Сонячна теплова енергетика: Використання сонячного тепла за допомогою систем збору та зберігання

Сонячна теплова технологія пропонує потужний та універсальний шлях до використання енергії сонця. На відміну від фотоелектричних (ФЕ) систем, які перетворюють сонячне світло безпосередньо в електроенергію, сонячні теплові системи вловлюють сонячне тепло для виробництва гарячої води, гарячого повітря або пари. Ця теплова енергія може потім використовуватися безпосередньо для опалення та охолодження, або для виробництва електроенергії за допомогою парових турбін. Крім того, ключовою перевагою сонячної теплової енергетики є її здатність інтегруватися з системами акумулювання теплової енергії (АТЕ), що дозволяє зберігати енергію та використовувати її, коли сонячне світло недоступне, вирішуючи проблеми переривчастості, з якими стикаються інші джерела відновлюваної енергії.

Розуміння процесу збору сонячного тепла

Основою будь-якої сонячної теплової системи є колектор, який відповідає за поглинання сонячного випромінювання та перетворення його на корисне тепло. Існують різні типи колекторів, кожен з яких підходить для конкретних застосувань та температурних діапазонів.

Типи сонячних теплових колекторів

• Плоскі колектори: Це найпоширеніший тип сонячних теплових колекторів, який зазвичай використовується для гарячого водопостачання та опалення приміщень. Вони складаються з абсорбуючої пластини темного кольору, часто з прикріпленими трубками або каналами, вкритої прозорим склінням. Абсорбуюча пластина поглинає сонячне випромінювання, передаючи тепло рідині (воді або розчину антифризу), що циркулює по трубках. Плоскі колектори мають відносно просту конструкцію, є економічно вигідними та підходять для низькотемпературних застосувань (до 80°C).
• Вакуумні трубчасті колектори: Ці колектори пропонують вищу ефективність, ніж плоскі, особливо в холодному кліматі та при вищих температурах. Вони складаються з окремих скляних трубок, що містять вакуум. Вакуум мінімізує втрати тепла через конвекцію та теплопровідність, що дозволяє досягати вищих робочих температур. Вакуумні трубчасті колектори часто використовуються для гарячого водопостачання, опалення приміщень та промислових процесів, що потребують тепла.
• Концентруючі сонячні колектори (КСЕ): Ці колектори використовують дзеркала або лінзи для фокусування сонячного світла на менший приймач, концентруючи сонячну енергію та досягаючи набагато вищих температур. Технології КСЕ зазвичай використовуються для виробництва електроенергії та промислового тепла. Приклади технологій КСЕ включають:
  • Параболічні жолобні колектори: Ці колектори використовують вигнуті дзеркала для фокусування сонячного світла на приймальну трубку, розташовану вздовж фокальної лінії жолоба. Теплоносій (ТН), такий як олія або розплавлена сіль, циркулює через приймальну трубку, поглинаючи концентровану сонячну енергію. Параболічні жолобні системи широко використовуються для виробництва електроенергії.
  • Сонячні баштові електростанції: Ці системи використовують поле дзеркал (геліостатів) для відбиття сонячного світла на центральний приймач, розташований на вершині вежі. Концентрована сонячна енергія нагріває робочу рідину (воду, розплавлену сіль або повітря) в приймачі, яка потім використовується для виробництва електроенергії.
  • Тарілчасто-двигунні системи: Ці системи використовують параболічні тарілчасті відбивачі для фокусування сонячного світла на приймач, який безпосередньо з'єднаний з тепловим двигуном (наприклад, двигуном Стірлінга). Тепловий двигун перетворює теплову енергію на механічну, яка потім використовується для виробництва електроенергії.

