Большинство из нас не задумываются о том, откуда берется электричество, а только о том, что оно доступно и в изобилии. Электроэнергия, вырабатываемая при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ, выделяет углекислый газ, оксиды азота и оксиды серы - газы, которые, по мнению ученых, способствуют изменению климата. Солнечная тепловая (тепловая) энергия - это безуглеродная возобновляемая альтернатива энергии, которую мы производим с помощью ископаемого топлива, такого как уголь и газ. Это тоже не дело будущего. В период с 1984 по 1991 год Соединенные Штаты построили девять таких электростанций в калифорнийской пустыне Мохаве, и сегодня они продолжают обеспечивать общую мощность в 354 мегаватта в год, которая используется в 500 000 калифорнийских домов. Надежная мощность, при этом. В 2008 году, когда шесть дней пикового спроса нарушили работу электросети и привели к перебоям в подаче электроэнергии в Калифорнии, эти солнечные тепловые электростанции продолжали вырабатывать 110% мощности.
Интересно, где технологии были с тех пор? В 1990-х годах, когда цены на природный газ упали, упал и интерес к солнечной тепловой энергии. Однако сегодня технология готова к возвращению. По оценкам Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США, солнечная тепловая энергия может обеспечить сотни гигаватт электроэнергии, что составляет более 10 процентов спроса в Соединенных Штатах.
Выбросьте из головы представление о солнечных панелях - для такого спроса потребуются электростанции. Есть два основных способа получения солнечной энергии. Фотогальваническая(PV) иконцентрирующая солнечная тепловая энергия(CST), также известные как технологии концентрации солнечной энергии (CSP).
ФЭ напрямую преобразует солнечный свет в электричество. Эти солнечные батареи обычно используются для питания таких устройств, как часы, солнцезащитные очки и рюкзаки, а также обеспечивают электроэнергией отдаленные районы.
Солнечная тепловая технология по сравнению с ней является крупномасштабной. Одно большое отличие от PV заключается в том, что солнечные тепловые электростанции производят электричество косвенно. Тепло от солнечных лучей собирается и используется для нагрева жидкости. Пар, полученный из нагретой жидкости, приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество. Это похоже на то, как работают электростанции, работающие на ископаемом топливе, за исключением того, что пар производится за счет собранного тепла, а не от сжигания ископаемого топлива.
Солнечные термальные системы
Существует два типа солнечных тепловых систем: пассивные и активные. Пассивная система не требует никакого оборудования, например, когда внутри вашего автомобиля накапливается тепло, когда он остается припаркованным на солнце. Активной системе требуется какой-то способ поглощать и собирать солнечное излучение, а затем сохранять его.
Солнечные тепловые электростанции являются активными системами, и хотя существует несколько типов, есть несколько основных сходств: зеркала отражают и концентрируют солнечный свет, а приемники собирают эту солнечную энергию и преобразуют ее в тепловую энергию. Затем генератор можно использовать для производства электроэнергии из этой тепловой энергии.
Самый распространенный тип солнечных тепловых электростанций, в том числе в калифорнийской пустыне Мохаве, использует конструкциюпараболического желоба для сбора солнечной радиации. Эти коллекторы известны как системы линейных концентраторов, и самые большие из них способны генерировать 80 мегаватт электроэнергии. Они имеют форму хаф-пайпа, который используется для катания на сноуборде или скейтборде, и имеют линейные отражатели параболической формы, покрытые более чем 900 000 зеркал, выровненных с севера на юг и способных поворачиваться, чтобы следовать за солнцем, когда оно светит. днём перемещается с востока на запад. Из-за своей формы этот тип установок может достигать рабочих температур около 750 градусов по Фаренгейту (400 градусов по Цельсию), концентрируя солнечные лучи в 30-100 раз больше их нормальной интенсивности на трубах, заполненных теплоносителем или водой/паром. Горячая жидкость используется для производства пара, а затем пар вращает турбину, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.
Хотя конструкции с параболическими желобами могут работать на полной мощности в качестве солнечных электростанций, они чаще используются в качестве гибрида солнечной энергии и ископаемого топлива, добавляя возможность использования ископаемого топлива в качестве резерва.
