Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ)

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0.6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.

Элемент размером 100100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 1010 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший.

Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получив нечто подобное изображенному на рис.2

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо

нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25оС он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус. На рис.3 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25о С и 60о С.

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70оС теряя 0,07-0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Все фотоэлектрические системы можно разделить на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии.

Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда - заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Солнечные модули являются основным компонентом для построения фотоэлектрических систем . Они могут быть изготовлены с любым выходным напряжением.

После того как солнечные элементы подобраны - их необходимо спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками для припайки к ним проводников. Батареи можно составлять в любой комбинации.

Простейшей батареей является цепочка из последовательно соединенных элементов.

Можно соединить эти цепочки параллельно, получив так называемое последовательно-параллельное соединение. Параллельно можно соединять лишь цепочки (линейки) с идентичным напряжением, при этом их токи согласно закону Кирхгофа суммируются.

При наземном использовании они обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 солнечных элементов соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, алюминии. Элементы при этом находятся между двумя слоями герметизирующей пленки, без воздушного зазора. Технология вакуумной ламинации позволяет выполнить это требование. В случае воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом, потери на отражение и поглощение достигли бы 20-30 % по сравнению с 12 % - без воздушной прослойки.

Электрические параметры солнечного элемента представляются как и отдельного солнечного элемента в виде вольтамперной кривой при стандартных условиях ( Standart Test Conditions), т.е., при солнечной радиации 1000 Вт/м2, температуре - 25оС и солнечном спектре на широте 45о(АМ1,5).

Точка пересечения кривой с осью напряжений называется напряжением холостого хода - Uxx, точка пересечения с осью токов – током короткого замыкания Iкз.

Максимальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC (Standart Test Conditions).

Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением - Up ), а соответствующий ток - током максимальной мощности (рабочим током - Ip ).

Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, таким образом, будет около 16…17 В (0,45….0,47 В на элемент) при 25о С.

Такой запас по напряжению по сравнению с напряжением полного заряда АКБ (14,4 В) необходим для того, чтобы компенсировать потери в контроллере заряда-разряда АКБ (о нем речь пойдет позже), а в основном - снижение рабочего напряжения модуля при нагреве модуля излучением : температурный коэффициент для кремния составляет около минус 0,4 %/градус (0,002 В/градус для одного элемента).

Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности.

Таким образом, при нагреве в реальных условиях работы, модули разогреваются до температуры 60-70оС, что соответствует смещению точки рабочего напряжения, к примеру, для модуля с рабочим напряжением 17 В - со значения 17 В до 13,7-14,4 В (0,38-0,4 В на элемент).

Исходя из всего выше сказанного и надо подходить к расчету числа последовательно соединенных элементов модуля.

Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей.

Прежде всего, надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее, чем в 1,25 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что такой хитрый прибор как компрессорный холодильник в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше паспортной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений.

Следующий этап - это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую расчетной. А расчетная емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ на значение глубины разряда аккумулятора в долях.

Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Втч в сутки, а допустимая глубина разряда АКБ 12 В - 50 %, то расчетная емкость составит:

1000 / (12 0,5) = 167 Ач

При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и наличие в природе пасмурных дней в течении которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей.

Последний этап - это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования - это декабрь.

В разделе “метеорология” даны месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоскости.

Взяв оттуда значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е., условное время, в течении которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.

Например, для широты Москвы и месяца-июля значение солнечной радиации составляет 167 кВтч/м2 при ориентации площадки на юг под углом 40о к горизонту. Это значит, что среднестатистически солнце светит в июле 167 часов (5,5 часов в день) с интенсивностью 1000 Вт/м2, хотя максимальная освещенность в полдень на площадке, ориентированной перпендикулярно световому потоку, не превышает 700-750 Вт/м2.

Модуль мощностью Рw в течении выбранного периода выработает следующее количество энергии :

W = k Pw E / 1000, где Е - значение инсоляции за выбранный период, k- коэффициент равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

Этот коэффициента делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течении дня.

Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы - легко рассчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на мощность одного модуля, получим количество модулей.

При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминесцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.

Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать ее модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающий лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20-30 %.

3.1.3. Немного об инверторах.

