Термальная энергия солнца: Солнечная тепловая энергия — Christof Industries

Что такое солнечная тепловая энергия и как она работает

Когда мы говорим о солнечной энергии, первое, о чем мы думаем, — это солнечные батареи. Это фотоэлектрическая солнечная энергия, возможно, самая известная из всех возобновляемых источников энергии, наряду с ветром. Однако есть и другой вид: солнечная тепловая энергия.

Если вы хотите знать все об этом типе солнечной энергии, от того, что это такое, до того, как она используется, по ее характеристикам, продолжайте читать 🙂

Индекс

• 1 Что такое солнечная тепловая энергия?
• 2 Компоненты тепловой установки
  • 2.1 Ловец
  • 2.2 Гидравлический контур
  • 2.3 Теплообменник
  • 2.4 Аккумулятор
  • 2.5 Циркуляционные насосы
  • 2.6 Вспомогательная мощность
• 3 Предметы, необходимые для безопасности
  • 3.1 Расширительные баки
  • 3.2 Предохранительные клапаны
  • 3.3 Гликоль
  • 3. 4 Радиаторы
  • 3.5 Ловушки
  • 3.6 Автоматическое управление

Что такое солнечная тепловая энергия?

Как следует из названия, это тип возобновляемой и чистой энергии, который заключается в использовании энергии солнца для производства электроэнергии. В отличие от солнечных панелей, используемых в фотоэлектрической энергии для выработки электричества из фотонов света, присутствующих в солнечном излучении, эта энергия использует это излучение для нагрева жидкости.

Когда солнечные лучи попадают на жидкость, они нагревают ее, и эту горячую жидкость можно использовать для различных целей. Чтобы лучше понять, 20% энергопотребления больницы, гостиницы или дома приходится на использование горячей воды. С помощью солнечной тепловой энергии мы можем нагревать воду с помощью энергии солнца и использовать ее в своих интересах, чтобы в этом секторе энергетики нам не приходилось использовать ископаемые или другие виды энергии.

Наверняка вы думаете, что вода в реках, озерах и водохранилищах подвержена солнечному излучению и при этом не нагревается. И дело в том, что для использования этого солнечного излучения необходима специальная установка, которая помогает нагревать жидкости, чтобы их можно было использовать позже.

Солнечная тепловая энергия в значительной степени способствует снижению затрат, тем самым экономя энергию и сокращая выбросы CO2, которые вызывают глобальное потепление и вызывают изменение климата.

Компоненты тепловой установки

Как только мы узнаем, что такое солнечная тепловая энергия, у нас должны быть необходимые элементы для создания солнечной установки, которая позволит нам использовать этот энергетический ресурс.

Ловец

Первое, что должно быть в установке такого типа, — это коллектор или солнечная панель. Эта солнечная панель не работает так же, как хорошо известная фотоэлектрическая панель. В нем нет фотоэлектрического элемента, который собирает фотоны света для преобразования их в энергию, а скорее позволяют нам улавливать солнечное излучение, чтобы начать нагревание жидкости циркулирующие внутри них. Есть разные типы коллекторов и с разной производительностью.

Гидравлический контур

Второй — гидравлический контур. Это трубы, составляющие контур, по которому мы будем транспортировать теплоноситель, который будет выполнять действия, которые мы собираемся выполнить. В большинстве установок цепь обычно замкнута. Поэтому говорят о односторонние цепи, из панели и обратные цепи, вплоть до панели. Как если бы этот контур был своего рода водогрейным котлом, который способствует обогреву помещения.

Теплообменник

Они несут ответственность за транспортировку тепла по контуру. Теплообменник передает энергию, захваченную солнцем, воде. Обычно они находятся вне резервуара (так называемые пластинчатые теплообменники) или внутри (змеевик).

Аккумулятор

Поскольку потребность в солнечной энергии не всегда такая же, как в фотоэлектрической, она требует некоторая система хранения энергии. В этом случае солнечная тепловая энергия накапливается в аккумуляторах. Этот аккумулятор может накапливать горячую воду, чтобы она была доступна, когда она нам нужна. Это резервуары, у которых есть емкость и необходимая изоляция, чтобы избежать потерь энергии и постоянно поддерживать горячую воду.

Циркуляционные насосы

Чтобы перекачивать жидкость из одного места в другое, необходимы насосы, чтобы преодолевать перепады давления в контурах, а также силы трения и тяжести.

