2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Солнечная энергия используется непосредственно для теплового, фото — и термоэлектрического превращения ее, то есть для получения тепловой и электрической энергии.

Расчеты показывают, что для удовлетворения совре­менного энергопотребления достаточно превратить сол­нечную энергию, падающую на 0,003 % поверхности Земли, в электрическую и тепловую. Это позволяет сде­лать вывод, что использование только солнечной энергии может свободно покрыть все энергетические потребности человечества.

Значительная часть южных регионов России имеет наи­более благоприятные климатические условия для исполь­зования солнечной энергии. Сюда относятся, в частности, Нижнее Поволжье и Северный Кавказ. Продолжитель­ность солнечного излучения в этих регионах составляет от 2000 до 3000 ч в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность — от 1280 до 1870 кВт ч/м2. В летние месяцы количество энергии, приходящейся на 1 м2 горизонтальной поверхности, составляет в этих регио­нах в среднем от 6,4 до 7,5 кВт ч в день.

Технически реализуемые ресурсы солнечной энергии, т. е. их количество, которое может быть использовано без ущерба окружающей среде, составляет около 1,5 % потен­циальных ресурсов. Таким образом, технически реализуе­мые ресурсы солнечной энергии могут быть определены по формуле

Др =0,015£CS,

где Ес — суммарное количество солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность в год, МДж/м2; S — площадь региона, м2.

Весьма эффективно использование солнечной энергии в теплицах, сушильных камерах, для опреснения воды, обе­спечения работы тепловых насосов, систем кондициониро­вания и других целей. Но наиболее широкое применение, как показывает отечественный и зарубежный опыт, сол­нечная энергия может найти в системах энергоснабжения.

В соответствии с Концепцией технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г. в области солнечной энергетики ставятся задачи:

— совершенствование конструкций, снижение удель­ной стоимости и стоимости эксплуатации систем солнечного горячего водоснабжения и отопления на базе жидкостных солнечных коллекторов;

— разработка и освоение производства воздушных сол­нечных коллекторов и систем теплоснабжения на их основе;

— разработка и освоение производства систем горячего водоснабжения и отопления со стационарными сол­нечными концентраторами.

В России имеется опыт применения различных типов установок солнечного горячего водоснабжения в коттед­жах, многоэтажных жилых и административных зданиях и фермерских хозяйствах, однако объемы производства и их общая площадь на порядок меньше, чем в большин­стве стран Европы, США и Японии. В перспективе через 10-20 лет при дальнейшем снижении удельной стоимости фотоэлектрических преобразователей они смогут широко использоваться во многих автономных системах энергос­набжения. Возможно их применение для резервного элек­троснабжения систем сигнализации и освещения, электри­фикации ферм, домов и коттеджей, освещения автодорог, обеспечения электроэнергией устройств подачи воды и ряда других нужд. Они смогут также использоваться в малых энергоэкономических комплексах наряду с гелиосистема­ми, ветроэнергетическими и биогазовыми установками.

Таким образом, достаточно высокая солнечная актив­ность на территории южных регионов России, имеющийся опыт использования солнечной энергии и наличие необхо­димой техники на энергетическом рынке создают реаль­ные предпосылки для использования этого вида энергии в системах электро — и теплоснабжения в малых энергоэконо­мических комплексах различных, главным образом, авто­номных объектов.

Для практического использования солнечной энергии в системах теплоснабжения и в малых энергоэкономических комплексах с ВИЭ могут быть применены пассивные систе­мы солнечного отопления и активные системы (гелиоуста­новки) солнечного горячего водоснабжения и отопления различных типов.

Экономические показатели гелиоустановок активного типа, нашедших наиболее широкое применение в системах горячего водоснабжения и отопления, определяются не только климатическими условиями, но и конструктивны­ми особенностями гелиоколлекторов и элементов, из кото­рых они выполнены.

