Преобразование энергии солнечного излучения в тепло: возможности и перспективы использования

Преобразование энергии солнечного излучения в тепло: возможности и перспективы использования

Н.А. Рустамов, кандидат физико-математических наук, К.В. Чекарев (Лаборатория возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова) 

Использование тепла солнечного излучения для бытовых и производственных целей

Преобразование энергии солнечного излучения в тепло, которое может быть либо сразу потреблено, либо использовано для получения электричества (по термодинамическому циклу, в котором тепловая машина приводит в движение электрогенератор), в силу своей простоты является достаточно доступным способом энергообеспечения потребителей различных уровней. Интерес к этому направлению использования энергии солнца в последние годы растет во всем мире.

Известно, что солнечная энергия, преобразованная в тепловую, широко используется для бытовых целей, отопления и горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах. Установки, применяемые для этих целей, содержат в качестве основной части солнечный коллектор, который работает по принципу парникового эффекта. Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент связан с теплопроводящей системой. Установку отличает простота конструкции и монтажа. С появлением коммерчески выгодных технологий за последние годы системы отопления и горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов стали широко распространяться. Особенно активно эти технологии развиваются в странах Евросоюза, экономика которых испытывает существенную зависимость от импортируемого топлива, в связи с чем использование любых возобновляемых источников энергии всячески стимулируется правительствами. 

Обобщающим показателем развития этого направления может служить суммарная площадь солнечных коллекторов. В Европе на 2000 г. она составляла 14891000 м2, а во всем мире — 71341000 м2. 

Однако использование тепла, получаемого от солнечного излучения, не нашло широкого распространения в промышленности. Основной причиной этого, как и для всей возобновляемой энергетики, являлись низкие цены на ископаемое топливо, державшиеся в течение длительного времени, вследствие чего не было реальных причин для стимулирования развития альтернативной энергетики. 

Для оценки состояния дел с использованием в промышленности тепла, получаемого от солнца, Международным энергетическим агентством был разработан проект Task 33/1 Y, в котором участвовали 16 институтов и 11 компаний из восьми стран. Целью проекта была разработка солнечных станций, производящих тепло для промышленных целей. Ниже приводятся некоторые результаты, полученные в ходе выполнения проекта. 

Отрасли промышленности и производственные процессы, в которых может быть использовано тепло,получаемое от солнечных установок

Отрасли

Производствен-

ные процессы

Интервалы

температур, °C 

Пищевая

сушка

мойка

пастеризация

стерилизация

30-90

40-80

80-100

140-150

Текстильная

мойка

отбеливание

окрашивание

40-80

60-100

100-160

Химическая

кипячение

дистиллирование

95-105

110-300

В настоящее время в мире имеется порядка 85 солнечных установок, вырабатывающих тепло для производственных процессов, с общей площадью солнечных коллекторов 38500 м2. Наибольшее количество установок работает в пищевой (28%), текстильной (12%) и химической (10%) промышленности. 

В таблице приводятся сведения о возможностях использования тепла, получаемого от солнечных установок, в некоторых отраслях промышленности. 

Как видно из таблицы, наибольшее количество производственных процессов, в которых используется низкотемпературная вода (30-90°С), применяется в пищевой и текстильной промышленности, и они имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов. Данные таблицы также говорят о том, что существуют производственные процессы, для которых требуемая температура лежит в интервале 80- 250°С. Одна из задач проекта Task 33/1 Y заключалась в разработке солнечных коллекторов, перекрывающих этот интервал температур. 

Существуют различные возможности повышения температур плоских коллекторов до 80-120°С. Добиться этого можно за счет уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума. Дальнейшее повышение температур возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с небольшим коэффициентом концентрации (порядка 2-3) с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких температур требуются более сильные концентраторы и устройство слежения по одной координате. 

В рамках упомянутого выше проекта было разработано 23 варианта установок с солнечными коллекторами, в частности установка для обогрева промышленных цехов. Промышленные цеха часто имеют высоту 5-10 м, а требуемые значения температуры внутри них лежат в интервале 15-18°С. Небольшие температуры и простота схем включения солнечных коллекторов делают их идеальными для этих целей. 

