William B. Stine, Michael Geyer
Продолжение
Начало читайте здесь:
Часть 1. Системы преобразования солнечной энергии
В качестве примера важности материала, рассматриваемого в главе 2, рисунок 1.5 показывает значения инсоляции за весь ясный мартовский день в Daggett, штат Калифорния, измеренных недалеко от солнечной электростанции Kramer Junction. Верхняя кривая, представляет наибольший уровень энергии, падающей перпендикулярно поверхности на один квадратный метр (полная перпендикулярная инсоляция). Максимальный уровень солнечной энергии приходится на 12:00 дня и равен 1030 Вт на квадратный метр. Площадь фигуры этого графика равна 10.6 кВт·ч энергии, которая приходится на каждый квадратный метр за полный световой день.
 |
|
|
Рисунок 1.5 |
Инсоляционные данные для города Daggett, штат Калифорния, ясный мартовский день. |
Средняя кривая представляет собой поток солнечной энергии, попадающей на горизонтальную поверхность. Эта кривая включает в себя как энергию, поступающую прямо от Солнца, так и энергию рассеянного в атмосфере света (полная горизонтальная инсоляция). График рассеянной энергии представлен нижней кривой (рассеянная инсоляция). За весь день в этом месте на каждый квадратный метр горизонтальной поверхности приходится по 6.7 кВт·ч солнечной энергии, из которых 0.7 кВт·ч поступает не от Солнца, а с других направлений.
Методы для оценки временных солнечных ресурсов в любом месте земной поверхности представлены в главе 2. Дополнительно описывается и использование компьютеризированной метеорологической базы данных. Эта база данных, содержащая зависимость производительности системы от времени, создана на основе результатов продолжительных исследований, а также расчетов, приведенных как в этой книге, так и в другой подобной литературе.
Пример данных инсоляции для конкретного местоположения показан на рис 1.6. Здесь мы видим распределение уровня инсоляции по времени суток на протяжении всего года. По такому графику можно точно предсказать выходную мощность системы преобразования солнечной энергии независимо от ее типа.
 |
|
| Рисунок 1.6 | Общая инсоляция по месяцам года (от декабря до января) и времени суток для города Каир, Египет. |
|
Надписи на рисунке |
|
|
Global Horizontal Insolation at Cairo [W/m2] |
Общая инсоляция на горизонтальную поверхность [Вт/м2] |
|
Time of Day |
Время суток |
В дополнение к оценке количества энергии, поступающей от Солнца, проектировщик должен быть в состоянии предсказать его положение. Это нужно для прогнозирования количества энергии, попадающей на наклонную поверхность, и для определения направления, перпендикулярно к которому механизм отслеживания должен устанавливать коллектор. В главе 3 рассматриваются способы вычисления положения Солнца по отношению к любой точке на Земле. Используя только четыре параметра (широта, долгота, дата и местное время), по приведенным уравнениям получим определение местоположения Солнца в небе.
Количество энергии, поглощаемой коллектором, зависит от угла падения солнечных лучей и равно ее произведению на косинус угла между поверхностью коллектора и направлением на Солнце. Зная наклон коллектора (или любой другой поверхности) и положение Солнца, уравнения из главы 3 могут быть использованы для расчета поступающей солнечной энергии. Расчеты проводятся для разных ситуаций, например, когда коллектор закреплен в одном положении, или поворачивается только вокруг одной оси, независимо от ее ориентации.
1.3 Солнечные коллекторы
Солнечный коллектор – главный элемент солнечной энергетической системы. Для его изготовления необходимы современные технологии, чтобы сделать солнечную электростанцию конкурентоспособным источником энергии.
Функция солнечного коллектора проста, он перехватывает солнечную инсоляцию и преобразует ее в такую форму энергии, которая необходима для потребителя. В дальнейшем, мы расскажем о плоских и фокусирующих коллекторах, используемых для получения тепла или электроэнергии.
Плоские тепловые солнечные коллекторы наиболее распространены. Их строительство и эксплуатация сравнительно просты. Большая пластина из черного материала ориентирована перпендикулярно солнечным лучам, которые поглощаются ею и преобразуются в тепловую энергию, нагревая пластину. Для отвода тепла внутри пластины предусмотрены трубопроводы для жидкости или газа, являющихся теплоносителями. Для уменьшения потерь тепла в атмосферу перед коллектором устанавливается одна (или более) прозрачная (стеклянная или пластиковая) пластина. На задней поверхности для той же цели размещают термоизоляцию. Типичные рабочие температуры нагрева такого коллектора равны 125 °C.
