ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - ВАРНА

1. ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - ВАРНА <<<< Лаборатория Нови енергийни източници >>>> “Преобразуване на слънчева енергия в топлина” Илия Хаджидимов, Венелин Павлов

2. Въведение и основи на преобразуване на слънчева енергия Законът за съхранение на енергията гласи, че енергията не може да бъде създавана или унищожавана, а е възможно само да преминава от един вид в друг.Енергията може да бъде трансформирана и е възможно да приема различни форми.По този начин, законът за съхраняване на енергията може да бъде приложен и за преобразуване на слънчевата енергия. Слънчевата енергия може да бъде преобразувана в топлинна енергия на едно тяло само, ако тялото е изложено на слънчевите лъчи. По елементарен начин, контактът и преобразуването на слънчевата енергия могат да бъдат представени така:

3. Топлина • Топлината е форма на съществуване на енергията, предизвикана от взаимодействието на атомите на веществото. Дори в твърдите тела, атомите не са неподвижни, а осцилират около положението си. Прието е температурата да е мярка за кинетичната енергия на атомите и движението на тези елементарни частици зависи от температурата им.От термодинамична гледна точка, ако към едно тяло бъде подведена топлина, движението на атомите му нараства както и вътрешната енергия на тялото. • Пренасяне на енергия към тяло от радиация • Квантовата механика обяснява, че един фотон може да отдаде напълно енергията си на атом. След като отдаде енергията си, фотонът повече не съществува.

4. Цвят на телата и нагряването им Абсорбционни характеристики на различни материали

5. Извънземната радиация към земната атмосфера е в границите 1320 W/m2 – 1420 W/m2. Прието е слънчевата радиация на границата на атмосферата известна като „Слънчева константа“ да има стойност : Eo= 1367 W/m2. След преминаватено на радиацията през атмосферата, стойността на тази константа намалява вследствие абсорбция, отражение, разсейване и около 1000 W/m2, максимум 1200 W/m2попада върху повърхността на Земята в средата на деня при чиста атмосфера. Компонентите на глобалната радиация са : • Директна – директно по права линия от Слънцето. • Дифузна – отразена от окръжаващата среда. Когато времето е облачно се наблюдава само дифузна радиация. Интензитет на радиацията за различни метеорологични условия

6. Основи на използването на слънчевата радиация За да преобразува максимално количество енергия с минимални загуби, една система трябва да удовлетвори различни изисквания.Особено важни са изискванията за т.нар „ресивер“, т.е. тялото, което трябва да абсорбира слънчевата енергия и да я предаде на друго тяло. • Ресиверът трябва да абсорбира слънчева енергия в целия спектър без загуби. За тази цел абсорберите са покрити със специални материали с цел да абсорбират максимално количество енергия и да намалят отражението на енергия до минимум. Качеството на преобразуване може да бъде изразено с понятието ефективност, e : Предадена полезна енергия e = Радиация на повърхността на ресивера

7. Има още един важен фактор за добро изпълнение на една система и той е свързан с приемането на енергията.Това е ориентацията на ресивера към Слънцето.Съществуват два вида системи – стационарни и следящи. Част от небето, от която радиацията пада върху наклонен ресивер.

8. Максималният добив на слънчева енергия може да се реализира, ако повърхността на ресивера е ориентирана по нормала спрямо радиацията.За Централна Европа това са предпочитаните ъгли на наклон : Директна радиация върху наклонен ресивер

9. Технически системи за измерване параметрите на • слънчевата радиация Основните параметри на слънчевата радиация са плътността на радиацията, W/m2, която представлява интензитетът на потока слънчева радиация, температурата на околна среда, oCи продължителността на слънцегреенето в дни. Практическата реализация на измерването на плътността на потока се извършва от устройства, най-точните от които се наричат “пиранометри” и други, най-често използвани различни конструкции силициеви сензори. Пиранометър Kipp& ZonenCM11 Силициев сензор LI-COR 200

10. Системите за събиране на данни включват различни сензори за плътност на слънчевата радиация, температура, атмосферно налягане и относително влагосъдържание, дата логери и системи за пренос на данни. Дата логерите регистрират записите на параметрите и ги съхраняват на магнитни носители. Необработените данни се пренасят с различни средства– радиочестоти(RF), Bluetooth и за дълги разстояния – по GPRS протокол с комуникатори за SIM карти. Този подход е много подходящ при пренасяне на данни на дълги разстояния. След получаването на необработените данни се прилагат различни числени методи за обработка. • Методи за оценка на слънчевия потенциал Една от най-популярните системи за предсказване на слънчевия потенциал по зададени географски координати е т.нар.система „PVGIS“или “Photovoltaic Geographical Information System”, която притежава база данни за интерактивно пресмятане на слънчевия потенциал.

11. Глобална радиация върху хоризонтална повърхност, kWh/m2, PVGIS

12. За предварителна оценка на потенциала съществува европейска система за пресмятане на фотоволтаичния потенциал. Интерактивната система пресмята параметри по зададени гографска ширина и дължина.

