10 Апреля 2018

Солнечные коллекторы - история устройства, принцип работы и современные варианты разработок

Опубликовал К.В. Кулик

         Солнечное излучение – основной возобновляемый ресурс на планете. Использование энергии солнечного излучения особенно эффективно в южных регионах, где с одного метра квадратного облучаемой поверхности можно получить такое количество тепла, которой будет достаточно для выработки более 1000 кВт/ч в год, что эквивалентно теплоте, образуемой  сгоранием 500 кг угля. В наше время вопрос исследования и проектирования установок данного типа особенно актуален, ведь цены на энергоносители увы не уменьшаются, а совсем наоборот. Получить из солнечной радиации, которая попадает на земную поверхность, максимально возможную пользу и сократить потребление всех остальных энергоносителей – идея, которая разрабатывается и исследуется специалистами давно.

       Появление солнечных батарей и их практическое применение

         Создание солнечных батарей берёт своё начало ещё в 19 веке. Технология получения электричества из солнечной энергии с помощью специально предназначенных для этого пластин и устройств аккумулирования постоянно развивалась. В 1839 году Беккерелем была предложено устройство химического аккумулятора, вырабатывающего энергию под воздействием солнца. КПД этого устройства вряд ли мог впечатлить, поскольку составлял всего лишь 1%. Спустя несколько десятков лет была открыта чувствительность селена к свету, а затем его токопроводимость под воздействием лучей света. В Калифорнии такие простые солнечные батареи использовались для нагревания воды.

         Объяснение Альбертом Эйнштейном явления фотоэффекта побудило учёных надеяться на то, что теперь будут созданы более эффективные устройства для аккумулирования и преобразования солнечной энергии. Но КПД новых устройств всё так же оставался незначительным. Так продолжалось вплоть до середины 20 века, когда были проведены необходимые исследования в области полупроводников. Это дало возможность создать фотоэлемент уже кремниевым, и его КПД составил 4%. Дальнейшее развитие этой технологии позволило повысить его до 15% и их начали использовать на протяжении долгих лет  для питания системы телефонной связи в сельской местности и городах, находящихся на большом отдалении от региональных центров. Исторически складывалось такое положение дел, при котором солнечная энергия активно использовалась и развивалась в тех «солнечных» регионах и странах, где дороговизна теплоносителей вынуждала к поиску более доступной энергии.

         Так, например, она активно использовалась вплоть до 1940х годов в США. Стоит заметить, использовалась она только в южных штатах. В Израиле 1950х годов существующая проблема дефицита и дороговизны теплоносителей вынуждала накладывать ограничения на нагревание воды в вечерние и ночные часы. Это заставило искать эффективное решение проблемы. Им стали солнечные коллекторы и малые солнечные установки для нагрева воды. Затем, в 1970х годах под их использование была отведена и законодательная база. Все строящиеся здания жилищного сектора обязывались иметь солнечные установки для нагрева воды на собственные нужды. Такая политика государства привела к тому, что теперь 85% всех домашних хозяйств обеспечивают себя сами благодаря солнечной энергии.

         Пусть солнечные батареи пока не могут полностью взять на себя функцию основного источника энергергообеспечение и более того – до этого очень и очень далеко и это практически нереализуемо в ближайшее время, однако они с успехом покоряют космические просторы в самом прямом смысле: их используют в качестве источника энергии искусственные спутники Земли, потому что топливные батареи имеют слишком большой вес и не столь эффективны, как лёгкие солнечные аккумулирующие системы.

         Новый виток популярности солнечные коллекторы получили в 2000х годах. Стремительное удорожание энергоносителей  и производимого, как следствие, тепла – благоприятные условия для развития нетрадиционной энергетики в целом. Так начался новый этап для производства и использования солнечных коллекторов. Уже к началу 2010 года их общая мощность составила более 150 ГВт.

         Существуют особые типы организации систем солнечных установок. Сюда относятся солнечные парки, то есть последовательная система солнечных электростанций, расположенных определённым образом. Их особенность в огромном потенциале аккумулируемой энергии.

         Крупномасштабных фотоэлектрических установок не так много. Солнечные установки в основном решают локальные проблемы с энергообеспечением. При суммарной огромной мощности поступающего на Землю тепла от Солнца рационально использовать её действительно полно пока не удаётся. Этому мешают пока что недостаточная мощность солнечных батарей и суточная непостоянность солнечного излучения. Она может улавливаться поверхностью земли в среднем не более 9 часов. С учётом этих факторов и существующих тенденций можно говорить о покрытии энергетических затрат человечества солнечными батареями пока что лишь на 3-5%. Однако к примеру в Китае суммарная площадь геоколлекторов превышает 145 млн.кв.м. а их мощность в целом составила 100 ГВт. С учётом того обстоятельства, что около 15 лет назад количество солнечных коллекторов здесь было невероятно мало, это впечатляет. Свою решающую роль здесь играют инвестиции и государственные субсидии, вкладываемые в развитие солнечных установок.

