Солнечные концентраторы. Виды и особенности. Применение

Полное количество энергии солнца, которое поступает на поверхность Земли всего лишь за неделю, превышает энергию запасов нефти, урана, угля и газа во всем мире. Сберегать солнечное тепло можно различными способами. Одним из таких решений являются солнечные концентраторы. Это специальное устройство для сбора солнечной энергии, которое выполняет функцию нагрева материала-теплоносителя. Обычно применяются для отопления помещений и нужд горячего водоснабжения. Именно указанным свойством он отличается от солнечных батарей, который непосредственно производят электричество.

Устройство

Основная функция солнечного концентратора – фокусировка солнечного излучения на приемнике излучателя, который располагается на фокальной линии или в фокальной точке коллектора солнечной энергии.

Устройство солнечного концентратора предполагает наличие следующих элементов:

В зависимости от конструкции устройство также может включать линзы Френеля, термометр, регулирующий вентиль, контур системы отопления, циркуляционный насос и ряд иных элементов.

Принцип действия

Принцип действия солнечных концентраторов кроется в фокусировке лучей солнца на емкости с теплоносителем.

Работа теплоносителя заключается в поглощении солнечной энергии. В зависимости от используемого метода концентрации энергии солнца могут применяться:

Солнечное излучение в определенных моделях концентраторов может концентрироваться:

Все выглядит следующим образом:

Температура в приемнике достигает высоких значений, но концентраторы способны фокусировать лишь прямое солнечное излучение. В результате их эффективность в облачную или туманную погоду существенно снижается. Наиболее высокие показатели КПД демонстрируют в регионах с высокой степенью инсоляции, к примеру, в экваториальных или пустынных районах.

Чтобы можно было использовать солнечное излучение максимально эффективно, следует обеспечить ориентацию солнечных концентраторов в направлении солнца. С этой целью концентраторы оснащаются трекером, то есть специальной следящей системой. Она поворачивает систему прямо «лицом» к солнцу.

Одноосные следящие системы выполняют поворот системы с востока на запад. В свою очередь двуосные системы с севера на юг, чтобы ориентировать систему на Солнце круглый год.

В промышленных масштабах параболоцилиндрический зеркальный концентратор обеспечивает фокусировку солнечного излучения, обеспечивая более, чем стократную его концентрацию. Результат, жидкость нагревается практически до 400 градусов. Проходя через ряд теплообменников, жидкость вырабатывает пар, который вращает турбину парогенератора. Чтобы минимизировать тепловые потери, приемная трубка окружается прозрачной стеклянной трубкой, которая тянется вдоль фокусной линии цилиндра.

Виды

По конструктивной схеме работы концентраторы выделяют в следующие разновидности:

Источник

Солнечные концентраторы: недостатки, преимущества, проблемы.

Теперь подробнее. Рынок растет так:

(светло коричневым и коричневым: установленная и устанавливаемая в год мощность (ГВт) CSP. Источник: Photon International 12/2012)

Очевидно, что параболические рефлекторы «сегодня», но башни-концентраторы будут популярны «завтра». Самый большой возводимый проект в этой области на сегодня это Ivanpah Solar Electric Generating Station 392 МВт в южной Калифорнии. 170000 зеркал будут фокусировать свет на башни.

CLFR постепенно отвоёвывают рынок: наблюдается рост с 1 до 7%. Самый большой проект в этой области это 100 МВт в Раджастане от Avera Solar.

Что такое параболические рефлекторы?

Что такое системы концентраторов с линейными отражатели Френеля?
Это более простые системы по сравнению с параболическими каналами. Концентрируют свет в 30 раз, а вместо масла используют воду для теплопередачи.

Недостатки и достоинства:
Простой дизайн, низкая стоимость энергии.
Но, высокий технологический риск: технология еще не опробована как параболические рефлекторы.

Тем не менее не стоит забывать, что это намного более молодая отрасль которая повторяет путь традиционной фотовольтаики сделанный 10 лет назад. Потенциал для снижения цен в этой области есть и я уверен, что «места под солнцем» хватит всем технологиям.