Фактори, що впливають на продуктивність колектора

Декілька факторів впливають на продуктивність сонячних теплових колекторів, зокрема:

• Сонячна інсоляція: Кількість сонячного випромінювання, що потрапляє на поверхню колектора, безпосередньо впливає на кількість поглиненого тепла.
• Температура навколишнього середовища: Вищі температури навколишнього середовища можуть знизити ефективність колектора, оскільки різниця температур між колектором та середовищем зменшується.
• Орієнтація та кут нахилу колектора: Кут та орієнтація колектора відносно положення сонця значно впливають на кількість перехопленого сонячного випромінювання. Оптимальні кути орієнтації та нахилу змінюються залежно від широти та пори року.
• Ефективність колектора: Ефективність колектора визначає, яка частина сонячного випромінювання, що надходить, перетворюється на корисне тепло.
• Погодні умови: Хмарні або похмурі умови зменшують сонячну інсоляцію та негативно впливають на продуктивність колектора.

Системи акумулювання теплової енергії (АТЕ)

Акумулювання теплової енергії (АТЕ) є вирішальним компонентом багатьох сонячних теплових систем, що дозволяє зберігати тепло для подальшого використання. Це дозволяє використовувати сонячну енергію навіть тоді, коли сонячне світло недоступне, наприклад, вночі або в хмарні дні. АТЕ може значно підвищити надійність та диспетчеризацію сонячної теплової енергії, роблячи її більш життєздатною альтернативою викопному паливу.

Типи акумулювання теплової енергії

• Акумулювання явної теплоти: Це найпоширеніший тип АТЕ, який полягає у зберіганні теплової енергії шляхом підвищення температури середовища-накопичувача, такого як вода, олія, камінь або бетон. Кількість збереженої енергії залежить від питомої теплоємності матеріалу накопичувача, його маси та зміни температури. Акумулювання явної теплоти є відносно простим і економічно вигідним, але може вимагати великих об'ємів для зберігання.
• Акумулювання прихованої теплоти: Цей тип АТЕ використовує тепло, що поглинається або виділяється під час зміни фазового стану матеріалу, наприклад, плавлення або замерзання. Матеріали зі змінним фазовим станом (МЗФС) можуть зберігати значно більше енергії на одиницю об'єму, ніж матеріали для акумулювання явної теплоти. Поширені МЗФС включають парафіни, сольові гідрати та органічні сполуки. Акумулювання прихованої теплоти пропонує вищу щільність енергії порівняно з акумулюванням явної теплоти, але МЗФС можуть бути дорожчими і вимагати ретельного проектування для забезпечення ефективної теплопередачі.
• Термохімічне акумулювання: Цей тип АТЕ передбачає зберігання енергії за допомогою оборотних хімічних реакцій. Коли подається тепло, хімічна реакція поглинає енергію, а коли реакція йде у зворотному напрямку, енергія виділяється. Термохімічне акумулювання пропонує потенціал для дуже високих щільностей енергії та довготривалого зберігання, але це більш складна технологія, яка все ще знаходиться на стадії розробки.

Фактори, що впливають на ефективність АТЕ

Декілька факторів впливають на продуктивність систем акумулювання теплової енергії, зокрема:

• Ємність накопичувача: Кількість теплової енергії, яку може вмістити система зберігання.
• Ефективність зберігання: Відсоток збереженої енергії, яку можна відновити.
• Швидкість зарядки та розрядки: Швидкість, з якою енергія може зберігатися та вивільнятися.
• Тривалість зберігання: Проміжок часу, протягом якого енергія може зберігатися без значних втрат.
• Властивості матеріалу накопичувача: Теплопровідність, питома теплоємність та інші властивості матеріалу накопичувача.

Застосування сонячної теплової технології

Сонячна теплова технологія має широкий спектр застосувань, що охоплюють житловий, комерційний, промисловий та комунальний сектори.

Застосування у житловому та комерційному секторах

• Сонячне водонагрівання: Це найпоширеніше застосування сонячної теплової технології, що використовується для нагрівання побутової гарячої води для будинків та підприємств. Системи сонячного водонагрівання можуть значно зменшити споживання енергії та знизити рахунки за комунальні послуги. Прикладами є сонячні водонагрівачі, що широко використовуються в таких країнах, як Ізраїль та Кіпр.
• Сонячне опалення приміщень: Сонячні теплові системи також можуть використовуватися для прямого обігріву будівель, використовуючи сонячні повітряні обігрівачі або циркулюючи гарячу воду через радіатори чи системи підігріву підлоги.
• Сонячне охолодження: Сонячна теплова енергія може використовуватися для приводу абсорбційних холодильних машин або осушувальних систем охолодження, забезпечуючи кондиціонування повітря в будівлях. Це особливо привабливо в жаркому кліматі, де сонячного випромінювання вдосталь. Прикладами є сонячні системи охолодження в деяких університетах на Близькому Сході.
• Сонячний підігрів басейнів: Сонячні колектори можуть використовуватися для підігріву басейнів, продовжуючи плавальний сезон та зменшуючи витрати на енергію.

