(Канада) разработала универсальный, мощный, эффективный и один из самых экономичных солнечных параболических концентраторов (CSP - Concentrated Solar Power) диаметром 7 метров, как для обычных домовладельцев, так и для промышленного использования. Компания специализируется на производстве механических устройств, оптики и электронной техники, что помогло ей создать конкурентный продукт.
По оценке самого производителя, солнечный концентратор SolarBeam 7M превосходит другие типы солнечных устройств: плоских солнечных коллекторов, вакуумных коллекторов, солнечных концентраторов типа «желоб».
Внешний вид солнечного концентратора Solarbeam
Как это работает?
Автоматика солнечного концентратора отслеживает движение солнца в 2-ух плоскостях и направляет зеркало точно на солнце, позволяя системе собирать максимальную солнечную энергию с рассвета до позднего заката. Независимо от сезона или места использования, SolarBeam поддерживает точность наведения на солнце до 0,1 градуса.
Падающие на солнечный концентратор лучи фокусируются в одной точке.
Расчеты и проектирование SolarBeam 7M
Стресс - тестирование
Для проектирования системы использовались методы 3D моделирования и программного стресс-тестирования. Тесты выполняются по методике МКЭ (анализ Методом Конечных Элементов) для расчета напряжений и перемещений деталей и узлов под воздействием внутренних и внешних нагрузок, чтобы оптимизировать и проверить конструкцию. Такое точное тестирование позволяет утверждать, что SolarBeam может работать в условиях экстремальных нагрузок от ветра и климатических условий. SolarBeam успешно прошел моделирование ветровой нагрузки до 160 км/час (44 м/с).
Стресс -тестирование соединения рамы параболического отражателя и стойки
Фотография узла крепления концентратора Solarbeam
Стресс-тестирование стойки солнечного концентратора
Уровень производства
Часто, высокая стоимость изготовления параболических концентраторов препятствуют их массовому использованию в индивидуальном строительстве. Использование штампов и больших сегментов из светоотражающего материала, сократили производственные издержки. Solartron использовал много инноваций, используемых в автомобильной промышленности, для уменьшения стоимости и увеличения объема выпускаемой продукции.
Надежность
SolarBeam был протестирован в суровых условиях севера, обеспечивает высокую производительность и долговечность. SolarBeam разработан для любых состояний погоды, в том числе высокой и низкой температуры окружающей среды, снеговой нагрузки, обледенения и сильных ветров. Система предназначена для 20 -ти и более лет эксплуатации с минимальным техническим обслуживанием.
Параболическое зеркало SolarBeam 7M способновы удержать до 475 кг льда. Это примерно равно 12,2 мм толщине ледяного покрова по всей площади 38,5 м2.
Установка штатно работает в снегопады из-за изогнутой конструкции зеркальных секторов и способности автоматически выполнять «авто очистку от снега».
Производительность (сравнение с вакуумными и плоскими коллекторами)
Q / A = F’(τα)en Kθb(θ) Gb + F’(τα)en Kθd Gd -c6 u G* - c1 (tm-ta) - c2 (tm-ta)2 – c5 dtm/dt
Эффективность для не-концентрирующих солнечных коллекторов была рассчитана по следующей формуле:
Efficiency = F Collector Efficiency – (Slope*Delta T)/G Solar Radiation
Кривая производительности для SolarBeam концентратора показывает общую высокую эффективность во всем диапазоне температур. Плоские солнечные коллекторы и вакуумированные показывают более низкую эффективность, когда требуются более высокие температуры.
