Saulės šiluminė energija: saulės šilumos panaudojimas su surinkimo ir kaupimo sistemomis

Saulės šiluminės energijos technologija siūlo galingą ir universalų būdą panaudoti saulės energiją. Skirtingai nuo fotovoltinių (PV) sistemų, kurios saulės šviesą tiesiogiai paverčia elektra, saulės šiluminės sistemos sugaudo saulės šilumą karštam vandeniui, karštam orui ar garui gaminti. Ši šiluminė energija gali būti naudojama tiesiogiai šildymui ir vėsinimui arba elektros energijai gaminti per garo turbinas. Be to, pagrindinis saulės šiluminės energijos pranašumas yra galimybė integruoti ją su šiluminės energijos kaupimo (TES) sistemomis, leidžiančiomis kaupti energiją ir ją naudoti, kai saulės šviesos nėra, taip sprendžiant kitų atsinaujinančių energijos šaltinių protarpinio veikimo problemas.

Saulės šiluminės energijos surinkimo supratimas

Bet kurios saulės šiluminės sistemos pagrindas yra kolektorius, kuris sugeria saulės spinduliuotę ir paverčia ją naudinga šiluma. Egzistuoja įvairių tipų kolektoriai, kurių kiekvienas pritaikytas konkrečioms reikmėms ir temperatūrų diapazonams.

Saulės šiluminių kolektorių tipai

• Plokštieji kolektoriai: Tai labiausiai paplitęs saulės šiluminių kolektorių tipas, paprastai naudojamas buitiniam karštam vandeniui ruošti ir patalpoms šildyti. Juos sudaro tamsios spalvos absorberio plokštė, dažnai su pritvirtintais vamzdeliais ar kanalais, padengta skaidria danga. Absorberio plokštė sugeria saulės spinduliuotę, perduodama šilumą per vamzdelius cirkuliuojančiam skysčiui (vandeniui arba antifrizo tirpalui). Plokštieji kolektoriai yra palyginti paprastos konstrukcijos, ekonomiški ir tinkami žemesnės temperatūros (iki 80 °C) pritaikymams.
• Vakuuminiai vamzdiniai kolektoriai: Šie kolektoriai pasižymi didesniu efektyvumu nei plokštieji kolektoriai, ypač šaltesniame klimate ir esant aukštesnei temperatūrai. Juos sudaro atskiri stikliniai vamzdeliai su vakuumu. Vakuumas sumažina šilumos nuostolius dėl konvekcijos ir laidumo, todėl galima pasiekti aukštesnę darbinę temperatūrą. Vakuuminiai vamzdiniai kolektoriai dažnai naudojami buitiniam karštam vandeniui ruošti, patalpoms šildyti ir pramoniniams procesams, kuriems reikalinga šiluma.
• Koncentruojantys saulės kolektoriai (KSE): Šie kolektoriai naudoja veidrodžius ar lęšius, kad sufokusuotų saulės šviesą į mažesnį imtuvą, taip koncentruodami saulės energiją ir pasiekdami daug aukštesnę temperatūrą. KSE technologijos paprastai naudojamos elektros energijai gaminti ir pramoniniams procesams, kuriems reikalinga šiluma. KSE technologijų pavyzdžiai:
  • Paraboliniai lovio kolektoriai: Šiuose kolektoriuose naudojami išlenkti veidrodžiai, fokusuojantys saulės šviesą į imtuvo vamzdelį, esantį išilgai lovio židinio linijos. Per imtuvo vamzdelį cirkuliuoja šilumnešis (pvz., alyva arba išlydyta druska), kuris sugeria koncentruotą saulės energiją. Parabolinio lovio sistemos plačiai naudojamos elektros energijai gaminti.
  • Saulės energijos bokštai: Šiose sistemose naudojamas veidrodžių (heliostatų) laukas, atspindintis saulės šviesą į centrinį imtuvą, esantį bokšto viršuje. Koncentruota saulės energija kaitina darbinį skystį (vandenį, išlydytą druską arba orą) imtuve, kuris vėliau naudojamas elektros energijai gaminti.
  • Lėkštės/variklio sistemos: Šiose sistemose naudojami parabolinės lėkštės atšvaitai, fokusuojantys saulės šviesą į imtuvą, kuris yra tiesiogiai sujungtas su šiluminiu varikliu (pvz., Stirlingo varikliu). Šiluminis variklis paverčia šiluminę energiją mechanine, kuri vėliau naudojama elektros energijai gaminti.

