Светильники на солнечных батареях

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение Гелиоэнергетика Виды солнечной энергетики Гелиоэнергетика в Республике Беларусь Солнечный коллектор. Принцип работы Солнечные водонагреватели Светильники на солнечных батареях	3 4 5 7 9 14 15
Выводы	16
Список использованных источников	17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Все больше различных  природоохранных организаций призывают  общественность обратить внимание на экономное расходование природных  ресурсов. Если в прошлом веке основная доля использованного топлива приходилась на нефть, уголь и газ, то сейчас ученые всего мира нацелены на расширение использования возобновляемых источников энергии.

Особое внимание привлечено к солнечной энергии, которая  является, по сути, абсолютно бесплатной. Солнечное же излучение доступно практически в любой точке Земли. Солнечная энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

Технологии производства солнечных батарей шагнули далеко вперед, благодаря чему их использование стало возможным как в бытовых, так и в промышленных установках. Основное распространение такие системы получили в странах с высокой солнечной активностью – Китай, Индия, Индонезия. Лидером в производстве и применении технологии солнечных батарей является США. Только в 2010 году там заключен контракт на сумму 700млн. долларов на строительство в штате Аризона двух электростанций на солнечных батареях общей мощностью 175МВт. Кроме того, для популяризации данной технологии, администрация президента Барака Обамы заявила о планах по установке системы солнечных батарей в Белом Доме. Такая инициатива призвана показать надежность и безопасность солнечных элементов для широкого применения, и была с восторгом принята американской общественностью.

В условиях роста стоимости энергоносителей и осознания ограниченности запасов углеводородного сырья на планете в последние годы страны Западной Европы переживают бум в развитии альтернативной энергетики. Беларусь в этом процессе занимает роль стороннего наблюдателя, развивая разве что гидроэнергетику. Вместе с тем, дальновидные специалисты рекомендуют уже сейчас приступить к внедрению в стране проектов по использованию альтернативных, особенно возобновляемых, источников энергии. И примечательно, что в столице недавно была запущена в эксплуатацию экспериментальная гелиоустановка, которая обеспечивает электроэнергией подъезды типового многоквартирного дома.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Гелиоэнергетика.

 

Гелиоэнергетика (от греческого Helios — солнце) или солнечная энергетика - один из наиболее перспективных видов альтернативной энергетики. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.

Имеется несколько  технологий солнечной энергетики. Получение электроэнергии от лучей Солнца не даёт вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Для всей территории республики поступление солнечной энергии  составляет около 208∙10¹² кВт∙ч в год или 256∙10⁹ т у. т. при планируемом потреблении в 2020 г. всех видов топливно-энергетических ресурсов 32,8∙10⁶ т у. т. Это в 7800 раз превышает потребность нашей республики в энергоресурсах и говорит о больших потенциальных возможностях гелиоэнергетики. На нашей планете за счет естественных процессов и производственно-хозяйственной деятельности человека происходит преобразование солнечной энергии в другие виды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Виды солнечной энергетики.

 

Энергию солнечного излучения  можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую  с помощью фотопреобразователей или механическую (солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе.

 

Применение  солнечного излучения в виде тепла	Преобразование солнечного излучения в электрическую и механическую энергию
Гелиоустановки (солнечные коллекторы): Нагрев воды с целью  теплоснабжения и горячего водоснабжения жилья Опреснение воды Различные сушилки и  выпариватели	Термоэлектрические  генераторы: Термоэлектронная эмиссия Термоэлементы (термопары) Фотоэлектрические генераторы: Фотоэлектронная эмиссия  Полупроводниковые элементы Фотохимия и  фотобиология: Фотолиз (фотодиссоциация) Фотосинтез

 

Таблица1 - Преобразование солнечной энергии.

 

Несмотря  на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

Солнечные батареи, или фотоэлектрический преобразователь (сокращённо ФЭП) используются для преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Фотоэлектрогенераторы собраны из большого числа последовательно и параллельно соединенных элементов. Солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог.

Солнечные батареи  не требуют обслуживания и могут  работать более 20 лет. Ученые всего мира работают над увеличением КПД фотоэлектрического преобразования. Сегодня фотоэлементы применятся для обеспечения бесперебойного электроснабжения сотовых базовых станций и метеорологических пунктов.

