Солнечные коллекторы. Солнечные батареи
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Декабря 2013 в 16:20, реферат
Описание работы
Используя энергию от солнца, чтобы нагреть воду одно из самого старого использования солнечной энергии. Солнечные коллекторы - сердце большинства систем солнечной энергии. Коллекционер поглощает энергию света солнца и изменяет ее в тепловую энергию. Солнечные коллекторы могут использоваться для почти любого процесса, который требует высокой температуры. Внутренняя горячая вода - вторые самые высокие затраты энергии в типичном домашнем хозяйстве в Европе или Северной Америке. Фактически, для некоторых домов это могут быть самые высокие энергетические расходы. Солнечное водное нагревание может уменьшить внутренние согревающие затраты воды на целых 70 %.
Файлы: 1 файл
1
Введение
Используя энергию от солнца, чтобы нагреть воду одно из самого
старого использования солнечной энергии. Солнечные коллекторы - сердце
большинства систем солнечной энергии. Коллекционер поглощает энергию
света солнца и изменяет ее в тепловую энергию. Солнечные коллекторы
могут использоваться для почти любого процесса, который требует высокой
температуры.
Внутренняя горячая вода - вторые самые высокие затраты энергии в
типичном домашнем хозяйстве в Европе или Северной Америке.
Фактически, для некоторых домов это могут быть самые высокие
энергетические расходы. Солнечное водное нагревание может уменьшить
внутренние согревающие затраты воды на целых 70 %.
Сегодня, солнечные водные системы нагрева используются для домов
для одной семьи, жилых домов, школ, автомоек, больниц, ресторанов,
сельскохозяйственных ферм и различных отраслей промышленности. Это -
разнообразный список частных, коммерческих и промышленных зданий, но у
них всех есть одна общая черта - они все используют горячую воду.
Владельцы этих зданий нашли, что солнечные водные системы нагрева
рентабельны в удовлетворении их потребностей горячей воды во всем мире.
Солнечные коллекторы уже становятся обычными в Приморье и все
больше людей используют их для получения горячей воды и в отопительных
системах. В соседнем Китае по состоянию на 2012 г. общая площадь
солнечных коллекторов превысила 145 миллионов квадратных метров. Их
общая мощность тепловой энергии превышает 100 гигаватт. Для сравнения -
это в 4 раза больше чем мощность всех атомных станций России вместе
взятых. Между тем еще 15 лет назад в Китае солнечных коллекторов почти
не было. Ивестиции в эту сферу позволили развить производство, а
государственные субсидии сделали приобретение коллекторов более
доступным для населения. Ну а самым важным фактором стало то, что
использование солнечных коллекторов экономически очень выгодно. За свой
срок службы солнечный коллектор вырабатывает такое количество энергии,
что его стоимость многократно перекрывает расходы на установку.
Солнечные коллекторы - самые эффективные на сегодня устройства по
использованию энергии солнца. Если фотоэлектрические панели используют
лишь 14-18% от поступающей к ним энергии солнца, то эффективность
солнечных коллекторов 70-85%. Основной принцип работы заключается в
том, что солнечные коллекторы захватывают тепловую энергию,
концентрируют и направляют для использования человеком.
2
1. Солнечный коллектор
Солнечный
коллектор —
устройство для
сбора
тепловой
энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним
инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих
непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев
материала - теплоносителя.
Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления
помещений.
1.1 История солнечных коллекторов
Сама технология солнечных коллекторов не является чем-то особенно
новым. Первая модель солнечного коллектора из стекла, деревянной коробки
и внутреннего нагревающегося слоя была создана швейцарским ученым
Горацием Соссюром еще в конце 18го века. Ученый тогда отметил, что
конструкция "маленькая, дешевая и простая". На практике впервые такое
устройство начали использовать для нагрева воды в конце 19 века в Южной
Калифорнии. Различные фирмы производили простейшие солнечные
коллекторы в виде черных баков для воды, установленных в деревянном
ящике, одна из сторон которого была закрыта стеклом и обращена к солнцу.
В этом случае за ночь вода остывала и приходилось ждать, пока она
нагреется за день.
В 1909 году в Калифорнии Вильям Бейли создал прототип
современного плоского коллектора, который устанавливался отдельно от
бака для воды и передавал тепло через теплообменный контур. Индустрия
солнечных коллекторов процветала в южных штатах США - Калифорнии и
Флориде до конца 1940х годов, когда цены на нагрев воды с использованием
электричества и газа сильно снизились и производство солнечных
коллекторов прекратилось. Второе рождение солнечных коллекторов
пришлось на 1970е годы во времена нефтяного кризиса, когда цены на
энергоносители сильно выросли. В результате во многих странах началось
производство и массовое распространение солнечных коллекторов, в том
числе в США, Японии, Австралии и средиземноморском регионе.
В Израиле в 1950х годах ощущалась сильная нехватка
энергоносителей. Дефицит энергии был таков, что законодательно был
введен запрет на нагрев воды в вечернее и ночное время. В то же время в
стране стало развиваться производство солнечных систем нагрева воды. К
1967 году 20% жителей страны использовали солнечные коллекторы. Во
время энергетического кризиса 1970х парламент издал закон, обязывающий
3
все новые строящиеся дома иметь систему солнечного нагрева воды. В
результате к настоящему времени 85% домашних хозяйств в Израиле
используют солнечные коллекторы. Произведенная ими энергия составляет
3% энергопотребления страны и экономит 2 миллиона баррелей нефти в год.
С ростом цен на энергоносители в 2000х годах начался новый этап в
производстве и использовании солнечных коллекторов. На начало 2010 года
всего на планете было установлено свыше 150 гигаватт мощности солнечных
коллекторов (без учета систем солнечного нагрева бассейнов и воздушных
коллекторов). Ежегодно устанавливается свыше 30 гигаватт. Сейчас общая
мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 гигаватт тепловой
энергии и продолжает расти.
1.2. Как работают солнечные коллекторы
Солнечная водонагревательная установка состоит из собственно
солнечного коллектора, теплообменного контура и аккумулятора тепла (бака
с водой). Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель
(жидкость). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией
солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник,
вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая
вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую
теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор,
может использоваться естественная или принудительная циркуляция
теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический
нагреватель-дублер.
4
В случае понижения температуры воды, в баке-аккумуляторе ниже
установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество
часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически
включается и догревает воду до заданной температуры.
