Päikesesoojusenergia: Päikese soojuse kasutamine kogumis- ja salvestussüsteemidega

Päikesesoojusenergia tehnoloogia pakub võimsat ja mitmekülgset viisi päikeseenergia kasutamiseks. Erinevalt fotogalvaanilistest (PV) süsteemidest, mis muundavad päikesevalguse otse elektriks, püüavad päikesesoojussüsteemid kinni päikese soojuse, et toota kuuma vett, kuuma õhku või auru. Seda soojusenergiat saab seejärel kasutada otse kütmiseks ja jahutamiseks või auruturbiinide kaudu elektri tootmiseks. Lisaks on päikesesoojusenergia peamine eelis selle võime integreeruda soojusenergia salvestamise (TES) süsteemidega, mis võimaldab energiat salvestada ja kasutada siis, kui päikesevalgus pole kättesaadav, lahendades sellega teiste taastuvate energiaallikate ees seisvaid katkemisprobleeme.

Päikesesoojuse kogumise mõistmine

Iga päikesesoojussüsteemi tuumaks on kollektor, mis vastutab päikesekiirguse neelamise ja selle kasutatavaks soojuseks muundamise eest. Olemas on erinevat tüüpi kollektoreid, millest igaüks sobib konkreetsete rakenduste ja temperatuurivahemike jaoks.

Päikesesoojuskollektorite tüübid

• Lamekollektorid: Need on kõige levinumad päikesesoojuskollektorite tüübid, mida kasutatakse tavaliselt tarbevee soojendamiseks ja ruumide kütmiseks. Need koosnevad tumedavärvilisest absorbeerivast plaadist, millele on sageli kinnitatud torud või kanalid ja mis on kaetud läbipaistva klaasiga. Absorbeeriv plaat neelab päikesekiirgust, kandes soojuse üle torudes ringlevale vedelikule (vesi või antifriisi lahus). Lamekollektorid on suhteliselt lihtsa disainiga, kulutõhusad ja sobivad madalama temperatuuriga rakendusteks (kuni 80 °C).
• Vaakumtorukollektorid: Need kollektorid pakuvad lamekollektoritest suuremat tõhusust, eriti külmemas kliimas ja kõrgematel temperatuuridel. Need koosnevad eraldiseisvatest klaastorudest, mis sisaldavad vaakumit. Vaakum minimeerib soojuskadu konvektsiooni ja konduktsiooni teel, võimaldades kõrgemaid töötemperatuure. Vaakumtorukollektoreid kasutatakse sageli tarbevee soojendamiseks, ruumide kütmiseks ja tööstuslike protsesside soojusrakendustes.
• Kontsentreerivad päikesekollektorid (CSP): Need kollektorid kasutavad peegleid või läätsi, et koondada päikesevalgus väiksemale vastuvõtjale, kontsentreerides päikeseenergiat ja saavutades palju kõrgemaid temperatuure. CSP-tehnoloogiaid kasutatakse tavaliselt elektritootmiseks ja tööstuslike protsesside soojendamiseks. CSP-tehnoloogiate näited hõlmavad:
  • Paraboolrennkollektorid: Need kollektorid kasutavad kumeraid peegleid, et koondada päikesevalgus renni fookusjoonel asuvale vastuvõtjatorule. Soojusülekandevedelik (HTF), näiteks õli või sulasool, ringleb läbi vastuvõtjatoru, neelates kontsentreeritud päikeseenergiat. Paraboolrennsüsteeme kasutatakse laialdaselt elektritootmiseks.
  • Päikeseenergiatornid: Need süsteemid kasutavad peeglite (heliostaatide) välja, et peegeldada päikesevalgust torni tipus asuvale keskvastuvõtjale. Kontsentreeritud päikeseenergia soojendab vastuvõtjas töövedelikku (vesi, sulasool või õhk), mida seejärel kasutatakse elektri tootmiseks.
  • Taldrik-/mootorisüsteemid: Need süsteemid kasutavad paraboolseid taldrikpeegleldeid, et koondada päikesevalgus vastuvõtjale, mis on otse ühendatud soojusmootoriga (nt Stirlingi mootor). Soojusmootor muundab soojusenergia mehaaniliseks energiaks, mida seejärel kasutatakse elektri tootmiseks.

