больше, чем требуется в данный момент, а избыток накапливать в аккумуляторе
теплоты.
Аккумуляторы можно классифицировать по характеристике физико-
химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ):
аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость
нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его
агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы
солей и др.);
аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется
теплота плавления (затвердевая) вещества;
аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при
обратимых химических и фотохимических реакциях.
Солнечные установки коммунально-бытового назначения
Солнечные водонагревательные установки
Сейчас во всем мире в эксплуатации находится более 5 млн. солнечных
водонагревательных установок, используемых в индивидуальных жилых домах,
централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных
зданий, включая гостиницы, больницы, спортивно-оздоровительные учреждения и
т.п. Налажено промышленное производство солнечных водонагревателей в таких
странах, как Япония, Израиль, Кипр, США, Австралия, Индия, Франция, ЮАР и
др.
На отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха в
жилых , общественных и промышленных зданиях расходуется 30-35 % общего
годового энергопотребления.
В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год, целесообразно
использовать солнечную энергию для теплоснабжения зданий. Солнечные
водонагревательные установки получили довольно широкое распространение
благодаря простоте их конструкции, надежности, быстрой окупаемости.
По принципу работы солнечные водонагревательные установки можно
разделить на два типа: установки с естественной и принудительной
циркуляцией теплоносителя. В последние годы все больше производится
пассивных водонагревателей, которые работают без насоса, а следовательно,
не потребляют электроэнергию. Они проще в конструктивном отношении,
надежнее в эксплуатации, почти не требуют ухода, а по своей эффективности
практически не уступают солнечным водонагревательным установкам с
принудительной циркуляцией.
Солнечная водонагревательная установка с естественной циркуляцией
содержит коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятора подводится холодная
вола (ХВ), и из его верхней части отводится потребителям горячая вода (ГВ).
Перечисленные элементы образуют контур естественной циркуляции воды. По
подъемной трубе горячая вода из коллектора солнечной энергии поступает а
бак-аккумулятор, а по отпускной трубе из бака в коллектор поступает более
холодная вода для нагрева за счет поглощенной солнечной энергии. Поскольку
средняя температура воды в подъемной трубе выше, чем в отпускной, плотность
воды, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие этого возникает разность
давлений (Па), вызывающая движение воды в контуре циркуляции: (p=gH (p1
-p2), где g -ускорение свободного падения, равное для равниных районов
9,81 м/с2 ; H- разность отметок низа солнечного коллектора (нулевой
уровень) и места подвода горячей воды в бак-аккумулятор, м; p1 - плотность
воды в подъемной трубе при температуре Т2 кг/м3.
Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность
давлений и интенсивнее движение воды, Аналогичное влияние оказывает
увеличение разности отметок H.
Непременным условием эффективной работы солнечной водонагревательной
установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых
поверхностей - прежде всего бака-аккумулятора, подъемной и отпускной труб,
патрубка для отвода горячей воды к водоразборным кранам или душу и
воздушника.
В условиях холодного климата в солнечном коллекторе следует
использовать незамерзающий теплоноситель - смесь воды с этилен- или
пропеленглиголем, глизантин (смесь воды с глицерином) и др.
Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией
теплоносителя являются саморегулирующимися системами, и расход жидкости в
них полностью определяется интенсивностью поступающего солнечного
излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками
солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительных трубопроводов.
Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно
использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В них солнечный
коллектор представляет собой большой массив модулей КСЭ. Эти установки
имеют большую термопроизводительность, но, как правило, они довольно
сложны.
Принципиальная схема установки с циркуляцией воды в контуре КСЭ с
помощью насоса подачей холодной воды в бак-аккумулятор и регулированием
температуры горячей воды, поступающей к потребителю, путем подмешивания
холодной воды в смесительном клапане показана на рисунке.
Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой
ступени для предварительного подогрева воды в обычных топливных системах
горячего водоснабжения.
По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно
покрывать до 80 % нагрузки горячего водоснабжения, поэтому необходимо
использовать наряду с коллекторами солнечной энергии (КСЭ) также
дополнительные источники энергии (ДИЭ).
[pic]
В качестве ДИЭ может использоваться электронагреватель или топливный
котел. Для индивидуальных потребителей следует рекомендовать использовать
водонагреватели с естественной циркуляцией воды или компактные устройства,
поскольку они имеют хорошую эффективность при невысокой цене и просты в
конструктивном отношении, а следовательно, и надежны.
Система солнечного теплоснабжения зданий
Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения
зданий. Характерным признаком активных систем является наличие коллектора
солнечной энергии, аккумулятора теплоты, дополнительного источника энергии,
трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств для
автоматического контроля и управления. В пассивных системах роль солнечного
коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие
конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за
счет естественной конверции без применения вентилятора. В странах ЕЭС в
2000 г. пассивные гелиосистемы будут давать экономию 50 млн. т нефти в год.
