Системы и устройства прямого преобразования солнечной энергии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

Кафедра технологий

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: Системы и устройства прямого преобразования солнечной энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студентка

ФМк, 1-й курс, ДМЛ-2           23. 09. 2012          Е.В. Чункевич

 

 

 

Проверил

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2012

Оглавление

1  ВВЕДЕНИЕ 3

2   Энергия Солнца 4

2.1   Солнечная радиация, особенности ее использования 4

2.2   Коллекторы солнечной энергии 5

2.3   Концентраторы солнечной энергии 6

2.4   Гелиотехнологические установки 7

2.5   Солнечный дом 8

3  Вывод 10

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  ВВЕДЕНИЕ

Природу обмануть нельзя, но договориться с ней можно.

А. Эйнштейн

Уровень материальной, а в итоге и духовной культуры людей находится в прямой зависимости  от количества энергии, имеющейся в  их распоряжении и их умения эффективно и с пользой для себя использовать эту энергию. Потребление энергии  является необходимым условием осуществления  любого действия, любого процесса, любого свершения.

Потребности человека растут, людей становится все больше и это вызывает гигантские объемы производства энергии и темпы  роста ее потребления. Сегодня традиционные источники энергии (различные топлива, гидроресурсы) и технологии их использования  уже не способны обеспечивать требуемый  уровень энерговооруженности общества, потому что это невозобновляемые источники. И хотя разведанные запасы природных топлив очень велики, проблема истощения природных кладовых при нынешних и прогнозируемых темпах их разработки переходит в реальную и недалекую перспективу. Уже сегодня ряд месторождений из-за истощения оказывается непригодным для промышленной разработки, и за нефтью и газом, например, приходится идти на труднодоступные, отдаленные территории, на океанские шельфы и т.п.

Другим фактором, ограничивающим значительное увеличение объемов выработки энергии за счет сжигания топлив, является все  возрастающее загрязнение окружающей среды отходами энергетического  производства. Эти отходы значительны  по массе и содержат большое количество различных вредных компонентов.

Стремление  решить эти и другие проблемы наблюдается  практически с самого начала большой  энергетики. Оно реализуется как в поисках других первичных энергетических источников, так и в разработке новых способов преобразования энергии первичных источников в электрическую, например, в термоэлектрических или термоэмиссионных устройствах.

В свете изложенного выше все более актуальным становится широкое практическое использование так называемых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, которые ко всему прочему

являются  еще и экологически чистыми, не загрязняющими  окружающую среду. К таким источникам относятся солнечная энергия, энергия  ветра, энергия морских волн и  приливов, энергия биомассы,

геотермальная энергия и др. Природа каждого  из этих источников энергии неодинакова, различны и способы их применения и использования. Современная «нетрадиционная» энергетика – это тот резерв, который дает надежду и возможность преодолеть многие казалось бы неразрешимые проблемы и обеспечить возрастающие потребности человека в будущем.

 

2   Энергия Солнца

2.1   Солнечная радиация, особенности  ее использования

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и распространенности наиболее перспективна. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Если бы удалось использовать только 0,5 % падающего на Землю солнечного излучения, то это покроет мировые потребности в энергии с учетом столетней (а может быть и больше) перспективы. К сожалению, вряд ли эти огромные потенциальные ресурсы удастся использовать в больших масштабах.

Разместить  приемники солнечной энергии  можно далеко не везде. Для этой цели не подходят моря и океаны (а они занимают почти 80 % поверхности планеты), труднодоступные и неосвоенные районы(тундра, тайга, горы) и местности с небольшим числом солнечных дней в году. Большие затруднения возникают и из-за неравномерности поступления солнечной энергии: ночью она не поступает, достаточно налететь облаку или туче – и мощность уменьшается в десятки раз. В таких условиях нельзя

ориентироваться на стабильное производство электроэнергии, приходится разрабатывать такие технологические процессы, которые в наибольшей мере соответствовали бы особенностям и возможностям гелиоагрегатов.

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров обуславливает значительные материальные затраты.  Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии.  Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребностей в материалах и далее в трудовых ресурсах для добычи сырья, его переработки, изготовления оборудования, его перевозки, установки и эксплуатации.  

Так что пока электрическая энергия от солнечных лучей обходится намного дороже и экономические проблемы кажутся неразрешимыми в ближайшей перспективе.  Но это совсем не означает,  что в отдельных специфических ситуациях солнечная энергетика не может оказаться экономически более выгодный по сравнению с другими. 

Солнечная энергетика имеет уже довольно продолжительную  историю. В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. 

В конце XVII в. ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 °С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере. 

В 1866  г. француз  А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На Всемирной выставке в Париже в 1878 г. А.  Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи,  в которой

0,5 кг мяса  можно было сварить за 20 минут.  В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 × 3,3 м.

Энергия Солнца могла бы иметь большое  значение, в первую очередь для  развивающихся стран.

Впрочем, и в промышленно развитых государствах обостряющиеся экологические трудности и дефицит энергии заставляют специалистов внимательно следить за экспериментами по прямому использованию солнечной энергии. Эта энергия не связана с появлением дыма, пыли или вредных газов, не оставляет радиоактивных отходов, и к тому же практически неисчерпаема.

