CC BY
63
УДК 621.311 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-104-106
РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ДИАГНОСТИКА ЭНЕРГОУСТАНОВОК ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ СОЛНЕЧНЫХ
НАГРЕВАТЕЛЕЙ
MODES OF OPERATION AND DIAGNOSTICS OF POWER PLANTS FOR HEAT SUPPLY ON THE BASIS OF SOLAR HEATERS
© 2015 г. Мохаммед Камил Али Гази
Мохаммед Камил Али Гази - мл. преподаватель, машиностроительный факультет, инженерный колледж, Мосуль-ский университет, аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: aaggmmkk @yahoo.com
Mohammed Kamil Ali Ghazi- assistant lecturer in mechanical engineering department, College of Engineering/Mosul University, post-graduate student, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: aaggmmkk @yahoo.com
Представлены технологии использования солнечной энергии в солнечных тепловых электростанцях для производства электроэнергии. Рассмотрены различные типы солнечных коллекторов (концентрирующих (CSP) и неконцентрирующих солнечную энергию), которые считаются наиболее эффективными среди возобновляемых источников энергии в мире.
Ключевые слова: солнечные коллекторы; неконцентрация солнечной энергии; концентрация солнечной энергии.
The article presents the technology of solar energy in solar thermal power plants that can be used in the world. We consider the configurations and operating systems of non-concentrating solar power и concentrating solar power (CSP) which are considered the most useful renewable energy in the world.
Keywords: non-concentrating solar power; concentrating solar power.
Мировая потребность в энергии постоянно возрастает, что неизбежно увеличивает использование альтернативных источников энергии. В этом смысле солнце - один из самых богатых источников энергии и практически неисчерпаемый. Солнечная энергия рассматривается в качестве ключевого ресурса в будущем и играет важнейшую роль в социально-экономическом развитии, поднимая уровень и качество жизни людей во всем мире. Солнечная радиация может быть конвертирована в полезные виды энергии (тепло- и электроэнергия) с использованием разнообразных термальных и фотоэлектрических технологий.
Существует много вариантов и техник применения солнечной энергии, такие как, например, приготовление пищи, обогрев, сушка, дистилляция, производство энергии, охлаждение и замораживание, сельское хозяйство и садоводство, архитектура и городское планирование, солнечная энергия может быть использована также для удовлетворения наших потребностей в электричестве. Сегодня по всему миру, по данным RETScreen, установлено более 30 млн м2 солнечных коллекторов [1]. Через фотоэлектрические солнечные энергетические элементы ^РУ) свет, падающий на фотоэлектричекий (РУ) элемент, преобразуется напрямую в электричество постоянного тока,
который затем преобразуется инверторами в переменный ток. Системы слежения и концентраторы также используются для направления света на РУ-модули в целях повышения эффективности работы системы и увеличения производства. Применение фотоэлектрических систем, как правило, ограничивается крышами жилой и коммерческой недвижимости, хотя также возможно их использование и на предприятиях коммунального масштаба.
Солнце непрерывно поставляет огромное количество энергии. Из-за природы этой энергии, которая рассеивается, её необходимо собирать и концентрировать для использования. Для этого применяются солнечные коллекторы - устройства, которые собирают солнечное излучение и передают энергию жидкости, с которой контактируют. Солнечные коллекторы, как правило, бывают двух типов:
1. Не концентрирующие солнечную энергию: а) плоские солнечные коллекторы - это самый распространенный вид солнечных коллекторов для солнечных систем водяного отопления в домах и солнечного отопления. Типичный плоский коллектор (рис. 1 а) состоит из абсорбера в изолированном контейнере с прозрачным покрытием (застеклением). Абсорбер обычно изготавливается из металлических
пластин с высокой тепловой проводимостью, таких как медь или алюминий с впаянными или вставленными трубами. Его поверхность покрыта специальным селективным материалом для обеспечения максимального поглощения энергии излучения и минимизации потерь этой энергии. Изолированный контейнер сокращает потери тепла с боковых сторон коллектора. Эти коллекторы используются для нагрева жидкости или воздуха до температур ниже 80 °С [2];
б) вакуумированные трубчатые коллекторы. Эти коллекторы обычно изготавливаются из параллельных рядов прозрачных стеклянных труб, как показано на рис. 1 б. Каждая труба содержит стеклянную внешнюю трубу и металлическую абсорбирующую трубу, которая прикреплена к ребру. Ребро покрыто специальным покрытием, которое хорошо поглощает солнечную энергию, но которое блокирует потери тепла за счёт лучистого теплообмена. Воздух откачивается из пространства между двумя стеклянными трубами для создания вакуума, который исключает проведение или передачу тепла.