Сравнительные графики Solartron и плоских/вакуумных солнечных коллекторов
Эффективность (КПД) Solartron в зависимости от разности температур dT
Важно отметить, что приведенная выше диаграмма не учитывает потери тепла от ветра. Кроме того, приведенные выше данные указывают максимальную эффективность (в полдень) и не отражает эффективность в течении для. Данные приведены для одного из самых лучших плоских и вакуумных коллекторов. В дополнение к высокой эффективности, SolarBeamTM производит дополнительно до 30% больше энергии, из-за отслеживания солнца по двум осям. В географических регионах, где преобладают низкие температуры, эффективность у плоских и вакуумированных коллекторов значительно снижается из-за большой площади поглотителя. SolarBeamTM имеет абсорбер площадью только 0,0625 м2 относительно площади сбора энергии 15,8 м2, чем достигаются низкие потери тепла.
Обратите внимание также, что в связи с применением двухосевой системы слежения, SolarBeamTM концентратор всегда будет работать с максимальной эффективностью. Эффективная площадь коллектора SolarBeam всегда равна фактическая площадь поверхности зеркала. Плоские (неподвижные) коллекторы теряют потенциальную энергию согласно уравнения ниже:
PL = 1 – COS i
где PL потери в энергии в %, от максимальной при смещении в градусах)
Система управления
Управления SolarBeam использует технологию «EZ-SunLock». С помощью этой технологии, система может быть быстро установлена и настроена в любой точке земли. Система слежения отслеживает солнце с точностью до 0,1 градуса и использует астрономический алгоритм. Система имеет возможность общей диспетчеризации через удаленные сети.
Нештатные ситуации, при которых «тарелка» автоматически будет припаркована в безопасное положение.
- Если давление теплоносителя в контуре упадет ниже 7 PSI
- При скорости ветра более 75км/ч
- В случае отключения электроэнергии, ИБП (источник бесперебойного питания) перемещает тарелку в безопасное положение. Когда питание возобновляется, автоматическое слежение за солнцем продолжается.
Мониторинг
В любом случае, и особенно для промышленного применения, очень важно знать состояние вашей системы для обеспечения надежности. Вы должны быть предупреждены прежде, чем возникнет проблема.
SolarBeam имеет возможность осуществлять мониторинг через удаленную панель мониторинга SolarBeam . Эта панель проста в использовании и предоставляет важную информацию о статусе SolarBeam, диагностику и информацию о производстве энергии.
Удаленная настройка и управление
SolarBeam можно дистанционно настраивать и оперативно менять установки. «Тарелкой» можно управлять дистанционно с помощью мобильного браузера или ПК, упрощающие или делающие ненужными системы управления на месте установки.
Оповещения
В случае тревоги или необходимости обслуживания, устройство посылает сообщение по электронной почте назначенному обслуживающему персоналу. Все предупреждения могут быть настроены в соответствии пользовательскими предпочтениями.
Диагностика
SolarBeam имеет возможности удаленой диагностики: температуры и давления в системе, производство энергии и т.д. С первого взгляда вы видите статус работы системы.
Отчетность и графики
В случае необходимости получения отчетов по производству энергии, они могут быть легко получены для каждой «тарелки». Отчет может быть в виде графика или таблицы.
Монтаж
SolarBeam 7М изначально был разработан для крупномасштабных CSP установок, поэтому монтаж сделали максимально простым. Конструкция позволяет быстро собрать основные компоненты и не требует оптической юстировки, что делает монтаж и запуск системы недорогим.
Время монтажа
Бригада из 3 человек, может установить один SolarBeam 7М от начала до конца в течение 8 часов.
Требования к размещению
Ширина SolarBeam 7М составляет 7 метров с 3,5 метровым отступом. При установке нескольких SolarBeam 7М, на каждую систему необходимо отвести площадь примерно 10 х 20 метров, чтобы обеспечить максимальный солнечный сбор с наименьшим количеством затенения.
Сборка
Параболический концентратор спроектирован для возможности сборки на земле с использованием механической системы подъема, что позволяет быстро и легко установить фермы, зеркальные сектора и крепления.
Области применения
Получение электроэнергии с помощью установок ORC (Organic Rankine Cycle).
