Солнечная энергетика 4 (стр. 6 из 10)
Подобная СВОС может работать только в специально спроектированных зданиях и сооружениях, имеющих минимум тепловых потерь, а также использующих высокоэкономичные бытовые энергопотребляющие приборы. В противном случае эффективность подобных СВОС будет невелика. Указанное деление СВОС на пассивные и активные весьма условно, так как и в пассивных СВОС могут применяться вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха. Эти термины (пассивные и активные) более характеризуют то, что энергия солнечного излучения в пассивных СВОС аккумулируется непосредственно в тепловых помещениях, а в активных энергия солнечного излучения преобразуется в тепло вне отапливаемых помещений в солнечных коллекторах.
Системы воздушного или водяного отопления обеспечивают температуры соответственно до 30˚С и 30 - 90 ˚С. В целом же низкотемпературные системы с аккумуляторами тепла обычно работают в диапазоне от 30 до 100 ˚С.
Пассивные СВОС (ПСВОС) имеют простую технологическую конструкцию, но могут обеспечить до 60 % всей отопительной нагрузки потребителя. Выделяют два основных типа ПСВОС. Системы с прямым (открытым) использованием солнечного излучения, поступающего через остекленные поверхности внутрь сооружения, конструкции которого являются непосредственными приемниками солнечного излучения и аккумуляторами теплоты. Эти системы наиболее просты, но имеют сильную зависимость теплового режима от прихода солнечного излучения во времени.
В закрытых ПСВОС поток солнечного излучения нагревает ту или иную конструкцию, служащую одновременно мощным аккумулятором теплоты, которая накапливается в них в периоды повышенного прихода солнечного излучения, и затем постепенно расходуется во времени, обеспечивая требуемый уровень обогрева сооружения. Например, ПСВОС, предложенная в 1961 г. А. Е. Морганом: днем солнечное излучение нагревает массивную стену сооружения, а в периоды его отсутствия аккумулированное тепло нагревает воздух во внутренних помещениях. Значительно более эффективными оказались предложения в виде теплонакопительной стены Tromble-Michel с тепловой циркуляцией воздуха вокруг неё, в том числе и принудительной. Для лучшего использования дневного солнечного излучения в ПСВОС эффективно применение различных специальных аккумуляторов тепла с разным циклом времени цикла аккумуляции (вплоть до сезонного перераспределения солнечного излучения во времени).
Используемые в ПСВОС аккумуляторы по виду физико-химичеких процессов, протекающих в них, можно разделить на три вида.
1. Аккумуляторы емкостного типа, использующие естественную теплоёмкость материала-аккумулятора без изменения его физического или агрегатного состояния: вода, природный камень (гравий, галька, водные растворы солей и т. п.). Этот способ наиболее прост технологически и наиболее распространен в ПСВОС. Для водонагревательных энергоустановок и жидкостных систем отопления лучшие показатели имеет вода, а для воздушных отопительных систем – галька, гравий и т. п. Однако последние требуют значительно большего объема и площади по сравнению с водяным аккумулятором (соответственно в 31,6 раза).
Количество теплоты
, кДж, аккумулируемое в подобных системах, можно найти по формуле: =m 
, (6)где m– масса теплового аккумулятора кг;
– удельная изобарная теплоемкость вещества-аккумулятора, кДж/(кг·˚С); 
и 
- среднее значение конечной и начальной температуры аккумулятора, К.2. Аккумуляторы на основе применения фазового перехода вещества (жидкое – твердое), в которых используется теплота плавления (твердения) вещества.
3. Аккумуляторы энергии, основанные на выделении – поглощении тепла при обратимых химических и фотохимических реакциях.
Пассивные СВОС весьма просты в эксплуатации. Однако, учитывая сильную зависимость их эффективности от солнечного излучения во времени, в них должны присутствовать некоторые простые устройства для регулирования поступления солнечного излучения в сооружение во времени. Для летних условий наличие обычных регулирующих заслонок в системах циркуляций воздуха и т. п.
Пассивные СВОС эффективны только при реализации сооружений с соблюдением в них условий по максимальному использованию солнечного излучения и энергосбережению.
В том числе: ориентация двухскатной крыши и теплопоглощающих стен по широте (вдоль оси восток-запад); 50 – 70 % всех окон необходимо расположить на южной стене при их двухслойном исполнении (все прочие – трехслойные); строительные конструкции должны иметь современную теплоизоляцию и минимум потерь за счет наружного воздуха; жилые комнаты должны быть с южной стороны здания, все прочие – с северной; должна существовать определенная простая система регуляции поступления солнечного излучения здание и т. п. КПД подобной ПСВОС для средних условий России равен 25 – 30 %, юга – 60%.