Вспомогательная мощность

Когда солнечной радиации меньше, производство этой энергии уменьшается. Но спрос тоже не поэтому. Столкнувшись с такой ситуацией, когда спрос превышает предложение, нам понадобится вспомогательная система, которая нагревает воду и полностью независима от солнечной системы. Это называется резервным генератором.

Это котел, который начинает работать в условиях, в которых солнечная тепловая энергия менее выгодна, и нагревает накопленную воду.

Предметы, необходимые для безопасности

Важно иметь систему безопасности, чтобы установка работала в оптимальных условиях и не выходила из строя со временем. Элементами, составляющими систему безопасности, являются:

Расширительные баки

Как мы знаем, чем выше температура воды, тем больше увеличивается ее объем. Следовательно, необходим элемент, способный поглотить это увеличение объема при расширении теплоносителя. Для этого используются расширительные баки. Есть несколько видов стаканов: открытые и закрытые.. Наиболее часто используются закрытые.

Предохранительные клапаны

Клапаны используются для регулирования давления. Когда достигается значение давления, установленное в процессе калибровки, клапан выпускает жидкость, чтобы предотвратить достижение потенциально опасных пределов давления.

Гликоль

Гликоль — идеальная жидкость для передачи тепла солнечной тепловой установке. Лучше всего, чтобы это было антифриз, поскольку в местах с очень низкой температурой замерзание воды в контурах может разрушить всю установку. Кроме того, жидкость должна быть нетоксичной, не кипеть, не подвергаться коррозии, иметь высокую теплоемкость, не тратиться впустую и быть экономичной. В противном случае энергия была бы невыгодной.

В идеале установка этого типа должна содержать 60% воды и 40% гликоля.

Радиаторы

Поскольку во многих случаях вода сильно нагревается, важно иметь радиаторы, предотвращающие этот опасный нагрев. Есть статические радиаторы, вентиляторы и т. Д.

Ловушки

Ловушки способны извлекать воздух, который накапливается внутри контуров и может вызвать серьезные проблемы в эксплуатации установки. Благодаря этим очистителям воздух удаляется.

Автоматическое управление

Это тот элемент, который заставляет все работать правильно, поскольку предполагает автоматический контроль, который измеряет температуру в панелях, резервуарах, программирование, активацию электрического радиатора (если такая система существует), программатор, управление насосом и т. Д.

С помощью этой информации вы можете узнать больше о солнечной тепловой энергии и ее применениях.

Концентрируя солнечную энергию | Euronews

Эти зеркала концентрируют солнечный свет на центральной башне на юге Испании, а его тепловая энергия превращает воду в пар и приводит в движение турбину. Концентрированная солнечная энергия обладает потенциалом для доставки энергии в отдаленные районы мира. Но у таких станций есть серьезный недостаток — они постоянно испытывают жажду.

Этот тип солнечной энергии идеально подходит для пустынь с их ярким солнечным светом, но из-за песка и пыли зеркала нуждаются в регулярной очистке — с использованием драгоценной воды. Здесь, в Центре изучения солнечной энергии в Альмерии, ученые работают над экспериментами по экономии воды, в том числе над разработкой барьеров, препятствующих попаданию пыли на зеркала.

Аранзазу Фернандес-Гарсия, Солнечная платформа Альмерии: «На данный момент мы констатируем, что лучше всего работает барьер с плоской геометрией. По сравнению с изогнутым мы получаем чуть лучшие результаты, а если сравнивать его с естественным барьером, результаты впечатляют. С помощью искусственного барьера мы можем заблокировать до 50% частиц, не давая им таким образом проникать в солнечное поле».

Для очистки гигантских зеркал необходимо много жидкости. Исследователи, в рамках проекта ЕС, тестируют систему ультразвуковой очистки, которая использует меньше воды.

Аранзазу Фернандес-Гарсия: «Мы используем ручную систему в течение года для проведения экспериментов, в ходе которых мы получим результаты по потреблению воды, электроэнергии и так далее. А следующим шагом станет «масштабирование» устройства на работающей солнечной установке с использованием автоматизированной системы».

Исследователи испытывают специальные покрытия, предотвращающие прилипание грязи. Измерения, проведенные вручную, показывают, когда поверхности требуют очистки. А этот датчик работает автоматически. Только что был установлен прототип гибридного кулера с водяными и сухими градирнями.

Во Франции исследователи работают над другим видом кулера — используя струи водяного тумана. Концентрированная солнечная энергия имеет большое преимущество перед более известными солнечными панелями: вырабатываемое тепло может храниться и использоваться еще долго после захода солнца, поэтому эту технологию важно усовершенствовать, оптимизировав процессы охлаждения и очистки.