         Срок окупаемости таких установок невелик – то количество солнечной энергии, которое ими улавливается с последующей выработкой тепловой и электрической энергии с лихвой покрывает все затраченные средства.

         Своеобразная «прелесть» геоколлекторов состоит в их относительной общедоступности по сравнению с другими типами установок альтернативной энергетики, а также тому обстоятельству, что их использование может частично решить или решить полностью проблему с горячим водоснабжением и отоплением в отдельном объекте – например, в частном доме.

         Коллекторы более эффективны в сравнении с фотоэлектрическими элементами. Последние используют всего 14-18% поступающей к ним солнечной энергии, тогда как солнечные коллекторы используют 70-85%.

         Осваивание солнечной энергии осуществляется по таким направлениям, как разработка и внедрение систем солнечного горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования; разработка фотоэлектрических установок автономного пользования; разработка и введение в эксплуатацию солнечных электростанций с паротурбинным циклом.

         Солнечная энергия в состоянии покрыть до 60% энергетических затрат на подогрев воды в системах горячего водоснабжения. Добавив сюда ещё и отопление можно съекономить ещё больше - до 35% годовых расходов на теплоносители.

         Солнечное излучение может использоваться пассивно либо активно. Пассивные методы полагают получение его без технических средств, как например мы получаем свет просто сквозь окна, ещё одним примером могут послужить также и зимние сады. Активные методы же напротив предполагают использование технологий различного плана. К ним можно отнести получение тепловой и электрической энергии.

         Основной показатель, определяющий то количество энергии, которое можно получить путём переработки солнечного излучения в тепловую энергию называется уровнем инсоляции. Он зависит от разных показателей, таких как время года, площадь принимающей излучение поверхности, угол её наклона к горизонту и степени поглощения поверхностью солнечных лучей.

         Потенциал использования солнечной энергии настолько велик, что при должном и полном использовании мог бы покрыть все энергетические затраты человечества. Однако этому не позволяют осуществиться многие факторы. То, что мы видим и привыкли называть солнечным светом — лишь малая, видимая нам часть спектра, однако именно эта часть имеет наивысшую интенсивность излучения.

         Из-за влияния атмосферы на Землю из получаемых 1367 Вт/м.кв. достигает 1000 Вт/м.кв. Случается это из-за того, что часть излучения поглощается атмосферой, часть отражается облаками, а часть вообще рассеивается внутри неё ею же самой. Тем не менее, большая часть солнечного излучения достигает Земли. Часть его тоже отражается, а часть поглощается поверхностью, вследствии чего она и нагревается, а сумма рассеянного и поглощённого излучения называется суммарным излучением. Доля рассеянного излучения во многих странах Восточной Европы составляет около 50%. Разница между этими типами излучения существенна и важна для расчёта гелиоцентрических систем, ведь многие из них, а именно концентрирующие используют прямые лучи света.

         Интенсивности излучения также мешает путь, который лучи проделывают сквозь атмосферу, то есть длина пути через толщу его слоя. Этот эффект называется "воздушная масса". Самый краткий путь попадания на землю — когда лучи ложатся под углом 90 градусов к поверхности. Основным элементом гелиосистемы является коллектор, задача которого условно говоря — собирать и концентрировать рассеянные по его поверхности лучи, вернее, ту энергию, которую они в себе на него приносят.

       Устройство и принцип работы солнечного коллектора

         Такая установка состоит из солнечного коллектора, устройства аккумулирования и теплового контура. Принцип работы солнечной установки следующий. В солнечном коллекторе, имеющим зачастую плёночную поверхность, если мы говорим о современной технологии их изготовления, по малым капиллярам циркулирует теплоноситель, где и нагревается до необходимой температуры. Затем он отводится в теплообменник, где полученное при нагревании солнечными лучами тепло отдаёт воде, которая хранится в баке-аккумуляторе, а потом по мере надобности отводится в систему горячего водоснабжения и/или отопления. Охлаждённый теплоноситель циркуляционным насосом закачивается  в коллектор.  Для подогрева воды в случае надобности используются тепловые дублёры, чаще электрические. Такие установки зачастую двухконтурные. Циркуляция теплоносителя может быть естественной и принудительной – в последнем случае играет роль специальное расположение компонентов системы.