Kollektori jõudlust mõjutavad tegurid

Päikesesoojuskollektorite jõudlust mõjutavad mitmed tegurid, sealhulgas:

• Päikesekiirgus: Kollektori pinnale langeva päikesekiirguse hulk mõjutab otseselt neelduva soojuse hulka.
• Ümbritsev temperatuur: Kõrgemad ümbritsevad temperatuurid võivad vähendada kollektori tõhusust, kuna temperatuuride erinevus kollektori ja keskkonna vahel väheneb.
• Kollektori orientatsioon ja kalle: Kollektori nurk ja orientatsioon päikese asendi suhtes mõjutavad oluliselt vastuvõetava päikesekiirguse hulka. Optimaalsed orientatsiooni- ja kaldenurgad varieeruvad sõltuvalt laiuskraadist ja aastaajast.
• Kollektori tõhusus: Kollektori tõhusus määrab, kui suur osa langevast päikesekiirgusest muundatakse kasutatavaks soojuseks.
• Ilmastikutingimused: Pilvised või sombused tingimused vähendavad päikesekiirgust ja mõjutavad negatiivselt kollektori jõudlust.

Soojusenergia salvestamise (TES) süsteemid

Soojusenergia salvestamine (TES) on paljude päikesesoojussüsteemide oluline komponent, mis võimaldab soojuse salvestamist hilisemaks kasutamiseks. See võimaldab päikeseenergiat kasutada ka siis, kui päikesevalgust pole saadaval, näiteks öösel või pilvistel päevadel. TES võib oluliselt parandada päikesesoojusenergia usaldusväärsust ja juhitavust, muutes selle elujõulisemaks alternatiiviks fossiilkütustele.

Soojusenergia salvestamise tüübid

• Sensiibne soojussalvestus: See on kõige levinum TES-i tüüp, mis hõlmab soojusenergia salvestamist, tõstes salvestuskeskkonna, näiteks vee, õli, kivi või betooni temperatuuri. Salvestatud energia hulk sõltub salvestusmaterjali erisoojusmahtuvusest, massist ja temperatuurimuutusest. Sensiibne soojussalvestus on suhteliselt lihtne ja kulutõhus, kuid see võib nõuda suuri salvestusmahtusid.
• Latentne soojussalvestus: Seda tüüpi TES kasutab soojust, mis neeldub või vabaneb materjali faasimuutuse, näiteks sulamise või külmumise ajal. Faasimuutusmaterjalid (PCM) suudavad salvestada oluliselt rohkem energiat mahuühiku kohta kui sensiibsed soojussalvestusmaterjalid. Levinumad PCM-id hõlmavad parafiinivahasid, soolahüdraate ja orgaanilisi ühendeid. Latentne soojussalvestus pakub suuremat energiatihedust võrreldes sensiibse soojussalvestusega, kuid PCM-id võivad olla kallimad ja nõuda hoolikat projekteerimist, et tagada tõhus soojusülekanne.
• Termokeemiline salvestus: Seda tüüpi TES hõlmab energia salvestamist pöörduvate keemiliste reaktsioonide kaudu. Soojuse rakendamisel neelab keemiline reaktsioon energiat ja kui reaktsioon pööratakse ümber, vabaneb energia. Termokeemiline salvestus pakub potentsiaali väga suureks energiatiheduseks ja pikaajaliseks salvestamiseks, kuid see on keerulisem tehnoloogia, mis on alles arendamisel.

TES-i jõudlust mõjutavad tegurid

Soojusenergia salvestussüsteemide jõudlust mõjutavad mitmed tegurid, sealhulgas:

• Salvestusmaht: Soojusenergia hulk, mida salvestussüsteem mahutab.
• Salvestustõhusus: Protsent salvestatud energiast, mida on võimalik taastada.
• Laadimis- ja tühjenduskiirused: Kiirus, millega energiat saab salvestada ja vabastada.
• Salvestamise kestus: Ajavahemik, mille jooksul energiat saab salvestada ilma oluliste kadudeta.
• Salvestusmaterjali omadused: Salvestusmaterjali soojusjuhtivus, erisoojusmahtuvus ja muud omadused.

Päikesesoojusenergia tehnoloogia rakendused

Päikesesoojusenergia tehnoloogial on lai valik rakendusi, mis hõlmavad elamu-, äri-, tööstus- ja kommunaalteenuste sektoreid.

Elamu- ja ärirakendused

• Päikese-veesoojendus: See on kõige levinum päikesesoojusenergia tehnoloogia rakendus, mida kasutatakse kodude ja ettevõtete tarbevee soojendamiseks. Päikese-veesoojendussüsteemid võivad oluliselt vähendada energiatarbimist ja alandada kommunaalmakseid. Näideteks on päikese-veesoojendid, mida kasutatakse laialdaselt sellistes riikides nagu Iisrael ja Küpros.
• Päikese-ruumiküte: Päikesesoojussüsteeme saab kasutada ka hoonete otsekütmiseks, kasutades päikese-õhkküttekehasid või tsirkuleerides kuuma vett läbi radiaatorite või põrandaküttesüsteemide.
• Päikesejahutus: Päikesesoojusenergiat saab kasutada absorptsioonjahutite või kuivatusainega jahutussüsteemide käitamiseks, pakkudes hoonetele kliimaseadet. See on eriti atraktiivne kuumas kliimas, kus päikesekiirgus on külluslik. Näideteks on päikeseenergial töötavad jahutussüsteemid mõnedes Lähis-Ida ülikoolides.
• Päikese-basseiniküte: Päikesekollektoreid saab kasutada ujumisbasseinide soojendamiseks, pikendades ujumishooaega ja vähendades energiakulusid.

