Солнечный коллектор

1.2. Солнечный коллектор

     Солнечный коллектор — устройство для сбора  тепловой энергии Солнца, переносимой  видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя. Бывают плоские и вакуумные солнечные коллекторы.   Плоские солнечные коллекторы (рис.1.2.1) работают на основе парникового эффекта.

     Рис.1.2.1. Конструкция плоского солнечного коллектора

     Данный  эффект основан на том, что солнечное  излучение, падающее на поверхность  солнечного коллектора, практически  полностью пропускается стеклом. В качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное или закаленное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% . Расположенное в нижней части коллектора теплопоглощающее покрытие имеет коэффициент поглощения солнечного излучения до 90%. Нагреваясь, покрытие излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне. Как видно из рисунка, данный спектр излучения уже практически не пропускается стеклом.    Вакуумный солнечный коллектор, также как плоский коллектор, собирает солнечные лучи и превращает их в тепло. В коллекторе, состоящем из вакуумных труб, множество труб соединено в один коллектор.   Трубы сделаны из стекла и эвакуированы, чтобы предотвратить потерю тепла, то есть, в них содержится вакуум. Поглотитель в виде полосы стального листа вставляется в каждую трубу. Принцип действия вакуумного солнечного коллектора (рис.1.2.2.):         

     1. Поглощение солнечного излучения.  Солнечный луч  попадает на  абсорбер гелио коллектора (специальное покрытие, которое характеризуется повышенной способностью поглощать тепловую энергию) превращается в тепло и передается во внутреннюю часть трубки, откуда тепло передается в систему отопления.          2. Передача тепла. Тепловые медные трубки вакуумного трубчатого солнечного коллектора, которые размещены внутри стеклянной трубки получают тепловую энергию от абсорбера. Низкокипящая жидкость начинает кипеть, пар этой жидкости поднимается вверх. Происходит процесс передачи тепла от всей трубки по длине к верхней колбе (конденсатор).   3. Теплообмен между колбой (конденсатором) и теплосборником. Пар низкокипящей жидкости собран в верхней части трубки под воздействием теплообмена с теплосборником, через который прокачивается антифриз и который имеет температуру значительно ниже, конденсируется. При конденсации происходит передача тепла от низкокипящей  жидкости к антифризу, сконденсированная жидкость по медным стенкам тепловой трубы стекает в низ и процесс поглощения солнечного луча начинается опять. Нагретый антифриз попадает в от гелиоколлектора в бак-аккумулятор.    4. Сбережение солнечной энергии. Антифриз (незамерзающая жидкость) забрав тепло от солнечного коллектора передает его через теплообменник в бак-аккумулятор, вследствие этого температура антифриза снижается и он направляется к солнечному водонагревателю за новой порцией тепловой энергии. Температура воды в баке-аккумуляторе постепенно повышается, а определенный объем бака позволяет обеспечить достаточное аккумулирование солнечной тепловой энергии для Ваших потребностей.  Заводы производящие солнечные коллекторы:     ООО «Хевел» (Новочебоксарск), «Телеком-СТВ» (Зеленоград), «Солнечный ветер» (Краснодар), «Квант» (Москва), ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов», ЗАО "Термотрон-завод" (Брянск).   Сооружение солнечных коллекторов  осуществляется, в основном, в трех регионах России: Краснодарском крае, Республике Бурятия и на Дальнем Востоке (Приморский край, Хабаровская обл.). В Краснодарском крае построено 102 гелиоустановки общей площадью 5000 м2 .  В Республике Бурятия в настоящее время построено 86 гелиоустановок общей площадью 3660 м2 (рис. 3). Площадь солнечных коллекторов гостиницы «Байкал» в Улан-Удэ составляет 150 м2.     
 
 
 
 
 
 

     1.3. Солнечные батареи

     Солнечная батарея-это несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.  Фотоэлемент-это электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию         В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).      Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.   Принцип действия солнечных батарей состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. При этом генерируется постоянный ток. Как правило, материалом для этого изделия является полупроводниковый кремний. Если есть потребность в повышенной мощности устройства, то применяют батареи из кристаллического кремния. В этом случае можно говорить о двух типах. К первому относятся батареи из монокристаллического кремния. Внешне этот материал можно отличить благодаря равномерному чёрно-серому цвету поверхности. Второй тип представлен современным поколением элементов, сделанных из более дешёвого поликристаллического кремния.          Изготовление производится методом литья. Выглядит материал как синяя поверхность с неравномерным переливом. Кроме того, кремний дополняется небольшим количеством мышьяка и бора.      Два сложенных тонких листа соединяется таким образом, чтобы сохранялся p-n-переход. Один из используемых листов содержит примесные атомы бора, другой – примесные атомы мышьяка. Одна пластина (наружная) характеризуется переизбытком электронов, а внутренняя – их недостаточным количеством.  Такова конструкция простейшего солнечного источника тока (рис.1.2.3.):                                         

