Солнечный коллектор зеркальный: Дешёвый солнечный концентратор и парообразователь на Arduino. Зеркала и пар с температурой до 250°C

Содержание

Солнечный коллектор для отопления дома и подогрева воды

Может ли обычный человек без валютных сбережений сделать отопление в своем доме и подогрев воды в нем от солнечного коллектора? Может — если возьмется изготовить его своими руками! Галопирующая инфляция, стремительный рост цен на газ и электроэнергию — все настойчивей и с каждым днем ​​все громче говорят, что только безрукий и безголовый будет платить по безмерно раздутым тарифам. Есть бесплатная солнечная энергия! Промышленные солнечные панели еще достаточно дорогие, дороги промышленно изготовленные солнечные коллекторы, однако украинский ученый и изобретатель Сергей Юрко предложил технологию изготовления (автор называет свою конструкцию коллектором-концентратором) с себестоимостью 4-5 евро за квадратный метр площади коллектора. При площади зеркал 30 м2, которой достаточно для отопления небольшого дома, стоимость изготовления составит 200-300 евро, такую ​​сумму обычный человек может инвестировать, следовательно, дело только за простым подробным руководством.

В Интернете Сергей Юрко разместил много видеоматериалов о реализации своей технологии (на них ниже будут сделаны ссылки), однако детального текстового их изложения и анализа автор этой статьи не нашел и попытается сделать такое в данной и следующих статьях.

Солнечный коллектор-концентратор для дома Сергея Юрко. Основные тезисы

 

Рис. 1. Дом, отапливаемый теплом аккумулятора солнечной станции.

Вот такой украинский дом полностью отапливается (также в нем подогревается вода) с начала февраля и до начала декабря Миргородской солнечной станцией Сергея Юрко площадью 29 кв. м. (после возведения еще нескольких рядов и увеличения объема теплового аккумулятора будет покрываться 40-70% потребности в тепле в феврале-январе, оставшаяся часть в это время года будут покрываться газом). Заметим, что для установки зеркал такой площади нужны несколько сотых земли.

Принцип работы

Солнечные зеркала коллектора, который расположен по оси восток-запад, отражают солнечные лучи и фокусируют их на абсорбере.

Отраженные солнечные лучи нагревают шесть металлических труб, по которым циркулирует обычная вода. Когда светит солнце, нагреваются 3.5 тонны воды в тепловом аккумуляторе. Когда солнце заходит, автоматика выключает насос, в результате чего вся вода автоматически выходит из труб в тепловой аккумулятор. Вода нагревается до очень высоких температур.

Рис. 2. Общий вид. Невысокое желто-голубое здание за конструкцией — тепловой аккумулятор.

Возможным вариантом является земляной тепловой аккумулятор (этот вариант на практике не проверялся).

Примерно раз в неделю необходимо делать перестройку зеркал для лучшей фокусировки лучей солнца.

С целью облегчения плановой замены частей и последующей модернизации конструкция сделана разборной и состоит из 9 секций-частей.

Возможны два варианта работы: низкотемпературный, с рабочей температурой воды 80-100 градусов Цельсия и стоимостью 4-5 евро за кв. м. и высокотемпературный с рабочей температурой воды около 300 градусов.

Рис. 3. Секция солнечного коллектора для отопления дома

Составные части конструкции:

  • зеркало,
  • рычаг;
  • устройство для перенастройки;
  • щит изогнутый отражающий;
  • колья крепления к земле;
  • корпус абсорбера;
  • стык секций абсорбера;
  • трубы абсорбера;
  • пленка абсорбера.
Краткое описание этих частей конструкции

1. Зеркало. Состоит из зеркальной пленки (точное название пленки — «металлизированная пленка лавсановая односторонняя», толщина 20 мкм, выпускается в г. Шостка), наклеенной с помощью 8 дорожек клея (обычная полиуретановая пена) на лист пенополистирола толщиной 2 см и плотностью М15. В процессе наклеивания пленки лист пенополистирола и само зеркало приобретают кривую (цилиндрическую, параболическую) форму. Но главная причина того, что зеркало имеет нужную форму, состоит в надлежащей форме Рычагов и изогнутых отражающих Щитов.

