Солнечная тепловая энергия. Природа и пригодность солнечного излучения. Солнечная тепловая энергия

Солнечная тепловая энергия. Некоторые экономические показатели и заключение

Раньше было:

Сила, энергия и мощность.Возобновляемая энергия. ВведениеЭффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив

Солнечная тепловая энергия1. Введение2. Солнечный водонагреватель на крыше3. Природа и пригодность солнечного излучения4. Солнечная радиация и времена года5. Удивительные свойства стекла6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии - 1, 27. Активное солнечное нагревание8. Пассивное солнечное нагревание - 1, 2, 3, 49. Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы - 1, 2, 3

Нагревание воды плавательного бассейна

В конце 2001 года Великобритания оценивала объемы незастекленных солнцесборников в 89 000 м2. Бóльшая их часть использовалась для бассейнов. Такие системы могут быть проще и дешевле, чем системы для местного нагревания воды. По оценкам DTI's от 1999 года, в Великобритании 20 м2 системы, возможно, стоили бы от 950 до 2700 фунтов (включая налоги). Они, как и следует ожидать, производят приблизительно 300 кВт*час на квадратный метр солнцесборника. Время их окупаемости примерно соответствует ожидаемой продолжительности их жизни - около 15 лет. Есть около 100 000 бассейнов в Великобритании, и это количество планируют удвоить к 2025 году. К тому времени суммарное энергосбережение планируется увеличить на 7%, на эту же цифру повысится расход энергии на нагрев воды для жилых домов.

Активное солнечное космическое нагревание и районное нагревание

Хотя индивидуальное солнечное космическое нагревание домов технически выполнимо, вероятно было бы гораздо более экономически выгодно инвестировать средства в теплоизоляцию, чтобы уменьшить потребность в нагревании. Исследование 1992 года (Long, 1992) показало, что с правильно подобранными солнцесборником и теплохранилищем время окупаемости системы, использующейся для межсезонного энергохранения в Великобритании, могло бы быть сокращено до 30 лет, но только если эта система дополнит существующую районную теплосеть.

И все же с высокой степенью вероятности для обеспечения энергией теплосетей будет выбран другой источник (возможно, биотопливо). Теплостанции произведут тепловую энергию, затем районная теплосеть передаст потребителям это тепло. Такие системы по мнению большинства заслуживают развития и вложений. Но это и одновременно препятствует более активному использованию солнечной энергии. Но в масштабах целых экономик инвестиции в солнечные теплосистемы обоснованы.

Датское исследование от 1999 года показало: 26 больших систем с 1990 по 1999 год в среднем собирали 384 кВт*час/(м2*год) (CADDET, 2001). Это можно принять за эталон технической работы. Такая программа должна окупаться, а установка солнцесборников должна осуществляться по приемлемой цене. Анализ недавней пилотной немецкой программы установки больших солнечных систем с возможностью краткосрочного хранения энергии показал: на 60-70% повышена экономическая эффективность (по соотношению затрат к выгодам), если сравнить с использованием индивидуальных солнечных водонагревателей (см. Dаlenbаck, 1999).

Относительно влияния на окружающую среду: понятно, что большие теплосборники, установленные на крышах домов, не имеют на окружающую среду ощутимого влияния. Однако, если на крышах будет недостаточно места для размещения нагревательных систем, может потребоваться достаточно дорогая городская земля. И эти системы достаточно трудно будет защищать от вандализма.

Пассивное солнечное нагревание и дневной свет

В его узком смысле увеличения количества солнечной энергии, непосредственно используемого для обеспечения полезного пространственного нагревания, или пассивное солнечное нагревание чрезвычайно экономичное, можно считать бесплатное. Обогреваемые пассивно солнечным светом здания часто заказываются архитекторам и строителям их владельцами. Поэтому умение их проектировать и строить представляет практический интерес для строителей и архитекторов.

Однако, потенциал их ограничен: далеко не все традиционные опорные конструкции могут быть заменены нагревательными элементами. Департамент Торговли и Промышленности оценил потенциал Великобритании к 2010 году по первоначальному энергосбережению в 10 TВт*час/год. Этот показатель следует сравнить с потенциалом мер энергосбережения и строительства:

- изоляция чердаков - 6 TВт*час/год,- изоляция полостей строительных конструкций - 31 TВт*час/год,- энергосберегающее освещение - 6 TВт*час/год (DTI, 1999).

Проектирование зданий ведется для использования солнечного света и для энергосбережения, и для пассивного солнечного нагревания. Учреждение Строительных Исследований (Building Research Establishment) оценило национальный потенциал эксплуатации дневного света в Великобритании по стоимости между 5 и 9 ТВт*час/год к 2020 году. В теплых странах дневной свет, возможно, гораздо более важен: они могут сэкономить, снижая расход электроэнергии летом не только на освещении, но и на кондиционировании.