Но я помню и оптимизм с которым Сименс взялся за концентраторы (недавно Сименс сообщил о прекращении работ в этой области) и я помню энтузиазм в области тонкопленочной кремниевой фотовольтаики. В обоих случаях окно возможностей закрылось с треском для многих карманов.

Поговорим о недостатках. Зеркала надо чистить. Более того их поверхность должна быть идеальна и должна оставаться такой все время работы станции.

(чистка параболического концентратора в Морокко. Самый популярный: 96% всех концентраторов это параболические. Фото: Photon International 12/2012)

Зеркала должны быть устойчивы к эрозии песком, например.

Источник

Солнечные концентраторы

По принципу работы солнечные концентраторы сильно отличаются от фотоэлектрических преобразователей. Мало того, солнечные электростанции теплового типа намного эффективней фотоэлектрических в силу ряда особенностей.

В одних концентраторах излучение солнца фокусируется вдоль фокальной линии, в других – в фокусной точке, где и расположен приемник. Когда солнечное излучение отражается с большей поверхности на меньшую поверхность (на поверхность приемника), достигается высокая температура, теплоноситель поглощает тепло, двигаясь через приемник. Система в целом содержит также аккумулирующую часть и систему передачи энергии.

Эффективность концентраторов сильно снижается в период облачности, поскольку фокусируется лишь прямое солнечное излучение. Именно по этой причине такие системы достигают самого высокого КПД в регионах, где уровень инсоляции особенно высок: в пустынях, в районе экватора. Для повышения эффективности использования солнечного излучения, концентраторы оснащаются специальными трекерами, следящими системами, обеспечивающими максимально точную ориентацию концентраторов в направлении солнца.

Поскольку стоимость солнечных концентраторов высока, а следящие системы требуют периодического обслуживания, их применение в основном ограничено промышленными системами генерации электроэнергии.

Такие установки могут использоваться в гибридных системах в совокупности, например, с углеводородным топливом, тогда аккумулирующая система обеспечит снижение себестоимости получаемого электричества. Это станет возможным, так как генерация будет происходить круглосуточно.

Параболоцилиндрические солнечные концентраторы бывают в длину до 50 метров, они имеют вид вытянутой зеркальной параболы. Такой концентратор состоит из массива вогнутых зеркал, каждое из которых собирает параллельные солнечные лучи, и фокусирует их в конкретной точке. Вдоль такой параболы, располагается труба с теплоносителем так, что на нее и фокусируются все отраженные зеркалами лучи. Чтобы снизить потери тепла, трубу окружают стеклянной трубкой, которая протянута вдоль линии фокуса цилиндра.

Такие концентраторы располагаются рядами в направлении север-юг, и они, безусловно, оснащаются системами слежения за солнцем. Сфокусированное в линию излучение, нагревает теплоноситель почти до 400 градусов, он проходит через теплообменники, вырабатывая пар, который и вращает турбину генератора.

Справедливости ради стоит отметить, что на месте трубы может быть расположен и фотоэлемент. Однако, несмотря на то, что с фотоэлементами, размеры концентраторов могут быть меньшими, это чревато уменьшением КПД и проблемой перегрева, для решения которой требуется разработка качественной системы охлаждения.

В пустыне штата Калифорния в 80-е было сооружено 9 электростанций на параболоцилиндрических концентраторах, суммарной мощностью 354 МВт. Затем эта же компания (Luz International) возвела еще и гибридную станцию SEGS I в Деггетте, мощностью 13,8 МВт, которая включала в себя дополнительно печи на природном газе. В общем, по состоянию на 1990 год, компанией было построено гибридных электростанций на суммарную мощность 80 МВт.

Развитие солнечной генерации на параболоцилиндрических электростанциях ведется в Марокко, Мексике, Алжире и других развивающихся странах при финансировании Всемирного банка.

Специалисты в итоге заключают, что сегодня параболоцилиндрические электростанции уступают как по рентабельности, так и по эффективности солнечным электростанциям башенного и тарельчатого типа.