Рис. 4. Зеркало

2. Рычаг. Эта деталь предназначена для длительного использования (10-20 лет) и требует точности при изготовлении (погрешность высоты в пределах 1-4 мм), если точность не будет соблюдена, зеркало будет плохо фокусировать. Ниже показано фото рычага.

Рис. 5. Рычаг.

3. Устройство для перестройки конструкции. Деталь длительного использования (10-20 лет). Делается из высушенной сосны и имеет металлические детали.

Рис. 6. Устройство для перенастройки.

4. Щит изогнутый, отражающий. Работает под сильными ветровыми нагрузками, рассчитан на 6-12 лет использования, служит креплением для зеркала площадью 1.6 кв. м. При его изготовлении используется пенополистирол (два листа по 1м х 0.81м, толщина 3 см, М25), сосновые рейки и полиуретановая пена.

Рис. 7. Щит отражающий

5. Колья. Нужны для крепления конструкции. Изготавливаются из просушенной древесины, просачиваются (пропитываются) железным купоросом или другим антисептиком.

Рис. 8. Колья.

6. Секция корпуса абсорбера и Пленка абсорбера. Абсорбер аккумулирует энергию отраженных зеркалом солнечных лучей и передает на тепловой аккумулятор (нагревает воду в аккумуляторе до температуры 80-90 градусов Цельсия). Секция корпуса — деталь длительного использования (10-20 лет), Пленка меняется каждые 6-24 месяцев.

Секция изготавливается из сосновых реек 20х40 мм, минеральной ваты толщиной 5 см и листа оцинкованной стали толщиной 0.3 мм и размерами 50см х 200см.

Рис. 9. Секция абсорбера

7. Стык секций абсорбера (15-30 лет использования). Материалы: деревянные рейки, стальная лента, металлический стержень.

Рис. 10. Стык секций абсорбера.

8. Трубы абсорбера. Металлические трубы (по ним циркулирует теплоноситель) длиной 6 метров (внешний диаметр до 25 мм, внутренний не менее 10 мм) проходят через три секции абсорбера и соединяются между собой резиновыми шлангами. При изготовлении нужны также прямоугольники алюминиевой фольги 205см х 20см и высокотемпературная краска.

Рис. 11. Трубы абсорбера.

9. Пленка абсорбера. Используется обычная прозрачная полиэтиленовая пленка.

Рис. 12. Пленка абсорбера.

Подробнее об изготовлении составных частей солнечного коллектора для отопления дома будет сказано в следующих статьях. В качестве иллюстраций использованы кадры из видео и изображения из документации по изготовлению коллектора, предоставленные Сергеем Юрко. Ниже приведены несколько ссылок на видео, размещенное на TouTube:

https://www.youtube.com/watch?v=gN7M-bX5rR4

https://www.youtube.com/watch?v=gjKt7_L34f0

Электронная почта Сергея Юрко: [email protected] .

Скорее всего по тем или иным моментам будут вопросы, поэтому, прежде чем обращаться к Сергею Юрко, настоятельно советую сначала просмотреть видео, выложенное в Интернете, чтобы не забрасывать работающего человека вопросами, на которые легко можно найти ответы самому.

Самодельный солнечный концентратор из зеркальный пленки. Солнечный концентратор своими руками. Отопление дома солнечным коллектором, изготовленным своими руками Солнечный концентратор своими руками чертежи

Проблема использования солнечной энергии с древних времен занимала лучшие умы человечества. Было понятно, что Солнце – это мощнейший источник даровой энергии, но как эту энергию использовать, не понимал никто. Если верить античным писателям Плутарху и Полибию, то первым человеком, практически использовавшим солнечную энергию, был Архимед, который с помощью изобретенных им неких оптических устройств сумел собрать солнечные лучи в мощный пучок и сжечь римский флот.

В сущности, устройство, изобретенное великим греком, представляло собой первый концентратор солнечного излучения, который собрал солнечные лучи в один энергетический пучок. И в фокусе этого концентратора температура могла достигать 300°С — 400°С, что вполне достаточно для того, чтобы воспламенить деревянные суда римского флота. Можно только догадываться, какое именно устройство изобрел Архимед, хотя, по современным представлениям, вариантов у него было всего два.

