Міністерство освіти і науки,молоді та спорту УкраїниНаціональний авіаційний університет

Інститут екологічної безпекиКафедра хімії і хімічної технології

Курсова роботаЗ курсу: «Альтернативні палива»

на тему: «Геліоенергетичні системи»

Виконав: студент 505 групи ІЕБ

Заторський Н.ЯПеревірив:

доц., Кустовська А. Д.

Київ 20161

Зміст

Вступ……………………………………………………………………………….3

1. Основні принципи роботи фотоелектричних елементів…….……..………..4

1.1 Сонячні батареї та їх використання………..………………………………...6

2. Способи генерації електроенергії за допомогою сонця…………...………...8

2.1 Сонячні теплоелектростанції……………………………………….………..8

2.2 Кремнієві сонячні батареї……………………………………………..……...8

2.3 Сонячні електростанції…………………………………………………..….13

2.3.1СЕС баштового типу……………………………………………………….13

2.3.2СЕС тарілчатого типу…………………………………….……………..…14

2.3.3СЕС, що використовують фотобатареї……………………………………14

2.3.4СЕС, що використовують параболоциліндричні концентратори….……15

2.3.5СЕС, що використовують двигун Стірлінга……………………………...15

2.3.6Комбіновані СЕС……………………...……………………………………18

2.4 Сонячні колектори…………………………………………………………...18

2.4.1Плоский сонячний колектор……………………………………………….19

2.4.2Вакуумний сонячний колектор……………………………………………20

2.4.3Сонячні повітряні колектори………………………………………………21

2.4.4Параболічні концентратори………………………………………………..22

2.5Переваги та недоліки………………………………..……………………….24

Список використаної літератури………………………………………………..29

2

Вступ

Про сонячну енергетику та перспективи її розвитку ведуться суперечки та

дискусії вже багато років. Більшість вважають сонячну енергетику

енергетикою майбутнього, надією всього людства. Серйозні інвестиції

вкладає в будівництво сонячних електростанцій велика кількість компаній.

Сонячну енергетику прагнуть розвивати у багатьох країнах світу, вважаючи

її головною альтернативою традиційним енергоносіям. Німеччина, будучи

далеко не сонячною країною, стала світовим лідерів у цій сфері. Сукупна

потужність СЕС Німеччині зростає рік від року. Серйозно займаються

розробками в області енергії сонця і в Китаї. Згідно з оптимістичним

прогнозом International Energy Agency, сонячні електростанції до 2050 році

зможуть виробляти до 20-25% світової електроенергії[1].

Альтернативний погляд на перспективи сонячних електростанцій

базується на тому, що витрати, які потрібні для виготовлення сонячних

батарей і акумуляторних систем, в рази перевищують прибуток від

виробленої сонячними електростанціями електроенергії. Противники цієї

позиції запевняють, що все якраз навпаки[2]. Сучасні сонячні батареї здатні

працювати без нових капіталовкладень десятки і навіть сотні років,

вироблена ними сумарна енергія дорівнює нескінченності. Ось чому в

довгостроковій перспективі електроенергія, отримана з використанням

енергії сонця, стане не просто рентабельною, а над прибутковою[3].

3

1. Основні принципи роботи фотоелектричних елементів

Явище фотоефекту вперше спостерігав Едмон Беккерель в 1839г. Це

випадкове відкриття залишалося непоміченим до 1873 р., коли Віллоубі Сміт

виявив подібний ефект при опроміненні світлом селенової пластини. І хоча

його перші досліди були недосконалі, вони знаменували собою початок

історії напівпровідникових сонячних елементів. У пошуках нових джерел

енергії в лабораторії Белла був винайдений кремнієвий сонячний елемент,

який став попередником сучасних сонячних фотоперетворювачів. Лише на

початку 50-х років 20-го століття сонячний елемент досягла відносно

високого ступеня досконалості[4].

Перетворення енергії в сонячних елементах (ФЕП) засноване на

фотовольватичному ефекті в неоднорідних напівпровідникових структурах

при дії на них сонячного випромінювання[6].

Використовувати енергію сонячних елементів можна також як і енергію

інших джерел живлення, з тією різницею, що сонячні елементи не бояться

короткого замикання. Кожен з них призначений для підтримки певної сили

струму при заданій напрузі. Але, на відміну від інших джерел струму,

характеристики сонячного елемента залежать від кількості падаючого на

його поверхню світла[5].

Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для

перетворення сонячної енергії в електричну є напівпровідникові

фотоелектричні перетворювачі, оскільки це прямий, одноступінчатий перехід

енергії. ККД виробляються у промислових масштабах фотоелементів в

середньому становить 16%, у кращих зразків до 25%. В лабораторних умовах

вже досягнутий ККД 43,5 %[7].