Улавливание и преобразование солнечной энергии  в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника сконцентрированной солнечной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

2.2   Коллекторы солнечной  энергии

 

Так называются технические устройства, предназначенные для улавливания солнечной радиации, преобразования ее в теплоту и передачу этой теплоты промежуточному теплоносителю, подаваемому в теплоиспользующую технологическую или энергетическую установку.

Различают два типа солнечных коллекторов  – плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих – с концентрацией, т.е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принципе «горячего ящика» или парника.

Солнечная энергия переносится главным  образом световыми и в меньшей  мере инфракрасными лучами. Световые лучи достаточно хорошо проходят через верхнюю стеклянную (или из полимерной пленки) панель коллектора и поглощаются на лучепоглощающей поверхности, выполненной из высокотеплопроводного материала и имеющей высокий коэффициент поглощения. Трубки с движущимся в них теплоносителем имеют надежный тепловой контакт с этой поверхностью. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент – абсорбер солнечной радиации. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера окрашивается в черный цвет или имеет специальное поглощающее покрытие. 

Нагреваясь, абсорбер излучает тепло на внутренние поверхности коллектора. Однако при  невысокой температуре излучения это, в основном, инфракрасные лучи, которые очень плохо проникают через стеклянную панель. Для уменьшения теплопотерь у боковых и нижней поверхностей устанавливаются достаточно толстые слои тепловой изоляции.

Основной  характеристикой КСЭ является его  тепловой КПД, показывающий, какая доля солнечной энергии, падающей на коллектор, передается в форме тепла потребителю.

Плоские солнечные коллекторы используют обычно в системах, где уровень нагрева  теплоносителя не превышает 80 … 90 °С. Для нагрева до более высоких температур используют вакуумные коллекторы. В них абсорбирующая поверхность отделена от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет значительно уменьшить потери теплоты в окружающую среду за счет исключения теплопроводности и конвекции.  Вакуумированный коллектор состоит из стеклянного корпуса (трубка диаметром 100 … 150 мм), внутри которой размещаются лучевоспринимающая поверхность с селективным покрытием и трубки для теплоносителя прямой или U-образной формы. Пространство внутри стеклянного корпуса вакуумируется до давления 0,01 мм.  рт.  ст.,  что практически полностью исключает теплопроводность и конвекцию внутри коллектора Эффективность работы вакуумных коллекторов зависит от оптических свойств селективной поверхности абсорбера.

2.3   Концентраторы солнечной  энергии

Чтобы повысить температуру нагрева теплоносителя в солнечном коллекторе, на лучепоглощающую поверхность абсорбера направляется концентрированный пучок солнечных лучей. Фокусирование потока лучистой энергии на объекте с меньшей площадью производится с помощью зеркал или линз.  

Естественно, что каждое зеркало должно быть сориентировано в пространстве по-своему и это затрудняет создание системы автоматического слежения и установки зеркал в направлении Солнца.

Применяют концентраторы обычно на солнечных  электростанциях или в солнечных плавильных печах, где добиваются повышения температуры на абсорбере до 500 … 1000 °С.

 

2.4   Гелиотехнологические установки

 

Солнечное излучение можно также использовать для энергообеспечения различных технологических процессов, таких как опреснение минерализованных вод, сушка сельскохозяйственных продуктов, выращивание растений в теплицах и др. 

Большой экономический эффект дает использование  солнечной энергии для ускоренного выращивания ранних овощей в закрытом грунте 

(в теплицах) при температуре, превышающей  температуру наружного воздуха. 

Гелиотеплицы позволяют значительно сократить расход органического топлива на отопление и вентиляцию таких производственных помещений.

При этом необходимо обеспечить поступление в теплицу требуемого количества солнечной энергии, возможность регулирования температуры и состава воздуха в теплице, снижение суточных колебаний температуры в помещении, вызванных неравномерным поступлением тепла в течение суток.

Солнечная радиация попадает в теплицу через  прозрачные (из стекла или полимерной пленки) поверхности крыши и передней стенки, обращенной на юг. Другие наружные стены, особенно северная, должны быть хорошо

теплоизолированы, а изнутри окрашены белой краской, которая хорошо отражает световые лучи, направляя их на растения и обогреваемый грунт. Чтобы в ночные часы теплица не переохлаждалась, устраиваются тепловые аккумуляторы.

Для небольших теплиц удобны галечные теплоаккумуляторы с естественным движением воздуха.

Днем, когда воздух в теплице теплее, чем галька, он движется сверху вниз слоя, постепенно нагревая его. Ночью, когда температура гальки становится выше, чем температура воздуха в теплице, поток в слое меняет направление и приносит аккумулированное за день тепло в помещение.

Сушка как технологический процесс  широко применяется во многих отраслях производства. Обычно для увеличения интенсивности испарения влаги высушиваемые материалы помещают в специальные сушилки, где циркулирует нагретый воздух. В сельском хозяйстве, деревообработке широко применяется сушка на свежем воздухе под открытым небом. Однако интенсивность и качество такой сушки невелики. Гораздо лучшие результаты может обеспечивать применение гелиосушилок, где сушка происходит в закрытом помещении.