Системы солнечных башен- это еще один тип солнечной тепловой системы. Энергетические башни полагаются на тысячигелиостатов, которые представляют собой большие плоские зеркала, отслеживающие солнце, которые фокусируют и концентрируют солнечное излучение на одном приемнике, установленном на башне. Подобно параболическим желобам, теплоноситель или вода/пар нагревается в ресивере (впрочем, энергетические башни способны концентрировать солнечную энергию в 1500 раз), в конечном итоге преобразуется в пар и используется для производства электроэнергии с турбина и генератор.
Конструкции опор электропередач все еще находятся в разработке, но однажды они могут быть реализованы как подключенные к сети электростанции, производящие около 200 мегаватт электроэнергии на опору.
Третья система - этосолнечная тарелка/двигатель По сравнению с параболическим желобом и силовыми башнями тарелочные системы являются небольшими производителями (от 3 до 25 киловатт). Есть два основных компонента: солнечный концентратор (тарелка) и блок преобразования энергии (двигатель/генератор). Тарелка направлена на солнце, отслеживает его и собирает солнечную энергию; он способен концентрировать эту энергию примерно в 2000 раз. Между тарелкой и двигателем находится тепловой ресивер, представляющий собой ряд трубок, заполненных охлаждающей жидкостью (например, водородом или гелием). Он поглощает концентрированную солнечную энергию из тарелки, преобразует ее в тепло и отправляет это тепло в двигатель, где оно превращается в электричество.
Солнечное тепло
Солнечные тепловые системы являются многообещающим решением для возобновляемых источников энергии, поскольку солнце является богатым ресурсом. За исключением случаев, когда наступает ночь. Или когда солнце закрыто облачным покровом. Хранилище тепловой энергии(TES)системы представляют собой резервуары для хранения жидкости под высоким давлением, используемые вместе с солнечными коллекторами. система, позволяющая растениям накапливать несколько часов потенциального электричества. Аккумулирование в непиковые периоды является критически важным компонентом эффективности солнечных тепловых электростанций.
С 1980-х годов, когда были построены первые солнечные тепловые электростанции, были испытаны три основные технологии TES: двухбаковая прямая система, двухбаковая непрямая система и однобаковая термоклиновая система.
Впрямой системе с двумя баками солнечная тепловая энергия хранится прямо в том же теплоносителе, который ее собрал. Жидкость разделена на два резервуара, в одном резервуаре она хранится при низкой температуре, а в другом - при высокой температуре. Жидкость, хранящаяся в низкотемпературном резервуаре, проходит через солнечный коллектор электростанции, где она повторно нагревается и направляется в высокотемпературный резервуар. Жидкость, хранящаяся при высокой температуре, проходит через теплообменник, производящий пар, который затем используется для производства электроэнергии в генераторе. Пройдя через теплообменник, жидкость возвращается в низкотемпературный бак.
Aдвухбаковая непрямая система работает в основном так же, как и прямая система, за исключением того, что она работает с другими типами теплоносителей, как правило, дорогими или не предназначенными для использовать в качестве запасной жидкости. Чтобы преодолеть это, непрямые системы пропускают низкотемпературные жидкости через дополнительный теплообменник.
В отличие от систем с двумя баками,термоклинная система с одним баком хранит тепловую энергию в виде твердого вещества, обычно кварцевого песка. Внутри одного резервуара части твердого вещества поддерживаются при температуре от низкой до высокой, в температурном градиенте, в зависимости от потока жидкости. В целях хранения горячий жидкий теплоноситель поступает в верхнюю часть бака и охлаждается по мере движения вниз, выходя в виде низкотемпературной жидкости. Чтобы произвести пар и произвести электричество, процесс идет в обратном порядке.
Солнечные тепловые системы, в которых в качестве теплоносителя используется минеральное масло или расплавленная соль, являются лучшими для ТЭС, но, к сожалению, без дополнительных исследований системы, работающие на воде/паре, не могут накапливать тепловую энергию. Другие достижения в области теплоносителей включают исследования альтернативных жидкостей, использование материалов с фазовым переходом и новых концепций накопления тепла, направленных на снижение затрат на хранение и повышение производительности и эффективности.
