Recent, interesul pentru problema utilizării energiei solare a crescut dramatic și, deși această sursă se referă și la energia regenerabilă, atenția acordată acesteia în întreaga lume ne face să analizăm separat posibilitățile sale. Posibilitățile de energie potențiale bazate pe utilizarea radiației solare directe sunt extrem de mari. Rețineți că utilizarea a numai 0,0125% din această cantitate de energie solară ar putea oferi toate necesitățile actuale ale energiei mondiale și utilizarea a 0,5% - să acopere pe deplin necesitățile pentru viitor. Din nefericire, aproape niciodată aceste mari resurse potențiale vor fi realizate la scară largă. Unul dintre cele mai grave obstacole în calea unei astfel de implementări este intensitatea scăzută a radiației solare. Chiar și în cele mai bune condiții atmosferice (latitudini sudice, cerul clar), densitatea fluxului de radiație solară nu este mai mare de 250 W / m2. Prin urmare, pentru a colecta radiațiile solare "colectate" pentru un an energia necesară pentru a satisface toate nevoile omenirii, este necesar să le plasăm pe un teritoriu de 130.000 km2. Necesitatea de a utiliza colectoare mari presupune, în plus, costuri semnificative pentru materiale.
Cel mai simplu colector de radiații solare este o foaie înnegritată (de obicei din aluminiu), în interiorul căreia există țevi cu un lichid care circulă în ea. Încălzit de energia solară absorbită de colector, lichidul vine pentru utilizare directă. Conform calculelor, producția de colectoare de radiație solară cu o suprafață de 1 km2 necesită aproximativ 10-4 tone de aluminiu.
Rezervele probabile ale acestui metal din lume sunt estimate la 1,17 * 10 ^ 9 tone. Din scris, este clar că există diverși factori care limitează puterea energiei solare. Să presupunem că în viitor va fi posibil să se folosească nu numai aluminiu, ci și alte materiale pentru producerea colectoarelor. Se va schimba situația în acest caz?
Vom porni de la faptul că într-o fază separată de dezvoltare a energiei (după 2100), toate energiile lumii vor fi satisfăcute de energia solară. În cadrul acestui model, se poate estima că în acest caz va fi necesară "colectarea" energiei solare într-o zonă de la 1 * 10 ^ 6 la 3 * 10 ^ 6 km2. În același timp, suprafața totală a terenurilor arabile din lume de astăzi este de 13 * 10 ^ 6 km2. Energia solară aparține celor mai mari tipuri de producție de energie intensivă. utilizarea pe scară largă a energiei solare presupune creștere semnificativă a necesarului de materiale, și, prin urmare, forța de muncă pentru extracția de materii prime, materiale, îmbogățirea care primesc, de fabricație heliostats colectoare, alte echipamente, transportul acestora. Calculele arată că pentru producția de 1 MW * un an de energie electrică cu ajutorul energiei solare va trebui să cheltuiți între 10 000 și 40 000 de ore. În industria energetică tradițională pe combustibilul organic, această cifră este de 200-500 ore. Deocamdată, energia electrică generată de razele solare este mult mai scumpă decât metodele tradiționale. Oamenii de știință speră că experimentele pe care le vor efectua pe instalații și stații experimentale vor contribui la rezolvarea nu numai a problemelor tehnice, dar și economice.
Seturi hidraulice la 60 °
Unul dintre liderii în utilizarea practică a energiei solare era Elveția. S-au construit aici 2600 de unități solare cu fotoconvertoare de siliciu cu puteri de la 1 până la 1000 kW și dispozitive de colectare a energiei solare pentru generarea de căldură. Programul a primit numele și a fost realizat sub sloganul. face o contribuție apreciabilă la rezolvarea problemelor de mediu și a independenței energetice a țării importând astăzi mai mult de 70% din energie.
Firmele mari se montează pe acoperișurile clădirilor industriale de heliostate până la 300 kW. O astfel de stație poate acoperi nevoile energetice ale întreprinderii cu 50-70%.
În zonele din zonele montane alpine, unde se renunță la liniile de energie neprofitabile, se construiesc centrale solare autonome cu baterii.
Experiența operațională arată că Sun este deja în măsură să furnizeze cerințe energetice pentru cel puțin toate clădirile rezidențiale din țară.
Plantele solare, amplasate pe acoperișurile și pereții clădirilor, pe gardurile de protecție împotriva zgomotului ale autostrăzilor, în spațiile de transport și industriale, nu necesită un spațiu agricol sau urban scump pentru cazare.