1.3 Виды солнечных систем нагрева воды
Есть два основных вида солнечных систем нагрева воды: активные
(принудительная циркуляция) и пассивные (естественная циркуляция).
На схеме ниже представлена активная система. Она является более
сложной, дорогой, но значительно более эффективной, поскольку позволяет
полный контроль над системой и использование солнечных коллекторов
зимой. Отличительные признаки активной системы - бак с водой находится
внутри помещения, а солнечные коллекторы на крыше. Теплоноситель
прокачивается через систему насосом.
В наиболее распространенных пассивных системах солнечный
коллектор и бак с водой объединены в единую систему "солнечного
водонагревателя". Бак с водой находится выше коллектора и соединен с ним.
Теплоноситель нагревает воду за счет естественной конвекции. Холодная
вода подается в бак снизу под напором. Такая система проста по своей
конструкции, легко устанавливается и дешевле. Основной недостаток такой
системы - низкая эффективность или невозможность использования в
холодном климате зимой. В России такую систему можно использовать
5
летом на даче, в летнем доме или турбазе. На зиму воду с такой системы
нужно сливать во избежание перемерзания и повреждения.
Для нагрева воды в летнее время лучше подходят пассивные системы. Для
нагрева воды круглогодично и солнечного отопления необходимо
использовать активные системы.
Системы с активной (принудительной) циркуляцией
В системе с активной (принудительной) циркуляцией коллектор
устанавливается отдельно от бака накопителя, а для регулирования
теплопереноса требуется циркуляционный насос, температурные датчики и
устройство управления. В системе данного типа бак-накопитель монтируется
вертикально внутри здания и может иметь большую емкость и оснащаться
различным дополнительным оборудованием.
Преимущества:
Гибкость в эксплуатации: бак-накопитель может быть установлен в любом
помещении дома, солнечные панели располагаются в наиболее освещенном
солнцем месте.
Круглогодичная эксплуатация
6
Возможность интегрирования в существующую систему ГВС
Область применения:
Частные дома, промышленные и др. объекты.
Системы с пассивной (естественной) циркуляцией
В системе с пассивной (естественной) циркуляцией бак-накопитель
монтируется непосредственно над панелью, установленной на крыше или на
земле. В этом случае бак-накопитель устанавливается горизонтально над
солнечной панелью. Система функционирует на основе базовых принципов
физики: нагретая жидкость имеет меньшую плотность и стремится подняться
вверх.
Преимущества:
Простота конструкции: система легко подключается, так как имеет только
трубопроводы холодной воды на входе и горячей воды на выходе.
Отсутствуют электрические подключения.
Крайне низкие затраты на техническое обслуживание.
Область применения:
Небольшие частные дома для малых семей и других пользователей.
7
Рассмотрим, из чего состоит солнечный коллектор:
Коллекторная система состоит, собственно, из коллектора,
контура для теплообмена и теплового аккумулятора (обычного
водяного бака).
По
солнечному
коллектору
происходит циркуляция
теплоносителя (жидкости). В нем теплоноситель нагревается от
солнечной энергии. Затем передают добытую энергию
посредством теплообменника, вмонтированного
в
бак-
аккумулятор, воде в баке.
В баке нагретая вода хранится вплоть до ее использования, к
примеру, на отопление дома солнечными коллекторами, а также
другие хозяйственные нужды.
Для более продолжительного сохранения воды в нагретом
состоянии, бак должен обладать качественной теплоизоляцией.
Циркуляция воды в солнечном коллекторе может
производиться как естественным, так и принудительным
способом.
В бак-аккумулятор также может быть вмонтирован
дублирующий электронагреватель, который при необходимости
будет автоматически включаться, чтобы нагреть воду до
заданной температуры при устоявшейся пасмурной погоде либо
непродолжительном солнцестоянии в зимний период.
8
Расположение коллектора в доме.
Комбинированная система теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 –
расширительный бак; 3 – бак-аккумулятор; 4 – отопительный котел
9
1.4Типы солнечных коллекторов
Плоские
Оборудование данного типа представляет собой остекленную панель,
внутри которой располагается прозрачная пластина поглотителя. На
обратной стороне солнечного коллектора размещен теплоизоляционный
слой. Поглотитель, собрав энергию видимого солнечного света, превращает
ее в тепло и передает жидкой среде.
Плоский коллектор состоит из элемента,
поглощающего
солнечное
излучение
(абсорбер),
прозрачного
покрытия
и
термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с
теплопроводящей системой. Он покрывается
чёрным цветом либо спец. раствором, для
повышения
эффективности.
Прозрачный
элемент обычно выполняется из закалённого
стекла с пониженным содержанием металлов,
либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя
часть панели покрыта теплоизоляционным
материалом (например, полиизоцианурит).
Трубки, по которым распространяется вода,
изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель
является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются
силиконовым герметиком.
При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны
нагреть воду до 190—200 °C.
Чем больше падающей
энергии
передаётся
теплоносителю, протекающему в
коллекторе, тем выше его
эффективность. Повысить её
можно, применяя специальные
оптические
покрытия,
не
излучающие
тепло
в
инфракрасном
спектре.
Стандартным
решением
повышения
эффективности
коллектора стало применение
абсорбера из листовой меди, из-за её высокой теплопроводности, поскольку
применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя
теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное
превышение "запаса мощности" по теплопередаче), что незначительно в
сравнении с ценой. Используется также алюминиевый экран.
10
Вакуумные
Такие устройства состоят из множества стеклянных не соединенных
между собой трубок. Внутрь каждой
из них
вставлен
поглотитель
солнечного света.
Данные
коллекторы, так
же как и
оборудование
плоского
типа,
собирают
лучи
Солнца
и
превращают их в тепло.
По способу нагрева воды
выделяются два типа вакуумных коллекторов — прямоточные и с косвенной
теплопередачей. В первом случае коллекторы работают без давления,
подключаясь к водопроводу через запорный кран. В России прямоточное
оборудование может использоваться с апреля по сентябрь. Устройства
второго вида являются всесезонными. Они функционируют по принципу,
схожему
с
работой
системы
центрального
отопления.
Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300
°C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт
уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного
стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.
Фактически солнечная тепловая труба
имеет устройство схожее с бытовыми
термосами. Только внешняя часть трубы
прозрачна, а на внутренней трубке нанесено
высокоселективное покрытие, улавливающее
солнечную энергию. Между внешней и
внутренней стеклянной трубкой находится
вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт
возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.
Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение
тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении
11
установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части
трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть
трубки (конденсатор), где конденсируясь, передают тепло коллектору.
Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по
сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких
температур и слабой освещенности.
Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать
воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей
температуре.
1.5 Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов
Вакуумные трубчатые
Плоские высокоселективные
Преимущества
Низкие теплопотери
Способность очищаться от
снега и инея
Работоспособность в
холодное время года до -30С
Высокая производительность
летом
Способность генерировать
высокие температуры
Отличное соотношение
цена/производительность для южных
широт и тёплого климата
Длительный период работы в
течение суток
Возможность установки под
любым углом
Удобство монтажа
Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение
цена/производительность для
умеренных широт и холодного
климата
Недостатки
Неспособность к самоочистке
от снега
Высокие теплопотери
12
Относительно высокая
начальная стоимость проекта
Низкая работоспособность в
холодное время года
Рабочий угол наклона не
менее 20°
Сложность монтажа связанная
с необходимостью доставки на
крышу собранного коллектора
Высокая парусность
1.6 Виды солнечных коллекторов
Солнечные коллекторы для нагрева воздуха
В воздушных коллекторах теплоносителем является воздух, который
по сравнению с жидкими теплоносителями (водой-или антифризом) имеет
ряд преимуществ:
воздух не замерзает и не закипает,
воздух не токсичен,
воздух электрически нейтрален,
воздух доступен везде и всегда.
Это дает возможность
использовать воздушные солнечные
коллекторы в условиях характерных для России низких отрицательных
температур, когда применение солнечных коллекторов известных типов с
жидкими теплоносителями существенно затрудненно.
Особенно эффективно использование воздушных коллекторов в
регионах Сибири и Приморья.
Используя горячий воздух, поступающий из коллекторов для прямого
обогрева помещений и нагрева воды, можно эффективно эксплуатировать
воздушные солнечные энергетические установки 8 месяцев в году.
Обычно солнечная воздушная система экономит около 50% топлива,
расходуемого на отопление
помещений.
Эти
выводы
сделаны
на
основании
результатов
испытаний
коллекторов в г. Таганроге.
13
Принцип действия солнечного воздушного коллектора.
Известно, что стекло хорошо пропускает короткие и практически не
пропускает длинные тепловые волны, поэтому коротковолновое солнечное
излучение легко проникает сквозь стекло и нагревает металлическую
оребренную солнцеприемную панель, которая нагреваясь, излучает длинные
тепловые волны. Эти волны не могут проникнуть сквозь стекло наружу,
таким образом, между стеклом и панелью возникает парниковый эффект, в
результате чего солнцеприемная панель с ребрами нагревается до
температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды. В
каналы, образованные ребрами, внутренней поверхностью солнцеприемной
панели и изолятором за счет естественной циркуляции или вентилятора
подается холодный воздух, который соприкасаясь с горячими поверхностями
каналов, нагревается и поступает для обогрева помещений или нагрева воды.
Интегрированный коллектор
Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или
"термосифонный коллектор", получивший это название потому, что
коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в
котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие
коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем
нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например,
в газовых колонках.
В условиях домашнего хозяйства
предварительно
подогретая
вода
поступает в бак-накопитель. Благодаря
этому снижается потребление энергии на
последующий ее нагрев. Такой коллектор -
недорогая
альтернатива
активной
солнечной водонагревательной системе,
не использующая движущихся частей
(насосов),
требующая минимального
техобслуживания,
с
нулевыми
эксплуатационными расходами. К этому
виду коллекторов принадлежат также
"Integrated Collector and Storage" -
интегрированные коллекторы-накопители. Они состоят из одного или
нескольких черных баков, наполненных водой и помещенных в
теплоизолированный ящик, накрытый стеклянной крышкой. Иногда в ящик
помещают также рефлектор, усиливающий солнечное излучение. Свет
проходит сквозь стекло и нагревает воду. Эти устройства совсем недороги,
однако перед наступлением холодов воду из них необходимо слить либо
защитить от замерзания.
14
Жидкостные коллекторы
В
жидкостных
коллекторах солнечная энергия
нагревает жидкость, текущую по
трубкам, прикрепленным к
поглощающей пластине. Тепло,
поглощенное
пластиной,
немедленно
передается
жидкости.
Трубки
могут
располагаться параллельно друг
другу,
причем на каждой
имеются входное и выпускное
отверстия, либо в виде змеевика.
Змеевидное
расположение
трубок устраняет возможность протекания через соединительные отверстия и
обеспечивает равномерный поток жидкости. С другой стороны, при спуске
жидкости во избежание замерзания могут возникнуть трудности, так как в
изогнутых трубках может местами оставаться вода.
В самых простых жидкостных системах используется обычная вода,
которая нагревается прямо в коллекторе и поступает в ванную, кухню и т.п.
Эта модель известна как "разомкнутая" (либо "прямая") система. В регионах
с холодным климатом жидкостные коллекторы нуждаются в спуске воды в
холодное время года, когда температура опускается до точки замерзания;
либо в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость. В
таких системах жидкий теплоноситель поглощает тепло, накопленное
коллектором, и проходит через теплообменник. Теплообменником обычно
служит установленный в доме водяной бак, в котором тепло передается воде.
Эта модель называется "замкнутой системой" ("непрямой").
Остекленные жидкостные коллекторы используются для нагрева
бытовой воды, а также для отопления помещений. Неостекленные
коллекторы обычно нагревают воду для бассейнов. Поскольку таким
коллекторам не нужно выдерживать высокую температуру, в них
применяются недорогие материалы: пластмасса, резина. Они не нуждаются в
защите от замерзания, так как используются в теплое время года.
15
1.7 Ориентация солнечного коллектора
Ориентация солнечных коллекторов (с каким путем они сталкиваются
и как они наклонены) оптимизирует их способность к коллекции. Атмосфера
земли поглощает и отражает существенную часть солнечного излучения.
Таким образом, большинство энергии, которая может быть собрана в любой
данный солнечный день, в солнечный полдень, когда прямая радиация луча
меньше всего затронута атмосферой. Солнечный полдень - истинный юг в
северном полушарии. Хотя присвоение адресов коллекционеров на истинный
юг будет обычно максимизировать работу, изменение в пределах 20 ° на
восток или запада является приемлемым без дополнительной площади
поверхности коллекционера.
Солнечный коллектор, который прослеживает солнце, будет обычно
получать приблизительно на 20 % больше солнечного излучения, чем южный
оптимум столкновения разместил коллекционера. Эта дополнительная
продукция не дает компенсацию затратам, связанным со строительством,
которое должно проследить солнце. Обычно будет более дешево установить
на 20 % больший солнечный коллектор.
