РОЗДІЛ 10. Сонячна енергетика

Рис. 10.2. Сонячний нагрівач

яких міняється тільки кут нахилу. Оптимальний кут нахилу для найбільшого виходу енергії залежить від широти, наприклад для середніх широт становить ≈ 50 - 65. Подальшого підвищення рівноважної температури поглинача й, отже, підвищення його ефективності, можна добитися, якщо за допомогою дзеркал сконцентрувати на ньому енергію сонячного випромінювання. На рис. 10.3. показаний пристрій параболічного концентратора, що фокусує сонячну енергію. На цьому Рис.: 1– падаючі сонячні промені; 2- відбиті сонячні промені; 3 - параболічний концентратор; 4 - поглинач (тіло, що нагрівається). У фокусі такого концентратора можна одержати рівноважну температуру, що дорівнює 1600 – 17000С. Одержанню більш високої температури перешкоджає непаралельність відбитих сонячних променів. У результаті цієї непаралельності енергія відбитих сонячних променів збирається не точно у фокусі концентратора, а в деякій області довкола нього. Отже, для одержання максимальної кількості енергії, що опромінюється тіло повинне бути досить більшим, щоб прийняти всі промені, відбиті від концентратора.

Рис. 10.3. Пристрій параболічного концентратора

Крім того, з погіршенням оптичних властивостей дзеркальної поверхні концентратора й зі збільшенням розмірів приймача сонячної енергії зменшується й рівноважна температура.

У ряді країн сонячну енергію використовують в опріснювальних установках для одержання питної води із засолених джерел. На рис. 10.4. показана схема одного із простих пристроїв, призначеного для опріснення води. Призначена для опріснення вода (2) набирається в ємність (3), розташовану в нижній частині теплоізоляційного пристрою (1), де вона нагрівається за рахунок поглинання сонячної енергії. Поверхня цієї ємності звичайно чорнять, тому що вода майже безперешкодно пропускає короткохвильову частину сонячного випромінювання (у деяких приладах воду підфарбовують у чорний колір, і вона стає поглиначем). З підвищенням температури рух молекул води стає більш інтенсивним і частина з них залишає поверхня води. Насичений водяними парами повітряний потік (4) піднімається нагору, де прохолоджується, стикаючись із поверхнею прозорого покриття, пари води частково конденсуються, а краплі, що утворювалися (5) стікають по ній униз, збираючись у ємності для опрісненої води (б), для наступного її використання (7). Охолоджене повітря знову опускається до поверхні води, замикаючи цикл конвективного руху. Для підвищення ефективності системи, необхідно, щоб у процесі конденсації на поверхні покриття утворювалася водна плівка. Тому що при конденсації води у вигляді крапель, значна частина падаючої на поверхню покриття сонячної радіації, відбивається ними; навіть при порівняно великих, кутах нахилу поверхні, коли вода досить швидко стікає, приблизно половина всієї поверхні покриття зайнята краплями води. На ретельно очищеній від слідів жиру скляної поверхні звичайно утворюється плівка води, тоді як майже на всіх, навіть більш чистих пластмасових поверхнях сконденсована вода випадає у вигляді крапель. На деяких нових пластичних матеріалах можлива плівкова конденсація води.

Продуктивність такої сонячної опріснювальної установки міняється протягом дня відповідно до зміни інтенсивності сонячної радіації що надходить на установку. При використанні дуже дрібної ємності,

Рис. 10.4. Схема установки для опріснення води

швидкість одержання опрісненої води в будь-який момент часу залежить тільки від величини сонячної радіації. При використанні глибокої ємності, необхідна температура води встановлюється лише через кілька днів, і надалі опріснену воду можна одержувати безупинно протягом доби. Однак, для цього необхідно, щоб кількість води в такому резервуарі в багато разів перевищувало денну продуктивність установки, наприклад 100 кг/м2 при глибині близько 10 див.

Одним з основних недоліків таких опріснювальних установок є сезонна зміна їх продуктивності.

Для розв'язку ряду спеціальних завдань виникає необхідність будівництва досить великогабаритних, площею більш 1000 м2 сонячних концентраторів. Таких експериментальних сонячних концентраторів, потужністю від 5 кВт до декількох МВт, налічується в цей час у світі близько десятка. Самими великими в цей час концентраторами з тепловою потужністю 1000 кВт є сонячні печі в Одейо (Французькі Піренеї) і в Паркенте (Узбекістан) - Більша Сонячна Піч (БСП). БСП дозволяє формувати у фокальній зоні променистий стаціонарний потік аж до 1000 Вт/див2 за допомогою систем, що дзеркально концентрують, концентратора моделлю поверхні, що відбиває, 1840 м2 і 62 геліостатів із загальною поверхнею, що відбиває, 3022,5 м2 у режимі безперервного спостереження за Сонцем з точністю 3 кутових хвилини.