Фотоелектричні елементи можуть встановлюватися на різних

транспортних засобах: човнах, електромобілях і гібридних автомобілях,

літаках, дирижаблях і т. д[10].

4

Фотоелектричні елементи виробляють електроенергію, яка

використовується для бортового харчування транспортного засобу, або для

електродвигуна електричного транспорту[11].

В Італії та Японії фотоелектричні елементи встановлюють на даху

залізнодорожніх поїздів. Вони виробляють електрику для кондиціонерів,

освітлення і аварійних систем[8].

Компанія Solatec LLC продає тонкоплівкові фотоелектричні елементи для

установки на дах гібридного автомобіля Toyota Prius. Тонкоплівкові

фотоелементи мають товщину 0,6 мм, що ніяк не впливає на аеродинаміку

автомобіля. Фотоелементи призначені для зарядки акумуляторів, що

дозволяє збільшити пробіг автомобіля на 10 %[12].

Ще 20 листопада 1980 року, Стів Птачек здійснив політ на літаку Solar

Impulse, що споживає в якості палива тільки сонячну енергію. На 2010 р.

сонячний пілотований літак протримався в повітрі 24 години. Військові

відчувають великий інтерес до безпілотних літальних апаратів (БПЛА) на

сонячній енергії, що здатні триматися в повітрі надзвичайно довго - місяці і

роки. Такі системи могли б замінити або доповнити супутники[7].

Фактори, що впливають на ефективність фотоелементів

- Особливості будови фотоелементів викликають зниження

продуктивності панелей з ростом температури.

- Часткове затемнення панелі викликає падіння вихідної напруги за

рахунок втрат в неосвітленому елементі, який починає виступати в ролі

паразитного навантаження. Від цього недоліку можна позбутися шляхом

встановлення байпаса на кожен фотоелемент панелі.

- З робочої характеристики фотоелектричної панелі видно, що для

досягнення найбільшої ефективності потрібно правильний підбір опору

навантаження. Для цього фотоелектричні панелі не підключають

безпосередньо до навантаження, а використовують контролер управління

фотоелектричними системами, що забезпечує оптимальний режим роботи

панелей[9].5

1.1.Сонячні батареї та їх використання

Сонячна батарея - кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів

(фотоелементів) - напівпровідникових пристроїв, які перетворюють сонячну

енергію в постійний електричний струм[3].

Різні пристрої, що дозволяють перетворювати сонячне випромінювання в

теплову і електричну енергію, є об'єктом дослідження геліоенергетики.

Виробництво фотоелектричних елементів і сонячних колекторів розвивається

швидкими темпами в різних напрямках. Сонячні батареї бувають різного

розміру: від вбудованих в мікрокалькулятори до займають даху автомобілів і

будинків.

Сонячна батарея на даху Prius

Сонячні батареї на дахах житлових будинків в Ізраїлі.

6

Дерево з сонячних панелей в Глайсфорді, Австрія

Сонячна батарея на МКС

Сонячні батареї - один з основних способів одержання електричної енергії

на космічних апаратах: вони працюють довгий час без витрат будь-яких

матеріалів, і в той же час є екологічно безпечними, на відміну від ядерних і

радіоізотопних джерел енергії[6].

Однак при польотах на великому видаленні від Сонця (за орбітою Марса)

їх використання стає проблематичним, так як потік сонячної енергії обернено

пропорційний квадрату відстані від Сонця. При польотах до Венері і

Меркурію, навпаки, потужність сонячних батарей значно зростає (в районі

Венери в 2 рази, в районі Меркурія в 6 разів)[8].

Сонячна батарея на МКС

7

2. Способи генерації електроенергії за допомогою сонця

2.1.Сонячні теплоелектространції

Величезні дзеркала таких сонячних електростанцій, повертаючись, ловлять

сонце і відображають його на колектор. Принцип функціонування таких

електрогенеруючих станцій заснований на перетворенні теплової енергії

сонця в механічну електроенергію термодинамічної машини або з допомогою

газопоршневого двигуна Стірлінга, або з допомогою нагрівання води

тощо[11].

2.2.Кремнієві сонячні батареї

Сьогодні для функціонування СЕС застосовуються напівпровідникові

фотоелементи, які являють собою напівпровідникові діоди великої площі.

Світловий квант, що влітає в p-n-перехід, генерує пару електрон-дірка, при

цьому, на виходах фотодіода створюється перепад напруги (близько 0,5В).