Местные метеорологические карты (то есть, утренний туман или
преобладающая облачность дня) нужно также рассмотреть в ориентации
коллекционера. Если местная погода не фактор, и с коллекционерами нельзя
стоять, истинный юг, ориентируя их на запад вообще предпочтителен из-за
более высоких температур дня (у коллекционеров есть меньше потери
высокой температуры с выше вне температур).
Так как возвышение солнца изменяется в течение года в зависимости
от местной широты, коллекционеры должны быть наклонены к солнцу в
зависимости от заявления. Вообще, сезонные различия в озарении
значительны и должны быть приняты во внимание для всех заявлений
солнечной энергии. Наклон собирающейся поверхности приблизительно 30...
50 степеней на Юг в северном полушарии или на Север в южном полушарии
приводят к несколько лучшим результатам зимы для рассматриваемой
области, но также и некоторые потери летом. Системы обогрева наклонены
больше к положению зимнего солнца. В тропиках почти горизонтальная
поверхность получения является вообще самой выгодной из-за большой
высоты солнца. Наиболее желаемый угол склонности установить солнечный
коллектор является местной широтой. Положительное различие между
широтой и углом крыши заканчивается лучшая системная работа зимой.
Более низкий угол установки солнечного коллектора чем местная широта
приведет к большей системной работе летом. Изменения угла наклона
солнечного коллектора по архитектурным причинам могут быть даны
компенсацию с дополнительным размером коллекционера.
16
1.8 Основные показатели.
Применение солнечных водонагревательных установок позволит
покрыть до 40 – 60 % потребностей индивидуальных потребителей в тепле ,
соответственно , уменьшить расход органического топлива до 150 кг в год на
один квадратный метр площади солнечных коллекторов и снизить
загрязнение окружающей среды при его сжигании.
Действующая установка позволяет предотвратить выброс СО2 в
количестве 0.6 – 0.7 кг на 1 кВт/ч получаемой тепловой энергии.
В целом, солнечные установки могут обеспечить следующие
показатели, приведенные на 1 м2 солнечного коллектора :
выработка тепловой энергии :
средняя 600 – 800 кВт*ч/м2 в год ;
максимальная до 1050 кВт*ч/м2 в год.
экономия органического топлива :
около 100 кг у.т./ м2 или около 260 кг/м2 угля Павловского разреза с
теплотворной способностью 10900 кДж/кг ;
установка с площадью солнечных коллекторов 30 м2 в целом экономит
около 3-х тонн у.т. или около 7,8 тонн угля.
снижение выбросов:
0,6 – 0,7 кг СО2 на 1 кВт*ч выработанной тепловой энергии ;
1 м2 солнечного коллектора предотвращает выброс 350 – 730 кг
углекислого газа в год.
Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему
бака-аккумулятора 2 м2/100 л вероятность ежедневного нагрева воды до
температуры не менее чем 37°С составляет 50-90%, до температуры не менее
чем 45°С - 30-70%, до температуры не менее чем 55°С - 20-60%.
Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.
Используя систему солнечного отопления можно получить до 50-60%
горячей воды, необходимой в течение года для отопления и бытовых нужд. В
летнее время солнце полностью обеспечит дом горячей водой. Это
обстоятельство особенно благоприятно в том плане, что летом ТЭЦ работают
с низким коэффициентом использования производственных мощностей.
Можно будет еще более эффективно использовать солнечную энергию, если
приспособить стиральные и посудомоечные машины использовать воду,
нагретую солнцем.
17
Эффективность работы коллектора ограничивается отражением и
поглощением на покрывающем стекле, отражением на абсорбере, а также
потерями вследствие теплопроводности.
Коэффициент тепловых потерь показывает, сколько энергии уходит в
единицу времени с поверхности площадью 1 м2 при единичной разности
температур в коллекторе и окружающей среде.
Тип коллектора
Коэффициент
преобразования
Коэффициент
тепловых
потерь,ВтоС/м2
Диапазон
возможных
температур
Абсорбер
0.82-0.97
10-30
До 40
Плоский коллектор
0.66-0.83
2.9-5.3
20-80
Коллектор на
вакуумных трубках
0.62-0.87
0.7-2.0
50-120
1.9. РЫНОК СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА
Солнечные внутренние системы горячей воды технически зрелы и
доступны фактически во всем мире. О рынке для коллекционеров плоского
типа существенны в Израиле, Китае, Кипре, Японии, Австралии, Австрии,
Германии, Греции Турция и США. Продажи в Европе, главным образом, для
внутреннего водного нагревания, которое может также включать обогрев и
нагревающий бассейны. Мировое производство солнечных коллекторов в
1995 было 1,3 миллионами m
2
, где рынок в Европе и средиземноморские
страны, как сообщают, составляют приблизительно 40 % мирового рынка.
Общая сумма установленных солнечных коллекторов превысила 30
миллионов m
2
, и развитие продаж было очень быстро с 1980. С 1989 есть
устойчивое увеличение приблизительно с 20 % ежегодно.
Среди стран в Европе Греция стала лидером в производстве солнечных
систем и экспортирует 40 % всех произведенных коллекционеров и включает
30 % рынка в Германии. Цель промышленности на 2005 год представляет 1,3
миллиона систем и 5 миллионов m
2
коллекционеров. Проект на Крите будет
нуждаться в 20 000 коллекционеров более чем два года. Греческий рынок
устанавливает 70 000 солнечных систем в год, уменьшая эмиссию CO2 на 1,5
миллиона тонн.
Продажи в ЕС в 1996, как сообщали, составляли более чем 0,7
миллиона m
2
застекленных коллекционеров и приблизительно 0,15
миллионов m
2
неглазурованных коллекционеров (Мир возобновляемого
источника энергии, сентябрь 1998). Все признаки состоят в том, что эта
тенденция продолжится в быстром темпе, так как меры принимаются на всем
18
протяжении
ЕС
для
поощрения
солнечных
систем.
1.10 Данные по солнечным коллекторам в Европе.
В настоящее время в Европе функционирует более 10 солнечных
систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м2, 22
системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250м2 и 25 систем с площадью
коллекторов от 500 до 1000 м2.
Ниже приведены данные по некоторым крупным системам,
построенным в странах Европейского Союза.