Проектирование и выбор места для постройки зданий, чтобы улучшить использование солнечного света экологически выгодны, и многие города уже построены с учетом этой выгоды. Например, когда в 1904 муниципальный совет Бостона (Массачусетс, США), рассматривал проект строительства 100 м небоскреба, подробно обговаривался вопрос затемнения соседних зданий. Изучение вопроса показало большое затемнение, и на постройку были наложены ограничения по высоте.

Однако, стоит прояснить: в Великобритании традиции градостроения частично основаны на викторианских понятиях оздоровительного действия «света и воздуха», которые резко контрастируют с перенаселенностью. Невысокие постройки не препятствуют проникновению солнечной энергии в здания, но поощряя строительство невысоких зданий, англичане растягивают пригороды и увеличивают расход энергии на транспортировку тепла и электричества по сетям.

Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

Как начали это делать еще пионеры отрасли, в первую очередь средства нужно вкладывать в строительство тепловых энергетических систем в действительно солнечных регионах. Для того, чтобы производить тепло высоких температур, местный климат должен иметь большое количество прямого, не рассеянного солнечного света. Низкие цены на ископаемые топлива во всем мире снизили интерес к солнечному теплоэлектричеству, при этом интерес к фотовольтаике остается неизменно высоким. Отчет SolarPACES хорошо описывает ситуацию развития этих технологий в государстве (Tyner и др., 2001).

В США официальная цена электроэнергии заводов SEGS составляет от 12 до 14 американских центов за кВт*час (8-9 пенсов за кВт*час). Даже с учетом того, что каждая установка компании дает максимум 80 МВт, все вместе они выдают не менее 150-200 МВт. Это обеспечено возможностями коммерческих энергетических турбин и масштабами заказанных стекол для зеркал.

В настоящее время в солнечных безлюдных регионах солнечное теплоэлектричество дешевле, чем фотоэлектричество по текущим ценам. Это свидетельствует, что такие системы сохранятся в солнечных регионах, даже если цены на солнечные батареи упадут (Quаshning и Blаnco, 2001).

Полный потенциал таких систем огромен. Если вернуться к 1914 году, Фрэнк Шуман вел переговоры о строительстве солнцесборников в Сахаре площадью 20 000 квадратных миль (50 000 квадратных км). При возможностях современных заводов это подразумевало бы пиковую выработку электричества в объеме приблизительно 2 500 ГВт - приблизительно 50 пиковых спросов британской электросети. Проблемно было бы найти пути передачи электроэнергии потребителям. Одной из таких возможностей было бы производство водорода как формы энергохранения. Это обсуждается далее по тексту.

Экологические последствия использования солнечных тепловых энергетических станций несколько смешаны. Главная проблема - большое количество требуемой земли. Стандартный завод SEGS с оптимальными характеристиками занял бы 3-4 км2. Хотя только треть всех солнцесборников обычно устанавливается на земле (а не на крышах), эту землю физически трудно использовать для чего-либо другого. (Еще вариант перевода ближе к тексту, но менее понятный: Хотя типично солнцесборники занимают треть свободной земли, эту землю физически трудно использовать для чего-либо другого.) Это в отличие от ветростанций, где турбины стоят далеко друг от друга, и между ними могут расти урожаи. Даже когда все возобновляемые энергоресурсы полностью приняты во внимание (включая ветры и пустыню), заводы SEGS не используют больше земли, чем другие энергетические заводы.

Солнечным водоемам и каминам были бы нужны даже большие области плоской земли из-за их низкой термодинамической эффективности.

Для всех этих видов систем нужны солнечные пустыни в пределах досягаемости больших городов, нуждающихся в электричестве. В Калифорнии пустыня Мохаве (Mojаve) идеальна. В Европе интересные возможности предоставляют некоторые части центральной Испании и южные средиземноморские страны.

Экологические последствия использования систем OTEC смешанные. С одной стороны, большие количества перекачиваемой для работы систем воды распространяют питательные вещества и могут увеличить количество рыбы. С другой, высвобождается больше углекислоты из-за того, что вскаламучивается осадочная порода на дне. Это снижает преимущества использования этого вида возобновляемого энергии. Только дальнейшие эксперименты решат эти проблемы.

Хотя северная Европа вероятно слишком облачная, чтобы поддерживать развитие солнечных теплоэлектрических систем экономически, это не должно останавливать промышленность. Массивные зеркальные солнечные поля, используемые в схемах SEGS, не были произведены в США, а большей частью ввезены из Германии (см. Benemаnn, 1994). Как с много другие возобновляемые источники энергии, солнечный свет бесплатен, но требуется производить технические средства для его использования.