ККД кремнієвої сонячної батареї - близько 16 %. Для того щоб сформувати

електронно-діркову пару, потрібна певна енергія. Якщо світловий квант, що

прилетів, володіє малою енергією, то генерації пари не відбудеться. У цьому

випадку квант світла просто пройде крізь кремній, як крізь звичайне скло.

Ось чому кремній є прозорим для інфрачервоного світла далі 1,2 мкм. Якщо

ж світловий квант прилетить з більшою енергією, ніж потрібно для генерації

(зелене світло), пара утворюється, але надлишок енергії просто піде в

8

нікуди[7]. При синьому і ультрафіолетовому світлі (енергія якого є дуже

високою), квант може не встигнути долетіти до самих глибин p-n переходу.

Схема роботи кремнієвого фотоелемента

Для того, щоб сонячне світло не відбивався від поверхні сонячної батареї,

на неї наноситься спеціальний противідбивне покриття (таке покриття

наносять і на лінзи фотооб'єктивів). Текстуру поверхні роблять нерівною (у

вигляді гребінки). У цьому випадку світловий потік, відбившись від поверхні

один раз, повертається знову[10].

ККД фотоелементів збільшують, комбінуючи між собою фотоелементи, на

основі різних напівпровідників і з різною енергією, необхідною для генерації

пар електрон-дірка. Для триступінчатих кремнієвих фотоелементів

досягається ККД 44% і навіть вище. Принцип роботи триступінчатих

фотоелементів заснований на тому, що спочатку ставиться фотоелемент,

який ефективно поглинає саме синє світло, а червоний і зелений, пропускає.

Другий фотоелемент поглинає зелений, третій - ІК. Однак триступінчаті

фотоелементи сьогодні дуже дороги, тому, повсюдно використовуються

більш дешеві одноступінчаті фотоелементи, які за рахунок ціни

випереджають триступінчаті за показником Ват/$[7].

9

Гігантськими темпами розвиває виробництво кремнієвих фотоелементів

Китай, за рахунок чого вартість одного вата знижується. У Китаї вона

складає приблизно 0,5 доларів за Ватт.

Основними типами кремнієвих фотоелементів є:

1) Монокристалічні

2) Полікристалічні

ККД монокристалічних фотоелементів, які є більш дорогими, трохи вище

(всього лише на 1 %), ніж ККД полікристалічних. Полікристалічні кремнієві

фотоелементи сьогодні забезпечують найбільш дешеву вартість 1 Вата

генерованої електроенергії[4].

Кремнієві сонячні батареї не можуть служити вічно. За 20 років

експлуатації в умовах агресивного середовища найдосконаліші з них

втрачають до 15-ти відсотків своєї первісної потужності. Є підстави вважати,

що в подальшому деградація сонячних батарей сповільниться[8].

Кремнієвий фотоелемент і параболічне дзеркало

Винахідники у всіх країнах світу роблять всілякі спроби збільшити

економічну рентабельність сонячних електростанцій. Якщо, наприклад, взяти

маленький ефективний кремнієвий фотоелемент і параболічне дзеркало

(concentrated photovoltaics), можна досягти ККД до 40 % замість 16, при

цьому, дзеркало набагато дешевше, ніж сонячна батарея. Але для того, щоб

стежити за сонцем, потрібна надійна механіка. Величезна дзеркальна

поворотна тарілка повинна бути надійно закріплені і захищені від потужних

вітрових поривів і агресивних факторів навколишнього середовища. Друга

проблема полягає в тому, що параболічні дзеркала не можуть фокусувати

розсіяне світло. Якщо сонце зайшло навіть за не щільні хмари, вироблення

енергії за допомогою параболічної системи впаде до нуля. У звичних

сонячних батарей в цих умовах вироблення теплової енергії теж серйозно

знижується, але не до нуля. Сонячні батареї з параболічними дзеркалами

занадто дорогі за заданою вартістю і затратні в обслуговуванні[5].

10

Розглянуто елемент нової сонячної батареї, продуктивність якої б'є

світовий рекорд. Цей спосіб виробництва електроенергії став ще

доступнішим завдяки європейському науковому проекту Crystal Clear.

Ефективність даних пристроїв у 18 % максимально для промислового

виробництва. Для підвищення продуктивності сонячних батарей довелося

вдосконалити кожен етап складного виробничого процесу[9].

Компанія виробляє сонячні панелі на основі мультикристалических

кремнієвих пластин. Спершу на лицьовій частині пластини створюється

структура емітерів, потім наноситься антибликующие покриття, зворотна

сторона покривається алюмінієм, а наноситься на лицьову металева

контактна система для збору і відводу електронів.

