Saules siltumenerģija: Saules siltuma izmantošana ar savākšanas un uzglabāšanas sistēmām

Saules siltumenerģijas tehnoloģija piedāvā spēcīgu un daudzpusīgu veidu, kā izmantot saules enerģiju. Atšķirībā no fotoelementu (PV) sistēmām, kas pārvērš saules gaismu tieši elektrībā, saules siltumenerģijas sistēmas uztver saules siltumu, lai ražotu karstu ūdeni, karstu gaisu vai tvaiku. Šo siltumenerģiju pēc tam var izmantot tieši apkurei un dzesēšanai vai elektrības ražošanai, izmantojot tvaika turbīnas. Turklāt galvenā saules siltumenerģijas priekšrocība ir tās spēja integrēties ar siltumenerģijas uzglabāšanas (TES) sistēmām, ļaujot enerģiju uzglabāt un izmantot, kad saules gaisma nav pieejama, tādējādi risinot nepastāvības problēmas, ar kurām saskaras citi atjaunojamie enerģijas avoti.

Izpratne par saules siltumenerģijas savākšanu

Jebkuras saules siltumenerģijas sistēmas kodols ir kolektors, kas ir atbildīgs par saules starojuma absorbēšanu un pārvēršanu izmantojamā siltumā. Pastāv dažādi kolektoru veidi, katrs piemērots konkrētiem pielietojumiem un temperatūras diapazoniem.

Saules siltumenerģijas kolektoru veidi

• Plaknes kolektori: Šis ir visizplatītākais saules siltumenerģijas kolektoru veids, ko parasti izmanto mājsaimniecības karstā ūdens sagatavošanai un telpu apsildei. Tie sastāv no tumšas krāsas absorbētāja plāksnes, kurai bieži ir pievienotas caurules vai kanāli, un to nosedz caurspīdīgs stiklojums. Absorbētāja plāksne absorbē saules starojumu, nododot siltumu šķidrumam (ūdenim vai antifrīza šķīdumam), kas cirkulē pa caurulēm. Plaknes kolektoriem ir salīdzinoši vienkāršs dizains, tie ir rentabli un piemēroti zemākas temperatūras pielietojumiem (līdz 80°C).
• Vakuuma cauruļu kolektori: Šie kolektori piedāvā augstāku efektivitāti nekā plaknes kolektori, īpaši aukstākā klimatā un pie augstākām temperatūrām. Tie sastāv no atsevišķām stikla caurulēm, kurās ir vakuums. Vakuums samazina siltuma zudumus konvekcijas un vadītspējas ceļā, ļaujot sasniegt augstākas darba temperatūras. Vakuuma cauruļu kolektorus bieži izmanto mājsaimniecības karstā ūdens sagatavošanai, telpu apsildei un rūpnieciskiem procesa siltuma pielietojumiem.
• Koncentrējošie saules kolektori (CSP): Šie kolektori izmanto spoguļus vai lēcas, lai fokusētu saules gaismu uz mazāku uztvērēju, koncentrējot saules enerģiju un sasniedzot daudz augstākas temperatūras. CSP tehnoloģijas parasti izmanto elektroenerģijas ražošanai un rūpnieciskiem procesa siltuma pielietojumiem. CSP tehnoloģiju piemēri ietver:
  • Parabolisko loku kolektori: Šie kolektori izmanto izliektus spoguļus, lai fokusētu saules gaismu uz uztvērēja cauruli, kas atrodas gar loka fokusa līniju. Siltumnesējs šķidrums (HTF), piemēram, eļļa vai izkausēts sāls, cirkulē pa uztvērēja cauruli, absorbējot koncentrēto saules enerģiju. Parabolisko loku sistēmas plaši izmanto elektroenerģijas ražošanai.
  • Saules enerģijas torņi: Šajās sistēmās izmanto spoguļu lauku (heliostatus), lai atstarotu saules gaismu uz centrālo uztvērēju, kas atrodas torņa virsotnē. Koncentrētā saules enerģija uzsilda darba šķidrumu (ūdeni, izkausētu sāli vai gaisu) uztvērējā, ko pēc tam izmanto elektroenerģijas ražošanai.
  • Šķīvja/dzinēja sistēmas: Šajās sistēmās izmanto paraboliskus šķīvja atstarotājus, lai fokusētu saules gaismu uz uztvērēju, kas ir tieši savienots ar siltuma dzinēju (piemēram, Stirlinga dzinēju). Siltuma dzinējs pārvērš siltumenerģiju mehāniskajā enerģijā, ko pēc tam izmanto elektroenerģijas ražošanai.

