Лекція 2 PDF

Лекція 2 Основні характеристики та енергетичні показники сонячної радіації. Класифікація методів перетворення енергії сонячної радіації Напрями, стан та перспективи освоєння енергії сонячної радіації. Питомі енергетичні показники сонячної радіації та розподіл енергетичного потенціалу на території Зе...

Лекція 2 Основні характеристики та енергетичні показники сонячної радіації. Класифікація методів перетворення енергії сонячної радіації Напрями, стан та перспективи освоєння енергії сонячної радіації. Питомі енергетичні показники сонячної радіації та розподіл енергетичного потенціалу на території Землі та України. Класифікація методів перетворення енергії сонячної радіації. Напрями, стан та перспективи освоєння енергії сонячної радіації Використання сонячної енергії відноситься до актуальних проблем світової спільноти в зв'язку з вичерпністю запасів викопного органічного палива та глобальним погіршенням стану навколишнього середовища. Сонячна енергетика складається з наступних галузей: виробництво електроенергії з використанням фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) та сонячних термодинамічних електростанцій (з використанням паротурбінної технології); виробництво теплоти для теплопостачання об'єктів з використанням колекторів сонячної енергії та пасивних геліосистем. Сонячна електроенергетика. Найбільш динамічно за останні роки поширюється виробництво і впровадження фотоелектричних сонячних електроенергетичних установок (СЕУ). За оцінками експертів Міжнародного енергетичного агентства (ІЕА) світова сонячна енергетика вже через 40 років, враховуючи сьогоднішні тенденції розвитку технологій, буде здатна виробляти близько 9 тисяч ГВт год./рік, або 20- 25% усієї необхідної електроенергії, і це забезпечить скорочення викидів вуглекислого газу на рівні 6 млрд. т щорічно. В світі та в Україні є досвід створення сонячних електростанцій (СЕС), що працюють за термодинамічним циклом потужністю до сотень МВт. Найбільш динамічно зараз ці технології розвиваються у США, Іспанії, Португалії та Австралії, де є державна підтримка будівництва таких станцій. На даний час в Україні введені в експлуатацію автономні сонячні станції загальною потужністю 2МВт. В Україні у 2009-2010 р вироблено фотоелектричних елементів загальною потужністю біля 150 МВт, які практично повністю пішли на експорт – щорічні обсяги впровадження в Україні становлять лише біля 100 кВт. На кінець 2011 року встановлена потужність ФЕС склала 188 МВт. Сонячна теплоенергетика. Найбільш освоєним в світі є використання сонячної енергії для теплопостачання об’єктів. Опрацьовані майже всі напрямки сонячних теплотехнологій – теплопостачання (включаючи гаряче водопостачання та опалення), холодопостачання, кондиціювання повітря, отримання прісної води, сушка матеріалів та виробів і ряд інших. Для реалізації цих технологічних процесів розроблена широка гама необхідних пристроїв та обладнання. Основним елементом геліосистеми є сонячний колектор, в якому, власне, і відбувається перетворення енергії сонячної радіації в теплову. Тому обсяги впровадження таких систем вираховуються за загальною площею та, при порівняльних розрахунках між окремими країнами, за питомими величинами на одного мешканця. За існуючими даними загальна площа змонтованих сонячних колекторів у світі на кінець 2008 року становила біля 300 млн. м2. В даний час сонячна енергія забезпечує більше 4 млн. ГДж низькопотенційної теплоти для гарячого водопостачання та опалення об'єктів. Загальна площа впроваджених сонячних колекторів в Україні на кінець 2008 року становила 45 тис. м2, а за 2010р. загальна потужність створених геліосистем досягає 200 МВт. Кількісні планові показники виробництва теплової та електричної енергії з використанням енергії сонця наведені в таблиці 5.1. Таблиця 5.1. Напрями розвитку сонячної енергетики Рівень розвитку за 2010 рік Виробництво електроенергії Встановлені потужності, МВт 150 Обсяг виробництва електроенергії, млн.кВт.