Фотоелемент на основі мультикристалічного кремнія

Вдосконалення вихідних матеріалів і оптимізація виробництва, дозволили

європейським інженерам наблизиться до граничних технологічних

показників, при цьому їхнім завданням було негайне втілення цього ноу-хау

в промисловому виробництві[3].

Компанія цілеспрямовано використовує у своїх дослідженнях і розробках

обладнання промислового рівня. Це дозволяє дуже швидко переносити

наукові результати у виробничий процес, відразу ж підвищуючи його

прибутковість. Вдосконалені сонячні панелі не тільки більш економічні, ніж

колишні, але і більш екологічні у виробництві, крім того, вони довше

працюють, що робить їх більш рентабельним джерелом роботи.

Ще одним вдалим прикладом використання сонячної енергії є Solar

Powered Internet School – новий оригінальний проект, організатором якого 11

виступила південнокорейська корпорація Samsung. Метою реалізації даного

проекту є допомога дітям з бідуючих районів планети в отриманні доступу до

сучасних технологій у навчанні. Перший у світі пересувний клас на сонячній

енергії організували рік тому в невеликому селі Фоломонг (Phomolong),

розташованої в передмісті Йоганнесбурга, столиці Південно-Африканської

Республіки[12].

Голова південноафриканського підрозділу корпорації Samsung за

проектами у сфері інформаційних технологій, Тьєррі Буланже зазначив, що

лише невелика частина аналогічних проектів з успіхом переходить в стадію

експлуатації із-за того, що лише 25% жителів країни доступна електрика. Це

багато в чому стає причиною утворення ізольованих громад, у яких немає

можливості мати сучасні освітні установи і канали зв'язку з зовнішнім

світом, що в результаті украй негативно впливає на розвиток цих регіонів. За

словами Буланже, проект Solar Powered Internet School можна

охарактеризувати як повністю незалежний мобільний клас, обладнання якого

функціонує виключно від енергії Сонця. Пілотна версія проекту здійснюється

для розширення телекомунікаційних можливостей і підвищення доступності

освіти в цілому по всьому африканському континенту[7].

12

Сонячні панелі цього пересувного класу є більш міцними і зносостійкими,

ніж звичайні панелі, через наявність прогумованої складової в їх структурі.

Система акумулювання енергії також була допрацьована: замість судин з

сірчаною кислотою (H2SO4), що розбавляють дистильованою водою, в ній

застосовуються свинцево-кислотні акумулятори з вмістом електроліту у

вигляді гелю. Це було зроблено для запобігання витоку небезпечних речовин

в процесі транспортування. Крім того, на панелях передбачені спеціальні

датчики, за допомогою яких можна відстежити їх місцезнаходження в разі

розкрадань[4].

2.3.Сонячні електростанції

2.3.1. СЕС баштового типу

Дані електростанції засновані на принципі отримання водяної пари з

використанням сонячної радіації. У центрі станції стоїть башта висотою від

18 до 24 метрів (в залежності від потужності і деяких інших параметрів

висота може бути більше або менше), на вершині якої знаходиться резервуар

з водою. Цей резервуар пофарбований в чорний колір для поглинання

теплового випромінювання. Також в цій башті знаходиться насосна група,

яка доставляє пар на турбогенератор, який знаходиться поза вежі. По колу від

вежі на деякій відстані розташовуються геліостати. Геліостат - дзеркало

площею в кілька квадратних метрів, закріплений на опорі і підключене до

загальної системи позиціонування. Тобто, в залежності від положення сонця, 13

дзеркало буде змінювати свою орієнтацію в просторі. Основна і найважча

задача - це позиціонування всіх дзеркал станції так, щоб у будь-який момент

часу всі відбиті промені від них потрапили на резервуар. В ясну сонячну

погоду температура в резервуарі може досягати 700 градусів. Такі

температурні параметри використовуються на більшості традиційних

теплових електростанцій, тому для отримання енергії використовуються

стандартні турбіни. Фактично на станціях такого типу можна одержати

порівняно великий ККД (близько 20 %) і високі потужності[5].

Сонячна вежа, Севілья, Іспанія. Побудована в 2007 році.

2.3.2. СЕС тарілчатого типу

Даний тип СЕС використовує принцип одержання електроенергії, схожий з

таким у баштових СЕС, але є відмінності в конструкції самої станції. Станція

складається з окремих модулів. Модуль складається з опори, на яку кріпиться

конструкція приймача і відбивача. Приймач знаходиться на деякій відстані

від відбивача, і в ньому концентруються відбиті промені сонця. Відбивач

складається з дзеркал у формі тарілок (звідси назва). Діаметри цих дзеркал

сягають 2 метрів, а кількість дзеркал - кількох десятків (в залежності від

потужності модуля). Такі станції можуть складатися як з одного модуля

(автономні), так і з кількох десятків (робота паралельно з мережею).