Уже само наименование устройства – солнечный концентратор – говорит само за себя. Этот прибор принимает солнечные лучи и собирает их в единый энергетический пучок. Самый простой концентратор всем знаком из детства. Это обычная двояковыпуклая линза, которой можно было выжигать различные фигурки, надписи, даже целые картинки, когда солнечные лучи собирались такой линзой в маленькую точку на деревянной доске, листе бумаги.

Эта линза относится к так называемым рефракторным концентраторам. Кроме выпуклых линз к этому классу концентраторов относятся также линзы Френеля, призмы. Длиннофокусные концентраторы, построенные на основе линейных линз Френеля, несмотря на свою дешевизну, практически используются очень мало, так как обладают большими размерами. Их применение оправдано там, где габариты концентратора не являются критичными.

Рефракторный солнечный концентратор

Этого недостатка лишен призменный концентратор солнечного излучения. Более того, такое устройство способно концентрировать также и часть диффузного излучения, что значительно повышает мощность светового пучка. Трехгранная призма, на основе которой построен такой концентратор, является и приемником излучения и источником энергетического пучка. При этом передняя грань призмы принимает излучение, задняя грань – отражает, а из боковой грани уже выходит излучение. В основу работы такого устройства заложен принцип полного внутреннего отражения лучей до того, как они попадут на боковую грань призмы.

В отличие от рефракторных, рефлекторные концентраторы работают по принципу сбора в энергетический пучок отраженного солнечного света. По своей конструкции они подразделяются на плоские, параболические и параболоцилиндрические концентраторы. Если говорить об эффективности каждого из этих типов, то наивысшую степень концентрации – до 10000 – дают параболические концентраторы. Но для построения систем солнечного теплоснабжения используются в основном плоские или параболоцилиндрические системы.


Параболические (рефлекторные) солнечные концентраторы

Практическое применение солнечных концентраторов

Собственно, основная задача любого солнечного концентратора – собрать излучение солнца в единый энергетический пучок. А уж воспользоваться этой энергией можно различными путями. Можно даровой энергией нагревать воду, причем, количество нагретой воды будет определяться размерами и конструкцией концентратора. Небольшие параболические устройства можно использовать в качестве солнечной печи для приготовления пищи.


Параболический концентратор в качестве солнечной печи

Можно использовать их для дополнительного освещения солнечных батарей, чтобы повысить выходную мощность. А можно использовать в качестве внешнего источника тепла для двигателей Стирлинга. Параболический концентратор обеспечивает в фокусе температуру порядка 300°С – 400°С. Если в фокусе такого сравнительно небольшого зеркала поместить, например, подставку для чайника, сковороды, то получится солнечная печь, на которой очень быстро можно приготовить пищу, вскипятить воду. Помещенный в фокусе нагреватель с теплоносителем позволит достаточно быстро нагревать даже проточную воду, которую затем можно использовать в хозяйственных целях, например, для душа, мытья посуды.


Простейшая схем нагрева воды солнечным концентратором

Если в фокусе параболического зеркала поместить подходящий по мощности двигатель Стирлинга, то можно получить небольшую тепловую электростанцию. Например, фирма Qnergy разработала и пустила в серию двигатели Стирлинга QB-3500, которые предназначены для работы с солнечными концентраторами. В сущности, правильнее было бы их назвать генераторами электрического тока на базе двигателей Стирлинга. Этот агрегат вырабатывает электрический ток мощностью 3500 ватт. На выходе инвертора – стандартное напряжение 220 вольт 50 герц. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить электричеством дом для семьи из 4 человек, дачу.

Кстати, используя принцип работы двигателей Стирлинга, многие умельцы своими руками делают устройства, в которых используется вращательное или возвратно-поступательное движение. Например, водяные насосы для дачи.

Основной недостаток параболического концентратора заключается в том, что он должен быть постоянно ориентирован на солнце. В промышленных гелиевых установках применяются специальные системы слежения, которые поворачивают зеркала или рефракторы вслед за движением солнца, обеспечивая тем самым прием и концентрацию максимального количества солнечной энергии. Для индивидуального использования вряд ли будет целесообразным применять подобные следящие устройства, так как их стоимость может значительно превышать стоимость простого рефлектора на обычной треноге.