Заключение

Солнечная энергия - ресурс, который доступен везде. Все, что нужно - производить необходимые технические средства. Мы уже делаем большое количество оборудования для использования пассивной солнечной энергии и дневного света, но для развития отрасли нужны дотации. Требуются также усилия по правильному проектированию и выбору мест для строительства зданий, чтобы улучшить их использование.

Методы активного солнечного нагревания и производства солнечной электроэнергии технически выполнимы, во многих странах хорошо испытаны и расценены как экономически выгодные. Например, 80% из жилых зданий в Израиле имеют солнечные теплосети. Могут ли солнечные системы продвигаться в менее солнечных странах – другой вопрос. Эта система чрезвычайно зависима экономически не только от специфического местного климата и потребностей в энергии, но и, как показал австрийский опыт, от отношения к ее использованию людей.

Литература

Продолжение следует.

rama909.livejournal.com

Солнечная тепловая энергия. Некоторые экономические показатели и заключение

Активное солнечное космическое нагревание и районное нагревание

Пассивное солнечное нагревание и дневной свет

Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

Заключение

Литература

Продолжение следует.

marafonec.livejournal.com

Солнечная тепловая энергия. Некоторые экономические показатели и заключение

Раньше было:

Нагревание воды плавательного бассейна

Активное солнечное космическое нагревание и районное нагревание

Пассивное солнечное нагревание и дневной свет

Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

Заключение

Литература

Achard, P. and Gicquel, R. (eds) (1986) European Passive Solar Handbook (preliminary edition), Commission of the European Communities, DG XII.
Baker, N. et al. (eds) (1993) Daylighting in Architecture - A European Reference Book, European Commission Handbook EUR 15006 EN, Luxembourg.
Benemann, J. (1994) The use of glass in solar applications, Sun at Work in Europe, vol. 9, no. 3, Sept. 1994. [An interesting account of the production of large-scale mirrors.]
Butti, K. and Perlin, J. (1980) A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology, Marion Boyars.
CADDET (2001) Solar Collectors Supplement District Heating System, Centre for the Dissemination of Demonstrated Energy Technologies. Online at: http://www.caddet-re.org [accessed 3/10/2003].
Cavanagh, J. E., Clarke, J. and Price, R. (1992) 'Ocean energy systems', in Johannson, T. (ed.) (1992) Renewable Energy, Island Press.
Commission of the European Communities (1997J Energy for the Future: Renewable Sources of Energy- White Paper, COM(97) 599 final, ISBN 92- 78-28533-1, Luxembourg, C.E.C.
Dalenback, J-O (1999) Information Brochure on Large-Scale Solar Heating, European Large Scale Solar Heating Network. Downloadable from main.hvac.chalmers.se/cshp [accessed 3/10/2002].
Dalenback, J-O (2002) European Large-Scale Solar Heating Plants, European Large Scale Solar Heating Network. Downloadable from main.hvac.chalmers.se/cshp [accessed 3/10/2002].
DTI (1999) New and Renewable Energy: Prospects in the UK for the 21st Century - Supporting Analysis, ETSU-R122, Department of Trade and Industry.
DTI (2003) Energy Consumption in the United Kingdom, Department of Trade and Industry. Downloadable from www.dti.gov.uk [accessed 29/09/2003].
Duffie, J. A. and Beckman, W. A. (1980) Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley. [A classic textbook on the physics and engineering of solar thermal energy systems.]
EST (2003) The Hockerton Housing Project, Energy Efficiency Best Practice in Housing New Practice Profile 119, Energy Saving Trust. Downloadable from www.est.org.uk [accessed 2/10/2003].
ESTIF (2003) Sun in Action II - A Solar Thermal Strategy for Europe, European Solar Thermal Industry Federation, April 2003. Downloadable from www.estif.org [accessed 15/11/2003].
ETSU (eds) (1985) Active Solar Heating in the UK, Energy Technology Support Unit, Report R 25, HMSO.
Everett, R. et al. (1986) Tennyland and Linford Low Energy Housing Projects', Journal of Ambient Energy, Vol. 7, No. 2.
Ford, B. (1982) Thermal Performance Modelling of a Terrace House with Conservatory, ETSU Report 5-1056b.
Goulding, J. R., Lewis, J. O. and Steemers, T. C. (eds) (1992) Energy in Architecture - The European Passive Solar Handbook, Batsford. [A mine of technical information, highly recommended.]
Granqvist, C. G. (1989J 'Energy efficient windows: options with present and forthcoming technology', in Johansson, R. B., Bodlund, B. and Williams, R. H. (eds) Electricity - Efficient End Use, Lund University Press.
Hutchins, M. (1997) Glazing Materials for Advanced Thermal Performance and Solar Gain Control, Proceedings of Conference C69 of the UK Solar Energy Society, Using Advanced Glazing to Improve Daylighting and Thermal Performance in Buildings, May 1997.
IEA (2003) Solar Update Newsletter No.39, International Energy Agency, Feb. 2003. Downloadable from www.iea-shc.org [accessed 15th November 2003].
Long, G. (1992) Solar Aided District Heating in the UK, Energy Technology Support Unit, Report S 1190.
Mazria, E. (1979) Passive Solar Energy Book, Rodale Press. [A classic beautifully illustrated introduction to design for passive solar heating.]
Norton, B. (2000) Heating Water by the Sun - a layperson's guide to the use of solar energy for providing domestic hot water and for heating swimming pools, Solar Energy Society.
Osuna, R. etal. (2001) PS10, A 10 MW Solar Tower Power Plant for Southern Spain. Downloadable from http://www.solarpaces.org [accessed 14 March 2003].
Quaschning, V. Blanco, M. (2001) Solar power - Photovoltaics or Solar Thermal Plants?, Proceedings of VGB Congress Power Plants 2001. Downloadable from http://www.dlr.de/psa [accessed 14 March 2003].
Sadler, R. (1996) The 1995 UK National Survey of Solar Water Heating, Proceedings of Conference C67 of the UK Solar Energy Society, Solar Water Heating - Opportunities Today.
Schlaich, J. (1995) The Solar Chimney - Electricity from the Sun, Edition Axel Menges, Stuttgart.
Smith, P.F. (2001) Architecture in a Climate of Change, Architectural Press. [An up-to-date book on low energy building design for the UK.]
Tyner. C. E. et al. (2001) Concentrating Solar Power in 2001, SolarPACES. Downloadable from http://www.solarpaces.org [accessed 14 March 2003].
Weiss, W. (2000) Successful Dissemination of 400 000 m2 of Solar Systems by Do-It-Yourself Groups in Austria, Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, http://www.aee.at/verz/english/self01.html [accessed 14 March 2003].
Weiss, W. (2001) Current development of the market and the potential of solar thermal systems in the medium-term, Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, http://www.aee.at/verz/english/thermlle.html [accessed 14 March 2003].

