Технології використання сонячної енергії у різних кліматичних зонах (широтах) світу

Потенціал сонячної енергії, що надходить на Землю в 5000 разів більше за потенціал вітрової енергії, і в 1500 разів більше за потенціал гідроенергії [1]. При цьому прийнято, що без шкоди для екології навколишнього середовища може бути використано 1,5% всієї сонячної енергії, що падає на Землю [2].

Відомо, що потужність сонячної радіації на поверхні Землі становить 1,75 10 17 Вт, що еквівалентно 5,4 10 24 Дж енергії на рік. Це у 10 разів перевищує загальносвітові запаси органічного палива, які оцінюються у 6,9∙10 23 Дж, або у 1000 разів перевищує прогнозоване до кінця століття загальносвітове енергоспоживання, що дорівнює 15,3∙10 20 Дж. Отже, використання навіть 0,1 % сумарного енергетичного потенціалу сонячної радіації дозволить цілком задовольнити енергетичні потреби людства остаточно XXI століття.

У сонячній енергетиці сьогодні виділяють 3 основних напрями: сонячні водонагрівальні установки (колектора), сонячні електростанції (СЕС) та фотоелектричні перетворювачі (ФЕП). Сонячні водонагрівальні установки зазвичай є плоским сонячним колектором, в якому нагрівається вода, повітря або інший теплоносій. Ці пристрої характеризуються величиною площі нагріву. Сумарна площа сонячних колекторів у світі досягає 50 - 60 млн. м 2 , що еквівалентно 5 - 7 млн. т у. т. на рік. В Україні їх застосування незначне. Хоча навіть за умов Сибіру можливий корисний ефект.

Перетворення сонячного випромінювання на тепло (фототермальне перетворення) може бути як пасивним (з використанням пасивних солярних елементів будівель - засклені фасади, зимові сади), і активним (з використанням додаткового технічного устаткування). Ці відмінності можна наочно продемонструвати за допомогоюсхеми малюнку 1.

Малюнок 1 - Схема використання сонячної енергії

Перевагою пасивних систем і те, що їх експлуатації не потрібно ніякого додаткового устаткування. Використовується сонячне світло, яке потрапляє всередину будівлі (споруди) через вікна або прозорі конструкції. Дану систему слід проектувати з урахуванням максимального використання енергії, що надійшла, для інших приміщень. Найкращим тут є капітальні будинки, що дозволяють на нетривалий час акумулювати надлишок енергії. Принциповим тут також є вид та регулювання системи опалення.

Пасивна система має становити з будинком єдине гармонійне ціле; цього найпростіше досягти в нових спорудах. Старі будинки можна реконструювати (зробити засклені прибудови, веранди тощо). Однак тут необхідно брати до уваги ризик перегрівання будівлі в літній період, для чого потрібна установка відповідної системи вентиляції, акумулювання тепла будівельними конструкціями.

Енергетична вигода пасивної системи залежить від способу використання будівлі – наприклад, додаткове скління лоджій економічно вигідне лише в тому випадку, коли вона взимку не опалюється.

Такі активні системи, як плоскі та трубчасті колектори, практично завжди можна встановити на будь-яку існуючу будівлю. Вони використовуються, перш за все, для сезонного або цілорічного нагріву води або повітря (в опалювальний період повітря, що надходить у будівлю під час провітрювання), підігріву води в басейнах та для додаткового опалення будівель. Проте надлишки енергії у літні місяці часто не знаходять застосування.

Як правило, в середній смузі України протягом зими сонячної енергії настільки мало, що і приВикористання вакуумних колекторів для покриття поточних потреб потрібні досить великі площі. Навпаки, влітку спостерігається значний надлишок теплової енергії, і малоефективні колектори одержують достатньо сонячної енергії.

Базовим конструктивним елементом сонячного колектора є абсорбер, наприклад, плоска панель, що поглинає, з трубками для відведення теплоакумулюючого робочого тіла. Приміщенням абсорбера під скляну панель створюється сонячний колектор, який використовує «парниковий ефект». Залежно від виду робочого тіла колектори поділяються на рідкі та повітряні, або комбіновані.

Солярні абсорбери перетворюють сонячне випромінювання на теплову енергію (довгохвильове випромінювання). Ця енергія за допомогою робочого тіла (рідина, повітря) подається до місця використання або акумулюється.

За формою колектори поділяються на плоскі та трубчасті (оснащені абсорбером, запаяним у вакуумну трубку). Вакуум знижує втрати тепла та підвищує ефективність при отриманні більш високих температур на виході.

Високоякісні колектори оснащені абсорбером, оснащеним спектрально-селекційним шаром (особливий чорний колір або гальванічне покриття), вони мають більш високу ефективність і можуть перетворювати і розсіяне сонячне випромінювання. Засклення також робиться за допомогою спеціального скла, що має низьку здатність поглинання сонячного випромінювання і підвищену механічну міцність.

У концентруючих колекторах торцева (лінеарні лінзи Фреснела) або поверхня, що відбиває (увігнуте скло), концентрує випромінювання на меншій абсорбуючій площі. Таким чином, досягається отримання більш високих температур та більшої ефективності. Для цих колекторів, як правило, необхідне встановлення обладнанняз поворотним механізмом, за допомогою якого можна змінювати положення колектора або абсорбера за рухом сонця.

