Інновації та екологія
Статті

Історія геліотермічної енергетики

Енергія сонця надходить на поверхню нашої планети у вигляді світла, потужність випромінювання становить 165 Вт/м2 . Звичайно - це залежить від погоди, висоти над рівнем моря і широти. Та попри негативні фактори, кількість сонячної енергії, яка потрапляє на поверхню Землі, в 5 000 разів перевищує потребу енергії всього людства! Ми почали використовувати безкоштовну енергію сонця ще понад тисячу років тому, отже, історія сонячної енергетики починається з розвитку нашої цивілізації.

Геліоенергетика за часів Античності

Перші описи використання сонячної енергії для отримання тепла зустрічаються вже у 800-х роках до н. е.. Вже в ті часи використовували дзеркала для спрямування сонячного світла в темні приміщення для освітлення та обігріву, а також і для нагріву води.

Архімед - піонер галузі геліоенергетики

В міфології Древньої Греції є згадка про відомого винахідника Архімеда з Сіракузи (Сицилія, Італія), який за допомогою бронзових дзеркал і сонячної енергії, спалив ворожу флотилію Римлян, які тримали його рідне місто Сіракуз в облозі. Також цей факт відомий із записів Плутарха - древньогрецького біографа.

Художнє зображення дії запалювальної зброї Архімеда під час облоги Сиракуз римлянами в 212 року до н. е.
Джуліо Паріджі (1571—1635)

Тобто, Архімед успішно використав принцип концентрації сонячних променів на певному об’єкті, і таким чином, вперше продемонстрував потенціал використання сонячної енергії, навіть у вигляді зброї. Як доказ того, що мова не йде про античний міф, а все ж таки про першу променеву гармату, було проведено історичний експеримент. Науковці Масачусетського Технологічного Університету (MIT) разом з колегами з Університету Арізони, в ході експерименту, сфокусували сонячні промені на дерев’яному човні і спробували його підпалити.

Експеримент довів, що фокусування сонячних променів за допомогою простих дзеркал і на короткій відстані (25 м), може призвести до утворення слабкого полум’я. Хоча ідея про використання«сонячної гармати» для знищення цілої флотилії, в науковому світі сприймається досить сумнівно, проте це чітко визначає розуміння потенціалу сонячної енергії ще за часів Античності. До речі, Олімпійський вогонь і сьогодні запалюється традиційним античним методом - за допомогою дзеркал, які фокусують сонячні промені на факелі.

Експеримент Масачусетського Технологічного Університету (МІТ): Відтворення архімедової сонячної гармати

Джерело: web.mit.edu/2.009/www/experiments/deathray/10_ArchimedesResult.html

Історія сонячної енергетики в стародавньому Єгипеті та Месопотамії

Якщо поглянути в часи розквіту цивілізації стародавнього Єгипету, то ми неодмінно знайдемо приклади пасивного використання сонячної енергії в архітектурі даної епохи. Древні єгиптяни будували свої оселі таким чином, що вхід до будинку знаходився з північної сторони, захищаючи приміщення від денної спеки. Проте, на північних рівнинах Месопотамії (територія сучасної Сирії та Іраку) зустрічаються будинки в яких вхід знаходиться з південної сторони для того, щоб приміщення отримало більше тепла протягом дня. Такі прості рішення у використанні сонячної енергії в сучасному будівництві зустрічаються в пасивних будинках. Лише незначні зміни в архітектурі будинку дають змогу отримувати енергію сонця у вигляді пасивного джерела тепла.

Розвиток сучасної геліотермічної енергетики

Горацій де Сюсюр, швейцарський геолог та ботанік, створив прототип сонячного колектора в 1767 році. Він проводив експерименти з теплицями, які теж представляють пасивну форму використання сонячної енергії для отримання тепла. Будова першого в світі сонячного колектора схожа на сучасний плоский колектор і з того часу практично не змінилася, за винятком інших - більш сучасних матеріалів. Проте вже на той час винахідник зумів досягти вражаючих результатів і нагрівати воду до 83°С. Клеренс Кемп розвинув ідею використання сонячних променів для нагріву води і запатентував перший геліотермічний колектор в 1891 році. Вже наступного року він запропонував ринкову модель під назвою «Climax Solar-Water Heater», яка нагрівала воду від трьох до восьми ван і коштувала 25,00 $ (671$ на сьогоднішній день).