год 160 Обсяг заміщення традиційних ПЕР, тис. т у п 57,5 Виробництво теплової енергії Встановлені потужності, МВт 200 Обсяг виробництва теплової енергії, млн. кВт.год 365 Обсяг заміщення традиційних ПЕР, тис. т у п 131 В Україні за 2010 рік в галузі сонячної енергетики досягнуті наступні обсяги заміщення традиційних паливно-енергетичних ресурсів: економія умовного палива - 20 т у. п.; заміщення викидів СО2- 40 тис. т; обсяги заміщення природного газу - 18 млн. м3 в тому числі в тепловій сонячній енергетиці: економія умовного палива - 12 т у. п.; заміщення викидів СО2- 22 тис. т; обсяги заміщення природного газу - 10 млн. м3. В Україні є достатньо аргументовані передумови для масштабного освоєння сонячної енергії. В першу чергу це наявність значного енергетичного потенціалу та науково-технічної і промислової бази за всіма основними напрямами сонячної енергетики. Зведені прогнозні базові показники розвитку сонячної енергетики в Україні до 2030 року наведені в таблиці 5.2. Таблиця 5.2. Прогнозні базові показники розвитку сонячної енергетики в Україні до 2030 року Основними шляхами і способами розв’язання проблем сонячної енергетики в Україні є: – - проведення наукових фундаментальних і прикладних досліджень, – науково-дослідних і проектно-конструкторських розробок та організації їх впровадження; –здійснення підготовки фахівців; –створення профільної інфраструктури на основі вже існуючих навчальних, проектно-конструкторських та науково-дослідницьких організацій; –створення сертифікаційної та метрологічної бази; –розвиток вітчизняного промислового виробництва та створення бази для виготовлення технічних пристроїв та обладнання, монтажу, експлуатації, ремонту та сервісу; – впровадження обов’язкового державного регулювання (управління і контроль) процесів збереження профілю, переорієнтації і використання наявних виробничих потужностей після реконструкції підприємств та їх нарощування відповідно до сучасних вимог; – формування законодавчого простору надання податкових пільг для вітчизняних підприємств-виробників з експорту елементів сонячної енергетики та застосування жорсткої цінової та податкової політики щодо імпорту елементів сонячної енергетики в Україні; – забезпечення пріоритетного фінансування науково-конструкторських робіт з сонячної енергетики, що виконуються на замовлення в межах державних і галузевих програм усіх рівнів; Рівень розвитку Прогнозні показники Одиниці сонячної розвитку сонячної виміру енергетики по енергетики роках 2015 2020 2025 2030 Зведені показники розвитку сонячної енергетики Річна економія умовного млн 0,71 2,47 3,74 6,0 палива т у.п./рік Обсяги заміщення природного млн м 616 2080 3190 5190 3 газу Обсяги зменшення викидів тис. т 1290 4405 6660 10840 діоксиду вуглецю Кількість додаткових робочих тис. осіб 5,85 14,13 10,44 20,43 місць – залучення передових технологій у галузі сонячної енергетики на основі взаємовигідних інвестиційних вітчизняних та зарубіжних проектів; – створення ефективної державної системи ціноутворення, спрямованої на збільшення частки заробітної плати в ціні продукції та збільшення реальної заробітної плати працівників в галузі сонячної енергетики. Питомі енергетичні показники сонячної радіації та розподіл енергетичного потенціалу на території Землі та України Сонце кожну секунду випромінює 88.1024 кал теплоти, що еквівалентно 1,25.1016 т у.п. або 1,02.1020 кВт∙год. На Землю попадає тільки частина цієї енергії – біля 1.1018 кВт∙год (123.1012 т у.