Инверторы или преобразователи постоянного тока в переменный ток, предназначены для обеспечения качественного электропитания различной аппаратуры и приборов в условиях отсутствия или низкого качества электросети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 В, различных аварийных ситуациях и т. п.

Инвертор представляет собой импульсный преобразователь постоянного тока напряжением 12 (24, 48, 60) В в переменный ток со стабилизированным напряжением 220 В частотой 50 Гц. Большинство инверторов имеет на выходе СТАБИЛИЗИРОВАННОЕ напряжение СИНУСОИДАЛЬНОЙ формы, что позволяет использовать их для электропитания практически любого оборудования и приборов.

Конструктивно инвертор выполнен в виде настольного блока. На передней панели инвертора расположены выключатель работы изделия и индикатор работы преобразователя. На задней панели изделия находятся выводы (клеммы) для подключения источника постоянного тока, например, АКБ, вывод заземления корпуса инвертора, отверстие с креплением вентилятора (охлаждение), трёхполюсная евро розетка для подключения нагрузки.

Стабилизированное напряжение на выходе инвертора позволяет обеспечить качественное электропитание нагрузки при изменениях/колебаниях напряжения на входе, например при разряде АКБ, или колебаниях тока, потребляемого нагрузкой. Гарантированная гальваническая развязка источника постоянного тока на входе и цепи переменного тока с нагрузкой на выходе инвертора позволяют не предпринимать дополнительных мер для обеспечения безопасности работы при использовании различных источников постоянного тока или какого-либо электрооборудования. Принудительное охлаждение силовой части и низкий уровень шума при работе инвертора позволяют, с одной стороны, обеспечить хорошие массогабаритные показатели изделия, с другой стороны, при данном типе охлаждения не создают неудобств при эксплуатации в виде шума.

Ø Встроенная панель управления с электронным табло

Ø Потенциометр емкости, который позволяет делать возможным точные регулировки

Ø Нормализованная планка с подключением по выводам: WE WY STEROW

Ø Встроенный оборот торможения

Ø Радиатор с вентилятором

Ø Эстетичное крепление

Ø Питание 230 V - 400 V

Ø Перегрузка 150% - 60s

Ø Время разбега 0,01...1000 секунд

Ø Встроенный электрический фильтр, класса А

Ø Рабочая температура: от -5°C - до +45°C

Ø Порт RS 485

Ø Регулирование шага частоты: 0,01 Hz - 1 кHz

Ø Класс защиты IP 20

Ø Функционально обеспечивает: повышение, снижение частоты, контроль перегрузки, перегрева.

3.2. Гелиоэлектростанции.

Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах - от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с "солнечным приводом" : моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.

Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются : они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного алюминия.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов- зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели.

Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце.

Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже Пред (Пред = 46 160 ), но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка- параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.

Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения;
плоско-линейной линзы Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоид. концентратора (45град.), близок к 60 град. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга ( двигатель внешнего сгорания, пример-паровоз). Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 куб.м. воды в час. В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости. Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт.
Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВтч энергии - 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций. (Атомные станции США ~ 15 центов за 1Квт.). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом в дневные часы - солнце. Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболоцилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем.

На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Электростанция в Калифорнии проде-монстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.

3.2.1. Типы гелиоэлектростанций

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 оС, воздух и другие газы - до 1000 оС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 оС, жидкометаллические теплоносители - до 800 оС.

Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт , а высота башни 250 м.

В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18 млн. км2 в океане.

СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом.

В солнечном пруду происходит одновременное улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 оС. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется,

особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90-100 оС, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 оС. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда

Обычно глубина пруда составляет 1-3 м. На 1 м 2 площади пруда требуется 500-1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Наиболее крупный из существующих солнечных прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 250 000 м 2 . Он используется для производства электроэнергии. Электрическая мощность энергетической установки, работающей по циклу Ренкина, равна 5 МВт. Себестоимость 1 кВтч электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов.

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент поваренной соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах конденсирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

3.3. Солнечный коллектор.

В Центральной Азии на каждый квадратный метр поверхности, находящийся перпендикулярно солнечным лучам, падает 800—1000 Ватт энергии за 1 час, то есть примерно 1 кВт/ч. А 1 кВт/ч - это то количество энергии, которое необходимо, чтобы 10-ти тонный грузовик с места разогнался до скорости 100 км/ч !!!