         Солнечные коллекторы бывают плоскими и вакуумными. В быту мы сталкиваемся с простыми коллекторами солнечной энергии – это и стальная бочка, и ПЭТ тара, нагревающиеся на солнце, однако принято именовать коллектором именно специальное технологическое устройство, предназначенное для преобразовательных процессов, вследствие которых солнечная энергия превращается в тепло.

         Устройство плоских коллекторов таково, что основным элементом в ней является металлическая пластина. Она называется абсорбером, и для того, чтобы она поглощала как можно больше солнечной радиации её покрывают специальным покрытием. Также в этой конструкции задействован трубопровод, который припаивают к абсорберу. Лицевая сторона корпуса, в который заключается вся эта конструкция, прозрачна дабы обеспечивать проникаемость солнечным лучам, но в то же время обезопасить сам коллектор от теплопотерь, тыльная же сторона утепляется. Этот тип геоколлектора работает по принципу парникового эффекта. Чтобы повысить эффективность геоколлектора на абсорбер наносится селективное покрытие, что делает его использование дороже. Корпус коллектора делается максимально герметичным для того, чтобы снизились теплопотери особенно в холодное время года, которые являются уязвимым местом коллекторов такого типа. Устройство является очень простым, и традиционным для большинства систем. Плоские коллекторы имеют большую эффективность в тёплую пору года.

         Трубчатые вакуумные установки гораздо более просты в установке, если говорить о «традиционном» способе монтажа – на кровлю. Устройство трубчатого коллектора представляет собой стеклянную колбу, заполненную вакуумом, который позволяет снизить конвективные теплопотери в окружающую среду. Но главным преимуществом таких коллекторов является не только их конструктивная особенность, но и возможность работы при минусовых температурах. Выше уже отмечалось, что плоские коллекторы не могут быть эффективными при таких температурных условиях.

         Кроме снижения теплопотерь вакуумные коллекторы имеют способность улавливать и рассеянные солнечные лучи. Это значит, что даже при условиях плохой погоды они всё равно будут улавливать солнечное излучение.

       Системы нагрева воды в солнечных коллекторах

         В зависимости от типа выбранной системы для отопления или ГВС, а также своего назначения система нагрева воды в солнечных системах может быть пассивной или активной. Это зависит от того, какая технология была выбрана. Как и следует логике, более затратной, дорогой и эффективной будет активная система нагрева воды, когда сам процесс контролируется и отслеживается, в системе используются термодатчики и регуляторы, автоматизированные линии подачи воды и дистанционные регулирующие органы, подача теплоносителя будет осуществляться посредством циркуляционного насоса. Утечка теплоносителя, теплопотери, износ оборудования – всего этого возможно если не полностью избежать, то хотя бы вовремя предупредить благодаря системе контроля. Отличительным признаком такого типа системы будет бак-аккумулятор. В активной схеме он будет находится внутри помещения.

         В пассивной системе устройство проще. Здесь бак располагается таким образом, чтобы теплоноситель двигался под силой тяжести. Это значит, что бак расположен высоко, а солнечный коллектор установлен ниже. Вода здесь циркулирует естественным образом. Вся сложность данного процесса состоит в закачке в систему воды.

       Чем выгодны гелиосистемы в сравнении с традиционными способами получения тепла

         В первую очередь, выгода начинается с самого выбора используемого теплоносителя. И если в традиционной энергосистеме используются более дорогие вещества, то солнечные установки для этого используют воду. Излучение солнцем тепла является повсеместным и постоянным, и единственной проблемой для его получения могут быть угол падения солнечных лучей, времена года, суточный цикл, а для постройки масштабных электростанций на таком типе энергии потребует огромных площадей, если мы говорим о глобальной цели – заменить привычные тепло- и электростанции на СЭС.

         Вместе с тем, использовать сравнительно малые установки для личного или локального пользования вполне рационально и выгодно, ведь окупаемость их достаточно быстра. Если стоит задача снизить траты на электроэнергию, решение установить гелиосистему для нагрева воды будет экономически оправданным, ведь это сократит подобные затраты на величину от 30% в самом неоптимистичном предположении. Для автономного использования хватит и установки мощностью до 15 кВт.