Плоские тепловые коллекторы могут поглощать энергию не только прямых солнечных лучей, но и рассеянного в атмосфере и отраженного от других поверхностей света. Они редко выполняются подвижными, то есть способными поворачиваться вслед Солнцу, однако их монтируют с наклоном в южную сторону, чтобы минимизировать угол между лучами солнца и поверхностью коллектора в полдень. Этот наклон обеспечивает наибольший уровень энергии в полдень и более полное ее использование в течение всего дня. Рисунок 1.7 показывает установку плоских тепловых коллекторов.
 |
|
| Рисунок 1.7 | Плоские тепловые солнечные коллекторы для обеспечения горячей водой. (Фото любезно предоставлено DOE/NREL, Warren Gretz) |
Плоский фотоэлектрический коллектор содержит множество отдельных фотоэлектрических элементов, соединенных параллельно-последовательно, и закрытых сверху стеклянной или пластиковой прозрачной панелью. Солнечная энергия преобразуется этими элементами в электроэнергию с малым постоянным напряжением. В отличие от тепловых коллекторов, их задняя поверхность не нуждается в теплоизоляции. Наоборот, необходимо не допустить перегрева фотоэлектрических панелей, чтобы сохранить их КПД.
Как и тепловые коллекторы, фотогальванические панели поглощают энергию, идущую не только прямо от Солнца, но и рассеянную и отраженную с других направлений. Как правило, фотоэлектрические панели также устанавливаются в фиксированном положении с наклоном к югу, чтобы увеличить ежедневное производство энергии. Тем не менее, часто можно увидеть фотоэлектрические панели, установленные на поворотных механизмах, которые позиционируют их, отслеживая положение Солнца на небосводе, тем самым, увеличивая количество вырабатываемой электроэнергии.
 |
|
 |
|
 |
|
| Рисунок 1.8 | Применение фотогальванических коллекторов. (Фото любезно предоставлены DOE/NREL, Warren Gretz) |
 |
|
| Рисунок 1.9 | Для фокусировки солнечной энергии обычно применяются эти три способа, чтобы достичь более высоких температур. |
|
Надписи на рисунке |
|
|
Parabolic Trough Concentrator |
Параболический отражатель в виде желоба |
|
Concentrator |
Отражатель |
|
Receiver |
Приемник |
|
Heliostats |
Гелиостаты |
|
Central Receiver Concentrator |
Центральный приемник |
|
Parabolic Dish Concentrator |
Параболическая тарелка |
Параболические желоба фокусируют поступающее солнечное излучение в линию, проходящую по всей длине желоба. На этой линии находится трубка (приемник) наполненная жидким теплоносителем, поглощающая сфокусированную солнечную энергию и нагревающая жидкость. Отражатели должны поворачиваться вокруг одной оси. Поскольку площадь поверхности трубки приемника мала по сравнению с площадью отражателя, может быть достигнута температура до 400 °С без существенных потерь тепла. Рисунок 1.10c показывает один из параболических отражателей, установленных в Kramer Junction, штат Калифорния.
Параболические тарелки фокусируют солнечную радиацию в точку. Герметические полости, содержащие устройства передачи тепла, находятся в фокусе концентрации излучения. Параболические тарелки должны поворачиваться вокруг двух осей. Рисунок 1.10b показывает шесть 9 кВт параболических зеркал-тарелок с двигателями Стирлинга, соединенными с приемниками солнечной энергии.
Система с центральным приемником состоит из большого числа подвижных плоских зеркал (гелиостатов) и приемника, расположенного в верхней части башни. Каждый гелиостат в течение дня двигается по двум осям, позиционируя отражение солнечных лучей на приемнике в верхней части башни. Приемник – система вертикальных трубопроводов, которая нагревается отражением солнечных лучей от многочисленных зеркал, тем самым, нагревая жидкость, проходящую через трубопровод. Рисунок 1.10а демонстрирует 10 МВт солнечную электростанцию с центральным приемником и подключенную к ней паровую энергетическую установку в Daggett, штат Калифорния.
Линзы Френеля, такие, как показано на рисунке 1.10d, для фокусирования солнечной энергии в точку используют преломление, а не отражение. Обычно отформованные из недорогой пластмассы, эти линзы используются в фотоэлектрических панелях. Они предназначены не для увеличения температуры, а для фокусирования света на маленькой фотоэлектрической ячейке, тем самым, повышая ее эффективность. Как и параболические тарелки, коллекторы с линзами Френеля должны отслеживать положение Солнце по двум осям.
 |
|
| Рисунок 1.10a | Система с центральным приемником. (Фото любезно предоставлено Sandia National Laboratories, Albuquerque) |
 |
|
| Рисунок 1.10b | Параболические зеркала-тарелки с отслеживанием по двум осям. (Фото любезно проедоставлено Schlaich, Bergermann und Partner) |
 |
|
| Рисунок 1.10c | Параболический коллектор с одной осью отслеживания. (Фото любезно предоставлено Kramer Junction Operating Company) |
 |
|
| Рисунок 1.10d | Фотоэлектрические панели с использованием линз Френеля. (Фото любезно предоставлено Amonix Corp.) |
Продолжение читайте здесь
