затем полезно используется. Можно выделить следующие основные направ-ления использования этой теплоты:

  • горячее водоснабжение (ГВС),
  • теплоснабжение,
  • промышленное использование.

Рассмотрим каждое из этих направлений.

Горячее водоснабжение.

Является наиболее развитым и востребованным способом использования солнечной энергии. В настоящий момент используется для горячего водоснабжения в основном частных жилых домов. Общепринятый в развитых странах потенциал использования солнечных коллекторов составляет 1 м2 на человека. Солнечное горячее водоснабжение в мире развивается очень интенсивными темпами. Такие страны как Греция и Израиль давно достигли данного уровня. Это неудивительно, т.к. в условиях жаркого солнечного климата энергия солнца может покрывать до 100% затрат на приготовления горячей воды. Что же касается объемов внедрения, тут безусловным лидером является Китай. В 2007 году в Китае солнечными водонагревателями пользовались около 40 млн. семей общей численностью в 150 млн. человек. К 2020 году 300 млн. м2 помещений в Китае будет оборудовано солнечными водонагревателями.

В Европе лидерами по внедрению солнечных коллекторов являются Германия, Швеция, Австрия, Швейцария. По своим климатическим условиям Украина относится к территориям со средней ин-тенсивностью солнечной радиации. По уровню интенсивности солнечного излучения можно выде-лить четыре региона – Центральный, Западный, Юго-Восточный и Южный. В зависимости от ре-гиона, уровень солнечной радиации, приходящийся на 1 м2, составляет до 1000-1350 кВт в год на м2. Проведя параллели со странами, имеющим тот же уровень величин солнечной радиации, мож-но заключить, что в межсезонье солнечные коллекторы могут обеспечивать до 50%, а в летние месяцы – до 90% горячего водоснабжения частного дома (см.рис. 1). Даже в зимний период такие установки способны покрывать до 15 – 20% потребности в тепле системы ГВС. Для стран, в которых нагрев горячей воды производится в основном при помощи электрической энергии, солнечные коллекторы позволяют существенно снизить пиковые нагрузки в электросистемах. В то же время, высокая эффективность солнечных коллекторов ГВС позволяет их эффективно использовать в комбинированных системах, в которых для догрева воды используется электроэнергия или оборудование на газовом, жидком или твердом топливе, поскольку в этом случае затраты на электроэнергию и топливо резко снижаются.

Отопление

Является еще одним весьма перспективным способом использования солнечной энергии. Системы сол-нечного отопления делятся на две большие группы: без аккумуляции энергии и с сезонной аккумуляцией энергии.

В первом типе систем солнечное отопление комбинируется с горячим водоснабжением, что позволяет существенно снизить общие капитальные затраты, повысить уровень предоставления услуг и добиться лучших показателей по окупаемости затрат. Такие системы в климатических условиях Украины способны покрывать до 20 – 25% затрат на отопление, преимущественно в межсезонье.

Второй тип систем используется гораздо реже, здесь много выше уровень капитальных затрат и уровень сложности технических решений. Пока такие системы массово не используются. Системы с сезонной аккумуляцией тепла способны покрывать до 80% затрат на нужды отопления.

Промышленное использование

Касательно данного аспекта необходимо отметить, что энергия Солнца может эффективно ис-пользоваться (и используется!) в деревообрабатывающей промышленности для сушки древесины, в сельском хозяйстве для сушки урожая сельскохозяйственных культур и т.п. Что касается исполь-зования горячей воды, то вода с температурой 30 – 60°С, характерная для солнечных коллекторов, широко используется в пищевой и текстильной промышленности.

Проведя параллели со странами, имеющим тот же уровень величин солнечной радиации, что и в Украине, можно заключить, что в межсезонье солнечные коллекторы могут обеспечивать до 50%, а в летние месяцы – до 90% горячего водоснабжения частного дома. Даже в зимний период такие установки способны покрывать до 15 – 20% потребности в тепле системы ГВС.

Основные типы солнечных коллекторов

 

Открытые коллекторы

Открытые солнечные коллекторы представляют собой поверхность, выполненную из резины или пластика с высокими значениями коэффициента поглощения солнечных лучей и высокой стойкос-тью к действию ультрафиолетового излучения. Как следует из названия, в таких коллекторах теп-лопоглощающий слой не покрывается стеклом. Применяются почти исключительно в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах.