Все известные типы гелиоустановок циркуляционно­го и гравитационного типов обладают весьма существен­ными недостатками, которые препятствуют их широ­кому применению в системах теплоснабжения. Все эти недостатки могут быть успешно устранены в гелиоуста­новках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

Гелиоустановки, предназначенные для получения низкопотенциальной теплоты, используемой в системах тепло — и хладоснабжения зданий и сооружений, а также в технологических процессах (сушки сельскохозяйственной продукции, термообработки материалов и т. п.) классифи­цируются по следующим признакам:

— сооружения — пассивные и активные;

— назначение — системы отопления, горячего водо­снабжения, кондиционирования; комбинированные (отопление и горячее водоснабжение);

— степень охвата потребителей — индивидуальные, групповые, централизованные;

— время работы в течение года — сезонные и круглогодичные;

— степень аккумулирования энергии — без аккуму­ляторов, с кратковременным, с долгосрочным аккумулированием;

— характер движения теплоносителя — без циркуляции, с естественной или принудительной циркуляцией;

— число контуров — одно-, двух-, многоконтурные;

— тепловой режим — с постоянной или переменной тем­пературой теплоносителя;

— наличие дублирующего источника теплоты — с ду­блером, без дублера (автономные);

— конструкция коллекторов — металлические, пласт­массовые, трубчатые, вакуумированные;

— конструктивные особенности — циркуляционные одно­ступенчатые или многоступенчатые гелиоколлекторы, выполненные из однородных элементов термосифон­ного типа или с насосной циркуляцией; гравитаци­онные с одно — или многоступенчатыми коллекторами, выполненными из однородных материалов; циркуля­ционные с многоступенчатыми гелиоколлекторами, изготовленными из однородных материалов.

Схема широко используемого плоского солнечного кол­лектора приведена на рис. 1.4.

Большинство коллекторов состоит из четырех основ­ных элементов:

— поглощающей панели с каналами для теплоносите­ля, на поверхность которой нанесено покрытие, что обеспечивает поглощение 90% падающего солнечно­го излучения;

— прозрачной изоляции, которая, как правило, состо­ит из одного или двух слоев остекления;

— тепловой изоляции, уменьшающей потери теплоты в окружающую среду через днище коллектора и его боковые грани;

Рис. 1.4.

Плоский солнечный коллектор:

1 — корпус; 2 — прозрачная изоляция; З — каналы для теплоносителя; 4 — поглощающая панель; 5 — тепловая изоляция

— корпуса, где расположены поглощающая панель и тепловая изоляция, закрытого сверху прозрачной изоляцией.

Эффективность солнечного коллектора можно увели­чить, используя селективные покрытия, обеспечивающие высокую поглощательную способность по отношению к солнечному излучению и низкую отражательную способ­ность. Это возможно, поскольку поглощение происходит в коротковолновой, а отражение — в длинноволновой об­ластях спектра. Широко используют покрытие типа «черный никель», наносимое на панель гальваническим способом.

Стекло, покрытое двуокисью олова, плохо пропускает солнечные лучи в определенной области спектра (0,3…2,5 мкм), но почти полностью отражает длинноволновые лучи, уменьшая тем самым потери теплоты.

Для повышения поглощающей способности использу­ют гофрированные, сотовые или оребренные поверхности, которые образуют «ловушки» для солнечных лучей. На та­ких поверхностях происходит многоразовое преломление лучей, и увеличивается использование лучевого потока.

Уменьшение тепловых потерь достигают теплоизоля­цией корпуса коллектора.

Существуют коллекторы, конструкция которых позво­ляет увеличить интенсивность падающего солнечного пото­
ка. В таких коллекторах между источником и приемником излучения установлено оптическое устройство — концен­тратор, благодаря которому увеличивается плотность лу­чистого потока, падающего на тепловоспринимающую по­верхность. Числовое значение этого увеличения называют степенью концентрации.

Трубчатые вакуумные коллекторы имеют по сравне­нию с плоскими более высокий КПД (0,7…0,8). В них до­стигается более высокая температура теплоносителя, но их стоимость больше.

Уменьшение тепловых потерь в вакуумном коллекторе достигается использованием селективного поглощающего покрытия на поверхности приемника и глубокого вакуума в замкнутом пространстве, в котором находится приемник. При вакуумировании внутреннего пространства оболочки до давления Р < 10 1 Па перенос теплоты ничтожно мал, что ведет к уменьшению потерь теплоты. Из технологических соображений в этих коллекторах в качестве оболочки при­меняют цилиндрические трубки из стекла. Поэтому их на­зывают солнечными трубчатыми вакуумными коллектора­ми. Схемы вакуумных коллекторов показаны нарис. 1.5.

Внешний диаметр коллекторов составляет 65… 102 мм, длина -2,05…2,4 м. Изготавливают также коллекторы из стеклянных труб диаметром 300 мм и длиной до 8 м.

В последнее время разработаны новые, более эффектив­ные типы солнечных коллекторов.