Faktori, kas ietekmē kolektora veiktspēju

Vairāki faktori ietekmē saules siltumenerģijas kolektoru veiktspēju, tostarp:

• Saules starojuma intensitāte: Saules starojuma daudzums, kas skar kolektora virsmu, tieši ietekmē absorbētā siltuma daudzumu.
• Apkārtējās vides temperatūra: Augstāka apkārtējās vides temperatūra var samazināt kolektora efektivitāti, jo samazinās temperatūras starpība starp kolektoru un vidi.
• Kolektora orientācija un slīpums: Kolektora leņķis un orientācija attiecībā pret saules stāvokli būtiski ietekmē uztvertā saules starojuma daudzumu. Optimālie orientācijas un slīpuma leņķi mainās atkarībā no platuma grādiem un gadalaika.
• Kolektora efektivitāte: Kolektora efektivitāte nosaka, cik daudz no saņemtā saules starojuma tiek pārvērsts izmantojamā siltumā.
• Laika apstākļi: Mākoņaini vai apmākušies apstākļi samazina saules starojuma intensitāti un negatīvi ietekmē kolektora veiktspēju.

Siltumenerģijas uzglabāšanas (TES) sistēmas

Siltumenerģijas uzglabāšana (TES) ir daudzu saules siltumenerģijas sistēmu būtiska sastāvdaļa, kas ļauj uzglabāt siltumu vēlākai izmantošanai. Tas ļauj izmantot saules enerģiju pat tad, ja saules gaisma nav pieejama, piemēram, naktī vai mākoņainās dienās. TES var ievērojami uzlabot saules siltumenerģijas uzticamību un pieejamību, padarot to par dzīvotspējīgāku alternatīvu fosilajam kurināmajam.

Siltumenerģijas uzglabāšanas veidi

• Jūtamā siltuma uzglabāšana: Šis ir visizplatītākais TES veids, kas ietver siltumenerģijas uzglabāšanu, paaugstinot uzglabāšanas vides, piemēram, ūdens, eļļas, akmens vai betona, temperatūru. Uzglabātās enerģijas daudzums ir atkarīgs no uzglabāšanas materiāla īpatnējā siltumietilpības, tā masas un temperatūras izmaiņām. Jūtamā siltuma uzglabāšana ir salīdzinoši vienkārša un rentabla, bet tai var būt nepieciešami lieli uzglabāšanas apjomi.
• Slēptā siltuma uzglabāšana: Šis TES veids izmanto siltumu, kas tiek absorbēts vai atbrīvots materiāla fāzes maiņas laikā, piemēram, kūstot vai sasalstot. Fāžu maiņas materiāli (PCM) var uzglabāt ievērojami vairāk enerģijas uz tilpuma vienību nekā jūtamā siltuma uzglabāšanas materiāli. Bieži sastopami PCM ir parafīna vaski, sāls hidrāti un organiski savienojumi. Slēptā siltuma uzglabāšana piedāvā augstāku enerģijas blīvumu salīdzinājumā ar jūtamā siltuma uzglabāšanu, bet PCM var būt dārgāki un prasa rūpīgu projektēšanu, lai nodrošinātu efektīvu siltuma pārnesi.
• Termoķīmiskā uzglabāšana: Šis TES veids ietver enerģijas uzglabāšanu, izmantojot atgriezeniskas ķīmiskās reakcijas. Kad tiek pievadīts siltums, ķīmiskā reakcija absorbē enerģiju, un, kad reakcija tiek apvērsta, enerģija tiek atbrīvota. Termoķīmiskā uzglabāšana piedāvā potenciālu ļoti augstam enerģijas blīvumam un ilgtermiņa uzglabāšanai, bet tā ir sarežģītāka tehnoloģija, kas joprojām tiek izstrādāta.