Kolektorių našumą veikiantys veiksniai

Saulės šiluminių kolektorių našumą veikia keli veiksniai, įskaitant:

• Saulės spinduliuotė: Saulės spinduliuotės kiekis, patenkantis į kolektoriaus paviršių, tiesiogiai veikia sugertos šilumos kiekį.
• Aplinkos temperatūra: Aukštesnė aplinkos temperatūra gali sumažinti kolektoriaus efektyvumą, nes mažėja temperatūrų skirtumas tarp kolektoriaus ir aplinkos.
• Kolektoriaus orientacija ir pasvirimo kampas: Kolektoriaus kampas ir orientacija saulės padėties atžvilgiu daro didelę įtaką sulaikomos saulės spinduliuotės kiekiui. Optimalūs orientacijos ir pasvirimo kampai priklauso nuo platumos ir metų laiko.
• Kolektoriaus efektyvumas: Kolektoriaus efektyvumas lemia, kokia dalis patenkančios saulės spinduliuotės paverčiama naudinga šiluma.
• Oro sąlygos: Debesuotos ar apsiniaukusios sąlygos sumažina saulės spinduliuotę ir neigiamai veikia kolektoriaus našumą.

Šiluminės energijos kaupimo (ŠEK) sistemos

Šiluminės energijos kaupimas (ŠEK) yra esminė daugelio saulės šiluminių sistemų dalis, leidžianti kaupti šilumą vėlesniam naudojimui. Tai leidžia panaudoti saulės energiją net tada, kai saulės šviesos nėra, pavyzdžiui, naktį ar debesuotomis dienomis. ŠEK gali žymiai pagerinti saulės šiluminės energijos patikimumą ir valdomumą, todėl ji tampa perspektyvesne alternatyva iškastiniam kurui.

Šiluminės energijos kaupimo tipai

• Juntamosios šilumos kaupimas: Tai labiausiai paplitęs ŠEK tipas, kai šiluminė energija kaupiama keliant kaupimo terpės, pvz., vandens, alyvos, akmens ar betono, temperatūrą. Sukauptos energijos kiekis priklauso nuo kaupimo medžiagos savitosios šiluminės talpos, jos masės ir temperatūros pokyčio. Juntamosios šilumos kaupimas yra palyginti paprastas ir ekonomiškas, tačiau gali prireikti didelių talpyklų.
• Slaptosios šilumos kaupimas: Šio tipo ŠEK naudoja šilumą, sugertą ar išskirtą medžiagos fazinio virsmo metu, pavyzdžiui, lydantis ar stingstant. Fazių keitimo medžiagos (FKM) gali sukaupti žymiai daugiau energijos tūrio vienete nei juntamosios šilumos kaupimo medžiagos. Dažniausiai naudojamos FKM yra parafino vaškai, druskų hidratai ir organiniai junginiai. Slaptosios šilumos kaupimas pasižymi didesniu energijos tankiu, palyginti su juntamosios šilumos kaupimu, tačiau FKM gali būti brangesnės ir reikalauti kruopštaus projektavimo, kad būtų užtikrintas efektyvus šilumos perdavimas.
• Termocheminis kaupimas: Šio tipo ŠEK metu energija kaupiama vykstant grįžtamosioms cheminėms reakcijoms. Kai tiekiama šiluma, cheminė reakcija sugeria energiją, o kai reakcija vyksta atvirkščiai, energija išsiskiria. Termocheminis kaupimas suteikia galimybę pasiekti labai aukštą energijos tankį ir ilgalaikį kaupimą, tačiau tai yra sudėtingesnė technologija, kuri vis dar tobulinama.