Солнечные установки тарельчатого типа – это, похожие на спутниковые тарелки, параболические зеркала, которыми солнечные лучи фокусируются на приемник, расположенный в фокусе каждой такой тарелки. При этом температура теплоносителя при данной технологии нагрева достигает 1000 градусов. Жидкий теплоноситель сразу подается к генератору или двигателю, который совмещен с приемником. Здесь используются, например, двигатели Стирлинга и Брайтона, что позволяет значительно повысить производительность таких систем, поскольку оптическая эффективность высока, а начальные затраты невысоки.

Мировым рекордом по эффективности гелиоустановки параболического тарельчатого типа является 29% КПД, достигнутый при преобразовании тепловой энергии в электрическую, на тарельчатой установке, совмещенной с двигателем Стирлинга на Ранчо Мираж.

Благодаря модульному проектированию, солнечные системы тарельчатого типа очень перспективны, они позволяют легко добиваться требуемых уровней мощности как для гибридных потребителей, подключенных к коммунальным электросетям, так и для автономных. Примером может служить проект «STEP», состоящий из 114 зеркал параболической формы, имеющих диаметр 7 метров, расположенный в штате Джорджия.

Система производит пар среднего, низкого и высокого давления. Пар низкого давления подается в систему кондиционирования трикотажной фабрики, пар среднего давления – для самого трикотажного производства, а пар высокого давления – непосредственно для генерации электричества.

Безусловно, тарельчатые солнечные концентраторы, объединенные с двигателем Стирлинга, интересуют владельцев крупных энергетических компаний. Так корпорация «Science Applications International Corporation», в сотрудничестве с тройкой энергетических компаний, разрабатывает систему с использованием двигателя Стирлинга и параболических зеркал, которая сможет производить 25 кВт электроэнергии.

Приемник поглощает тепловую энергию, которая потом вращает турбину генератора.

Жидкий теплоноситель циркулируя в приемнике, передает пар тепловому аккумулятору. Обычно работает водяной пар с температурой 550 градусов, воздух и другое газообразное вещество с температурой до 1000 градусов, органические жидкости обладающие низкой температурой кипения – ниже 100 градусов, а также жидкий металл – до 800 градусов.

В зависимости от назначения станции, пар может вращать турбину для выработки электроэнергии, или непосредственно использоваться на каком–нибудь производстве. Температура в приемнике варьируется в диапазоне от 538 до 1482 градусов.

Башенная электростанция «Solar One» в Южной Калифорнии, одна из первых станций такого типа, изначально производила электроэнергию посредством водно-паровой системы, выдавая 10 МВт. Затем она претерпела модернизацию, и усовершенствованный приемник, работающий теперь на расплавленных солях и теплоаккумулирующая система стали значительно эффективней.

Это привело к тому, что башенные электростанции с теплоаккумулятором ознаменовали прорыв в технологиях солнечных концентраторов: электроэнергия в такой электростанции может производиться по мере надобности, так как теплоаккумулирующая система может хранить тепло до 13 часов.

Технология расплавленной соли дает возможность сохранять солнечное тепло при температуре 550 градусов, и электроэнергия теперь может производиться в любое время суток и при любой погоде. Башенная станция «Solar Two» мощностью 10 МВт, стала прототипом промышленных электростанций такого типа. В перспективе – строительство промышленных станций мощностями от 30 до 200 МВт для крупных промышленных предприятий.

Перспективы открываются колоссальные, однако развитие тормозится из-за потребности в больших площадях, и немалой стоимости возведения башенных станций промышленных масштабов. Например, для того, чтобы разместить 100 мегаваттную башенную станцию, нужно 200 га, в то время как для атомной электростанции могущей производить 1000 мегаватт электроэнергии, нужно всего 50 га. Параболоцилиндрические станции (модульного типа) на небольшие мощности, в свою очередь, рентабельней башенных.

Таким образом, башенные и параболоцилиндрические концентраторы подходят для электростанций мощностью от 30 МВт до 200МВт, которые соединены с сетью. Модульные тарельчатые концентраторы подойдут для автономного электроснабжения сетей, которым требуется всего несколько мегаватт. Как башенные, так и тарельчатые системы дороги в производстве, однако дают весьма высокий КПД.

Как видим, параболоцилиндрические концентраторы занимают оптимальное положение в качестве наиболее перспективной из технологий солнечных концентраторов на ближайшие годы.