Особенности солнечных батарей позволяют  располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции можно  легко транспортировать и устанавливать  в другом месте. Поэтому, солнечные  батареи, применяемые в сельской местности и в отдаленных районах дают более дешевую электроэнергию.

Жители отдаленных районов используют энергию солнечных  батарей для освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Солнечная  энергия применяется также при  подъеме воды из скважин и на нужды здравоохранения.

Главной причиной, сдерживающей использование солнечных  батарей, является их высокая стоимость. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5 дол. за 1 Вт мощности и, как  результат, цена 1кВт/час электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путём сжигания топлива. Возможно использование солнечной энергии для отопления жилищ. Однако в условиях нашей страны 80% энергии Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразно.

Наиболее  простым способом использования  солнечной энергии для бытовых и промышленных нужд является ее преобразование в тепловую энергию. Тепловая гелиоустановка включает в себя:

— приемник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию;

— передающее устройство с теплоносителем;

— теплоаккумулятор и другие элементы.

 В качестве  приемника используют коллекторы различных типов и конструкций. В основе функционирования плоского коллектора лежит парниковый эффект. Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100 ^оС, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела. Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надежного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором. Концентрирующие коллекторы используют в случаях, когда требуется получить температуру нагрева более   100 ^оС. Объемные коллекторы используют солнечное излучение для нагрева больших объемов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла. Для объектов АПК использование тепловых гелиоустановок очень перспективно. Установка небольшой мощности с площадью коллектора до 10 м² способна обеспечивать горячей водой отдельно стоящий сельский дом с семьей 4 - 5 человек с апреля по октябрь. В отопительный период применение таких установок, а также объемных коллекторов, позволит существенно снизить затраты топлива для отопления здания.

 

 

 

3. Гелиоэнергетика в Республике Беларусь.

 

В Республике Беларусь целесообразны 3 варианта использования солнечной энергии:

• пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов «солнечной архитектуры». Расчёты показывают, что количества энергии, падающее на южную сторону крыши домов площадью 100 кв. м. на широте Минска, вполне хватает даже на отопление зимой. Размеры дешёвого гравийного теплового аккумулятора под домом вполне приемлемы. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, построенное с использованием этого принципа – немецкий Международный Образовательный Центр;

• использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;

• использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

Если проектирование зданий проводить с учётом  энергетического потенциала климата местности и условий для саморегулирования теплового режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить на 20-60%. Так, строительство на принципах «солнечной архитектуры» может снизить годовое теплопотребление до 70-80 кВт\кв. м.

   В настоящее  время финансируется создание  отечественной установки на фотоэлементах.  Одна солнечная электростанция  установлена в Беловежской пуще  и отапливает два дома, ещё  несколько установлены в чернобыльской зоне. Солнечные коллекторы рекомендуется устанавливать в коттеджах, загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

    Создано  опытное производство систем  горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант – система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления.

В Республике Беларусь организовано производство гелиосистем  для нагрева воды. Они представляют собой лёгкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. В зависимости от конкретных условий можно получить установку любой производительности. Основой гелиосистем является плёночно-трубочный адсорбирующий коллектор. Теплообменники, входящие в состав систем, изготавливаются из специальных материалов, исключающих коррозию при замерзании. Гелиоустановки могут подсоединяться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ёмкости.    Однако в целом в ближайшее время на значительное увеличение доли солнечной энергетики в Беларуси рассчитывать не приходится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Солнечный коллектор. Принцип работы

Солнечный коллектор - установка  для прямого преобразования энергии  Солнца в тепловую энергию. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий - люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемого топлива заняло первое место в мировой энергетике. Солнечный коллектор - наиболее известное приспособление, которое непосредственно использует энергию Солнца. Они были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из этих устройств - плоский коллектор - был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым Горация де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века. 
 
Типы солнечных коллекторов 
 
1. Плоский солнечный коллектор 
 
Плоский коллектор - наиболее распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор является теплоизолированой застекленнной панелью, в которую помещена пластины поглотители. Пластины поглотители изготовлены из металла, который хорошо проводит тепло (например, меди или алюминия). Наиболее часто используют медь, поскольку она

лучше проводит тепло  и меньше подвержена коррозии, чем  алюминий. Пластины поглотители обработаны специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическую подставку, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновых ИК-области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое стекло, через которое проникает только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери. 
 