Промислові застосування

• Сонячне тепло для промислових процесів: Сонячні теплові системи можуть забезпечувати технологічне тепло для різних промислових застосувань, таких як харчова промисловість, текстильне виробництво та хімічна промисловість. Це може зменшити залежність від викопного палива та знизити викиди парникових газів. Концентрована сонячна енергетика (КСЕ) все частіше використовується для генерації високотемпературного технологічного тепла для промисловості.
• Сонячне опріснення води: Сонячна теплова енергія може використовуватися для живлення опріснювальних установок, забезпечуючи прісною водою посушливі та вододефіцитні регіони. Прикладами є проекти сонячного опріснення в Австралії та на Близькому Сході.

Застосування в комунальній енергетиці

• Концентровані сонячні електростанції (КСЕ): Станції КСЕ використовують великі масиви дзеркал для концентрації сонячного світла на приймач, генеруючи високотемпературне тепло, яке використовується для виробництва електроенергії за допомогою парових турбін. Станції КСЕ можуть включати акумулювання теплової енергії (АТЕ) для забезпечення електроенергією навіть тоді, коли сонце не світить. Прикладами є сонячна електростанція Нур-Уарзазат у Марокко та сонячна електрогенеруюча система Айванпа в Каліфорнії, США.
• Централізоване теплопостачання з підтримкою сонячної енергії: Сонячні теплові системи можуть бути інтегровані в мережі централізованого теплопостачання, забезпечуючи гарячою водою для опалення та побутових потреб декількох будівель у громаді. Прикладами є системи централізованого теплопостачання в Данії та Німеччині, що використовують сонячну теплову енергію.

Переваги сонячної теплової технології

Сонячна теплова технологія пропонує численні переваги, що робить її привабливим рішенням для сталого енергетичного майбутнього:

• Відновлюваність та сталість: Сонячна теплова енергія є відновлюваним та сталим джерелом енергії, що зменшує залежність від викопного палива та пом'якшує наслідки зміни клімату.
• Енергоефективність: Сонячні теплові системи можуть бути високоефективними, перетворюючи значну частину сонячного випромінювання на корисне тепло.
• Зменшення викидів вуглецю: Сонячна теплова технологія значно зменшує викиди вуглецю порівняно з енергетичними системами на основі викопного палива.
• Енергетична безпека: Сонячні теплові системи можуть підвищити енергетичну безпеку, зменшуючи залежність від імпортованого викопного палива.
• Створення робочих місць: Галузь сонячної теплової енергетики створює робочі місця у виробництві, монтажі, обслуговуванні та науково-дослідній діяльності.
• Стабільність мережі: Сонячні теплові станції з акумулюванням теплової енергії (АТЕ) можуть забезпечувати диспетчеризовану потужність, сприяючи стабільності та надійності електромережі.
• Економічна ефективність: Вартість сонячної теплової технології значно знизилася за останні роки, що робить її все більш конкурентоспроможною з джерелами енергії на основі викопного палива.

Виклики сонячної теплової технології

Незважаючи на численні переваги, сонячна теплова технологія також стикається з деякими викликами:

• Переривчастість: Сонячна енергія є переривчастою, що означає, що її доступність змінюється залежно від погодних умов та часу доби. Акумулювання теплової енергії (АТЕ) може допомогти пом'якшити цей виклик, але це збільшує вартість та складність системи.
• Землекористування: Концентровані сонячні електростанції (КСЕ) вимагають великих площ землі, що може бути проблемою в деяких місцях.
• Споживання води: Деякі станції КСЕ використовують воду для охолодження, що може бути проблемою в посушливих регіонах. Технології сухого охолодження можуть зменшити споживання води, але також можуть збільшити витрати.
• Високі початкові витрати: Початкова інвестиційна вартість сонячних теплових систем може бути вищою, ніж у звичайних енергетичних систем, хоча ця вартість стрімко знижується.
• Технічне обслуговування: Сонячні теплові системи вимагають регулярного технічного обслуговування для забезпечення оптимальної роботи.