Источник

Солнечный концентратор

Еще со времен начала нашего тысячелетия, возможность и способы использования энергии солнечных лучей заботили самые выдающиеся умы человечества. Уже тогда люди прекрасно понимали, что небесное светило по имени Солнце, является источником излучения неисчерпаемой энергии. Однако как «приручить» и использовать его в своих интересах в то далекое время не выяснил никто. Согласно дошедшим до наших дней источникам, писатели времен античности Плутарх и Полибий, указали, что человеком, который первым собственноручно написал чертежи и собрал работающее изобретение, был Архимед.

По своей сути, изобретение мудрого греческого инженера, которое он собрал своими руками – это первый созданный на планете Земля параболический концентратор на основе солнечной энергии, принцип действия которого состоял в концентрации излучения в одном небольшом пучке.

В районе воздействия такого пучка уровень температуры мог достигать от 300 до 400 градусов Цельсия. Такой энергии, сконцентрированной на корпусе любого из кораблей римского военного флота (который в то время полностью состоял из дерева), было бы достаточно для возгорания морского судна. Сегодня можно только делать предположения насчет того, какое конкретно изобретение дал миру Архимед, но исходя из современных знаний и представлений о технологиях и достижениях в данной области энергетики, было только два возможных варианта.

Начнем с того, что само наименование, которое получило изобретение – это солнечный концентратор, такое название говорит за себя само.

Линза, выпуклая с обеих сторон – это пример простейшего концентратора

Это устройство, которое путем улавливания солнечного излучения определенным изгибом поверхности концентрирует лучи в одной точке, добиваясь кратных показателей увеличения энергии. Все мы помним из своего юного прошлого обычную линзу, выпуклую с обеих сторон – это пример простейшего концентратора. В солнечную погоду, регулируя своими руками угол падения излучения солнца, можно было выжечь на деревянной поверхности или на бумаге все, что приходило в голову, любую фигуру или надпись.

Такая линза принадлежит к группе рефракторных концентраторов. В дополнение к выпуклым линзам, к этой же группе концентраторов относят и линзы Френеля, представляющие собой призму. Длиннофокусные концентраторы собираются с использованием так называемых линейных линз. Такие концентраторы очень недорогие и их легко собрать своими руками, не прибегая к помощи квалифицированного инженера (если вы решите это сделать, в сети закачано достаточное количество видео, запрос – homemade solar reflector). Однако в практике они используются совсем нечасто, одна из причин этого – их довольно крупные габариты. Такие концентраторы, в том числе и самодельные, применяют в тех местах, где сделать это позволяют площади и занимаемое ими пространство, не являющимися критичным для его обладателя.

Линза Френеля размером примерно с альбомный лист

Такой недостаток отсутствует у призменного концентратора солнечного излучения. Кроме того, это оборудование может частично концентрировать и часть диффузионного излучения, тем самым в значительной мере увеличивая мощность создаваемого энергетического лучевого потока. Трехгранная призма, с применением которой строится данный механизм, одновременно осуществляет функции и инициатора излучения точки концентрации луча, и приема этого излучения. В дополнение ко всему задняя грань многогранника отражает поток энергии принятого передней гранью солнечного излучения, а боковая грань отвечает за выдачу излучения. В принципе работы этого оборудования заложен механизм максимального отражающего воздействия на солнечные лучи до момента их попадания на боковую грань.

Рефлекторный солнечный концентратор solar в сравнении с рефракторными функционирует путем объединения энергии пучка отраженной солнечной радиации. Исходя из формы конструкции, такие концентраторы делятся на подвиды и называются параболоцилиндрическими и параболическими. Если разбираться в показателях коэффициента полезного действия этих устройств, то самым мощным источником энергии будет параболический концентратор, он выдает до 10 тысяч единиц концентрации.

Параболический концентратор выдает до 10 тысяч единиц концентрации

Однако для создания энергетических солнечных систем теплоснабжения (особенно для отопления зимой) в большей степени прибегают к установке параболоцилиндрических или плоских устройств, к тому же такую систему легко монтировать и своими руками.