Установки промышленного опреснения воды
Тепловую энергию для завода по опреснению воды может поставлять SolarBeam
В любой промышленности, где требуется много тепловой энергии для технологического цикла, таких как:
- Пищевая (варка, стерилизация, получение спирта, мойка)
- Химическая промышленность
- Пластиковая (Нагрев, вытяжка, сепарация, …)
- Текстильная (отбеливание, стирка, прессование, парообработка)
- Нефтяная (возгонка, осветление нефтепродуктов)
- И многое другое
Место установки
Подходящим местом для установки являются регионы, получающие не менее 2000 кВт*ч солнечного света на м2 в год (кВт*ч/м2/год). Наиболее перспективными производители считаю следующие регионы мира:
- Регионы бывшего Советского Союза
- Юго-Западный США
- Центральная и Южная Америка
- Северная и Южная Африка
- Австралия
- средиземноморские страны Европы
- Средний Восток
- Пустынные равнины Индии и Пакистане
- Регионы Китая
Спецификация модели Solarbeam-7M
- Пиковая мощность - 31,5кВт (при мощности 1000Вт/м2)
- Степень концентрации энергии - более 1200 раз (пятно 18см)
- Максимальная температура в фокусе - 800°С
- Максимальная температура теплоносителя - 270°С
- Эксплуатационная эффективность - 82%
- Диаметр рефлектора - 7м
- Площадь параболического зеркала - 38,5м2
- Фокусное расстояние - 3,8м
- Потребление электроэнергии сервомоторами - 48W+48W / 24В
- Скорость ветра при работе - до 75км/ч (20м/с)
- Скорость ветра (в безопасном режиме) - до 160 км/ч
- Отслеживание солнца по азимуту - 360°
- Отслеживание солнца по вертикали - 0 - 115°
- Высота опоры - 3,5м
- Вес отражателя - 476 кг
- Общий вес -1083 кг
- Размер абсорбера - 25,4 х 25,4 см
- Площадь абсорбера -645 см2
- Объем теплоносителя в абсорбере - 0,55 литра
Габаритные размеры рефлектора
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.
Это было устройство, которое посредством неких приспособлений на основе оптики концентрировало излучение солнечной радиации в один мощный поток. Впоследствии изобретение было применено для уничтожения имперского флота римлян, прибывшего с захватническими целями.
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.
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.
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.
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:
- Линзы или отражатели, которые применяются в качестве концентратора солнечных лучей.
- Конструкция основания, на которой крепятся линзы или отражатели.
- Тепловоспринимающий элемент, в качестве которого часто выступает солнечный коллектор.
- Трубопроводы, которые подводят и отводят теплоноситель.
- Механизм привода системы слежения. Данный механизм в большинстве случаев включает:
— Электронный блок преобразования сигналов.
— Датчик направления на Солнце.
— Электродвигатель с редуктором, который поворачивает конструкцию солнечного концентратора в двух плоскостях.
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:
- Параболоцилиндрические концентраторы, которые фокусируют солнечное излучение на трубах с маслом или водой
- Гелиоцентрические установки башенного типа.
- Специальные параболические зеркала.
Солнечное излучение в определенных моделях концентраторов может концентрироваться:
- В фокусной точке.
- Вдоль фокальной линии, в которой находится приемник.
Все выглядит следующим образом:
- Достижение в концентраторах высоких температур обеспечивается путем отражения излучения солнца с большей поверхности на более мелкую поверхность приемника- абсорбера.
- Жидкость-теплоноситель, который проходит через приемник, максимально поглощает тепло и переносит его к потребителю.
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:
- Параболические солнечные концентраторы.
- Параболоцилиндрические концентраторы.
- Солнечные башни.
- Концентраторы на сферических линзах.
- Концентраторы на линзах Френеля, то есть плоских линзах.
Солнечные концентраторы также классифицируют на следующие виды:
- Сильно концентрирующие (Кс≥100) и слабо концентрирующие (Кс<100). Это зависит от уровня повышения плотности излучения, либо степени его концентрации.