Гамбург (Германия)
Площадь отапливаемых помещений – 14800 м2
Площадь солнечных коллекторов – 3000 м2
Объем водяного аккумулятора тепла – 4500 м3
Фридрихшафен (Германия)
Площадь отапливаемых помещений – 33000 м2
Площадь солнечных коллекторов – 4050 м2
Объем водяного аккумулятора тепла – 12000 м3
Рис.11. Дома и тепловая схема солнечной системы комплекса Фридрихшафен
(Германия) с сезонным аккумулированием тепла в водяном резервуаре
19
Некарсульм (Германия)
Площадь отапливаемых помещений – 25000 м2
Площадь солнечных коллекторов – 5300 м2
Объем грунтового аккумулятора тепла – 63400 м3
а)
б)
Рис.12. Дома и тепловые схемы солнечного теплоснабжения комплекса Некарсульм
(Германия) с суточным (а) и сезонным (б) аккумулированием тепла в грунте.
Росток (Германия)
Площадь отапливаемых помещений – 7000 м2
Площадь солнечных коллекторов – 1000 м2
Объем грунтового аккумулятора тепла – 20000 м3
20
Рис.13. Жилой квартал с солнечной системой теплоснабжения в Ростоке.
Саро (Швеция)
Система состоит из 10 небольших домов включающих 48 квартир.
Площадь солнечных коллекторов 740 м2. Объем водяного аккумулятора
640м3.
Солнечная система покрывает 35% общей тепловой нагрузки системы
теплоснабжения.
Рис. 14. Жилой квартал с солнечной системой теплоснабжения в Саро (Швеция)
Коллекторы общей площадью 5500 м2 расположены на уровне земли и
соединены с локальной тепловой сетью. Емкость водяного аккумулятора
составляет 1100 м3
Рис 15. Пример наземного расположения системы солнечных коллекторов
(Фалькенберг, Швеция).
21
Хаммеркюлен (Швеция)
1500 м2 солнечных коллекторов расположены на крыше многоквартирного дома.
Система аккумулирования тепла состоит из четырех блоков емкостью по 80 м3 каждый.
40% нагрузки горячего водоснабжения покрывается за счет солнечной энергии.
Рис. 16. Пример многоквартирного дома с системой солнечного теплоснабжения
(Хаммеркюлен, Швеция)
1.11 Применение
Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных
и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных
процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных
процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C),
проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом
имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.
В Европе
В 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89
млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².
Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить
электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя
Стирлинга.
Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для
опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического
центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40
евроцентов за кубический метр воды.
В России
По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по
сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма
солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0
кВтч/м², на юге Германии – до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для
бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора
22
площадью 2 м² с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно. По
среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются
Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут, юг европейской части
(приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.
Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000
чел. На Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000
чел., в Германии 140 м²/1000 чел.
В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш.
характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее
время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости
от широтного расположения установки в разы.
Для всесезонного применения установки должны иметь большую
поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В
таком случае применяется вакуумированные коллекторы, поскольку больше
разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным
воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.
Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в
основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском
краях.
23
1.12 Опыт использования солнечных коллекторов
Изменение климата на нашей планете - повышение температуры,
повышение интенсивности солнечной радиации, способствуют увеличению
популярности солнечных коллекторов, широкому применению солнечных
коллекторов, солнечных батарей и других устройств и технологий
альтернативной энергетики - устройств использующих возобновляемые
источники энергии. Использование
солнечной энергии при помощи
устройств гелиотехнологии, позволяет
сократить
затраты
на
энергоснабжение, теплоснабжение, за
счет
энергосбережения.
Такое оборудование как солнечные
коллекторы могут
существенно
уменьшить затраты на нагрев горячей
воды
и
отопление.
Солнечный коллектор является
одним из самых популярных в мире и
самых универсальных устройств альтернативной энергетики. Это устройство
использует достижения нанотехнологий.
С помощью солнечных коллекторов потребитель получает тепло
и горячую воду по «нулевому тарифу». Мы применили кавычки, так как есть
затраты на приобретение самого солнечного коллектора. Само же тепло
коллектор выдает буквально по нулевому тарифу... При динамичном росте
тарифов на энергоносители, который наблюдается последнее время, решение
вопроса горячего водоснабжения и теплоснабжения практически любых
объектов, независимо от их назначения и объема за счет преобразования
энергии излучения солнца становится всё актуальнее. Появились новые
термины и определения. Например, системы, преобразующие солнечную
энергию в тепловую и электроэнергию получили название – солнечные
гелиосистемы.
Энергия, излучаемая солнцем и достигающая поверхности Земли -
солнечный свет является самым крупным энергетическим источником
доступным на Земле. Количество тепла, поступающего за год на 1 кв. м
поверхности Земли, оценивается в 3,16х109 КДж. Другими словами,
количество солнечной энергии, доступное для использования, в 20 тыс. раз
превышает все вместе взятые источники энергии, используемые
человечеством. Эти факторы делают все более привлекательным применение
солнечных коллекторов на самых разных объектах.
Производство установок для использования энергии солнца, за
последние 4 года, увеличилось в несколько раз. Специалисты, анализируя
опыт использования солнечных коллекторов, предполагают, что к 2020 г. за
счет солнечной энергии будут удовлетворяться 15 – 20% потребности людей
24
в электроэнергии. На сегодняшний
день вводится в эксплуатацию более 3
млн. гелиосистем в год.
Статистика получена не только
за счет стран с теплым климатом.
Опыт
показывает,
что
свою
эффективность солнечные коллекторы
доказали и в климатических условиях
Севера.
Системы солнечных
коллекторов имеют
различные
конструкции и подходят для всех
типов климата. Современные системы подогрева воды на солнечных
коллекторах имеют в своём составе контроллеры, которые автоматически
поддерживают оптимальные параметры циркуляции теплоносителя, имеют
режим антизамерзания и обеспечивают, например, заданную температуру в
помещении или температуру воды для бытовых нужд. При отсутствии
достаточной солнечной
активности контроллер
может
включать
дополнительный электронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе.
Стоимость контроллера может быть менее 10 долларов.
Производительность системы подогрева воды насолнечных
коллекторах зависит от параметров солнечного излучения в конкретном
регионе. Интенсивность солнечной радиации нашего региона – средней
полосы, где около 300 солнечных дней в году, позволяет обеспечивать
высокую
продуктивность
солнечных
коллекторов.