     Рис.1.2.3. Схема элементов солнечной батареи

     В результате действия солнечных лучей  происходит освещение элемента и оба слоя взаимодействуют как электроды обыкновенной батареи – возникает ЭДС. Луч как бы «будит» электроны, которые начинают перемещаться из одной пластины в другую. А выработка солнечного света не связана с химическими реакциями. Именно поэтому такая солнечная батарея может прослужить очень долго.          Солнечные батареи могут быть использованы для обеспечения электричеством и подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п. также они используются в космических аппаратах. Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов. 
 

     2.Развитие солнечной энергетики в Белгородской области.

     По  мнению специалистов, применение источников альтернативной энергии на Белгородчине  достаточно перспективно, поскольку область занимает лидирующие позиции по темпам развития животноводства и птицеводства, и эффективное решение вопроса утилизации отходов играет важную роль в развитии АПК региона.         Однако, экономика региона находится в сильной энерго-зависимости. В Белгородской области на собственных генерирующих установках вырабатывается не более 10 % электроэнергии, остальной объём поступает из других областей, но солнечная энергетика развивается и усовершенствуется.  В 2010 году в Белгородской области компанией «АльтЭнерго» была построена первая в России солнечная электростанция  (рис. 2.1).

     Рис.2.1  Солнечная  электростанция Яковлевского района Белгородской области

     В настоящее время вблизи хутора Крапивенские Дворы Яковлевского района, что недалеко от города Строитель,  ООО «АльтЭнерго» эксплуатирует поликристаллические солнечные батареи российского производства и аморфные венгерской фирмы-производителя, общей мощностью 100 кВт. Панели фотоэлектрических преобразователей или солнечных батарей, способны преобразовывать часть солнечного электромагнитного излучения в электрический ток.           Поликристаллические солнечные батареи состоят из распиленного на пластины полупроводникового кремния. При попадании на их поверхность солнечного света в устройстве начинается движение электронов, вырабатывается постоянный электрический ток, который затем преобразуется в переменный. В устройствах аморфного типа полупроводники в вакууме расщепляются на мельчайшие частицы, и воздействие света становится наиболее интенсивным, поэтому аморфные источники обладают высокой производительностью и могут работать при плохих погодных условиях и слабой освещённости.             Также в Белгородской области установлены фонари освещения с солнечными батареями (рис. 2.2).

     Рис.2.2  Схема фонаря с использованием солнечной  батареи

     Основным  источником энергии для фонаря является солнечный свет, который при помощи фотомодуля превращается в электроэнергию. Контроллер, находящийся в корпусе фонаря, стабилизирует силу тока и управляет режимами заряда/разряда гелиевого аккумулятора. Накапливаемая энергия в аккумуляторе при помощи контроллера, через драйвер поступает на лампу, со сверх-яркими светодиодами.         В 2010 году по проспекту Ватутина появился автономный энергосберегающий комплекс, который заряжается от солнечной батареи. «Солнцеворот 4000» – именно такое название носит комплекс – заряжается в течение светового дня от солнечной батареи. Восемь секций батареи, направленные на юг, даже в пасмурную погоду улавливают ультрафиолетовое излучение и заряжают аккумуляторы комплекса. Энергии хватает, чтобы обеспечить освещением подъезды и площадки возле дома.       Энергия солнца обеспечивает работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi.         По совокупности полученных данных можно сделать вывод, что развитие энергетики Белгородской области должно идти по пути сочетания традиционных способов выработки энергии с альтернативными. Это способствует быстрейшему развитию области по всем направлениям экономики. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Достоинства  и недостатки использования солнечной энергетики

     Достоинства использования солнечной энергетики:    1) Общедоступность и неисчерпаемость источника (Солнца).  2) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества).            Недостатки использования солнечной энергетики:   1)Технические проблемы: солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды.            2) Дороговизна солнечных фотоэлементов.     3) Недостаточный КПД солнечных элементов.      4) Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.          5) Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.            Экологические проблемы:         Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

     4. Заключение

     По  утверждениям специалистов, гелиоэнергетика  могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелио энергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.  В настоящее время разрабатываются новые космические проекты, имеющие целью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают участие десятки стран. Данные о процессах, происходящих на Солнце, получают с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и космических ракетах, на горных вершина и в глубинах океанов.            Большое внимание нужно уделить и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.        Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии. Правительство России намерено в ближайшем будущем создать специализированный Институт по вопросам альтернативной энергетики и сделать все возможное для популяризации и развития данной сферы — использования возобновляемых источников энергии.