Faktori, kas ietekmē TES veiktspēju

Vairāki faktori ietekmē siltumenerģijas uzglabāšanas sistēmu veiktspēju, tostarp:

• Uzglabāšanas jauda: Siltumenerģijas daudzums, ko uzglabāšanas sistēma var saturēt.
• Uzglabāšanas efektivitāte: Procentuālais daudzums uzglabātās enerģijas, ko var atgūt.
• Uzlādes un izlādes ātrums: Ātrums, ar kādu enerģiju var uzglabāt un atbrīvot.
• Uzglabāšanas ilgums: Laika posms, kurā enerģiju var uzglabāt bez būtiskiem zudumiem.
• Uzglabāšanas materiāla īpašības: Uzglabāšanas materiāla siltumvadītspēja, īpatnējā siltumietilpība un citas īpašības.

Saules siltumenerģijas tehnoloģijas pielietojumi

Saules siltumenerģijas tehnoloģijai ir plašs pielietojumu klāsts, kas aptver dzīvojamo, komerciālo, rūpniecisko un komunālo pakalpojumu sektorus.

Pielietojumi dzīvojamajā un komerciālajā sektorā

• Saules ūdens sildīšana: Šis ir visizplatītākais saules siltumenerģijas tehnoloģijas pielietojums, ko izmanto mājsaimniecības karstā ūdens sildīšanai mājām un uzņēmumiem. Saules ūdens sildīšanas sistēmas var ievērojami samazināt enerģijas patēriņu un komunālo pakalpojumu rēķinus. Piemēri ietver saules ūdens sildītājus, kas plaši tiek izmantoti tādās valstīs kā Izraēla un Kipra.
• Saules telpu apsilde: Saules siltumenerģijas sistēmas var izmantot arī ēku tiešai apsildei, izmantojot saules gaisa sildītājus vai cirkulējot karstu ūdeni caur radiatoriem vai grīdas apsildes sistēmām.
• Saules dzesēšana: Saules siltumenerģiju var izmantot absorbcijas dzesētāju vai desikantu dzesēšanas sistēmu darbināšanai, nodrošinot gaisa kondicionēšanu ēkām. Tas ir īpaši pievilcīgi karstā klimatā, kur saules starojums ir bagātīgs. Piemēri ietver saules enerģijas dzesēšanas sistēmas dažās universitātēs Tuvajos Austrumos.
• Saules baseinu sildīšana: Saules kolektorus var izmantot peldbaseinu sildīšanai, pagarinot peldēšanas sezonu un samazinot enerģijas izmaksas.

Rūpnieciskie pielietojumi

• Saules procesa siltums: Saules siltumenerģijas sistēmas var nodrošināt procesa siltumu dažādiem rūpnieciskiem pielietojumiem, piemēram, pārtikas pārstrādē, tekstilrūpniecībā un ķīmiskajā ražošanā. Tas var samazināt atkarību no fosilā kurināmā un siltumnīcefekta gāzu emisijas. Koncentrējošā saules enerģija (CSP) arvien vairāk tiek izmantota augstas temperatūras procesa siltuma ražošanai rūpniecībā.
• Saules atsāļošana: Saules siltumenerģiju var izmantot atsāļošanas iekārtu darbināšanai, nodrošinot svaigu ūdeni sausos un ūdens trūkuma reģionos. Piemēri ietver saules atsāļošanas projektus Austrālijā un Tuvajos Austrumos.