Технико-экономические расчеты, основанные на опыте эксплуатации
солнечных коллекторов, то есть по уже действующим системам на солнечных
коллекторах, показывают, что при существующих ценах на органическое
топливо, срок окупаемости гелиоустановок на солнечных коллекторах, с
учетом эксплуатационных затрат, составляет от 2 до 5 лет при сроке службы
25-30 лет и более. Таким образом, после срока окупаемости, результат
применения солнечных коллекторов - это 20 – 25 лет бесплатной,
вырабатываемой солнечной установкой энергии! Кроме экономического
эффекта можно отметить тот факт, что гелиоустановки являются
экологически чистыми источниками
энергии.
Область применения
солнечных коллекторов обширна
- это дачи, коттеджи,
бассейны
открытые и закрытые, небольшие
автономные магазины, рестораны,
кафе и другие пункты общественного
питания,
мобильные
социально
ориентированные пункты, теплицы и
25
так далее – практически везде, где есть холодная вода и дневной свет.
Солнечные коллекторы - водонагреватели позволяют решать
вопросы с обеспечением Вас горячей водой для самых разных целей:
- автономное горячее водоснабжение для бытовых целей;
- поддержка полного или дежурного отопления для помещений;
- оптимизация существующих систем горячего водоснабжения и отопления
за счет энергосбережения;
- подогрев – поддержка заданной температуры воды в закрытых или
открытых бассейнах;
- обогрев теплиц.
Преимущества систем подогрева на солнечных коллекторах:
существенное уменьшение затрат на горячее водоснабжение, обогрев
дома или любого другого объекта
уменьшение годовых затрат на нагрев воды - на 60%, на отопление - на
30% в год
автономность источника энергии, которая преобразуется в тепло –
энергии Солнца
увеличение срока службы имеющейся отопительной системы - уже
имеющегося бойлера или газового котла в 2 раза, за счет уменьшения
его нагрузки до 97%
легкая интеграция в существующую систему теплоснабжения и
горячего водоснабжения
экологичность
безопасность здоровья людей за счет отсутствия загрязняющих
компонент.
Установка солнечной энергосистемы может быть запланирована еще на
стадии строительства дома или другого объекта. Как показывает опыт - это
гораздо упрощает монтаж и эксплуатацию солнечных коллекторов. Можно
подсоединить систему подогрева на солнечном коллекторе и к уже
существующей системе теплоснабжения. В последнем случае вместо
традиционного
бойлера устанавливается бойлер
гелиосистемы
-
накопительный бак солнечного коллектора, а в качестве источника горячей
воды используется теплоноситель получивший тепло от солнечного
коллектора.
26
Система
отопления
на солнечных коллекторах идеально
соответствует
системе
водяных
теплых
полов
и обогрева
плавательных бассейнов. Особенную
эффективность утилизации солнечной
энергии
имеют
комбинированные
системы,
использующие солнечные
коллекторы вместе
с
тепловыми
насосами.
Среди
всех
типов солнечных
коллекторов самыми
популярными
являются плоские коллекторы и коллекторы на вакуумных трубках.
Выводы.
Применение солнечных коллекторов позволяет уменьшить затраты на нагрев
горячей воды на 60%, затраты на отопление - на 30% в год. Экономические
расчеты, произведенные на основе опыта эксплуатации солнечных
коллекторов, показывают, что при существующих и постоянно растущих
ценах
на
органическое
топливо,
срок
окупаемости солнечных
коллекторов составляет от 2 до 5 лет, в то время как, по заявлению
производителей, реальный срок их службы составляет 25-30 лет, а по данным
некоторых производителей и более 30-ти лет.
27
1.13 Солнечная тепловая выработка энергии
Солнечные башни
Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.
Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного
типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг.
Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным
приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла
из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум
координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность
центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного
затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам
приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.
Экономические оценки показали целесообразность использования на
таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них
типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С
учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация
порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления
гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые
аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии
солнечного излучения.
В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа
мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем
этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт
установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт•ч электроэнергии
стоил около $0,15.
28
Параболоцилиндрические концентраторы
Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы,
протянутую вдоль прямой.
В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте
водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов.
Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину.
Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция
вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500
литров воды в минуту.
Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует
солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную
концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем
(масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до
температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали
установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована
термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 %
при температуре нагрева теплоносителя 350 °C.
Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров.
Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через
несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для
дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.
С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять
электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей
мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за
кВт•ч.
Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней
Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность
электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой
очереди составит 50 МВт.
В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная
солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может
быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими
концентраторами.
29
Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций
в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.
Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры
фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется
некая система охлаждения.
Параболические концентраторы
Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»
Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения.
Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении
за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала
отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе
отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или
фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким
образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве
рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или
гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла
эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического
концентратора и двигателя Стирлинга.
В настоящее время строятся установки с параболическими
концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые
установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что
выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из
обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования
кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый
«металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства
фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты»,
или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %.
30
В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных
коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт•ч. Департамент энергетики США
прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными
концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 —2020 году.
Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы
крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит
в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До
2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров.
Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.
1.14 Солнечный коллектор своими руками.
В полдень мощность этой солнечной печи может достигать 1500 Вт.
Поглощая энергию солнечных лучей, она обеспечивает днем теплой водой
кухню и душевую, а ночью аккумулированное тепло можно использовать для
обогрева небольшой комнаты дачного дома.
Узлы печи: бачок-регулятор, водосборник, коллектор. Между собой
они соединены трубами таким образом, что образуют замкнутую систему.
Установка работает по принципу тепловой конвекции. Солнечные
лучи, свободно проходя сквозь застекленную раму, поглощаются черной
поверхностью трубчатого теплообменника. Он нагревается и передает тепло
воде. Теплая вода в трубах расширяется и самотеком устремляется в
водосборник, а ее место занимает холодная вода. Температура воды в
водосборнике постепенно повышается. Регулятор поддерживает постоянный
уровень воды в водосборнике.
Коллектор состоит из трубчатого теплообменника и деревянного
корпуса. Для изготовления коллектора потребуется фанера толщиной 6 мм,
обрезные доски толщиной 40 мм, теплоизоляция (шлако- или стекловата),
оцинкованное железо толщиной 1 мм и водопроводные трубы.