Как сделать самому солнечный концентратор

Самый простой способ для изготовления самодельного солнечного концентратора – это использовать старую тарелку от спутниковой антенны. Вначале нужно определиться, для каких целей будет использоваться этот концентратор, а затем, исходя из этого, выбрать место установки и подготовить соответствующим образом основание и крепления. Тщательно вымыть антенну, высушить, на приемную сторону тарелки наклеить зеркальную пленку.

Для того, чтобы пленка легла ровно, без морщин и складок, ее следует разрезать на полоски шириной не более 3 – 5 сантиметров. Если предполагается использовать концентратор в качестве солнечной печи, то рекомендуется в центре тарелки вырезать отверстие диаметром примерно в 5 – 7 сантиметров. Через это отверстие будет пропущен кронштейн с подставкой для посуды (конфоркой). Это обеспечит неподвижность емкости с приготовляемой едой при повороте рефлектора на солнце.

Если тарелка небольшого диаметра, то рекомендуется еще и полоски разрезать на кусочки длиной примерно по 10 см. Наклеивать каждый кусочек отдельно, тщательно подгоняя стыки. Когда отражатель будет готов, его следует установить на опору. После этого нужно будет определить точку фокуса, так как точка оптического фокуса у тарелки спутниковой антенны не всегда совпадает с позицией приемной головки.


Самодельный солнечный концентратор – печь

Чтобы определить точку фокуса, необходимо вооружиться темными очками, деревянной дощечкой и толстыми перчатками. Затем нужно направить зеркало прямо на солнце, поймать на дощечку солнечный зайчик и, приближая или удаляя дощечку относительно зеркала, найти точку, где этот зайчик будет иметь минимальные размеры – небольшую точку. Перчатки нужны для того, чтобы уберечь руки от ожога, если они случайно попадут в зону действия луча. Ну, а когда точка фокуса будет найдена, ее останется только зафиксировать и монтировать необходимое оборудование.

Вариантов самостоятельного изготовления солнечных концентратором существует множество. Точно так же самому из подручных материалов можно смастерить и двигатель Стирлинга. А уж использовать этот двигатель можно для самых различных целей. На сколько хватит фантазии, желания и терпения.

Опубліковано 09.08.2013

Альтернативная энергетика интересует все большее количество великих умов. Я – не исключение. 🙂

Все началось с простого вопроса: “А можно ли бесколлекторный двигатель превратить в генератор?”
-Можно. А зачем?
-Сделать ветрогенератор.

Ветряк для выработки электроэнергии – не совсем удобное решение. Переменная сила ветра, зарядные устройства, аккумуляторы, инверторы, много не копеечного оборудования. В упрощенной схеме ветряк на «отлично» справляется с подогревом воды. Ибо нагрузка – тен, а он абсолютно не требователен к параметрам подаваемой на него электроэнергии. Можно избавиться от сложной дорогой электроники. Но расчеты показали значительные затраты на конструкцию, чтобы раскрутить генератор 500 Ватт.
Мощность, которую несет в себе ветер, рассчитывается по формуле P=0,6*S*V 3 , где:
P – мощность, Ватт
S – площадь, м 2
V – скорость ветра, м/с

Ветер, дующий на 1 м2 со скоростью 2 м/с «несет» в себе энергию 4,8 Ватт. Если скорость ветра увеличится до 10 м/с, то мощность возрастет до 600 Ватт. У самых лучших ветрогенераторов КПД 40-45%. С учетом этого для генератора мощностью 500 Ватт при ветре, скажем 5 м/с. Потребуется площадь, ометаемая винтом ветрогенератора, около 12 кв. м. Что соответствует винту диаметром почти 4 метра! Много денег – мало толку. Добавить сюда необходимость получения разрешения (ограничение по шумности). Кстати, в некоторых странах установку ветряка нужно согласовывать даже с орнитологами.

