Солнечная тепловая энергия: использование тепла солнца с помощью систем сбора и хранения

Солнечная тепловая технология предлагает мощный и универсальный способ использования энергии солнца. В отличие от фотоэлектрических (PV) систем, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество, солнечные тепловые системы улавливают тепло солнца для производства горячей воды, горячего воздуха или пара. Эта тепловая энергия затем может использоваться непосредственно для отопления и охлаждения или для выработки электроэнергии с помощью паровых турбин. Кроме того, ключевым преимуществом солнечной тепловой энергии является ее способность интегрироваться с системами аккумулирования тепловой энергии (АТЭ), что позволяет хранить энергию и использовать ее, когда солнечный свет недоступен, решая проблемы прерывистости, с которыми сталкиваются другие возобновляемые источники энергии.

Понимание сбора солнечной тепловой энергии

Ядром любой солнечной тепловой системы является коллектор, который отвечает за поглощение солнечного излучения и его преобразование в полезное тепло. Существуют различные типы коллекторов, каждый из которых подходит для конкретных применений и температурных диапазонов.

Типы солнечных тепловых коллекторов

• Плоские коллекторы: Это наиболее распространенный тип солнечных тепловых коллекторов, обычно используемый для бытового горячего водоснабжения и отопления помещений. Они состоят из темной поглощающей пластины, часто с прикрепленными трубками или каналами, покрытой прозрачным остеклением. Поглощающая пластина поглощает солнечное излучение, передавая тепло жидкости (воде или антифризу), циркулирующей по трубкам. Плоские коллекторы относительно просты по конструкции, экономичны и подходят для низкотемпературных применений (до 80°C).
• Вакуумные трубчатые коллекторы: Эти коллекторы обладают более высокой эффективностью, чем плоские, особенно в холодном климате и при более высоких температурах. Они состоят из отдельных стеклянных трубок, содержащих вакуум. Вакуум минимизирует потери тепла за счет конвекции и теплопроводности, что позволяет достигать более высоких рабочих температур. Вакуумные трубчатые коллекторы часто используются для бытового горячего водоснабжения, отопления помещений и в промышленных процессах.
• Концентрирующие солнечные коллекторы (КСЭ): Эти коллекторы используют зеркала или линзы для фокусировки солнечного света на меньшем приемнике, концентрируя солнечную энергию и достигая гораздо более высоких температур. Технологии КСЭ обычно используются для выработки электроэнергии и промышленного технологического тепла. Примеры технологий КСЭ включают:
  • Параболические желобчатые коллекторы: Эти коллекторы используют изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на трубке-приемнике, расположенной вдоль фокальной линии желоба. Теплоноситель (HTF), такой как масло или расплавленная соль, циркулирует по трубке-приемнику, поглощая концентрированную солнечную энергию. Параболические желобчатые системы широко используются для выработки электроэнергии.
  • Солнечные башенные электростанции: Эти системы используют поле зеркал (гелиостатов) для отражения солнечного света на центральный приемник, расположенный на вершине башни. Концентрированная солнечная энергия нагревает рабочую жидкость (воду, расплавленную соль или воздух) в приемнике, которая затем используется для выработки электроэнергии.
  • Тарельчатые/двигательные системы: Эти системы используют параболические тарельчатые отражатели для фокусировки солнечного света на приемнике, который напрямую соединен с тепловым двигателем (например, двигателем Стирлинга). Тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую, которая затем используется для выработки электроэнергии.

Факторы, влияющие на производительность коллектора

На производительность солнечных тепловых коллекторов влияют несколько факторов, в том числе:

• Интенсивность солнечного излучения: Количество солнечного излучения, попадающего на поверхность коллектора, напрямую влияет на количество поглощаемого тепла.
• Температура окружающей среды: Более высокая температура окружающей среды может снизить эффективность коллектора, так как разница температур между коллектором и окружающей средой уменьшается.
• Ориентация и наклон коллектора: Угол и ориентация коллектора относительно положения солнца значительно влияют на количество перехватываемого солнечного излучения. Оптимальные углы ориентации и наклона варьируются в зависимости от широты и времени года.
• Эффективность коллектора: Эффективность коллектора определяет, какая часть падающего солнечного излучения преобразуется в полезное тепло.
• Погодные условия: Облачные или пасмурные условия снижают интенсивность солнечного излучения и отрицательно влияют на производительность коллектора.