ŠEK našumą veikiantys veiksniai

Šiluminės energijos kaupimo sistemų našumą veikia keli veiksniai, įskaitant:

• Kaupimo talpa: Šiluminės energijos kiekis, kurį gali talpinti kaupimo sistema.
• Kaupimo efektyvumas: Atgautos sukauptos energijos procentinė dalis.
• Įkrovimo ir iškrovimo sparta: Greitis, kuriuo energija gali būti kaupiama ir atiduodama.
• Kaupimo trukmė: Laikas, per kurį energija gali būti saugoma be didelių nuostolių.
• Kaupimo medžiagos savybės: Kaupimo medžiagos šilumos laidumas, savitoji šiluminė talpa ir kitos savybės.

Saulės šiluminės technologijos taikymo sritys

Saulės šiluminės technologijos taikymo spektras yra platus, apimantis gyvenamąjį, komercinį, pramoninį ir komunalinių paslaugų sektorius.

Taikymas gyvenamuosiuose ir komerciniuose pastatuose

• Saulės vandens šildymas: Tai labiausiai paplitęs saulės šiluminės technologijos taikymas, naudojamas buitiniam karštam vandeniui ruošti namams ir įmonėms. Saulės vandens šildymo sistemos gali žymiai sumažinti energijos suvartojimą ir sąskaitas už komunalines paslaugas. Pavyzdžiai apima saulės vandens šildytuvus, plačiai naudojamus tokiose šalyse kaip Izraelis ir Kipras.
• Saulės patalpų šildymas: Saulės šiluminės sistemos taip pat gali būti naudojamos tiesiogiai pastatams šildyti, naudojant saulės oro šildytuvus arba cirkuliuojant karštą vandenį per radiatorius ar grindinio šildymo sistemas.
• Saulės vėsinimas: Saulės šiluminė energija gali būti naudojama absorbciniams vėsintuvams arba desikantinėms vėsinimo sistemoms varyti, taip užtikrinant pastatų oro kondicionavimą. Tai ypač patrauklu karšto klimato šalyse, kur saulės spinduliuotė yra gausi. Pavyzdžiai apima saulės energija varomas vėsinimo sistemas kai kuriuose Artimųjų Rytų universitetuose.
• Saulės baseinų šildymas: Saulės kolektoriai gali būti naudojami plaukimo baseinams šildyti, prailginant maudymosi sezoną ir sumažinant energijos sąnaudas.

Pramoninis taikymas

• Saulės technologinė šiluma: Saulės šiluminės sistemos gali tiekti technologinę šilumą įvairiems pramoniniams tikslams, pavyzdžiui, maisto perdirbimui, tekstilės gamybai ir chemijos pramonei. Tai gali sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro ir sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą. Koncentruota saulės energija (KSE) vis dažniau naudojama aukštos temperatūros technologinei šilumai pramonei gaminti.
• Saulės vandens gėlinimas: Saulės šiluminė energija gali būti naudojama gėlinimo įrenginiams maitinti, aprūpinant gėlu vandeniu sausringus ir vandens stokojančius regionus. Pavyzdžiai apima saulės vandens gėlinimo projektus Australijoje ir Artimuosiuose Rytuose.

