Термальная энергия солнца: Солнечная тепловая энергия — HiSoUR История культуры — magazinakb.ru

Содержание

Солнечная тепловая энергия — HiSoUR История культуры

Солнечная тепловая энергия (STE) представляет собой форму энергии и технологию для использования солнечной энергии для производства тепловой энергии или электрической энергии для использования в промышленности, а также в жилом и коммерческом секторах.

обзор
Солнечные тепловые коллекторы классифицируются Управлением энергетической информации Соединенных Штатов в качестве низко-, средне- или высокотемпературных коллекторов. Низкотемпературные коллекторы, как правило, неглазурованы и используются для нагрева бассейнов или для нагрева вентиляционного воздуха. Среднетемпературные коллекторы также обычно представляют собой плоские пластины, но используются для нагрева воды или воздуха для жилого и коммерческого использования. Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечный свет с использованием зеркал или линз и обычно используются для удовлетворения требований к нагреву до 300 градусов C / 20 бар в промышленности и для производства электроэнергии. Две категории включают концентрированную солнечную тепловую энергию (CST) для удовлетворения требований к нагреву в промышленности и концентрированную солнечную энергию (CSP), когда собранное тепло используется для выработки электроэнергии. CST и CSP не заменяются с точки зрения применения. Самые крупные объекты расположены в американской пустыне Мохаве в Калифорнии и Неваде. Эти заводы используют различные технологии. Наибольшие примеры включают в себя: солнечную энергетическую установку Ivanpah (377 МВт), установку систем солнечной энергии (354 МВт) и полумесяцы (110 МВт). Испания является другим крупным разработчиком солнечной тепловой электростанции. Самые крупные примеры включают Солнечную электростанцию Солнечной (150 МВт), Солнечную электростанцию Андасол (150 МВт) и Солнечную электростанцию Extresol (100 МВт).

Низкотемпературные системы солнечного нагрева и охлаждения
Системы для использования низкотемпературной солнечной тепловой энергии включают средства для сбора тепла; обычно — хранение тепла, краткосрочное или межсезонное; и распределение в рамках структуры или сети централизованного теплоснабжения. В некоторых случаях более одной из этих функций присуща одна особенность системы (например, некоторые виды солнечных коллекторов также хранят тепло). Некоторые системы являются пассивными, другие активны (требуя использования другой внешней энергии).

Нагревание является наиболее очевидным применением, но солнечное охлаждение может быть достигнуто для строительной или районной сети охлаждения с использованием теплового насоса для поглощения или адсорбции (теплового насоса). Существует плодотворное совпадение того, что чем больше тепловое тепло от изоляции, тем выше выход охлаждения. В 1878 году Огюст Моучэ впервые стал солнечным охлаждением, создав лед, используя солнечный паровой двигатель, прикрепленный к холодильному устройству.

В Соединенных Штатах системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) составляют более 25% (4,75 EJ) энергии, используемой в коммерческих зданиях (50% в северных городах) и почти половину (10,1 EJ) используемой энергии в жилых зданиях. Технологии солнечного нагрева, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Самой популярной технологией солнечного нагрева для отопления зданий является встроенная встроенная система сбора солнечного воздуха, которая соединяется с оборудованием HVAC здания. По данным Ассоциации солнечной энергетики, более 500 000 м2 (5 000 000 кв. Футов) этих панелей работают в Северной Америке с 2015 года.

В Европе с середины 1990-х годов было построено около 125 крупных солнечно-тепловых станций централизованного теплоснабжения, каждый из которых имеет более 500 м2 (5400 фт2) солнечных коллекторов. Наибольшие площади составляют около 10 000 м2, а мощности 7 МВт — тепловые и солнечные тепловые затраты — около 4 евроцентов / кВтч без субсидий. 40 из них имеют номинальную мощность 1 МВт-тепловую или больше. В Программе солнечного теплоснабжения (SDH) участвуют 14 европейских государств и Европейская комиссия и работает над техническим и рыночным развитием и проводит ежегодные конференции.

Низкотемпературные коллекторы
Застекленные солнечные коллекторы предназначены в первую очередь для обогрева помещений. Они рециркулируют воздух здания через солнечную воздушную панель, где воздух нагревается, а затем направляется обратно в здание. Эти системы солнечного обогрева требуют, по крайней мере, двух проникновений в здание и работают только тогда, когда воздух в солнечном коллекторе теплее, чем температура в помещении. Большинство застекленных коллекционеров используются в жилом секторе.

Неглазурованные солнечные коллекторы в основном используются для предварительного нагрева вентиляционного воздуха в коммерческих, промышленных и институциональных зданиях с высокой вентиляционной нагрузкой. Они превращают стены или секции стен в недорогие, высокопроизводительные, неглазурованные солнечные коллекторы. Также называемые «экранированные солнечные панели» или «солнечная стена», они используют окрашенный перфорированный металлический солнечный поглотитель тепла, который также служит наружной поверхностью стены здания. Передача тепла в воздух происходит на поверхности абсорбера через поглотитель металла и за абсорбером. Пограничный слой солнечного нагретого воздуха втягивается в ближайшую перфорацию до того, как тепло может выйти из-за конвекции к наружному воздуху. Затем нагретый воздух выводится из-за пластины поглотителя в систему вентиляции здания.

Стена Тромбе представляет собой пассивную систему солнечного нагрева и вентиляции, состоящую из воздушного канала, зажатого между окном и солнечной тепловой массой. Во время цикла вентиляции солнечный свет сохраняет тепло в тепловой массе и нагревает воздушный канал, вызывая циркуляцию через вентиляционные отверстия сверху и снизу стены. Во время цикла нагрева стена Тромбе излучает накопленное тепло.

Солнечные крышные бассейны представляют собой уникальные системы солнечного нагрева и охлаждения, разработанные Гарольдом Хэем в 1960-х годах. Базовая система состоит из крытого водяного пузыря с подвижным изоляционным покрытием. Эта система может контролировать теплообмен между внутренней и внешней средой путем покрытия и раскрытия мочевого пузыря между днем и ночью. Когда нагревание вызывает беспокойство, пузырь раскрывается в течение дня, позволяя солнечному свету нагревать водяной пузырь и хранить тепло для вечернего использования. Когда охлаждение вызывает беспокойство, крытый пузырь тянет тепло от внутреннего пространства здания днем и ночью обнаруживается, чтобы излучать тепло в более прохладную атмосферу. Дом Skytherm в Атаскадеро, штат Калифорния, использует прототип кровельного пруда для отопления и охлаждения.

Солнечное пространство с солнечными коллекторами тепла более популярно в США и Канаде, чем отопление солнечными коллекторами, поскольку в большинстве зданий уже есть система вентиляции для отопления и охлаждения. Два основных типа солнечных панелей воздуха застеклены и неглазурованы.

Из 21 000 000 квадратных футов (2 000 000 м2) солнечных тепловых коллекционеров, произведенных в Соединенных Штатах в 2007 году, 16 000 000 квадратных футов (1500 000 м2) были низкотемпературного сорта. Низкотемпературные коллекторы обычно устанавливаются для нагрева бассейнов, хотя их также можно использовать для обогрева помещений. Коллекторы могут использовать воздух или воду в качестве среды для передачи тепла в пункт назначения.

Хранение тепла в низкотемпературных солнечных тепловых системах
Межсезонное хранение. Солнечное тепло (или тепло из других источников) может эффективно храниться между противостоящими сезонами в водоносных горизонтах, подземных геологических пластах, крупных специально построенных ямах и больших резервуарах, которые изолированы и покрыты землей.

Краткосрочное хранение. Тепловые материалы хранят солнечную энергию в течение дня и выделяют эту энергию в течение более прохладных периодов. Общие тепловые материалы включают камень, бетон и воду. Доля и размещение тепловой массы должны учитывать несколько факторов, таких как климат, дневной свет и условия затенения. При правильной установке тепловая масса может пассивно поддерживать комфортные температуры при одновременном снижении потребления энергии.

Солнечное охлаждение
Во всем мире к 2011 году было около 750 систем охлаждения с солнечными тепловыми насосами, а ежегодный рост рынка составлял 40-70% за предыдущие семь лет. Это нишевой рынок, потому что экономика сложна, а годовое количество часов охлаждения является ограничивающим фактором. Соответственно, ежегодные часы охлаждения составляют примерно 1000 в Средиземном море, 2500 в Юго-Восточной Азии и только 50-200 в Центральной Европе. Тем не менее, затраты на строительство системы снизились примерно на 50% в период с 2007 по 2011 год. Целевые группы по солнечному нагреву и охлаждению (МЭА) Международного энергетического агентства (МЭА), работающие над дальнейшей разработкой соответствующих технологий.

Солнечная тепловая вентиляция
Солнечная дымовая труба (или тепловая дымовая труба) представляет собой пассивную систему солнечной вентиляции, состоящую из полого тепловой массы, соединяющей внутреннюю и внешнюю часть здания. Когда дымоход нагревается, воздух внутри нагревается, что вызывает восходящий поток, который тянет воздух через здание. Эти системы использовались с римских времен и остаются распространенными на Ближнем Востоке.

Технологическое тепло
Солнечные технологические системы отопления предназначены для обеспечения большого количества горячей воды или обогрева помещений для нежилых зданий.

Испарительные пруды представляют собой мелкие водоемы, которые концентрируют растворенные твердые вещества в результате испарения. Использование испарительных прудов для получения соли из морской воды является одним из старейших применений солнечной энергии. Современное использование включает концентрацию растворов соляного раствора, используемых в добыче выщелачивания, и удаление растворенных твердых веществ из потоков отходов. В целом, испарительные пруды представляют собой одно из крупнейших коммерческих применений солнечной энергии, используемых сегодня.

Неглазурованные прозрачные коллекторы представляют собой перфорированные стены, обращенные к солнцу, используемые для предварительного нагрева вентиляционного воздуха. Трансформированные коллекторы также могут монтироваться на крыше для круглогодичного использования и могут повышать температуру поступающего воздуха до 22 ° C и обеспечивать температуру на выходе 45-60 ° C. Короткий срок окупаемости опытных коллекционеров (от 3 до 12 лет) делает их более рентабельной альтернативой для остекленных систем сбора. По состоянию на 2015 год во всем мире было установлено более 4000 систем с общей площадью коллектора 500 000 м2. Представители включают сборщик 860 м2 в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен, и сборщик 1300 м2 в Коимбаторе, Индия, используемый для сушки бархатцев.

Завод по переработке пищевых продуктов в Модесто, Калифорния, использует параболические желоба для производства пара, используемого в производственном процессе. Предполагается, что площадь коллектора площадью 5000 м2 составит 15 TJ в год.

Среднетемпературные коллекторы
Эти коллекторы могут использоваться для производства примерно 50% и более горячей воды, необходимой для жилого и коммерческого использования в Соединенных Штатах. В Соединенных Штатах типичная система стоит 4000-6000 долл. США (1400 долл. США до 2200 долл. США на оптоволокно), а 30% системы соответствует федеральному налоговому кредиту + дополнительный государственный кредит существует примерно в половине государств. Труд для простой системы с открытым контуром в южном климате может занять 3-5 часов для установки и 4-6 часов в северных районах. Северная система требует больше площади коллектора и более сложной сантехники, чтобы защитить сборщик от замерзания. Благодаря этому стимулу срок окупаемости типичного домашнего хозяйства составляет от четырех до девяти лет, в зависимости от состояния. Аналогичные субсидии существуют в некоторых частях Европы. Экипаж одного солнечного водопроводчика и двух помощников с минимальным обучением может установить систему в день. Термосифонная установка имеет незначительные эксплуатационные расходы (расходы растут, если антифриз и сетевая мощность используются для обращения), а в США сокращает эксплуатационные расходы домашних хозяйств на 6 долл. США на человека в месяц. Солнечное водонагревание может снизить выбросы CO2 в семействе из четырех на 1 тонну в год (при замене природного газа) или 3 тонны в год (при замене электричества). В установках средней температуры может использоваться любая из нескольких конструкций: общие конструкции — герметичный гликоль, дренаж, системы периодического действия и более новые системы, устойчивые к замораживанию под низким давлением, с использованием полимерных труб, содержащих воду с фотогальванической накачкой. Европейские и международные стандарты пересматриваются для учета инноваций в проектировании и эксплуатации коллекторов с низкой температурой. Эксплуатационные инновации включают в себя операцию «постоянно смачиваемый коллектор». Это новшество уменьшает или даже устраняет возникновение неточечных высокотемпературных напряжений, называемых застойными, что в противном случае снизило бы продолжительность жизни коллекционеров.

Солнечная сушка
Солнечная тепловая энергия может быть полезна для сушки древесины для строительства и использования древесных топлив, таких как древесная щепа для сжигания. Solar также используется для пищевых продуктов, таких как фрукты, зерно и рыба. Высушивание сельскохозяйственных культур солнечными средствами является экологически чистым, а также экономически эффективным и улучшает качество. Чем меньше денег требуется, чтобы сделать продукт, тем меньше он может быть продан, радуя как покупателей, так и продавцов. Технологии солнечной сушки включают сверхнизкие затраты на перекачку пластинчатых воздухосборников на основе черных тканей. Солнечная тепловая энергия полезна в процессе сушки продуктов, таких как древесная щепа и другие виды биомассы, путем повышения температуры, позволяя воздуху проходить и избавляться от влаги.

Готовка
Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризации. Солнечная готовка компенсирует расходы на топливо, снижает спрос на топливо или дрова и улучшает качество воздуха за счет уменьшения или удаления источника дыма.

Самый простой тип солнечной плиты — это кухонная плита, впервые построенная Горасом де Соссюром в 1767 году. Базовая кухонная плита состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Эти плиты могут эффективно использоваться с частично пасмурным небом и обычно достигают температур 50-100 ° C.

Концентрирующие солнечные плиты используют отражатели для концентрирования солнечной энергии на кухонной таре. Наиболее распространенными геометриями отражателей являются плоская пластина, диск и параболический тип желоба. Эти конструкции готовятся быстрее и при более высоких температурах (до 350 ° C), но требуют прямого света для правильной работы.

Солнечная кухня в Ауровиле, Индия, использует уникальную концентрационную технологию, известную как солнечная чаша. В отличие от обычных отражающих отражателей / стационарных приемных систем, солнечная чаша использует фиксированный сферический отражатель с приемником, который отслеживает фокус света, когда Солнце перемещается по небу. Приемник солнечной чаши достигает температуры 150 ° C, которая используется для производства пара, который помогает готовить 2000 ежедневных блюд.

Многие другие солнечные кухни в Индии используют еще одну уникальную технологию концентрирования, известную как отражатель Шеффлера. Эта технология была впервые разработана Вольфганом Шеффлером в 1986 году. Отражатель Шеффлера представляет собой параболическое блюдо, которое использует одноосевое отслеживание, чтобы следить за ежедневным курсом Солнца. Эти отражатели имеют гибкую отражающую поверхность, способную изменять ее кривизну, чтобы приспособиться к сезонным изменениям угла падения солнечного света. Отражатели Шеффлера имеют то преимущество, что имеют фиксированную фокальную точку, что улучшает легкость приготовления и способно достигать температур 450-650 ° C. Построенный в 1999 году компанией Brahma Kumaris, крупнейшей в мире системой отражателей Scheffler на Абу-Роуд, Индия раджастан способна готовить до 35 000 блюд в день. К началу 2008 года более 2000 больших кухонных конструкций Scheffler были построены по всему миру.

дистилляция
Солнечные кадры могут использоваться для приготовления питьевой воды в районах, где чистая вода не является обычной. Солнечная дистилляция необходима в этих ситуациях для обеспечения людей очищенной водой. Солнечная энергия нагревает воду в неподвижном состоянии. Затем вода испаряется и конденсируется на дне покрывающего стекла.

Высокотемпературные коллекторы
Там, где температуры ниже примерно 95 ° C, достаточно, так как для обогрева помещений обычно используются плоские коллекторы неконцентрирующего типа. Из-за относительно высоких потерь тепла через остекление плоские пластинчатые коллекторы не достигнут температур намного выше 200 ° C, даже когда жидкость для теплопередачи застаивается. Такие температуры слишком низки для эффективного преобразования в электричество.

Эффективность тепловых двигателей возрастает с температурой источника тепла. Для достижения этого в солнечных тепловых энергетических установках солнечная радиация концентрируется зеркалами или линзами для получения более высоких температур — метода под названием «Концентрированная солнечная энергия» (CSP). Практический эффект высокой эффективности заключается в уменьшении размера коллектора завода и общего землепользования на единицу электроэнергии, что снижает экологические последствия использования электростанции, а также ее расходы.

По мере повышения температуры различные формы превращения становятся практичными. До 600 ° C паровые турбины, стандартная технология, имеют КПД до 41%. Более 600 ° C газовые турбины могут быть более эффективными. Более высокие температуры являются проблематичными, потому что необходимы разные материалы и методы. Одно предложение для очень высоких температур заключается в использовании жидких фторидных солей, работающих от 700 до 800 ° С, с использованием многоступенчатых турбинных систем для достижения 50% или более тепловой эффективности. Более высокие рабочие температуры позволяют установке использовать тепловые теплоносители с более высокой температурой для ее тепловых выхлопов, что снижает использование воды в заводе, что является критическим в пустынях, где применяются большие солнечные установки. Высокие температуры также повышают эффективность хранения тепла, поскольку на единицу жидкости хранится больше ватт-часов.