Системы аккумулирования тепловой энергии (АТЭ)

Аккумулирование тепловой энергии (АТЭ) является важнейшим компонентом многих солнечных тепловых систем, позволяющим хранить тепло для последующего использования. Это позволяет использовать солнечную энергию даже при отсутствии солнечного света, например, ночью или в пасмурные дни. АТЭ может значительно повысить надежность и управляемость выработки солнечной тепловой энергии, делая ее более жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу.

Типы аккумулирования тепловой энергии

• Хранение явной теплоты: Это наиболее распространенный тип АТЭ, который заключается в хранении тепловой энергии путем повышения температуры накопительной среды, такой как вода, масло, камень или бетон. Количество накопленной энергии зависит от удельной теплоемкости материала, его массы и изменения температуры. Хранение явной теплоты относительно просто и экономично, но может потребовать больших объемов для хранения.
• Хранение скрытой теплоты: Этот тип АТЭ использует тепло, поглощаемое или выделяемое при фазовом переходе материала, например, при плавлении или замерзании. Материалы с фазовым переходом (МФП) могут хранить значительно больше энергии на единицу объема, чем материалы для хранения явной теплоты. Распространенные МФП включают парафины, гидраты солей и органические соединения. Хранение скрытой теплоты обеспечивает более высокую плотность энергии по сравнению с хранением явной теплоты, но МФП могут быть дороже и требовать тщательного проектирования для обеспечения эффективного теплообмена.
• Термохимическое хранение: Этот тип АТЭ предполагает хранение энергии посредством обратимых химических реакций. При подаче тепла химическая реакция поглощает энергию, а при обращении реакции энергия высвобождается. Термохимическое хранение обладает потенциалом для очень высоких плотностей энергии и длительного хранения, но это более сложная технология, которая все еще находится в стадии разработки.

Факторы, влияющие на производительность АТЭ

На производительность систем аккумулирования тепловой энергии влияют несколько факторов, в том числе:

• Емкость хранения: Количество тепловой энергии, которое может вместить система хранения.
• Эффективность хранения: Процент сохраненной энергии, который можно восстановить.
• Скорость зарядки и разрядки: Скорость, с которой энергия может накапливаться и высвобождаться.
• Продолжительность хранения: Время, в течение которого энергия может храниться без значительных потерь.
• Свойства материала для хранения: Теплопроводность, удельная теплоемкость и другие свойства материала для хранения.

Применение солнечной тепловой технологии

Солнечная тепловая технология имеет широкий спектр применений, охватывающий жилой, коммерческий, промышленный и коммунальный секторы.

Применение в жилом и коммерческом секторах

• Солнечное водонагревание: Это наиболее распространенное применение солнечной тепловой технологии, используемое для нагрева бытовой горячей воды для домов и предприятий. Системы солнечного водонагревания могут значительно снизить потребление энергии и уменьшить счета за коммунальные услуги. Примерами являются солнечные водонагреватели, широко используемые в таких странах, как Израиль и Кипр.
• Солнечное отопление помещений: Солнечные тепловые системы также могут использоваться для непосредственного отопления зданий с помощью солнечных воздушных нагревателей или путем циркуляции горячей воды через радиаторы или системы теплого пола.
• Солнечное охлаждение: Солнечная тепловая энергия может использоваться для привода абсорбционных чиллеров или осушительных систем охлаждения, обеспечивая кондиционирование воздуха в зданиях. Это особенно привлекательно в жарком климате, где солнечное излучение обильно. Примерами являются системы охлаждения на солнечной энергии в некоторых университетах на Ближнем Востоке.
• Солнечный подогрев бассейнов: Солнечные коллекторы могут использоваться для подогрева бассейнов, продлевая плавательный сезон и снижая затраты на энергию.