- Селективные и неселективные системы, то есть по степени воздействия сконцентрированного излучения на спектральные характеристики.
- Преломляющие (линзовые) и отражающие (зеркальные) системы — по характеру взаимодействия солнечных лучей с
оптическими элементами солнечных концентраторов. - Без слежения, экваториальная, азимутально-зенитальная система – по схеме слежения за солнцем.
- Одно- и многоэлементные системы — по числу оптических элементов, которые последовательно участвуют в процессе концентрирования излучения.
- Со следящим приемником, со следящим отражателем – по методу слежения за солнцем.
- жидкостным или воздушно-конвективным отводом тепла – по методу отвода тепла.
Особенности
- Излучение солнца в одних концентраторах фокусируется в фокусной точке, в других — вдоль фокальной линии, где и располагается приемник. При отражении излучения с большей поверхности на меньшую, достигается высокая температура приемника, это тепло отводится теплоносителем.
- Эффективность концентраторов существенно снижается в период облачности, так как фокусируется только прямое солнечное излучение. В связи с этим подобные системы имеют высокий КПД в регионах, где особенно высок уровень инсоляции: в районе экватора и пустынях. Для повышения эффективности применения солнечного излучения, концентраторы часто оснащаются следящими системами, которые обеспечивают точную ориентацию на солнце.
- Так как стоимость солнечных концентраторов довольно высока, а следящие системы нуждаются в периодическом обслуживании, в большинстве случаев их применение ограничено промышленными системами электрической генерации. К тому же подобные установки могут применяться в гибридных системах, к примеру, в совокупности с углеводородным топливом. В этом случае аккумулирующая система обеспечит уменьшение себестоимости выдаваемого электричества.
Применение
- Параболоцилиндрические солнечные концентраторы и башни оптимально работают в структуре крупных систем, соединенных с сетью электростанций, имеющих мощность 30-200 МВт.
- Системы тарельчатого типа выполнены из модулей, они могут применяться в автономных установках и группах, имеющих общую мощность в несколько мегаватт.
Параболоцилиндрические солнечные концентраторы на текущий момент являются одной из наиболее развитых солнечных энергетических технологий. Вероятнее всего, что именно они в ближайшей перспективе будут использоваться в промышленности. Благодаря эффективной теплоаккумулирующей способности станции башенного типа также могут стать станциями недалекого будущего. Благодаря модульному характеру «тарелок» они могут применяться в небольших установках.
«Тарелки» и башни позволяют обеспечить более высоких значений КПД при получении энергии меньшей стоимости. Однако это требует значительного снижения капитальных затрат. В настоящее время только параболические концентраторы уже апробированы и в скором времени будут усовершенствованы. Башенные солнечные концентраторы требуют демонстрации эксплуатационной надежности и эффективности. Для систем тарельчатого типа нужна разработка недорого концентратора и создание коммерческого двигателя.
Параболические концентраторы
Преимущества — опробованная технология.
Недостатки:
- Высокие затраты.
- Низкая температура теплоносителя.
- Нужен ультраплоский ландшафт.
Башни
Преимущества:
- Более высокая эффективность.
- Более высокая температура.
- Ниже стоимость энергии.
- Не нужен ультраплоский ландшафт.
Недостатки:
- Высокая цена.
- Малая распространенность.
Солнечные концентраторы с линейными отражателями Френеля
Преимущества:
- Низкая стоимость энергии.
- Простой дизайн.
Климат средней полосы России не балует ее жителей обилием прямого солнечного света. Абсолютно ясных солнечных дней в течении года бывает немного. В основном же как правило переменная облачность, когда солнце появляется на десяток – другой минут, а затем на это же время прячется за облаками и интенсивность солнечной тепловой энергии резко падает.