Собрать и использовать эту энергию для нагрева воды, Вам поможет солнечный водонагреватель-коллектор.

Особенность коллекторов состоит в том, что лучевоспринимающая поверхность обработана компонентами, которые обеспечивают максимальное тепловосприятие за счет их избирательности к тепловому спектру солнечного потока и нагревают воду, проходящую по трубкам внутри.

Солнечный водонагреватель-коллектор состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50 с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

Для нагрева 100 литров воды солнечная установка должна иметь 2- 3 м солнечных коллекторов. Такая водонагревательная установка в солнечный день обеспечит нагрев воды до температуры 90°С . В зимний период до 50°С.

В климатических условиях Центральной Азии солнечные водонагреватели-коллекторы особенно эффективны.

Плоский солнечный водонагреватель-коллектор – устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии Солнца.

Это плоская тепловоспринимающая панель – абсорбер, площадью 1- 2 м, в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность этой панели, обращенная к Солнцу - черная, для лучшего нагрева. Для снижения тепловых потерь она устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы. Снизу панель теплоизолированна, а сверху защищена прозрачной изоляцией - специальным стеклом, пластиком или пленкой.

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Металлические абсорберы изготавливаются из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели не находят широкого применения из-за быстрого старения под действием солнечных лучей и малой теплопроводности.

Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность панели покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Слои создаются на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди.

Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (вакуумные солнечные коллекторы четвертого поколения).

Вакуумный солнечный водонагреватель-коллектор

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 по тери 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.

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

Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Тем временем, более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом начинается циркуляция во всей системе. В маленьких системах, бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы.

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

Термосифон со встроенным теплообменником обеспечивает возможность работы при магистральном давлении. Нагревается теплоноситель через теплообменник из спиральной медной трубы, расположенный внутри теплоаккумулятора. Принцип работы этого типа солнечного водонагревателя такой же как и у обычного термосифона низкого давления. Но вместо того, чтобы использовать воду непосредственно в теплоаккумуляторе, коллектор магистрального давления использует медный спиральный теплообменник в баке. Преимущество в том, что систему можно использовать при низком качестве воды, потому что практически отсутствует коррозия и образование накипи внутри вакуумных трубок и теплоаккумулятора. Для районов с низкими температурами теплоаккумулятор заполняют антифризом.

1. Кран для заполнения и слива бака 2 . Вход коллектора 3. Теплоноситель бака 4. медный спиральный теплообменник 5. Атмосферный канал 6. Выход коллектора 7. Выход горячей воды 8. Теплоноситель теплоаккумулятора 9 . Вход холодной воды

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

Наиболее эффективные и распространенные солнечные водонагреватели. Легко встраивается в существующие системы отопления или горячего водоснабжения. Подходят для всех типов климата и рекомендуются для районов с низкими температурами (до -50°С) и низкими значениями солнечной радиации. Оснащенный контроллером, коллектор автоматически поддерживает самые оптимальные параметры циркуляции, имеет режим антизамерзания, обеспечивает заданную температуру. При не достаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительный электронагреватель, установленный в теплоаккумуляторе.

3.3.1. Коллектор из Норвегии.

В Норвегии разработан новый солнечный коллектор из строительных пластмасс, в основе которого лежит принцип объединения занимаемой солнечной поверхности системы с внутренней системой горячей воды. Большое число установленных систем как в односемейных домах, так и в больших зданиях доказало осуществимость и экономическую благоприятность концепции.

Система включает в себя солнечную крышу/фасад, тепловой резервуар без давления и этажную систему нагрева, действующую при минимальной температуре, установленные все вместе без теплообменников. Настоящая солнечная система является системой обратной утечки. Единственный контроллер регулирует внутреннюю температуру, управляет солнечным насосом и обслуживает вспомогательный источник тепла.