В 1980-х годах были впервые разработаны коммерческие установки для солнечной тепловой энергии (CSP). Крупнейшими в мире солнечными тепловыми электростанциями в настоящее время являются солнечная энергетическая установка Ivanpah мощностью 370 МВт, введенная в эксплуатацию в 2014 году, и установка SEGS CSP мощностью 354 МВт, расположенная в пустыне Мохаве в Калифорнии, где также реализовано несколько других солнечных проектов. За исключением солнечной электростанции Shams, построенной в 2013 году вблизи Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты, все остальные 100 МВт или более крупные установки CSP расположены либо в Соединенных Штатах, либо в Испании.

Основным преимуществом CSP является способность эффективно добавлять тепловое хранилище, позволяя отправлять электроэнергию до 24-часового периода. Поскольку пик спроса на электроэнергию обычно происходит примерно между 4 и 8 часами, многие электростанции CSP используют от 3 до 5 часов хранения тепла. В современных технологиях хранение тепла намного дешевле и эффективнее, чем хранение электроэнергии. Таким образом, завод CSP может производить электричество день и ночь. Если сайт CSP имеет предсказуемую солнечную радиацию, то завод CSP станет надежной электростанцией. Надежность также может быть улучшена путем установки резервной системы сжигания. Резервная система может использовать большую часть установки CSP, что снижает стоимость резервной системы.

В объектах CSP используются материалы с высокой электропроводностью, такие как медь, в полевых силовых кабелях, заземляющих сетях и двигателях для отслеживания и перекачки жидкостей, а также в основном генераторе и высоковольтных трансформаторах.

С надежностью, неиспользованной пустыней, отсутствием загрязнения и отсутствием затрат на топливо препятствиями для большого развертывания для CSP являются стоимость, эстетика, землепользование и аналогичные факторы для необходимых соединительных линий высокого напряжения. Хотя для удовлетворения мирового спроса на электроэнергию требуется лишь небольшой процент пустыни, все же большая площадь должна быть покрыта зеркалами или линзами для получения значительного количества энергии. Важным способом снижения стоимости является использование простой конструкции.

При рассмотрении воздействия землепользования, связанного с разведкой и добычей, на транспортировку и конверсию ископаемых видов топлива, которые используются для большей части нашей электроэнергии, солнечная энергия по шкале полезной нагрузки сравнивается как один из наиболее доступных в мире энергоресурсов:

Федеральное правительство выделило почти в 2000 раз больше площади для аренды нефти и газа, чем для солнечного развития. В 2010 году Бюро по управлению земельными ресурсами утвердило девять крупных солнечных проектов общей мощностью 3682 мегаватт, что составляет около 40 000 акров. Напротив, в 2010 году Бюро по управлению земельными ресурсами обработало более 5200 заявок на аренду газа и нефти и выпустило 1308 договоров аренды на общую сумму 3,2 млн. Акров. В настоящее время 38,2 млн. Акров наземных государственных земель и дополнительные 36,9 млн. Акров морской разведки в Мексиканском заливе находятся в аренде для разработки и разведки нефти и газа, разведки и добычи.

Проектирование систем
В течение дня солнце имеет разные позиции. Для систем с низкой концентрацией (и низких температур) отслеживание можно избежать (или ограничить несколькими положениями в год), если используется неизображающая оптика. Однако для более высоких концентраций, если зеркала или линзы не перемещаются, изменяется фокус зеркал или линз (но также и в этих случаях неизолирующая оптика обеспечивает самые широкие углы восприятия для данной концентрации). Поэтому представляется неизбежным, что должна существовать система слежения, которая следует за положением солнца (для солнечной фотогальваники солнечный трекер является необязательным). Система отслеживания увеличивает стоимость и сложность. Имея это в виду, различные конструкции можно различить в том, как они концентрируют свет и отслеживают положение солнца.

Параболические корыта
На параболических электростанциях используется изогнутый зеркальный желоб, который отражает прямое солнечное излучение на стеклянную трубку, содержащую жидкость (также называемую приемником, поглотителем или коллектором), проходящую по длине желоба, расположенную в фокальной точке отражателей. Полюс параболический вдоль одной оси и линейный по ортогональной оси. Для изменения суточного положения солнца, перпендикулярного приемнику, корыто наклоняется на восток на запад, так что прямое излучение остается сосредоточенным на приемнике. Однако сезонные изменения угла солнечного света, параллельные корыту, не требуют регулировки зеркал, поскольку свет просто сосредоточен в другом месте на приемнике. Таким образом, конструкция корыта не требует отслеживания на второй оси. Приемник может быть заключен в стеклянную вакуумную камеру. Вакуум значительно снижает конвективные потери тепла.

Жидкость (также называемая теплоносителем) проходит через приемник и становится очень горячей. Обычными жидкостями являются синтетическое масло, расплавленная соль и водяной пар под давлением. Жидкость, содержащая тепло, транспортируется в тепловой двигатель, где около трети тепла преобразуется в электричество.

Полномасштабные системы параболического желоба состоят из многих таких желобов, выложенных параллельно на большой площади суши. С 1985 года солнечная тепловая система, использующая этот принцип, полностью работает в Калифорнии в Соединенных Штатах. Он называется системой солнечной энергии (SEGS). Другие конструкции CSP не имеют такого долгого опыта, и поэтому в настоящее время можно сказать, что дизайн параболического желоба является наиболее проверенной технологией CSP.

SEGS — это коллекция из девяти установок общей мощностью 354 МВт и уже много лет является крупнейшей в мире солнечной электростанцией, как тепловой, так и нетепловой. Новый завод — завод Nevada Solar One мощностью 64 МВт. Солнечные электростанции Andasol мощностью 150 МВт находятся в Испании, каждый из которых имеет мощность 50 МВт. Обратите внимание, однако, что эти установки имеют хранилище тепла, которое требует большего поля солнечных коллекторов относительно размера паротурбинного генератора для хранения тепла и отправки тепла в паровую турбину в одно и то же время. Хранение тепла позволяет лучше использовать паровую турбину. С днем и ночью работа паровой турбины Andasol 1 с максимальной мощностью 50 МВт вырабатывает больше энергии, чем Nevada Solar One с пиковой мощностью 64 МВт, благодаря системе хранения тепловой энергии бывшего завода и более крупному солнечному полю. 280MW Solana Generating Station вышла в интернет в Аризоне в 2013 году с 6 часами хранения энергии. Интегрированная солнечная комбинированная электростанция Hassi R’Mel в Алжире и Центр солнечной энергии Martin Next Generation используют параболические желоба в комбинированном цикле с природным газом.

Закрытый желоб
Архитектура закрытого желоба инкапсулирует солнечную тепловую систему в тепличной, как теплица. Стеклянная камера создает защищенную среду для противодействия элементам, которые могут негативно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы.

Легкие изогнутые солнечно-отражающие зеркала подвешены внутри структуры теплицы. Одноосевая система слежения позиционирует зеркала для отслеживания солнца и фокусирует свой свет на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к структуре теплицы. Пар генерируется напрямую, используя воду с качеством масла, так как вода течет из впускного отверстия по всей длине труб без теплообменников или промежуточных рабочих жидкостей.

Полученный пар затем подается непосредственно в существующую сеть распределения пара, где пар непрерывно инжектируется глубоко в масляный резервуар. Укрытие зеркал от ветра позволяет им достичь более высоких температурных скоростей и предотвращает образование пыли в результате воздействия влажности. GlassPoint Solar, компания, которая создала проект Enclosed Trough, заявляет, что его технология может вырабатывать тепло для EOR примерно за 5 долларов США за миллион британских тепловых единиц в солнечных регионах, по сравнению с 10 и 12 долларов США для других традиционных солнечных тепловых технологий.

Система закрытого желоба GlassPoint была использована на объекте Miraah в Омане, и недавно был анонсирован новый проект для того, чтобы компания внедрила свою замкнутую технологию пробки на Южно-Черничное нефтяное месторождение, недалеко от Бейкерсфилда, штат Калифорния.

Конструкции энергоблоков
Башни власти (также известные как «центральные башни» или электростанции «гелиостат») захватывают и фокусируют солнечную тепловую энергию с тысячами следящих зеркал (называемых гелиостатами) примерно в двух квадратных милях. Башня находится в центре поля гелиостата. Гелиостаты фокусируют солнечный свет на приемнике, который сидит на вершине башни. Внутри приемника концентрированный солнечный свет нагревает расплавленную соль до температуры более 1000 ° F (538 ° C). Затем нагретая расплавленная соль поступает в резервуар для хранения тепла, где он хранится, выдерживая термический КПД на 98% и в конечном итоге закачивается в парогенератор. Пар управляет стандартной турбиной для выработки электроэнергии. Этот процесс, также известный как «цикл Ренкина», похож на стандартную угольную электростанцию, за исключением того, что она питается чистой и свободной солнечной энергией.

Преимущество этой конструкции над параболическим контуром конструкции — более высокая температура. Тепловая энергия при более высоких температурах может быть преобразована в электричество более эффективно и может быть дешевле храниться для последующего использования. Кроме того, меньше необходимости сглаживать земельный участок. В принципе, башня власти может быть построена на стороне холма. Зеркала могут быть плоскими, а сантехника сосредоточена в башне. Недостатком является то, что каждое зеркало должно иметь свое собственное управление с двумя осями, в то время как в параболическом дизайне корыта одноосное отслеживание может использоваться для большого массива зеркал.

Сравнение затрат и производительности между башней мощности и параболическими концентраторами было сделано НРЭЛ, согласно которому к 2020 году электричество могло быть произведено от силовых вышек на 5,47 ¢ / кВтч и 6,21 ¢ / кВтч от параболических желобов. По оценкам, коэффициент мощности для энергетических башен составил 72,9% и 56,2% для параболических желобов. Есть надежда, что развитие дешевых, долговечных, массовых производственных компонентов гелиостата может привести к снижению этой стоимости.

Первой коммерческой башней была PS10 в Испании мощностью 11 МВт, завершена в 2007 году. С тех пор было предложено несколько заводов, некоторые из них были построены в ряде стран (Испания, Германия, США, Турция, Китай , Индия), но несколько предлагаемых заводов были отменены по мере того, как цены на фотогальванические солнечные батареи резко упали. Ожидается, что солнечная энергетическая башня появится в Южной Африке в 2014 году. Ivanpah Solar Power Facility в Калифорнии производит 392 МВт электричества с трех башен, что делает его крупнейшим заводом солнечной энергии, когда он появился в сети в конце 2013 года.

Дизайн блюд
Известно, что CSP-Стирлинг обладает наивысшей эффективностью всех солнечных технологий (около 30% по сравнению с солнечной фотогальваникой примерно на 15%) и, как ожидается, сможет производить самую дешевую энергию среди всех возобновляемых источников энергии в крупномасштабном производстве и горячие зоны, полупустыни и т. д. В системе Стирлинга используется большое отражательное параболическое блюдо (похожее по форме на сателлитное телевизионное блюдо). Он фокусирует весь солнечный свет, который ударяет блюдо вверх на одну точку над блюдом, где приемник захватывает тепло и превращает его в полезную форму. Обычно блюдо сочетается с двигателем Стирлинга в системе Dish-Stirling, но иногда используется паровой двигатель. Они создают вращательную кинетическую энергию, которая может быть преобразована в электричество с использованием электрического генератора.

В 2005 году Южная Калифорния Эдисон объявила о соглашении о покупке солнечных двигателей Стирлинга от Stirling Energy Systems в течение двадцати лет и в количествах (20 000 единиц), достаточных для производства 500 мегаватт электроэнергии. В январе 2010 года Stirling Energy Systems и Tessera Solar заказали первую демонстрационную силовую установку мощностью 1,5 мегаватта («Maricopa Solar») с использованием технологии Стирлинга в Пеории, штат Аризона. В начале 2011 года подразделение по развитию Стирлинга Энергии Tessera Solar продало два своих крупных проекта: Имперский проект 709 МВт и проект Calico 850 MW для AES Solar и K.Road соответственно. В 2012 году завод «Марикопа» был куплен и демонтирован компанией United Sun Systems. United Sun Systems выпустила систему нового поколения, основанную на V-образном двигателе Стирлинга и пиковой производительности 33 кВт. Новая технология CSP-Stirling снижает LCOE до 0,02 доллара США в масштабе полезности.

По словам его разработчика, шведская фирма Rispasso Energy, в 2015 году, ее система Dish Sterling, протестированная в пустыне Калахари в Южной Африке, показала эффективность на 34%.

Технологии Френеля
Линейная рефлекторная электростанция Френеля использует серию длинных, узких, неглубоких криволинейных (или даже плоских) зеркал для фокусировки света на один или несколько линейных приемников, расположенных над зеркалами. В верхней части приемника может быть прикреплено небольшое параболическое зеркало для дальнейшей фокусировки света. Эти системы стремятся обеспечить более низкие общие затраты за счет совместного использования приемника между несколькими зеркалами (по сравнению с концепциями корыта и посуды), но при этом используют простую геометрию линии с одной осью для отслеживания. Это похоже на дизайн желоба (и отличается от центральных башен и посуды с двойной осью). Приемник неподвижен и, следовательно, не требуется соединение жидкости (как в желобах и посудах). Зеркалам также не нужно поддерживать приемник, поэтому они структурно проще. Когда используются подходящие стратегии прицеливания (зеркала, предназначенные для разных приемников в разное время суток), это может позволить более плотную упаковку зеркал на доступной площади суши.

Технологии одноосного отслеживания конкурирующих технологий включают относительно новые линейные технологии рефлектора Френеля (LFR) и компактного LFR (CLFR). LFR отличается от скорости параболического желоба тем, что поглотитель закреплен в пространстве над зеркальным полем. Кроме того, отражатель состоит из множества сегментов с малыми рядами, которые совместно фокусируются на приподнятом длинном приемнике башни, проходящем параллельно оси вращения отражателя.

Для сбора тепловой энергии Международными автоматизированными системами были разработаны прототипы концентраторов линз Френеля.Известно, что полномасштабные тепловые системы с использованием линз Френеля не работает, хотя продукты, содержащие линзы Френеля в комплекте с фотогальваническими клетками, уже доступны.

MicroCSP
MicroCSP используется для электростанций на уровне сообщества (от 1 МВт до 50 МВт), для промышленных, сельскохозяйственных и производственных процессов «технологического тепла», а также при большом количестве горячей воды, таких как курортные бассейны, аквапарки, крупные прачечная, стерилизация, дистилляция и другие подобные применения.

Закрытый параболический желоб
Закрытая параболическая солнечная тепловая система включает компоненты в готовом тепличном теплице. Стеклянная камера защищает компоненты от элементов, которые могут негативно влиять на надежность и эффективность системы. Эта защита важна для ночной мойки стеклянной крыши с оптимизированными водосберегающими готовыми автоматическими стиральными системами. Легкие изогнутые солнечно-отражающие зеркала подвешены к потолку из теплицы по проводам. Одноосевая система слежения позиционирует зеркала для получения оптимального количества солнечного света. Зеркала концентрируют солнечный свет и фокусируют его на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к структуре теплицы. Вода прокачивается через трубы и отваривается для получения пара при приложении интенсивного солнечного излучения.Пар доступен для технологического тепла.Укрытие зеркал от ветра позволяет добиться более высоких температурных скоростей и предотвращает образование пыли на зеркалах в результате воздействия влажности.

Поделиться ссылкой:

Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)
Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)

Солнечные тепловые системы — Vaillant

Солнечные коллекторы

Различают два типа солнечных тепловых (генерирующих тепло) коллекторов, которые используются в солнечных тепловых системах: плоский коллектор и вакуумный трубчатый коллектор.

Плоские коллекторы — Энергия на поверхности

Главным элементом плоского коллектора является поглощающая поверхность, которая ориентирована на солнце. Покрытие поглощающей поверхности сконструировано таким образом, что оно способно поглощать максимум излучения и отражает лишь небольшую часть энергии. Поглощенная энергия передается на теплоноситель, который циркулирует в трубках под поверхностью поглотителя.

С технической точки зрения плоские коллекторы отличаются от вакуумных трубчатых коллекторов, главным образом, изоляцией поглотителя. В плоском коллекторе используется традиционный изолирующий материал, такой как минеральная вата или полиуретановая пена.

Преимущества плоского коллекторов:

Более низкая закупочная стоимость
Низкие затраты на обслуживание и ремонт
Идеально подходят для низкотемпературных систем для обеспечения горячей водой или поверхностного отопления

Для того чтобы предложить высококачественные коллекторы, эффективные в каждой системе и комбинации систем за выгодную цену, Vaillant разработала плоские коллекторы. Благодаря инновационным технологиям они достигают самую высокую эффективность с оптимальной выработкой солнечной энергии при существенном снижении стоимости.

Вакуумные трубчатые коллекторы — самая высокая выработка солнечной энергии от трубчатых коллекторов

Функциональный принцип вакуумных трубчатых коллекторов такой же самый, что и для плоских коллекторов. Они также поглощают солнечное излучение с помощью поглотителей и затем передают солнечную энергию в форме тепловой энергии на теплоноситель.

Однако в отличие от пластинчатых коллекторов, вакуумные трубчатые коллекторы используют хороших изолирующие свойства вакуума. Именно поэтому они и называются вакуумными трубчатыми коллекторами. Благодаря вакууму в стеклянной трубке тепловые потери почти полностью отсутствуют. Кроме того, под каждой отдельной трубкой устанавливается отражатель, который фокусирует солнечный свет на поглощающую трубку. В целом, вакуумные трубчатые коллекторы более эффективны, чем плоские коллекторы.

