Jak działa energia słoneczna?

Większość z nas nie myśli zbyt wiele o tym, skąd pochodzi nasza energia elektryczna, tylko o tym, że jest ona dostępna i pod dostatkiem. Energia elektryczna wytwarzana przez spalanie paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, emituje dwutlenek węgla, tlenki azotu i tlenki siarki – gazy, które naukowcy uważają za przyczyniające się do zmiany klimatu. Energia słoneczna (ciepła) jest bezemisyjną, odnawialną alternatywą dla energii, którą wytwarzamy z paliw kopalnych, takich jak węgiel i gaz. To też nie jest przyszłość. W latach 1984-1991 Stany Zjednoczone zbudowały dziewięć takich elektrowni na kalifornijskiej pustyni Mojave, a dziś nadal zapewniają one łączną moc 354 megawatów rocznie, energię zużywaną w 500 000 kalifornijskich domów [źródło: Hutchinson]. Do tego niezawodna moc. W 2008 roku, kiedy sześć dni szczytowego zapotrzebowania spowodowało wygięcie sieci energetycznej i przerwy w dostawie prądu w Kalifornii, elektrownie słoneczne nadal wytwarzały 110 procent mocy [źródło: Kanellos ].

Zastanawiasz się, gdzie ta technologia była od tamtego czasu? W latach 90., kiedy spadły ceny gazu ziemnego, wzrosło zainteresowanie energią słoneczną. Dziś jednak technologia jest gotowa na powrót. Według szacunków amerykańskich National Renewable Energy Laboratories, słoneczna energia cieplna może zapewnić setki gigawatów energii elektrycznej, co stanowi ponad 10 procent zapotrzebowania w Stanach Zjednoczonych [źródło: LaMonica ].

Potrząśnij obrazem paneli słonecznych z głowy – tego rodzaju zapotrzebowanie będzie wymagało elektrowni. Istnieją dwa główne sposoby pozyskiwania energii ze słońca. Technologie fotowoltaiczne ( PV ) i koncentrujące energię słoneczną ( CST ), znane również jako technologie koncentracji energii słonecznej (CSP).

Fotowoltaika zamienia światło słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną. Te ogniwa słoneczne zwykle zasilają urządzenia, takie jak zegarki, okulary przeciwsłoneczne i plecaki, a także dostarczają energię w odległych obszarach.

W porównaniu z tym technologia słoneczno-termiczna ma dużą skalę. Jedna duża różnica w porównaniu z fotowoltaiką polega na tym, że elektrownie słoneczne wytwarzają energię elektryczną pośrednio. Ciepło promieni słonecznych jest gromadzone i wykorzystywane do podgrzewania płynu. Para wytwarzana z podgrzanego płynu zasila generator, który wytwarza energię elektryczną. Jest to podobne do sposobu, w jaki działają elektrownie spalające paliwa kopalne, z wyjątkiem tego, że para jest wytwarzana przez zebrane ciepło, a nie ze spalania paliw kopalnych.

1. Słoneczne systemy cieplne
2. Słoneczne ciepło termiczne
3. Słoneczne cieplarnie termiczne
4. Słoneczne kominy termiczne

Istnieją dwa rodzaje systemów solarnych: pasywne i aktywne. System pasywny nie wymaga żadnego sprzętu, na przykład gdy wewnątrz samochodu nagrzewa się, gdy jest on zaparkowany na słońcu. Aktywny system wymaga pewnego sposobu pochłaniania i gromadzenia promieniowania słonecznego, a następnie jego przechowywania.

Słoneczne elektrownie cieplne są systemami aktywnymi i chociaż jest ich kilka, istnieje kilka podstawowych podobieństw: lustra odbijają i skupiają światło słoneczne, a odbiorniki zbierają tę energię słoneczną i przekształcają ją w energię cieplną. Generator może być następnie wykorzystany do produkcji energii elektrycznej z tej energii cieplnej.

Najpopularniejszy typ elektrowni słonecznych, w tym elektrownie na kalifornijskiej pustyni Mojave, wykorzystują paraboliczną konstrukcję rynny do zbierania promieniowania słonecznego. Kolektory te są znane jako systemy koncentratorów liniowych, a największe są w stanie wygenerować 80 megawatów energii elektrycznej [źródło: Departament Energii USA]. Są w kształcie half-pipe, które można zobaczyć na snowboardzie lub deskorolce, i mają liniowe, paraboliczne reflektory pokryte ponad 900 000 luster ustawionych w linii północ-południe i mogących obracać się, aby podążać za słońcem, gdy porusza się na wschód na zachód w ciągu dnia. Ze względu na swój kształt, ten typ instalacji może osiągnąć temperaturę roboczą około 750 stopni F (400 stopni C), skupiając promienie słoneczne 30 do 100 razy większe od normalnego na rurach z płynem przenoszącym ciepło lub wodą/parą [źródło : Administracja Informacji Energetycznej ]. Gorący płyn służy do wytwarzania pary, która następnie obraca turbinę, która zasila generator w celu wytwarzania energii elektrycznej.