п.) за рік, що приблизно в 100 разів перевищує енергетичні ресурси всіх розвіданих горючих копалин на Землі. Густина сонячного потоку в космосі приблизно дорівнює 1,35 кВт/м2. Максимальна інтенсивність сонячного випромінювання на поверхні Землі дорівнює 1 кВт/м2, однак тривалість його становить всього 1-2 години в літні дні. Середня інтенсивність сонячного випромінювання в більшості районів земної кулі становить 200-250 Вт/м2. На рисунку 5.1 показано розподіл сонячного випромінювання при проходженні від Сонця до Землі. Як видно, третина сонячної радіації відбивається атмосферою в космос. Дві третини сонячного випромінювання проходить через верхні шари атмосфери, і подальший розподіл сонячної енергії відбувається наступним чином: частина сонячної радіації відбивається від поверхні Землі і повертається назад у космос (а – 5%), відбивається хмарами (б – 20%), поглинається атмосферою (в – 25%). Безпосередньо на поверхню Землі попадає біля 50% від загальної кількості сонячного випромінювання, що проходить через верхні шари атмосфери, 23% з якого становить розсіяна сонячна радіація (г) і 27% – пряма сонячна радіація (д). При створенні та впровадженні сонячного енергетичного обладнання використовуються дані про кількість сумарної сонячної радіації і її складових, періодичність та змінність режимів її надходження. Створена і успішно застосовується методика вимірювань сонячних елементів наземного використання. Методика включає в себе вимірювання характеристик сонячних елементів на дійсному Сонці, на імітаторах Сонця, а також на сконцентрованому сонячному випромінюванні. При її розробці враховувалась можливість узгодження вимог вимірювання у більш широкому міжнародному масштабі; в ній використано досвід досліджень, які проводилися в різних країнах світу. Рис. 5.1 а – відбиття від поверхні Землі…5%; б – відбиття хмарами....................20%; в – поглинання атмосферою........25%; г – розсіювання в атмосфері з попаданням на Землю…...............23%; д – пряме попадання на Землю....27%. Рис 5.1. Розподіл сонячного випромінювання Для точних вимірів ККД сонячних елементів необхідно забезпечити повне відтворення стандартних параметрів сонячного випромінювання, таких як щільність потоку, спектральне і кутове розподілення енергії, однорідність і стабільність потоку. Знаючи абсолютне значення сонячної постійної, можна визначити енергію, що потрапила на поверхню сонячних елементів і батарей, які працюють у неатмосферних умовах, що потрібно для розрахунку ККД. Але, щоб визначити корисну електричну енергію, отриману з сонячного елемента, необхідно точно виміряти також спектральне розподілення падаючої радіації, особливо в інтервалі спектральної чутливості сучасних сонячних елементів (для кремнію 0,3-1,1 мкм). Спектральне розподілення енергії випромінювання Сонця неодноразово вимірювалось як з поверхні Землі, так і за межами атмосфери. Згідно цієї методики характеристики сонячних елементів можна виміряти в прямому і повному потоках випромінювання. Прямим називають потік променевої енергії Сонця, що припадає на одиницю поверхні плоского приймача, розміщеного перпендикулярно падаючим променям. Мова йде, відповідно, про енергетичне випромінювання Сонця при нормальному падінні променів. Термін "пряме" вказує на те, що мається на увазі випромінювання, яке проходить безпосередньо від Сонця, без будь-якої додаткової кількості розсіяної або відбитої радіації, яка поступає на Землю після зміни напряму внаслідок відбивання та розсіювання атмосферою. Поряд із вимірюванням прямого сонячного випромінювання більш важливими для теоретичних досліджень та практичного впровадження є вимірювання кожного дня сумарного, або повного, сонячного випромінювання (суми прямого і розсіяного випромінювання), яке приходить на горизонтальну поверхню. Самий загальний метод вимірювання потоків сонячного випромінювання базується на здатності ряду приладів перетворювати сонячну енергію в тепло, причому для вимірювання кількості отримуваного тепла використовуються достовірні і точні класичні калориметричні методи. Для вимірювання прямого сонячного випромінювання використовуються піргеліометри. Прилади такого ж типу для вимірювань кожного дня називаються актинометрами. Прилади для вимірювання сумарного сонячного випромінювання називаються піранометрами. Надходження сумарної сонячної радіації змінюється протягом доби, досягаючи свого максимуму в полудень, і протягом року, досягаючи максимуму в літні місяці і мінімуму в зимові. Різним регіонам планети властива різна інтенсивність сонячної радіації протягом року – в районах пустель у зимовий час