Все это крайне неблагоприятно сказывается на перспективах использования солнечной энергии для организации горячего водоснабжения на даче или в загородном доме. Солнечные коллекторы и водонагреватели традиционной конфигурации просто физически неспособны эффективно нагревать воду. Потому что они основаны на принципе непрерывной циркуляции воды из накопительного бака в солнечный коллектор и обратно. И небольшой по площади солнечный коллектор площадью в 1-2 кв. метра не способен быстро нагреть большой объем воды в несколько сот литров. Это легко доказывается простейшими расчетами.
Практически единственным выходом организовать действительно надежное горячее водоснабжение от солнечной энергии служит построение концентрирующего солнечного коллектора с малым объемом воды, нагреваемой в каждую единицу времени. Логика тут достаточно простая.
На каждый квадратный метр поверхности падает примерно 800-1000 Ватт солнечной энергии. Возьмем нижнее значение (с учетом отражения от самого солнечного коллектора, оно, увы не нулевое). Итак, теплотворность нашего «кипятильника» 800 Ватт (или 2900 КДж). Теплоемкость воды равна 4,2 Кдж/кг*град. Теперь вспомним, за какое время электрический чайник в 1,5 КВт мощности доводить те 1,5 литра воды, что в нем помещается, до кипения. За считанные минуты! А если заставить его кипятить бочку воды? Он ее только нагревать будет часа 3-4.
С другой стороны, нам не нужна целая бочка горячей воды и сразу. Нам в каждую минуту времени надо 2-3 литра всего. Умыться, посуду помыть… И напрашивается следующая схема нагревания воды. Относительно маломощным «чайником» мы быстро нагреваем 1-2 литра воды и сливаем ее в термос. Затем нагреваем следующую порцию и снова сливаем в термос и так далее. А для своих нужд мы используем ее из термоса. Т.е. делаем проточный водонагреватель с накоплением результата его работы. Такой он будет проточно-накопительный.
Такая схема значительно снижает требования по мощности собственно нагревателя и в тоже время позволит иметь достаточно большой запас горячей воды в несколько десятков литров.
Посудите сами, даже в течении 10-15 минут, когда светит солнце, мы получим около 200 Ватт-часов энергии от солнца. Это эквивалентно 720 КДж. Что позволит нагреть до 50-60 градусов примерно 4-5 литров воды (почти полведра, межлу прочим). В следующий «выход» солнца — еще 5 литров, потом еще. И так далее в течении всего дня.
Причем чем меньше будет емкость нашего нагревателя, тем эффективнее он будет использовать солнечную энергию. Он будет ухитряться выхватывать солнечное тепло даже если оно будет выскакивать всего на несколько минут! Как говорится, с паршивой овцы хоть шерсти клок. А уже если оно будет долгим, такой нагреватель превратится в кипятильник.
Сделать такой малоёмкий солнечный коллектор можно двумя способами. Первый — сделать очень плоский классический коллектор максимально большой площади. Например, толщиной в 1-2-3 см всего и площадью в 1-1,5 кв. метра. Но его емкость будет около 20-40 литров! Особо маленьким его не назвать. И что бы нагреть всю эту воду потребуется как минимум час солнца.
Второй вариант — сделать концентрирующий параболический солнечный коллектор примерно такой же площади и с емкостью 2-3 литра! Тогда вода в нем будет нагреваться всего за 5-8 минут! Всего полчаса солнца — и у нас целое ведро достаточно горячей воды! Более того, концентрирующий коллектор способен собирать и рассеянную солнечную энергию, когда лучи рассеиваются дымкой и облаками.