Chociaż konstrukcje z rynnami parabolicznymi mogą działać z pełną mocą jako elektrownie słoneczne, są one częściej używane jako hybryda energii słonecznej i paliw kopalnych, dodając możliwość wykorzystania paliw kopalnych jako rezerwy.

Innym rodzajem słonecznego systemu cieplnego są wieże solarne. Wieże energetyczne opierają się na tysiącach heliostatów , które są dużymi, płaskimi lustrami śledzącymi słońce, które skupiają i skupiają promieniowanie słoneczne na pojedynczym odbiorniku zamontowanym na wieży. Podobnie jak paraboliczne rynny, płyn przenoszący ciepło lub woda/para jest podgrzewany w odbiorniku (choć wieże energetyczne są w stanie skoncentrować energię słoneczną nawet 1500 razy), ostatecznie przekształcany w parę i wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej za pomocą turbiny i generator.

Projekty wież energetycznych są wciąż w fazie rozwoju, ale pewnego dnia mogą zostać zrealizowane jako elektrownie podłączone do sieci, produkujące około 200 megawatów energii elektrycznej na wieżę.

Trzecim systemem jest czasza/silnik solarny . W porównaniu z rynnami parabolicznymi i wieżami energetycznymi, systemy czasz są małymi producentami (około 3 do 25 kilowatów). Istnieją dwa główne elementy: koncentrator słoneczny (czaszka) i jednostka przetwarzania energii (silnik/generator). Czasza jest skierowana i śledzi słońce i gromadzi energię słoneczną; jest w stanie skoncentrować tę energię około 2000 razy. Odbiornik termiczny, szereg rurek wypełnionych płynem chłodzącym (takim jak wodór lub hel), znajduje się między czaszą a silnikiem. Pochłania skoncentrowaną energię słoneczną z naczynia, zamienia ją na ciepło i wysyła to ciepło do silnika, gdzie staje się elektrycznością.

Słoneczne systemy cieplne są obiecującym rozwiązaniem w zakresie energii odnawialnej – słońce jest bogatym zasobem. Z wyjątkiem nocy. Lub gdy słońce jest przesłonięte przez zachmurzenie. Systemy magazynowania energii cieplnej ( TES ) to wysokociśnieniowe zbiorniki do magazynowania cieczy używane wraz z systemem solarno-termalnym, aby umożliwić zakładom gromadzenie energii elektrycznej na kilka godzin. Magazynowanie poza szczytem jest kluczowym elementem efektywności elektrowni słonecznych.

Trzy podstawowe technologie TES były testowane od lat 80., kiedy zbudowano pierwsze słoneczne elektrownie cieplne: dwuzbiornikowy system bezpośredni, dwuzbiornikowy system pośredni i jednozbiornikowy system termoklinowy.

W bezpośrednim systemie z dwoma zbiornikami energia słoneczna jest magazynowana bezpośrednio w tym samym płynie ciepłonośnym, który ją zebrał. Płyn jest podzielony na dwa zbiorniki, jeden zbiornik przechowujący go w niskiej temperaturze, a drugi w wysokiej temperaturze. Płyn zmagazynowany w zbiorniku niskotemperaturowym przepływa przez kolektor słoneczny elektrowni, gdzie jest ponownie podgrzewany i przesyłany do zbiornika wysokotemperaturowego. Płyn przechowywany w wysokiej temperaturze jest przesyłany przez wymiennik ciepła, który wytwarza parę, która jest następnie wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w generatorze. A po przejściu przez wymiennik ciepła płyn wraca do zbiornika o niskiej temperaturze.

Dwuzbiornikowy system pośredni działa zasadniczo tak samo, jak system bezpośredni, z wyjątkiem tego, że działa z różnymi rodzajami płynów przenoszących ciepło, zwykle tymi, które są drogie lub nie są przeznaczone do użytku jako płyn magazynujący. Aby temu zaradzić, systemy pośrednie przepuszczają płyny o niskiej temperaturze przez dodatkowy wymiennik ciepła.

W przeciwieństwie do systemów dwuzbiornikowych, jednozbiornikowy system termoklinowy przechowuje energię cieplną w postaci stałej, zwykle piasku kwarcowego. Wewnątrz pojedynczego zbiornika części ciała stałego są utrzymywane w temperaturach od niskich do wysokich, w gradiencie temperatur, zależnym od przepływu płynu. W celu przechowywania gorący płyn przenoszący ciepło wpływa do górnej części zbiornika i ochładza się, gdy przemieszcza się w dół, wychodząc jako ciecz o niskiej temperaturze. Aby wytworzyć parę i wytworzyć energię elektryczną, proces jest odwrócony.

Systemy solarne, które wykorzystują olej mineralny lub stopioną sól jako nośnik ciepła, są pierwszorzędne dla TES, ale niestety bez dalszych badań systemy działające na wodę/parę nie są w stanie magazynować energii cieplnej. Inne postępy w dziedzinie płynów przenoszących ciepło obejmują badania nad płynami alternatywnymi, wykorzystujące materiały o przemianie fazowej i nowatorskie koncepcje przechowywania termicznego, a wszystko to w celu obniżenia kosztów przechowywania oraz poprawy wydajności i wydajności.