2.3.3. СЕС, що використовують фотобатареї

СЕС цього типу в даний час дуже поширені, так як в загальному випадку

СЕС складається з великого числа окремих модулів (фотобатарей) різної

потужності і вихідних параметрів. Дані СЕС широко застосовуються для

енергозабезпечення як малих, так і великих об'єктів (приватні котеджі,

пансіонати, санаторії, промислові будівлі і т. д.). Встановлюватися

фотобатареї можуть практично скрізь, починаючи від покрівлі і фасаду

14

будівлі і закінчуючи спеціально відведеними територіями. Встановлені

потужності теж коливаються в широкому діапазоні, починаючи від

постачання окремих насосів, закінчуючи електропостачанням невеликого

селища[9].

2.3.4. СЕС, що використовують параболоциліндричні концентратори

Принцип роботи даних СЕС полягає в нагріванні теплоносія до параметрів,

придатних до використання в турбогенераторі.

Конструкція СЕС: на фермовій конструкції встановлюється

параболоциліндричне дзеркало великої довжини, а у фокусі параболи

встановлюється трубка, по якій тече теплоносій (найчастіше масло).

Пройшовши весь шлях, теплоносій нагрівається і в теплообмінних апаратах

віддає теплоту воді, яка перетворюється в пар і надходить на

турбогенератор[7].

2.3.5. СЕС, що використовують двигун Стірлінга

Являють собою СЕС з параболічними концентраторами, у яких у фокусі

встановлений двигун Стірлінга. Існують конструкції двигунів Стірлінга, які

безпосередньо перетворюють коливання поршня в електричну енергію, без

використання кривошипно-шатунного механізму. Це дозволяє досягти

високої ефективності перетворення енергії. Ефективність таких

електростанцій досягає 31,25%. В якості робочого тіла використовується

водень або гелій.

Двигун Стірлінга

Двигун Стірлінга - теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче

тіло рухається в замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння.

Заснований на періодичному нагріванні й охолодженні робочого тіла з 15

отриманням енергії з виникаючого при цьому зміни об'єму робочого тіла.

Може працювати не тільки від спалювання палива, але від будь-якого

джерела тепла.

Двигун Стірлінга використовує цикл Стірлінга, який за термодинамічною

ефективностю не поступається циклу Карно, і навіть володіє перевагою.

Справа в тому, що цикл Карно складається з ізотерм і адиабат, які мало

відрізняються між собою. Практична реалізація цього циклу,

малоперспективна. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий

двигун в прийнятних габаритах.

Цикл Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома

перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду,

охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Таким чином, при

переході від теплого до холодного джерела джерела відбувається розширення

і стискування газу, що знаходиться в циліндрі. При цьому змінюється тиск, за

рахунок чого можна отримати корисну роботу[4].

Переваги

Тим не менш, двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його

розробкою.

1. «Всеїдність» двигуна - як всі двигуни зовнішнього згоряння (вірніше -

зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже

будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними шарами води в

океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівача, вугільної або

дров'яної печі і т. д.

2. Простота конструкції - конструкція двигуна дуже проста, він не

вимагає додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він

запускається самостійно і не потребує стартера. Його характеристики

дозволяють позбутися коробки передач. Однак, як вже зазначалося вище, він

має більшу матеріаломісткість.

16

3. Збільшений ресурс - простота конструкції, відсутність багатьох

«ніжних» агрегатів дозволяє стірлінгу забезпечити небувалий для інших

двигунів ресурс в десятки і сотні тисяч годин безперервної роботи.

4. Економічність - для утилізації деяких видів теплової енергії, особливо

при невеликій різниці температур, стирлинги часто виявляються найбільш

ефективними видами двигунів.

5. Безшумність двигуна - стірлінг не має вихлопу, а значить, рівень його

шуму набагато менше, ніж у поршневих двигунів внутрішнього згоряння.

Бета-стірлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і,

при досить високій якості виготовлення, має гранично низький рівень

вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм).

6. Екологічність - сам по собі стірлінг не має якихось частин чи процесів,

які можуть сприяти забрудненню навколишнього середовища. Він не

витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена насамперед

екологічністю джерела тепла. Варто також відзначити, що забезпечити

повноту згоряння палива в двигуні зовнішнього згоряння простіше, ніж в

двигуні внутрішнього згоряння.

