Эффективность преобразования солнечной энергии



В статье говорится об использовании альтернативного источника энергии для обеспечения ежедневных потребностей человека. Основное внимание уделяется солнечной энергетике. Целью статьи является анализ эффективности съёма солнечной энергии с устройств солнечный коллектор, солнечная панель.

Ключевые слова: альтернативный источник энергии, солнечная энергетика, солнечный коллектор, солнечная панель.

Современная экологическая обстановка планеты не даёт уверенности в устойчивом развитии человеческой цивилизации. Нескончаемое разрушение природных систем ведет к дестабилизации биосферы, разрушая ее целостность. Устойчивое развитие Российской Федерации, высокое качество жизни и здоровья ее населения, а также национальная безопасность могут быть обеспечены только при условии сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды.Эти фразы из экологической доктрины Российской Федерации,одобренной распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р, подтверждают актуальность поиска новых, экологически чистых источников энергии.

Солнце – неисчерпаемый, огромный источник энергии, которая переносится на землю видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В энергетике существует раздел «солнечная энергетика», который занимается вопросами использования возобновляемой, экологически чистой, повсеместно доступной солнечной энергии.

Использовать энергию солнца можно в хозяйственной деятельности человека для обеспечения бытовых нужд, на промышленных предприятиях, для горячего водоснабжения и отопления. Преобразовав солнечную энергию в электричество, можно обеспечивать освещение зданий, приводить в движение элементы самолётов, автомобилей, космических аппаратов.

В данной статье рассматриваются две установки для преобразования солнечной энергии. Плоский солнечный коллектор (СК) – устройство для сбора тепловой энергии солнца, и передачи этой энергии теплоносителю.

Условно солнечный коллектор имеет следующие составные части:

1 – верхнее стекло с прозрачной изоляцией; 2 – абсорбер; 3 – трубки с теплоносителем; 4 – нижняя теплоизоляция; 5 – нижняя крышка.

Рис. 1. Солнечный коллектор

Схематическое представление принципа работы системы отопления или горячего водоснабжения представлено на рисунке 2.

Рис. 2. Схема принципа работы горячего водоснабжения

Циркуляционный насос (1) создает в соединительных трубопроводах (3) движение жидкости (теплоносителя), который нагреваясь в солнечном коллекторе (2), движется к потребителю в виде горячего теплоносителя.

Достоинства плоского коллектора заключаются в хорошем соотношении между ценой и производительностью. В зимний период данное устройство имеет возможность самоочистки от снега. К недостаткам можно отнести высокие теплопотери, которые значительно сказываются на КПД установки. Сложность монтажа, обслуживания, ремонта конструкции.

Вторая установка для преобразования солнечной энергии. Солнечная панель (батарея) – объединённые полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Солнечная панель (батарея) имеет в своём составе 1;5 – металлические пластины образующие катод и анод. Панели 2;4 – кремниевые панели покрытые бором и фосфором соответственно. Пограничный слой –3.

Рис. 3. Солнечная панель

Частицы света, фотоны, «выбивают» находящиеся в избытке электроны с покрытой бором панели (2). Электроны движутся на покрытую фосфором панель (4), на которой имеется недостаток электронов. Далее пройдя через провода, образующие замкнутую цепь снова попадают на панель (2). Так возникает упорядоченное движение электронов – электрический ток.

Солнечные батареи имеют более существенные недостатки. Высокая стоимость батареи, связанная с применением в своём составе редких ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышья. При выходе из строя батареи необходима специальная утилизация устройства. Фотоэлектрические преобразователи солнечной батареи теряют свою эффективность на 0,5% при изменении температуры на 1 градус Цельсия. Поэтому требуется организовывать систему охлаждения фотоэлементов, что приводит к дополнительным затратам и к усложнению конструкции.

В целом солнечная энергетика характеризуется нестабильностью. Смена времени суток, погодных условий, осадков и прочих явление приводит к непостоянной выработке энергии и как следствие непостоянное обеспечение энергией потребителей. Для решения этой проблемы необходимо устанавливать аккумулирующие элементы. Для обеспечения тепловой или электрической жилые комплексы или производственные цеха, требуется большая площадь поглощения солнечной энергии.