надходження сумарної сонячної радіації майже в 2 рази менше порівняно з літнім періодом року, в районах високих широт – менше майже в 10 разів. Так, у південних районах України це співвідношення дорівнює 4-5, а в північних – 6-7. Крім того, змінними величинами є самі складові сумарної сонячної радіації (пряма та розсіяна сонячна радіація), причому часто збільшення однієї з величин приводить до зменшення іншої, майже не впливаючи на їх суму. Складова прямої сонячної радіації в добовій сумі сонячної радіації, що попадає на горизонтальну поверхню Землі, може знаходитися в діапазоні від 90% в дуже ясний день і до 0% в дуже хмарний день. Величина сумарної сонячної радіації зі збільшенням висоти місцевості до 200 м практично не змінюється – в даному випадку змінюється співвідношення її складових – збільшення величини прямої сонячної радіації компенсується зменшенням величини розсіяної. Величина та співвідношення складових сумарної сонячної радіації необхідні для вибору типу геліоенергетичного обладнання. В регіонах, де переважає пряма сонячна радіація, можна застосовувати сонячні колектори з концентраторами сонячного випромінювання. Розсіяне сонячне випромінювання не можна сконцентрувати за допомогою дзеркал; якщо значна частина сонячної радіації надходить у вигляді розсіяної, тоді використовують плоскі сонячні колектори, які збирають як пряме, так і розсіяне сонячне випромінювання і можуть ефективно застосовуватись не лише в ясні, але й у хмарні дні. Кількість сонячної енергії, яку отримує поверхня Землі зменшується зі зростанням широти. Чим далі від екватора, тим менший кут падіння сонячних променів на поверхню, і тим більша відстань, яку повинен пройти промінь у атмосфері. Внаслідок цього середньорічна температура на рівні моря зменшується приблизно на 0.4оC на один градус широти. Поверхню Землі розділяють на широтні пояси з приблизно однаковим кліматом: тропічний, субтропічний, помірний та полярний. Енергетичні ресурси сонячної енергетики України Сумарне річне надходження сонячної радіації на територію України оцінюється на рівні 720∙1012 кВт∙год, що є еквівалентним 88,4 млрд т у.п. Територіальний розподіл теоретично-можливого і технічно-досяжного потенціалу сонячної енергії на території України наведено в таблиці 5.3 та на рис. 5.2. Річний технічно-досяжний енергетичний потенціал сонячної енергії в Україні є еквівалентним 6 млн т у.п., а його використання дозволяє заощадити біля 5 млрд м3 природного газу. Таблиця 5.3. Енергетичний потенціал сонячної енергії на території України Потенціал Потенціал № з/ сонячної № з/ сонячної Області п енергії, Області п енергії, т у.п./рік т у.п./рік Теоретично Технічно Теоретично Технічно можливий досяжний можливий досяжний потенціал Потенціал потенціал потенціал (× 109) (× 105 ) (× 109) (× 105) 1 1. 4,5 3,8 4. 4,0 2,6 АР Крим Миколаївська 2 1. 3,7 2,5 5. 5,6 3,7 Вінницька Одеська 3 1. 2,6 1,8 6. 3,8 2,6 Волинська Полтавська 4 1 Дніпропетровськ. 4,5 3,2 7. 2,6 1,7 Рівненська а 5. Донецька 4,1 2,7 8. Сумська 1 3,2 2,2 6 1. 4,0 2,6 9. 2,0 1,5 Житомирська Тернопільська 7 2. 1,8 1,4 0. 4,3 2,9 Закарпатська Харківська 8 2. 4,3 2,8 1. 4,7 3,1 Запорізька Херсонська 9 Івано. 2,0 1,3 2. Хмельницьк 2 а 3,0 2,0 Франківська 1 0. 3,8 2,6 3. Черкаська 2 3,8 2,1 Київська 1 1. 3,4 2,3 4. Чернівецька 2 1,2 0,9 Кіровоградська 1 2. 4,2 2,7 5. Чернігівська 2 4,2 2,8 Луганська 1 3. 3,1 2,2 ВСЬОГО 88,4 60,0 Львівська Потенціал сонячної енергії в Україні є достатньо високим для широкого впровадження як теплоенергетичного, так і фотоенергетичного обладнання практично в усіх областях. Термін ефективної експлуатації сонячних водонагрівачів у південних областях України становить 7 місяців (з квітня по жовтень), у північних областях – 5 місяців (з травня по вересень). У кліматометеорологічних умовах України для сонячного теплопостачання ефективним є застосування як плоских сонячних колекторів, так, у подальшому, і концентруючих, які використовують пряму і розсіяну сонячну радіацію. Фотоенергетичне обладнання