Liela mēroga pielietojumi

• Koncentrējošās saules enerģijas (CSP) stacijas: CSP stacijas izmanto lielas spoguļu sistēmas, lai koncentrētu saules gaismu uz uztvērēju, radot augstas temperatūras siltumu, ko izmanto elektroenerģijas ražošanai, izmantojot tvaika turbīnas. CSP stacijas var ietvert siltumenerģijas uzglabāšanu (TES), lai nodrošinātu elektroenerģiju arī tad, kad saule nespīd. Piemēri ir Noor Ouarzazate Saules elektrostacija Marokā un Ivanpah Saules elektroenerģijas ražošanas sistēma Kalifornijā, ASV.
• Ar saules enerģiju atbalstīta centralizētā siltumapgāde: Saules siltumenerģijas sistēmas var integrēt centralizētās siltumapgādes tīklos, nodrošinot karstu ūdeni apkurei un mājsaimniecības vajadzībām vairākām ēkām kopienā. Piemēri ietver centralizētās siltumapgādes sistēmas Dānijā un Vācijā, kurās ir integrēta saules siltumenerģija.

Saules siltumenerģijas tehnoloģijas priekšrocības

Saules siltumenerģijas tehnoloģija piedāvā daudzas priekšrocības, padarot to par pārliecinošu risinājumu ilgtspējīgai enerģētikas nākotnei:

• Atjaunojama un ilgtspējīga: Saules siltumenerģija ir atjaunojams un ilgtspējīgs enerģijas avots, kas samazina atkarību no fosilā kurināmā un mazina klimata pārmaiņas.
• Energoefektivitāte: Saules siltumenerģijas sistēmas var būt ļoti energoefektīvas, pārvēršot ievērojamu daļu saules starojuma izmantojamā siltumā.
• Samazinātas oglekļa emisijas: Saules siltumenerģijas tehnoloģija ievērojami samazina oglekļa emisijas salīdzinājumā ar fosilā kurināmā enerģijas sistēmām.
• Enerģētiskā drošība: Saules siltumenerģijas sistēmas var uzlabot enerģētisko drošību, samazinot atkarību no importētā fosilā kurināmā.
• Darba vietu radīšana: Saules siltumenerģijas nozare rada darba vietas ražošanā, uzstādīšanā, apkopē un pētniecībā un attīstībā.
• Tīkla stabilitāte: Saules siltumenerģijas stacijas ar siltumenerģijas uzglabāšanu (TES) var nodrošināt vadāmu jaudu, veicinot tīkla stabilitāti un uzticamību.
• Izmaksu efektivitāte: Saules siltumenerģijas tehnoloģijas izmaksas pēdējos gados ir ievērojami samazinājušās, padarot to arvien konkurētspējīgāku ar fosilā kurināmā enerģijas avotiem.

Saules siltumenerģijas tehnoloģijas izaicinājumi

Neskatoties uz tās daudzajām priekšrocībām, saules siltumenerģijas tehnoloģija saskaras arī ar dažiem izaicinājumiem:

• Nepastāvība: Saules enerģija ir nepastāvīga, kas nozīmē, ka tās pieejamība mainās atkarībā no laika apstākļiem un diennakts laika. Siltumenerģijas uzglabāšana (TES) var palīdzēt mazināt šo izaicinājumu, bet tas palielina sistēmas izmaksas un sarežģītību.
• Zemes izmantošana: Koncentrējošās saules enerģijas (CSP) stacijām ir nepieciešamas lielas zemes platības, kas dažās vietās var radīt bažas.
• Ūdens patēriņš: Dažas CSP stacijas izmanto ūdeni dzesēšanai, kas var būt problēma sausos reģionos. Sausās dzesēšanas tehnoloģijas var samazināt ūdens patēriņu, bet var arī palielināt izmaksas.
• Augstas sākotnējās izmaksas: Saules siltumenerģijas sistēmu sākotnējās investīciju izmaksas var būt augstākas nekā tradicionālajām enerģijas sistēmām, lai gan šīs izmaksas strauji samazinās.
• Apkope: Saules siltumenerģijas sistēmām ir nepieciešama regulāra apkope, lai nodrošinātu optimālu veiktspēju.