Для ПСВОС Tromble-Michel с водяной системой аккумуляции тепла солнечного излучения КПД достигает 35 %. Если же с южной стороны здания разместить солярий или теплицу, то ПСВОС подобного здания достигает 60 – 75 %, но с одновременным уменьшением количества тепла, поступающего непосредственно в жилые помещения (10 – 30 % тепла солнечного излучения, поступающего на теплицу или солярий).
Активные СВОС (АСВОС) значительно сложнее по своему техническому циклу. Активные СВОС могут быть реализованы на основе воздушного или водяного (жидкостного) теплоносителя. В качестве жидкостного теплоносителя используются: вода; 40 – 50 % раствор пропилен- или этиленгликоля, органические теплоносители и т. п. При этом возникает проблема защиты подобной АСВОС от замерзания зимой и коррозии, что полностью отсутствует в воздушных системах, которые, однако, менее эффективны, сем жидкостные.
6. Будущее солнечной энергетики в двигателях Стирлинга?
60 двигателей Стирлинга, питаемые энергией Солнца, готовы впервые начать промышленное производство электроэнергии в окрестностях Феникса (Аризона, США). Двигатели Стирлинга основаны на тепловом расширении газа. Они не получили широкого применения, но используются в космической технике.
Марикопа Солар (Maricopa Solar) - это станция - прототип мощностью 1,5 МВт, она вступает в эксплуатацию в начале января 2010. Генерирующие электричество модули разработаны SES (Stirling Energy Systems), находящейся в Аризоне. 1,5 МВт - лишь часть мощности, которую можно получить на основе модулей SES, первый шаг на пути коммерциализации технологии.
Двигатель впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году. Принцип работы двигателя прост: газ нагревается в одной камере, расширяется, поднимает поршень, заполняет камеру охлаждения, охлаждается, опускает поршень. Движения поршня используются для производства электричества.
В 1996 году SES приобрела проекты, разработки и патенты на производство двигателей Стирлинга на солнечной энергии. В течение следующего десятилетия SES в партнерстве с Сандийской Национальной Лабораторией (США) усовершенствовала технологию. Генерирующий модуль SES состоит из солнечного параболического концентратора, следящего за передвижением Солнца по двум осям, и блока преобразования энергии (БПЭ), расположенного в фокусе концентратора. Каждый БПЭ состоит из четырех цилиндров, в которых происодит расширения водорода, что приводит в движение поршни.
Двигатель Стирлинга более эффективен в преобразовании солнечного излучения в электроэнергию (КПД 31%), чем большинство современных фотоэлектрических элементов (в продаже элементы с КПД 14-18%, в стадии испытаний с КПД в 24-41%) и солнечных электростанций концентрационного типа (параболические желоба - КПД 16%, башенные конструкции). Но один только высокий КПД не обеспечил двигателям безоблачное будущее. Системы были раскритикованы как слишком дорогие, ненадежные и требующие обширного обслуживания из-за большого количества подвижных частей.
Сторонники этой технологии указывают на ее преимущества, в частности, по сравнению с солнечными электростанциями концентрационного типа, где в большинстве случаев требуется значительное количество воды, что проблематично в условиях пустынных районов США. Двигатели Стирлинга требуют лишь малое количество воды для очистки зеркал. Кроме того, выход из строя одного двигателя оказывает лишь минимальный эффект на производство энергии всей электростанции.
Установленные на площадке под Фениксом 60 генерирующих модулей были собраны вручную инженерами SES за три месяца. Для создания больших солнечных электростанций требуется производить много больше модулей в день, поэтому SES обратилась к экспертам в области быстрого производства из автомобильной промышленности. В сотрудничестве с компаниями Tower Automotive и Linamar Corporation SES удалось сократить число деталей БПЭ на 60% (около 650 штук) и снизить вес всего модуля примерно на 2250 килограммов. Уменьшение числа деталей привело к росту надежности и снижению цены двигателя. Новые модули успешно прошли испытания аналогичные эксплуатации в 100000 часов.
Формирование Марикопа Солар будет производиться по сотовой схеме поэтапно. Ячейки мощностью в 1,5 МВт будут формироваться из 60 генерирующих модулей. Мультимегаваттные ячеки будут формировать более крупные блоки в 9 мегаватт. Это позволяет пустить станцию в эксплуатацию сразу после ввода в строй первой ячейки.
7. Ультракомпактные солнечные батареи
Если при словах "солнечная энергия" пред вашим взором предстают бескрайние поля фотоэлектрических панелей, вы видите только половину картины. Не менее интересные вещи происходят сейчас на противоположном краю шкалы. Простое масштабирование существующих систем не годится, когда речь заходит об изделиях с поперечником в считанные миллиметры, а иной раз и доли миллиметра.