Дельфин Бурдон, координатор проекта WASCOP: «Мы добавим систему водяного тумана, которая будет охлаждать воздух до того, как он попадет в теплообменники, поэтому у нас будет гораздо более эффективная система охлаждения. Мы должны снизить потребление воды более чем на 90 процентов по сравнению с традиционным мокрым охладителем».

Команда исследователей также работает над инновационным устройством для хранения холодного воздуха — это резервуар, который заполнен слоями камня и воды. По сути, он хранит более свежий ночной воздух, который затем можно применять для охлаждения конденсатора турбины, вообще не используя воду.

Кристоф Дюма, исследовательский центр в Кадараше: «Станции концентрированной солнечной энергии должны сыграть важную роль в ближайшие годы. Периодичность использования возобновляемых источников энергии довольно проблематична, а такие установки позволяют хранить и производить электроэнергию 24 часа в сутки, что может быть очень интересно».

Многие из этих экспериментов скоро будут проведены на действующих электростанциях и в течение трех лет станут доступны для коммерческого использования.

ИСПАНИЯ
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

NWS JetStream — Передача тепловой энергии

Источником тепла для нашей планеты является Солнце. Энергия солнца передается через космос и через земную атмосферу на земную поверхность. Поскольку эта энергия нагревает поверхность земли и атмосферу, часть ее является или становится тепловой энергией. Существует три способа передачи тепла в атмосферу и через нее:

• излучение
• проводимость
• конвекция

Радиация

Если вы стояли перед камином или возле костра, вы чувствовали передачу тепла, известную как излучение. Ближайшая к огню сторона вашего тела нагревается, в то время как другая сторона остается незатронутой жаром. Хотя вы окружены воздухом, воздух не имеет ничего общего с этой передачей тепла. Точно так же работают лампы накаливания, которые поддерживают температуру пищи. Радиация – это перенос тепловой энергии через пространство электромагнитным излучением.

Большая часть электромагнитного излучения, поступающего на Землю от Солнца, невидима. Только небольшая часть приходит как видимый свет. Свет состоит из волн разной частоты. Частота — это количество повторений события в течение заданного времени. В электромагнитном излучении его частота — это количество электромагнитных волн, проходящих мимо точки каждую секунду.

Наш мозг интерпретирует эти различные частоты в цвета, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Когда глаз видит все эти разные цвета одновременно, он интерпретируется как белый. Солнечные волны, которые мы не видим, — это инфракрасные волны, частота которых ниже, чем у красного, и ультрафиолетовые волны, частота которых выше, чем у фиолетового света. [подробнее об электромагнитном излучении] Именно инфракрасное излучение вызывает ощущение тепла в нашем теле.

Большая часть солнечной радиации поглощается атмосферой, и большая часть того, что достигает земной поверхности, излучается обратно в атмосферу, превращаясь в тепловую энергию. Объекты темного цвета, такие как асфальт, поглощают лучистую энергию быстрее, чем объекты светлого цвета. Однако они также излучают свою энергию быстрее, чем более светлые объекты.

Учебный урок: Тает в сумке, а не в руке

Теплопроводность

Теплопроводность — это передача тепловой энергии от одного вещества к другому или внутри вещества. Вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с супом, разогретым на плите? Через некоторое время ручка ложки станет горячей.

Это связано с передачей тепловой энергии от молекулы к молекуле или от атома к атому. Кроме того, когда объекты свариваются вместе, металл нагревается (оранжево-красное свечение) за счет передачи тепла от дуги.

Это называется теплопроводностью и является очень эффективным методом передачи тепла в металлах. Однако воздух плохо проводит тепло.

Конвекция

Конвекция — это передача тепловой энергии в жидкости. Этот тип нагрева чаще всего встречается на кухне с кипящей жидкостью.

Воздух в атмосфере действует как жидкость. Солнечные лучи падают на землю, нагревая скалы. По мере того, как температура породы повышается из-за теплопроводности, тепловая энергия выделяется в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха. Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу. По мере подъема пузырек остывает, а тепло, содержащееся в пузыре, уходит в атмосферу.

По мере подъема массы горячего воздуха воздух заменяется окружающим более холодным и плотным воздухом, который мы ощущаем как ветер. Эти движения воздушных масс могут быть небольшими в определенном регионе, например, локальными кучевыми облаками, или большими циклами в тропосфере, охватывающими большие участки земли. Конвекционные потоки ответственны за многие погодные условия в тропосфере.

