Солнечная энергетика

Использование солнечной энергии в России в соответствии с программой развития нетрадиционной энергетики предусматривалось в 13 регионах: Алтайском, Краснодарском, Приморском, Ставропольском и Хабаровском краях, Кабардино-Балкарии, Калмыкии, Северной Осетии, Чечне и Ингушетии, Астраханской, Волгоградской и Ростовской областях.

Однако осуществляется программа пока только в четырех регионах: в Краснодарском крае (города Краснодар, Новороссийск, Тимошевск, Усть-Лабинск), Ростовской обл., (г. Азов), Кабардино-Балкарии (г. Нальчик) и в Дагестане (села Гимры, Рубас, Хунзах и др.).

Использование солнечной энергии для отопления, горячего водоснабжения, сушки овощей и фруктов и ряд других технологических процессов в сельском хозяйстве определяется объемом выпуска солнечных коллекторов.

Простейшая и наиболее дешевая система солнечного горячего водоснабжения основана на термосифонном принципе. Система состоит из солнечного коллектора и расположенного выше него бака-аккумулятора горячей воды. Плотность воды, нагретой в коллекторе, меньше, чем плотность более холодной воды в нижней части бака-аккумулятора, в результате чего в контуре возникает циркуляция. Когда бак-аккумулятор не может быть расположен выше коллектора (например, в больших системах), тогда циркуляция воды осуществляется насосом.

Помимо небольших солнечных систем теплоснабжения, рассчитанных на односемейный дом, все большее распространение получают системы, способные удовлетворить потребности многоквартирного дома или даже жилого района. Такие системы состоят из центрального блока теплоснабжения, распределительной сети и тепловых аккумуляторов.

В Краснодарском крае эксплуатируется шесть солнечно-топливных котельных в городах Краснодаре, Анапе, Новороссийске, Тимашевске, Усть-Лабинске общей площадью солнечных коллекторов 1000 м². В установках применены солнечные коллекторы (СК) Братского, Тбилисского и Киевского заводов. Анализ опыта работы солнечно-топливных котельных показал низкую надежность СК Братского завода, высокую стоимость СК других заводов и незаинтересованность эксплуатационного персонала в обслуживании гелиоустановок (техническое обслуживание систем горячего водоснабжения с применением солнечных коллекторов не всегда соответствует техническим условиям заводов-изготовителей).

Солнечные приставки могут выполняться по всем котельным, работающим по открытой схеме (т. е. на нужды горячего водоснабжения) при наличии территории для размещения СК более 2 тыс. м² (пустыри, эстакады и пр.). Гелиоприставки можно сооружать к существующим котельным и вновь проектируемым. Мощность солнечных приставок может составлять 5...30 % -от мощности котельных, в среднем порядке 15%.

Конструктивные и технические характеристики некоторых гелеоустройств повышенной эффективности приведены ниже.

Концентрирующий солнечный водонагреватель КСВ-3 на основе двугранного фоклина предназначен для нагревания воды или других жидкостей за счет использования солнечной энергии. Солнечный водонагреватель КСВ-3 (рис. 3), в отличие от применяемых в настоящее время у нас в стране и за рубежом плоских солнечных водонагревателей, обеспечивает нагрев воды до более высокой температуры и может работать. Не только в летнее время, но и зимой. Трубчатая конструкция теплоприемника КСВ-3 повышает его долговечность (по сравнению с плоским водонагревателем) более чем в 2 раза.

Рис. 3. Схема концентрирующего солнечного водонагревателя КСВ-3

1 - корпус; 2 - теплоприемник; 3- фоклин; 4 - теплоизоляция; 5 - днище, 6 - оконное стекло

Концентрирующие солнечные водонагреватели устанавливают на кровлях зданий или на специальных опорах на открытых площадках, облучаемых солнцем и ориентированных на юг. Основными элементами их являются: трубчатый теплоприемник и набор зеркальных концентрирующих элементов в виде двугранных фоклинов. Теплоприемник и фоклины помещены в алюминиевый теплоизолированный корпус, закрытый сверху оконным стеклом. В качестве теплоизоляции применяется пенополистирол. Для лучшего восприятия солнечной радиации поверхность труб имеет черное гальваническое покрытие.

Принцип действия водонагревателя заключается в концентрации солнечной энергии на поверхности труб и передаче его теплоносителю, который под давлением 1 - 6 атмосфер поступает через подающий штуцер в теплоприемник, где воспринимает тепло от горячих стенок и подается через сливной штуцер потребителю.

Техническая характеристика (при интенсивности солнечной радиации 600 Вт/м² и температуре окружающей среды не ниже 0 ˚С)

Суточная производительность:

по теплоте, кДж - 15 000

по воде (80 ˚С), кг - 50

КПД, % - 50

Площадь нагрева, м² - 1,0

Габаритные размеры, мм - 1200 х 880 х 160

Вес (сухой), кг - 40

Емкость теплоприемника, л - 0,7

Использование водонагревателей площадью 100 м² позволяют экономить 15 т у.т. в год.

Водонагреватель рекомендуется использовать для систем отопления и горячего водоснабжения гражданских зданий, а также для технологических целей, где требуется горячая вода с температурой до 80 °С.