         Солнечная установка способна прослужить 30 лет, окупаемость в зависимости от типа установки может составить время от 5 лет. В процессе эксплуатации придётся лишь заменять некоторые компоненты и проводить плановые мероприятия по обслуживанию установки. Надёжность таких систем также немаловажный плюс. На окупаемость же гелиосистемы может повлиять несколько факторов. Сюда входит и инфляция, скачки цен на электроэнергию, цена на элементы солнечной установки.

         Преимущество солнечных установок перед другими видами получения энергии состоит в их экологической безопасности. Они не продуцируют сотни тонн высокоопасных отходов в год, не сбрасывают ядовитых веществ в окружающую среду. Их элементы в основном безопасны и вполне могут перерабатываться вторично. Утечка теплоносителя не приводит к столь плачевным результатам, как например утечка метана, нефти, радиоактивных веществ. Всё, чем в основном может навредить используемый в солнечном коллекторе теплоноситель – коррозия металла.

       Факторы, обуславливающие выбор конкретного типа коллектора

         Есть несколько аспектов, влияющих на выбор типа солнечной установки, которая будет использоваться. Это и конструктивные особенности, скажем, того места, где планируется установка, финансовые возможности, климатические особенности. С одной стороны, плоские коллекторы считаются более надёжными, ведь они заключены в прочный корпус, да и вообще – монолитны, а их поверхность защищена от механических повреждений. Но если внимательно изучить эту сторону вопроса, то становится ясно, что такие повреждения плоские коллекторы могут получить не так часто во многих местностях. И если сравнивать их с вакуумными коллекторами, то преимущество в надёжности является весьма условным. Коллекторы этого типа состоят из совокупности трубок и «рамки» корпуса. Если повреждается один элемент, его можно заменить, тогда как в плоском коллекторе его монолитность может сыграть злую шутку и повреждение в одном месте может вывести из строя его полностью.

         При выборе коллектора не стоит также забывать о том, какая цель будет у всей устанавливаемой системы и условиях окружающей среды. К примеру, если стоит задача оборудовать летний домик собственной системой горячего водоснабжения, не имеет смысл тратить вложения на проектирование и установку круглогодичного цикла выработки тепла. Для такой задачи подойдёт и система плоских геоколлекторов, тогда как для круглогодичной работы целесообразней будет применение вакуумных. Они предотвращают большинство теплопотерь благодаря своей конструкции, что было рассмотрено выше.

         Плоские коллекторы прекрасно собирают прямые солнечные лучи всей своей поверхностью. Современные типы таких коллекторов проектируются таким образом, чтобы их было легко снять и почистить, а также их угол наклона позволяет практически не беспокоится об осадках. Вакуумные коллекторы со своей стороны, легко растопят снег, скопившийся на их поверхности, собрать рассеянный свет при облачной погоде, и большую тепловую эффективность в холодный сезон.

         Нельзя сказать, что какой-то определённый тип коллектора имеет особое преимущество, ведь всё зависит от того, с какими целями устанавливается та или иная солнечная  система.

       Немного интересных фактов о геоколлекторах и их использовании

         Известно, что использование традиционных энергоносителей рано или поздно приведёт к тому, что они иссякнут. Нефть и газ – исчерпаемые ресурсы, в отличие от солнечной энергии. В среднем же на каждый метр квадратный земной поверхности приходится 3-9 кВт тепловой энергии, излучаемой Солнцем. Это значит, что рано или поздно любой энергетической системе придётся перестраиваться на использование солнечной энергии в качестве доступного источника тепла. Также её использование поможет решить проблему с особо удалёнными от тепловых магистралей регионами, нуждающимися в электричестве и тепле.

         Такая тенденция прослеживается и во всемирном использовании солнечных установок – за последние два десятка лет их использование возросло на 60%.

         Каждый киловатт, полученный посредством преобразования солнечной радиации, равен сжигаемым 77 кг угля на теплостанции, и косвенно спасает атмосферу от выброса в неё 135 кг диоксида углерода.

         Если разработать солнечные электростанции, чтобы построить их в пустыне Сахара, их проектная мощность составит 450 ТВт. Такого количества энергии хватит на все возможные потребности людей на нашей планете, потому что ежегодное потребление её составляет 13 ТВт.

         Самая крупная система гелиоустановок в мире находится в Германии – Баварский солнечный парк с мощностью в 10 ГВт. Арнштадтский солнечный парк конкурирует с ним за это звание, ведь недавно его мощность превысила порог в 12 МВт.

         Солнечное тепло является не только возобновляемым энергетическим источником, это также и естественный, не загрязняющий среду способ получения энергии. Иными словами, это новый и прогрессивный взгляд на выход из энергетического и экологического кризиса.