Охрана труда и энергосбережение → Основы энергосбереженияОхрана труда и энергосбережение → Основы энергосбереженияОхрана труда и энергосбережение → Основы энергосбереженияОсобое значение среди Всех видов энергоресурсов имеет энергия Солнца. В результате реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10000000 К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,2*10 17 Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года.
В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей.
Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели)
Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул, т. е. в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела.
Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.
Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. Из-за относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными ,при нагревании жидкостей до температур ниже 100 °С. Существуют различные варианты приемников солнечного излучения. Их можно условно разделить на две группы.
Простые приемники, содержащие весь объем жидкости, которую необходимо нагреть (рис. 10.4.1, а, б); Приемники более сложной конструкции нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре, что позволяет снижать теплопотери системы в целом (рис. 10.4.1, в).
Рис. 10.4.1. Приемники солнечного излучения: а - открытый резервуар на поверхности Земли; тепло уходит в Землю; б - черный резервуар в контейнере со стеклянной крышкой с изолированным днем; в - заполненная водой металлическая емкость; стандартный промышленный приемник: нагреваемая жидкость протекает через него и накапливается в специальном резервуаре
Подогреватели воздуха
Солнечное излучение можно использовать для подогрева воздуха, просушивания зерна, для обогрева зданий. Эти приложения имеют важное значение для экономики. Значительная часть урожая зерна в мире теряется в результате поражения плесневым грибком, которое можно предупредить правильным просушиванием. На обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов. Частичная разгрузка энергетики, связанная с проектированием или постройкой зданий для использования солнечного тепла, позволит сэкономить значительные количества топлива, затрачиваемого ежегодно на эти цели.
На рис. 10.4.2 приведена одна из возможных конструкций воздушных нагревателей. Для отопления зданий зимой могут применяться так называемые пассивные и активные солнечные системы.
Рис. 10.4.2. Воздушный нагреватель: 1 - стеклянное покрытие, 2 - шероховатая черная поглощающая поверхность
На рис. 10.4.3, а показан пассивный солнечный нагреватель: солнечные лучи попадают на заднюю стенку и пол здания, представляющие собой массивные конструкции с усиленной теплоизоляцией, окрашенные в черный цвет.
Рис. 10.4.3. Пассивные солнечные нагреватели: а - прямой нагрев задней стенки здания; использованы массивные, окрашенные в черный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией для поглощения и накопления солнечной теплоты; б - здание с накопительной стенкой
Недостаток такой системы прямого нагрева медленный подъем температуры в зимние дни, и чрезмерная жара летом устраняется с помощью накопительной стенки с солнечной стороны (рис. 10.4.3, б). Стенка работает как встроенный воздушный нагреватель с тепловой Циркуляцией. Летом такую стену может затенять козырек крыши. Активные солнечные отопительные системы используют внешние нагреватели воздуха или воды. Их можно устанавливать уже на существующие здания. В странах с жарким климатом широко используются серийно выпускаемые солнечные системы для горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования жилых домов, школ, больниц. Для жилого дома эти системы включают в себя солнечный коллектор, концентрирующий солнечную энергию и аккумулирующий ее в форме тепловой энергии воды, циркулирующей по трубкам коллектора, и бойлер, устанавливаемый на крыше; движение воды в Системе может осуществляться благодаря термосифонному эффекту или действию насоса. Для теплоснабжения больниц и других общественных зданий эффективным оказывается применение комбинированных систем, состоящих из традиционного водяного или парового котла, работающего на органическом топливе, и. солнечной нагревательной установки, предусматривающей систему плоских и (или) параболических коллекторов. Это обеспечивает независимость от погоды и повышает надежность и экономичность теплоснабжения. Используется солнечная энергия для работы тепловых насосов и холодильных установок.
Солнечные электростанции
В системах непрямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую, на гелиотермических (солнечных тепловых) электростанциях, солнечная энергия (аналогично энергии органического топлива на ТЭС) превращается в тепловую энергию рабочего тела, например, пара, а затем в электрическую. Можно создать гелиотермические электростанции мощностью до нескольких десятков, сотен мегаватт.
В настоящее время существует определенный опыт строительства и эксплуатации солнечных тепловых электростанций, например, в Южной Калифорнии, в Крыму. Так, солнечная электростанция с паросиловым циклом мощностью 90 МВт с солнечным полем площадью 450000 м2 имеет общий КПД по тепловой и электрической энергии 38%. Лучшими технико-экономическими характеристиками обладает тепловая электростанция с интегрированным солнечно-комбинированным циклом, принципиальная схема которой дана на рис. 10.4.4.
Рис. 10.4.4. Принципиальная схема солнечной тепловой электростанции с интегрированным солнечно-комбинированным циклом
Она включает газотурбинную установку, работающую на традиционном органическом топливе, и паротурбинную установку, приводимую, в действие потоками пара высокого и низкого давления. Энергия этих потоков пара получена преобразованием энергии Солнца соответственно в контурах высокого и низкого давления. Основными элементами контуров являются устройства солнечного поля (коллектор из параболических зеркал и системы паропроводов, системы слежения и управления) и парогенераторы. Эффективность станции повышается за счет утилизации в экономайзере тепла потоков отработанных газа и пара высокого давления. Подобная гелиотермическая электростанция с интегрированным циклом мощностью 90 МВт при площади солнечного поля 200 м2 позволяет увеличить общий КПД до 50%. Кроме того, при интегрированном цикле достигается определенная независимость от изменений характеристик солнечной радиации из-за погоды и времени суток и года. Альтернативный вариант солнечные электростанции башенного типа. На них системы плоских зеркал, расположенные на большой площади, отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник на вершине башни (рис. 10.4.5).
Рис. 10.4.5. Схема солнечной электростанции башенного типа
К сожалению, КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на башенных электростанциях составляет не более 10%, а стоимость получаемой электроэнергии несопоставима с ее стоимостью на ТЭС и даже АЭС. Ввиду непостоянства солнечного излучения, в течение суток и времени года для обеспечения круглосуточного энергоснабжения от солнечной электростанции требуется аккумулирование энергии, В этой связи рациональна совместная работа гелиотермической и гидроаккумулирующей электростанций.