Гелиополигон круглогодичного действия мощностью 9 тыс. м³/год с механизированной технологической линией размещен на действующем заводе железобетонных изделий.

В технологическую линию изготовления сборных железобетонных изделий с использованием солнечной энергии для термовлажностной обработки входят гелиокамеры, накрытые несъемными гелиопокрытиями типа СВИТАП (рис. 4).

Форма-вагонетка (типовая форма, оснащенная колесами) по сигналу с пульта управления системой цепной передачи выкатывается на линию формовки, козловой кран укладывает арматуру, бетоноукладчик с вибротележкой укладывает бетон, вибрирует и переходит на следующий заданный пост. Форма-вагонетка закатывается в гелиокамеру. Оборот форм суточный. В осенне-зимне-весенний период в качестве дополнительного источника тепловой энергии для термовлажностной обработки применены инфракрасные излучатели с напряжением 36 В.

Рис. 4. Состав технологической линии:

1- бетоновозная эстакада; 2- бетоноукладчик с виброустановкой;

3- козловый кран; 4- гелиокамеры; 5- щитовые и пультовые; 6- склад арматуры и готовой продукции

Система термовлажностной обработки автоматизирована. Применение этой системы позволяет экономить около 80 % тепловой энергии на термовлажносную обработку сборных железобетонных изделий.

Используется при изготовлении сборных железобетонных изделий для мелиоративного строительства.

Плоский солнечный коллектор повышенной эффективности предназначен для преобразования энергии излучения Солнца в тепловую. Он позволяет без использования концентратора солнечного излучения нагревать в ясный летний день 60...70 л воды (в расчете на 1 м² площади тепловоспринимающей поверхности) до температуры 55...60˚С .

Плоский солнечный коллектор (рис. 5) работает в комплекте с баком-аккумулятором. Основными его элементами являются: поглощающая панель с каналами для теплоносителя; прозрачная изоляция, состоящая обычно из одного или двух слоев стекла; тыльная и боковая изоляция и корпус, в котором размещаются все перечисленные выше элементы. Прозрачная изоляция фронтальной поверхности и тыльная (и боковая) изоляция предназначены для снижения тепловых потерь от нагреваемой лучами Солнца панели в окружающую среду.

Рис. 5. Схема солнечной установки с коллектором повышенной эффективности:

1-солнечный коллектор; 2- бак-аккумулятор; 3- вентиль

В коллекторе теплопоглощающая панель выполнена в виде листотрубной конструкции из латуни. Трубки уложены в цилиндрические продольные пазы и равномерно припаяны к листу.

Для повышения КПД коллектора на поглощающую панель наносится покрытие с селективными оптическими свойствами, обеспечивающее снижение тепловых потерь от излучения в несколько раз по сравнению с обычным коллектором.

Применение селективного покрытия в солнечных коллекторах повышает их эффективность и обеспечивает более высокий уровень рабочих температур. Так, например, эффективность плоского солнечного коллектора с селективным покрытием при температуре теплоносителя 60…80 ˚С в 1,5 - 2 раза выше, чем у неселективных коллекторов. Без использования концентратора солнечного излучения можно нагревать в солнечный день 80…100 л воды.

Плоский солнечный коллектор с площадью тепловоспринимающей панели 1 м² экономит от 0,1 до 0,2 т у. т. в год в зонах с благоприятными для использования солнечной энергии климатическими условиями.

Указанный коллектор может использоваться как в небольшой душевой установке индивидуального назначения (для нужд одной семьи), так и в крупных установках для горячего водоснабжения объектов коммунально-бытовой сферы (гостиницы, больницы, санатории, пионерские лагеря и т. д.) и сельскохозяйственных потребителей.

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС) основываются пока на двух способах преобразования солнечной энергии в электрическую: термодинамическом и фотоэлектрическом.

Все современные СТЭС независимо от их типа имеют следующие основные элементы: концентратор, теплоприемник, систему транспорта и аккумулирования теплоты, систему преобразования теплоты в работу.

В настоящее время нашли применение две разновидности СТЭС: башенного типа и с параболоцилиндрическими концентраторами.

В первом случае теплоприемник-парогенератор кругового облучения или полостного типа расположен на вершине башни. Вокруг башни (теплоприемник кругового облучения) или с ее северной стороны (теплоприемник полостного типа) расположены плоские зеркала на подвижных опорах (гелиостаты), которые следят за солнцем и отражают солнечные лучи на по верхность теплоприемника. Водяной пар, полученный в теплоприемнике, направляется в паровую турбину. Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется по обычной схеме с циклом Ренкина. Пример тепловой схемы СТЭС башенного типа (10 МВт, Барстоу, США) показан на рис.6.

Рис.6. Схема СТЭС башенного типа:

1 - центральный приемник; 2 – турбина; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – парогенератор системы аккумулирования; 5 – расширительный бак; 6 – охладитель пара, идущего на зарядку системы аккумулирования; 7 – промежуточный нагреватель системы аккумулирования теплоты; 8 – регенеративные подогреватели; 9 - деаэратор