Преимущества вакуумных трубчатых коллекторов:

Более высокая эффективность, лучшая производительность даже при меньшем количестве солнечного света и при рассеянном свете.
Может также использоваться на участке крыши, не ориентированном строго на юг.
Производит более высокую температуру и может быть интегрированным с высокотемпературными нагревательными системами.

Вакуумный трубчатый коллектор фирмы Vaillant auroTHERM exclusiv является выбором для тех, кто стремится к оптимальному использованию солнечной энергии. Конструкция вакуумного трубчатого коллектора позволяет достичь максимальной производительности даже отклонениии солнечных лучей и рассеянном солнечном свете, постоянно высокая выработка солнечной энергии, и, в целом, максимально возможное получение энергии.

Узнайте больше о солнечных коллекторах от Vaillant

Солнечная термальная энергетика. Солнечный водонагреватель. Солнечный транспорт

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке.

Световые колодцы применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т.д.

Солнечный коллектор — устройство для сбора энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт•ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г. В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды ва куумированным пространством, что позво ляет практически полностью устранять потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подав ляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120-160°С.

Существует несколько типов вакуумных солнечных водонагревателей-коллекторов:

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор
низкого давления (открытый контур)
с термосифонной системой

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор
магистрального давления,
термосифон со встроенным теплообменником.

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор
с выносным баком
(СВНУ активного типа, закрытый контур)

Технологии солнечной энергетики

Более чем за полвека ученые перепробовали огромное количество различных вариантов и способов добычи и использования солнечной энергии. Дорогие и малоэффективные технологии уступали место привлекательным и дешевым разработкам, которые не прекращают совершенствоваться на протяжении многих лет.

Классификация «солнечных» технологий, разделенных учеными на 4 группы:

Активные – вместе с преобразователями задействуются механизмы, электромоторы, помпы. Солнечная энергия используется для нагрева воды, освещения, вентиляции.
Пассивные – отличаются от активных отсутствием в контурах систем каких-либо механизмов, движущих частей. Особенностью построения пассивных солнечных структур для организации систем вентиляции, отопления является подбор соответствующих по физическим параметрам строительных материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон.
Непосредственные или «прямым» — системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа.
«Непрямые» технологии — системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии.

Активные системы

Активные системы используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции теплоносителя через коллектор. Они обычно более дорогие, чем пассивные системы, но и более эффективны.

Активные системы с открытым контуром

Активные системы с открытым контуром используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. Активные системы с открытым контуром являются популярными в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании.

Активные системы с закрытым контуром

В этих системах теплоносителем коллектора является обычно водно-гликолиевый антифриз. Теплообменники передают высокую температуру от теплоносителя первого контура воде, которая запасена в баках (теплоаккумуляторах). Системы с закрытым контуром популярны в областях, подвергающихся продолжительно действующим отрицательными температурам, так как они имеют хорошую защиту от замораживания. В связи с высокими значениями температуры при застое теплоносителя в периоды максимальной облученности, не все антифризы пригодны для использования в солнечных системах.

Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%.

Новая «термальная батарея» впитывает солнечную энергию, как губка

Солнечная энергия чиста, обильна и раздражающе неудобна: ею нельзя пользоваться ночью или в пасмурные дни. Конечно же можно преобразовать солнечный свет в электричество и хранить его в батарее, но это непростая и дорогостоящая процедура. Но самое главное, что большую часть времени нам требуется не электричество, а тепло – чтобы приготовить пищу, принять душ или обогреть дом.

Другими словами, нам нужно законсервировать тепло солнечного света, а затем «откупорить» его, когда потребуется. Это звучит нереалистично, но нашлись ученые, которые всё-таки разработали рабочее решение, причем, по их мнению, оно имеет вполне реальный потенциал.

Команда, возглавляемая доктором Дхандапани Венкатараманом, химиком из Массачусетского университета, создала новый полимер, который имеет уникальную эффективность поглощения и высвобождения тепла. Материал получил название AzoPMA и, по словам ученых, является ключом к разработке высокоэффективной «тепловой батареи», которая могла бы сделать для солнечной энергетики то, что высокопроизводительные аккумуляторы сделали для смартфонов Apple или электромобилей Tesla.

Как заявляют исследователи, AzoPMA способен сохранять в 100 раз больше тепловой энергии, чем вода. В его основе лежит азобензоловый полиметакрилат, который может удерживать очень много тепловой энергии, так как его молекулы способны переключается между двумя конформациями (формами, пространственным расположением атомов) в зависимости от температуры. Когда материал нагревается, молекулы внутри принимают высокоэнергетическую форму, которая эффективна при хранении тепловой энергии. Когда он охлаждается, молекулы возвращаются в свою низкоэнергетическую форму, при этом выделяя тепловую энергию по мере необходимости.

В тоже время доктор Массачусетского технологического института (MIT) Джеффри Гроссман добился впечатляющего прогресса с тепловым аккумулятором другого типа. Ученый создал соединение из жиров, которое плавится при нагревании, но, контринтуитивно, не твердеет, когда охлаждается. Вещество остается расплавленным до момента активации, осуществляемым синим светодиодом. Только после этого оно затвердевает, высвобождая сохраненное тепло.

Солнечные тепловые батареи уже находят свои применения в стремительно развивающемся мире.

Так, индийский промышленный конгломерат Tata финансирует разработку солнечных тепловых устройств, которые придут на смену сельским печам, сжигающим древесину, хворост или навоз. Пары из таких печей представляют серьезную угрозу для здоровья. Предполагается, что два литра нового аккумулирующего тепло материала будут обеспечивать час бесплатной кулинарии каждый день.

«Или представьте, когда вы идете в поход, вы заряжаете молекулы во время движения, а затем высвобождаете тепло, чтобы приготовить обед», — говорит Венкатараман. В то же время коллега из MIT предлагает включать тепловые аккумуляторы в текстильные волокна, обеспечивая одежду возможностью собирать тепло в течение дня, а затем использовать его в вечернее время.

Термальные батареи также могут быть объединены в большие хранилища для обогрева домов или целых кварталов, а также использоваться в виде покрытий на дорогах и крышах, где они могут быстро растопить снег после зимней непогоды – совершенно не используя при этом электричество.

«Тепловые батареи сегодня находятся там, где электрические батареи были столетие назад, — говорит Гроссман. — У них захватывающие перспективы, которые мы только начинаем понимать».

Читайте также: Песок может стать ключевым компонентом устройств хранения энергии для ВИЭ

Источник: nbcnews.com

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Энергия солнца — это… Что такое Энергия солнца?

Получение энергии с помощью фотоэлементов

Прачечная, использующая для работы солнечную энергию

Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов^[1].

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Отдельные лица и организации также используют её из идеологических соображений (энвайронментализм), эксплуатируя экологическую безвредность распределённой ^[2] солнечной энергетики. См., например, «Глобальный фонд солнечной энергии», инициированный «Зелёным крестом» Михаила Горбачёва^[3].

20 ноября 1980, Стив Птачек совершает полет на самолёте, питающемся только солнечной энергией.

Земные условия

Карта солнечного излучения

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения — антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
гелиотермальная энергетика — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Солнечные батареи на крыше здания Академии наук России

Достоинства солнечной энергетики

Общедоступность и неисчерпаемость источника.
Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечной энергетики

1. Фундаментальные проблемы

Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, это недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

2. 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. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).
Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.
Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

3. 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.

В последнее время начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Из-за низкого содержания кремния тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.

Типы фотоэлектрических элементов

Монокристаллические кремниевые
Поликристаллические кремниевые
Тонкоплёночные

В 2006 г. тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2005 г. на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2007 г. доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %.

За период с 1999 г. по 2006 г. поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем в 2005 г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на на 16 % больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).

К 2005 году суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд $.

Ввод в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия — 57 %; Япония — 20 %; США — 7 %; остальной мир — 16 %. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004 г.): Германия — 39 %; Япония — 30 %; США — 9 %; остальной мир — 22 %.

Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. в 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26 %.

В 2006 г. десять крупнейших производителей произвели 74 % фотоэлементов, в том числе:

Sharp Solar — 22 %;
Q-Cells — 12 %;
Kyocera — 9 %;
Suntech — 8 %;
Sanyo — 6 %;
Mitsubishi Electric — 6 %;
Schott Solar — 5 %;
Motech — 5 %;
BP Solar — 4 %;
SunPower Corporation — 3 %.

К 2010 г. установленная мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2—3,9 ГВт, а выручка производителей составит 18,6—23,1 млрд $/год.

Когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20—30 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.)

Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.
Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40—50 % состоит из стоимости кремния.

Освещение зданий

Солнечная термальная энергетика

В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

Солнечная кухня

Солнечная жаровня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства «солнечной кухни» составляет $3 – $7. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10%. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн. тонн СО₂. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг. дров.

Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО₂ на 1,7 млн. тонн в 2008-2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная башня, Калифорния.

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг. в год (около 10,4 кг. в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт Helios с фотоэлементами на крыльях

См. также

Источники

↑ Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008).
↑ Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт 15.12.2005
↑ Михаил Горбачёв. Интервью газете «The Financial Times» 17.04.2006

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Концентрационные (гелиотермальные) технологии солнечной энергетики — CSP/STE

Технологии концентрирования солнечной энергии (CSP — Concentrated Solar Power), другое название — cолнечное тепловое электричество (STE — Solar Thermal Electricity), или гелиотермальные технологии, основаны на использовании не световой силы солнечного света, а его температуры.

Элементы систем, работающих с применением таких технологий, концентрируют тепловую энергию, что позволяет вырабатывать пар, который затем двигает классическую систему турбины и электрогенератора. Подобные системы могут работать без остановки в любое время дня, даже при отсутствии солнца, потому как часть энергии может в течение определенного времени сохраняться в специальном термальном хранилище и постепенно использоваться для производства энергии. Концентрационные солнечные электростанции не причиняют вреда окружающей среде и достаточно надежны, чтобы удовлетворить растущую потребность в электроэнергии по всему миру.

История технологий концентрации солнечной энергии

История термальных солнечных электростанций насчитывает уже более 100 лет. В 1890 году был изобретен паровой двигатель, работающий от коллектора, концентрирующего солнечную энергию. В 1912 году в Египте была построена первая в мире гелиотермальная электростанция мощностью 45 кВт, использовавшая вогнутые параболические коллекторы.

В конце 1970-х годов начались масштабные исследования в области концентрационных гелиотермальных технологий на основе раннее созданных вогнутых параболических коллекторов. К концу 1980-х гг. начался ввод этих технологий в коммерческую эксплуатацию. С тех пор, по мере продолжающихся исследований и изобретения новых материалов, технологии все больше совершенствуются, в ряде индустриально развитых стран (США, Япония, Испания, Италия) были построены пилотные проекты гелиотермальных станций. Компании Luz International Limited удалось совершить значительный прорыв в разработке и применении CSP технологий на ее солнечных электростациях SEGS, построенных между 1984 и 1991 годами. Это были одни из первых солнечных электростанций, разработанных, построенных, финансируемых и работающих на коммерческой основе. Электростанции SEGS, расположенные в пустыне Мохаве в Калифорнии, до сих пор успешно работают и ежегодно поставляют примерно 354 мВт энергии в энергетическую сеть штата. Этот проект и поныне является самым упоминаемым, когда речь заходит о данном типе технологий.

В настоящее время мир переживает настоящий бум проектов, основанных на гелиотермальных технологиях: по оценкам на первую половину 2010-х гг. уже строится более 5000 мВт мощностей, большая их часть в США и Испании. Лидеры на рынке концентрационной солнечной энергетики — это США, Испания и Германия. Существует три основных типа технологий CSP для строительства электростанций:

технология центральной башни-ресивера
технология вогнутых параболических коллекторов
солнечные генераторы на двигателях

Технология центральной башни-ресивера

Технология центральной башни-ресивера

Электростанции с центральной башней-ресивером состоят из множества рядов гелиостатов, окружающих центральную башню высотой более 100 метров. Жидкая субстанция, протекающая через башню, концентрирует в себе тепловую энергию солнечного света, с помощью нее затем генерируется пар, который вращает турбину, вырабатывающую электричество.

Более подробно и наглядно принцип работы системы с центральной башней-ресивером описан на странице гелиотермальной станции Gemasolar (Испания).

Технология вогнутых параболических коллекторов

Вогнутые параболические коллекторы

Системы, построенные с применением технологии вогнутых параболических коллекторов (или цилиндрических параболических коллекторов, CPC), состоят из множества отражателей с волнистой поверхностью с параболической секцией. В их центральной части расположена туба-абсорбер, по которой течет жидкость (синтетическое термомасло), поглощающая тепловую энергию солнечного света. Эта тепловая энергия, переносимая раскаленным маслом, затем используется для испарения воды и генерации пара, которые вращает турбину, вследствие чего вырабатывается электричество.

В данный момент электростанции, построенные с использованием этой технологии, показывают большую производительность, чем другие CSP-электростанции, и их сравнительно больше по всему миру. Эта технология в различных формах используется уже два десятилетия, включая девять электростанции в Калифорнии; за это время было выработано более 12 миллиардов кВт энергии. Энергоэффективность ее по статистике составляет более 14% (чистый объем производства к количеству полученного солнечного света).

Более подробно и наглядно принцип работы системы, работающей с использованием вогнутых параболических коллекторов, описан на странице гелиотермальных станций Valle 1 и Valle 2 (Испания).

Термохранилище

И та и другая описанные технологии работают совместно с системой промежуточного хранения тепловой энергии (термохранилище), что позволяет электростанции вырабатывать энергию стабильно, избегая пиков и провалов, а также дает ей возможность работать в течение определенного периода без поступления солнечного света, на внутреннем резерве.

Организации, работающие в сфере гелиотермальной энергетики

Компании, работающие в сфере гелиотермальной энергетики

Проекты в сфере гелиотермальной энергетики

Abengoa Mojave Solar (Абенгоа Мохаве Солар) — солнечная электростанция (CSP) — 250 МВт, США, 2014
Ashalim (Ашалим) — солнечная электростанция (CSP, PV) — 300 МВт, Израиль, 2017-18
Bokpoort (Бокпоорт) — солнечная электростанция (CSP) — 55 МВт, ЮАР, 2016
Gemasolar (Гемасолар) — солнечная электростанция (CSP) — 20 МВт, Испания, 2011
Ilanga (Karoshoek Solar Valley) — солнечная электростанция (CSP) — 100 МВт, ЮАР, 2018
Kathu (Кату) — солнечная электростанция (CSP) — 100 МВт, ЮАР, 2019
Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park (Солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашид аль-Мактума) — солнечная электростанция — 5 ГВт, ОАЭ, 2030
Noor (Нур) — солнечные электростанции (CSP, PV) — Марокко, 2020
SEGS (СЭГС) — солнечные электростанции (CSP) — 354 МВт, США, 1984-90
Shams 1 (Шамс-1) — солнечная электростанция (CSP) — 100 МВт, ОАЭ, 2013
Valle 1, Valle 2 (Валье 1 и 2) — тестовые солнечные электростанции (CSP) — 100 мВт, Испания, 2012

Трекеры — системы ориентации солнечных батарей

Фотогальваническая энергия: во главе шеренги

Фотогальваническая энергетика, действительно, по праву возглавляет список новых источников — это визитная карточка Японии на мировом рынке альтернативной энергетики.

Обычно перечисление альтернативных источников энергии не начинают с мудреного слова «фотогальваника». Но поскольку эта область выбилась в лидеры, это только закономерно. На самом деле, мудреного здесь ничего нет — фотогальваническая энергия производится из солнечного света.

Фотогальванические элементы позволяют преобразовывать солнечный свет непосредственно в электрическую энергию.

Фотогальваническая система состоит из модуля (ячейки, генерирующие энергию) и прилагающейся системы компонентов. Большинство фотогальванических систем представлено в виде плоских тарелок, в которых свет немедленно поступает в модуль. Другой вид — фотогальванические концентраторы — с помощью оптической системы улавливают свет и передают его в небольшую по площади и высокоэффективную солнечную ячейку.

Япония занимает лидирующие позиции в мире по установленным мощностям фотогальванических систем (38,4% от мировых, второе место после Германии). Ресурсный потенциал в Японии оценивается в 8,5 млрд. Кл в нефтяном эквиваленте.

Фотогальваника рассматривается как наиболее перспективный альтернативный источник в Японии, и правительство выделяет большую часть бюджета на развитие этой области энергетики, что включает и внедрение фотоэлектрических систем в быт, и новейшие исследования, и введение в промышленное использование. Фотоэлектрические системы позволяют получать энергию в течение длительного времени с небольшими расходами на поддержание, поэтому для потребителя, не желающего зависеть от сетевого электричества, это может оказаться выгодным решением. Установив один раз такую систему, несмотря на ее высокую стоимость, теоретически, домашнее хозяйство приобретает источник энергии, который зависит исключительно от солнечного света. Несмотря на поддержку правительства и развитость этой отрасли в Японии по сравнению с другими странами, доля фотогальванической энергии во всей альтернативной энергетике крайне мала: из 1,1 трлн. КВтч электроэнергии, полученной в 2005 году, фотогальваническая энергия не составила и десятой доли процента.

Все же фотогальваническая система — дорогое удовольствие. Цены на установки имеют тенденцию к снижению, однако все же остаются высокими: в 2004 году цена установки составляла около 6 тыс. долларов на КВт энергии, а цена производства для домашних установок была в 3 раза выше цен на коммунальные услуги (около 60 центов на КВтч) и в 5 раз выше для крупных систем. Поэтому правительство субсидирует установку фотогальванических систем, и, кроме того, излишки энергии могут быть проданы поставщикам коммунальных услуг.