Открытые солнечные коллекторы представляют собой поверхность, выполненную из резины или пластика с высокими значениями коэффициента поглощения солнечных лучей и высокой стойкос-тью к действию ультрафиолетового излучения. Как следует из названия, в таких коллекторах теп-лопоглощающий слой не покрывается стеклом. Применяются почти исключительно в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах.

Преимущества Недостатки
  • возможность достижения высоких значений КПД;
  • незначительная масса;
  • простота конструкции;
  • относительная дешевизна;
  • простота монтажа.
  • большая зависимость КПД от разности температур;
  • уязвимость к отрицательным температурам;
  • ограниченное применение (только для бассейнов);
  • высокая зависимость от облачности и ветра;
  • пониженный срок эксплуатации.

Географически применение, как правило, ограничивается странами с теплым и солнечным клима-том. Применительно к климатическим условиям Украины, использование таких систем ограничи-вается преимущественно южным и юго-восточным регионами. Как правило, в отечественной прак-тике для обогрева бассейна используется отдельный котельный агрегат, в основном навесного типа, работающий на газе. Использование системы с открытым солнечным коллектором позволит, с одной стороны, пользоваться открытым бассейном уже с конца марта, с другой – на 50 - 75 % уменьшить расход газа на подогрев бассейна.

Вакуумные коллекторы

Рис. 2 Вакуумный солнечный коллектор, внешний вид

Особенностью вакуумных коллекторов (см. рис. 2) является использование в качестве эффектив-ного теплоизолятора вакуума. Вакуум поддерживается между наружным покрытием из стекла и теплопоглощающим слоем. Благодаря вакууму минимизируются тепловые потери и резко снижа-ется зависимость КПД коллектора от разности температур между температурой коллектора и тем-пературой наружного воздуха. Конструктивно вакуумные коллекторы могут выполняться трубча-тыми, из отдельных герметичных труб, и плоскими, в этом случае вакуум поддерживается при по-мощи специальных насосов. Наиболее распространенными являются трубчатые вакуумные кол-лекторы.

Рис. 3 Конструкция трубчатого вакуумного солнечного коллектора

Рис. 4 Зеркальный эффект

На рисунке 3 представлена конструкция трубчатого солнечного коллектора.

Для данных коллекторов характерен так называемый зеркальный эффект, благодаря которому уменьшается зависимость теплоотдачи коллектора от высоты солнца (см. рис. 4). Это способствует выравниванию тепловой мощности коллектора как в течение дня, так и в течение всего года, что является существенным преимуществом такого типа коллекторов.

Многие европейские производители имеют в своем модельном ряде вакуумные коллекторы с так называемой тепловой трубкой. При использовании данной конструкции на поглотителе устанавли-вается тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. Данная тепловая труба подсоеди-няется к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа «труба в трубе». Тепло передается поглотителем тепловой трубке, что приводит к испарению жидкости. Образующийся пар поступа-ет в конденсатор. Так как нет связи между внешним контуром и испаряющейся жидкостью, то возможно производить замену одной или нескольких трубок при заполненной установке, что су-щественно облегчает ремонт и эксплуатацию данного вида солнечных коллекторов.

Преимущества Недостатки
  • высокий КПД в течение всего года;
  • максимальный КПД в зимний период
  • более высокая стоимость;
  • больший вес и габаритные размеры в сравнении с другими типами коллекторов;
  • пониженная эффективность работы в зимний период в климатических условиях Украины вследствие возможного образования инея и выпадения снега.
  • низкая надежность:
  • высокая подверженность градобитию, постепенное исчезновение вакуума в некоторых из трубок.

Вакуумные солнечные коллекторы являются высокотехнологичным и интересным в техническом отношении видом данной продукции. К сожалению, климатические условия нашей страны не всегда в полной мере позволяют реализовать их потенциал. Это касается негативного влияния сне-га и инея. Здесь следует иметь в виду, что вследствие отличных теплоизоляционных свойств ваку-ума как снег, так и иней могут держаться на коллекторах очень долго, длительное время после того, как крыша здания полностью очистилась. Очевидно, что в эти периоды энергоотдача коллекторов практически снижается до нуля. Что касается уязвимости трубчатых коллекторов к граду, данная проблема имеет место, в первую очередь, в вакуумных коллекторах китайского производ-ства, не всегда имеющих должное качество. То же можно сказать и о потере вакуума в трубках коллекторов. Можно рассчитывать на то, что со временем, по мере отработки технологии производства продукции, данные проблемы потеряют свою актуальность.