Рекламний банер першої геліотермічної установки, 1892 рік, Клеренс Кемп, Балтімор, США

Зрозуміло, що історія розвитку сонячних колекторів не закінчилася 120 років тому, хоча протягом багатьох років залишалася в тіні. Нового поштовху галузь сонячної енергетики зазнала в 70-х роках, за часів енергетичної кризи.

Сучасне використання теплової сонячної енергії

Станом на кінець 2014 року, загальна потужність встановлених сонячних колекторів для отримання теплової енергії становить 406 ГВт, які за рік продукують 341 ТВт*год теплової енергії. Переважна більшість таких установок знаходиться в Китаї (290 ГВТ). Також існують сонячні електростанції, потужність яких становить 4,4 ГВт.

Деякі проекти сучасних надпотужних сонячних установок збудовані за принципом «сонячної гармати» Архімеда. Використання великої кількості дзеркал для фокусування сонячного випромінювання в одній точці дає змогу продукувати велику кількість пару, який в подальшому обертає лопасті турбіни, і таким чином, виробляється електрична енергія.

Сонячна електростанція баштового типу

Навколо башти висотою від 50 до 450 метрів розташовуються геліостати, які рухаються за сонцем і спрямовують потік концентрованого сонячного випромінювання на абсорбер (ресивер), що розташований у верхній частині башти. В ресивер подається спеціальний теплоносій, який нагрівається за рахунок сонячних променів до 1000 °С. За допомогою теплообмінника виробляється водяна пара, яка спрямовується на паротурбінний генератор для вироблення електричної енергії.

Сонячна електростанція «Айванпа» потужність 392 МВт, розташована в пустелі Мохава, Каліфорнія, США

Сонячна електростанція «Айванпа» має три башти, висотою 469 метрів, оточені геліостатами, які спрямовують потік концентрованого сонячного випромінювання на абсорбер, що розташований у верхній частині кожної башти. Кожен геліостат, загальна кількість, яких становить 173,5 тис. облаштований двома дзеркалами та керуючим механізмом, який обертається за сонцем.

Сонячна електростанція параболічного типу

Електростанції даного типу використовують параболічні дзеркала для фокусування сонячних променів на абсорбер, який розташовується безпосередньо над дзеркалами. Дана конструкція дає змогу збільшити потужність сонячного випромінювання до сорока разів. Для збільшення продуктивності, параболічні дзеркала розташовують з Півночі на Південь і за допомогою трекінгової системи обертають за рухом Сонця. Робоча температура установки становить 400°С, за рахунок якої продукується пар для обертання турбіни парогенератора.

Найпотужніша установка такого типу також розташована в каліфорнійській пустелі Махава, із загальною площею дзеркал 2,3 мільйони квадратних метрів (2,3 км2) і потужністю 354 МВт. Типові сонячні електростанції також розташовані на о. Кріт, а також заплановане будівництво декількох потужних установок в Єгипті та Індії.

Сонячне охолодження

Сучасні технології дозволяють отримувати від сонця також і холодильну енергію. За рахунок чого зникає перетворення первинної (електричної) енергії у вторинну, що відповідно спрощує систему охолодження та кліматизації і заощаджує кошти. Найбільша потреба в холодильній енергії співпадає з найбільшою сонячною активністю, що дає змогу використовувати теплову сонячну енергію без попереднього акумулювання. Проте для виробничих процесів, які потребують постійного використання холоду, слід використовувати теплові акумулятори. Сонячне охолодження може використовуватися практично всюди, де є можливість розмістити сонячні колектори.