Фотогальваническая энергия имеет свои ограничения: большие суточные и сезонные колебания, низкая плотность энергии и низкая эффективность преобразования энергии.

Еще один момент: из-за небольших размеров крыш не каждый японец может беспрепятственно установить себе такую систему.

Солнечная термальная энергия: красиво, но не слишком выгодно

В 2006 году Япония занимала 4 место в мире по количеству установленных тепловых солнечных систем.

Потенциал солнечной энергии оценивается в 32,42 млн. Кл, причем Япония находится в зоне распределения солнечных лучей на втором по интенсивности уровне.

Солнечные коллекторы применяются для отопления домашних хозяйств, больниц, горячего водоснабжения, производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется теплая и горячая вода, проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые, таким образом, имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Новые технологии в области солнечной тепловой энергии включают солнечные тепловые системы, интегрированные в крыши домов, а также гибридные сочетания солнечных термальных и фотоэлектрических.

Стоимость производства сравнительно невысока: около 60 иен на Кл в 2004 году (20-24 цента на КВт, начальные вложения от 3 до 7 тыс. долларов), но стоимость после падения в 90-х гг. до 20 иен в 2004 году снова вернулась на уровень 1975 года, поэтому на данный момент выгоднее использовать традиционные источники.

Энергия ветра: огромные турбины и большие планы

Конечно, нельзя забывать об энергии ветра. Кто бывал в Японии, должен был видеть множество ветряных мельниц на побережье. Как же обстоят дела в этой области?

Хотя установленные мощности составляли в 2005 году всего 1,9% от общемировых, они увеличиваются с каждым годом. Однако по установленным мощностям Японию отстает от США и Европы.

Одна седьмая часть территории Японии находится в зоне ветра со скоростью более 6 м/с — минимальной скоростью, необходимой для производства энергии. Если застроить все территории с необходимыми условиями турбинами, то установленные мощности будут составлять 25 миллионов КВт, что составит 20% от потребляемой энергии.

Как источник электричества ветер занимает незначительную долю в возобновляемых ресурсах: всего 0,2%.

Развитие ветряной энергетики активно поддерживается правительством, и ветер входит в состав источников, разрешенных законом RPS (Renewable Portfolio Standards Law).

Ветрогенераторы могут использоваться как в быту, так и в промышленности, как отдельно, так и в сочетании с другими источниками энергии как дополнительный источник, и это наиболее распространенный вариант в Японии из-за зависимости от условий ветра.

Энергия ветра с точки зрения затрат среди возобновляемых источников энергии ближе всего к коммерческому производству. Стоимость оншорной установки составляет около 1000 долларов США на КВт мощности, а стоимость производства — от 5 до 12 центов на КВтч в зависимости от расположения турбины, что в 1,4-2 раза выше стоимости коммунального электричества. Стоимость оффшорной установки выше примерно на 40%, но это окупается более высокой производительностью.

Однако все не так просто. Ветровые турбины в Японии подвержены ущербу при стихийных бедствиях. Например, в 2003 году исключительно сильный тайфун, налетевший на остров Мияко, повредил 7 ветряных турбин: у трех были повреждены лопасти, еще у трех — основа и у одной — покрытие.

К тому же, для турбин необходимо специфическое расположение и определенные условия ветра, что создает ограничения для развития этой области. Также ветряные турбины занимают обширные территории, что ограничивает установку оншорных турбин. Что же касается оффшорных турбин, то здесь пространство неограниченно, но установка таких турбин дороже.

Кроме того, ветер дует не круглые сутки, и этот момент мешает воспринимать ветер как основной источник энергии.

Поскольку ветровые турбины создают шумовое загрязнение и опасность для птиц, в Японии проводятся разработки технологий для снижения шума и создания турбин, не представляющих подобной опасности.

Гидроэнергетика: новые веяния

Гидроэнергетика — традиционная отрасль в энергетике Японии. Однако и здесь, как оказалось, есть место альтернативе.

Крупная гидроэнергетика — это один из основных источников электроэнергии в Японии (около 20% всех производственных мощностей), и он не является альтернативным, в отличие от малой гидроэнергетики, которая появилась сравнительно недавно и привлекает инвестиции. Крупные гидроэлектростанции в Японии уже разработаны, поэтому перспектив для развития в этом направлении практически не осталось, и начальные инвестиции растут, чего нельзя сказать о малой и средней гидроэнергетике, где стоимость установки пока высока, но будет понижаться по мере развития отрасли. Поэтому в данные момент происходит продвижение разработок вглубь страны, где множество рек и ручьев.

По установленным мощностям гидроэнергетики Япония занимает передовые позиции после таких стран, как США, Канада, Норвегия.

В Японии уже 65% гидроэнергетических ресурсов были разработаны. Оставшиеся 35% могут обеспечить около 12 000 МВт. В 2004 году установленные мощности малой гидроэнергетики составляли 3,5 ГВт.

Электроэнергия, полученная на ГЭС, используется в промышленном секторе и в домашних хозяйствах.

Стоимость производства КВт энергии — 2-6 центов, а начальный капитал — 4-5 тыс. долларов.

Затраты на разработку малых ГЭС пока высоки, поэтому потребуется разработка и внедрение новых технологий для снижения издержек. Также необходимо усилить меры финансовой поддержки и добиться взаимопонимания с населением, поскольку согласование и сотрудничество с местными властями и организациями имеет важное значение для гидроэнергетики.

Морские волны: богатый потенциал и слабые усилия

Этой области одно время придавалось большое значение в Японии, с 80-х гг. разрабатывался механизм переработки энергии волн в открытом море. Однако сейчас энергетика волн находится в тени.

Средняя энергия волны составляет 6-7 КВтч, а потенциал всех вод вокруг Японии оценивается в 31-36 ГВт. Наилучшие места для получения волновой энергии — это узкие проливы между островами.

В материалах японской организации NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) энергетика морских волн значится как недостаточно развитая область, этот вид энергии используется лишь в очень малых масштабах: около 300 буев, маяков и другое оборудование получают питание от электрогенерирующих установок.

Волноэнергетические установки используются для питания электроэнергией маяков, буев, сигнальных морских огней, стационарных океанологических приборов, расположенных далеко от берега, и т.п. Начальные инвестиции составляют 3-4 тыс. долларов, цена производства — 9-12 центов на КВт.

Об энергетике морских волн в Японии можно сказать, что при огромном потенциале она недостаточно развита.

Энергия биомассы: конкурент фотоэлектричеству

Если судить по поддержке правительства, то энергетика биомассы только немного уступает фотогальванической энергетике.

Поскольку Япония находится в зоне муссонного климата с умеренными климатическими условиями, она обладает значительными запасами биомассы. Ежегодное производство органических отходов и неиспользованной биомассы оценивается в 62 млн. тонн сухого вещества или 29,9 млн. Кл нефтяного эквивалента.

Энергия биомассы составляет только 0,8 % от общего производства энергии, что мало по сравнению с другими странами (в Канаде — 4,4%), но поскольку развитие производства получает активную поддержку правительства и обладает огромным потенциалом, процент увеличивается с каждым годом.

Установленные мощности на 2005 год составляли менее 300 МВт, произведено было 533,2 млн. тонн нефтяного эквивалента.

Активно поддерживается правительством, например, организуются так называемые «города биомассы». Кроме того, в планах NEDO за последний период сказано о пересмотре приоритетов и переходе от фотоэлектрической энергии к энергии биомассы.

Метан, получаемый из органических отходов, используется для производства электроэнергии. Кроме того, метан, извлеченный из сточных вод, применяется для городского газа.

Затраты на установку и транспортировку высоки (около 3000 долларов на установку), стоимость производства электричества составляет 1-6 центов на КВтч, а производство тепла — 3-12 центов на КВтч. Если сравнивать с традиционными источниками, то, по последней статистике NEDO, производство МДж энергии из биомассы стоит 0,88 иены, а из природного газа — 0,62, то есть энергетика биомассы пока остается более затратной.

В Японии получение биомассы ограничено по сравнению с другими странами, обладающими значительными лесными массивами, поскольку гористый рельеф не позволяет собирать большие объемы дерева. Однако потенциал биомассы и без лесных, или неиспользованных, ресурсов в Японии огромен за счет отходов сельского хозяйства и другой неиспользованной биомассы.

Биотопливо: вклад сельского хозяйства в энергетику

От биомассы мы перейдем к не менее животрепещущей теме: биотопливу и биодизелю, которые взволновали весь мир в связи с повышением цен на продовольствие и тенденцией фермеров использовать сельскохозяйственные культуры для получения топлива. Каковы же позиции Японии?

В Японии растительная биомасса для биотоплива выращивается в небольших масштабах, большая часть импортируется. Собственное производство составляет только 29,7 Кл в год. Это связано и с размерами территории, которые не позволяют крупномасштабного производства биоэтанола за счет собственных ресурсов, и с неблагоприятной ситуацией в сельском хозяйстве, для поддержания которого необходимы государственные субсидии. Поэтому собственное производство этанола из растительной биомассы будет связано с расходами, которые не окупятся выгодами перехода от бензина на биотопливо. Производством биоэтанола из отходов лесной промышленности и строительных материалов стоит 2000 иен за литр и обходится гораздо дороже углеводородного топлива. При этом производство из сахарного тростника стоит 140 иен за литр, поэтому из 10 заводов по производству биоэтанола два перерабатывают сахарный тростник (который выращивается на островах Окинава), один — строительные отходы, а остальные — сырье из других стран. В этом биотопливо отличается от таких альтернативных источников, как энергия солнца или воды, которые требуют лишь начальных издержек, а производство энергии обходится значительно дешевле и происходит за счет сил природы. Производство биотоплива требует не только затрат на оборудование, но и постоянных затрат на выращивание необходимых культур, и на их переработку в биотопливо. Производство из строительных материалов не требует специального выращивания, но стоит дороже из-за недостатка технологий. С развитием технологий ожидается сокращение издержек, но в данный момент для производителей углеводородное топливо экономически выгоднее, а для потребителей биотопливо может быть выгодно только за счет субсидий.

Биоэтанол в чистом виде не используется, но входит в состав биотоплива (3% биоэтанола и бензин), что позволяет сократить выбросы углекислого газа.

Сжигание мусора: двойная польза

Япония занимает передовые позиции в переработке отходов для получения энергии наряду с США и Германией (по установленным мощностям страна в 2001 году занимала второе место после США, а Германия занимала третье).

В Японии получение энергии сжиганием мусора имеет наибольшие установленные мощности из новых источников альтернативной энергии. В 2003 году в Японии было 1349 МВт установленных мощностей по переработке промышленных отходов и 205 МВт — по переработке бытовых отходов. В том же году было произведено 6,89 млрд. КВтч энергии из бытовых отходов и всего лишь 1,48 млрд. КВтч из промышленных, то есть, несмотря на большие мощности, энергии из промышленных отходов производится меньше. Это можно объяснить тем, что большая часть муниципальных отходов (70%) является сгораемой, что облегчает процесс производства энергии, в отличие от промышленных отходов, многие из которых трудно перерабатываемы. Разрабатываются системы для получения RDF (Refuse-derived Fuel) и другие технологии, повышающие эффективность сжигания мусора. В результате, если ранее эффективность производства не превышала 10%, сейчас установки в 130 местах работают с эффективностью более 10%, а в 56 — с эффективностью более 15%.

Начальные капиталовложения составляют от 900 до 2500 долларов на КВт и 9-11 центов — цена производства для установок малого масштаба, а для более крупных установок эти цифры составляют, соответственно, от 2600 до 3000 долларов и 11-12 центов, что в 1,25-1,5 раз больше стоимости традиционной электроэнергии.

Низкие температуры горения при сжигании мусора стало серьезной проблемой из-за выбросов диоксина, причем 90% от общего объема выбросов диоксина составляют выбросы от сжигания отходов. В связи с этим японское правительство установило контроль над выбросами диоксина, чтобы сократить их примерно на 90% с 1997 года в течение четырех лет. Это требует внедрения высокотемпературных мусоросжигательных установок и повышения эффективности сжигания мусора.

Геотермальная энергетика: поиск свежих идей

Геотермальная энергетика — это еще одна традиционная отрасль в Японии, однако рассматривается как новая и альтернативная в правительственных источниках.

Япония является шестой в мире по произведенной энергии в этой области в 2005 году. Потенциал геотермальной энергетики в Японии оценивается в 56 млн. Кл.

Геотермальная энергетика обеспечивает 0,2% потребности страны в электроэнергии. В Японии 4 геотермальных поля из мировых 37 (10,8%) и множество подземных горячих источников, а также вулканов, но производство энергии ограничено только этими точками.

Количество геотермальных установок в Японии после второго нефтяного шока резко возросло, но в данный момент в связи с высокими затратами, недостаточным финансированием и отсутствие действенных регулятивных мер разработки не продвигаются. В Японии в 18 точках установлена 21 система с мощностью около 540 МВт.

Дерегуляция рынка электроэнергии в Японии началась с 2000 года, что заставило электроэнергетические компании сменить ориентиры и инвестировать в создание новых электростанций. Кроме того, NEDO резко сократила финансирование геотермальной энергетики. Однако с введением закона RPS об обязательном использовании новых видов энергии геотермальная энергия стала более привлекательной для инвесторов, хотя только бинарные системы рассматриваются как удовлетворяющие требованиям закона RPS.

В настоящее время рассматривается как наиболее перспективная малая геотермальная энергетика: организация NEDO развивает деятельность в этой области.

В 2004 году была установлена геотермальная станция в Хаттёбару (Кюсю) мощностью 2 Мвт: первая бинарная геотермальная станция в Японии.

Геотермальная энергия применятся в Японии для отопления и обеспечения электроэнергией школ, больниц и других общественных учреждений. Недавно было начато производство геотермальных обогревателей, но в этом Япония сильно отстает от США и Европы.

Стоимость производства энергии — около 16 центов на КВтч, начальные инвестиции — от 900 до 3000 долларов США.

Нетронутые источники: энергия по крупицам

Ресурсный потенциал так называемых неиспользуемых или нетронутых источников энергии, в том числе преобразования тепловой энергии с использованием морской воды, речной воды, а также отходов, тепла от сжигания мусора, оценивается в 3,4 млрд. литров нефтяного эквивалента. По некоторым оценкам, энергия льда может составлять 0,5 млн. Кл.

До сих пор было 37 планов и программ, направленных на использование такой энергии. В последнее время термальная энергия льда была включена в список нетронутых источников, и на нее приходится большая часть энергии, получаемой из нетронутых источников на данный момент.

В 2004 году из нетронутых источников было произведено 46 тыс. Кл нефтяного эквивалента энергии, и 72 тонны нефтяного эквивалента из снега и льда. Эта часть альтернативной энергетики начала разрабатываться только недавно и не предполагает производства энергии в крупных масштабах, поэтому в общем запасе энергии доля нетронутых источников незначительна.

Энергия нетронутых источников энергии применяется в быту, для отопления и охлаждения домов и общественных учреждений. На Хоккайдо и в Тохоку, где выпадает много снега, снег используется для хранения сельскохозяйственной продукции в летний период на протяжении многих лет. Некоторые местные органы власти разрабатывают технологии с использованием льда и снега для охлаждения воздуха в летний период.

Стоимость производства составляет в среднем 7-11 центов на МДж, что равно 26-40 центов на КВтч и в 1,1 раз больше стоимости традиционной тепловой энергии.

Начальные инвестиции зависит от вида нетронутого источника, но, в целом, они примерно в 2 раза выше начальных вложений в традиционную электроэнергетику, причем отопление и охлаждение больниц и заводов обходится дороже всего.

* * *

Теперь, когда мы получили более или менее подробную картину на сегодняшний день, подумаем о самом интересном: может ли новая энергетика составить реальную альтернативу традиционной? Ведь именно это является целью японского правительства. Попробуем по порядку оценить реальные возможности.

Фотогальванические элементы, в основном, устанавливаются на крышах домов. В последнее время появились системы в 5КВт, но, в основном, потребность одного домашнего хозяйства в энергии удовлетворяет система в 3 КВт. Установленные мощности фотоэлектричества в 1420 МВт при расчете на систему в 3КВт могут обеспечить электроэнергией лишь 473 тыс. домашних хозяйств, а для обеспечения всех хозяйств требуются мощности в 16,6 млн. МВт, то есть в 11690 раз больше. Поскольку всего в Японии 50,3 млн. домашних хозяйств, то, даже если устанавливать по 50 систем каждый день, потребуется более 200 лет. При этом одна система стоит 18-20 тыс. долларов, и далеко не все смогут это себе позволить, даже при субсидиях правительства. Фотогальванический элемент на крыше пока остается роскошью.

Что касается термальной солнечной энергетики, то 0,6 Кл нефтяного эквивалента произведенной в 2004 году энергии — это всего 23 ГДж, что не составляет и сотой доли процента от общего потребления энергетики. Солнечные термальные системы также используются в малых масштабах для обеспечения части необходимой в быту энергии, но говорить о полном переходе на солнечную энергетику не приходится.

С ветровой энергетикой возникают другие проблемы: занимаемая площадь и зависимость от условий ветра. При этом цена установки значительно ниже фотогальванического элемента, но, во-первых, далеко не каждый захочет установить у себя во дворе ветряк, во-вторых, не в каждом дворе нужные условия ветра, а в-третьих, для удовлетворения потребности всех домашних хозяйств необходимо около миллиона турбин.