O instalație solară autonomă lângă satul Grimsel oferă electricitate pentru iluminarea permanentă a unui tunel rutier. Aproape de orașul Shur, panourile solare, montate pe o zonă de 700 de metri de zăbrele rezistentă la zgomot, produc anual 100 kW de energie electrică. Panouri solare putere de 320 kW instalat pe comanda ferma Biral pe acoperișul clădirii sale de producție din Münsingen aproape acoperi complet nevoile tehnologice ale întreprinderii în căldură și electricitate.
Conceptul modern de utilizare a energiei solare este exprimata cel mai deplin în construcția de fabrici de sticlă fereastră clădiri în Arisdorf unde panourile solare cu o capacitate totală de 50 kW are un rol în proiectarea de elemente suplimentare de podea și de proiectare a fațadei a fost atribuită.
Celulele solare cu siliciu Efficiency cu încălzire puternică este semnificativ redusă și, prin urmare, sub panourile solare sunt dirijate conducte de ventilație pentru pomparea aerului exterior. Încălzirea aerului funcționează ca un agent de răcire pentru dispozitivele colectoare. Albastru închis, spumant în soare, pe fotovoltaice sud și vest fațadele clădirii administrative, oferind rețea 9 kW de putere, servi ca fațadă decorativă.
GELIOMOBIL TODAY
Una dintre secțiunile majore ale programului "Solar-91" este dezvoltarea vehiculelor care utilizează energie solară, deoarece transportul auto reprezintă un sfert din resursele energetice ale țării. În fiecare an în Elveția se desfășoară un raliu internațional de soare. Raliul lung de 644 kilometri este așezat de-a lungul drumurilor din nord-vestul Elveției și din Austria. Cursele constau în 6 etape de o zi, lungimea fiecăruia - de la 80 la 150 de kilometri.
Cetățenii elvețieni acordă mari speranțe producției descentralizate de energie electrică și termică prin propriile instalații solare. Aceasta răspunde caracterului elvețian independent și independent, sentimentului unui proprietar civilizat, care nu dispune de bani pentru puritatea aerului montan, apei și a pământului. Prezența heliostații personale stimulează dezvoltarea în țară a domeniului electronicii și ingineriei electrice, a instrumentelor, a tehnologiei de noi materiale și a altor industrii de înaltă tehnologie.
Au trecut patru ani. "Tour de sol" a devenit un campionat mondial neoficial. În al cincilea "raliu solar", care a avut loc în 1989, au participat peste 100 de reprezentanți din FRG, Franța, Anglia, Austria, SUA și alte țări. Cu toate acestea, mai mult de jumătate din helio-mașinile au aparținut pionierilor elvețieni ca înainte. În următorii cinci ani, a apărut conceptul de heliomobil de serie. Heliomobilul este considerat serial în cazul în care producătorul a vândut cel puțin 10 eșantioane și are un certificat care permite traficul pe drumurile publice.
TRANSMITERE DE ENERGIE SOLARĂ
Există și alte direcții în dezvoltarea energiei solare. Aceasta, în primul rând, utilizarea capacității fotosintetice a plantelor. Sistemele fotobiochemice, unde energia unui cuantic de lumină este folosită pentru transferul de electroni, au fost deja create și funcționează cu succes, deși în laborator. Acestea sunt prototipul transformatoarelor eficiente ale viitorului, folosind principiile fotosintezei naturale.
Rezolvarea problemelor „economie“ a energiei solare, nu putem cădea în comună greșită: compara scump, dar foarte tineri tehnologie de conversie a energiei solare în energie electrică folosind celule solare, un ieftine, dar „murdar“, folosind tehnologia de petrol și gaze. Eficiența costurilor acestui nou tip de resurse energetice ar trebui comparată cu acele tipuri de energie care vor fi utilizate la aceeași scară în viitor.
Calculele arată că costul unei producții largi de combustibili lichizi sintetici care utilizează energia solară va fi de 60 de dolari pe baril. Pentru comparație, observăm că astăzi costul unui baril de petrol din zona Golfului Persic este de 35 USD.
Intensitatea luminii solare la nivelul mării este de 1-3 kW pe metru pătrat. Eficiența celor mai bune baterii solare este de 12-18%. Având în vedere eficiența, conversia energiei solare folosind fotoconvertoare face posibilă obținerea de la un metru pătrat la cel mult 1/2 kW de putere.