На сьогоднішній день існує декілька основних способів отримання холодильної енергії від теплової. Деякі знаходяться на стадії пілотних проектів, наприклад, пароежекторна холодильна установка, в якій теплова енергія, що підводиться ззовні, перетворюється в механічну, і обернений холодильний цикл в якому механічна енергія використовується для вироблення холоду. Перший в світі проект з використанням вакуумних сонячних колекторів був реалізований німецькими вченими з Fraunhofer Institute спільно з компанією Ritter Solar XL. Для отримання необхідної кількості теплової енергії для холодильної установки працюють 80 вакуумних колекторів AQUA PLASMA, загальною площею 400 м2, які розташовані на даху однієї з будівель Технічного Університету Карлсруе, Німеччина. Таким чином, система охолодження працює повністю від сонячної енергії. Річна продуктивність геліотермічної установки становить 160 МВт/год. Комбінація сонячних колекторів з пароежекторною холодильною установкою забезпечує досить високий коефіцієнт корисної дії. Дана технологія дозволяє отримувати високу робочу температуру в 140°С, яка необхідна для холодильної установки, навіть за несприятливих погодних умов та в помірних широтах.

Виробництво пари за допомогою вакуумних сонячних колекторів Aqua Plasma

Інший спосіб отримання холоду від сонячної енергії полягає у використанні абсорційних та адсорційних установок. Перша абсорбційна холодильна машина була створена у Франції в 1859 році і запатентована в 1860 Фердинандом Карре (Ferdinand Carre). В якості робочого тіла використовувалася суміш аміаку і води.

Абсорбційна холодильна машина - пароконденсаційна холодильна установка, в якій холодоагент випаровується за рахунок його поглинання (абсорбції) абсорбентом. Процес випаровування відбувається з поглинанням теплоти. Потім пари холодоагенту за рахунок нагріву (зовнішнім джерелом теплової енергії) виділяються з абсорбенту і надходять у конденсатор, де за рахунок підвищеного тиску конденсуються. Холодильні установи даного типу мають ряд конструктивних переваг:

- знижений шум при роботі обладнання, відсутність вібрацій;

- відсутність високого тиску в системі;

- відсутність рухомих частин;

- висока надійність установок;

- низькі експлуатаційні витрати.

Більшість проектів з використанням холодильних установок зустрічається саме у виробничих процесах, де є великий надлишок теплової енергії, а також для охолодження серверів в потужних дата-центрах.

Проте поєднання даної технології з сонячними колекторами дає змогу максимально використовувати сонячну енергію - в зимовий період для опалення, а в літній для охолодження.

Геліотермічна установка для охолодження і опалення офісних приміщень фірми Festo, місто Еслінґен, Німеччина

Міжнародний концерн Festo - провідний світовий постачальник пневматичних і електромеханічних систем для автоматизації виробництва, першим поєднав геліотермічну установку з холодильними машинами в промислових масштабах. Загальна площа вакуумних колекторів становить 1.330 м2, які забезпечують комфортну прохолоду влітку та тепло - взимку. Річна продуктивність теплової енергії становить 585 МВт/годин.

Використання сонячної енергії для отримання тепла або електрики набуло масового виробництва, що безумовно позитивно вплинуло на ціноутворення. Технічні інновації значно збільшили продуктивність, тривалість експлуатації і суттєво розширили сфери застосування. Тепер сонячні колектори зустрічаються на дахах приватних будинків у північних широтах, хоча до недавно вважалося, що використання даних технологій на півночі Європи є дуже не рентабельним. Також підприємства і фабрики встановлюють надпотужні геліотермічні установки для часткового або повного заміщення традиційних джерел енергії у виробничих процесах.

Потенціал використання сонячної енергії настільки великий, що людству вистачить навіть одного сонячного дня, щоб покрити річну потребу енергії.

Європейський ринок теплових насосів в 2014 році
Історія геліотермічної енергетики
Поставити питання
Консультант
-

Адміністратор в мережі. Вкажіть ваше питання, натисніть відправити та дочекайтесь підключення консультанта.

В даний момент адміністратор не в мережі. Ви можете залишити свою ел. адресу і питання.

Чекаємо консультанта...
Загрузка....