Tööstuslikud rakendused

• Päikese-protsessisoojus: Päikesesoojussüsteemid võivad pakkuda protsessisoojust mitmesugusteks tööstuslikeks rakendusteks, nagu toiduainete töötlemine, tekstiilitootmine ja keemiatööstus. See võib vähendada sõltuvust fossiilkütustest ja vähendada kasvuhoonegaaside heitkoguseid. Kontsentreeritud päikeseenergiat (CSP) kasutatakse üha enam kõrge temperatuuriga protsessisoojuse tootmiseks tööstustele.
• Päikeseenergial töötav magestamine: Päikesesoojusenergiat saab kasutada magestamistehaste toiteks, pakkudes värsket vett kuivades ja veenappuses piirkondades. Näideteks on päikeseenergial töötavad magestamisprojektid Austraalias ja Lähis-Idas.

Kommunaalteenuste mastaabis rakendused

• Kontsentreeritud päikeseenergia (CSP) jaamad: CSP-jaamad kasutavad suuri peeglite massiive, et kontsentreerida päikesevalgust vastuvõtjale, tootes kõrge temperatuuriga soojust, mida kasutatakse elektri tootmiseks auruturbiinide kaudu. CSP-jaamad võivad sisaldada soojusenergia salvestamist (TES), et pakkuda elektrit ka siis, kui päike ei paista. Näideteks on Noor Ouarzazate'i päikesejaam Marokos ja Ivanpah' päikeseenergia tootmissüsteem Californias, USAs.
• Päikeseenergiaga toetatud kaugküte: Päikesesoojussüsteeme saab integreerida kaugküttevõrkudega, pakkudes kuuma vett kütmiseks ja tarbeveeks kogukonna mitmele hoonele. Näideteks on kaugküttesüsteemid Taanis ja Saksamaal, mis kasutavad päikesesoojusenergiat.

Päikesesoojusenergia tehnoloogia eelised

Päikesesoojusenergia tehnoloogia pakub mitmeid eeliseid, muutes selle veenvaks lahenduseks jätkusuutliku energia tuleviku jaoks:

• Taastuv ja säästev: Päikesesoojusenergia on taastuv ja säästev energiaallikas, mis vähendab sõltuvust fossiilkütustest ja leevendab kliimamuutusi.
• Energiatõhusus: Päikesesoojussüsteemid võivad olla väga energiatõhusad, muutes olulise osa päikesekiirgusest kasutatavaks soojuseks.
• Vähendatud süsinikuheitmed: Päikesesoojusenergia tehnoloogia vähendab oluliselt süsinikuheitmeid võrreldes fossiilkütustel põhinevate energiasüsteemidega.
• Energiajulgeolek: Päikesesoojussüsteemid võivad suurendada energiajulgeolekut, vähendades sõltuvust imporditud fossiilkütustest.
• Töökohtade loomine: Päikesesoojusenergia tööstus loob töökohti tootmises, paigaldamises, hoolduses ning teadus- ja arendustegevuses.
• Võrgu stabiilsus: Soojusenergia salvestamisega (TES) päikesesoojusjaamad võivad pakkuda juhitavat võimsust, aidates kaasa võrgu stabiilsusele ja usaldusväärsusele.
• Kulutõhusus: Päikesesoojusenergia tehnoloogia maksumus on viimastel aastatel märkimisväärselt langenud, muutes selle üha konkurentsivõimelisemaks fossiilkütustel põhinevate energiaallikatega.

Päikesesoojusenergia tehnoloogia väljakutsed

Vaatamata oma arvukatele eelistele seisab päikesesoojusenergia tehnoloogia silmitsi ka mõningate väljakutsetega:

• Katkendlikkus: Päikeseenergia on katkendlik, mis tähendab, et selle kättesaadavus varieerub sõltuvalt ilmastikutingimustest ja kellaajast. Soojusenergia salvestamine (TES) võib aidata seda väljakutset leevendada, kuid see lisab süsteemile kulusid ja keerukust.
• Maakasutus: Kontsentreeritud päikeseenergia (CSP) jaamad nõuavad suuri maa-alasid, mis võib mõnes asukohas olla murettekitav.
• Veetarve: Mõned CSP-jaamad kasutavad jahutamiseks vett, mis võib olla probleemiks kuivades piirkondades. Kuivjahutustehnoloogiad võivad vähendada veetarbimist, kuid võivad ka kulusid suurendada.
• Kõrged esialgsed kulud: Päikesesoojussüsteemide esialgne investeerimiskulu võib olla suurem kui tavapäraste energiasüsteemide puhul, kuigi see kulu väheneb kiiresti.
• Hooldus: Päikesesoojussüsteemid vajavad optimaalse jõudluse tagamiseks regulaarset hooldust.