Солнечные термальные теплицы
Идея использования термомассовых материалов - материалов, обладающих способностью накапливать тепло - для хранения солнечной энергии применима не только к крупным солнечным теплоэлектростанциям и хранилищам. Идея может сработать в таком обыденном деле, как теплица.
Все теплицы улавливают солнечную энергию в течение дня, как правило, благодаря расположению на южной стороне и наклонной крыше, чтобы максимизировать воздействие солнца. Но как только солнце садится, что делать гроверу? Солнечные тепловые теплицы способны удерживать это тепло и использовать его для обогрева теплицы ночью.
Камни, цемент и вода или наполненные водой бочки могут быть использованы в качестве простых пассивных тепловых материалов (поглотителей тепла), улавливающих солнечное тепло в течение дня и излучающих его обратно ночью.
Большие стремления? Примените те же идеи, что и в солнечных тепловых электростанциях (хотя и на гораздо меньшем уровне), и вы на пути к круглогодичному выращиванию. Солнечные тепловые теплицы, также называемые активными солнечными теплицами, требуют тех же основ, что и любая другая солнечная тепловая система: солнечный коллектор, резервуар для хранения воды, трубы или трубопроводы (проложенные в полу), насос для перемещения теплоносителя (воздух или вода) в солнечный коллектор для хранения и электричество (или другой источник энергии) для питания насоса.
В одном сценарии воздух, собирающийся в верхней части крыши теплицы, направляется вниз по трубам и под пол. Днем этот воздух горячий и прогревает землю. Ночью в трубы подается прохладный воздух. Теплая земля нагревает холодный воздух, который, в свою очередь, нагревает теплицу. В качестве альтернативы иногда в качестве теплоносителя используется вода. Вода собирается и нагревается от солнечной энергии во внешнем резервуаре для хранения, а затем перекачивается по трубам для обогрева теплицы.
Солнечные тепловые дымоходы
Подобно тому, как солнечные тепловые теплицы являются способом применения солнечных тепловых технологий для повседневных нужд, солнечные тепловые дымоходы или тепловые дымоходы также используют тепломассовые материалы. Тепловые дымоходы - это системы пассивной солнечной вентиляции, что означает, что они немеханические. Примеры механической вентиляции включают общедомовую вентиляцию, в которой используются вентиляторы и воздуховоды для удаления спертого воздуха и подачи свежего воздуха. Благодаря принципам конвективного охлаждения тепловые дымоходы пропускают внутрь холодный воздух, выталкивая горячий воздух изнутри наружу. Разработанные на основе того факта, что горячий воздух поднимается вверх, они уменьшают нежелательное тепло в течение дня и заменяют внутренний (теплый) воздух наружным (холодным).
Тепловые дымоходы обычно изготавливаются из черной полой термальной массы с отверстием наверху для выхода горячего воздуха. Впускные отверстия меньше, чем выпускные отверстия, и располагаются в помещении на небольшой или средней высоте. Когда горячий воздух поднимается вверх, он выходит через наружное выпускное отверстие либо наружу, либо на открытую лестничную клетку или в атриум. Когда это происходит, восходящий поток втягивает холодный воздух через воздухозаборники.
В условиях глобального потепления, роста стоимости топлива и постоянно растущего спроса на энергию ожидается, что потребности в энергии увеличатся почти на эквивалент 335 миллионов баррелей нефти в день, в основном на электроэнергию. Независимо от того, большие они или маленькие, подключенные к сети или нет, одна из замечательных особенностей солнечной тепловой энергии заключается в том, что она существует прямо сейчас, без ожидания. Концентрируя солнечную энергию с помощью отражающих материалов и преобразовывая ее в электричество, современные солнечные тепловые электростанции, если они будут приняты сегодня в качестве неотъемлемой части производства энергии, могут обеспечить электроэнергией более 100 миллионов человек в следующие 20 лет. Все из одного большого возобновляемого ресурса: солнца.
Часто задаваемые вопросы
Каковы 3 типа солнечной энергии?
Три типа солнечной энергии: фотоэлектрическая солнечная энергия, солнечная тепловая энергия и концентрированная солнечная энергия.