Гелиосушилки могут быть прямого и косвенного действия. В первом случае солнечное излучение воспринимается непосредственно высушиваемым материалом. Здесь реализуется тот же принцип, что и в коллекторах солнечной энергии – проникая сквозь прозрачную стенку радиация воспринимается высушиваемым материалом, нагревая его и медленно циркулирующий в нем воздух и обеспечивая тем самым высокую скорость и качество сушки. Циркуляция воздуха осуществляется за счет естественной тяги, при этом испарившаяся влага выносится с воздухом в атмосферу.

В сушилках косвенного действия используется промежуточный  теплоноситель (обычно воздух), который  предварительно нагревается с помощью  коллекторов солнечного излучения и аккумуляторов тепла, а затем направляется в сушильную камеру. Обычно такие сушильные агрегаты имеют и дополнительный источник тепла, обеспечивающий работу и во время резкого уменьшения или отсутствия солнечного излучения.

Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели). Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, т.е. в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры. Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Энергетическая программа РБ до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогревательных установок, разработанных белорусскими учеными. Основным элементов солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости.

Подогреватели воздуха. Солнечное излучение можно использовать для подогрева воздуха, просушивания зерна, для обогрева зданий. На обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов. Специально спроектированные или перестроенные здания для использования солнечного тепла позволяют сэкономить значительные количества топлива. Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому нагреватели такого типа чаще всего изготавливают с шероховатыми (для турбулизации потока) и имеющими большую площадь приемными поверхностями (для увеличения поверхности теплообмена). 

2.5 Солнечный дом

 

 Итак, понятие  «солнечный дом» употребляется применительно ко всем зданиям, в том или ином виде использующим солнечную энергию. При создании солнечного дома крайне важны: планировка и правильная ориентация; выбор оптимальной формы здания; эффективная теплоизоляция; эффективная система вентиляции. Обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой здания и изолирующими ставнями является потенциально самой простой и в то же время наиболее удобной системой солнечного отопления. 
    Пространство, защищенное от ветра и раскрытое солнцу, формируется развернутой к югу радиальной в плане ветрозащитной стенкой, собирающей солнечные лучи, и козырьком - кровлей, дающим тень от высокого летнего солнца. Форма и отделочные материалы внутренней поверхности стены должны способствовать концентрации солнечных лучей, или их поглощению для прогрева термальных массивов, при низком зимнем солнцестоянии. Отсекая внутреннее пространство «подковы» с юга от внешней среды витражом, мы используем парниковый эффект: при нанесении на поверхность стекла тончайшего металлического покрытия или теплоотражающей пленки лучистая составляющая тепловых потерь направляется обратно, внутрь помещения. Термальный массив (каменная стена за стеклом, пол – керамогранит по ж/б плите - или массивный камин под зенитным фонарем), сохраняя солнечное тепло, должен обеспечить комфортные температуры в помещении ночью. С наветренной стороны стена и кровля солнечного дома могут быть превращены в зеленый холм, что не только защитит от холодного северного муссона, уведя ветер вверх, но и будет способствовать дополнительному сбережению накопленного массивными конструкциями солнечного тепла. Летнее затенение юго-западных и западных секторов горизонта обеспечат внешние зеленые экраны из лиан. Аэрацию при перегреве - коньковые окна, при одновременном притоке прохладного воздуха из затененной части приусадебного участка, через проемы у основания витража. 
        Для эффективного использования солнечной радиации южная стена или кровля жилого дома должны облучаться прямыми солнечными лучами с 9.00 до 15.00 даже в самый неблагоприятный день.  Для этого солнцевоспринимающий фасад должен быть ориентирован на юг с отклонением не более чем на 10..20°. В тесной городской застройке возникает юридическая проблема защиты южных фасадов солнечных домов от затенения. В летнее время в большинстве районов требуется усиленная естественная вентиляция здания для защиты от перегрева. Рекомендуемый ориентировочный воздухообмен в солнечном доме составляет 0,5 от общего объема здания в час. Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат. Использование принципа «солнечной трубы», положенного в основу всех этих решений) является причиной обилия в американском жилише двухсветных пространств, верхних окон, фонарей верхнего света. Солнечная архитектура - это инвестиции в будущее. Здания традиционной архитектуры, как спринтер на короткой дистанции вне конкуренции: дешевле и сразу. Солнечная архитектура на 10-30% дороже и окупит себя примерно через 5-10 лет. Но владельцу «солнечного» коттеджа не нужно будет вкладывать деньги на отопление и горячую воду.

3 Вывод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Кн. 2: Теоретические основы  теплотехники. Теплофизический эксперимент.  – М.: МЭИ, 2001.

2. Ушаков В.Г. Нетрадиционные  возобновляемые источники энергии  / В.Г. Ушаков. – Новочеркасск: НГТУ, 1994.

3. Лучков Б.И. Солнечный  дом, солнечный город / Б.И. Лучков // Наука и жизнь. – 2002. –  № 12. –

4.http://www.bookbrains.com

5. http://www.mensh.ru