Päikesesoojusenergia tehnoloogia tulevik

Päikesesoojusenergia tehnoloogia tulevik on helge, jätkuvate teadus- ja arendustegevuste eesmärk on parandada tõhusust, vähendada kulusid ja laiendada rakendusi. Peamised innovatsioonivaldkonnad hõlmavad:

• Täiustatud kollektoridisainid: Tõhusamate ja kulutõhusamate päikesekollektorite arendamine.
• Täiustatud soojusenergia salvestamine: Täiustatud TES-materjalide ja -süsteemide arendamine, millel on suurem energiatihedus ja pikem salvestusaeg.
• Kontsentreeritud päikeseenergia (CSP) edusammud: CSP-jaamade tõhususe parandamine ja kulude vähendamine.
• Integratsioon teiste taastuvate energiaallikatega: Päikesesoojusenergia kombineerimine teiste taastuvate energiaallikatega, nagu tuule- ja geotermiline energia, et luua hübriidseid energiasüsteeme.
• Tarkvõrgu integreerimine: Päikesesoojusenergia integreerimine tarkvõrkudesse, et optimeerida energiajaotust ja -haldust.
• Uudsed rakendused: Päikesesoojusenergia tehnoloogia uute rakenduste uurimine, nagu päikesekütuse tootmine ja päikeseenergial töötavad tööstusprotsessid.

Globaalsed näited ja algatused

Kogu maailmas edendavad ja rakendavad erinevad riigid ja organisatsioonid aktiivselt päikesesoojusenergia tehnoloogiaid. Siin on mõned näited:

• Maroko Noor Ouarzazate'i päikesejaam: See kontsentreeritud päikeseenergia (CSP) jaam on üks maailma suurimaid ja kasutab soojusenergia salvestamist, et pakkuda elektrit ka pärast päikeseloojangut. See kujutab endast olulist investeeringut taastuvenergiasse Maroko jaoks.
• Taani kaugküttesüsteemid: Taani on kaugkütte valdkonnas liider ja paljud selle süsteemid kasutavad päikesesoojusenergiat, et pakkuda kodudele ja ettevõtetele kuuma vett. See on aidanud Taanil vähendada oma sõltuvust fossiilkütustest ja alandada süsinikuheitmeid.
• Austraalia päikeseenergial töötavad magestamisprojektid: Oma kuiva kliima tõttu on Austraalia investeerinud päikeseenergial töötavatesse magestamisprojektidesse, et pakkuda kogukondadele värsket vett. Need projektid kasutavad päikesesoojusenergiat magestamistehaste toiteks, vähendades veetootmise keskkonnamõju.
• India riiklik päikeseenergia missioon: India riikliku päikeseenergia missiooni eesmärk on edendada päikeseenergia tehnoloogiate, sealhulgas päikesesoojusenergia, kasutuselevõttu kogu riigis. Missioon sisaldab eesmärke päikese-veesoojenduse, päikese-protsessisoojuse ja kontsentreeritud päikeseenergia (CSP) jaoks.
• Euroopa Liidu päikesesoojusenergia tegevuskava: Euroopa Liit on välja töötanud päikesesoojusenergia tegevuskava, mis visandab strateegiad päikesesoojusenergia tehnoloogiate kasutuselevõtu suurendamiseks kogu Euroopas. Tegevuskava sisaldab eesmärke päikese-veesoojenduse, päikese-ruumikütte ja päikese-kaugkütte jaoks.

Kokkuvõte

Päikesesoojusenergia tehnoloogia pakub tõestatud ja mitmekülgset viisi päikeseenergia kasutamiseks laias valikus rakendustes. Päikese soojust püüdes ja salvestades võivad need süsteemid pakkuda usaldusväärset ja säästvat energiaallikat kodudele, ettevõtetele ja tööstustele. Kuna tehnoloogia areneb edasi ja kulud langevad, on päikesesoojusenergial üha olulisem roll ülemaailmses üleminekus puhtale energia tulevikule. Soojusenergia salvestamise (TES) integreerimine on ülioluline katkendlikkuse lahendamiseks ja päikesesoojusenergia juhitavuse suurendamiseks, tugevdades veelgi selle positsiooni mitmekesise ja jätkusuutliku energiaportfelli võtmekomponendina.