Ветер может найти применение в крупномасштабном производстве энергии, но не как основной источник, учитывая, что потребность промышленного сектора в энергии в 2005 году установленные мощности ветроэнергетики могли удовлетворить лишь на 0,2-0,3%. Однако поскольку 10% энергии, используемой промышленностью, обеспечивает новая энергетика, ветровая энергетика может сделать вклад как дополняющий источник, тем более что турбины могут быть эффективно использованы совместно с традиционными или новыми источниками энергии.

Также велики перспективы оффшорной энергетики, поскольку здесь нет ограничения площади, но эта область еще недостаточно развита, и рано говорить о реальной альтернативе, а можно предположить, что в ближайшее время оффшорная энергетика, как и оншорная, будет делать свой небольшой вклад в производство энергии, не внося кардинальных изменений в картину энергетического баланса.

Малая и средняя гидроэнергетика может внести существенный вклад в энергообеспечение за счет установленных мощностей (3,5 ГВт), но настоящей альтернативой крупной гидроэнергетике с установленными мощностями 46 МВт она вряд ли сможет стать. Однако за счет продвижения разработок вглубь страны можно ожидать развитие источников в регионах и тем самым обеспечение энергией некоторых населенных пунктов за счет местных гидроэнергетических ресурсов.

Энергия биомассы и переработка мусора обладают огромным потенциалом практически без ограничений, поскольку установки для переработки отходов и получения энергии из биомассы занимают не так много места, а ресурс всегда в наличии. Установленные мощности на данный момент (1600 МВт для переработки отходов и около 300 МВт — для биомассы) производят около 2,52 млн. Кл. энергии в год и составляют 27% от собственных запасов энергии. Поэтому если об использовании биомассы и отходов как основного источника энергии говорить рано, то из новых источников они с наибольшей вероятностью могут составить альтернативу в будущем.

На транспортный сектор в Японии приходится около 20% общего потребления (23,7% в 2005 г.). Если в потребление топлива транспортным сектором ввести 3% биоэтанола (то есть перевести автомобили на биотопливо), то выбросы углекислого газа, по оценкам Института энергетической экономики Японии, будут сокращаться на 2% в год, что является значительным сокращением выбросов.

Такой план реален, и, как было отмечено выше, перевод автомобилей на биотопливо активно проводится, начиная с острова Мияко (Окинава), где выращивается сахарный тростник.

Однако говорить о полном переходе на биотопливо за счет собственных ресурсов не приходится. Собственное производство биоэтанола не составляет и сотой доли процента от потребления, и, хотя разрабатываются другие источники (например, морские водоросли), бóльшая часть биотоплива импортируется, и эта тенденция будет развиваться и впредь, учитывая активное сотрудничество со странами-экспортерами биоэтанола и сырья для его производства.

Геотермальный источник, в отличие от других альтернативных источников, может использоваться в более крупных масштабах: он может обеспечивать энергией целые деревни. При этом в случае геотермальной энергии вопрос не в количестве установок, а в месторасположении. Поскольку обеспечение геотермальной энергией может происходить только в отдельных местах, полный переход на геотермальную энергетику трудно себе представить, но предполагается дальнейшее развитие технологий для повышения эффективности производства энергии.

Перспективным можно назвать совместное использование геотермальных источников, ветряных турбин и солнечных нагревательных элементов для обеспечения энергией домашних хозяйств. При этом расходы делятся между населением, и установка одной ветровой турбины в 20 КВт на несколько домов является более целесообразной, чем использование небольших систем в 3 КВт в каждом дворе.

Энергия волн и нетронутые источники пока невозможно рассматривать как альтернативные из-за малых масштабов, и термальная энергия снега в перспективе будет продолжать обеспечивать небольшую часть потребности в тепле и холоде домашних хозяйств в районах с обильными снегопадами. Что касается энергии разницы температур или остаточного тепла заводов, то в некоторых источниках эти виды оцениваются в долгосрочной перспективе как наиболее обещающие, но, пока энергия производится в столь малых объемах, она остается «сверх нормы» и все зависит от дальнейшего развития технологий и сокращения издержек.

Волновая энергетика потенциально может обеспечить около 10% энергопотребления, но пока недостаточно развита для того, чтобы играть заметную роль даже в отдельно взятой альтернативной энергетике. Кроме того, волновая турбина из-за перепадов мощности может работать только совместно с другими электростанциями, что не позволяет говорить о самостоятельности источника. Однако при развитии этой области возможны значительные сдвиги в проценте самообеспеченности Японии энергией

Мы приближаемся к выводу, что альтернативные источники энергии вряд ли могут фигурировать как основа энергетики в Японии, хотя доля в первичных запасах будет увеличиваться. На современном этапе они являются удачным, хотя и порой дорогостоящим дополнением к традиционным источникам, с которыми конкурировать пока трудно.

Именно такой официальный статус имеет новая энергетика в Японии в настоящее время:

«Новая энергия позиционируется как дополнительная, но правительство развивает долгосрочную политику, обращая внимание на энергобезопасность, и ставя целью разработку технологий для сокращения издержек, обеспечения стабильности поставок энергии, повышение эффективности за счет сотрудничества бизнеса и науки, чтобы энергетические ресурсы могли расправить крылья», — заявляет правительство.

Однако даже воспринимая альтернативные источники как дополнение, нельзя не учитывать их роль в улучшении экологии, развитии энергосберегающих технологий, экономии ресурсов и т.д., как в целом, так и для отдельных источников, позиции и перспективы которых неодинаковы.

Альтернативная энергетика является важной, хотя и небольшой частью энергетического комплекса Японии, и в связи с современными энергетическими проблемами существует необходимость развития этой сферы энергетики. Кроме того, Япония обладает богатым ресурсным потенциалом и необходимой инфраструктурой для развития новой энергетики. Однако выполнить свое главное предназначение, то есть составить реальную альтернативу углеводородным ресурсам новая энергетика на данном этапе не в состоянии, и вряд ли это будет возможно в ближайшем будущем. Говоря о том, является ли альтернативная энергия заменой нефти или ненужной роскошью, мы не будем вставать на крайние позиции, поскольку в случае Японии альтернативную энергетику можно назвать полезным дополнением. Развитие альтернативной энергетики способствует сокращению зависимости от нефти и сокращению выбросов, что очень существенно для Японии, но рассматривать ее представляется правильным именно в контексте дополняющего элемента, иными словами, не роскоши, но и не основы.

Альтернативные источники будут развиваться и далее, и их доля в потреблении будет увеличиваться. Что же касается роли в энергетическом комплексе, то, учитывая последние тенденции, альтернативные источники энергии будут иметь все большее значение не для страны в целом, а для отдельных потребителей и домашних хозяйств, то есть способствовать, скорее, сокращению зависимости населения от электроэнергетических компаний, чем зависимости Японии от нефти, и тем самым вносить свой вклад в развитие экономики страны.

www.info-japan.ru

Солнечная тепловая энергия — обзор

4.1.5.4 Преобразование солнечной тепловой энергии

В прошлом солнечная тепловая энергия использовалась для отопления помещений и нагрева воды. Были разработаны дополнительные солнечные тепловые приложения, которые включают охлаждение, кондиционирование воздуха, сушку сельскохозяйственных культур, технологическое тепло для промышленности и производство электроэнергии. Солнечные коллекторы делятся на множество категорий в зависимости от геометрии [38]. Солнечный коллектор состоит из поглотителя, изоляции, уловителя и теплоносителя.

1.: Поглотитель: Поглотитель состоит из теплопроводящей темной поверхности.
2.: Изоляция: Изоляция снижает потери тепла там, где она размещена.
3.: Ловушка: Ловушка позволяет пропускать коротковолновое излучение, но блокирует длинноволновое.
4.: Теплоноситель: такие среды, как воздух, вода или масло, передают солнечное тепло полезной работе.

Солнечное излучение концентрируется на поглотителе с помощью отражателей. Современные солнечные коллекторы способны обеспечивать температуру в диапазоне 1000 ° C и даже выше. Желаемая температура и экономичность использования солнечной тепловой энергии зависят от конструкции и выбора режима работы. Некоторые типы солнечных тепловых коллекторов приведены в таблице 4 в зависимости от диапазона их температур.

Иллюстративный пример 12

Массовый расход изобутана в замкнутом цикле PTSC составляет 25 кг / с, как показано на рис.26. Therminol VP-1 выходит из параболических желобов солнечных коллекторов на 202, затем поступает в солнечный теплообменник при 320 ° C и выходит при 70 ° C после нагрева изобутана до 239,4 ° C. Вода при атмосферном давлении поступает в конденсатор при температуре 25 ° C и выходит при температуре 42,4 ° C. Изобутан выходит из турбины ORC при 35 ° C. Давление на входе и выходе насоса составляет 75 и 2500 кПа соответственно. Определите (1) чистую скорость работы, выполняемой турбиной ORC; (2) чистая скорость работы, необходимой для приведения в действие насоса; и (3) энергетический и эксергетический КПД турбины ORC.Возьмем температуру окружающей среды 25 ° C, а изоэнтропический КПД турбины и насоса — 85% при условии отсутствия перепада давления на солнечном теплообменнике.

Рис. 26. Схема цикла выработки энергии солнечным коллектором с параболическим желобом.

Таблица 4. Типы солнечных коллекторов с соотношением концентраций и типичным диапазоном температур

Тип коллектора	Соотношение концентраций	Типичный диапазон температур (° C)
Плоский солнечный коллектор	1	≥70
Плоский коллектор с высокой эффективностью	1	60–120
Фиксированный концентратор	2–5	100–150
Параболический желобный солнечный коллектор ( PTSC)	10–50	150–350
Параболический тарелочный коллектор	200–2000	250–700
Солнечная башня с центральным ресивером	200–2000	400–1000

Источник : Воспроизведено из Goswami DY, Krieth F.Преобразование энергии. Бока-Ратон, Флорида: Taylor & amp; Фрэнсис Групп; 2007.

Решение:

Для схемы закрытой системы PTSC (рис. 26) можно записать уравнения баланса скорости.

Для солнечного теплообменника уравнения баланса могут быть выражены следующим образом:

Уравнение массового баланса (MBE): 1 = ṁ2 (forTherminolVP-1)

ṁ3 = ṁ4 (forisobutane)

EBE: ṁ1h2 + 2h4h5

EntropyBalanceEquation (EnBE): ṁ1s1 + ṁ4s4 + Ṡgen, испарение = ṁ2s2 + ṁ3s3

ExergyBalanceEquation (ExBE): ṁ1ex1 + ṁ4ex4 = ṁ2ex2 + 5des3 + HEX может быть записано как 9×000 cond.

MBE: ṁ5 = ṁ6 (форизобутан)

ṁ8 = ṁ7 (циркуляция воды для охлаждения)

EBE: ṁ5h5 + ṁ7h7 = ṁ6h6 + ṁ8h8

EnBE: ṁ5sex5 + 7s + 7s = ṁ6ex6 + ṁ8ex8 + Ėxdes, cond

Для турбины уравнения баланса можно записать как

MBE: ṁ3 = ṁ5

EBE: ṁ3h4 = ṁ5h5 + Ẇact, turb

EnBE: ṁ5s3 + 0004

ExBE: ṁ3ex3 = ṁ5ex5 + Ẇact, turb + Ėxdes, turb

Для насоса уравнения баланса можно записать как

9 0004 MBE: ṁ4 = ṁ6

EBE: ṁ4h5 + Ẇact, p = ṁ4h5

EnBE: ṁ4s4 + Ṡgen, p = ṁ4s4

ExBE: ṁ4ex4 + Ẇact, p = ṁ4ex4 + x5 можно получить следующие свойства от EES.Для состояния 1

T1 = 25 ° CP1 = 202 кПа} h2 = 601,4 кДж / кгс1 = 1,393 кДж / кг · К

Аналогично для состояния 2:

T2 = 70 ° CP2 = 202 кПа} h3 = 93,17 кДж / кгс2 = 0,296 кДж / кг · К

Для энтальпии и энтропии эталонного состояния для Therminol VP-1

T0 = 25 ° CP0 = 101,321 кПа} h0 = 20,14 кДж / кг · с0 = 0,06853 кДж / кг · К

Также для энтальпии и энтропии эталонного состояния для изобутан,

T0 = 25 ° CP0 = 101,321 кПа} h0 = 598,7 кДж / кгс0 = 2,513 кДж / кг · K

Для энтальпии и энтропии воды в исходном состоянии

T0 = 25 ° CP0 = 101.321 кПа} h0 = 104,8 кДж / кгс0 = 0,3669 кДж / кг · K

Удельную эксергию в состоянии 1 можно рассчитать как

ex1 = h2 − h0 − T0 (s1 − s0) = 186,7 кДж / кг

Аналогично для состояния 2

ex2 = 5,18 кДж / кг

В таблице 5 представлены входные и расчетные данные процесса, необходимые для системы в иллюстративном примере 9.

Таблица 5. Входные и расчетные данные для системы PTSC в иллюстративном примере 9

Государство нет.	Тип жидкости	P (кПа)	ṁ (кг / с)	T (° C)	h (кДж / кг)	s (кДж / кг K)	ex (кДж / кг)
0	Вода	101.3	—	25	104,8	0,3669	0
0	Изобутан	101,3	—	25	598,9	2,513	0
0	Терр. ВП-1	101,3	—	25	20,14	0,06853	0
1	Терминол ВП-1	202	35	320	601.4	1,392	325,4
2	Therminol VP-1	202	35	70	93,17	0,296	5,18
3	Изобутан	250057	25	239,4	1034	3,164	241,5
4	Изобутан	2500	25	35	284,9	1,278	54.14
5	Изобутан	75	25	75	689,5	2,837	−5,61
6	Изобутан	75	25	35	616,7	2,614	−12,25
7	Вода	101,3	25	25	104,8	0,3669	0,0038
8	Вода	101.3	25	42,4	177	0,602	2,1

1.

Используя баланс нормы энергии для турбины, скорость работы, выполняемой турбиной, может быть определена как

Ẇact, turb = ṁ3 (h4 − h5) = (25 кг / с) (1034-689,5) кДж / кг = 8612,5 кВт

2.

Аналогично, объем изобутана в состоянии 6 с использованием EES

v4 = 0,5775 м3 / кг

Ẇфакт, насос = v4 (P4 − P6) = 0,5775 (2500−75) = 1400 кВт

Таким образом, чистая производственная мощность системы составляет

Ẇнет = акт, турбина − акт, p = 8612.5−1400 = 7212,5 кВт

3.

Энергоэффективность турбины можно найти как

ηen, orc = Ẇnetṁ1 (h2 − h3) = 7212,535 (601,4−93,17) × 0,85 = 34,5%

4.

Эксергетический КПД турбины ORC можно найти как

ψen, orc = netṁ1 (ex1 − ex2) = 7212,535 (325,4−5,18) × 0,85 = 54,7%

Понимание солнечной тепловой энергии | Cleanenergyauthority.com

Солнечная тепловая энергия — это сбор солнечного тепла для использования человеком.Это в отличие от фотоэлектрической (PV) энергии, которая преобразует часть электромагнитного излучения солнца непосредственно в электроны и электричество. Солнечная тепловая энергия имеет более широкий спектр применения, чем фотоэлектрическая, поскольку солнечное тепло может собираться и передаваться в среде, а накопленная энергия затем используется для целей, включая обогрев и охлаждение дома, нагрев воды, приготовление пищи или производство электроэнергии. . Первые два вида использования обычно подходят для дома, как и производство электроэнергии, но последнее обычно делается в коммерческих масштабах.

Используются три диапазона солнечной тепловой энергии: низкотемпературная, которая используется для отопления, охлаждения и вентиляции; среднетемпературный, который используется для приготовления пищи, нагрева воды и других целей в среднем диапазоне нагрева; и высокотемпературные, в том числе производство электроэнергии. В более широком спектре производства электроэнергии существуют различные способы фокусировки солнечного тепла для создания электричества через теплообменник, который перегревает воду или инертный газ для питания турбины, вырабатывающей электричество, или двигателя Стирлинга для производства электроэнергии.

Первые крупномасштабные солнечные тепловые генераторы электричества использовали зеркально отражающий параболический желоб для концентрации солнечной энергии на трубке, заполненной жидкостью, такой как антифриз, вода или синтетическое масло. Желоб отражает солнечное тепло обратно на трубку и нагревает жидкость внутри трубок. Нагретая жидкость проходит через теплообменник. Здесь горячая жидкость превращает воду в сжатый пар, который толкает турбину, производя электричество.

Для максимальной производительности трубки окружены вакуумированными стеклянными трубками, которые помогают им поглощать больше тепловой энергии и не позволяют им повторно излучать тепловую энергию.Желоба обычно ориентированы с севера на юг и следуют за солнцем в течение дня. Чтобы максимально увеличить количество электроэнергии, производимой такой системой, избыточное тепло хранится в сверхизолированных резервуарах, заполненных расплавленной солью или графитом (оба отлично удерживают тепло), а затем используется для поддержания работы турбин в течение ночи.

Самая большая солнечная электростанция в мире, фотоэлектрическая или другая — это система производства солнечной энергии (SEGS) в Калифорнии. Девять солнечных тепловых электростанций составляют SEGS и имеют общую мощность 350 МВт, чего достаточно для питания около 105 000 домов.Хотя они составляют крупнейшую в мире солнечную электростанцию, системы параболических желобов доступны для установки на крышах в виде блоков шириной 4 или 8 футов. Карты солнечных ресурсов Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии или местный установщик помогут вам решить, подходите ли вы для использования солнечной тепловой энергии.

В чем разница между тепловой и солнечной энергией?