Коллектор состоит из модульного строительного элемента для крыш и фасадов, базируемого на ширине 60 см, и различных стандартных длинах от 175 см до 520 см. Алюминиевые контуры, обрамляющие модули, обеспечивают легкость монтажа. Двойной трубопровод, размещенный внизу области коллектора, позволяет быструю, легкую сборку. Коллектор доступен также в версии для горизонтального водного потока. Коллектор был разработан в сотрудничестве между SolarNor AS и General Electric Plastics. Специальный пластический материал, NORYL(r) PX507, обеспеченный General Electric Plastics в качестве части совместного проекта EUREKA, предлагает необходимую долговечность в отношении высокой температуры и влажных условий. Канальная структура двустенного листа заполнена керамическими гранулами. Гранулы вызывают капиллярный эффект, когда вода следует через канал, приводя к удалению воздуха, который присутствует в коллекторе во время бездействия солнечной системы, и обеспечивая желаемую передачу тепла. Операционное давление - ниже атмосферного, что является особенностью, весьма важной с экономической точки зрения. Количество высококачественных, дорогих пластмасс может быть существенно снижено (поскольку механическое напряжение минимизировано), приводя к общей стоимости коллектора порядка 650 норвежских крон за квадратный метр. Коллектор заменяет другие строительные материалы аналогичной стоимости. Эскиз коллектора (см. рисунок) показывает различные элементы коллекторного модуля. Верхний слой образует двустенный поликарбонатный лист (LEXAN(r) Thermoclear) толщиной 6 мм, который может заменяться укрепленным стеклом. Между внешним листом и поглотителем есть воздушный промежуток толщиной 12 мм. Листы свободны расширяться в алюминиевой раме с каждой стороны. Коллектор размещается на кровати из минерального волокна и прикрепляется винтами к деревянным полосам. Вся область коллектора обрамляется штампованными алюминиевыми контурами, снабженными специальными резиновыми креплениями. Зазоры между модулями коллектора также закрываются резиновыми полосами. Эффективность солнечного коллектора изучалась различными исследовательскими институтами во время разработки концепции. Основное ограничение в проекте коллектора связано с необходимостью избегать температур в состоянии бездействия при максимальной лучевой интенсивности, превышающей 147°С, из-за свойств пластмасс. В дополнение к коллектору система SolarNor включает также тепловой резервуар, этажную систему нагрева и контроллер. Контроллер является центральным звеном в проекте системы.

Эта концепция, объединяющая солнечное пространство с нагревом домашней горячей воды, превосходно исполнена в большом количестве установок в односемейных домах и в больших зданиях. Благодаря интеграции системы в здание, а также множеству упрощений по сравнению с обычными нагревательными системами стоимость значительно понижается, делая использование солнечной энергии конкурентоспособным. В типичном применении полная стоимость системы, включая монтаж, будет варьироваться в диапазоне от 1000 до 1500 норвежских крон за квадратный метр.

3.3.2. Солнечный коллектор “Альтэн-1”

Солнечный коллектор АЛЬТЭН-1 служит для нагрева воды за счет солнечной энергии и используется в системах горячего водоснабжения и отопления домов, не имеющих централизованного энергоснабжения. В течение одного солнечного дня коллектор может нагреть около 150 литров воды до температуры 60-70°C. Абсорбер коллектора, поглощающий солнечную радиацию, выполнен из алюминиевых профилей с пазами, в которые вставляются и запрессовываются тонкостенные латунные трубки для протекания теплоносителя. Лицевая сторона алюминиевых профилей имеет высокоэффективное селективное покрытие, а вокруг абсорбера расположена оболочка из двухслойного ячеистого поликарбоната.

Параметры коллектора:

Ø размеры наружной прозрачной оболочки - 2,171м х 1,180м

Ø материал наружной прозрачной оболочки - двухслойный ячеистый 8мм поликарбонат "Полигаль"

Ø размеры поверхности абсорбера - 1.987м x 1.117м

Ø селективное покрытие абсорбера:

коэффициент поглощения = 0,94

коэффициент излучения = 0,05

Ø внутренний диаметр латунных трубок до запрессовки - 11мм

Ø задняя тепловая изоляция - стекловолокно и двухслойный ячеистый 8мм поликарбонат "Полигаль"

Ø температура стагнации = 183 °C

Ø вес сухого коллектора - 33,5 кг

3.4. Химические преобразователи солнечной энергии

Современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в которых запасена солнечная энергия (СЭ). Прежде всего это ископаемые виды топлива, для образования которых требуются миллионы лет. В своей деятельности человечество с постоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине гигантский запас. Истощение месторождений нефти, угля и природного газа неизбежно, и, по различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы переключиться на альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую, ветровую, вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также представляют поиски химических способов аккумулирования СЭ.