Продолжение следует.

universal-inf.livejournal.com

Солнечная тепловая энергия. Природа и пригодность солнечного излучения

Раньше было:

Солнечная тепловая энергия1. Введение2. Солнечный водонагреватель на крыше

3. Природа и пригодность солнечного излучения

Длины волн солнечного излучения

Солнце - огромный реактор ядерного синтеза, который превращает водород в гелий в количестве 4 миллиона тонн за секунду. Оно излучает тепловую энергию благодаря своей высокой внешней температуре - приблизительно 6000°C. Часть поступающего солнечного света (приблизительно 1/3) просто отражается от поверхности Земли. Остальной свет поглощается и в конечном счете нагревает Землю за счет инфракрасной длинноволновой части спектра. Земля получает столько энергии, сколько необходимо для стабильного энергоснабжения и нагрева для сохранения сохранения жизни людей.

Мы видим солнечное излучение как белый свет. Фактически же в нем есть широкий спектр длин волн, от «коротковолнового» инфракрасный (длиннее, чем видимый красный свет) до ультрафиолетового (короче, чем видимый фиолетовый). Распределение длин волн четко определен температурой поверхности Солнца:

Ниже приведу перевод надписей на рисунке "Поглощение и отражение солнечной энергии Землей":

The sun emits visible light and radiation characteristic of its temperature of 6000°C. Average surface temperature approximately 15°C. The earth reflects away 30%. Average atmospheric temperature -20°C and radiates away the rest as long-wave infrared radiation to deep space at -270°C. Relative power density. Wavelength, nanometres. To radio waves → Outside atmosphere. At Earth’s surface. Long-wave infrared. Ultraviolet 350. And below. Blue. Green. Red. Short-wave infrared 1000-2000.

Солнце испускает видимым свет, ультрафиолет и тепло благодаря температуре на его поверхности в 6000°C. Средняя внешняя температура поверхности Земли приблизительно 15°C. Земля отражает около 30% солнечного света. Средняя температура атмосферы -20°C, и часть ее тепла в виде длинноволнового инфракрасного излучения уходит в космическое пространство, средняя температура которого -270°C. Относительная энергетическая плотность. Длина волн, нанометры. К радиоволнам → За пределами атмосферы. На поверхности Земли. Длинноволновое инфракрасное излучение. Ультрафиолет 350. И ниже. Синий. Зеленый. Красный. Коротковолновое инфракрасное излучение 1000-2000.