Но тут я вспомнили о Солнышке! Оно нам дарит очень много энергии. Об этом я впервые задумался после полета над замерзшим водохранилищем. Когда увидел массу льда толщиной более метра и размерами 15 на 50 километров, я подумал: “Это же сколько льда! Сколько его надо греть, чтобы расплавить!?” И все это сделает Солнце за полтора десятка дней. В справочниках можно найти плотность энергии, которая достигает поверхности земли. Цифра около 1 киловатт на метр квадратный звучит заманчиво. Но это на экваторе в ясный день. Насколько реально утилизировать солнечную энергию для хозяйственных нужд в наших широтах (центральная часть Украины), используя доступные материалы?

Какую реальную мощность, с учетом всех потерь, можно получить с оного квадратного метра?

Для выяснения этого вопроса я сделал первый параболический тепловой концентратор из картона (фокус в чаше параболы). Выкройку из секторов оклеил обычной пищевой фольгой. Понятно, что качество поверхности, да и отражающие способности фольги, очень далеки от идеала.

Но задача стояла именно “колхозными” методами нагреть определенный объем воды, чтобы выяснить какую мощность можно получить с учетом всех потерь. Выкройку можно рассчитать с помощью файла Exel который я нашел на просторах интернета у любителей самостоятельно строить параболические антенны.
Зная объем воды, её теплоемкость, начальную и конечную температуру можно рассчитать количество тепла, затраченного на ее нагрев. А, зная время нагрева, можно вычислить мощность. Зная габариты концентратора, можно определить какую практическую мощность можно получить с одного квадратного метра поверхности, на которую падает солнечный свет.

В качестве объема для воды была взята половинка алюминиевой банки, выкрашенная снаружи в черный цвет.

Емкость с водой помещается в фокус параболического солнечного концентратора. Солнечный концентратор ориентируется на Солнце.

Эксперимент №1

проводился около 7 часов утра в конце мая. Утро – далеко не идеальное время, но как раз утром в окно моей “лаборатории” светит Солнце.

При диаметре параболы 0.31 м расчеты показали, что была получена мощность порядка 13,3 Ватт . Т.е. как минимум 177 Ватт/м.кв. Тут следует отметить, что круглая открытая банка далеко не самый лучший вариант для получения хорошего результата. Часть энергии уходит на нагрев самой банки, часть излучается в окружающую среду, в том числе уносится потоками воздуха. В общем, даже в таких далеких от идеала условиях можно хоть что-то получить.

Эксперимент №2

Для второго эксперимента была сделана парабола диаметром 0.6 м . В качестве ее зеркала использовался металлизированный скотч, купленный в строительном магазине. Его отражающие качества незначительно лучше алюминиевой пищевой фольги.


Парабола имела большее фокусное расстояние (фокус за пределами чаши параболы).

Это дало возможность спроецировать лучи на одну поверхность нагревателя и получать в фокусе большую температуру. Парабола без труда прожигает лист бумаги за несколько секунд. Эксперимент проводился около 7 часов утра в начале июня. По результатам эксперимента с тем же объемом воды и той же тарой получил мощность 28 Ватт ., что соответствует примерно 102 Ватт/м.кв . Это меньше, чем в первом эксперименте. Это объясняется тем, что солнечные лучи от параболы ложилось на круглую поверхность банки не везде оптимально. Часть лучей проходили мимо, часть падали по касательной. Банка охлаждалась свежим утренним ветерком с одной стороны, в то время как подогревалась с другой. В первом эксперименте за счет того, что фокус был внутри чаши, банка прогревалась со всех сторон.

Эксперимент №3

Поняв, что достойный результат можно получить, сделав правильный теплоприемник, была изготовлена следующая конструкция: банка из жести внутри выкрашена в черный цвет имеет патрубки для подвода и отвода воды. Герметично закрыта прозрачным двойным стеклом. Термоизолирована.