Saules siltumenerģijas tehnoloģijas nākotne

Saules siltumenerģijas tehnoloģijas nākotne ir gaiša, ar nepārtrauktiem pētniecības un attīstības centieniem, kas vērsti uz efektivitātes uzlabošanu, izmaksu samazināšanu un pielietojumu paplašināšanu. Galvenās inovāciju jomas ietver:

• Uzlaboti kolektoru dizaini: Efektīvāku un rentablāku saules kolektoru izstrāde.
• Uzlabota siltumenerģijas uzglabāšana: Uzlabotu TES materiālu un sistēmu izstrāde ar augstāku enerģijas blīvumu un ilgāku uzglabāšanas laiku.
• Koncentrējošās saules enerģijas (CSP) attīstība: CSP staciju efektivitātes uzlabošana un izmaksu samazināšana.
• Integrācija ar citiem atjaunojamiem enerģijas avotiem: Saules siltumenerģijas apvienošana ar citiem atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, vēja un ģeotermālo enerģiju, lai izveidotu hibrīdas enerģijas sistēmas.
• Viedtīklu integrācija: Saules siltumenerģijas integrēšana viedtīklos, lai optimizētu enerģijas sadali un pārvaldību.
• Jauni pielietojumi: Jaunu saules siltumenerģijas tehnoloģijas pielietojumu izpēte, piemēram, saules degvielas ražošana un saules enerģijas vadīti rūpnieciskie procesi.

Globālie piemēri un iniciatīvas

Visā pasaulē dažādas valstis un organizācijas aktīvi veicina un ievieš saules siltumenerģijas tehnoloģijas. Šeit ir daži piemēri:

• Marokas Noor Ouarzazate Saules elektrostacija: Šī koncentrējošās saules enerģijas (CSP) stacija ir viena no lielākajām pasaulē un izmanto siltumenerģijas uzglabāšanu, lai nodrošinātu elektroenerģiju arī pēc saulrieta. Tā ir nozīmīga investīcija atjaunojamā enerģijā Marokai.
• Dānijas centralizētās siltumapgādes sistēmas: Dānija ir līdere centralizētajā siltumapgādē, un daudzās tās sistēmās ir integrēta saules siltumenerģija, lai nodrošinātu karsto ūdeni mājām un uzņēmumiem. Tas ir palīdzējis Dānijai samazināt atkarību no fosilā kurināmā un oglekļa emisijas.
• Austrālijas saules atsāļošanas projekti: Sausā klimata dēļ Austrālija ir investējusi saules atsāļošanas projektos, lai nodrošinātu svaigu ūdeni kopienām. Šie projekti izmanto saules siltumenerģiju atsāļošanas iekārtu darbināšanai, samazinot ūdens ražošanas ietekmi uz vidi.
• Indijas Nacionālā saules misija: Indijas Nacionālās saules misijas mērķis ir veicināt saules enerģijas tehnoloģiju, tostarp saules siltumenerģijas, izvietošanu visā valstī. Misija ietver mērķus saules ūdens sildīšanai, saules procesa siltumam un koncentrējošai saules enerģijai (CSP).
• Eiropas Savienības Saules siltumenerģijas ceļvedis: Eiropas Savienība ir izstrādājusi saules siltumenerģijas ceļvedi, kurā izklāstītas stratēģijas saules siltumenerģijas tehnoloģiju izvietošanas palielināšanai visā Eiropā. Ceļvedis ietver mērķus saules ūdens sildīšanai, saules telpu apsildei un saules centralizētajai siltumapgādei.

Noslēgums

Saules siltumenerģijas tehnoloģija piedāvā pārbaudītu un daudzpusīgu veidu, kā izmantot saules enerģiju plašam pielietojumu klāstam. Uztverot un uzglabājot saules siltumu, šīs sistēmas var nodrošināt uzticamu un ilgtspējīgu enerģijas avotu mājām, uzņēmumiem un rūpniecībai. Tā kā tehnoloģija turpina attīstīties un izmaksas samazinās, saules siltumenerģija ir gatava spēlēt arvien nozīmīgāku lomu globālajā pārejā uz tīras enerģijas nākotni. Siltumenerģijas uzglabāšanas (TES) integrācija ir izšķiroša, lai risinātu nepastāvības problēmu un uzlabotu saules siltumenerģijas vadāmību, tālāk nostiprinot tās pozīciju kā galveno sastāvdaļu daudzveidīgā un ilgtspējīgā enerģijas portfelī.