може достатньо ефективно експлуатуватися протягом всього року. У таблиці 5.4 представлено середньомісячні та середньорічні дані щодо надходження прямої, розсіяної та сумарної сонячної радіації на горизонтальну поверхню в різних кліматичних зонах України. Таблиця 5.4. Середньомісячні і середньорічні суми надходження прямої (І), розсіяної (ІІ) і сумарної (ІІІ) сонячної радіації на горизонтальну поверхню в різних кліматичних зонах України Сумарне надход Кліматичн ження Надходження сонячної радіації і сонячної на горизонтальну поверхню зони радіації за за місяцями року, кВт∙год/м2 України рік, кВт∙год/м2 X I I I I VI I II V Чернігів І 4 1 2 ська ,656 0,48 7,94 8,89 область І 2 3 5 І 0,95 1,43 1,22 9,36 І 2 4 7 ІІ 5,61 1,91 9,16 08,25 Київська І 8 1 3 область ,15 3,97 0,26 4,71 І 1 2 4 І 9,79 6,77 1,90 5,18 І 2 4 7 ІІ 7,94 0,74 2,16 19,89 Одеська І 1 2 4 область 5,13 0,95 4,23 9,36 І 2 2 4 І 2,12 9,10 7,72 9,36 І 3 5 9 ІІ 7,25 0,05 1,95 18,72 І 1 2 4 АР Крим 5,13 0,95 7,72 7,99 І 2 3 5 І 4,44 1,43 1,22 9,36 І ІІ 3 5 9 9,57 2,38 8,94 37,35 Як видно, різниця в надходженні середньомісячної сумарної сонячної радіації при поступовій зміні географічної широти по всій території України досить незначна; різниця, яку слід враховувати при впровадженні геліотехнічного обладнання, спостерігається в основному між даними щодо надходження сумарної сонячної радіації в самих північних та самих південних регіонах України в літні місяці. Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації, що надходить на 1 м2 поверхні, знаходиться в межах від 1070 кВт∙год/м2 у північній частині України до 1400 кВт∙год/м2 в Автономній Республіці Крим. По всій території України спостерігається рівномірний розподіл в рамках цього діапазону з поступовим збільшенням у напрямку південних широт. Класифікація методів перетворення енергії сонячної радіації Сонячна енергетична установка – це енергетична установка, що перетворює енергію сонячної радіації в інші види енергії (наприклад, в теплову або в електричну). Переваги енергії сонячної радіації порівняно з традиційними видами палива полягають у наступному: –джерело енергії практично невичерпне; –можливість використання енергії сонячної радіації на більшості ділянок поверхні Землі як місцевого енергетичного джерела; –можливість безпосереднього перетворення енергії сонячної радіації в електричну; –можливість отримання високих температур ( 500 С); –можливість прискорення дії у фотохімічних процесах. В сонячній енергетиці можна виділити два основних практичних напрями використання сонячної енергії: 1) перетворення сонячної енергії в електричну енергію, в тому числі: фотоелектричний метод перетворення (електромагнітне випромінювання оптичного діапазону Сонця перетворюється в електроенергію постійного струму); термодинамічний метод перетворення (сконцентрована сонячна енергія використовується для одержання пари, яка, обертаючи турбогенератор, виробляє електроенергію); 2) перетворення сонячної енергії в теплову енергію, в тому числі: опалення; гаряче водопостачання. Нижче представлено основні базові елементи сонячного енергетичного устаткування, що використовуються при освоєнні сонячної енергії. При виробництві електроенергії застосовуються фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), або сонячні елементи (СЕ), або фотоелементи (ФЕ) при застосуванні фотоелектричного методу перетворення. Сонячні електростанції (СЕС) функціонують при застосуванні термодинамічного методу перетворення. При застосуванні термодинамічного методу енергія сонячної радіації концентрується на котлі, пара з якого надходить на турбіну з електрогенератором. У процесі перетворення сонячної енергії в теплову радіаційне сонячне випромінювання сприймається сонячним колектором (СК) – це об’ємна конструкція, через яку циркулює теплоносій, а її зовнішня сторона (обернена до джерела випромінювання) має чорну поглинаючу поверхню. Основним технічним елементом сонячних теплових геліоустановок є сонячні геліоприймачі різних типів або сонячні