Краткие факты

Не тепло, которое вы чувствуете, а ультрафиолетовое излучение солнца вызывает солнечные ожоги, которые приводят к раку кожи. Солнечное тепло не приводит к солнечному ожогу.

По данным Американской академии дерматологии, солнечный свет состоит из двух типов вредных лучей, достигающих земли: ультрафиолетовых лучей A (UVA) и ультрафиолетовых лучей B (UVB). Чрезмерное воздействие любого из них может привести к раку кожи. Каждый из этих лучей не только вызывает рак кожи, но и делает следующее:

• Лучи UVA могут преждевременно состарить кожу, вызывая появление морщин и пигментных пятен, и могут проникать через оконное стекло.
• Лучи UVB являются основной причиной солнечных ожогов и блокируются оконным стеклом.

Безопасного способа загорать не существует. Сюда входит излучение от искусственных источников, таких как солярии и солнечные лампы. Каждый раз, когда вы загораете, вы повреждаете кожу. По мере накопления этого повреждения вы ускоряете старение кожи и увеличиваете риск развития всех видов рака кожи.

Даже в пасмурные дни ультрафиолетовое излучение может проникать сквозь облака и вызывать солнечные ожоги, если вы достаточно долго находитесь на открытом воздухе.

Солнечные тепловые электростанции – Управление энергетической информации США (EIA)

Солнечные тепловые энергетические системы используют концентрированную солнечную энергию

Солнечные тепловые/электроэнергетические системы собирают и концентрируют солнечный свет для производства высокотемпературного тепла, необходимого для производства электроэнергии. Все солнечные теплоэнергетические системы имеют коллекторы солнечной энергии с двумя основными компонентами: отражатели (зеркала), которые улавливают и фокусируют солнечный свет на приемник . В большинстве типов систем теплоноситель нагревается и циркулирует в ресивере и используется для производства пара. Пар преобразуется в механическую энергию в турбине, которая приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Солнечные тепловые энергетические системы имеют системы слежения, которые фокусируют солнечный свет на приемнике в течение дня, когда солнце меняет положение на небе. Солнечные тепловые электростанции обычно имеют большое поле или массив коллекторов, которые подают тепло на турбину и генератор. Несколько солнечных тепловых электростанций в Соединенных Штатах имеют две или более солнечных электростанций с отдельными батареями и генераторами.

Солнечные тепловые энергосистемы могут также иметь компонент системы накопления тепловой энергии, который позволяет системе солнечного коллектора нагревать систему накопления энергии в течение дня, а тепло от системы хранения используется для производства электроэнергии в вечернее время или в пасмурную погоду . Солнечные тепловые электростанции также могут быть гибридными системами, которые используют другие виды топлива (обычно природный газ) для дополнения энергии солнца в периоды низкой солнечной радиации.

Типы концентрирующих солнечных тепловых электростанций

• Линейные концентрирующие системы, включающие параболические желоба и линейные рефлекторы Френеля
• Башни солнечной энергии
• Солнечные тарелки/двигатели

Линейные концентрирующие системы

Линейные концентрирующие системы собирают солнечную энергию с помощью длинных, прямоугольных, изогнутых (U-образных) зеркал. Зеркала фокусируют солнечный свет на приемники (трубки), которые проходят по всей длине зеркал. Концентрированный солнечный свет нагревает жидкость, протекающую по трубкам. Жидкость направляется в теплообменник для кипячения воды в обычном паротурбинном генераторе для производства электроэнергии. Существует два основных типа систем линейных концентраторов: системы с параболическими желобами, в которых приемные трубки располагаются вдоль фокальной линии каждого параболического зеркала, и системы с линейными рефлекторами Френеля, в которых одна приемная трубка располагается над несколькими зеркалами, что обеспечивает большую подвижность зеркал. слежение за солнцем.

Электростанция с линейным концентрирующим коллектором имеет большое количество, или поле , коллекторов в параллельных рядах, которые обычно ориентированы с севера на юг для максимального сбора солнечной энергии. Эта конфигурация позволяет зеркалам отслеживать движение солнца с востока на запад в течение дня и непрерывно концентрировать солнечный свет на приемных трубках.

Параболические желоба

Параболический желобной коллектор имеет длинный отражатель параболической формы, который фокусирует солнечные лучи на приемной трубе, расположенной в фокусе параболы. Коллектор наклоняется вместе с солнцем, чтобы солнечный свет фокусировался на приемнике, когда солнце движется с востока на запад в течение дня.

Из-за своей параболической формы желоб может фокусировать солнечный свет в 30-100 раз больше его нормальной интенсивности (коэффициент концентрации) на приемной трубе, расположенной вдоль фокальной линии желоба, достигая рабочих температур выше 750°F.