Диапазон использования солнечного излучения чрезвычайно широк. Энергией Солнца питаются высоко температурные установки, концентрирующие поток лучей с помощью зеркал. В качестве аккумуляторов энергии в них используются как физические теплоносители, так и некоторые неорганические вещества, способные к циклическим реакциям термического разложения- синтеза (оксиды, гидраты, сульфаты, карбонаты). Устройства другого типа преобразуют энергию излучения в электрическую, тепловую или энергию химических реакций посредством фотофизических или фотохимических процессов. Среди фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми являются следующие:

·Фотокаталитическое разложение воды под действием металлокомплексных соединений;

Создание «солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных переносах или фотогальваническом эффекте;

Фотосинтез - наиболее эффективный биохимический способ преобразования энергии Солнца.

Наряду с ними значительный интерес представляют химические системы, способные аккумулировать СЭ в виде энергии напряжения химических связей. Такие системы удовлетворять требованиям , которые относятся как к фотохромному реагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса.

А ↔ В + ΔН.

Основные требования сводятся следующему:

Реагент А должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм), так как более 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-700 нм. Фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы избежать фотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь энергии оба компонента должны быть нелюминесцирующими;

Обратная реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);

Для длительного сохранения запасённой фотопродуктом В энергии активационный барьер термического перехода В→А должен быть достаточно большим – порядка 100 кДж/моль;

Прямая фотохимическая реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом, обратная подвержена каталитическому ускорению или тепловому инициированию;

Прямой и обратный процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения и отсутствием побочных продуктов;

Вещества А и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными и химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху.

Среди органических систем, удовлетворяющих указанным выше условиям, наиболее важными являются следующие:

Валентная изомеризация нитрон – оксазиридин;

Геометрическая (Е)↔(Z) изомеризация производных индиго;

Геометрическая изомеризация N – ацилированных аминов и нитрилов с последующей внутримолекулярной перегруппировкой;

Термически обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.

Циклические реакции фотораспада – термической рекомбинации свойственны и некоторым неорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:

NOCl → NO + 1/2Cl

Основное преимущество органических систем перед неорганическими связано с возможностью широкого варьирования строения молекул с целью улучшения их спектральных характеристик как аккумуляторов и преобразователей СЭ.

Система норборнадиен – квадрициклан.

Исследования, проводимые в последние годы, указывают на перспективность использования систем, для которых характерна фотоинициируемая валентная изомеризация по типу (2π+2π) – циклоприсоединения. В этих реакциях две π – связи преобразуются в две σ – связи с образованием циклобутанового производного.

Как правило, в подобных системах термодинамическое равновесие полностью смещено в сторону реагента.

Рассмотрим более детально один из наиболее перспективных объектов для такого рода превращений – норборнадиен (бицикло гепта – 2,5 – диен) и его производные. Соединения норборнадиенового ряда могут быть достаточно легко синтезированы по реакции дневного синтеза. Реагентами для получения норборнадиен производных являются крупнотоннажные продукты органического синтеза – циклопентадиен и ацетилен.

Норборнадиен – интересная и во многом уникальная молекула. Это редкий пример 1,4 – диеновых углеводородов, в которых такое расположение двойных связей является наиболее термодинамически устойчивым.

Использование сенсиблизаторов.

Фотопревращение незамещённого норборнадиена в квадрициклан характеризуется низким квантовым выходом, который, однако, может быть значительно повышен при использовании сенсибилизаторов. Наилучшие результаты получены при использовании солей меди или фенилкетонов. Однако и в этих системах имеются недостатки: во-первых, они “работают” только в УФ – области спектра; во-вторых, комплексы Cu окисляются до соединений Cu(||), не проявляющих фотоактивности, а кетоны химически взаимодействуют с норборнадиеном при облучении, образуя продукты фотоприсоединения. Эти причины затрудняют практическое использование такого рода сенсибилизаторов.

Страницы: 1, 2, 3, 4