Солнечные концентраторы их практическое использование и применение

В принципе, главная функция солнечных концентраторов любой конструкции – это сбор поступающего от солнца излучения и его сосредоточение в одной точке. Определить область применения данной энергии – выбор хозяина этого оборудования. Используя совершенно бесплатную и возобновляемую энергию, можно разогревать воду для хозяйственных нужд и нужд гигиены. Количество нагреваемой воды будет зависеть только от размеров тарелки и общей конструкции концентратора. Параболические концентраторы небольших размеров могут быть использованы в качестве печи для приготовления продуктов, которая будет работать исключительно на сконцентрированной солнечной радиации.

Зимой концентраторы можно применить в качестве дополнительного источника солнечного света для фотоэлектрических солнечных батарей, тем самым повышая их выходную мощность в условиях недостатка солнечного излучения.

Параболические концентраторы могут быть использованы в качестве печи для приготовления продуктов

На самом деле применение в целях повышения эффективности кристаллических батарей – довольно неплохая идея, учитывая невысокую стоимость концентраторов. Тем более что патент на такую конструкцию вам не понадобится. Получится своеобразная система электроснабжения homemade solar.

Возможно также применение устройства как автономного источника энергии для двигателя Стирлинга (патент на такой двигатель его изобретателем был получен уже очень давно). Концентраторы группы параболических создают в точке сбора солнечных лучей температуру в диапазоне от 300 до 400 °C.

Если в область концентрации лучей, идущих от сравнительно небольшой тарелки, поставить металлическую подставку для посуды и поместить на нее чайник, без проблем можно вскипятить воду без использования электричества. Разместив нагреватель в точке концентрации энергии, вы довольно быстро разогреете и проточную воду в достаточно больших объемах для дальнейшего использования в хозяйственных нуждах. Сможете полить огород, помыть посуду, принять душ.

Разместив в фокусе луча правильно подобранный по мощности двигатель Стирлинга, вы получите небольшую тепловую и электрическую станцию.

Двигатели Стирлинга созданы для того, чтобы работать в паре с солнечным концентратором

К примеру, одна компания под названием Qnergy разработала и зарегистрировала патент, запустив в серийное производство двигатели Стирлинга QB-3500, которые созданы специально для того, чтобы работать в паре с солнечным концентратором solar reflector. По своей сути такое устройство можно считать генератором электрического тока, где основную функцию выполняет двигатель Стирлинга. Отметим, что такая система также требует наличия аккумуляторных батарей для накапливания полученной энергии. Такая электростанция осуществляет выработку электрического тока мощностью 3500 Вт. Инвертор на выходе выдает стандартное напряжение в 220 вольт, частотой 50 Гц. Такой мощности электрического тока вам хватит для полного обеспечения нужд дома, в котором проживает семья из четырех человек. Эффективно применение подобных батарей и для дачного дома. Установленный на вашем участке концентратор будет иметь внешний вид спутниковой антенны, не нарушая внешнюю эстетику.

Кстати, одним из производителей был зарегистрирован патент устройства, где, применяя принцип работы двигателя Стирлинга, можно создать систему, которая в своей основе будет эксплуатировать поступательно-возвратное или вращательное движение (не требует установки аккумуляторных батарей). Как пример такой системы можно привести водяной насос для колодца или других целей.

Параболический концентратор нужно систематически поворачивать за лучами солнца по мере вращения земли в течение суток

Главный недостаток, которым обладает параболический концентратор – это то, что за ним надо систематически следить, поворачивая его за лучами солнца по мере вращения земли в течение суток. Там, где концентраторы применяются на крупных тепловых станциях в промышленных масштабах, к группе батарей дополнительно монтируют специальные системы слежения за движением солнца. Такие системы поворачивают зеркала вслед за его перемещением. Тем самым гарантируется постоянный и эффективный прием поступающей солнечной радиации под самым эффективным углом. Но применение такого оборудования в частном порядке, скорее всего, будет не очень целесообразным, ввиду того, что затраты на приобретение будут значительно большими, чем стоимость стандартного рефлектора на треножном креплении.

Как сделать концентратор солнечного излучения самому?

Для изучения данного вопроса можно обратиться к опыту изобретателя из Владивостока Юрия Рылова, имеющего патент на созданную им отопительную систему. Уже на протяжении долгого времени его большой загородный дом, общая площадь которого составляет более 400 квадратных метров, полностью обогревается на основе системы батарей, где теплоноситель разогревается солнечным концентратором.