Найкраще солярна система працює, коли вона спроектована з урахуванням реальних місцевих умов (проведення розрахунків, розміщення колекторів та спосіб використання), на підставі наступних вихідних даних:

кількості сонячного годинника та інтенсивність сонячного випромінювання, що змінюється залежно від забруднення атмосфери (місто, сільська місцевість, гори);
річні коливання зовнішніх температур, вітру чи інших ускладнюючих метеорологічних явищ, насамперед, зледеніння, оскільки воно зумовлює теплові втрати колектора;
становище - ідеальне становище на південь (або з невеликим відхиленням 45⁰); південно-західне положення є доцільним, оскільки максимальна продуктивність системи настає, як правило, близько 14 годин, коли у зв'язку з максимальною денною температурою повітря втрати мінімальні; автоматичний поворот колектора за рухом сонця не економічний;
нахил сонячних колекторів для цілорічної експлуатації в середній смузі України може становити від 30 до 60⁰ щодо горизонту, в літні місяці більш вигідний кут 30⁰, а в зимові - 60⁰;
затінення колекторів небажане, короткочасне затінення допускається в ранковий час;
теплоспоживання протягом року в ідеалі має повторювати зміни сонячного проміння. Більше підходять багатоквартирні будинки та котеджі. Школи, навпаки, дуже підходять, оскільки у період найінтенсивнішого сонячного випромінювання вони, зазвичай, не використовуються.

Колектора з природною циркуляцією робочого тіла використовують у дуже простих мініатюрних системах, призначених насамперед для сезонногообігріву. Перебіг робочої рідини в системі відбувається завдяки різниці щільності охолодженої та нагрітої теплоакумулюючої рідини. Накопичувач необхідно помістити вище за колектор. Недоліком тут є низька регульованість масообміну (нижча продуктивність). Більшість сучасних колекторів спроектовано на примусову циркуляцію рідини і у зв'язку з високим гідравлічним опором не придатне для природної циркуляції. Хоча переваги очевидні; нижчі витрати на експлуатацію, максимальна простота, незалежність від зовнішнього джерела електроенергії, висока надійність.

У колекторах із примусовою циркуляцією робочого тіла використовують циркуляційний насос. Перевагою тут є точне регулювання проходження робочого тіла через колектор, що забезпечує більшу ефективність передачі тепла. Зменшення потоку рідини через гідравлічні втрати можна компенсувати зміною частоти обертання робочого органу насоса. Недоліком є вищі витрати на експлуатацію, більша складність системи, нижча надійність, ризик відключення насоса, залежність від зовнішнього джерела електроенергії.

Одноконтурні системи безпосередньо нагрівають воду без теплообмінника. Перевагою тут є висока ефективність передачі тепла, нижчі витрати на експлуатацію, простота. Недоліком є можливість використання тільки для сезонної експлуатації (басейни), ризик ймовірності розмноження бактерій і водоростей, при низьких температурах є ризик замерзання води. Використання необробленої водопровідної води призводить до засмічення та корозії колектора та всієї системи. Використовується виключно у найпростішому устаткуванні для сезонного нагрівання води.

Двоконтурні системипрацюють з двома теплообмінниками та двома незалежними контурами. За першим контуром нагріта робоча рідина подається з колектора в теплообмінник. Другий контур забирає тепло з теплообмінника та передає його до місця використання (накопичувач). У перший контур, як правило, заливається рідина, що незамерзає. Перевагою є можливість цілорічної експлуатації. Різниця тиску в контурах дає можливість подачі різних носіїв. Недоліком є нижча ефективність внаслідок втрат у теплообміннику, вищі витрати на експлуатацію та складність конструкції.

Істотною перевагою колекторів є те, що поряд з прямим сонячним випромінюванням вони сприймають розсіяне випромінювання, відбите від хмар, предметів тощо. [3]. Розсіяне випромінювання постає як світло неба; якби його не було, то і вдень небо залишалося б чорним, з чітким та яскравим сонячним диском.

Для нагрівання води в літній період (басейн, душ) достатньо використання одноконтурної системи з простим абсорбентом (пластикова панель з порожнинами для води, що підігрівається). Для цілорічної експлуатації найчастіше використовується двоконтурна система з колекторами, теплообмінником і робочим тілом першого контуру, що незамерзає.

Сонячна енергія також може акумулюватися в накопичувачах типу щебінь та ін. Однак чим триваліший період накопичення, тим дана система дорожча і менш економічна; тому найчастіше використовується короткочасна акумулювання (кілька днів) у поєднанні з гнучкими опалювальними системами, що знижують свою потужність, якщо в засклені приміщення надходить сонячна енергія.

На територіях із високим рівнем забруднення атмосфери необхідно враховувати скорочення ефективного випромінювання на 5 – 10%, іноді до 15 – 20 %. На територіях, що знаходяться на висоті від 700 до 2000 м над рівнем моря, слід враховувати збільшення ефективного випромінювання на 5%.

У таблиці 1 наведено характеристики одного із секторів сонячної енергетики - сонячних колекторів основних типів

Таблиця 1 - Характеристика основних типів сонячних колекторів[5]