Земля, которая имеет среднюю атмосферную температуру -20°C и внешнюю температуру поверхности 15°C, излучает энергию длинноволнового инфракрасного диапазона в космическое пространство, средняя температура которого всего лишь на несколько градусов выше абсолютного ноля (-273°C). Мы часто забываем про эту теплопотерю, но она хорошо заметна ясными ночами в мороз, когда тепло уходит сначала в верхние слои атмосферы, а затем в космос.

Как можно увидеть, большинство эффектов низкотемпературной солнечной энергии зависят от нашей способности использовать стекло и другие материалы с селективными свойствами, которые позволяют солнечному излучению проходить внутрь, но блокировать отражение длинноволнового инфракрасного излучения. Сбор солнечной энергии для высокотемпературных устройств, как например движущиеся поезда, большей частью использует сконцентрированную сложными зеркалами солнечную энергию.

Прямое и рассеянное излучение

Когда лучи солнца проходят атмосферу, часть света рассеивается - в количестве, которое зависит от облачности. Эта часть рассеянного света доходит до поверхности земли. Этот рассеянный свет также освещает небо. Небольшую его часть его мы видим как голубой цвет ясного неба, но бóльшую – как белый цвет облаков.

То, что мы обычно называем солнечным светом – это та часть света, которая идет прямо от солнца. Ее также называют «прямым излучением». В ясные дни энергетическая плотность такого света может достигать 1 киловатта на квадратный метр (1 кВт*м-2). Эта величина взята за точку отсчета и названа «1 sun». Эта единица используется для оценки солнцесборников. В северной Европе и в некоторых городах южной Европы пиковые энергетические плотности на практике составляют около 900-1000 Ватт на квадратный метр.

В северной Европе в среднем за год приблизительно 50% солнечной радиации рассеивается, и 50% - это «прямой свет». В южной Европе, где уровни солнечного освещения выше, большинство света – прямой свет, особенно летом. Как рассеянное, так и прямое излучение нагревают тепловые приборы, но только прямое излучение может быть сфокусировано, чтобы производить очень высокие температуры. Но в то же время именно рассеянное излучение обеспечивает дневное естественное освещение в зданиях, особенно с окнами, ориентированными на север.

Применимость солнечного излучения

Интерес к солнечной энергии побудил начать точные измерения солнечных ресурсов и составлять солнечные карты. Для этого обычно используют солариметры (этот прибор также иногда называют пирариометр, pyrariometer):

Эти приборы содержат тщательно откалиброванные термоэлектрические элементы, закрытые стеклянной крышкой, которая направлена на небосвод. Напряжение в них изменяется пропорционально поступлению световой энергии. Колебания записываются электронным способом.

Наибольшее количество измерений солариметров отражают общее количество солнечной энергии, попадающей на их горизонтальные поверхности. Более детальные измерения разделяют прямое и рассеянное излучение. Эти данные могут быть математически преобразованы для расчета плотности излучения на наклоненные и вертикальные поверхности.

Так того и следовало ожидать, измерения показали, что среднегодовое солнечное освещение горизонтальных поверхностей наиболее высоко возле экватора, свыше 2000 киловатт-часов на квадратный метр за год (кВт*час*м-2 за год), и особенно высоко в пустынях. Эти области освещены лучше, чем северная Европа, которая обычно получает только около 1000 кВт*час*м-2 за год. Многие экспериментальные проекты, как например солнечные тепловые электростанции, строилось в таких районах, как южная Франции или Испании, где радиационные уровни составляют около 1500 кВт*час*м-2 за год, или на юге США, где уровни могут достигать 2500 кВт*час*м-2 за год.

Очевидно, что в Европе лето более солнечное, чем зима, но каковы средние величины солнечной энергии?

В середине июля солнечное освещение горизонтальной поверхности в северной Европе (например, в Ирландии, Великобритании, Дании и северной Германии) между 4,5 и 5 кВт*час*м-2 за день:

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт*час на квадратный метр за день), Европа, июль.

Пять киловатт-часов - достаточно энергии, чтобы нагреть воду для горячей ванны. По британским местным ценам 2003 года на топливо нам пришлось бы заплатить приблизительно 15 пенсов за это количества тепла, если мы использовали нормальный газовый паровой котел или непиковое электричество. В южной Европе (Испания, Италия и Греция) в июле солнечные радиационные уровни выше - между 6 и 7,5 кВт*час*м-2 за день.