Плоские солнечные коллекторы

                                                                                                                                                   Рис.5 Плоский солнечный коллектор, внешний вид

Плоские солнечные коллекторы (см. рис. 5) являются наиболее распространенным типом солнеч-ных коллекторов. Следует отметить, что в результате длительного совершенствования коллекторы данного типа, по всей видимости, практически достигли наиболее оптимальных показателей по эф-фективности, сроку эксплуатации и стоимости. Конструкция и схема работы плоского солнечного коллектора представлены на рисунках 6 и 7, соответственно.

                                                                                                                                              Рис.6 Конструкция плоского солнечного коллектора

                                                                                                                                         Рис.7 Схема работы плоского солнечного коллектора

Плоские солнечные коллекторы работают на основе парникового эффекта. Данный эффект основан  на  том, что  солнечное излучение,  падающее на  поверхность солнечного коллектора, практически полностью пропускается стеклом.

Рис.8 Относительная интенсивность излучения и степень пропускания излучения стеклом

Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спек-тральном интервале 0.4 мкм — 1.8 мкм (рис. 8, позиция - а), то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное или закаленное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% (рис. 8, позиция - б). Расположенное в нижней части коллектора теплопоглощающее покрытие имеет коэффициент поглощения солнечного излучения до 90%. Нагреваясь, покрытие излучает тепловую энергию, основная мощность которой находится в инфракрасном диапазоне (рис. 8, позиция - с). Как видно из рисунка, данный спектр излучения уже практически не пропускается стеклом. Таким образом, достигается аккумуляция солнечной энер-гии внутри коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется при помощи конструк-тивных элементов, выполненных, как правило, из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляяется теплоносителем – водой или раствором незамерзающей жидкости. Кроме обычного стек-ла, в плоских солнечных коллекторах также может использоваться поликарбонат, стекло с низким содержание железа, хорошо пропускающее солнечные лучи, и ударопрочное стекло. Более наглядно схема парникового эффекта и потерь, имеющих место в плоском коллекторе, представ-лена на рисунке 9.

Рис.9 Схема парникового эффекта и тепловых потерь в плоском солнечном коллекторе

Важной характеристикой солнечных коллекторов является производство горячей воды с 1 м2 поверхности. Для Украины в летний солнечный день производительность плоских коллекторов может достигать 50 литров воды, нагртой до 50 - 60°С с 1 м2 в день.

Преимущества Недостатки
  • высокая эффективность;
  • относительная простота конструкции;
  • надежность;
  • возможность эффективной эксплуатации на протяжении всего года;
  • длительный срок эксплуатации.
  • более низкий КПД в сравнении с вакуумными коллекторами в периоды с низким уровнем солнечного излучения и в холодную часть года

Плоский солнечный коллектор является технически достаточно простым устройством. Наиболее высокотехнологичным элементом в его конструкции является поглощающее покрытие. Очевидно, что для повышения эффективности работы коллектора необходимо, чтобы покрытие поглощало возможно большую часть энергии падающих солнечных лучей, а при нагреве излучало как можно меньшую часть поглощенной энергии в инфракрасном спектре.

Для оценки эффективности поглощающих покрытий применяются следующие показатели:

  • коэффициент поглощения (абсорбации), а - обычно находится в пределах 0,8-0,98. Данный коэффициент представляет собой отношение поглощенной энергии к падающей;
  • коэффициент излучения (эмиссии), e - обычно в пределах 0,95 — 0,02 для различных типов покрытий. Данный коэффициент представляет собой отношение излученной энергии к погло-щенной;
  • коэффициент селективности, a/e , применяется для сравнения характеристик различных видов поглощающих поверхностей. Чем выше значение данного коэффициента, тем лучшими характеристиками обладает поглощающая поверхность.

Современные высокоселективные покрытия обладают очень высокими значениями коэффициента селективности, значительно повышая тем самым КПД солнечных коллекторов. К тому же, практически лишь коллекторы, оснащенные покрытиями такого типа, могут эффективно работать в холодный период года вследствие гораздо меньшей зависимости КПД от разницы температур.

С целью наглядного сравнения характеристик тепловой эффективности различных типов коллекторов, приведем график КПД для трех рассмотренных типов коллекторов при мощности солнечного излучения в  600 Вт/м2  (см. рис. 10).