колектори. Системи на основі сонячних енергетичних установок, що перетворюють енергію сонячної радіації в теплову, поділяються на дві основні групи: –пасивні – приймачем служать самі об’єкти, що нагріваються. Використання енергії Сонця проводиться за рахунок планувального та архітектурно-будівельного розташування споруд; –активні – енергія сприймається, накопичується і транспортується в спеціальних пристроях. Основним елементом є геліоприймач. Як теплоносій може виступати газ (повітря) або рідина (вода, розчин солей). В залежності від виду теплоносія будується подальша конструкція теплової сонячної енергоустановки. Для низькопотенційних установок найбільш розповсюдженим типом геліоприймача є плоский. Він побудований у вигляді ящика, всередині якого розташований колектор, конструктивно виконаний у вигляді трубопроводу різної конфігурації з гофрованою або чарунчастою поверхнею. Колектор має покриття з великою поглинаючою спроможністю. Стінки ящика обкладені тепловою ізоляцією. Один із боків має прозоре покриття, яке може бути одно-, дво- чи тришарове. За призначенням теплові сонячні енергоустановки в основному застосовують для гарячого водопостачання та кондиціювання як індивідуальних споживачів, так і групових, або будують централізовані системи. Для надійності енергопостачання до сонячних енергоустановок додають акумулюючі пристрої з короткочасною або довгостроковою акумуляцією. Крім того, вони можуть мати дублюючий (резервний) нагрівач (наприклад, електронагрівач, що живиться від центральної мережі). За характером руху теплоносія системи можуть бути з вільним або вимушеним режимом теплообміну, а за числом контурів теплообміну – одно-, дво- або багатоконтурними. Таким чином, сонячні енергоустановки входять у фізичну систему узгодження енергопотоку надходження енергії сонячної радіації та потреб споживача, що діє протягом певного нормативного часу. В даних системах вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та енергія від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта в теплоті. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами, що побудовані за блочним принципом і містять первинні перетворювачі (сонячні нагрівачі), систему накопичення (теплові акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насоси для циркуляції теплоносія, електронагрівач, електронний регулятор, датчики). Варіанти структурних схем енергозабезпечення об’єктів від енергії сонячної радіації можуть бути різними, основними з них є наступні: сонячна енергоустановка складається із сонячних нагрівачів та акумулятора; в акумуляторі сонячної енергоустановки проходить поєднання двох потоків енергії – від сонячних колекторів і від теплоелектричного нагрівача; використовується насос для циркуляції теплоносія, що впливає на процес теплообміну в сонячному колекторі; в акумуляторі сонячної енергоустановки проходить поєднання двох потоків енергії – від сонячних колекторів і від теплоелектричного нагрівача; використовується насос для циркуляції теплоносія та поєднання двох потоків енергії – від сонячних колекторів і від теплоелектричного нагрівача; використовуються двоконтурні системи, застосування яких проводиться в тих випадках, коли пряме використання теплоносія неможливе (наприклад, при використанні в першому контурі розчинів з антикорозійними присадками). В Україні, як найбiльш пеpспективні на даний час, визначено такі напpями викоpистання сонячної енеpгiї: сонячна електроенергетика або пряме пеpетвоpення сонячної енергії в електpичну енеpгiю постiйного стpуму за допомогою фотопеpетвоpювачiв; сонячна теплоенергетика або безпосеpеднє пеpетвоpення сонячної енеpгiї в низькопотенцiйну теплову енеpгiю без попеpедньої концентpацiї потоку сонячної pадiацiї (для гаpячого водопостачання об’єктiв, комунально-побутового та технологiчного теплопостачання, потpеб сiльського господаpства). Література С.О. Кудря, В.І. Будько ВСТУП ДО СПЕЦІАЛЬНОСТІ. НЕТРАДИЦІЙНІ ТА ВІДНОВЛЮВАНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» Курс лекцій,Київ 2013