На додаток до прямого використання сонячного тепла, у регіонах з високим рівнем сонячної радіації її можна використовувати для одержання пари, яка обертає турбіну й виробляє електроенергію. Виробництво сонячної теплової електроенергії у великих масштабах досить добре відпрацьоване. ДО 2009 року енергокомпаніями США вже встановлене більш 400 мегават сонячних теплових електростанцій, які забезпечують електрикою 350 000 людей і заміщають еквівалент 2,3 млн. барелів нафти в рік. Дев'ять електростанцій, розташованих у пустелі Мохаве (в американському штаті Каліфорнія) мають 354 МВт установленої потужності й нагромадили 100 років досвіду промислової експлуатації. Ця технологія є настільки розвитому, що, по офіційних відомостях, може суперничати із традиційними електрогенеруючими технологіями в багатьох районах США. В інших регіонах миру також скоро повинні бути початі проекти по використанню сонячного тепла для виробітку електроенергії. Індію, Єгипет, Марокко б Мексика розробляють відповідні програми. По способу виробництва тепла сонячні теплові електростанції підрозділяють на сонячні концентратори (дзеркала) і сонячні пруди. Розглянемо деякі особливості сонячних концентраторів. Такі електростанції концентрують сонячну енергію за допомогою лінз і рефлекторів. Більші дзеркала концентрують сонячні промені настільки, що вода перетворюється в пару, виділяючи при цьому досить енергії для того, щоб обертати турбіну.

На острові Сицилія ще на початку 80-х років дала струм сонячна електростанції потужністю 1 Мвт. Принцип її роботи - баштовий.

Баштовий принцип побудови сонячних електростанцій показано на рис. 10.5. приймач, що нагрівається, - 2 розташовується на високій вежі - 1, (звідси й назва баштова), сонячне випромінювання концентрується, за допомогою дзеркальних відбивачів - 3 на теплопоглинальній поверхні котла, у якому утворюється пара. Утворена пара надходить на парову турбіну й далі на електрогенератор. У сонячній електростанції, побудованої в Сицилії, дзеркала фокусують сонячні промені на приймачі, розташованому на висоті 50 метрів. Приймач виробляє пару з температурою перевищуючої 500°С, який пускає в хід традиційну турбіну. При мінливій хмарності недолік сонячної енергії компенсується паровим акумулятором.

Сонячна електростанція, установлена в Альмерії на півдні Іспанії, має трохи інший принцип роботи. Тут, сфальцьоване на вершину вежі сонячне тепло, приводить у рух натрієвий круговорот (як в атомних реакторах на швидких нейтронах), а той уже нагріває воду до утвору пари. У такого варіанта ряд переваг. Натрієвий акумулятор тепла забезпечує на тільки безперервну роботу електростанції, але дає можливість частково накопичувати надлишкову енергію для роботи в похмуру погоду й уночі. Потужність іспанської станції всього 0,5 Мвт. Принцип нагрівання стисненого повітря використовується в сонячній електростанції, розробленої в Німеччині. Її потужність - 20 Мвт.

Рис. 10.5. Принцип роботи сонячної електростанції баштового типу

Тут використовуються рухливі дзеркала по 40м2 кожне, керовані мікропроцесором, які розташовані навколо 200 - метрової вежі. Ці дзеркала фокусують сонячне випромінювання на нагрівач, де міститься стиснене повітря. Стиснене повітря нагрівається до 800°С і пускає в хід дві газові турбіни. Потім теплом цього повітря, що ж відпрацювало, нагрівається вода, і в дію вступає вже парова турбіна. Виходять як би два ступеню виробітку електроенергії. У результаті ККД станції піднятий до 18%, що суттєво більше, чим в інших геліоустановок.

Аналогічний принцип використовується в сонячній електростанції, розташованої поблизу Керчі. Потужність цієї станції - 5 Мвт. Конструкція станції наступна. Навколо вежі концентричними окружностями розмішено 1600 дзеркал, що направляють сонячні промені на паровий котел, який установлений на вежі 70-метрової висоти. Дзеркала площею 25 м2 кожне, за допомогою автоматики стежать за Сонцем і відбивають сонячну енергію точно на поверхню котла, забезпечуючи її щільністю потоку в 150 раз більшу, ніж дає Сонце на поверхні Землі. У котлі при тиску 40 атмосфер генерується пара з температурою 250°С, що надходить на парову турбіну. У спеціальних ємностях-акумуляторах під тиском утримується вода, що накопичує тепло для роботи з ночей і в похмуру погоду. Завдяки цим акумуляторам станція може працювати ще 3-4 години після заходу Сонця, а на половинній потужності - близько півдоби.

Фірма "Luz Corp." установила величезні поля таких дзеркал у каліфорнійській пустелі. Вони виробляють 354 МВт електроенергії. Ці системи можуть перетворювати сонячну енергію в електричну із ККД близько 15 %. Слід зазначити, що потужність баштових сонячних електростанцій багато в чому визначається висотою самої вежі. При цьому, чим вище вежа, тим більша потужність, що відбирається. При досить високих вежах виключається ефект взаємного затінення дзеркал. Для одержання потужності в 50-100 МВт необхідна вежа висотою 200-300 метрів, із площею відбиваючих дзеркал в 2-3 км2.

До недоліків існуючих сонячних теплових електростанцій ставляться наступні фактори: низька щільність потоку енергії, добова й сезонна циклічність, сильна залежність від погодних умов, вимога більших земельних площ під розміщення відбиваючих дзеркал.