Установки для получения воды для мытья в пищевой промышленности и на транспорте из-за низких температур (40-90°С) аналогичны крупномасштабным установкам, которые используются для отопления жилых помещений и подачи горячей воды. Одна из демонстрационных систем в рамках проекта Task 33/1 Y была реализована в транспортном секторе. Испанская фирма Contank вблизи Барселоны занимается мойкой контейнеров для транспортировки по железной дороге жидких продуктов. Требуемая для этого температура воды находится в интервале 70-80°С. В день компания расходует 70-80 м3 воды, температура которой доводится до необходимой величины с помощью газовых нагревателей. Заменяющая их солнечная установка (рис. 1) состоит из солнечных коллекторов площадью 510 м2 и накопителя емкостью 40 м3. Стоимость такой установки составляет 14300 евро, при существующих ценах на газ она окупится за 10 лет. 

Для интервала температур 120-250°С требуются концентраторы с системой слежения по одной координате. В Египте объявлен тендер на строительство возле Каира солнечной установки с параболоцилиндрическими концентраторами для получения 1.3 т пара в час. Установка состоит из четырех рядов параболоцилиндрических зеркал площадью 1900 м2. 

Таким образом, несмотря на то, что применение солнечных установок для промышленных целей находится практически на начальной стадии, существует большой потенциал их использования. Для этого созданы достаточно дешевые технологии, простые в эксплуатации. Дальнейшие исследования, проводимые с целью увеличения интервала получаемых температур, должны привести к расширению области применения подобных солнечных установок в промышленности. 

Преобразование солнечного излучения по термодинамическому циклу

В развитии этого направления преобразования солнечного излучения, в отличие от предыдущего, наблюдался почти десятилетний застой. Одной из причин этого может быть то, что солнечные электростанции оказались конкурентами электростанций, занимающихся централизованными поставками электроэнергии и работающих на традиционном и атомном топливе. 

Исследование и разработка солнечных тепловых станций, работающих по термодинамическому циклу, получили развитие в связи с нехваткой топлива и сложным политическим положением на Ближнем Востоке во время первого нефтяного кризиса 70-х гг. Тогда наиболее перспективным направлением казалось создание станций с паротурбинными установками, применяемыми на обычных тепловых станциях. 

Вместе с тем при разработке солнечных станций приходилось учитывать особенности солнечного излучения как источника энергии: средняя плотность потока при нормальном падении не превышает 1 кВт/м2, поступление энергии происходит циклично из-за смены дня и ночи, а также неравномерно из-за облачности. 

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н.В. Линицким в 30-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции, которую сейчас принято называть схемой с центральным приемником, или башенной. В ней система улавливания падающей солнечной радиации состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приемника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. Таким образом, солнечная энергия передается приемнику, расположенному в верхней части башни, оптическим способом. По своим размерам и параметрам приемник аналогичен паровому котлу обычного типа. 

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500°С и давление 15 МПа. С учетом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения. 

В США было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт (рис. 2). Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учетом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно 1150 долл. Электроэнергия, вырабатываемая этими станциями, оказалась существенно дороже вырабатываемой на станциях, работающих на других источниках энергии. 

С целью создания станций, которые производили бы более дешевую электроэнергию, была предложена схема с параболоцилиндрическими отражателями, позволяющими отказаться от принципа единого приемника солнечной энергии и ввести распределенный приемник, который совмещается с фокальной линией параболоцилиндрических зеркал. Поскольку приемник расположен вблизи отражателя, можно осуществлять установку зеркал с меньшей точностью и по одной координате. 

Американо-израильской фирмой «ЛУЗ» были разработаны и стали серийно выпускаться станции мощностью 80 МВт. С 1984 по 1991 гг. в Калифорнийской пустыне было построено девять станций общей мощностью 354 МВт. При строительстве десятой станции в 1992 г. фирма обанкротилась, после чего несколько раз меняла владельца. В феврале 2005 г. все станции, кроме двух первых, были куплены одной из крупнейших фирм-производителей генераторов для ветроэнергетических установок. 

Станции фирмы «ЛУЗ» были модульного типа и состояли из параболоцилиндрических зеркал длиной 50 м, расположенных рядами через 7 м. Солнечное излучение фокусировалось на приемнике, представлявшем собой находящуюся в фокальной линии зеркала трубку с поглощающим покрытием. Внутри приемника помещалось минеральное масло, которое нагревалось до температуры 300-390°С. Теплоноситель поступал в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором. Стоимость электроэнергии, получаемой на таких станциях, ненамного превышала стоимость электроэнергии тепловых станций. Таким образом, впервые была показана возможность создания солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу и производящих электроэнергию, сравнимую по стоимости с электроэнергией, вырабатываемой станциями на других видах топлива. 