Майбутнє сонячної теплової технології

Майбутнє сонячної теплової технології є світлим, з постійними науково-дослідними зусиллями, спрямованими на підвищення ефективності, зниження витрат та розширення сфер застосування. Ключові напрямки інновацій включають:

• Вдосконалені конструкції колекторів: Розробка більш ефективних та економічно вигідних сонячних колекторів.
• Покращене акумулювання теплової енергії: Розробка передових матеріалів та систем АТЕ з вищою щільністю енергії та довшою тривалістю зберігання.
• Прогрес у концентрованій сонячній енергетиці (КСЕ): Підвищення ефективності та зниження вартості станцій КСЕ.
• Інтеграція з іншими відновлюваними джерелами енергії: Поєднання сонячної теплової енергії з іншими відновлюваними джерелами, такими як вітрова та геотермальна, для створення гібридних енергетичних систем.
• Інтеграція в розумні мережі: Інтеграція сонячної теплової енергії в розумні мережі для оптимізації розподілу та управління енергією.
• Нові застосування: Дослідження нових застосувань сонячної теплової технології, таких як виробництво сонячного палива та промислові процеси на сонячній енергії.

Світові приклади та ініціативи

По всьому світу різні країни та організації активно просувають та впроваджують сонячні теплові технології. Ось кілька прикладів:

• Сонячна електростанція Нур-Уарзазат у Марокко: Ця концентрована сонячна електростанція (КСЕ) є однією з найбільших у світі та використовує акумулювання теплової енергії для забезпечення електроенергією навіть після заходу сонця. Це є значною інвестицією у відновлювану енергетику для Марокко.
• Системи централізованого теплопостачання Данії: Данія є лідером у централізованому теплопостачанні, і багато її систем використовують сонячну теплову енергію для забезпечення гарячою водою будинків та підприємств. Це допомогло Данії зменшити залежність від викопного палива та знизити викиди вуглецю.
• Проекти сонячного опріснення в Австралії: Через свій посушливий клімат Австралія інвестувала в проекти сонячного опріснення для забезпечення прісною водою громад. Ці проекти використовують сонячну теплову енергію для живлення опріснювальних установок, зменшуючи вплив виробництва води на навколишнє середовище.
• Національна сонячна місія Індії: Національна сонячна місія Індії має на меті сприяти впровадженню сонячних енергетичних технологій, включаючи сонячну теплову, по всій країні. Місія включає цілі щодо сонячного водонагрівання, сонячного тепла для промислових процесів та концентрованої сонячної енергетики (КСЕ).
• Дорожня карта сонячної теплової енергетики Європейського Союзу: Європейський Союз розробив дорожню карту сонячної теплової енергетики, яка окреслює стратегії для збільшення впровадження сонячних теплових технологій по всій Європі. Дорожня карта включає цілі щодо сонячного водонагрівання, сонячного опалення приміщень та сонячного централізованого теплопостачання.

Висновок

Сонячна теплова технологія пропонує перевірений та універсальний шлях до використання енергії сонця для широкого спектру застосувань. Вловлюючи та зберігаючи сонячне тепло, ці системи можуть забезпечити надійне та стале джерело енергії для будинків, підприємств та промисловості. Оскільки технології продовжують розвиватися, а витрати знижуються, сонячна теплова енергетика готова відігравати все більш важливу роль у глобальному переході до майбутнього чистої енергії. Інтеграція акумулювання теплової енергії (АТЕ) є вирішальною для вирішення проблеми переривчастості та підвищення диспетчеризації сонячної теплової енергії, що ще більше зміцнює її позицію як ключового компонента диверсифікованого та сталого енергетичного портфеля.