Недоліки

1. Громіздкість і матеріаломісткість - основний недолік двигуна. У

двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга зокрема, робоче

тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-

габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

2. Для отримання характеристик, порівнянних з характеристиками ДВЗ,

доводиться застосовувати високі тиски (понад 100 атм) і спеціальні види

робочого тіла - водень, гелій.

3. Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, а тільки через

стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, з-за чого

ККД виявляється нижче, ніж можна було очікувати. Гарячий теплообмінник

працює в дуже напружених умовах теплопередачі і при дуже високих тисках,

що вимагає застосування високоякісних та дорогих матеріалів. Створення 17

теплообмінника, який задовольняв би суперечливим вимогам, досить важко.

Чим вище площа теплообміну, тим більше втрати тепла. При цьому зростає

розмір теплообмінника і об'єм робочого тіла, що не бере участі у роботі.

Оскільки джерело тепла розташоване зовні, двигун повільно реагує на зміну

теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати

потрібну потужність при запуску.

4. Для швидкої зміни потужності двигуна використовуються методи,

відмінні від тих, які застосовувалися у двигунах внутрішнього згоряння:

буферна ємність змінюваного обсягу, зміна середнього тиску робочого тіла в

камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витискувачем. В

останньому випадку реакція двигуна на керуючу дію водія є практично

миттєвою[11].

2.3.6. Комбіновані СЕС

Часто на СЕС різних типів додатково встановлюють теплообмінні апарати

для отримання гарячої води, яка використовується як для технічних потреб,

так і для гарячого водопостачання та опалення. В цьому і полягає суть

комбінованих СЕС. Також на одній території можлива паралельна установка

концентраторів і фотобатарей, що теж вважається комбінованої СЕС[5].

2.4.Сонячні колектори

Сонячний колектор - це пристрій для збору теплової енергії Сонця

(геліоустановка), переноситься видимим світлом і ближнім інфрачервоним

випромінюванням. На відміну від сонячних батарей, які виробляють

безпосередньо електрику, сонячний колектор виробляє нагрівання матеріалу-

теплоносія[7].

18

Сонячний колектор

Типи сонячних колекторів

2.4.1. Плоский сонячний колектор

Плоский колектор складається з елемента, що поглинає сонячне

випромінювання (абсорбер), прозорого покриття і термоізолюючого шару.

Абсорбер пов'язаний з теплопроводною системою. Він покривається чорним

кольором або спецрозчином, для підвищення ефективності. Прозорий

елемент зазвичай виконується із загартованого скла з пониженим вмістом

металів, або особливого рифленого полікарбонату. Задня частина панелі

покрита теплоізоляційним матеріалом (наприклад, полиизоцианурит).

Трубки, по яких поширюється вода, виготовляються із зшитого поліетилену

або міді. Сама панель є повітронепроникною, для чого отвори в ній

закладаються силіконовим герметиком.

При відсутності розбору тепла (застій) плоскі колектори здатні нагрівати

воду до 190-200 °C.

Чим більше падаючої енергії передається теплоносію, що протікає в

колекторі, тим вище його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи

спеціальні оптичні покриття, що не випромінюють тепло в інфрачервоному

спектрі. Стандартним рішенням підвищення ефективності колектора стало

застосування абсорбера з листової міді з-за її високої теплопровідності,

оскільки застосування міді проти алюмінію дає виграш 4% (хоча

теплопровідність алюмінію вдвічі менше, що означає значне перевищення

"запасу потужності" по теплопередачі), що незначно в порівнянні з ціною.

Використовується також алюмінієвий екран[8].

19

Плоский сонячний колектор

2.4.2. Вакуумний сонячний колектор

Можливе підвищення температур теплоносія аж до 250-300 °C в режимі

обмеження відбору тепла. Добитися цього можна за рахунок зменшення

теплових втрат в результаті використання багатошарового скляного

покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму.

Фактично сонячна теплова труба має пристрій, схожий з побутовими

термосами. Тільки зовнішня частина труби прозора, а на внутрішній трубці

нанесено високоселективне покриття для вловлювання сонячної енергії. Між

зовнішньою і внутрішньою скляною трубкою знаходиться вакуум. Саме

вакуумний прошарок дає можливість зберегти близько 95% зібраної теплової

енергії.

Крім того, у вакуумних сонячних колекторах знайшли застосування

теплові трубки, які виконують роль провідника тепла. При опроміненні

установки сонячним світлом, рідина, що знаходиться в нижній частині

трубки, нагріваючись, перетворюється на пару. Пара піднімається у верхню

частину трубки (конденсатор), де конденсуючись, передає тепло колектору.