Промышленное применение

• Солнечное технологическое тепло: Солнечные тепловые системы могут обеспечивать технологическое тепло для различных промышленных применений, таких как пищевая промышленность, текстильное производство и химическое производство. Это может снизить зависимость от ископаемого топлива и сократить выбросы парниковых газов. Концентрированная солнечная энергия (КСЭ) все чаще используется для генерации высокотемпературного технологического тепла для промышленности.
• Солнечное опреснение: Солнечная тепловая энергия может использоваться для питания опреснительных установок, обеспечивая пресной водой засушливые и вододефицитные регионы. Примерами являются проекты по солнечному опреснению в Австралии и на Ближнем Востоке.

Применение в коммунальном масштабе

• Концентрирующие солнечные электростанции (КСЭ): КСЭ используют большие массивы зеркал для концентрации солнечного света на приемнике, генерируя высокотемпературное тепло, которое используется для производства электроэнергии с помощью паровых турбин. КСЭ могут включать аккумулирование тепловой энергии (АТЭ) для обеспечения электроэнергией даже при отсутствии солнца. Примерами являются солнечная электростанция Нур-Уарзазат в Марокко и солнечная электростанция Айванпа в Калифорнии, США.
• Централизованное теплоснабжение с поддержкой солнечной энергии: Солнечные тепловые системы могут быть интегрированы в сети централизованного теплоснабжения, обеспечивая горячей водой для отопления и бытового горячего водоснабжения несколько зданий в населенном пункте. Примерами являются системы централизованного теплоснабжения в Дании и Германии, которые включают солнечную тепловую энергию.

Преимущества солнечной тепловой технологии

Солнечная тепловая технология предлагает многочисленные преимущества, делая ее привлекательным решением для устойчивого энергетического будущего:

• Возобновляемость и устойчивость: Солнечная тепловая энергия является возобновляемым и устойчивым источником энергии, снижающим зависимость от ископаемого топлива и смягчающим изменение климата.
• Энергоэффективность: Солнечные тепловые системы могут быть высокоэффективными, преобразуя значительную часть солнечного излучения в полезное тепло.
• Снижение выбросов углерода: Солнечная тепловая технология значительно сокращает выбросы углерода по сравнению с энергетическими системами на основе ископаемого топлива.
• Энергетическая безопасность: Солнечные тепловые системы могут повысить энергетическую безопасность за счет снижения зависимости от импортируемого ископаемого топлива.
• Создание рабочих мест: Солнечная тепловая промышленность создает рабочие места в производстве, монтаже, обслуживании, а также в исследованиях и разработках.
• Стабильность сети: Солнечные тепловые станции с аккумулированием тепловой энергии (АТЭ) могут обеспечивать управляемую мощность, способствуя стабильности и надежности электросети.
• Экономическая эффективность: Стоимость солнечной тепловой технологии значительно снизилась в последние годы, что делает ее все более конкурентоспособной по сравнению с источниками энергии на основе ископаемого топлива.

Проблемы солнечной тепловой технологии

Несмотря на многочисленные преимущества, солнечная тепловая технология также сталкивается с некоторыми проблемами:

• Прерывистость: Солнечная энергия является прерывистой, что означает, что ее доступность зависит от погодных условий и времени суток. Аккумулирование тепловой энергии (АТЭ) может помочь смягчить эту проблему, но это увеличивает стоимость и сложность системы.
• Землепользование: Концентрирующие солнечные электростанции (КСЭ) требуют больших земельных площадей, что может быть проблемой в некоторых местах.
• Потребление воды: Некоторые КСЭ используют воду для охлаждения, что может стать проблемой в засушливых регионах. Технологии сухого охлаждения могут снизить потребление воды, но также могут увеличить затраты.
• Высокие первоначальные затраты: Первоначальные инвестиционные затраты на солнечные тепловые системы могут быть выше, чем у традиционных энергетических систем, хотя эта стоимость быстро снижается.
• Техническое обслуживание: Солнечные тепловые системы требуют регулярного технического обслуживания для обеспечения оптимальной производительности.

