Путем термодинамического преобразования из энергии Солнца можно получить электричество почти также, как из остальных источников энергии, но солнечное излучение, попадающее на землю, имеет ряд характерных особенностей:

- низкая плотность потока энергии;
- зависимость от погодных условий;
- сезонная и суточная цикличность.

Поэтому в ходе термодинамического преобразования данной энергии в электроэнергию нужно стремиться к тому, чтобы использование тепловых режимов не вносило значительных ограничений функционирования системы и, чтобы не возникало сложностей, связанных с ее применением. То есть такая система должна снабжаться аккумулирующими устройствами для исключения колебаний режимов использования или обеспечения необходимого изменения генерирования энергии во времени.

Термодинамический преобразователь энергии Солнца должен включать следующие компоненты:

- управление падающей радиацией;

• Развитие солнечной энергетики. Использование энергии Солнца в гелиоустановках. Часть 3
• Развитие солнечной энергетики. Использование энергии Солнца в гелиоустановках. Часть 1
• Строительство крупнейшей солнечной электростанции наполовину завершено
• Солнечные тепловые электростанции
• Солнечную энергию можно хранить для использования в ночное время
• Ржавчина может быть полезна для солнечных батарей
• Концепция маркетинга гелиотехники. О цене солнечных коллекторов
• Использование солнечной энергии в новых технологиях

- приемную систему, переводящую энергию Солнца в тепло, передающееся теплоносителю;

- систему передачи теплоносителя от приемника аккумулятору или к теплообменникам, где нагревается рабочее тело;

- теплообменники;

- тепловой аккумулятор.

Есть два подхода в конструировании солнечных станций, функционирующих по термодинамическому циклу.

1. - Применение небольших (централизованных) станций для удаленных районов.

2. - Формирование крупных энергетических солнечных установок, мощность которых составляет несколько десятков мегаватт, рассчитанных на функционирование в энергетической системе.

Коллекторы солнечной энергии

Главный составляющий элемент солнечной установки - коллектор, где происходит улавливание энергии Солнца, ее преобразование в тепло, а также нагрев воды, воздуха и другого теплоносителя.

Существует два вида солнечных коллекторов: плоский и фокусирующий.

В плоских коллекторах энергия Солнца поглощается без концентрации, а в фокусирующих коллекторах – с концентрацией, то есть с повышением плотности поступающего радиационного потока.

Концентраторы энергии Солнца

Концентраторы – оптические устройства в образе линз или зеркал, где плотность потока солнечной энергии повышается.

Плоские зеркала, параболоцилиндрические и параболоидные выполняются из фольги или тонкого листа металла или из других материалов, обладающих повышенной отражательной способностью.

Сравнительная характеристика разных видов коллекторов

1 – СЭС модульного типа

2 – СЭС башенного типа

Система, включающая множество небольших концентрирующих коллекторов, где каждый коллектор следит за солнцем независимо – модульная СЭС.

Концентраторы не всегда имеют форму параболоида, но это предпочтительно. Каждый концентратор передает энергию Солнца жидкости теплоносителя. Ото всех коллекторов горячая жидкость поступает в центральную энергостанцию. Жидкость, несущая тепло, может быть водяным паром, если она будет использоваться напрямую в паровой турбине, а может быть термохимической средой – диссоциированный аммиак, например. Недостатки систем с сосредоточенными коллекторами:

- каждому отражателю необходим термический приемник, сложный по конструкции, размещающийся в его фокальной области;

- для сбора энергии 20000 отражателей параболоидного вида с приводом генератора мощностью 100 МВт нужен высокотемпературный дорогой обменный контур для соединения рассредоточенных концентраторов.

Трудности, указанные выше, можно решить, если вместо 10-20 тысяч приемников поставить один аналогичный по параметрам и габаритам паровому котлу простого вида, и расположить его над поверхностью Земли.

Таким образом, появляется теория гелиостанции башенного типа. В данном случае все параболоиды заменяются плоскими отражателями, изготовление которых намного дешевле.