Використання даної схеми дозволяє досягти більшого ККД (порівняно з

плоскими колекторами) при роботі в умовах низьких температур і слабкої

освітленості[6].

20

Вакуумний сонячний колектор

2.4.3. Сонячні повітряні колектори

Сонячні повітряні колектори - це прилади, що працюють на енергії Сонця і

нагрівають повітря. Сонячні повітряні колектори являють собою найчастіше

прості плоскі колектори і використовуються в основному для опалення

приміщень, сушіння сільськогосподарської продукції. Повітря проходить

через поглинач завдяки природній конвекції або під впливом вентилятора.

Оскільки повітря гірше проводить тепло, ніж рідина, він передає поглинача

менше тепла, ніж рідкий теплоносій. У деяких сонячних повітронагрівачах до

поглинаючої пластині приєднані вентилятори, які збільшують турбулентність

повітря та поліпшують теплопередачу. Недолік цієї конструкції в тому, що

вона витрачає енергію на роботу вентиляторів, таким чином збільшуючи

витрати на експлуатацію системи. У холодному кліматі повітря

направляється в проміжок між пластиною-поглиначем і утепленій задньою

стінкою колектора: таким чином, уникають втрат тепла крізь засклення.

Однак, якщо повітря нагрівається не більше, ніж на 17°С вище температури

зовнішнього повітря, теплоносій може циркулювати по обидві сторони від

пластини-поглиначі без великих втрат ефективності. Основними перевагами

повітряних колекторів є їх простота і надійність. Такі колектори мають

просту будову. При належному догляді якісний колектор може прослужити

10-20 років, а управління ним досить нескладно. Теплообмінник не

потрібний, так як повітря не замерзає. Потенційним способом зниження

вартості колекторів є їх інтеграція в стіни чи даху будівель, а також

створення колекторів, які можна буде збирати з готових збірних компонентів.

Колектори призначені для обігріву приміщень в умовах достатньої сонячної

освітленості і при відсутності (або паралельно з ними) інших джерел енергії 21

(таких як газ, електрика, рідке і тверде паливо). Колектори не можуть бути

основною системою опалення, так як не забезпечують постійних

характеристик, як протягом доби, так і при зміні сезонів року. Однак система

може бути інтегрована в будь-яку існуючу систему опалення та вентиляції[2].

2.4.4. Параболічні концентратори

Параболічні концентратори мають форму параболоїда обертання.

Параболічний відбивач керується за двома координатами при стеженні за

сонцем. Енергія сонця фокусується на невеликій площі. Дзеркала відбивають

близько 92 % падаючого на них сонячного випромінювання. У фокусі

відбивача на кронштейні закріплений двигун Стірлінга, або фотоелектричні

елементи. Двигун Стірлінга розташовується таким чином, щоб область

нагріву перебувала у фокусі відбивача.

В даний час будуються установки з параболічними концентраторами

потужність кВт 9-25. Розробляються побутові установки потужністю 3 кВт.

ККД таких систем близько 22-24 %, що вище, ніж у фотоелектричних

елементів. Колектори виробляються зі звичайних матеріалів: сталь, мідь,

алюміній, і т. д. без використання кремнію «сонячної чистоти». У металургії

використовується так званий «металургійний кремній» чистотою 98 %. Для

виробництва фотоелектричних елементів використовується кремній

«сонячної чистоти», або «сонячної градації» з чистотою 99,9999 %[1].

Україна може стати світовим лідером в області виробництва сонячних

батарей з «сонячного» кремнію. За часів СРСР в Україні було зосереджено

22

понад 80 % потужностей для виробництва кремнію, що повністю

забезпечувало потреби Союзу.

Запаси сировини для виробництва кремнію в Україні за своїм кількостям

не мають аналогів у Європі. Це забезпечує країні в майбутньому провідне

місце в світі з виробництва кремнієвих сонячних елементів та електроніки. У

найближчому майбутньому Україна зробить відчутний ривок у розвитку

кремнієвої галузі, обігнавши, щонайменше за якістю і кількістю Китай, який

зараз багато людей помилково вважають лідером у галузі електроніки - але

вони тільки збирають деталі, а якісну сировину закуповують у розвинених

країнах, у тому числі в Україні[12].