Зимой, однако, количество солнечного излучения намного ни-же. В январе средняя величина в северной Европе может быть в 10 раз меньше, чем в июле - около 0,5 кВт*час*м-2 за день, а вот в южной Европе, возможно ощутимо бóльшее освещение (1,5-2 кВт*час*м-2 за день):

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт на 1 м2 за день), Европа, январь.

Это означает, что в северной Европе нам нужно использовать оборудование, которое требуют наибольших энергозатрат летом. В южной Европе солнечного света достаточно и зимой, чтобы весь год использовать одно и то же оборудование.

Продолжение следует.

universal-inf.livejournal.com

Солнечная тепловая энергия. Природа и пригодность солнечного излучения: wond_world

Раньше было:

Солнечная тепловая энергия1. Введение2. Солнечный водонагреватель на крыше

3. Природа и пригодность солнечного излучения

Длины волн солнечного излучения

Ниже приведу перевод надписей на рисунке "Поглощение и отражение солнечной энергии Землей":

Прямое и рассеянное излучение

Применимость солнечного излучения

Очевидно, что в Европе лето более солнечное, чем зима, но каковы средние величины солнечной энергии?

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт*час на квадратный метр за день), Европа, июль.

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт на 1 м2 за день), Европа, январь.

Продолжение следует.

Спасибо 1

wond-world.livejournal.com

Солнечная тепловая энергия. Природа и пригодность солнечного излучения: drsrnr

Раньше было:

Солнечная тепловая энергия1. Введение2. Солнечный водонагреватель на крыше

3. Природа и пригодность солнечного излучения

Длины волн солнечного излучения

Ниже приведу перевод надписей на рисунке "Поглощение и отражение солнечной энергии Землей":

Прямое и рассеянное излучение

Применимость солнечного излучения

Очевидно, что в Европе лето более солнечное, чем зима, но каковы средние величины солнечной энергии?

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт*час на квадратный метр за день), Европа, июль.

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт на 1 м2 за день), Европа, январь.

Продолжение следует.

Спасибо 1, 2

drsrnr.livejournal.com

Солнечная тепловая энергия. Активное солнечное нагревание: surprisedog

Раньше было:

Солнечная тепловая энергия1. Введение2. Солнечный водонагреватель на крыше3. Природа и пригодность солнечного излучения4. Солнечная радиация и времена года5. Удивительные свойства стекла6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии6.1. Местный нагрев воды6.2. Обогрев пространства жилого дома солнечным светом6.3. Нагрев плавательного бассейна6.4. Зимний сад (или «солнечная теплица»)6.5. Стена Тромбе6.6. Прямой нагрев

7. Активное солнечное нагревание

История

Солнечный водный нагреватель мог бы быть сделан просто путем размещения водного резервуара в нормальном окне. Действительно, многие из первых систем, произведенных в США 1890-ые годы в большинстве были именно такими.

Накопительный солнечный водный нагреватель, как известно, был запатентован в 1990 году Вильямом Джей Бейли (William J. Bailey) в Калифорнии. Так в системе присутствует изолированную емкость, которая может длительное время удерживать воду горячей. Бейли назвал свою компанию «Компания солнечных водонагревателей «День и Ночь» ('Day and Night' Solar Water Heater Company). Он успел продать около 400 систем перед тем, как было открыто месторождение дешевого природного газа в 1920-х, что фактически стало причиной закрытия его бизнеса.

Во Флориде солнечные водонагреватели начали использовать с 1940-ых. Восемьдесят процентов новых домов, построенных на Майами между 1935 и 1941 годами, были снабжены солнечными системами. Около 60 000 были проданы за этот период в других областях. С 1950-х годов в Америке солнечные нагреватели имели конкурентов в виде нагревателей от твердого ископаемого топлива (Butti и Perlin, 1980).

Это продолжалось, пока в 1970-х не произошло повышения цен на нефть, что определило возможность восстановления конкуренции солнечных накопителей. К 2001 г. было как минимум 57 миллионов м2 солнечных накопителей, установленных по всему миру, 11 млн. м2 из них в США, но только 208 тыс. м2 в Великобритании (IEA, 2003, ESTIF, 2003).

Нами рассмотрены основные формы солнечной водных теплосборников, но какие из них рентабельно использовать как альтернативные источники?

Солнцесборники

Точно так же, как солнечные энергетические системы могут иметь много вариантов, так и формы солнечных накопителей, приведенных на рис. ниже очень разнообразны.

Низко-, средне- и высокотемпературные солнцесборники.

Переводы надписей:

Низкотемпературные солнцесборники (слева).

Неостекленная система, нагревающая на 0-10°С.Черная поглощающая пластина.Каналы для тока воды.

Плоская пластина (с водой), нагревающая на 0-50°С.Прозрачное покрытие.Оправа, обшивка, кожух (или-или).Черная поглощающая пластина.Ток воды.Изоляция.