Experiența utilizării energiei solare în latitudini temperate arată că este mai profitabil să acumulați direct energia solară și să o utilizați sub formă de căldură. Au fost elaborate propuneri de proiecte pentru Alaska și nordul Canadei. Condițiile naturale și climatice ale acestor regiuni sunt comparabile cu condițiile din banda centrală a țării noastre. Există două direcții principale în dezvoltarea energiei solare: rezolvarea problemei globale a aprovizionării cu energie și crearea unor convertoare solare proiectate să îndeplinească anumite sarcini locale. Acești convertoare, la rândul lor, sunt, de asemenea, împărțiți în două grupuri: temperatură ridicată și temperatură scăzută.
În primul tip de traductoare, razele solare sunt concentrate într-o zonă mică, a cărei temperatură se ridică la 3000 ° C. Astfel de setări există deja. Ele sunt folosite, de exemplu, pentru topirea metalelor.
Cea mai numeroasă parte a convertoarelor solare funcționează la temperaturi mult mai scăzute - aproximativ 100-200 ° C. Cu ajutorul lor încălzesc apa, desalinizează-o, scoate-o din puțuri. În bucătăriile solare pregăti hrana. Concentrat soarele legume solide uscate, fructe și chiar îngheață alimente. Energia soarelui poate fi acumulată în timpul zilei pentru a încălzi casele și serele noaptea.
Instalațiile solare practic nu necesită costuri de operare, nu necesită reparații și trebuie doar să fie construite și menținute curate. Ei pot lucra fără sfârșit.
SOLUȚII CONCENTRATE DE LUMINĂ SOLARĂ
Din copilărie, mulți își amintesc că, cu ajutorul unei lentile colective de la lumina soarelui, puteți lumina o hârtie. În instalațiile industriale, lentilele nu sunt folosite: ele sunt grele, costisitoare și greu de fabricat.
De asemenea, puteți focaliza razele solare cu o oglindă concavă. Este partea principală a concentratorului solar, un instrument în care razele solare paralele sunt colectate cu ajutorul unei oglinzi concave. Dacă puneți o țeavă cu apă în centrul oglinzii, se va încălzi. Acesta este principiul acțiunii convertizoarelor solare directe.
Cele mai eficiente pot fi folosite în latitudinile sudice, dar în mijlocul benzii le găsesc aplicații. Oglinzile din instalații sunt folosite fie din sticlă tradițională, fie din aluminiu lustruit. Concentratorii cei mai eficienți ai radiației solare (Figura 2) au forma:
- un paraboloid cilindric (a);
- paraboloidul revoluției (b);
- plană-lentilă Fresnel lineară (c).
Industriile Loose la o centrală electrică cu gaze solare din California utilizează un sistem de reflectori parabolici-cilindrici lungi sub forma unui jgheab. La punctul său de focalizare există o țeavă cu difenil de răcire încălzită la 350 ° C. Câmpul se întoarce pentru a urmări soarele numai în jurul unei axe (și nu a două, ca heliostații plate). Acest lucru a făcut posibilă simplificarea sistemului de urmărire a soarelui. Energia solară poate fi transformată direct într-una mecanică. Pentru aceasta, se folosește motorul Stirling. Dacă în centrul unei oglinzi parabolice cu diametrul de 1,5 m se obține un convertizor dinamic care funcționează pe durata ciclului Stirling, puterea rezultată (1 kW) este suficientă pentru a ridica 2 m3 de apă pe oră dintr-o adâncime de 20 de metri.
În sistemele solare reale, o lentilă Fresnel liniară plană este rar utilizată din cauza costului ridicat.
Încălzitorul de apă Încălzitorul de apă este proiectat pentru alimentarea cu apă caldă, în principal pentru gospodăriile individuale. Dispozitivul este alcătuit dintr-o cutie cu bobină, un rezervor de apă rece, un rezervor de stocare și țevi. Cutia este instalată permanent sub un unghi de 30-50 ° orientată spre partea de sud. Apa rece, mai grea, intră în mod constant în partea inferioară a cutiei, unde se încălzește și, deplasată de apă rece, intră în rezervorul de stocare. Poate fi folosit pentru încălzire, pentru duș sau pentru alte nevoi de uz casnic. Capacitatea zilnică la 50 ° latitudine este de aproximativ 2 kW / h pe metru pătrat. Temperatura apei din rezervorul de stocare atinge 60-70 °. Eficiența instalației este de 40%.