Komunalinių paslaugų masto taikymas

• Koncentruotos saulės energijos (KSE) jėgainės: KSE jėgainėse naudojami dideli veidrodžių masyvai, kurie koncentruoja saulės šviesą į imtuvą, generuodami aukštos temperatūros šilumą, naudojamą elektrai gaminti per garo turbinas. KSE jėgainės gali integruoti šiluminės energijos kaupimą (ŠEK), kad tiektų elektrą net tada, kai saulė nešviečia. Pavyzdžiai apima Noor Ouarzazate saulės elektrinę Maroke ir Ivanpah saulės elektros gamybos sistemą Kalifornijoje, JAV.
• Centralizuotas šildymas su saulės energijos sistemomis: Saulės šiluminės sistemos gali būti integruotos į centralizuoto šildymo tinklus, tiekiant karštą vandenį šildymui ir buitiniam naudojimui keliems bendruomenės pastatams. Pavyzdžiai apima centralizuoto šildymo sistemas Danijoje ir Vokietijoje, kuriose naudojama saulės šiluminė energija.

Saulės šiluminės technologijos privalumai

Saulės šiluminė technologija siūlo daugybę privalumų, todėl tai yra patrauklus sprendimas tvarios energetikos ateičiai:

• Atsinaujinanti ir tvari: Saulės šiluminė energija yra atsinaujinantis ir tvarus energijos šaltinis, mažinantis priklausomybę nuo iškastinio kuro ir švelninantis klimato kaitą.
• Energijos efektyvumas: Saulės šiluminės sistemos gali būti labai efektyvios energijos požiūriu, paversdamos didelę dalį saulės spinduliuotės naudinga šiluma.
• Sumažintas anglies dioksido išmetimas: Saulės šiluminė technologija žymiai sumažina anglies dioksido išmetimą, palyginti su iškastiniu kuru pagrįstomis energijos sistemomis.
• Energetinis saugumas: Saulės šiluminės sistemos gali padidinti energetinį saugumą, sumažindamos priklausomybę nuo importuojamo iškastinio kuro.
• Darbo vietų kūrimas: Saulės šiluminės energijos pramonė kuria darbo vietas gamybos, montavimo, priežiūros bei mokslinių tyrimų ir plėtros srityse.
• Tinklo stabilumas: Saulės šiluminės jėgainės su šiluminės energijos kaupimu (ŠEK) gali tiekti valdomą galią, prisidėdamos prie tinklo stabilumo ir patikimumo.
• Ekonomiškumas: Saulės šiluminės technologijos kaina pastaraisiais metais gerokai sumažėjo, todėl ji tampa vis konkurencingesnė su iškastiniu kuru pagrįstais energijos šaltiniais.

Saulės šiluminės technologijos iššūkiai

Nepaisant daugybės privalumų, saulės šiluminė technologija taip pat susiduria su tam tikrais iššūkiais:

• Protarpinis veikimas: Saulės energija yra protarpinė, o tai reiškia, kad jos prieinamumas priklauso nuo oro sąlygų ir paros laiko. Šiluminės energijos kaupimas (ŠEK) gali padėti sušvelninti šį iššūkį, tačiau tai padidina sistemos kainą ir sudėtingumą.
• Žemės naudojimas: Koncentruotos saulės energijos (KSE) jėgainėms reikia didelių žemės plotų, o tai kai kuriose vietovėse gali kelti susirūpinimą.
• Vandens suvartojimas: Kai kurios KSE jėgainės naudoja vandenį vėsinimui, o tai gali būti problema sausringuose regionuose. Sauso vėsinimo technologijos gali sumažinti vandens suvartojimą, bet taip pat gali padidinti išlaidas.
• Didelės pradinės išlaidos: Pradinės investicijos į saulės šilumines sistemas gali būti didesnės nei įprastinių energijos sistemų, nors ši kaina sparčiai mažėja.
• Priežiūra: Saulės šiluminėms sistemoms reikalinga reguliari priežiūra, siekiant užtikrinti optimalų našumą.