2. Прямоточный вакуумный трубчатый коллектор 
 
В каждую вакуумовану трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановим покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Вакуумований пространство позволяет практически полностью устранить потери тепла. На поглотителях установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Теплоноситель, протекающий через него, забирает тепло от поглотители. К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумной коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагревать до температур 120-160 ° С. 
 
 
Вакуумный трубчатый коллектор с тепловой трубкой 
 
Конструкция вакуумного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная / металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними - вакуум, который является отличной теплоизоляцией. Благодаря ему потери на излучение, особенно заметные при повышенных температурах воды, которая нагревается, очень низкие. В каждую вакуумную трубку встроена медная пластина поглотитель с гелио титановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. В поглотителях установленная тепловая труба, заполненная жидкостью, которая испаряется. С помощью гибкого связующего элемента тепловая труба присоединена к конденсаторам, находящихся в теплообменнике типа "труба в трубе". Соединение относится к так называемого "сухого" типа, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением. 
Наиболее важное преимущество вакуумованого коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30 ° С (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45 ° С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками). 
 
 
Принцип действия плоского коллектора 
 
Солнечный свет проходит через остекление и попадает на пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию на тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителя - воде или антифриза, циркулирующем солнечным коллектором. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в водонагревателе вместимости. В нем горячая вода находится до момента ее использования. Также в емному водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае снижения температуры ниже установленной (например, вследствие долгой мрачной погоды) она догривала воду до заданной температуры. 
 
Принцип действия прямоточный вакуумного коллектора 
 
Солнечная радиация проходит сквозь вакуумную стеклянную трубку, попадает на поглотители и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей через коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник. Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком, так называемым "коллектором" - системой с 2 медных труб. По одной из них нагреть вода передается в бак-накопитель, по другой - холодная вода из бака-накопителя поступает для нагрева в вакуумной трубки. 
 
Принцип действия вакуумного коллектора с тепловой трубкой 
 
Это сложный и дорогой тип коллектора. Тепловая трубка - это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легко кипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются и передают тепло теплоносителя главного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией. Передача тепла происходит через медную "гильзу" приемника, благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура теплообменника. 
Монтаж солнечного коллектора 
 
Количество тепловой энергии, которая производится солнечным коллектором, зависит от целого ряда факторов. До тех, что можно менять, относят угол наклона и ориентацию установки. Критерием ориентации является азимут. 
 
Угол наклона - это угол между горизонталлю и батареей. При установке на скатной крыши угол наклона задается скатом кровли. Наибольшее количество энергии воспринимается панелью коллектора при приверженности его плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с высоты Солнца в период поступления максимальное количество солнечной энергии. 
 
Согласно опыту, идеальными для нашей широты оказались углы наклона между 30 и 45о.Азимут описывает отклонение плоскости коллектора от направления на юг, если плоскость коллектора ориентирована на юг, то азимут = 0е. Для нашей широты приемлемые отклонения от направления на юг до 45о на юго-восток или юго-запад. 
 
Итак, высочайшего коэффициента енерговиддачи (КПД) солнечной установки в Санкт-Петербурге и Ленинградской области можно добиться при ее расположении в южном направлении с наклоном 30-35о к горизонтали. Но даже при значительном отклонении от этих условий (от юго-запада до юго-востока, с наклоном от 25 до 55о) монтаж гелиоустановкы целесообразен. 
 
Установка солнечного коллектора и определения его размеров должны быть выполнены так, чтобы незначительной была действие соседних зданий, которые давали тень, деревьев, линий электропередач и т.п.Важливою частью гелиоустановкы является поддерживающая конструкция для солнечных коллекторов. Она обеспечивает правильный угол наклона, а также необходимую жесткость конструкции. Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна выдерживать порывы ветра и прочие неблагоприятные воздействия окружающей среды. 
 
Варианты монтажа установки: 
 
* Под наклоном (на крышу с любым углом наклона скат); 
* Горизонтальный (на плоский крыша); 
* Свободно стоячий (солнечный коллектор с опорной конструкцией)