Плоская пластина (с воздухом), нагревающая на 0-50°С.Воздушный канал.Ток воздуха.--------------------

Средне- и высокотемпературные солнцесборники (справа).

Фокусирующая линия, нагревающая на 50-150°С.Фокус.Ток воды.

Эвакуирующая трубаEvacuated tube

Нагревательный трубчатый конденсаторHeat pipe condenser

Водный потокWater flow

Нагревательный трубчатый испарительHeat pipe evaporator

Эвакуирующая стеклянная трубаEvacuated glass tube

Частично покрытая абсорбирующая пластинаSelectively coated absorber plate

Точечная фокусирующая системаЗеркалоФокусВходящий ток водыИсходящий ток воды--------------------

Панели без стекла. Они наиболее приемлемы для нагревания бассейнов, где необходимо только на несколько градусов повысить температуру, по сравнению с температурой окружающей среды, при этом потери тепла относительно невелики.

Плоские пластины водных коллекторов. Это основной способ в мире нагревания воды от солнца. Обычно они застеклены только один раз, однако могут иметь дополнительную дважды застекленную площадь (иногда эта дополнительная площадь покрыта не стеклом, а пластиком). Более сложные застекленные системы позволяют достичь большей разницы температур между поглощающей поверхностью и внешним воздухом.

Пластина поглотителя обычно имеет очень черную поверхность, которая поглощает практически все солнечное излучение, т.е. она имеют высокую поглощающую способность. Обычные черные краски все-таки отражают приблизительно 10% солнечного света (для сравнения: белая поверхность отражает 70-80 %). Для некоторых панелей используют избирательную поверхность, которая хорошо поглощает видимый свет и отражает мало света в инфракрасном длинноволновом диапазоне, чтобы снижает потери тепла.

Поглощающие пластины разнообразных конструкций, успешно применяемые в последние годы, состоят из сжатых стальных центрально нагревающихся радиаторов, специально сделанных из сжатых алюминиевых и медных труб малого диаметра, припаянных к толстой пластине или к стальному листу. В общем, пластина поглотителя должна иметь высокую теплопроводность, чтобы передать собранную энергию к воде с минимальными потерями температуры.

Плоские пластины воздушных коллекторов. Они не такие, как водные коллекторы и наиболее часто используются для нагревания воздуха. Интересный вариантом является использование комбинированного коллектора: этого вида теплосборника с фотоэлектрической группой, которая вырабатывает как тепло, так и электричество.

Эвакуирующие трубы коллектора. В этом случае коллектор состоит из набора модульных труб, подобных флуоресцентным лампам. Пластина поглотителя - металлическая полоса, размещенная в центре каждой трубы. Конвективные потери тепла снижены, благодаря созданию вакуума в трубе. Пластина поглотителя использует специальный 'тепловой элемент, чтобы передать собранную энергию к воде, которая циркулирует вдоль трубы магистрали к вершине массива.

Тепловая труба - устройство, которое использует для переноса бóльшего количества тепла свойства кипящей жидкости. Полая труба наполнена жидкостью под давлением, выбранном таким образом, чтобы жидкость закипала на одном, горячем, конце трубы, а пар конденсировался на холодном конце. Труба имеет намного более эффективную теплопроводность, чем если бы она была сделана из твердого металла, и способна к передаче большего количеств тепла, достаточного для небольшого повышения температуры.

Коллекторы с фокусной линией. Они концентрируют солнце в трубе в направлении к центру. Они в основном используются для производства пара для получения электричества. Собирающая поверхность может вращаться вверх или вниз, на восток или запад, чтобы отслеживать положение солнца. Коллектор с фокусной линией может быть ориентирован своей осью в горизонтальном или вертикальном направлении.

Коллекторы с фокусной центром. Эти устройства также используются для генерации пара или для двигателей Стерлинга, но они нуждаются в отслеживании положения Солнца в двух измерениях.

Погрешность, высота и ориентация

Солнечные коллекторы обычно поднимают и размещают на крышах, их обычно трудно установить, и так же трудно выполнять обслуживание и ремонты. Они должны быть твердо и непроницаемо прижаты к крыше, а затем должны выдержать все, что может повлиять на них в природе - мороз, ветер, кислотный дождь, морские брызги и град. Им также нужно быть нечувствительными к внутренней коррозии и очень больших колебаний температуры. Двойной застекленный коллектор - потенциальный источник производства кипятка в разгар лета, если тепло не используется для каких либо других целей. Это весьма серьезное практическое конструктивно решение, которое может работать до 20 и более лет без замены. Однако, данные 1995 года показывают, что 85% из 49 000 систем, которые планировали установить в Великобритании к этому времени, находились еще в стадии проекта (Sаdler, 1996).

