Н.А. Рустамов, кандидат фізико-математичних наук, К.В. Чекарев (Лабораторія поновлюваних джерел енергії географічного факультету МДУ ім. М.В. Ломоносова)
Використання тепла сонячного випромінювання для побутових і виробничих цілей
Перетворення енергії сонячного випромінювання в тепло, яке може бути або відразу спожито, або використано для отримання електрики (по термодинамічному циклу, в якому теплова машина призводить в рух електрогенератор), в силу своєї простоти є достатньо доступним способом енергозабезпечення споживачів різних рівнів. Інтерес до цьому напряму використання енергії сонця в останні роки зростає в усьому Світ.
Відомо, що сонячна енергія, перетворена в теплову, широко використовується для побутових цілей, опалення та гарячого водопостачання, підігріву води в басейнах. Установки, що застосовуються для цих цілей, містять в Як основна частини сонячний колектор, який працює за принципом парникового ефекту. Плоский колектор складається з елемента, поглинаючого сонячне випромінювання, прозорого покриття і термоізолюючого шару. Поглинаючий елемент пов'язаний з теплопроводящей системою. Установку відрізняє простота конструкції і монтажу. З появою комерційно вигідних технологій за Останніми роками системи опалення та гарячого водопостачання з використанням сонячних колекторів стали широко розповсюджуватися. Особливо активно ці технології розвиваються в країнах Євросоюзу, економіка яких зазнає суттєву залежність від імпортованого палива, у зв'язку з чим використання будь-яких відновлювальних джерел енергії всіляко стимулюється урядами.
Узагальнюючим показником розвитку цього напрямку може служити сумарна площа сонячних колекторів. В Європі на 2000 р. вона становила 14891000 м2, а у всьому світі - 71341000 м2.
Проте використання тепла, одержуваного від сонячного випромінювання, не знайшло широкого поширення в промисловості. Основний причиною цього, як і для всієї відновлюваної енергетики, були низькі ціни на викопне паливо, трималися протягом тривалого часу, внаслідок чого не було реальних причин для стимулювання розвитку альтернативної енергетики.
Для оцінки стану справ з використанням в промисловості тепла, одержуваного від сонця, Міжнародним енергетичним агентством був розроблений проект Task 33/1 Y, в якому брали участь 16 інститутів і 11 компаній із восьми країн. Метою проекту була розробка сонячних станцій, що виробляють тепло для промислових цілей. Нижче наводяться деякі результати, отримані в ході виконання проекту.
Галузі промисловості та виробничі процеси, в яких може бути використане тепло, одержуване від сонячних установок
Галузі
Виробництві-
ниє процеси
Інтервали
температур, В° C
Харчова
сушка
мийка
пастеризація
стерилізація
30-90
40-80
80-100
140-150
Текстильна
мийка
відбілювання
фарбування
40-80
60-100
100-160
Хімічна
кип'ятіння
дистильованої
95-105
110-300
В даний час у світі є близько 85 сонячних установок, що виробляють тепло для виробничих процесів, із загальною площею сонячних колекторів 38500 м2. Найбільша кількість установок працює в харчової (28%), текстильної (12%) та хімічної (10%) промисловості.
У таблиці наводяться відомості про можливості використання тепла, одержуваного від сонячних установок, в деяких галузях промисловості.
Як видно з таблиці, найбільша кількість виробничих процесів, в яких використовується низькотемпературна вода (30-90 В° С), застосовується в харчовій та текстильній промисловості, і вони мають найвищий потенціал для використання сонячних колекторів. Дані таблиці також говорять про те, що існують виробничі процеси, для яких необхідна температура лежить в інтервалі 80 - 250 В° С. Одне із завдань проекту Task 33/1 Y полягала в розробці сонячних колекторів, що перекривають цей інтервал температур.
Існують різні можливості підвищення температур плоских колекторів до 80-120 В° С. Домогтися цього можна за рахунок зменшення теплових втрат в результаті використання багатошарового скляного покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму. Подальше підвищення температур можливо шляхом введення в сонячні колектори концентраторів з невеликим коефіцієнтом концентрації (близько 2-3) за допомогою Параболоциліндричні відбивачів, прокладених під поглинаючими елементами. Для одержання більш високих температур потрібні більш сильні концентратори і пристрій стеження по одній координаті.
В рамках згаданого вище проекту було розроблено 23 варіанти установок із сонячними колекторами, зокрема установка для обігріву промислових цехів. Промислові цехи часто мають висоту 5-10 м, а необхідні значення температури усередині них лежать в інтервалі 15-18 В° С. Невеликі температури і простота схем включення сонячних колекторів роблять їх ідеальними для цих цілей.
Установки для одержання води для миття в харчовій промисловості і на транспорті через низькі температури (40-90 В° С) аналогічні великомасштабним установкам, які використовуються для опалення житлових приміщень і подачі гарячої води. Одна з демонстраційних систем в рамках проекту Task 33/1 Y була реалізована в транспортному секторі. Іспанська фірма Contank поблизу Барселони займається миттям контейнерів для транспортування залізницею рідких продуктів. Необхідна для цього температура води знаходиться в інтервалі 70-80 В° С. У день компанія витрачає 70-80 м3 води, температура якої доводиться до необхідної величини за допомогою газових нагрівачів. Замінююча їх сонячна установка (рис. 1) складається з сонячних колекторів площею 510 м2 і накопичувача місткістю 40 м3. Вартість такої установки становить 14300 євро, при існуючих цінах на газ вона окупиться за 10 років.
Для інтервалу температур 120-250 В° С потрібні концентратори з системою стеження по одній координаті. У Єгипті оголошено тендер на будівництво біля Каїра сонячної установки з Параболоциліндричні концентраторами для отримання 1.3 т пари на годину. Установка складається з чотирьох рядів Параболоциліндричні дзеркал площею 1900 м2.
Таким чином, незважаючи на те, що застосування сонячних установок для промислових цілей знаходиться практично на початковій стадії, існує великий потенціал їх використання. Для цього створені досить дешеві технології, прості в експлуатації. Подальші дослідження, проводяться з метою збільшення інтервалу одержуваних температур, повинні привести до розширення області застосування подібних сонячних установок в промисловості.
Перетворення сонячного випромінювання по термодинамическому циклу
У розвитку цього напряму перетворення сонячного випромінювання, на відміну від попереднього, спостерігався майже десятирічний застій. Однією з причин цього може бути те, що сонячні електростанції виявилися конкурентами електростанцій, що займаються централізованими поставками електроенергії та працюють на традиційному і атомному паливі.
Дослідження і розробка сонячних теплових станцій, працюють за термодинамическому циклу, отримали розвиток у зв'язку з браком палива і складним політичним становищем на Близькому Сході під час першого нафтової кризи 70-х рр.. Тоді найбільш перспективним напрямком здавалося створення станцій з паротурбінними установками, застосовуваними на звичайних теплових станціях.
Разом з тим при розробці сонячних станцій доводилося враховувати особливості сонячного випромінювання як джерело енергії: середня щільність потоку при нормальному падінні не перевищує 1 кВт/м2, надходження енергії відбувається циклічно через з...