В данной работе рассматриваются предложенные разными авторами способы повышения съёма тепла с солнечного коллектора, солнечной панели. Работа [1] посвящена оптимизации управления системой горячего водоснабжения, основанной на плоском СК. Автором предлагается установить в систему, автоматический регулятор ВЭСТ - 02. Данное устройство имеет среду программирования, в которой пользователь имеет возможность задавать временные промежутки включения и выключения циркуляционного насоса. Данная функция позволяет включать насос именно в те моменты времени, когда теплоноситель в коллекторе полностью прогрет. В результате внедрения автоматического регулятора сокращается количество включений и выключений насоса, что приводит к снижению износа оборудования с одновременным повышением съёма тепловой энергии и эффективности системы теплоснабжения. Авторы работы [2] разработали металло-полимерный СК, в котором верхняя прозрачная изоляция выполнена из сотового поликарбоната. Данный материал имеет низкую проницаемость лучей инфракрасной зоны спектра, поэтому тепло излучаемое теплоприёмником СК остаётся внутри коллектора. В результате снижаются теплопотери, повышается КПД и эффективность работы солнечного коллектора. В статье [3] исследовали на поглощающую поверхность плоского СК, наносили базальтовое покрытие. В результате экспериментов было выяснено, что данный материал обладает высоким коэффициентом поглощения 0,98-0,99, и низким показателем инфракрасного излучения 1-6%. Проведя ещё ряд экспериментов, было установлено, что при увеличении толщины базальтового слоя, увеличивается и коэффициент поглощения. При практическом применении полученных данных увеличится эффективность съёма тепловой энергии с СК.

В работе [4] авторы предлагают на абсорбер наносить специальное поглощающее селективное покрытие, которое имеет коэффициент поглощения света 95%, а коэффициент обратного излучения 5 %. В результате увеличивается эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую. Исследователи в работе [5] проведя колоссальный объём работы, создали плоский СКSUN1 c улучшенными характеристиками работы. В своей работе авторы, во–первых, увеличили длину тепловоспринимающих трубок, которые были сделаны в виде змеевика. В результате увеличилось время нахождения теплоносителя в нагревательной системе, скорость и температура нагрева. Во – вторых было увеличено число стеклянных покрытий на передней стенки коллектора, что привело к снижению потерь. В – третьих в качестве внутреннего утеплителя применялся лёгкий теплоизоляционный материал на основе вспененной пластмассы с развитой сообщающейся пористостью – поропласт. Теплопроводность данного материала составляет . В – четвёртых, авторы учли тот факт, что жёсткое крепление труб змеевика к корпусу коллектора обеспечивает минимальное термическое сопротивление. В результате созданный авторами СКSUN 1, обеспечивает нагрев теплоносителя на 20 минут быстрее, чем подобные аналоги, имеющие больший КПД и габаритные размеры. Соискатели работы [6] предлагают в качестве элемента для съёма тепловой энергии использовать тентовую техническую ткань черного цвета с двухсторонним полимерным покрытием. Степень черноты скани составляет 0,9. Опытным путём было определено, что текстильный СК способен нагреть за половину дня 70 литров воды, температурой 45 градусов Цельсия. КПД такого коллектора составляет 50%. В работе [7] авторы занимаются вопросами математического моделирования процесса теплообмена происходящего в СК. При моделировании реального явления теплообмена необходимо учитывать тепловую инерцию. По причине, которой температура не сразу передается по всем слоям. При переходе от одного слоя к другому имеет место температурный излом, который обладает временем релаксации, т.е. период времени за который амплитудное значение температуры уменьшится в экпсилон раз. Авторы заявляют, что при анализе эффективности съёма энергии, необходим учёт вышеперечисленных факторов. Авторы работ [8,9] рассматривают схожие идеи применение вместо традиционных кристаллических солнечных батарей, тонкоплёночные.

Тонкопленочные солнечные батареи - это солнечные модули, в которых полупроводник осаждается слоем толщиной порядка одного микрона на тонкую подложку из стекла или стали. Тонкопленочные панели могут работать при рассеянном излучении, т.е. не требуют попадания прямых солнечных лучей. Благодаря этому повышается суммарная вырабатываемая мощность на 10-15%. Применение тонкой плёнки является более рациональным в областях с преимущественно пасмурным климатом. Авторы работы [10] отмечают ещё один плюс тонкопленочных панелей, который заключается в том, что его удобно наносить на угловатые формы летательных и космических аппаратов.