В станциях с параболоцилиндрическими отражателями, в отличие от станций башенного типа, нет центрального приемника, но получаемое от солнца тепло используется для работы одной тепловой машины. Вместе с тем существует возможность создания станций модульного типа, в которых электроэнергия производилась бы тепловыми двигателями относительно небольшого размера с использованием тепла, собираемого с помощью сравнительно небольших отражательных систем. Поскольку в этом случае конструкция имеет небольшие размеры, процесс слежения за солнцем упрощается. Основная проблема при создании таких станций заключается в разработке подходящих тепловых двигателей. 

Одним из направлений создания таких двигателей была разработка двигателя Стирлинга, который мог бы работать в составе солнечных станций. 

Двигатель Стирлинга представляет собой машину, в которой рабочее тело (гелий или водород) постоянно находится в замкнутом пространстве внутри двигателя. Одна область цилиндра двигателя нагревается, а другая охлаждается. В рабочем цилиндре расположены два поршня — рабочий и вспомогательный. С помощью вспомогательного поршня рабочее тело переводится либо в нагреваемую область, либо в охлаждаемую. В нагреваемой части газ расширяется и совершает работу, сдвигая рабочий поршень. Когда рабочий поршень достигает мертвой точки, с помощью вспомогательного поршня рабочее тело переводится в охлаждаемую область, при этом давление газа падает, и рабочий поршень возвращается в исходное положение. 

Двигатель Стирлинга, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, называют двигателем внешнего сгорания, поскольку тепло к нему подводится извне. Двигатели Стирлинга могут использовать жидкое топливо, которое сгорает вне двигателя, однако они могут работать от тепла любого происхождения, и поэтому рассматриваются как возможный вариант тепловых машин для солнечных станций. 

В последние два десятилетия интерес к двигателям Стирлинга возродился. Были разработаны и построены двигатели Стирлинга, работающие на подводных лодках в качестве основных двигателей. Многими фирмами проводятся работы по созданию двигателей Стирлинга для солнечных станций (рис. 3). 

Примером перспективности создания солнечных станций с двигателями Стирлинга может служить следующая информация. Крупная компания из штата Калифорния (США) 11 августа 2005 г. заключила контракт с фирмой Stirling Energy System, Inc., разрабатывающей модульные установки к солнечным станциям, на строительство солнечной станции мощностью 500 МВт. 

Станция состоит из группы модульных установок, расположенных на площади 1823 га. Отдельный модуль содержит зеркальный параболический отражатель, состоящий из 82 прямоугольных частей, т.е. параболическое зеркало как бы разрезано вертикальными и горизонтальными линиями. Очевидно, это сделано для того, чтобы уменьшить ветровую нагрузку. Параболический отражатель крепится на трубчатой конструкции и закреплен на вертикальной штанге диаметром 457 мм. Вся конструкция управляется по двум координатам при слежении за солнцем. В фокусе отражателя на кронштейне закреплен двигатель Стирлинга таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. Диаметр параболического зеркала — более 11 м. В качестве рабочего тела в двигателе используется водород. Электрическая мощность каждого модуля — 25 кВт. 

Первая станция мощностью 1 МВт должна быть построена в начале 2007 г. Она будет состоять из 40 модулей. Установка 20000 модулей для станции мощностью 500 МВт начнется в 2008 г. Станция будет расположена в 112 км от Лос-Анджелеса. 

В настоящее время на полигоне компании в Нью-Мексико работают шесть таких модулей, которые успешно прошли испытания в течение 26000 часов. 

Подписанный контракт является самым крупным коммерческим договором на строительство солнечных станций. Производимая станцией электроэнергия будет стоить меньше 10 центов за 1 кВт • ч. 

Таким образом, учитывая сказанное выше, можно сделать следующее заключение о состоянии направления преобразования солнечного излучения в тепло и перспективах его использования. 

Преобразование солнечного излучения в тепло с помощью плоских солнечных коллекторов для бытовых нужд становится обычной практикой для многих районов мира. 

Использование тепла, получаемого с помощью солнечных коллекторов, для промышленных целей находится в начальном состоянии, однако существуют соответствующие технологии и условия для успешного развития данного направления 

Получение тепла от солнечного излучения и преобразование его в электричество по термодинамическому циклу, начавшееся в 70-х гг., начинает постепенно выходить из застоя, наблюдавшегося в последнее десятилетие, и имеет хорошие перспективы с появлением новых технологий.