Теплообменник. Теплопоглощающий лист размером 2200 Х 700 мм
можно изготовить из отдельных листов меньшего размера. Две дюймовые
трубы сгибают так, чтобы при соединении их получалась прямоугольная
рама размером 2100 Х 600 мм. Плюс еще 12 кусков труб диаметром 3/4
дюйма. Их концы обрабатывают так, чтобы они плотно прилегали к
сопрягаемой поверхности труб большего диаметра. В трубах, образующих
прямоугольную раму с шагом 150 мм, просверливают 13 отверстий
диаметром 14 мм. А теперь конструкцию сваривают. Теплообменник готов.
Остается проволочными петлями прихватить его к листу и всю конструкцию
покрасить 2-3 слоями черной эмалевой краской.
Далее изготовление деревянного корпуса коллектора. К сбитой из
досок раме прикрепляют шурупами фанерное дно. На него укладывают слой
31
теплоизоляции так, как показано на рисунке. Затем коллектор нужно
застеклить так, чтобы дождевая вода не проникала внутрь, иначе капли воды
на нижней поверхности стекла заметно ухудшат работу коллектора.
Коллектор можно дополнить откидной крышкой для защиты от дождя
или града. На внутренних поверхностях крышки можно установить зеркала -
они направят отраженные солнечные лучи внутрь коллектора, увеличив его
мощность.
32
2. Солнечные батареи
Солнечная
батарея —
несколько
объединённых
фотоэлектрических
преобразователей
(фотоэлементов)
—
полупроводниковых устройств,
прямо
преобразующих
солнечную
энергию
в
постоянный электрический ток.
В отличие от солнечных коллекторов,
производящих нагрев материала-теплоносителя,
солнечная батарея производит непосредственно
электричество. Однако для производства
электричества
из
солнечной
энергии
используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию
можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные
солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное
излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др.
машин
(паровой,
газотурбинной,
термоэлектрической
и
др.),
называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное
излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом
исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — Солнце).
Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов
развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные
батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы
до занимающих крыши автомобилей и зданий.
Энергообеспечение зданий
Солнечные батареи на крыше коровника кибуца Гезер (Израиль) ; Солнечная батарея на
крыше дома
Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы,
очень широко используются в тропических и субтропических регионах с
большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в
странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.
33
Новые
дома Испании с марта 2007
года должны
быть
оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы
самостоятельно
обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от
места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания
(торговые
центры,
госпитали
и
т.
д.)
должны
иметь фотоэлектрическое оборудование.
В Нидерландах запущен проект по созданию оконного стекла «Smart
Energy Glass» с функциональностью фотоэлемента (см. сайт проекта (англ.) ).
2.1 Солнечные панели (солнечные батареи)
"Солнечные панели" (солнечные батареи) - это наборы
соединенных друг с другом и заключенных в раму "солнечных ячеек".
"Солнечная ячейка" (солнечный элемент) - это небольшое
полупроводниковые устройство, преобразующиее энергию света в
электрическую.
Это явление было открыто в 1839 году французским физиком
Эдмондом Беккерелем и было названо в последствии "фотовольтаическим
эффектом". Исследованиями в этой области в 19м веке занимались многие
ученые в разных странах.
В 1888 году русский физик Александр Столетов сформулировал
основные законы преобразования света в электрический ток и создал первую
"солнечную ячейку". В 1954 г. были созданы первые "солнечные ячейки" на
основе кристаллов кремния. В 1963 году компанией Sharp была реализована
концепция солнечной панели. В 1967 солнечные панели впервые были
использованы на пилотируемом космическом аппарате - "Союз-1".
Фотовольтаические технологии активно исследовались в разных странах и
особенно в космических державах США и СССР. Энергетичекий кризис
1970х годов подтолкнул работы в этой области, но производство солнечных
панелей еще долгое время оставалось
довольно дорогим.
С конца 1980х годов продолжался
рост производства и продаж солнечных
панелей. Из экзотической космической
технологии солнечные элементы стали
настолько обычными, что их стали
использовать для бытовых приборов -
калькуляторов, часов и т.п., а также
начали строить малые и средние
электростанции. В 1999 году общая
мощность солнечных панелей установленных в мире достигла 1 гигаватта. За
последующие десять лет последовал настоящий солнечный бум. В 2009 году
34
общая мощность фотовольтаических электростанций мира достигла 23
гигаватт, в 2010 увеличилась всего за год почти двукратно - до 40 гигаватт.
На начало 2012 года общая мощность солнечной фотовольтаической
энергетики оценивается в 70 гигаватт и, как ожидается, продолжит расти.
2.2 Виды солнечных батарей
Монокристаллический кремний
Наиболее эффективными и распространенными для широкого
потребления являются монокристаллические кремниевые элементы. Для
изготовления таких элементов кремний очищается, плавится и
кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне
монокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность
темно-синего или почти черного цвета. Сквозь кремний проходит сетка из
металлических электродов. Эффективность такого элемента составляет от 16
до 19% в стандартных условиях тестирования (прямой солнечный свет, +25
°С).
35
Производительность таких солнечных панелей за каждые 20-25 лет
службы постепенно снижается, по некоторым данным на полпроцента в год,
а общий заявляемый срок службы таких панелей у хороших производителей
составляет обычно 40-50 лет.
Действительно ли монокристаллические солнечные панели служат так
долго? На самом деле большинство солнечных панелей, используемых
сегодня не работали 50 лет. В распоряжении нашей компании есть солнечная
панель, которая работает свыше 10 лет и еще не показала видимого снижения
мощности. Исследования компании Brightstar Solar (2009) показали, что
произведенные 40 лет назад монокристаллические солнечные панели до сих
пор работают и их мощность составляет около 80% от изначальной.
Так что на сегодня монокристаллические солнечные панели - это самый
надежный источник получения электроэнергии от солнца.
Поликристаллический кремний
Технология
принципиально
не
отличается
от
монокристаллических
элементов, но разница состоит в том, что
для изготовления используется менее
чистый и более дешевый кремний. Внешне
это уже не однотонная поверхность, а узор
из
границ
множества
кристаллов.
Эффективность
такого
элемента
составляет от 14 до 15%. Тем не менее, эти
панели пользуются примерно такой же
популярностью
на рынке, что
и
монокристаллические,
поскольку
пропорционально
эффективности
снижается цена производства.
В России перспективнее все же использовать монокристаллические
панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших
расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные
панели.
Ленточный кремний
Принципиально такой же, как и предыдущие типы, отличается лишь
тем, что кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в
виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям.
Эта технология не смогла завоевать рынок, занимая на нем лишь около 2% и
постепенно снижается. В России почти не встречается.