Рис.10 Зависимость КПД солнечных коллекторов от разницы температур между коллектором и воздухом. Обозначения: 1 – вакуумный трубчатый коллектор; 2 – плоский коллектор с селективным покрытием; 3 – открытый коллектор.

В настоящий момент, наиболее перспективными в условиях Украины являются  плоские солнечные коллекторы горячего водоснабжения, вследствие всесезонности, простоты и надеж-ности конструкции при невысокой цене в этом сегменте оборудования. Однако необходимо помнить, что эти системы могут обеспечить требуемые функциональные задачи только  в  комбинации с традиционным оборудованием (работающим на электроэнергии,  газе, жидком или твердом топливе).

Электроснабжение

Фотовольтаика

Фотовольтаический эффект открыл  в 1839 году Эдмонд Беккерель, который заметил то, что в результате воздействия солнечного излучения возможно при определенных электрохимическх конфигурациях получать электрическую энергию. Фотовольтаический эффект однако начал использоваться для прямой перемены энергии солнечной радиации на электрическую энергию лишь в 1954 году.

Принцип состоит в том, что фотон, попадающий на полупроводниковую структуру с PN-переходом, возбуждает электрон и создает таким образом два носителя электрического тока: свободный электрон и дырка. Солярные элементы состоят из двух кремниевых слоев. Верхний слой кремния является полупроводником типа N (электропроводность посредничеством электронов), нижний слой кремния является полупроводником типа Р (электропроводность посредничеством так называемых дырок). Если в поверхность  PN-перехода проникает электрон, то происходит фотоэффект и освобожденные электроны начинают переходить в верхний слой. Электроны в нижнем слое начинают перескакивать из одного атома в другой так, чтобы заполнить свободные места. Свободные электроны в верхнем слое выводятся из элемента в электрическую цепь, в которою элемент встроен. Электрическая энергия начинает создаваться без шума, без каких-либо движущихся частей и без побочных продуктов. Фотовольтаическая система работает автоматически, без обслуживающего персонала и без больших нужд по техническому уходу.

Фотовольтаические элементы соединяются в панели, в которых они взаимосоединены друг с другом и защищены стеклянной заслонкой. Чем поверхность панели и интенсивность излучения больше, тем больше ток течет. Мощность панелей выражается величиной так называемой пиковой мощности (Wp) – это мощность устройства при установленных условиях при интенсивности солнечного излучения 1000 вт/м2 и при температура 25 °С. Такие условия существуют при хорошей погоде тогда, когда Солнце находится в наивысшей точке небесного свода. Для достижения мощности 1 Wp необходим элемент с размерами приблизительно 10 х 10 см.

Солнечные элементы используют энергию, которая бесплатная, поэтому расходы на их эксплуатацию очень небольшие и сверх этого они очень надежны. Преимуществом фотовольтаики то, что панели возможно просто прибавлять и таким образом увеличивать мощность всего устройства. Владелец такого устройства может увеличивать его мощность в зависимости от возрастающего потребления энергии. Панели и остальные части переносные – следовательно их возможно устанавливать в любом месте. Элементы в настоящее время не выпускаются лишь в виде самостоятельных панелей, а многие фирмы их устанавливают в части кровли или внешних материалов на фасадах  зданий. Установка солярных элементов в части строительных объектов существенно снижает расходы. При этом солнечные элементы на зданиях выглядят очень эстетично.

Путем соединения панелей впоследствии возникает фотовольтаический ряд (поле). Солярные панели выпускаются в нескольких исполнениям по мощности. Номинальное выходное постоянное напряжение составляет 12 в по аккумуляторам, в части сети это 30 – 300 в. Мощность, передаваемая солярными панелями переменная и зависит от интенсивности солнечного блеска. Солярные элементы работают тоже при облачной погоде благодаря рассеянному излучению, хотя тогда их мощность значительно ниже (примерно 10% максимума). Зимой количество приходящего солнечного блеска меньше, чем летом и следовательно и производится меньше электрической энергии. Срок службы солярных панелей составляет 20 лет.

Позитивные и слабые стороны

Позитивные факторы солярных систем

Неисчерпаемость солнечной энергии – запасы нефти и газа оцениваются лишь на несколько десятков лет, запасы угля оцениваются минимально на 250 лет. При этом Солнце превышает существующую потребность в энергии в 15000 раз. Однако вопрос не стоит так, какие крупные запасы ископаемых видов топлива имеются, а сможет ли человечество их использовать по экологическим причинам с точки зрения своего существования.