Будущее солнечной тепловой технологии

Будущее солнечной тепловой технологии выглядит светлым, поскольку текущие исследования и разработки направлены на повышение эффективности, снижение затрат и расширение областей применения. Ключевые области инноваций включают:

• Передовые конструкции коллекторов: Разработка более эффективных и экономичных солнечных коллекторов.
• Улучшенное аккумулирование тепловой энергии: Разработка передовых материалов и систем АТЭ с более высокой плотностью энергии и более длительным сроком хранения.
• Достижения в области концентрированной солнечной энергии (КСЭ): Повышение эффективности и снижение стоимости КСЭ.
• Интеграция с другими возобновляемыми источниками энергии: Сочетание солнечной тепловой энергии с другими возобновляемыми источниками, такими как ветровая и геотермальная, для создания гибридных энергетических систем.
• Интеграция в интеллектуальные сети: Интеграция солнечной тепловой энергии в интеллектуальные сети для оптимизации распределения и управления энергией.
• Новые применения: Исследование новых применений солнечной тепловой технологии, таких как производство солнечного топлива и промышленные процессы на солнечной энергии.

Мировые примеры и инициативы

По всему миру различные страны и организации активно продвигают и внедряют солнечные тепловые технологии. Вот несколько примеров:

• Солнечная электростанция Нур-Уарзазат в Марокко: Эта концентрирующая солнечная электростанция (КСЭ) является одной из крупнейших в мире и использует аккумулирование тепловой энергии для обеспечения электроэнергией даже после захода солнца. Она представляет собой значительные инвестиции в возобновляемую энергетику для Марокко.
• Системы централизованного теплоснабжения Дании: Дания является лидером в области централизованного теплоснабжения, и многие ее системы включают солнечную тепловую энергию для обеспечения горячей водой домов и предприятий. Это помогло Дании снизить зависимость от ископаемого топлива и сократить выбросы углерода.
• Проекты по солнечному опреснению в Австралии: Из-за своего засушливого климата Австралия инвестировала в проекты по солнечному опреснению для обеспечения пресной водой населенных пунктов. Эти проекты используют солнечную тепловую энергию для питания опреснительных установок, снижая воздействие производства воды на окружающую среду.
• Национальная солнечная миссия Индии: Национальная солнечная миссия Индии направлена на содействие развертыванию технологий солнечной энергии, включая солнечную тепловую, по всей стране. Миссия включает цели по солнечному водонагреванию, солнечному технологическому теплу и концентрированной солнечной энергии (КСЭ).
• Дорожная карта по солнечной тепловой энергии Европейского союза: Европейский союз разработал дорожную карту по солнечной тепловой энергии, в которой изложены стратегии по увеличению развертывания солнечных тепловых технологий по всей Европе. Дорожная карта включает цели по солнечному водонагреванию, солнечному отоплению помещений и солнечному централизованному теплоснабжению.

Заключение

Солнечная тепловая технология предлагает проверенный и универсальный способ использования энергии солнца для широкого спектра применений. Улавливая и сохраняя солнечное тепло, эти системы могут обеспечивать надежный и устойчивый источник энергии для домов, предприятий и промышленности. По мере того как технологии продолжают развиваться, а затраты снижаться, солнечная тепловая энергия будет играть все более важную роль в глобальном переходе к будущему чистой энергии. Интеграция систем аккумулирования тепловой энергии (АТЭ) имеет решающее значение для решения проблемы прерывистости и повышения управляемости выработки солнечной тепловой энергии, что еще больше укрепляет ее позиции как ключевого компонента диверсифицированного и устойчивого энергетического портфеля.