В зданиях, в которых предусматривается эффективное использование
солнечной энергии, должен быть обеспечен высокий уровень сохранения
энергии, особенно в условиях холодного климата. При этом мощность
гелиосистемы и дополнительного источника энергии, а также их размеры и
стоимость будут минимальными.
Пассивные гелиосистемы отопления зданий
Для отопления зданий используются следующие типы пассивных
гелиосистем:
С прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через здания
или через примыкающую к южной стене здания солнечную теплицу (зимний сад,
оранжерею).
С непрямым улавливанием солнечного излучения, т.е. с
теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада;
С контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором
теплоты. Кроме того, могут использоваться гибкие системы, включающие
элементы пассивной и активной гелиосистемы.
Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания, которое
должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее
эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами
и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного
излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные
окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека,
так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из
важнейших условий эффективности работы пассивной гелиосистемы заключается
в правильном выборе местоположения и ориентации здания на основе критерия
максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние
месяцы.
Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться
при соблюдении следующих условий:
1) оптимальная ориентация дома - вдоль оси восток-запад или с
отклонением до 30о от этой оси;
2) на южной стороне 50-70 % всех окон, а на северной - не более 10%,
причем южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные окна -
трехслойное;
3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие
теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;
4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых
комнат с этой стороны, а вспомогательных помещений - с северной;
5) должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулирующая способность
внутренних стен и пола для поглощения и аккумулирования теплоты солнечной
энергии;
6) для предотвращения перегрева помещений в летний период над окнами
должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т.п.
КПД такой системы отопления, как правило составляет 25-30 %, но в
особо благоприятных климатических условиях может быть значительно выше и
достигать 60 %. Существенным недостатком этой системы являются большие
суточные колебания температуры воздуха внутри помещений. Пассивные системы
имеют такой же срок службы, как и само здание. Наряду с получением теплоты
эти системы также обеспечивают эффективное использование дневного
освещения, благодаря чему снижается потребление электроэнергии.
Активные гелиосистемы отопления зданий
В состав активной системы солнечного отопления входят коллектор
солнечной энергии, аккумулятор теплоты, дополнительный (резервный)
источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор
и из него к потребителям, насосы или вентиляторы, трубопроводы с арматурой
и комплекс устройств для автоматического управления работой системы.
Солнечный коллектор обычно устанавливается на крыше дома, остальное
оборудование гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения дома
размещается в подвале. Там устанавливаются основной аккумулятор теплоты,
теплообменник для подогрева воды, бак для аккумулирования горячей воды,
теплообменник для нагрева воздуха для отопления дома, расширительный бак и
теплообменник для передачи теплоты от антифриза к воде. Снаружи дома
находится теплообменник, предназначенный для сброса избыточного количества
уловленной солнечной теплоты в летний период.
Сравнение активных и пассивных гелиосистем дает возможность выявить их
преимущества и недостатки. Преимущества активных гелиосистем связаны с
легкостью и гибкостью интегрирования систем со зданием, возможностью
автоматического управления работой системы и снижением тепловых потерь.
Однако при применении активных гелиосистем часто возникают проблемы,
обусловленные недостаточной надежностью оборудования, в том числе систем
автоматического управления. В отличии от них пассивные системы просты,
надежны в работе и недороги, но они также имеют недостатки. прежде всего
возникают трудности с поддержанием температурного режима, необходимого для
обеспечения теплового комфорта в отапливаемых помещениях. В гибридных
системах можно соединить достоинства активных и пассивных элементов и
устранить многие недостатки, повысив тем самым эффективность систем при
умеренных капиталовложениях.
Электроэнергия из космоса
Идея сооружения Международной опытной космической электростанции
(КСЭС), подающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960 году и
не сходит с тех пор со страниц популярных и научных изданий.
КСЭС в совокупности с промежуточными атмосферными сооружениями сможет
на только подавать электроэнергию земным потребителям, но и
непосредственно освещать большие участки земной поверхности ночью и
затенять их днем, регулировать климатические условия, уничтожать тайфуны и
смерчи, снабжать энергией космические корабли, воздушные средства, наземный
транспорт, удаленные от линий электропередачи промышленные предприятия и
т.д.
Целесообразность создания КСЭС диктуется неисчерпаемостью солнечной
энергии, экологическими соображениями и необходимостью сохранять ныне
широко применяемые природные энергоносители (нефть, газ, уголь) для нужд
химической промышленности.
КСЭС с периодически сменяемым персоналом могла бы стать на только
прообразом сверхмощных станций будущего, но и одновременно выполнять
огромное количество обычной “космической работы” (исследования, наблюдения,
эксперименты) Потребность в такой опытной КСЭС имеется уже сейчас, причем
не только потребность, но и возможность ее создания при условии
международного сотрудничества.
При этом следует учесть, что наша страна первой в мире освоила
пилотируемые космические полеты с пребыванием людей на станции в течение
одного года, у нас создан и опробован в космосе уникальный монтажный
инструмент, а космонавтами получен уникальный опыт работы по развертыванию
крупногабаритных космических сооружений, в том числе и дополнительных
панелей солнечных батарей, освоены длительные рабочие выходы космонавтов в
открытый космос, успешно проведены первые испытания новой универсальной
ракеты-носителя “Энергия”, способной выводить на околоземную орбиту более
100 т полезного груза.