Pomysł wykorzystania materiałów masy termicznej – materiałów, które mają zdolność magazynowania ciepła – do magazynowania energii słonecznej, ma zastosowanie nie tylko do dużych elektrowni słonecznych i obiektów magazynowych. Pomysł może zadziałać w czymś tak powszechnym jak szklarnia.

Wszystkie szklarnie zatrzymują energię słoneczną w ciągu dnia, zwykle z korzyścią dla umieszczenia ich na południe i pochyłego dachu, aby zmaksymalizować ekspozycję na słońce. Ale po zachodzie słońca, co powinien zrobić hodowca? Słoneczne szklarnie termiczne są w stanie zatrzymać to ciepło i wykorzystać je do ogrzewania szklarni w nocy.

Kamienie, cement i wodę lub beczki wypełnione wodą mogą być używane jako proste, pasywne materiały masy termicznej (radiatory), przechwytujące ciepło słoneczne w ciągu dnia i oddając je z powrotem w nocy.

Większe aspiracje? Zastosuj te same pomysły, które stosuje się w elektrowniach słonecznych (choć na znacznie mniejszym poziomie) i jesteś na dobrej drodze do całorocznej uprawy. Solarne szklarnie termiczne, zwane również aktywnymi szklarniami słonecznymi, wymagają tych samych podstaw, co każdy inny system solarny: kolektor słoneczny, zbiornik na wodę, orurowanie lub orurowanie (zakopane w podłodze), pompa do przemieszczania nośnika ciepła ( powietrza lub wody) w kolektorze słonecznym do magazynowania i energii elektrycznej (lub innego źródła zasilania) do zasilania pompy.

W jednym scenariuszu powietrze gromadzące się na szczycie dachu szklarni jest odprowadzane przez rury i pod podłogę. W ciągu dnia powietrze to jest gorące i ogrzewa ziemię. W nocy do rur wciągane jest chłodne powietrze. Ciepły grunt ogrzewa chłodne powietrze, które z kolei ogrzewa szklarnię. Alternatywnie, jako nośnik ciepła czasami stosuje się wodę. Woda jest gromadzona i podgrzewana energią słoneczną w zewnętrznym zbiorniku magazynowym, a następnie pompowana rurami w celu ogrzania szklarni.

Tak jak szklarnie słoneczno-termiczne są sposobem na zastosowanie technologii słoneczno-termicznych do codziennych potrzeb, kominy słoneczno-termiczne lub kominy termiczne również wykorzystują materiały o masie termicznej. Kominy termiczne to pasywne systemy wentylacji słonecznej, co oznacza, że ​​są niemechaniczne. Przykłady wentylacji mechanicznej obejmują wentylację całego domu, która wykorzystuje wentylatory i kanały do ​​wywiewu zużytego powietrza i dostarczania świeżego powietrza. Dzięki konwekcyjnym zasadom chłodzenia, kominy termiczne umożliwiają wpuszczanie chłodnego powietrza, jednocześnie wypychając gorące powietrze z wewnątrz na zewnątrz. Zaprojektowane w oparciu o to, że gorące powietrze unosi się w górę, redukują niepożądane ciepło w ciągu dnia i wymieniają powietrze wewnętrzne (ciepłe) na powietrze zewnętrzne (chłodne).

Kominy termiczne są zwykle wykonane z czarnej, pustej masy termicznej z otworem w górnej części do odprowadzania gorącego powietrza. Otwory wlotowe są mniejsze niż wyloty spalin i są umieszczone na niskiej lub średniej wysokości w pomieszczeniu. Gdy gorące powietrze unosi się, ucieka przez zewnętrzny wylot powietrza na zewnątrz lub do otwartej klatki schodowej lub przedsionka. Kiedy to się dzieje, prąd wstępujący wciąga chłodne powietrze przez wloty.

W obliczu globalnego ocieplenia, rosnących kosztów paliw i stale rosnącego zapotrzebowania na energię oczekuje się, że zapotrzebowanie na energię wzrośnie o prawie równowartość 335 milionów baryłek ropy dziennie, głównie na energię elektryczną [źródło: Meisen ]. Niezależnie od tego, czy jest duży, czy mały, w sieci lub poza nią, jedną z największych zalet słonecznej energii cieplnej jest to, że istnieje ona teraz, bez czekania. Koncentrując energię słoneczną za pomocą materiałów odblaskowych i przekształcając ją w energię elektryczną, nowoczesne elektrownie słoneczne, jeśli zostaną przyjęte dzisiaj jako nieodzowny element wytwarzania energii, mogą być w stanie zaopatrywać w energię elektryczną ponad 100 milionów ludzi w ciągu najbliższych 20 lat [źródło: Brakmanna ]. Wszystko z jednego dużego zasobu odnawialnego: słońca.

Powiązane artykuły