Концентратор Юрия Рылова работает более чем в два раза эффективней солнечных батарей

Всю систему, на которую он в результате получил патент, умелец разработал сам. Его концентратор работает более чем в два раза эффективней солнечных батарей.

Для этого есть ряд причин, одна из них – это система концентраторов, на которую изобретатель получил патент, она аккумулирует энергию практически всего поступающего спектра солнечной радиации. Следующая причина в том, что система была дополнена механизмом слежения за солнцем (учитывая область применения оборудования в данном случае, это может быть оправданным).

Однако с внедрением системы в массовое производство возникли проблемы. Под созданное устройство уже более чем пять лет назад изобретателем был получен патент Российской Федерации, но до настоящего времени оно не получило широкого промышленного распространения. Это довольно странно, так как со слов Рылова, его концентратор позволяет обогревать подъезд дома в пять этажей, обеспечивая его горячей водой. За восемь часов работы оборудование разогревает кубометр воды. За это же время концентратор выдаст 80 кВт электроэнергии. В дополнение изобретатель столкнулся с проблемой защиты интеллектуальной собственности на территории России. Заниматься закреплением права собственности на свое устройство в тех странах, где возможно наладить такое производство, надо самостоятельно, чиновники не помогают получить патент за границей.

Самый легкий способ для сборки собственного самодельного концентратора – это сделать его на основе старой спутниковой тарелки

Итак, самый легкий способ для сборки собственного самодельного концентратора – это сделать его на основе старой спутниковой тарелки. До начала сборки механизма определитесь с целями его применения, после чего выберите место установки концентратора. Хорошенько вычистите антенну и на рабочую сторону прикрепите отражающую пленку.

Для ровной укладки пленки и во избежание возможного появления складок, разрежьте пленку на полоски, размером не больше пятидесяти миллиметров. Если вы надумали применять концентратор в роли печи, использующей солнечное излучение, будет лучше, когда в центральной части тарелки вы проделаете отверстие около 70 миллиметров диаметром. Через него пропустите крепление емкости с пищей. Приспособление гарантирует фиксированное положение тары с разогреваемым объектом во время разворотов устройства за солнцем.

Если в вашем распоряжении только тарелка с малым диаметром, здесь стоит нарезать ленту полосками по 100 миллиметров. Каждую полоску необходимо клеить отдельно, внимательно и аккуратно выравнивая стыки.

Самодельный солнечный концентратор, поверхность которого покрыта кусочками отражающей серебряной плёнки

Когда вы закончите оклейку отражающего элемента, определите, где находится точка концентрации лучей. Это надо сделать потому, что форма тарелки зачастую не гарантирует совпадения точки фокуса и места расположения головки приема сигнала.

Самодельная печь концентратор на солнечном излучении

Для начала стоит выявить место концентрации, для этого оденьте солнцезащитные очки. Возьмите деревянную доску и плотные варежки. Направьте отражатель в сторону солнца и сфокусируйте пойманные лучи на доске, далее регулируйте расстояние пока не получите максимально эффективный, концентрированный пучок энергии, делайте это до тех пор, пока не получите его самый малый размер. Одетые вами варежки предохранят кожу рук от солнечного ожога, если вы случайно подставите руки в зону фокуса лучей. После того как вы определите точку концентрации, вам останется только зафиксировать конструкцию и закончить ее монтаж в оптимальное место. Как говорят в кругах изобретателей: «Остается только получить патент». Пользуйтесь результатами своего труда, получая неиссякаемый и бесплатный источник энергии.

Двигатель Стирлинга можно собрать, используя подручные, распространенные материалы

Существует множество вариантов изготовления концентраторов на основе солнечного излучения. Таким же образом вы сможете сами, используя подручные, распространенные материалы, собрать двигатель Стирлинга (это действительно возможно, хоть, на первый взгляд, и кажется недостижимым), а уж использовать возможности этого двигателя для самых разных целей вы сможете на протяжении длительного времени. Все ограничения зависят только от вашего терпения и наличия фантазии.

Источник