Солнечная энергия исходит от солнца. Он управляет погодой и кормит растения на Земле. В более специализированных терминах солнечная энергия относится к технологии, которая позволяет людям преобразовывать и использовать энергию солнца для человеческой деятельности.Часть солнечной энергии является тепловой, то есть присутствует в форме тепла. Некоторые подходы к солнечной энергии преобразуют солнечную энергию в тепло, но в других подходах тепло не помогает. Есть и другие определения тепловой энергии, которые не имеют ничего общего с солнцем.

Тепловая энергия

••• Stockbyte / Stockbyte / Getty Images

Слово «тепловая» происходит от греческого слова «тепло», поэтому тепловая энергия технически является теплом. Когда инженеры говорят о тепловой энергии, это обычно плохо — отходы.Например, лампа накаливания гасит свет, но на самом деле излучает больше тепла, чем света. Когда ваш портативный компьютер согревает ваши колени, это никак не помогает вам в вычислениях — это пустая трата энергии. Эта потраченная впустую энергия есть почти везде — в двигателях автомобилей, мобильных телефонах, телевизорах. Эта форма тепловой энергии не имеет ничего общего с солнцем.

Геотермальная энергия

••• Thinkstock / Comstock / Getty Images

Под поверхностью Земли лежат лужи расплавленной породы.Эта перегретая порода несет в себе большое количество энергии, и геотермальная энергия пытается извлечь эту энергию и преобразовать ее в полезные формы. В частности, наиболее распространенная форма геотермальной энергии отправляет жидкость вниз на Землю, позволяет ей взаимодействовать с раскаленными камнями и вытягивает нагретую жидкость обратно на поверхность. Это тепло используется для привода турбины, производящей киловатты электроэнергии. Хотя это хорошая форма тепловой энергии, конечным источником этого тепла являются радиоактивные материалы в ядре Земли, которые не имеют ничего общего с Солнцем.

Солнечная энергия

••• Hemera Technologies / AbleStock.com / Getty Images

Существует два основных подхода к извлечению энергии из солнечного света. Первый подход называется фотоэлектрическим. В фотоэлектрическом подходе солнечный свет улавливается полупроводниковым материалом, и полупроводник передает эту энергию прямо своим электронам. Когда электроны вытягиваются и проходят через цепь, они напрямую вырабатывают электрическую энергию. Пока светит солнце, электричество выходит.Большинство солнечных панелей работают лучше, когда они холоднее, поэтому, когда они собирают слишком много тепловой энергии солнца, это становится проблемой. Это солнечная энергия, а не тепловая энергия.

Solar Thermal

••• Tom Brakefield / Stockbyte / Getty Images

Другой подход к извлечению энергии из солнечного света — это солнечное тепловое излучение. При использовании солнечной энергии солнечный свет используется для нагрева жидкости. Это делается либо путем прокладки труб по центру над длинными рядами параболических зеркал, которые фокусируют солнечный свет на трубы, либо путем наведения всего поля зеркал на большой резервуар.В этом подходе вся идея состоит в том, чтобы использовать как можно больше солнечной энергии, преобразовывая ее в тепло. В обоих подходах жидкость внутри контейнеров нагревается и затем используется для прямого или косвенного приведения в действие турбины для производства электроэнергии. При тщательном проектировании солнечная тепловая установка будет поддерживать жидкость достаточно горячей для выработки электроэнергии в течение нескольких часов после захода солнца. Это случай, когда вся тепловая энергия вырабатывается солнцем, а это означает, что тепловая энергия и солнечная энергия в данном случае — одно и то же.

термодинамика — Каково фактическое энергосодержание Солнца?

Итак, некоторое время назад я выполнил небольшой проект, в котором я взял «стандартную модель Солнца» из этой статьи, которая дает мне некоторую информацию, которая полезна для фактических оценок. 7 \ , \ mathrm K $.- $. В качестве Джордж Герольд говорит, что каждая частица идеального газа имеет среднюю кинетическую энергию $ \ frac32 kT $, поэтому нам нужны числовые плотности. Плотность водорода $ n_ \ mathrm {H} $ равна $$ n_ \ mathrm {H} = \ rho f_ \ mathrm {H} / {\ mu_ \ mathrm {H}} $$ где $ \ rho $ — массовая плотность, $ f_ \ mathrm {H} $ — массовая доля водорода, а $ \ mu_ \ mathrm {H} = 1 \, \ mathrm {грамм / моль} $ — атомная масса водород. У вас есть аналогичное выражение для гелия (где $ \ mu_ \ mathrm {He} = 4 \, \ mathrm {грамм / моль} $). Плотность электронов благодаря полной ионизации всего лишь $$ n_ \ mathrm {e} = n_ \ mathrm {H} + 2n_ \ mathrm {He}.$$ Вот рисунок, показывающий температуру, массовую плотность и состав из моего источника выше, а также числовую плотность, рассчитанную здесь:

Обратите внимание, что горизонтальная шкала (радиус) взвешена по массе: вы найдете примерно половину массы Солнца между 0,1 и 0,3 солнечными радиусами, так что этот интервал занимает примерно половину горизонтальной оси. Это чисто метод визуализации, так что ваш глаз не отвлекается на (относительно) прохладные, рассеянные внешние слои солнца.

Чтобы найти общую плотность тепловой энергии , мы должны интегрировать.{41} \, \ mathrm {J}. $$ Эта собственная гравитационная энергия примерно вдвое превышает запасенную кинетическую энергию, которую настоящий астроном предсказал бы в результате теоремы вириала.

Тепловая энергия от света

Современное общество построено на потреблении ископаемого топлива, в основном нефти (нефти), природного газа и угля. Это ископаемое топливо образовалось в результате разложения растений и животных, которые жили миллионы лет назад. Поскольку численность населения мира продолжает увеличиваться и превышает 7 миллиардов человек, у нас быстро заканчивается ископаемое топливо.Использование этих видов топлива также создает проблемы. Бурение на нефть и газ и добыча угля разрушают части ландшафта. А сжигание этого топлива загрязняет воздух и море. Углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу в результате горения, улавливает избыточное тепло (парниковый эффект) и вызывает глобальное изменение климата. Большая часть избытка CO ₂ растворяется в океане, вызывая подкисление. Горящий уголь также загрязняет море ртутью.

Что произойдет, если мы продолжим полагаться на ископаемое топливо в течение следующих 1000 лет? Вместо этого мы должны найти альтернативные формы чистой энергии.Солнечная энергия бесплатна, чиста и будет использоваться, пока Земля является обитаемой.

Есть два способа использовать солнечный свет для производства полезных форм энергии. Один из них — использовать фотоэлектрические панели для производства электричества. Другой, более простой подход — преобразовать солнечный свет в тепло для таких вещей, как обогрев здания, приготовление горячей воды, приготовление пищи или производство «пара», который может питать электрический генератор.

Цели обучения: Учащиеся смогут:

Определите взаимосвязь между основами ядерного синтеза и солнечным светом.
Используйте практические занятия, чтобы понять, что солнечный свет состоит из волн различной длины, представленных цветами.
Расскажите об историческом развитии солнечного отопления и приготовления пищи с помощью солнечной энергии.
Создайте аннотированную схему системы горячего водоснабжения на солнечной энергии для домашнего использования.
Используйте данные, которые они собирают в результате экспериментов, чтобы обнаружить взаимосвязь между потреблением энергии и цветом для солнечных коллекторов.
Объясните парниковый эффект, включая роль коротковолнового и длинноволнового излучения, и свяжите его с данными, которые они собирают в ходе экспериментов.

Что такое тепло?

Все вещества, температура которых выше абсолютного нуля (-273,15 ^o C), способны передавать тепло более холодным объектам. Температура — это мера молекулярного движения вибрации. Чем теплее вещество, тем быстрее движутся или колеблются его молекулы. Тепло — это количество тепловой энергии, передаваемой между объектами. Физики не сказали бы, что объект содержит определенное количество тепла, но они сказали бы, что он может передавать определенное количество тепловой энергии другому объекту, и они бы назвали это теплом.Единицы тепла включают: джоуль, ватт и калорию. Джоуль = (кг x 1м2) / с2 = Ш x С. кг — килограмм, м — метр расстояния, с — время в секундах. W означает ватт.

Нам часто нравится думать об определенном количестве используемой энергии в киловатт-часах (кВтч), поскольку именно так мы покупаем электроэнергию у энергокомпании. Поскольку джоуль — это ватт-секунда, киловатт-час составляет 1000 x 3600 секунд = 3,6 МДж (мегаджоули). Джоуль — это количество энергии, выделяемое яблоком весом 100 г, которое падает с расстояния 1 м.КВт-ч — это количество электроэнергии, которое используют десять 100-ваттных ламп накаливания в течение часа.

Еще один показатель тепла — это калории. Это количество тепла, необходимое для подъема одного грамма воды (= 1 мл или 1 кубический сантиметр воды) 1 ^o C. 1 калория = 4,184 Дж.

Мы можем думать о тепле по той работе, которую оно выполняет, когда передается от одного объекта к другому. Явное тепло — это то, что вызывает повышение температуры объекта. Но всегда ли добавление тепла вызывает повышение температуры? Нет! Добавление тепла к кубику льда может привести к его расплавлению, но вода, превращенная из твердой в жидкую, может все еще иметь ту же температуру 0 ^o C.Когда температура остается постоянной, но добавленное или отводимое тепло вызывает изменение состояния, это называется скрытой теплотой. Напомним, что изменение состояния происходит, когда вещества меняют форму между состояниями твердого, жидкого или газообразного. Обычно для изменения состояния требуется гораздо больше тепла, чем для простого повышения температуры объекта. Например, требуется 1 калория, чтобы поднять температуру 1 грамма жидкой воды на 1 ^o C. После достижения температуры 0 ^o C, 79.Чтобы заменить жидкую воду на 1 г льда, необходимо удалить 5 калорий. На грамм жидкой воды, имеющей температуру 100–^– ° C, требуется еще 539 калорий, чтобы превратить ее в водяной пар. Как вы увидите ниже, используя изменение состояния, а не просто изменение температуры, можно сохранить или высвободить гораздо больше энергии из системы, предназначенной для выполнения полезной работы.

Как тепло передается между объектами?

Тепло всегда самопроизвольно перетекает от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.Когда предметы соприкасаются, тепло передается за счет теплопроводности. Если вы положите руку на чашку горячего кофе, тепло от кофе перейдет к вашей руке. Если вместо этого вы поместите руку рядом с чашкой горячего кофе, скажем, на расстоянии 2 см, вы все равно почувствуете, что рука становится теплее. Инфракрасные лучи тепловой энергии уходят от чашки, и вы чувствуете их на коже руки. Когда энергия течет через пространство таким образом, это называется излучением. Именно так энергия передается от Солнца на Землю с помощью солнечного излучения.Тепло также может перемещаться из одного места в другое, переносясь движущейся жидкостью (жидкостью или газом). Это называется конвекцией. Пассивная конвекция возникает, когда теплый объект передает тепло жидкости, в результате чего жидкость становится менее плотной и всплывает вверх. Воздух над чашкой горячего кофе нагревается за счет теплопроводности и излучения. Чем теплее, он становится менее плотным и всплывает вверх, заменяясь более прохладным воздухом, который скользит, чтобы занять его место. В гораздо большем масштабе это то, что происходит в атмосфере и океанах, и именно так тепло переносится вокруг Земли.Активная конвекция возникает при приложении силы для перемещения жидкости, переносящей тепло. Мы используем электрические вентиляторы для циркуляции нагретого воздуха в наших домах. Мы используем насосы для циркуляции нагретой воды / раствора антифриза для охлаждения автомобильных двигателей.

Скорость теплового потока между объектами пропорциональна разнице температур между ними. Когда есть большая разница, тепло течет быстро. Если разница температур небольшая, поток тепла уменьшается. Представьте себе горячий горшок, снятый с плиты и поставленный на плиточную столешницу.Сначала быстро остывает. По мере охлаждения разница в температуре между кастрюлей и комнатным воздухом становится меньше, и поэтому кастрюле требуется много времени, чтобы терять достаточно тепла, чтобы соответствовать комнатной температуре. Говорят, что два объекта при одинаковой температуре находятся в равновесии. В этот момент любое тепло, полученное горшком от воздуха, равно тому же количеству тепла, которое горшок теряет воздуху.

Высвобождение энергии в виде солнечного света от термоядерного синтеза.

Происхождение: Доступ через веб-сайт НАСА: https: // genesismission.jpl.nasa.gov/science/module1/index.html; изначально из http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/hydrogen_burn.htm
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/ licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

Что такое солнечный свет и как он производится?

Солнце — наша звезда.Это массивный шар из плотных газов, в основном водорода (91,2%) и гелия (8,7%). Огромная гравитация Солнца настолько плотно упаковывает газы в ядре, что заставляет 4 атома водорода (1 протон и 1 электрон) слиться вместе, чтобы произвести 1 атом гелия (2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона) и энергию. Высвобождаемая энергия происходит из-за потери небольшого количества массы в процессе синтеза. Напомним, что Эйнштейн показал, что массу можно превратить в энергию, и наоборот, с помощью своего уравнения: E = mC ².Этот ядерный синтез приводит к высвобождению большого количества энергии. Выделяемая энергия включает тепло (инфракрасное излучение), видимый свет, ультрафиолетовый свет, а также различные лучи и частицы высокой энергии. Посмотрите анимацию слияния на солнце.

Электромагнитный спектр

Происхождение: Викискладе: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cont_emspec2.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Преобразование солнечного света в тепло

Энергия распространяется волнами. Расстояние между вершинами одной волны и другой называется длиной волны. Длина волны определяет вид энергии. Тепло (инфракрасное) имеет более длинную волну, чем видимый свет. Какова длина волны инфракрасного излучения в нанометрах (нм)? ____ Что это за синий свет? ___ Используйте для ответа рисунок электромагнитного спектра.

Электромагнитный спектр с другой точки зрения

Происхождение: Wikispaces: https: // new243-servicelearningreport.wikispaces.com/Photosynthesis
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Эйнштейн показал, что, хотя свет распространяется волнами, он также состоит из частиц, называемых фотонами. Энергия, связанная с фотоном, определяется его длиной волны.Волны фотонов с более короткой длиной волны имеют больше энергии на фотон, чем фотоны с большей длиной волны.

Из солнечного света, достигающего поверхности Земли, 54% уже является теплом (инфракрасное), 45% — видимым светом и около 1% — более коротковолновым (ультрафиолетовым). Когда солнечный свет попадает на объект, он может отражаться или поглощаться. Если он отражается, он отражается на той же длине волны. Но если он поглощается, коротковолновая энергия превращается в длинноволновую (тепло).

Парниковый эффект

Энергетический бюджет Земли

Происхождение: NASA
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Одна из причин, по которой Земля может поддерживать жизнь, заключается в том, что она очень теплая, учитывая ее удаленность от Солнца. Средняя температура на поверхности для всей Земли составляет 15 ^o C. Луна находится на том же среднем расстоянии от Солнца, что и Земля. Тем не менее, средняя температура поверхности Луны намного ниже -35 ^o C. (Напомним, вода замерзает при 0 ^o C, комнатная температура составляет 22 ^o C, а вода закипает при 100 ^o C.) почему Земля намного теплее Луны? Сила тяжести! Масса Луны всего 1.2% массы Земли. Поскольку гравитационная сила пропорциональна массе, Луна имеет гораздо меньшую гравитацию, чем Земля, и не может удерживаться в газовой атмосфере. Это атмосфера Земли, которая держит ее в тепле.

Инфракрасной энергии, исходящей от Солнца, недостаточно, чтобы поддерживать такую температуру на Земле, как она есть. Свою роль также должна сыграть энергия видимого света и ультрафиолетового света. Из всей солнечной энергии, достигающей атмосферы, около 29% отражается обратно в космос. Большая часть того, что отражается обратно в космос, — это видимый свет, поэтому Земля выглядит как светящийся сине-белый шар при фотографировании с некоторого расстояния.Около 23% начальной солнечной энергии поглощается газами и частицами в атмосфере, а оставшиеся 48% поглощаются землей, океаном, растениями и практически любым объектом на поверхности Земли. Когда видимый свет поглощается объектом, объект преобразует коротковолновый свет в длинноволновое тепло. Это заставляет объект нагреваться. Но это только часть того, почему Земля теплая. Что-то должно удерживать это тепло от быстрого распространения обратно в космос.

Теплица Земля

Provenance: US EPA, доступ через Wikimedia Commons: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth%27s_greenhouse_effect_(US_EPA,_2012).png
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Что удерживает тепло от такого быстрого излучения? Это парниковые газы. Наиболее важными из них являются диоксид углерода, метан (CH ₄), водяной пар и закись азота (N ₂ O). Они называются парниковыми газами, потому что они пропускают видимый свет с короткой длиной волны через атмосферу, но блокируют выход большей части длинноволновой (тепловой) инфракрасной энергии.Эти газы выполняют ту же функцию, что и стекло в крыше и стенах теплицы, используемой для выращивания растений в холодном климате. Солнечный свет проходит через стекло и поглощается растениями и другими предметами в теплице. При поглощении коротковолновый солнечный свет превращается в длинноволновое тепло. Стеклянные стены и крыша не пропускают большую часть тепла. Любой, кто открывал закрытый автомобиль и сидел на солнышке в ясный холодный день, испытал парниковый эффект на собственном опыте.