а б
Рис. 1. Не концентрирующие плоские коллекторы (а), вакуумированные трубы (б)
2. Концентрирующие солнечную энергию (CSP). В электростанциях, использующих концентраторы солнечной энергии (CSP), которые также называются солнечными тепловыми электростанциями, солнечная энергия собирается при помощи различных типов зеркал, чтобы нагреть рабочую жидкость и выработать пар (напрямую или через промежуточную стадию нагревания). Пар затем используется для того, чтобы вращать турбину и приводить в действие генераторы, производящие электричество, как в традиционных электростанциях. Существует четыре типа таких технологий, которые различаются в зависимости от типа зеркал, используемых для сбора солнечной энергии:
а) солнечная электростанция башенного типа (системы с центральным приёмником). Здесь поле гелиостатов (большие отдельные двухосные зеркала) устроено так, чтобы направить солнечный свет на центральный приёмник, закреплённый на вершине башни (рис. 2). Благодаря высоким коэффициентам концентрации, высокие температуры, а следовательно, и более высокая эффективность, могут быть достигнуты при помощи электростанций башенного типа. В среднем световой поток, попадающий на приёмник, имеет значения в диапазоне от 200 до 1000 кВт/м2. Этот мощный поток позволяет работать при относительно высоких температурах - выше 1500 °С [3]. Внутри приёмника теплоноситель поглощает высоко-
концентрированную радиацию, отраженную гелиостатами, и трансформирует её в тепловую энергию, которую можно использовать в традиционных энергетических циклах;
Рис. 2. Система с центральным приёмником
б) линейные френелевские рефлекторы. Это ряд линейных зеркальных полосок, которые собирают свет на фиксированный приемник, прикрепленный к линейной башне, как показано на рис. 3. Поля с линейными френелевскими рефлекторами можно представить как изломанный параболоцилидрический рефлектор, но в отличие от параболических цилиндров он не должен иметь форму параболы, могут быть собраны большие абсорберы, и абсорберу не обязательно двигаться;
Рис. 3. Линейные френелевские рефлекторы
в) параболическое зеркало. Система параболических зеркал или, как их иногда называют, солнечных тарелок, состоит из единой структуры, которая поддерживает параболическую тарелку, покрытую зеркалами, отражающими свет на приёмник солнечного излучения, расположенный в фокусе тарелки (рис. 4).
Рис. 4. Системы параболических зеркал
Структура зеркала должна точно следовать за солнцем, чтобы отражать луч в теплоприемник. Приемник поглощает радиационную солнечную энергию, преобразовывая ее в термальную энергию циркулирующей жидкости. Термальная энергия может затем быть преобразована в электричество или передана в трубы в центральную систему преобразования энергии; г) параболоцилиндрический солнечный коллектор.
Это самый простой тип систем CSP, в котором поле солнечных коллекторов состоит из рядов элементов параболоцилиндрических солнечных коллекторов - обычно зеркал - с интегральной приёмной трубкой.
Нижеследующая таблица демонстрирует сравнение между различными солнечными коллекторами с их рабочими температурными диапазонами и сферами применения.
Рис. 4. Системы параболических зеркал
Рис. 5. Параболоцилиндрический солнечный коллектор
Сравнение различных солнечных коллекторов
№ Название коллектора Тип Рабочая температура, °C Уровень концентрации Теплопередаю-щая среда Сфера применения
1 Плоский коллектор Не концентрирующий 30 - 80 1 Вода или воздух Нагрев воздуха и водонагрев
2 Вакуумирован-ная труба Не концентрирующий 50 - 200 1 Вода или воздух Нагрев воды, масла, воздуха
3 Параболоцилиндрический Линейно-фокусирующий 60 - 300 15 - 45 Вода, воздух, термальное масло Генерация энергии, водо-и воздухо-нагрев
4 Линейный Фре-нелевский рефлектор Линейно-фокусирующий 60 - 250 10 - 40 Вода, воздух, термальное масло Воздухо-и водонагрев
5 С зеркалом Точечная фокусировка 100 - 500 100 - 1000 Вода, термальное масло Производство пара, двигатели на параболическом зеркале
6 Гелиоэнергети-ческая установка башенного типа Точечная фокусировка 150-2000 100-1500 Термальное масло Производство энергии
Они являются параболическими только в одном направлении и формируют длинный параболический цилиндр до 150 м в длину. Коллекторы обычно устанавливаются в ряды, и общее поле солнечных элементов состоит из нескольких параллельных рядов (рис. 5).
Коллекторы подключены к центральному мотору, который движется вслед за движением солнца. Благодаря этой системе в течение дня наибольшее количество солнечного света достигает концентратора [4]. Приёмник солнечного света - это черная вакуумная стеклянная труба, содержащая теплоноситель - масло или воду.
Литература
1. RETScreen international clean energy decision support centre Solar water heating project analysis, 2004.
2. Ahmad M.S. Modeling of flat-plate solar collector operation in transient states, M. Sc. Thesis, Purdue University, 2012.
3. Peter V., Stefan K., Franz T., Yolanda L. Final report on technical data, costs, and life cycle inventories of solar thermal power plants, 2008.
4. Gamal E. Simulating the integrated solar combined cycle for power plants application in Libya, M. Sc. Thesis, Cranfield University, 2007.
References
1. RETScreen international clean energy decision support centre Solar water heating project analysis, 2004.
2. Ahmad M. S. Modeling of flat-plate solar collector operation in transient states, M. Sc. Thesis, Purdue University, 2012.
3. Peter V., Stefan K., Franz T., Yolanda L. Final report on technical data, costs, and life cycle inventories of solar thermal power plants, 2008.
4. Gamal E. Simulating the integrated solar combined cycle for power plants application in Libya, M. Sc. Thesis, Cranfield University, 2007.
Поступила в редакцию 20 ноября 2014 г.