13. Както се вижда от резолюцията на мрежата на PVGIS – 1 km, надежни точни данни могат да се получат само след измерване на мястото, определено за изграждане на слънчевата енергопреобразуваща система. Пример за измерени плътност на слънчевата радиация и температура на околната среда : Плътност на слънчевата радиация, W/m2 Измерени стойности във W/m2за 9-ти юни 2010.

14. Температура на околната среда, oC Измерени стойности вoCза 9-ти юни 2010.

15. След пресмятане на месечните стойности се получава годишното разпределение : Плътност на слънчевата радиация, Wh/m2 Общ годишен потенциал: 1330 kWh/m2

16. Основи на преобразуване на слънчевата енергия в топлина Соларните технологии се разпространиха широко през последните 30 години, но са известни от хилядолетия. Основните класификации на изпълненията са : • Слънчево подгряване на вода (термосифон, интегрирани колекторни системи, въздушни системи колектори, директни и индиректни водоподгряващи системи). • Хладилни слънчеви системи (адсорбционни и абсорбционни системи). • Подгревателни индустриални системи (нискотемпературни въздушни и водни, системи за генериране на пара). • Обезсоляване със слънчева енергия (директни и индиректни конвенционални системи). • Системи за сушене. • Слънчеви системи за производство на електроенергия (параболични системи, централни кули или централни ресиверни системи, системи с параболични чинии, Стирлинг двигатели). Класификация по нивото на температурния работен диапазон : • Нискотемператирни. • Среднотемпературни. • Високотемператирни.

17. Друга класификация се прави по отношение изпълнението на колекторите. Те могат да бъдат : • Плоски колектори с течност или въздухс прозрачно покритие или без. • Вакуумно-тръбни колектори с директен поток или топлинни тръби. • Колектори с параболични концентратори, енергийни кули и слънчеви кухни. • Технологично развитие на слънчевите системи Плоските колектори имат следните основни елементи: • Каса с изолация от задната страна. • Стъклено покритие. • Абсорберни плоскости с тръби. Принципна схема на плосък слънчев колектор

18. Ваккумно-тръбна топлинна тръба

19. Типично изпълнение на топлинни слънчеви колектори : вградени в покривната конструкция и самостоятелни Плосък слънчев колектор, вграден на покрив Самостоятелна термосифонна система с водосъдържател

20. Активна индиректна слънчева термична система.

21. Активна индиректна слънчева система с оборудване за контрол и управление.

22. Функции и изисквания към контейнерите за съхранение на подгрята вода Контейнерите за подгрята вода изпълняват ролята на акумулатор на топлина, който разделя входящия поток слънчева радиация и енергийния поток на потребителя. И тъй като енергийният поток на входа не винаги отговаря на консумацията на изхода по време и мощност, това разделяне на двата енергийни потока е необходимо. Времето за съхранение варира от няколко часа до дори месеци (при сезонно съхранение) и силно зависи от консумацията на топла вода (например басейни). Конструкции топлинни акумулатори : • Портативни водни акумулатори. • Водосъдържатели с галванизирано цинково покритие. • Танкове с емайлирано покритие. • Танкове от неръждаема стомана. • Буферни (спомагателни) соларни танкове. • Буферни танкове под налягане. • Комбинирани буферни танкове. • Буфери на отворени системи. • Танкове за сезонно съхранение.

23. Загубите на топлина от конвенционалните водосъдържатели са важен параметър за ефективността на системата.За да се намалят тези загуби, водосъдържателите се изолират. Добра изолация на връзкитеЛоша изолация

24. Индустриални системи с използване на термично преобразуване Схема на цикъл на Ренкин с прегрята водна пара

25. Примери за реализирани проекти Мултисегментен коцентратор, тип „чиния“ PS10, Севиля, Испания, 11 MW, 624 хелиостатни огледала, 115 m височина на кулата

26. Solar Two, Калифорния Масив от вакуумно-тръбни колектори в Тибет, Китай

27. Пустиня Mojave, Калифорния, 354 MW, 936384 огледала, площ 6,5 km2 Nevada Solar One, Лас Вегас, 64 MW, 180000 огледала, 1,6 km2

28. Въздушни слънчеви колектори Въздухът като флуид не е подходящ за топлообмен.Причината за това са ниските стойности на специфичния топлинен капацитет и вискозитета.Но от друга страна, повечето от съвременните системи за климатизация подгряват и охлаждат въздух за различни битови нужди.Реализирана е идея за подгряване от слънчева радиация и директно използване на подгрятия въздух.Съществуват две насоки в техническото изпълнение на такива системи : интегрирани в покриви и фасади на сгради и самостоятелни системи, както при колекторите за подгряване на течности. Преимущества : • Малко тегло. Липсват тръбопроводи под налягане. • При ниски температури въздухът не замръзва, а при високи не кипи. • Няма необходимост от устойчиви на корозия материали. • Ниска цена. Прототип на самостоятелен въздушен колектор

29. Практическа реализация на система с вакуумно-тръбен колетор SCHOTT ETC 16 Вакуумно-тръбен термичен колектор SCHOTT ETC 16

30. Схема на проекта Активна система с термичен слънчев колектор

31. БЛАГОДАРЯ ЗА ВНИМАНИЕТО !