Практическое использование солнечной энергии в космонавтике началось в
1958 году на первом ИСЗ США и на третьем советском ИСЗ. Эти спутники, как
известно, имели солнечные батареи.
Первая публикация по проблеме КСЭС с изложением технической сущности
принадлежит американскому инженеру П. Гейзеру. В его проекте масса КСЭС
достигает 30 тыс.т, размер (“размах”) солнечных батарей 60 км, а
электрическая мощность - примерно 8,5 ГВт. Таким образом, мощность
спроектированной станции выше мощности эксплуатируемых ныне крупнейших
электростанций мира: ГЭС “Гленд-Кули” (США) - 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС - 6
ГВт, АЭС “Фукушима”- 4,7 ГВт, ТЭС “Кашима”- 4,4 ГВт (Япония).
Целесообразность создания КСЭС и КТЭС диктуется неисчерпаемостью как
солнечной энергии, так и горючего для КТЭС- космического водорода,
экологическими соображениями и необходимостью сохранить ныне широко
применяемые природные химические энергоресурсы для нужд химической
промышленности.
Всвязи с печальным опытом аварии на Чернобыльской АЭС возникает
вопрос, а не грозит ли создание КСЭС какими-либо новыми бедами людям, ведь
передача энергии будет происходить через атмосферу, а следовательно,
воздействовать на ее состав и динамику. Будет ли это воздействие
положительным? Расчеты вселяют оптимизм, но окончательный ответ может дать
только опытная эксплуатация электропередачи Космос-Земля.
Наличие энергетических установок характерно для всех космических
аппаратов. Характеристики космических солнечных батарей (СБ), применяемых в
настоящее время, весьма разнообразны. Удельная масса панельных СБ
составляет 5-10 кг/м2, причем около 40 % массы приходится на
полупроводниковые элементы, а остальное на конструкцию. Ожидается, что
использование материалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу
конструкций в 2 раза.
Срок службы СБ пока подтвержден 5 годами, однако считается, что он
может составить 30 лет, правда , с деградацией (уменьшением) КПД СБ к концу
этого периода на 40 %.
Достигнутое КПД для двухслойного элемента, составленного из арсенида
галлия (GaAs) и кремния (Si), равно 28,5 % , что касается дальнейших
перспектив, то они оцениваются довольно высокими значениями до 60 %.
В космической энергетике большая роль отводится аккумуляторам. Самые
лучшие из современных маховиков способны накапливать весьма значительную
энергию - до 1 МДж/кг, хотя существуют и такие экспериментальные
устройства, которые способны накапливать энергию до 12 МДж/кг. Но для
расчетов ограничиваются значением 0,07 МДж/кг.
Вряд ли первая опытная КСЭС установленной мощностью для земных
потребителей 5000 кВт способна сколько-нибудь существенно помочь энергетике
нашей страны. Тем не менее она, как и первая АЭС, необходима, причем
главный смысл ее эксплуатации - натуральное изучение способов беспроводной
передачи энергии на сверхдальние расстояния, изучение влияния этого
процесса на окружающую среду, оптимизация параметров станции.
Первые практические опыты в нашей стране по передаче энергии без
проводов с помощью СВЧ-излучения были проведены под руководством профессора
С.И. Тетельбаума в Киевском политехническом институте около 30 лет назад.
две простейшие квадратные антенны со стороной квадрата 100 м при длине
волны 1 см позволили передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40%, а на
расстояние 5 км - с КПД 60%. Современное состояние техники позволяет
существенно улучшить все показатели беспроводной линии передачи энергии с
помощью СВЧ-излучения.
[pic]1- стыковочные узлы; 2- головной блок; 3- вспомогательные СБ; 4 -
отражатели; 5- основные СБ; 6- дополнительные СБ; 7 -СВЧ-антены; 8- СВЧ-
лучи
Список использованной литературы
1) Н.В. Харченко Индивидуальные солнечные установки М. Энергоатомиздат 1991
г.
2) Р.Р. Авезов, А.Ю. Орлов Солнечные системы отопления и горячего
водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г
3) Дверняков В.С. Солнце - жизнь, энергия Киев: Наукова думка 1986
4) Колтун М.М. Солнце и человечество М: Наука 1981
5) В.П. Бурдаков Электроэнергия из космоса М: Энергоатомиздат 1991
Содержание
Введение 1
Первые опыты использования солнечной энергии 2
Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество 3
Башенные и модульные электростанции 4
Солнечные батареи 6
Солнечный пруд 7
Солнечные коллекторы и аккумуляторы теплоты 8
Солнечные установки коммунально-бытового назначения 10
Солнечные водонагревательные установки 10
Система солнечного теплоснабжения зданий 12
Пассивные гелиосистемы отопления зданий 13
Активные гелиосистемы отопления зданий 14
Электроэнергия из космоса 16
Список использованной литературы 20