36
Аморфный кремний
В этом типе используются не кристаллы, а тончайшие слои кремния,
напыленные в вакууме на пластик, стекло или металл. Этот тип является
наиболее дешевым в производстве, но обладает
серьезным недостатком. Слои кремния выгорают на
свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов.
Снижение производительности на 20% может
произойти уже через два месяца у худших
производителей. Очень часто в России привлеченные
низкой ценой люди приобретают такие панели и потом
разочаровываются, поскольку уже через год-два такой
элемент перестает давать энергию. Распознать такую
панель на вид можно по более блеклому сероватому
или темному цвету непонятных оттенков.
Эффективность панелей из аморфного кремния - 6-9%, то есть для
получения такого
же количества энергии
по
сравнению
с
монокристаллическими панелями требуется в два-три раза больше площадь.
Срок службы может составлять 10-15 и более лет, но за это время мощность
значительно падает
Панели из аморфного кремния лучше всего использовать в пустынях,
где много солнца и много места. Для частных проектов на ограниченной
территории монокристаллические панели оказываются выгоднее, поскольку
служат гораздо дольше и занимают гораздо меньше места.
Тонкопленочные
технологии
Тонкопленочные
солнечные
фотоэлектрические
элементы
могут
производиться из разных
веществ. Чаще всего из
аморфного
кремния. Но
также могут быть из медно-
галлиевые,
теллур-
кадмиевые и другие.
Тонкопленочные
технологии солнечных элементов обладают следующими преимуществами:
37
их можно использовать для создания гибких модулей,
которые можно складывать или сворачивать, что удобно для поездок,
хотя и повышает риск порчи элементов и сокращает срок их службы
тонкие слои производящего электричество вещества можно
наносить на стекло, которое будет прозрачным и в то же время
производить энергию, правда количество этой энергии довольно мало и
поэтому такое применение мало практично.
изначально тонкопленочные технологии разрабатывались
для удешевления производства солнечных элементов в то время как
моно и поли кристаллические элементы были дорогими, но с ростом
рынка стоимость производства тонкопленочных модулей оказалась
незначительно ниже.
Для стабильного обеспечения электричеством дома использовать
тонкопленочные (тонкослойные) модули (из аморфного кремния) не стоит.
Теллурид кадмия
Этот тип тонкослойных солнечных элементов обладает
потенциально большей эффективностью и в качестве
проводящего
компонента использует
оксид
олова.
Эффективность составляет 8-11%. По себестоимости эти
элементы не намного дешевле моно- и поли кристаллических
кремниевых
и
обладают
проблемой
использования
токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает
менее 5% общего рынка.
Солнечные панели на основе CIGS. CIGS – это
полупроводник, состоящий из меди, индия, галлия и селена. Этот тип
солнечных батарей тоже выполнен по пленочной технологии, но в сравнении
с панелями из теллурида кадмия обладает более высокой эффективностью,
его КПД доходит до 15%.
38
2.3. Схемы работы солнечных панелей (батарей)
39
2.3 Панели Himin Solar
Чем отличаются панели Himin Solar от других?
На первый взгляд все солнечные панели выглядят одинаково. Темные с
полосками проводящего ток металла, покрытые стеклом в алюминиевой
раме. На самом деле кто отвечает за качество панелей? Приглядевшись
внимательно к какой-то панели, можно увидеть, что где-то у рамы есть
зазоры или отдельные элементы спаяны неаккуратно. Фактически, покупая
солнечную панель мы часто играем в лотерею. Мы не знаем, будет ли
действительно солнечная панель давать заявленную мощность, будет ли она
долго работать, заменят ли ее, если обнаружится дефект?
Чтобы избежать всего этого следует покупать солнечные панели у
фирмы с высоким стандартом качества. Наша компания работала несколько
лет с разными поставщиками, и мы имели возможность сравнить продукцию
разных производителей. Впервые использовав солнечные панели Himin Solar
мы сначала были удивлены внешним видом. Аккуратность сборки и
внимательность к деталям бросается в глаза. Например, где обычная для
солнечных панелей объединяющая ток элементов полоска металла внизу?
Она аккуратно заклеена защитным материалом под цвет и поэтому ее не
видно. Нет никаких зазоров и грубых стыков рамы. Выполнено качественно.
В эксплуатации солнечные панели Himin Solar впечатлили еще больше.
Неопытный пользователь не знает, какое количество энергии должна давать
солнечная панель и любой ток принимает как должное. Но мы были
впечатлены тем, что по сравнению с другими производителями солнечные
панели Himin Solar дают на 10-20% больше энергии. Возникло ощущение,
что эти панели работают как надо и действительно соответствуют
заявленным характеристикам, в то время как у других производителей просто
зафиксированы на лейблах максимальные значения для партии.
Изначально мы скептически отнеслись к описанию панелей Himin
Solar: работоспособность в широком диапазоне температур, выдерживает
град размером 2.5 см, устойчивость к давлению ветра и снега, защита от
падения мощности при частичном затенении. Большой град у нас не выпадал,
но все остальное оказалось верным. Эти панели действительно работают с
высокой эффективностью и в ясный день и в пасмурную погоду. Если в
системе 5 киловатт мощности панелей, то в ясный день они и дают 5
киловатт. Даже в дождливый день поступает почти 1 киловатт энергии. У
сходных по характеристикам других солнечных панелей в дождь
производительность падает в 10-15 раз, а здесь лишь в 5-6.
С 2012 года мы поставляем солнечные панели только компании Himin
Solar, поскольку мы знаем, что это самые надежные и качественные
солнечные панели. И мы всем рекомендуем не играть в лотерею, а
приобретать качественное оборудование, которое выдает именно столько
энергии, сколько заявлено.
40
41
Список литературы:
сайты:
http://www.himinsun.com/
http://nashe-otoplenie.ru/solnechnye-kollektory-dlya-otopleniya-doma-1
www.solarhome.ru
http://ru.wikipedia.org/
http://www.seu.ru/programs/ecodom/book/06.htm
http://www.facepla.net/index.php/the-news/energy-news-mnu/2158-home-solar
http://svetdv.ru/sun/index.shtml
http://energorus.com/vidy-solnechnyx-batarej-i-princip-ix-raboty/
www.seu.ru
www.ppu21.ru
rudocs.exdat.com
dom.delaysam.ru
rudocs.exdat.com
suncollector.ru
Информация о работе Солнечные коллекторы. Солнечные батареи