Теперь перейдем к конструкции. Многих пугает слово «параболический» и они думают, что сделать параболический концентратор сложно. На самом деле, сделать параболическое зеркало сможет даже школьник. К тому же концентрирующий коллектор гораздо проще даже в физическом плане. Не надо «заморачиваться» огромной и ломкой плоской «канистрой». Добиваться ее абсолютной герметичности, жесткости, обеспечивать минимальное гидродинамическое сопротивление и т.д. В параболическом солнечном водонагревателе – коллектор — простой плоский готовый металлический профиль или труба! Надо только сделать заглушки на торцы и врезать пару футорок для ввода – вывода воды. Вся остальная арматура и в в том и другом случае будет одинаковая. Само же параболическое зеркало делается из обыкновенной фанеры и оклеивается обычной бытовой фольгой для запекания. Коэффициент ее отражения ИК-лучей составляет 90-95 %!
Существует достаточно простой способ для построения параболы. На листе фанеры мы рисуем прямой угол. Затем, по одной стороне мы наносим отметки через 1 единицу измерения (например через 100 мм, на рисунке – это буквы). А по другой — через 2 единицы (т.е через 200 мм, на рисунке это цифры). Затем соединяем отметки линиями а1, б2, в3 и т.д. Образующиеся пересечения линий и дадут нам искомую параболу. Ее естественно надо сгладить при помощи лекала. И разумеется, это только половинка параболы, которая нам нужна. Вторая — зеркальное отражение.
Теперь, как может выглядеть концентрический параболический солнечный водонагреватель.
Ну примерно так.
Вода в коллектор – нагреватель поступает под небольшим давлением из напорного бака. А на выходе коллектора установлен клапан – термостат. Аналогичный по действию тому, что устанавливается в контурах охлаждения автомобилей. Т.е. он открывается тогда, когда вода нагревается до определенной температуры. Когда порция воды, находящаяся в коллекторе нагреется, термостат открывается и вода сливается в баки термосы. Как только вся горячая вода сольется и начнет идти прохладная вода, то термостат тут же закроется и коллектор начнет греть следующую порцию.
Что бы зря не пропадало место позади параболического зеркала, баки – термосы установлены в свободных нишах и тщательно теплоизолированы. Хотя, как понимаете, это всего лишь вариант их расположения. Их можно установить в любом удобном месте, но важно тщательно утеплить трубу, ведущую к ним от коллектора.
Вообще говоря, параболическое зеркало имеет не просто фокус, куда направляются все отраженные лучи, а так называемую фокальную плоскость. Потому что если лучи падают на параболическое зеркало не перпендикулярно, то и отражаться они будут не по центру параболы. Поэтому в устройствах с параболическими зеркалами делают гелиотрекеры, которые всегда поворачивают параболическое зеркало строго на солнце либо перемещают коллектор по фокальной плоскости (что на мой взгляд, проще).
В садово-дачных условиях это, к сожалению, серьезно усложняет конструкцию концентрирующего солнечного коллектора. Либо придется ставить какую то автоматику, либо самом периодически, вручную, разворачивать параболическое зеркало строго на солнце.
Определённым решением в этом случае может служить не горизонтальное, а вертикальное расположение параболического зеркала. Ведь солнце достаточно быстро перемещается по горизонтали, и очень медленно по вертикали. Поэтому, если сделать достаточно вытянутую параболу и расположить коллектор в ее фокальной плоскости, то несколько часов подряд на коллектор будет падать весь объем отраженной солнечной энергии. А регулировку по вертикали придется делать лишь раз в неделю-две, в зависимости от угла солнца над горизонтом.
Но конечно, самым эффективным решением будет изготовление гелиотрекера, поворачивающего параболическое зеркало непосредственно на солнце.
Внимание! Если вы будете реализовывать подобный проект, ни в коем случае не пробуйте температуру в зоне коллектора рукой, «на ощупь»!!! Температура в зоне нагрева достигает 200-300 градусов! Это все равно, что пробовать на ощупь спираль электроплитки. Во время моих экспериментов деревяшка, внесенная в зону нагрева бесшумно вспыхивала практически мгновенно. Довольно мистическое зрелище, кстати.
Константин Тимошенко
Задать свои вопросы и обсудить конструкцию вы можете на