Concentratori termici Toți cei care au fost vreodată într-o seră știu cât de strâns condițiile din interiorul ei diferă de cele din jurul lui: Temperatura în ea este mai mare. Razele soarelui trec aproape fără obstacole prin acoperirea transparentă și încălzesc solul, plantele, pereții și structura acoperișului. În direcția opusă, căldura se disipează puțin din cauza concentrației crescute de dioxid de carbon. Concentratorii termici lucrează pe un principiu similar.
Acestea sunt cutii din lemn, metal sau plastic, pe de o parte închise cu geam simplu sau dublu. În interiorul cutiei pentru absorbția maximă a luminii solare, introduceți o placă de metal ondulat, negru vopsit. În cutie, se încălzește aerul sau apa, care este luat periodic sau permanent de acolo de un ventilator sau o pompă.
CAMERA REZIDENTIALA CU INCALZIRE SUNNY
Valoarea medie a radiației solare totale la o latitudine de 55 ° care intră pe o zi pe 20 m 2 pe suprafața orizontală pe parcursul anului este de 50-60 kW / h. Aceasta corespunde costului energiei pentru încălzirea casei cu o suprafață de 60 m2.
Pentru condițiile de funcționare a unei locuințe locuite sezonier al benzii de mijloc, cel mai potrivit este sistemul de încălzire a aerului. Aerul este încălzit în colectorul solar și este alimentat prin conductele de aer în încăpere. Avantajele utilizării unui agent de răcire a aerului în comparație cu un lichid de răcire sunt evidente:
- nu există niciun pericol ca sistemul să înghețe;
- nu este nevoie de țevi și robinete;
- simplitate și ieftinitate.
Dezavantajul este capacitatea scăzută de căldură a aerului.
Structurally, colectorul este o serie de cutii verticale vitrate, a căror suprafață interioară este înnegrată cu vopsea mată, care nu dă un miros când este încălzită. Lățimea cutiei este de aproximativ 60 cm. În partea de amplasare a colectorului solar se preferă versiunea verticală. Este mult mai ușor de construit și menținut. În comparație cu colectorul înclinat (de exemplu, ocupând o parte a acoperișului), nu este nevoie să se sigileze de apă, nu există probleme cu încărcarea zăpezii, cu oglinzi verticale este ușor să spălați praful.
Colectorul plat, în plus față de radiația solară directă, percepe radiația împrăștiată și reflectată: în vremea tulbure, cu nori ușori, într-un cuvânt, în condițiile pe care le avem cu adevărat în mijlocul benzii. Un colector plat nu creează căldură cu potențial ridicat, cum ar fi un colector de concentrare, dar acest lucru nu este necesar pentru încălzirea prin convecție, este suficient să existe aici căldură cu potențial scăzut. Colectorul solar este amplasat pe o fațadă orientată spre sud (abaterea permisă până la 30 ° est sau vest).
Radiațiile solare radicale în timpul zilei, precum și dorința de a încălzi casa noaptea și într-o zi tulbure dictează nevoia unei baterii termice. În timpul zilei, el acumulează energie termică și dă noaptea. Pentru a lucra cu un colector de aer, cea mai rațională este o baterie cu pietriș. Este ieftin, simplu în construcții.
Amploarea de pietriș poate fi așezată într-un subsol încastrat izolat termic al casei. Aerul cald este pompat în baterie folosind un ventilator.
Pentru o casă cu o suprafață de 60 m 2. Volumul bateriei este cuprins între 3 și 6 m3. Răspândirea este determinată de calitatea elementelor sistemului solar, de izolarea termică și, de asemenea, de modul de radiație solară într-o anumită zonă.
Sistemul de alimentare cu energie solară a casei funcționează în patru moduri (Figura 4. a-d):
- încălzirea și stocarea energiei termice (a);
- încălzirea bateriei (b);
- acumularea energiei termice (in);
- încălzirea din colector (g).
În zilele reci și insorite, aerul încălzit în colector se ridică și intră în camere prin deschiderile de la tavan. Circulația aerului se datorează convecției naturale. În zilele calde și calde, aerul cald este luat din zona superioară a colectorului și pompat prin pietriș cu ajutorul unui ventilator, încărcând acumulatorul de căldură. Pentru încălzirea nocturnă și în cazul vremii tulburi, aerul din cameră este trecut prin baterie și revine la încăperile încălzite.
În banda intermediară, sistemul solar satisface doar parțial nevoile de încălzire. Experiența în exploatare arată că economia de combustibil sezonier datorată utilizării energiei solare atinge 60%.