Основы энергосбережения. Конспект лекций - Р. Байтасов

Концентрирующие коллекторы (концентраторы) используют в случаях, когда возможные приложения тепловых гелиоустановок требуют более высоких, чем 100˚С, температур. Концентрирующие коллекторы включают в свой состав приёмник (поглотитель) солнечного излучения и концентратор. Конструктивно концентратор выполняется в виде фокусирующей оптической системы. Функционально концентратор обеспечивает сбор солнечного излучения с большой площади и его концентрацию на приёмнике с небольшой площадью поверхности. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приёмник солнечного излучения.

Концентратор может быть также выполнен в виде системы плоских зеркал, каждое из которых направляет солнечное излучение на один приёмник в виде линзы и др. При использовании таких коллекторов в приёмнике достигается температура до нескольких сотен или даже тысяч градусов по Цельсию.

Объёмные коллекторы используют для нагрева с помощью солнечного излучения больших объёмов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла. Простейшим примером объёмного коллектора может служить плёночная или застеклённая теплица, расположенная с южной стороны здания.

Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надёжного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором. Для обеспечения циркуляции теплоносителя используется насос. Однако если бак-аккумулятор расположить выше гелиоколлектора, то прокачка теплоносителя может осуществляться за счёт естественной циркуляции.

Для условий Беларуси при использовании воды в качестве теплоаккумулирующей массы ёмкость бака-аккумулятора выбирается в пределах 50…100 литров на 1 м² поверхности гелиоколлектора. Использование современных материалов позволяет создавать гелиоустановки без передающего и аккумулирующего устройств, функцию которых выполняет надёжно изолированный коллектор.

2.3. Солнечные электростанции

Одним из путей преобразования солнечной энергии в электрическую является строительство гелиотепловых электростанций. При этом необходимая температура парообразования достигается с помощью концентрирующих коллекторов. Важной особенностью данного процесса является необходимость постоянной ориентации системы коллектор-теплоприёмник на солнце, что усложняет и удорожает конструкцию этих устройств. В качестве рабочей жидкости в таких системах может использоваться вода или другие жидкости, обладающие более низкой температурой парообразования.

Более рациональным способом получения электроэнергии является прямое преобразование солнечной энергии в фото электрических установках, использующих явление фотоэффекта.

Фотоэффектом называют электрические явления в веществах, происходящие при их взаимодействии со световым потоком. Так, при освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п), между ними возникает разность потенциалов (фото-ЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом и относится, по сути, к внутреннему фотоэффекту. Вентильный фотоэффект положен в основу действия солнечных элементов, преобразующих солнечное излучение в электрический ток. Основной материал для изготовления солнечных элементов – кремний.

Важнейшим параметром солнечного элемента является коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую (Ксв), равный отношению мощности вырабатываемой им электрической энергии к падающему на элемент потоку излучения.

где Рэ – электрическая мощность (максимальная) на выходе элемента; Ризл=Еосв х Sэ – мощность светового потока, падающего на поверхность элемента площадью Sэ, расположенную перпендикулярно потоку (Вт); Еосв – освещенность элемента (Вт/м²).

Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10…15%. Это значит: при освещённости, равной 0,1 кВт/м² они могут вырабатывать электрическую мощность 1…1,5 Вт с каждого квадратного дециметра площади при создаваемой разности потенциалов около 1 В. Солнечные элементы последовательно соединяют в солнечные модули, которые в свою очередь соединяются в солнечные батареи.

Солнечная фотоэлектрическая установка имеет электрический аккумулятор, что обусловлено непостоянством потока солнечного излучения в течение суток и преобразователь, который необходим для получения переменного тока промышленных параметров (220 В, 50 Гц).

Сдерживающим фактором массового использования фотоэлектрических гелиоустановок является пока что, относительно высокая стоимость, которая для солнечных батарей составляет около 3 долларов США за 1 Вт установленной мощности плюс 2 доллара за 1 Вт вспомогательного оборудования (аккумулятор и преобразователь). Однако при сроке службы солнечных батарей 20 лет и облучённости местности 20 МДж/м² в день стоимость 1 кВт-ч электроэнергии составит примерно 16 центов, что конкурентоспособно с электроэнергией, вырабатываемой дизель-генератором. Уже сейчас фотоэлектрические установки используются для питания электроизгородей, переносной радиоэлектронной аппаратуры, в микрокалькуляторах. В странах СНГ и Западной Европы разработаны и внедряются водонасосные установки для пастбищного водоснабжения с питанием от солнечных батарей мощностью от сотен ватт до нескольких киловатт. Весьма перспективно использование солнечных фотоэлектрических станций для нужд энергоснабжения бытовых производственных объектов, удалённых от линий электропередач.

2.4. Общие сведения о ветроэнергетике

Ветер – это движение воздушных масс атмосферы, вызванное перепадом температуры из-за неравномерного нагрева воздуха. Энергия ветра – это преобразованная в механическую (кинетическую энергию движущихся воздушных масс) энергия Солнца.

Ветровая энергетика – это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием её в электрическую.

Преобразуют энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую энергию ветроэнергетические установки (ВЭУ). Энергия ветра зависит от его силы, т.е. величины давления, оказываемого ветром на единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно его направлению. Оценивают силу ветра и его воздействие на ВЭУ, по шкале Бофора. Например, безветрием считается, если скорость ветра составляет 0…0,2 м/с (дым поднимается вертикально) – условия для работы ВЭУ отсутствуют. Если дым поднимается почти вертикально, на воде поднимается рябь скорость ветра составляет 0,3…1,5 м/с – условия для работы ВЭУ отсутствуют. При слабом ветре (3,4…5,4 м/с, колышутся листья, флаги) начинают работать тихоходные ВЭУ. При свежем ветре (8,0…10,7 м/с, начинают раскачиваться деревья, волны в барашках) хорошие условия для всех ВЭУ.

Недопустимым для работы ВЭУ является шквальный (очень крепкий ветер) – трудно идти, качаются толстые деревья – скорость 17,2…20,7 м/с.

Ураган – скорость ветра свыше 32,6 м/с.

Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы.

Интерес к механическим установкам, использующих энергию ветра сильно возрос после резкого скачка цен на нефть в 1973г. Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 1970-начале 1980-х гг.

Ветроэлектрические установки, работающие в автономном режиме должны иметь аккумулирующие и преобразующие устройства, что существенно повышает их стоимость. Установкам, которые работают в единой энергосистеме, такие устройства не нужны. В качестве аккумулятора для таких установок выступает электрическая сеть. Однако данное обстоятельство значительно повышает требования к качеству производимой электроэнергии и требует принятия мер для синхронизации работы электрического генератора установки с электрической сетью по частоте, напряжению и другим параметрам.

Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с. Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью Земли. Ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными изменениями скорости и направления.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью в 5—10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходится проектировать с большим запасом прочности.