Saulės šiluminės technologijos ateitis

Saulės šiluminės technologijos ateitis yra šviesi, o vykdomi mokslinių tyrimų ir plėtros darbai yra skirti efektyvumui didinti, sąnaudoms mažinti ir taikymo sritims plėsti. Pagrindinės inovacijų sritys apima:

• Pažangios kolektorių konstrukcijos: Efektyvesnių ir ekonomiškesnių saulės kolektorių kūrimas.
• Patobulintas šiluminės energijos kaupimas: Pažangių ŠEK medžiagų ir sistemų, pasižyminčių didesniu energijos tankiu ir ilgesne kaupimo trukme, kūrimas.
• Koncentruotos saulės energijos (KSE) pažanga: KSE jėgainių efektyvumo didinimas ir sąnaudų mažinimas.
• Integracija su kitais atsinaujinančiais energijos šaltiniais: Saulės šiluminės energijos derinimas su kitais atsinaujinančiais energijos šaltiniais, tokiais kaip vėjo ir geoterminė energija, siekiant sukurti hibridines energetikos sistemas.
• Integracija į išmaniuosius tinklus: Saulės šiluminės energijos integravimas į išmaniuosius tinklus siekiant optimizuoti energijos paskirstymą ir valdymą.
• Naujoviški taikymai: Naujų saulės šiluminės technologijos taikymo sričių, tokių kaip saulės kuro gamyba ir saulės energija varomi pramoniniai procesai, tyrimas.

Pasauliniai pavyzdžiai ir iniciatyvos

Visame pasaulyje įvairios šalys ir organizacijos aktyviai skatina ir diegia saulės šilumines technologijas. Štai keletas pavyzdžių:

• Maroko Noor Ouarzazate saulės elektrinė: Ši koncentruotos saulės energijos (KSE) jėgainė yra viena didžiausių pasaulyje ir naudoja šiluminės energijos kaupimą elektrai tiekti net ir po saulėlydžio. Tai yra reikšminga investicija į atsinaujinančią energiją Maroke.
• Danijos centralizuoto šildymo sistemos: Danija yra centralizuoto šildymo lyderė, ir daugelis jos sistemų integruoja saulės šiluminę energiją, kad aprūpintų namus ir įmones karštu vandeniu. Tai padėjo Danijai sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro ir sumažinti anglies dioksido išmetimą.
• Australijos saulės vandens gėlinimo projektai: Dėl savo sausringo klimato Australija investavo į saulės vandens gėlinimo projektus, siekdama aprūpinti bendruomenes gėlu vandeniu. Šiuose projektuose naudojama saulės šiluminė energija gėlinimo įrenginiams maitinti, taip sumažinant vandens gamybos poveikį aplinkai.
• Indijos nacionalinė saulės misija: Indijos nacionalinė saulės misija siekia skatinti saulės energijos technologijų, įskaitant saulės šiluminę energiją, diegimą visoje šalyje. Misija apima tikslus, susijusius su saulės vandens šildymu, saulės technologine šiluma ir koncentruota saulės energija (KSE).
• Europos Sąjungos saulės šiluminės energijos veiksmų planas: Europos Sąjunga parengė saulės šiluminės energijos veiksmų planą, kuriame išdėstytos strategijos, skirtos saulės šiluminių technologijų diegimui visoje Europoje didinti. Veiksmų planas apima tikslus, susijusius su saulės vandens šildymu, saulės patalpų šildymu ir saulės centralizuotu šildymu.

Išvada

Saulės šiluminė technologija siūlo patikrintą ir universalų būdą panaudoti saulės energiją įvairiems tikslams. Sulaikydamos ir kaupdamos saulės šilumą, šios sistemos gali tapti patikimu ir tvariu energijos šaltiniu namams, įmonėms ir pramonei. Technologijoms toliau tobulėjant ir mažėjant sąnaudoms, saulės šiluminė energija yra pasirengusi vaidinti vis svarbesnį vaidmenį pasauliniame perėjime prie švarios energijos ateities. Šiluminės energijos kaupimo (ŠEK) integravimas yra labai svarbus siekiant spręsti protarpinio veikimo problemą ir didinti saulės šiluminės energijos valdomumą, taip dar labiau įtvirtinant jos, kaip pagrindinio diversifikuoto ir tvaraus energetikos portfelio komponento, poziciją.