Атмосфера состоит из 78% N ₂ (газообразный азот) и 21% O ₂. Оставшийся 1% состоит из различных газов, включая перечисленные выше парниковые газы. Пространства между молекулами N2 и O2 в атмосфере достаточно велики, чтобы пропускать как длинноволновое, так и коротковолновое излучение. Хотя CO ₂ составляет лишь крошечную часть (0,04%) атмосферы, он является мощным препятствием для длинноволнового излучения. Более длинные волны практически не могут пройти через расстояние между молекулами CO ₂.Другие парниковые газы имеют такой же эффект.

Как упоминалось в начале этого раздела, сжигание ископаемого топлива с начала промышленной революции значительно повысило уровень CO ₂ в атмосфере. В 1800 году, незадолго до начала промышленной революции, концентрация CO ₂ в атмосфере составляла около 250 частей на миллион (ppm). В мае 2013 года концентрация CO ₂ превысила 400 частей на миллион, самый высокий уровень за последние 3 миллиона лет.Соответственно, средняя температура Земли за последнее столетие увеличилась с 1 ^до градусов по Цельсию. Это причина продолжающегося глобального изменения климата.

Запуск парникового эффекта

В 1776 году швейцарско-французский ученый Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый солнечный коллектор, в котором использовался парниковый эффект. Он отметил, что в те дни в закрытых вагонах со стеклянными окнами было тепло даже в холодные дни — точно так же, как и в случае с автомобилями.Он построил ящики, покрытые слоями стекла с черной пробкой для поглощения света. Он записал температуру выше 100 ^o C. URL для изображения горячей коробки де Соссюра.

Интересно, что де Соссюр использовал свой «горячий ящик» как научный инструмент. Ему было интересно узнать, почему в высоких широтах обычно холоднее. Он принес ящик на вершину горы, чтобы измерить максимальную производимую температуру, и повторил процедуру на следующий день на низкой равнине.Ящик достиг одинаковой температуры в обоих местах, несмотря на то, что внешний воздух равнины был на 43 ^o F теплее, чем на вершине горы. Из этого он пришел к выводу, что более плотное воздушное покрывало, покрывающее равнину, обеспечивает большую изоляцию, чем более тонкая атмосфера на вершине горы.

Концепция «горячего ящика» была применена на практике астрономом сэром Джоном Гершелем, который в 1830-х годах находился в экспедиции в Южную Африку. Он построил горячий ящик на солнечных батареях, чтобы готовить еду.

Параболическая отражательная солнечная плита

Происхождение: http: // www.atlascuisinesolaire.com — http://www.atlascuisinesolaire.com Доступ через Wikimedia Commons: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker#/media/File:ALSOL.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественное достояние и может использоваться повторно без ограничений.

Плита тепличного типа с отражателями

Происхождение: Бенджамин Кукер, Хэмптонский университет
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

Солнечные плиты Есть два разных подхода к использованию солнечной энергии для приготовления пищи. В солнечных концентраторах используются зеркала или линзы, чтобы собирать солнечный свет с большей площади и фокусировать его на меньшей площади, где происходит приготовление пищи. Солнечные печи в стиле теплицы используют систему, изобретенную де Соссюром, о которой говорилось выше.У них есть стеклянные двери, которые пропускают солнечный свет, но плотно закрываются, чтобы свести к минимуму утечку тепла. Внутренняя часть плит черного цвета для максимального поглощения света. Некоторые плиты тепличного типа также имеют прикрепленные отражающие зеркала, которые помогают концентрировать свет.

Солнечные плиты не требуют топлива. В этом есть два преимущества. В бедных странах часто не хватает топлива. Керосин стоит дорого, а дров, древесного угля, сушеного навоза и т. Д. Может не хватать. Во-вторых, топливо для приготовления пищи часто горит очень грязно, вызывая много копоти и дыма.Это создает реальные проблемы со здоровьем, особенно для женщин и детей в странах, где есть традиции приготовления пищи в домах с плохой вентиляцией. Глобальный альянс за чистые кухонные плиты — это партнерство Организации Объединенных Наций и частного сектора для решения этой проблемы. Они заявляют: «По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), воздействие дыма в результате простого процесса приготовления пищи является пятым наихудшим фактором риска заболеваний в развивающихся странах и вызывает почти два миллиона преждевременных смертей в год, что превышает количество смертей, связанных с малярией или малярией. туберкулез.Кроме того, еще десятки миллионов человек заболевают болезнями, которые можно было бы легко предотвратить с помощью более широкого внедрения чистых и эффективных решений для приготовления пищи ».

Кухня на Бали, почерневшая от сажи (Б. Цукер)

Происхождение: Фотография сделана автором модуля доктором Бенджамином Кукером, Университет Хэмптона
Повторное использование: Вы можете: Поделиться — копировать и распространять материал на любом носителе или в любом формате. следующие условия: Атрибуция — Вы должны указать соответствующую ссылку, предоставить ссылку на лицензию и указать, были ли внесены изменения.Вы можете сделать это любым разумным способом, но не любым способом, который предполагает, что лицензиар одобряет вас или ваше использование. Некоммерческий — вы не можете использовать материал в коммерческих целях. ShareAlike — если вы ремикшируете, трансформируете или опираетесь на материал, вы должны распространять свои материалы под той же лицензией, что и оригинал.

Кухню можно почернить от сажи от домашней печи, у которой нет дымохода. Эта фотография была сделана на Бали, Индонезия, в 2013 году и типична для сельской кухни этой страны.Представьте себе влияние дыма на здоровье поваров. Фото Б. Кукера.

Традиционное твердое топливо также наносит серьезный ущерб окружающей среде. Леса часто уничтожают путем вывоза дров для приготовления пищи. Загрязняющий дым и сажа, представляющие опасность для здоровья в помещении, также попадают в атмосферу, вызывая общее загрязнение воздуха. Учитывая, что около 3 миллиардов человек, или трое из каждых семи человек на Земле, едят еду, приготовленную на грязных открытых кухонных плитах, загрязнение быстро увеличивается. Развивающиеся страны с наихудшей бедностью, как правило, находятся в солнечном субтропическом климате, который хорошо сочетается с солнечной кулинарией.

Солнечная кулинария также нашла свое место в более богатых странах. Зачем нагревать кухонную выпечку в традиционной газовой или электрической духовке в жаркий летний день, когда солнечная плита сделает всю работу на открытом воздухе за час или меньше?

Солнечная сушка белья

Моризо роспись белья на конвейере

Происхождение: Берта Моризо, доступ к которому предоставлен через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1875_Morisot_Laundry.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Примерно до 1965 года большинство людей в Соединенных Штатах сушили белье, развешивая его на веревках. Почти в каждом доме были стиральные машины. В сельской местности и в пригороде они были типичными чертами боковых дворов или приусадебных участков. В городах линии часто проходили между соседними многоквартирными домами. Система шкивов позволяла работать из окна, добавляя и удаляя предметы, удерживаемые прищепками. В более холодном и влажном климате в подвалах и задних подъездах были хорошие места для сушки, а также в качестве внутренних стеллажей на кухнях или в прачечных.Электрические и газовые сушилки для одежды были впервые представлены в 1940-х годах, а к 1950 году они использовались в 10% домашних хозяйств. Сейчас большинство людей в Соединенных Штатах используют электричество или газ для сушки белья. Этой техникой есть около 75% домашних хозяйств, и люди также пользуются сушилками в прачечных. Обычно от 6 до 11% годового бюджета семьи идет на сушку белья.

Когда-то обычная черта человеческого пейзажа, линии для белья теперь редкость в Соединенных Штатах. Многие общины запретили сушку белья на открытом воздухе.Аргумент состоит в том, что развешивание одежды — это бельмо на глазу, которое снижает стоимость собственности — из-за этого сообщество выглядит «бедным». Это пример того, как предвзятое отношение к бедным людям наносит ущерб окружающей среде и кошелькам среднего класса, который стремится казаться богатым. Местные организации в Соединенных Штатах работают над отменой запретов на сушку белья на открытом воздухе. Одна национальная организация называется Project Laundry List.

Энергетический бюджет дома.

Происхождение: DOE
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Солнечные системы горячего водоснабжения Производство горячей воды потребляет около 18% энергии, потребляемой типичным домом в Соединенных Штатах. Обычно для нагрева воды в резервуарах используется электричество или газ. Но так было не всегда. До начала 20 века горячая вода по запросу (из крана) была редкой роскошью. В 1900 году во многих частях США домашние хозяйства все еще переходили на водопровод.Чтобы приготовить горячую воду для мытья и купания, большинству людей приходилось нагревать большие кастрюли на плитах. Некоторые автономные водонагреватели были доступны, но их нужно было зажигать вручную при каждом использовании и тщательно контролировать, чтобы не взорваться.
Водонагреватель Climax

Происхождение: Изображение до 1923 года.
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Объявление о нагревателе горячей воды Climax

До появления современного электрического или газового водонагревателя компания из солнечной Калифорнии в 1891 году продала первую коммерческую солнечную систему горячего водоснабжения, получившую название «Climax».»(Эдмунд Рууд изобрел первый автоматический электрический водонагреватель восемь лет спустя, в 1899 году). Climax, работающий на солнечной энергии, состоял из набора черных резервуаров в стеклянном ящике, размещенном на крыше. ночью быстро остывают. В 1909 году Уильям Дж. Бейли представил на рынке улучшенную конструкцию, в которой сбор солнечной энергии разделен на стеклянную коробку с небольшими трубками. Это позволило изолировать накопительный бак и сохранить тепло в течение всего времени. ночь.Дизайн Бейли быстро заменил Climax и стал стандартным для многих домов, построенных во Флориде в 1920-х годах. Дизайн Бейли — основа современных систем.
Сочетание новых находок в виде дешевого природного газа, агрессивного маркетинга со стороны электроэнергетических компаний и улучшенных конструкций газовых и электрических обогревателей практически уничтожило солнечную энергетику в США. Однако эта технология была принята в Японии после Второй мировой войны. Энергии не хватало, и страна была бедна разрухой во время войны.Поэтому дешевая солнечная горячая вода была естественным выбором для Японии. Сегодня более 10 миллионов семей в Японии нагревают воду солнцем.

«Энергетический кризис» 1974 года (возникший в результате войны на Ближнем Востоке) возобновил интерес ко всему, что связано с солнечной энергией в Соединенных Штатах. Солнечные системы горячего водоснабжения снова появились на рынке в конце 1970-х годов. Все они состояли из двух основных частей: коллекторной панели и накопительного бака. Коллекторная панель содержала систему маленьких черных трубок на черном фоне и была покрыта стеклом.Системы «обратного слива» заполняли панели коллектора, когда датчики показывали, что они нагреваются на утреннем солнце. Затем насос будет направлять нагретую воду в изолированный резервуар для хранения. Ночью насосы отключались, и вся вода могла стекать из панели — важная особенность в местах, где ночью температура опускалась ниже точки замерзания. Когда вода замерзает, она расширяется и разрывает трубы. Системы обратного дренажа хорошо работали в местах, свободных от мороза, но в более высоких широтах многие из них не работали из-за неполного дренажа в ночное время.

Солнечный коллектор для бака горячей воды.

Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указывать авторство и предлагать любые производные работы по аналогичной лицензии.

Солнечный коллектор для системы горячего водоснабжения.

Происхождение: Фотография сделана Б. Цукером
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

В более распространенных сегодня установках используется смесь гликоля и воды под давлением (например, антифриз, используемый в автомобильных двигателях) для передачи тепла между коллектором и накопительным баком. Теплообменник передает тепловую энергию резервуару. Эта система требует наличия насоса для циркуляции нагретой смеси антифриза между солнечным коллектором и баком.По прибытии в резервуар горячий антифриз проходит через систему небольших трубок либо сбоку от стального резервуара, либо через него. Это теплообменник, который передает тепловую энергию от антифриза к медной трубе и от трубы к воде в резервуаре для хранения. Есть термодатчики, расположенные в баке и на солнечном коллекторе. Небольшой компьютер в контроллере включит насос, когда температура в коллекторе превысит температуру в резервуаре примерно на 8 ^o C.Когда температура контроллера падает из-за облачности или приближающейся ночи, контроллер останавливает циркуляционный насос. Температура на коллекторе может достигать 300–^– ° F. Обычно в традиционных водонагревателях поддерживается температура от 120 ^до и 140 ^до градусов по Фаренгейту, но резервуары на солнечных батареях могут достигать 170 ^° градусов по Фаренгейту, чтобы максимизировать производительность в периоды, когда солнце не светит.

Иногда серия пасмурных дней исчерпывает запасы горячей воды. Встроенная в резервуар резервная спираль резистивного нагревателя обеспечит подачу горячей воды до тех пор, пока не вернется солнечный свет.

Соображения безопасности — Все водонагреватели резервуарного типа имеют три соображения безопасности. Во-первых, когда вода нагревается, она расширяется, и возникающее давление может привести к взрыву резервуара. Клапан сброса давления в верхней части резервуаров защищает от этого. Во-вторых, горячая вода также может вызвать ожоги у пользователя, поэтому для предотвращения этого необходимо установить достаточно низкую температуру. Наконец, резервуар со слишком низкой температурой может стимулировать рост патогенных бактерий, подобных той, которая вызывает болезнь легионеров.Поэтому лучше всего, если температура в резервуарах должна быть не менее 60 ^o C (140 ^o F), но вода должна распределяться при 50 ^o C (122 ^o F).

Бензобак (по запросу) водонагреватель

Проточный водонагреватель

Происхождение: DOE
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Солнечные системы горячего водоснабжения получают всю свою энергию от солнца, за исключением того небольшого количества, которое используется для питания циркуляционного насоса и работы небольшого компьютера и сенсорной системы. Поэтому солнечные системы горячего водоснабжения являются наиболее экологически безопасным выбором. Однако они дороги в установке, обычно в четыре или пять раз дороже, чем традиционные электрические или газовые системы. Альтернативный подход — установка системы без резервуара или системы по требованию, нагреваемой электричеством или природным газом. Традиционные резервуарные системы теряют большую часть энергии резервуара-хранилища из-за теплопроводности, конвекции и излучения.Системы без бака включаются только при открытии крана горячей воды. Это экономит на потере тепла из накопительного бака. Дома, в которых используется менее 41 галлона воды в день, могут сэкономить 23–50% энергии, используемой традиционной системой резервуаров. Повышение эффективности снижается до 8–14% для домов, которые используют около 80 галлонов в день.

Солнечная энергия может использоваться для обогрева зданий. Древние архитекторы понимали, как здания и конструкции могут использовать солнечные ресурсы. Такие пассивные конструкции рассматриваются в другом блоке.Здесь мы сосредоточимся в основном на активных конструкциях для отопления помещений.

Стена для тромба

Происхождение: Источник: F.Koester, доступ в Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trombe_wall.jpg
Повторное использование: Этот элемент предлагается на условиях Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike лицензия http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

В 1965 году французский инженер Феликс Тромб использовал конструкцию Эдварда Морса 1881 года для создания термосифонного устройства для обогрева домов. Этот прибор сочетает в себе парниковый эффект, конвекцию и накопление тепла за счет твердого тела. Бетонная или каменная стена возводится рядом с существующей солнечной стеной. Остекление из стекла или прозрачного пластика кладут на стену с воздушным зазором в несколько сантиметров. Это знакомая концепция теплицы. В бетонной стене сверху и снизу делают отверстия. Эти отверстия соединяются с короткими отрезками трубы, идущими внутрь здания.Когда солнечный свет нагревает стену, он заставляет воздух расширяться и подниматься вверх, где теплый воздух выходит в здание. Этот теплый воздух заменяется холодным воздухом из здания, втягиваемым к основанию стены через нижний набор труб.
Стенка солнечной печи

Бетонная или каменная стена служит резервуаром тепла. Даже после того, как солнце село, кладка будет продолжать излучать и проводить тепло в воздух в полости и поддерживать конвекционную ячейку. В стеновые системы Trombe можно установить электрические воздуходувки, чтобы улучшить скорость подачи нагретого воздуха в здание.Вентиляторы подключаются к маленьким «щелчковым переключателям», которые включают двигатель при температуре 120 ^o F и выключают его, когда температура падает до 90 ^o F. Стены тромба могут быть интегрированы в дизайн новых зданий. или добавлен к солнечной стене существующих конструкций. Важно, чтобы стена Trombe отапливала здание зимой и не создавала дополнительную тепловую нагрузку летом. Дизайн и природа помогают решить эту проблему. Зимой солнце садится низко, даже в полдень.Это обеспечивает солнечный свет под довольно небольшим углом к стене. Летом солнце стоит высоко в небе, и его лучи под большим углом пересекают тепловую стену. Требуется лишь короткий навес или навес, чтобы защитить стену тромба от яркого летнего солнца.

Простые сифоны с тепловым воздухом также могут быть добавлены к существующим окнам. Эти устройства также сочетают в себе парниковый эффект с естественной пассивной конвекцией. Коллектор можно настроить на более эффективный угол для сбора солнечного света. Включение небольшого вентилятора на солнечной энергии, такого как те, которые используются для охлаждения настольных компьютеров, сделает устройство более эффективным.Следует позаботиться о том, чтобы изоляция закрывала зазоры, образовавшиеся в двойных окнах. В противном случае любое тепловыделение будет потеряно из-за проникновения холодного воздуха через утечки.

Вентилятор для вентиляции солнечной настенной печи

Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать это элемент для некоммерческих целей, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Регистр для солнечной печи стены. Температура может достигать 160 град. Ф.