Потенциал создания новых мест работы – уже в 2001 году в области вознобляемых источников энергии создано больше рабочих мест, чем в всей отрасли информационных технологий или, например, в автомобильной промышленности. А потенциал еще явно не исчерпался.

Технологический уровень развития – речь идет о простых технологиях, которые возможно интегрировать в существующие системы.

100%-я рециклация применяемых материалов – основными конструкционными материалами солнечных коллекторов являются алюминий, медь и стекло. Тоже решающая часть остальных компнентов солярной системы хорошо рециклуется.

Относительно высокая эффективность (даже 70 - 90%) перемены солнечной радиации в тепло – фотовольтаика достигает эффективность примерно 15%, фотосинтез примерно 1%.

Интересные возможности архитектурной проработки строительных объектов – комплексные солярные крыши или фасады зданий, архитектурно интересное распределение поверхностей и т. п.

Нулевые отрицательные экологические влияния в ходе эксплуатации – солнечная энергия входит в число самых чистых источников энергии, какие человечеству известны. Например, неполное сжигание сухой и еще в больше степени влажной древесины может оказаться связанным с увеличением количества выбросов, гидросооружения могут создавать проблемы для рыб в результате наносных отложений, более крупные гидростанции могут оказывать отрицательное влияние на микроклимат, винтовые электростанции могут создать проблемы для птиц в результате увеличения уровня шума, по некоторым мнениям они нарушают характер местности и имеются по ним проблемы тоже в охраняемых заповедниках, геотермальные воды могут создавать проблемы в части чрезмерной минерализации сточных вод и т. п.

Очень низкие эксплуатационные расходы – после начальной инвестиции солярная система обеспечивает инвестору почти бесплатные поставки тепла в ходе последующих 20–30 лет – это на практике подтверждается длительностью срока службы качественных солярных установок.

Не возникает потребность постройки на новых площадях -  солярные системы устанавливаются на уже существующих крышах, фасадах, они могут служить в качестве перекрытия автостоянок и т. п.

  • Экономия энергии, необходимой для обогрева технологической воды (даже 70%).
  • Увеличение степени независимости от монополистских поставщиков энергий. 
  • Высокая степень надежности и комфортабельность по части эксплуатации – не требуется обслуживающий персонал.

Слабые стороны солярных систем

Кажущиеся высокие инвестиционные расходы – начальные инвестиции могут показаться высокими, однако если посчитать, что средний срок окупаемости составляет примерно 10-12 лет (на территории Украины) и срок службы солярной системы представляет минимально 15 – 20 лет, то получать теплую воду мы будем еще 5 – 8 лет полностью бесплатно.

Стоимость солнечной электростанции (на жилой дом площадью до 100 м2, 3 человека):

  • Пиковая мощность 6 кВт (9 кВА).
  • Расход энергии 300 кВт час/мес., электроснабжение непрерывное.

Стоимость инверторов 4500 $, солнечное излучение среднегодовое 120 кВт час/м2 в месяц, выработка энергии одной панелью 15 кВт час/мес., количество солнечных панелей: на 300 кВт час составляет  20 шт., стоимость солнечных панелей 20 х 355 $= 7100 $ , ресурс солнечных батарей  25 лет, инверторов 10 лет, количество аккумуляторов 8 шт., срок службы аккумулятора 10 лет, стоимость аккумуляторов 2000 $, обслуживание: очистка солнечных панелей, мелкий ремонт –    50 $/ год.

Общая стоимость - 13600 $ без тех.обслуживания (50 $/ год)
Так что думайте сами.

Неравномерность солнечной радиации – Солнце правда, передает энергию при громадном излишке, но в “разбавленном“ виде (при безоблачной погоде и перпендикулярном направлении солнечных лучей максимально 1000 вт/м2) и неравномерно (зимой – летом, ночью – днем, погода…и т.д.). Поэтому пока улавливать и хранить (аккумуляция) солнечную энергию получается с точки зрения инвестиций более сложным, чем использование электроэнергии и сжигание ископаемых видов топлив.

Потребность в дополнительных источниках энергии – с точки зрения технической уже возможно достичь даже 100 % покрытия энергетических потребностей строительных объектов с помощью солярной системы, однако ценой крайне высоких инвестиционных расходов. Поэтому необходимо наличие дополнительных энергетических источников в целях перекрытия периода времени с низкой мощностью солярной системы (ночь, зимний период).

01.04.2011
наверх