23

2.5 Переваги та недоліки

Переваги

Сонячна генерація в значних масштабах розглядається сьогодні тільки у

вигляді способу економії невеликої частини традиційного викопного палива

в денний час. Сонячна енергетика поки що не в змозі повністю взяти на себе

навантаження в пікові вечірні години енергоспоживання і зменшити кількість

та навантаження на АЕС, вугільних, газових і гідроелектростанцій, які в

денні години повинні стояти в резерві, а у вечірні брати на себе значне

енергетичне навантаження.

Якщо в результаті посилення тарифів (при яких, наприклад, виробникам

водню і алюмінію буде вигідно запускати своє електролізне виробництво) в

денні години пік споживання електроенергії зміститься на денні години, то в

енергії сонця з'являться більш серйозні перспективи для розвитку.

Вартість сонячної генерації, яка є «нерегульована», непорівнянна з

вартістю генерації електроенергії на звичайних електростанціях, які можуть

вільно генерувати її в будь-який час, коли в цьому є необхідність.

Всупереч поширеній думці про те, що сонячні фотоелектричні

перетворювачі (сонячні панелі) не ефективні взимку, можна протиставити

безліч фактів.

1) Взимку сонячні панелі працюють навіть краще, ніж в осінню похмуру

погоду. Викликано це тим, що коли земля вкрита сніговим покровом, частина

денного світла відбивається від снігу, тим самим збільшуючи ефективність

роботи сонячних систем.

2) Сонячні системи мають високу якість, які володіють відповідними

сертифікатами, призначені для роботи в різних діапазонах температур від -

45°С до +45°С.

3) Ще одним аргументом для використання взимку сонячних енергосистем

є те, що при зниженні температури, ефективність сонячного модуля трохи

зростає. Однак, при великій освітленості влітку, температура не впливає на

систему, оскільки сонячний день компенсує мізерні втрати від нагрівання. 24

При охолодженні, як відомо, опір провідників падає, тим самим дозволяючи

енергії швидше «крокувати» по дротах і приносити в будинок тепло і світло.

4) Останнім часом багато людей оснащують свої будинки системами, що

працюють від альтернативних джерел енергії. Великою популярністю серед

подібного обладнання користуються геліоколектори для отримання гарячого

водопостачання. Використовуючи енергію сонця, вони забезпечують оселю

теплом в автономному режимі і дозволяє відмовитись від послуги постачання

гарячої води від житлово-комунальних структур.

5) Також оснащують будинки обладнанням і для отримання електроенергії,

що дозволяє відмовитись від послуг житлово-комунальних структур та бути

забезпеченим власною електроенергією.

6) Працюючи від безкоштовного невичерпного джерела енергії, сучасні

сонячні колектори допомагають заощаджувати кошти на створення умов для

комфортного проживання у будинку. До того ж, вони зручні в експлуатації і

при правильному обслуговуванні прослужать не одне десятиліття.

Недоліки

1) Сонячні електростанції займають досить великі площі, це пояснюється

низьким ККД. Тому для обслуговування міста сонячна електростанція

повинна міститись за містом на досить великій території. Наприклад , для

електростанції потужністю 1ГВт це може бути кілька десятків квадратних

кілометрів.

2) Потужність одного типу станції в різних місцях планети відрізняється.

Тому будь де побудувати може бути економічно не вигідним і працюватиме в

збиток. Для того, щоб станція працювала на прибуток, потрібно провести

досліди, розрахунки. Це займе додатковий час та фінанси.

3) Сонячна електростанція має різну ефективність в різний час доби.

Найбільш ефективна буде вдень, а найменьш ефективна – вночі. Також

ефективність змінюється від погоди, що неможливо контролювати.25

4) Висока початкова ціна.

5) Сонячні батареї потребують постійного догляду. Для кращої

ефективності їй періодично миють та чистять.

26

Список використаної літератури

1. М.О. Дикий. Поновлювані джерела енергії. Київ: Вища школа, 1993.-

416 с.

2. Г.И. Денисенко. Возобновляемые источники энергии.- Киев: КПИ,

1979.

3. Веников В.А., Путянин Е.В. Введение в специальность.- М.: Высшая

4. школа, 1988.- 240 с.

5. Сердюк В. В., Чемересюк Г.Г., Терек М.. Фотоэлектрические процессы

в полупроводниках. - Киев - Одесса: В. ш., 1982. - 150 с.

6. http://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/507-solnechnaya-

energetika-elektrostancii-perspektivy.html

7. http://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/493-solnechnaya-

energetika-zimoy.html

8. http://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/14-istoriya-solnechnyh-

elementov.html

9. http://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/249-solnechnye-paneli-

dlya-doma.html

10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_электростанция

11. http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечный_коллектор

12. http://xreferat.ru/102/1398-1-al-ternativnye-istochniki-energii.html

27