Солнечные пруды

Солнечный пруд – оригинальный нагреватель, где теплозащитным покрытием является вода. Можно просто вырыть большой водоем (можно использовать натуральные водоемы, например, в Израиле в качестве солнечного пруда используется Мертвое море), что сравнительно недорого.

Солнечные пруды включают накопители тепла, поэтому их сфера использования может быть широкой. Солнечные пруды можно применять в гелиосистемах горячего водоснабжения и отопления общественных и жилых зданий, для получения технологического тепла, производства электроэнергии, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа и т.д., то есть солнечный пруд одновременно является и аккумулятором теплоты и коллектором.

Солнечный пруд заполняется несколькими слоями воды с разной степенью солености, причем самый соленый слой (0,5) должен располагаться на дне. Энергия Солнца поглощается дном водоема, окрашенным в темный цвет, и естественный слой воды нагревается.

Слой природной воды делается настолько соленым, чем слой, расположенный над ним, чтобы его плотность при нагревании хоть и уменьшалась, но все равно оставалась бы больше плотности верхнего слоя. Конвекция (подъем вверх более легкой – более теплой - воды) подавляется в результате и придонный слой нагревается до 90°С, иногда – до кипения, температура слоя воды на поверхности при этом остается наравне с температурой окружающей среды. Водоем глубиной до 2-х метров может обеспечить деятельность СЭС при остановке инсоляции на период до недели, более глубокие пруды способны обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Но для таких СЭС требуются большие площади земли, в остальном – экологически приемлемые сооружения, особенно если учесть, что соленые пруды в природных условиях существуют столетиями.

Наземные солнечные установки

За 20 лет получили широкое распространение «солнечные дома», хозяйства от коттеджа до поместья, потребности которых в энергии обеспечиваются собственной гелиоустановкой. Провода извне не проводятся, нет счетчиков теплой воды и электроэнергии, не требуются запасы угля, мазута, дров. Никаких перебоев и отключений. Только это все, к сожалению, не у нас, а пока в Японии, США, Западной Европе, хотя условия климата позволяют иметь такое удобство во многих регионах нашей страны. Не очень понятно, в чем дело: или мода не дошла, или стоит дорого.

Применяются разные методы преобразования энергии Солнца: фотоэлектрический, фототермический и фотохимический. В самом простом фототермическом методе рабочее тепло (носитель тепла) нагревается в коллекторе (системе труб, поглощающих свет) до высокой температуры и применяется для отопления помещений. Коллектор размещается на крыше здания так, чтобы в течение дня его освещенность была наибольшей. Комплекс отражающих жалюзи, который управляется компьютером, дает необходимую освещенность коллектора для определенного интервала температур в помещениях. Часть энергии тепла аккумулируется: краткосрочно (несколько дней) – при помощи механических и тепловых аккумуляторов, долгосрочно (на период зимы) – химических. За один день 1 м² солнечного коллектора элементарной конструкции дает 50-70 л горячей воды (около 90°С). Типовые гелиоустановки применяются давно в южных районах для обеспечения горячей водой отопительных и иных хозяйственных систем.

В «солнечном доме», снабжающем себя и теплом, и электричеством применяется другой тип гелиоустановки. Лучшим рабочим теплом в данном случае являются жидкости типа фреона с низкой теплотой испарения, но из-за риска загрязнения в случае утечки (оказывает влияние на слой озона атмосферы) их производство в промышленности на данное время запрещено. Они функционируют при температуре примерно 100°С, что не требует концентраторов солнечного потока. Если носитель тепла – вода, то температура нагрева должна составлять 200-500°С при использовании концентраторов – зеркал. Которые отражают свет с больной площади на коллектор.

В солнечных установках все чаще используются фотоэлектрические преобразователи на базе кристаллов кремния и арсенида галлия. У последних более высокая тепловая устойчивость и высокий КПД (до 20%). Использование гетероструктурных полупроводников, за внедрение и изучение которых академик Ж.И. Алферов был награжден Нобелевской премией, повышает эффективность преобразователей в два раза. Панели солнечных преобразователей, находящихся обычно в верхней част здания, могут заменить тепловой коллектор, генерировать электричество, идущее на обогрев, освещение и механические работы.