Электростанция с параболическим желобом

Источник: Стоковая фотография (защищено авторским правом)

Линейные концентрирующие системы с параболическим желобом используются на одной из старейших в мире солнечных тепловых электростанций — системе генерации солнечной энергии (SEGS), расположенной в Мохаве. Пустыня в Калифорнии. На объекте с течением времени было девять отдельных заводов, первый завод в системе, SEGS I, работал с 1984 до 2015 года, а вторая, SEGS II, работала с 1985 по 2015 год. SEGS III–VII (3–7), каждая с чистой летней электрической мощностью 36 мегаватт (МВт), была введена в эксплуатацию в 1986, 1987 и 1988 годах. SEGS VIII (8) и IX (9), каждая с чистой летней электрической мощностью 88 МВт, начали работу в 1989 и 1990 годах соответственно. SEGS 3, 4, 5, 6, 7 и 8 прекратили работу в 2021 году, и по состоянию на 31 декабря 2021 года в эксплуатации осталась только SEGS 9. компонент хранения в Гила-Бенд, штат Аризона, который начал работать в 2013 году

Nevada Solar One: электростанция мощностью 69 МВт недалеко от Боулдер-Сити, штат Невада, которая начала работать в 2007 году.

Линейные отражатели Френеля приемник, расположенный над зеркалами. В этих отражателях используется эффект линзы Френеля, что позволяет использовать концентрирующее зеркало с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием. Эти системы способны концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз больше ее нормальной интенсивности. Компактные линейные отражатели Френеля (CLFR), также называемые концентрирующими линейными отражателями Френеля, представляют собой тип технологии LFR, в которой несколько поглотителей находятся рядом с зеркалами. Несколько приемников позволяют зеркалам изменять свой наклон, чтобы свести к минимуму то, насколько они блокируют доступ солнечного света к соседним отражателям. Такое расположение повышает эффективность системы и снижает потребность в материалах и затраты. Демонстрационная солнечная электростанция CLFR была построена недалеко от Бейкерсфилда, штат Калифорния, в 2008 году, но в настоящее время она не работает.

Солнечные энергетические башни

Солнечная энергетическая башня использует большое поле плоских, отслеживающих солнце зеркал, называемых гелиостатами, для отражения и концентрации солнечного света на приемнике на вершине башни. Солнечный свет может быть сконцентрирован до 1500 раз. В некоторых градирнях в качестве теплоносителя используется вода. Передовые разработки экспериментируют с расплавленной нитратной солью из-за ее превосходных возможностей теплопередачи и накопления энергии. Возможность накопления тепловой энергии позволяет системе производить электроэнергию в пасмурную погоду или ночью.

• Солнечная электростанция Иванпа: объект с тремя отдельными коллекторными полями и башнями с общей чистой летней электрической мощностью 393 МВт в Сухом озере Иванпа, Калифорния, который начал работать в 2013 году
• Проект солнечной энергетики Crescent Dunes: однобашенный объект мощностью 110 МВт с компонентом для хранения энергии в Тонапе, штат Невада, который начал работать в 2015 году

Башня солнечной энергии

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL)

Солнечные тарелки/двигатели

Источник: Стоковая фотография (защищено авторским правом)

Солнечные тарелки/двигатели

Солнечные тарелки/двигатели используют зеркальную тарелку, похожую на очень большую спутниковую тарелку. Чтобы снизить затраты, зеркальная тарелка обычно состоит из множества меньших плоских зеркал, имеющих форму тарелки. Поверхность в форме тарелки направляет и концентрирует солнечный свет на тепловой приемник, который поглощает и собирает тепло и передает его на двигатель-генератор. Наиболее распространенным типом теплового двигателя, используемого в системах тарелки / двигателя, является двигатель Стирлинга. Эта система использует жидкость, нагретую ресивером, для перемещения поршней и создания механической энергии. Механическая энергия приводит в действие генератор или генератор переменного тока для производства электроэнергии.

Солнечные тарелки/двигатели всегда направлены прямо на солнце и концентрируют солнечную энергию в фокусе тарелки. Коэффициент концентрации солнечной тарелки намного выше, чем у линейных концентрирующих систем, и она имеет температуру рабочей жидкости выше 1380 ° F. Энергетическое оборудование, используемое с солнечной тарелкой, может быть установлено в фокусе тарелки, что делает ее подходящей для удаленных мест, или энергия может собираться из нескольких установок и преобразовываться в электричество в центральной точке.