Отопление помещений солнечными системами горячего водоснабжения

Водяной теплый пол

Происхождение: Изображение Риу Чиксой и доступ через Wikimedia Commons: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Col%C2%B7lector_terra_radiant_i_tubs.JPG
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/ 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Обсуждаемые выше активные солнечные системы горячего водоснабжения являются основой для другого способа обогрева помещений. По сути, солнечная система горячего водоснабжения рассчитана на удовлетворение большей части или большей части потребностей здания в отоплении.Это означает намного больше коллекторных панелей и увеличенную емкость резервуара. Такие системы лучше всего работают с водяным теплым полом (гидронным). С помощью лучистого напольного отопления используются небольшие медные или пластиковые трубки для пропускания нагретой жидкости (обычно раствора гликоля) под материал пола. Горячая труба нагревает пол снизу, а пол, в свою очередь, излучает тепло в пространство наверху. Это лучше всего подходит для деревянных или плиточных полов, поскольку ковровое покрытие изолирует пол. Для существующей конструкции, которая находится не на плите (есть подвал или подвал), это требует прикрепления трубок к нижней стороне пола и добавления изоляции под трубами.

Лучистое напольное отопление лучше всего работает с большинством солнечных систем горячего водоснабжения, потому что в таких системах температура теплоносителя зимой составляет всего 140–160 ^o F. Напомним, что скорость теплового потока между объектами пропорциональна разнице температур. Чтобы передать достаточно тепла в здание, излучающая поверхность должна быть большой, как в случае с системами теплого пола. Плинтус или старомодные чугунные радиаторы не обеспечат достаточно площади для излучения при таких температурах.Они предназначены для работы при более высоких температурах, достигаемых при использовании природного газа или топочного мазута в качестве источника энергии.

Установка вакуумной трубки

Provenance: Greensolarvacuum, доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_vacuum_tube_collectors_Thessaloniki.jpg
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike /creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Однако можно достичь более высоких температур в солнечных системах горячего водоснабжения, используя другой тип коллектора. Вакуумные трубчатые коллекторы в сочетании с тепловыми трубками более эффективны, чем традиционные плоские коллекторы тепличного типа.

Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из внутренней стеклянной трубки внутри внешней стеклянной трубки. Их разделяет эвакуируемое пространство.Термин откачан означает, что откачан весь воздух. Это значительно снижает скорость потери тепла за счет теплопроводности и конвекции, поскольку нет воздуха, который проводил бы или переносил тепло между внутренней и внешней трубкой. Таким образом, солнечный свет проходит через два слоя стекла и превращается в длинноволновое излучение, когда он поглощается темным коллектором, и это тепло затем удерживается в коллекторе. Вакуумные трубы более эффективны, чем традиционные плоские коллекторы тепличного типа, благодаря изоляции, обеспечиваемой вакуумом между слоями стекла.

Жидкость гликоль-вода может напрямую циркулировать через откачанные коллекторные трубы и подключаться непосредственно к остальной части системы. Но более эффективный подход — включить в систему тепловую трубку.

Тепловая труба

Происхождение: Ильянасов, происхождение: http://www.appropedia.org/Image:Evacuated_tube_diagram.jpg; доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Тепловые трубки были изобретены Джорджем М. Гровером в 1962 году. Они широко используются сегодня, и если вы читаете это на портативном компьютере, скорее всего, тепловая трубка помогает охлаждать электронику в вашем устройстве. Тепловые трубы сочетают в себе принципы теплопроводности, конвекции и изменения состояния для максимальной теплопередачи. Они часто изготавливаются из медных трубок, которые были герметизированы и частично откачаны. Жидкость, такая как вода, раствор натрия, спирт или аммиак, также запаяна в трубку.Поскольку трубка частично откачана, жидкость может легко испариться и превратиться в газ. На практике один конец помещают рядом с источником тепла, а другой — там, где требуется тепло. В горячем конце жидкость испаряется. Как вы помните, для изменения состояния требуется много тепла. Затем газ движется конвекцией к более холодному концу, и когда он попадает туда, он повторно конденсируется, выделяя таким образом много тепла. Жидкость возвращается к горячему концу, чтобы продолжить цикл.

Объединение тепловых трубок в конструкции с вакуумированными трубками делает солнечный тепловой коллектор очень эффективным.Однако вакуумированные трубки хрупки по сравнению с плоскими коллекторами и со временем могут потребовать большего обслуживания.

Солнечная тепловая энергия для кондиционирования воздуха

Компрессионный холодильный цикл

Происхождение: gringer, производное от Phase_change_heat_pump.png от Jleedev; доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_change_heat_pump.svg
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Это может показаться странным, но тепло можно использовать для охлаждения. Чтобы понять это, давайте рассмотрим основы работы холодильников и кондиционеров. Механический холодильник — это устройство, используемое для извлечения большого количества тепла из одной области и рассеивания его в окружающей среде. Он основан на сжатии и расширении.В холодильниках вещества, называемые хладагентами, циркулируют между жидкой и газообразной фазами. Как вы помните, для испарения жидкости требуется много скрытого тепла. И та же скрытая теплота выделяется, когда газ снова конденсируется в жидкость. В механических холодильниках используются двигатели, которые вращают насосы, которые повышают давление хладагента, превращая его в жидкость. Жидкости под давлением затем дают возможность расшириться и вернуться в газообразное состояние. Когда это происходит, он забирает тепло из окружающей среды. В оконном кондиционере тепло, выделяемое в фазе сжатия, обменивается с наружным воздухом.Тепло, забираемое во время фазы расширения, исходит от воздуха в здании.
Абсорбционный холодильный цикл

Происхождение: DOE
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

Второй вид охлаждения называется абсорбционным.Как и компрессионное охлаждение, в абсорбционном блоке также используется хладагент. Однако он работает на тепловой энергии, а не на механической энергии. Цикл начинается, когда хладагент испаряется (переходит из жидкости в газ) под низким давлением. Это испарение отводит тепло из желаемой области, например, изнутри холодильника. Теперь теплоноситель газообразный хладагент абсорбируется (растворяется) в другом веществе, находящемся в жидкой фазе. Затем смесь хладагента и абсорбента попадает в место, где она нагревается.Под воздействием тепла хладагент выкипает из абсорбента, превращаясь в свободный газ. Затем хладагент проходит через теплообменник для сброса тепловой энергии и повторно конденсируется в жидкость. Теперь он готов к перезапуску цикла охлаждения.

Абсорбционные холодильники, работающие на пропане, используются в транспортных средствах для отдыха и в каютах. Отработанное тепло электростанций и промышленных процессов приводит в действие большие кондиционеры, работающие в этом режиме. Солнечная энергия может использоваться в качестве источника тепла. Одна такая система, работающая исключительно на солнечной энергии, находится в Южной Африке, о ней рассказывается на сайте: кондиционер на солнечной энергии.

Абсорбционный кондиционер на основе тепла требует много тепла. Другой подход — объединить преимущества абсорбционной и компрессионной систем. В таких гибридных системах используется солнечный коллектор для перегрева хладагента, что требует меньше работы компрессорного гибридного солнечного кондиционера.

Солнечная энергия для производства пара и чистой воды

Портативная солнечная опреснительная установка

Место происхождения: Фото Министерства внутренних дел США, Бюро мелиорации https: // www.flickr.com/photos/usbr/169360/
Повторное использование: Attribution-ShareAlike 2.0 Generic (CC BY-SA 2.0) Бесплатно: Совместное использование — копирование и распространение материала на любом носителе или формате Адаптация — ремикс, преобразование и создание на материал для любых целей, даже в коммерческих целях.

Солнечная энергия может быть сконцентрирована для получения тепла, достаточного для испарения воды. Это полезно для очистки воды, так как пар оставляет после себя растворенные или взвешенные примеси, такие как соли и металлы.Пар улавливается, охлаждается и конденсируется для получения чистой воды. Посмотрите это видео на YouTube о простом солнечном газе для обеспечения чистой водой.

Исследователи из Массачусетского технологического института недавно изобрели солнечную губку из черного углеродного волокна, которая плавает на поверхности воды. Он улавливает солнечный свет и преобразует его в тепло, которое испаряет воду. Поскольку тепло концентрируется на влажной губке, оно не передается в объем воды ниже, что обеспечивает очень эффективный процесс. Посмотрите это видео на Youtube о черной солнечной губке MIT.Массачусетский технологический институт также работает над технологией обратного осмоса для разработки портативных солнечных опреснительных установок для использования вблизи соленой воды.

Собирать мысли: системное мышление и рефлексия

Вы только что узнали об истории использования солнечной энергии для создания тепла и выполнения работы. Уделите несколько минут, чтобы подумать, как все это сочетается. Что регулирует температуру на планете? Как люди на это влияют? Думайте о Земле и ее атмосфере как о системе.Петли положительной обратной связи дестабилизируют системы, а петли отрицательной обратной связи приносят стабильность. Глобальное потепление приводит к таянию морского льда Северного Ледовитого океана, поэтому летом солнечный свет будет падать на голубую воду, а не на белый лед. Из того, что вы узнали, как это повлияет на скорость поглощения тепла? Таяние льда также облегчает добычу нефти в Северном Ледовитом океане. Будет ли это механизм отрицательной или положительной обратной связи для потепления планеты?

Когда вы проведете практические эксперименты, вы заметите, что солнечные коллекторы, которые вы тестируете, и солнечная печь, которую вы используете, нагреваются до определенной температуры и не нагреваются.Думайте об этих устройствах как о системах . Почему стабилизируется температура? Что происходит с превращением дополнительной энергии в тепло? Не могли бы вы каким-то образом модифицировать духовку или солнечный коллектор, чтобы они достигли более высокой температуры?

Каковы были бы плюсы и минусы использования солнечной энергии для нагрева воды или кондиционирования воздуха в кампусе вашего колледжа?

Солнечная энергия — Преобразование — Энергия студентов

Солнечные тепловые системы имеют несколько преимуществ.«Топливо», на котором они работают, является бесплатным и возобновляемым, поэтому эти системы дешевы в эксплуатации и могут заменить некоторые виды обычного топлива ². Солнечная энергия — это источник энергии без выбросов. Наконец, солнечные тепловые системы относительно не требуют особого обслуживания, поскольку в них используются более простые технологии и пассивные системы, не имеющие движущихся частей. В случае CSP способность технологии производить крупномасштабную генерацию является преимуществом для регионов, которые используют централизованную систему распределения электроэнергии.

Несмотря на обилие солнечного света, многие аспекты солнечного света могут вызвать проблемы при использовании солнечных тепловых систем. Солнечный свет не является очень концентрированным источником энергии, поэтому для производства разумного количества энергии может потребоваться большая площадь, что вызывает озабоченность по поводу землепользования ¹. Солнечный свет также бывает прерывистым, и его доступность зависит от местоположения ².

Расположение установок CSP создает дополнительные проблемы для технологии. Многие из них обычно расположены в отдаленных пустынных районах, и, учитывая, что паровые турбины вырабатывают электроэнергию для CSP, доступ к воде и быстрое испарение являются ключевыми факторами, влияющими на жизнеспособность технологии.Кроме того, передача электроэнергии на большие расстояния обходится дорого и может привести к потерям при распределении.

Наконец, практические проблемы, такие как первоначальные капитальные затраты и осведомленность о солнечных тепловых технологиях, также могут быть препятствиями на пути их внедрения в некоторых странах.

Пример использования

Солнечная теплоэнергетическая установка Иванпа — Сухое озеро Иванпа, Калифорния

Система вырабатывает чистую и надежную солнечную электроэнергию в более чем 140 000 домов. Более 300 000 зеркал с программным управлением отслеживают солнце в 2D и отражают его в котлы, расположенные на трех высоких башнях, каждая по 459 футов в высоту.Когда концентрированный солнечный свет попадает на трубы котлов, вода нагревается, образуя перегретый пар. Затем пар направляется от котла к турбине. Там вырабатывается электричество, а линии электропередачи распределяют электроэнергию по домам и предприятиям. Миллионы метрических тонн выбросов CO2 исключаются, и вся вода возвращается в систему через замкнутую систему ⁴.

Принятие мер

Вы можете узнать больше о проектах, ассоциациях и карьерных возможностях солнечных батарей, перейдя по следующим ссылкам:

Международное общество солнечной энергии (ISES)

Ассоциация предприятий солнечной энергетики

Соляриты

Солнечная тепловая энергия: что вам нужно знать

Время чтения: 3 минуты

Есть два основных метода использования энергии солнца: либо путем выработки электроэнергии напрямую с помощью солнечных фотоэлектрических панелей, либо путем выработки тепла с помощью солнечных тепловых технологий .Хотя два типа солнечной энергии похожи, они различаются по стоимости, преимуществам и применению.

Что такое солнечная тепловая энергия?

Солнечная тепловая энергия инкапсулирует любую технологию, которая принимает солнечный свет и преобразует его в тепло. Затем это тепло можно использовать для трех основных целей: для преобразования в электричество, для нагрева воды для использования в вашем доме или на работе или для обогрева помещений в вашем доме. Каждый из этих вариантов требует различных технологий, но все они используют силу солнца, чтобы компенсировать некоторую часть ваших потребностей в энергии.

Солнечная тепловая энергия отличается от солнечной фотоэлектрической энергии тем, что солнечные тепловые технологии используют солнечное тепло для производства энергии, в то время как солнечные фотоэлектрические установки используют преимущества «фотоэлектрического эффекта» некоторых полупроводников, таких как кремний, для создания потока электричества прямо от солнца. лучи.

Солнечные тепловые электростанции

Использование солнечных тепловых технологий для выработки электроэнергии является наиболее популярным для крупных солнечных проектов коммунального масштаба. В этом процессе зеркала фокусируют солнечное тепло на коллектор, где жидкость превращается в пар для вращения турбины.Эти типы электростанций обычно называются , концентрирующими солнечную энергию (CSP) , поскольку они используют зеркала для «концентрации» солнечного света на установленном коллекторе (обычно на центральной башне или трубах перед каждым из рядов панелей).

Установки CSP большие и мощные — они, как правило, рассчитаны на мощность не менее 100 мегаватт, что более чем в 10 000 раз больше, чем в среднем в жилых помещениях. По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и Ассоциации предприятий солнечной энергетики, в настоящее время в США запущено 11 проектов CSP.

Солнечная горячая вода

Вместо того, чтобы полагаться на природный газ или электричество для питания вашего водонагревателя, солнечные термальные водонагреватели позволяют преобразовывать солнечное тепло в горячую воду для вашего дома или бизнеса. Для этих систем требуется солнечный коллектор (иногда называемый «солнечными тепловыми панелями»), который передает солнечную энергию воде, а также резервуар для хранения, который затем собирает и сохраняет воду, нагретую солнечными батареями, для дальнейшего использования. Чтобы узнать больше о том, как работают эти технологии, ознакомьтесь с нашим объяснением по солнечной горячей воде.

Солнечное тепловое отопление

Существует два способа обогрева вашего дома с помощью солнечной тепловой технологии: активное солнечное отопление и пассивное солнечное отопление. Активное солнечное отопление — это способ применить технологию солнечных тепловых электростанций в вашем доме. Солнечные тепловые коллекторы , похожие на солнечные фотоэлектрические панели, располагаются на вашей крыше и передают собранное тепло в ваш дом либо через теплообменник, либо через трубопровод, по которому горячая вода проходит через ваш дом.

Второй метод отопления дома с помощью солнечной тепловой технологии, пассивное солнечное отопление , не включает и не требует каких-либо механических процессов.Вместо этого он использует дизайн вашего дома — например, путем установки больших окон, выходящих на юг, — для сбора и хранения тепла от солнца, чтобы затем излучать его в окружающую среду вашего дома в течение дня.

Как активное, так и солнечное отопление — отличные варианты для домов с высокими тепловыми нагрузками в холодных и солнечных местах. Эти технологии могут значительно сократить количество электроэнергии или топлива, которое вы используете для отопления дома или офиса. Пассивное солнечное отопление особенно рентабельно для нового строительства, потому что оно позволяет строителям включить пассивное солнечное отопление в первоначальные планы строительства вашего дома или бизнеса.

Сравнение солнечной тепловой энергии с солнечной фотоэлектрической системой

С таким большим количеством различных типов солнечных тепловых технологий, и может быть сложно провести аналогичное сравнение с солнечной фотоэлектрической системой. Тем не менее, разделение вопроса на сравнение солнечных фотоэлектрических систем с технологией CSP, солнечное отопление или солнечное горячее водоснабжение по отдельности позволяет проводить одноразовые сравнения.

Например, в больших масштабах установки CSP более эффективны, чем стандартные солнечные фермы. Однако объекты CSP требуют большого количества земли и подходят только для определенных географических областей страны или мира.

На бытовом уровне пассивное солнечное отопление — отличный способ спроектировать ваш дом, чтобы снизить общее потребление электроэнергии в течение всего срока службы вашего дома, и является идеальной системой для соединения с солнечными фотоэлектрическими батареями, поскольку она будет влиять на каждую солнечную батарею. панель, которая намного больше. Активное солнечное отопление и солнечное термальное горячее водоснабжение следует оценивать в сравнении с солнечными фотоэлектрическими батареями в каждом конкретном случае. Какая технология имеет наибольший финансовый смысл для вашего дома, может быть сочетание технологий, определяемых спецификой вашего местоположения, электрической нагрузкой и общими потребностями в отоплении или горячей воде.

Компенсируйте использование энергии в доме за счет солнечной энергии

В то время как солнечные тепловые технологии позволяют компенсировать потребности в энергии для отопления дома за счет солнечного тепла, установка солнечных фотоэлектрических панелей на вашем участке позволяет компенсировать большую часть — или все! — ваших потребность дома в энергии с солнечной энергией.