К счастью, согласно исследованиям, пластины не следует устанавливать в наклонное положение или ориентировать в определенном направлении. Это в свою очередь означает, что большинство строящихся в настоящее время опор, приблизительно 50% или даже больше, могут быть использованы для установки солнечных коллекторов.

Активное солнечное нагревание

Итак, мы подробно рассмотрели местные водяные нагреватели только с несколькими квадратными метрами солнечных батарей. Если дальше рассматривать больший коллектор с намного бóльшим резервуаром, способным генерировать больше энергии от солнечных батарей, то он будет способен обеспечить круглый год потребности зданий в теплоносителях с не очень высокой температурой. В 1970-х, с этой целью во всем мире был построен целый ряд экспериментальных систем. Например, (см. первое фото, из приведенных ниже) в 1975 в Милтон Кейнес (Milton Keynes) была построена и действовала до 1994 такая установка, фактически являясь испытательной для типичного климата центральной Англия. 36 м2 солнечных батарей со стеклянным покрытием были установлены на крыше отдельно стоящего дома. В качестве генератора энергии использовались два изолированных водных резервуара общей вместимостью 4,5 м3.

Контроль показал, что система вырабатывала только половину необходимой низкотемпературной потребности в нагревании и в основном ее бóльшая часть использовалась для нагревания воды. Только небольшая часть энергии для нагрева воздуха была получена от активной солнечной энергии, и это только в солнечный сезон. Фактически почти вся энергия была получена от падающих через окна солнечных лучей. Хотя система работала в значительной степени согласно проекта, у нее были значительные недостатки:

1. Для того, чтобы собрать достаточно солнечной энергии, особенно в зимнее время, коллектор должен быть очень большим. Но, в свою очередь, это бы означало, что в течение лета его потенциал не мог бы использоваться полностью, потому что не было бы спроса и капитальные затраты фактически не окупятся.

2. Если дом будет лучше изолирован, он не будет требовать слишком много внешней энергии для нагрева, и это не дает возможности лучше использовать пассивное солнечное излучение.

Здесь мы имеем ключевую проблему: использовать ли возобновляемую энергию, чтобы нагреть отдельный изолированный дом, или использовать энергию для накопления, чтобы использовать там, где это будет более необходимо. Последующий анализ и эксперимент показали, что такое же сохранение стоимости ископаемого топлива могло быть получено в хорошо теплоизолированном пассивно обогреваемом доме.

Экспериментальный активного обогреваемый солнцем дом в Milton Keynes, построенном в 1979 году.

Подобные расчеты были произведены для обогреваемых солнцем домов в Германии и Франции. Сохранение энергии и возобновляемое энергоснабжение должны рассматриваться в равной мере.

Межсезонное хранение и солнечное нагревание района

Можно было бы думать, что, если сделать накопительный резервуар для солнечного обогрева дома достаточно большим, то энергия летнего солнца могло бы быть сохранена и зимой. Это известно как межсезонное хранение. Однако нельзя недооценивать трудности этого хранения. Сохраненный объем горячей запасенной воды для снабжения дома должен иметь такой же размер, как непосредственно и сам объем дома. Кроме того, такому резервуару хранения была бы нужна изоляция толщиной до 0,5 м, чтобы сохранить большинство его тепла от лета до зимы. Для того, чтобы сократить соотношение фасада (т.е. тепловых потерь) к объему дома, необходимо сделать резервуар хранения очень большим. Это значит, что такие схемы, вероятно, наиболее полезны для больших зданий или районных нагревательных схем. Даже при этом, время окупаемости будет очень длинным.

Но можно получить значительный экономический эффект при выполнении больших проектов, где солнечные батареи могут быть приобретены и установлены оптом. Начиная с 1980-х годов, началось поточное строительство больших массивов солнечных батарей для районных теплосетей в континентальной Европе, большей частью в Дании, Швеции и Германии. Позже, к 2002 году, были подведены итоги строительства 65 схем, имеющих более чем 500 м2 области сборщика. Эти системы имели полную площадь 110 000 м2 и полную пиковую тепловую мощность до 50 МВт (Dаlenbаck, 2002). Большинство этих схем обслуживают жилые здания.

Хотя массивы могут быть очень большими (например, площадью 8000 м2, как на фото ниже) они обычно обеспечивают только небольшой процент потребности в тепле. Фактически они являются отдельными местными солнечными водными теплосетями.

Солнечные батареи площадью 8000 м2, обеспечивающих районную теплосеть Mаrstаl в Дании (фото любезно предоставлено Arcon).

surprisedog.livejournal.com