Для эффективной работы солнечной панели необходима большая солнечная радиация и низкая температура, окружающей среды и самих фотоэлементов. Для достижения таких условий, авторы работы [11] предлагают использовать комбинированную установку, состоящую из фотоэлектрического модуля и плоского солнечного коллектора. Избыточная температура фотоэлементов отдаётся теплоносителю. В результате повышается эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Авторы работы [12] предлагают использовать устройство, которое позволяет собирать солнечную энергию с большей площадью и направлять её на меньшую площадь. Примером такого устройства является акриловый концентратор, он позволяет достигать семи кратной концентрации солнечной энергии с КПД 75%. Авторами этой же работы предлагается ещё одно устройство – солнечный трекер. Данной устройство позволяет солнечной батарее ориентироваться в пространстве и поворачиваться вместе с поворотом солнца. В результате на солнечную батарею всегда будут падать прямые солнечные лучи. Эффективность попадания солнечной энергии на панель увеличивается на 40%.

Каждая отрасль энергетики стремится к снижению пагубного влияния на окружающую среду. В этом смысле солнечная энергетика является самой безопасной и экологически чистой. Но имеется существенная проблема, это малая мощность солнечных электростанций. Не смотря на это во многих странах мира, солнечная энергетика составляет весомую долю от всей энергетики страны. На пример в Европе, где стоимость на традиционное топливо для выработки энергии высока [13]. Германия, лидер по производству солнечной энергии. Суммарная выработка электроэнергии 22 ГВт. В Америке имеется солнечная электростанция мощностью 580МВт. В Индии 4000МВт [14]. В нашей стране крупная солнечная электростанция находится в Алтайском крае мощностью 10 МВт.

Литература:

1. Колесов П.Ю. Оптимальное управление солнечными коллекторами в системах горячего водоснабжения // Сборник материалов I Всероссийской молодёжной научно-практической конференции «Введение в энергетику». — 2014. — С.80.
2. Дорошенко А.В., Данько В.П., Турбовец Ю.Т. Металло-полимерные солнечные коллекторы с многоканальным абсорбером для многофункциональных энергетических систем// Проблемы региональной энергетики. — 2012. — №2. — С.42-50.
3. Почекайлов Ю.Ю., Шашаев А.В., Яковлев В.И., Яковлева Н.А. Селективные базальтовые детонационные покрытия для абсорбера солнечного коллектора // Международный журнал прикладных фундаментальных исследований. — 2015. — №4-1. — С.35-39.
4. Казанджан Б.И., Некрылов В.Н. Комбинированный солнечный коллектор для нужд теплоснабжения // Вестник МЭИ. — 2012. — №3. — С.9-13.
5. Туник А.А. Математическая модель тепломассопереноса В плоском солнечном коллекторе SUN 1 // Вестник МГСУ. — 2016. — №1. — С.126-142.
6. Жмакин Л.И., Козырёв И.В., Крюков А.А., Назарова М.В. Ёмкостной солнечный коллектор из текстильных материалов // Труды международной научно-практической конференции энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. — 2012. — №4. — С.256-261.
7. Галимов И.А., Уразаева Л.Ю. Математическое моделирование процесса теплообмена в солнечном коллекторе с учётом времени релаксации тепловых напряжений // Вестник Нижневартовского государственного университета. — 2011. — №3. — С.78-82.
8. Круговых А.А., Рыбалка С.Б. Ультратонкая органическая солнечная батарея на полимерной подложке // Научные исследования в современном мире. — 2015. —С.39-41.
9. Черенцов Е.Д., Щадов И.М. « Зелёный дом». Тонкоплёночные солнечные батареи // Молодёжный вестник ИРГТУ. — 2016. — №1. — С.28.
10. Тарасов В.С. Модернизация системы генерирования электроэнергии авиационного космического комплекса // Вестник МЭИ. — 2012. — №3. — С.48-50.
11. Панченко В.А., Филиппченкова В.С. Теплофотоэлектрические бесконцентраторные солнечные модули // Инновации в сельском хозяйстве. — 2015. — №5(15). — С.128-133.
12. Петрусёв А.С. Повышение эффективности солнечных батарей с помощью одноосного трекера и акрилового концентратора // Соверменная техника и технологии. — 2014. —С.37-38.
13. Митина И.В. Системы отопления с тепловым насосом и солнечным коллектором // Труды международной научно-практической конференции энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. — 2010. — №4. — С.287-293.
14. Коберник К.С., Павловская О.Ю. Солнечные батареи как источник электроэнергии // Актуальные проблемы в современной науке. — 2015.— С.83-86.