Общая схема такова:

Нагрев происходит следующим образом: лучи от солнечного концентратора (1 ) через стекло проникают внутрь банки теплоприемника (2 ), где, попадая на черную поверхность, нагревают ее. Вода, соприкасаясь с поверхностью банки, поглощает тепло. Стекло плохо пропускает инфракрасное (тепловое) излучение, поэтому потери на излучение тепла минимизированы. Поскольку со временем стекло прогревается теплой водой, и начинает излучать тепло, было применено двойное остекление. Идеальный вариант, если между стеклами будет вакуум, но это труднодостижимая задача в домашних условиях. С обратной стороны банка теплоизолирована пенопластом, что также ограничивает излучение тепловой энергии в окружающую среду.

Теплоприемник (2 ) с помощью трубок (4,5 ) подключается к бачку (3 ) (в моем случае пластиковая бутылка). Дно бачка находится на 0.3м выше нагревателя. Такая конструкция обеспечивает конвекцию (самоциркуляцию) воды в системе.

В идеале расширительный бак и трубки должны быть тоже термоизолированы. Эксперимент проводился около 7 часов утра в середине июня. Результаты эксперимента таковы: Мощность 96.8 Ватт , что соответствует примерно 342 Ватт/м. кв.

Т.е. эффективность системы улучшилась более, чем в 3 раза только за счет оптимизации конструкции теплоприемника!

При проведении экспериментов 1,2,3 нацеливание параболы на солнце делалось вручную, «наглазок». Парабола и нагревательные элементы удерживались руками. Т.е. нагреватель не всегда был в фокусе параболы, поскольку руки человека устают и начинают искать более удобное положение, которое не всегда правильное с технической точки зрения.

Как вы могли заметить, с моей стороны были приложены усилия для обеспечения отвратительных условий для проведения эксперимента. Далеко не идеальные условия, а именно:
– не идеальная поверхность концентраторов
– не идеальные отражающие свойства поверхностей концентраторов
– не идеальное ориентирование на солнце
– не идеальное положение нагревателя
– не идеальное время для эксперимента (утро)

не смогли помешать получить вполне приемлемый результат для установки из подручных материалов.

Эксперимент №4

Далее нагревательный элемент был закреплен неподвижно относительно солнечного концентратора. Это позволило поднять мощность до 118 Ватт , что соответствует примерно 419 Ватт/м.кв . И это в утренние часы! С 7 до 8 утра!

Существуют и другие методы нагрева воды, с помощью Солнечных коллекторов. Коллекторы с вакуумными трубками дороги, а плоские имеют большие температурные потери в холодное время года. Применение солнечных концентраторов может решить эти проблемы, однако требует реализации механизма ориентирования на Солнце. В каждом способе есть как преимущества, так и недостатки.

Солнечную энергию можно собирать и использовать разными способами. Один из самых простых и эффективных — зеркальный рефлектор и концентратор. Его не сложно изготовить своими руками.

Рефлектор отражает солнечные лучи и концентрирует их на ёмкости с водой. Та нагревается и вскипает, выдавая струю пара. Конструкция устройства довольно проста, главное — чтобы зеркала автоматически поворачивались на нужный угол и следили за Солнцем.

Полученный пар направляем, например, в духовой шкаф для приготовления пищи, по трубам на обогрева дома, в турбину для генерации электроэнергии, в двигатель, холодильник и т. д. На самом деле, если посмотреть на какой-нибудь производственный процесс, то почти любую его часть можно перевести на пар.

Самодельный парогенератор Solar-OSE на линейных зеркалах с управлением от платы Arduino на французской конференции мейкеров POC21 , посвящённой самодельным экологическим проектам.

Недавно авторы выложили в открытый доступ под лицензией Creative Commons инструкцию по сборке устройства. Такой компактный прибор на 1 кВт отлично подходит для малого бизнеса, особенно в сельской местности. Если объединить несколько модулей, то мощность повышается в несколько раз.

По оценке мейкеров, стоимость всех деталей парогенератора составит примерно $2000, но есть разные варианты экономии.

Примерное время сборки: 150 часов. Одна неделя, три человека.

В инструкции приводится полный список и размеры всех материалов, а также необходимые для работы инструменты.

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

Задача солнечного концентратора – сфокусировать солнечные лучи на емкости с теплоносителем , которым могут выступать, например, масло или вода, хорошо поглощающие солнечную энергию. Методы концентрации бывают разными: параболоцилиндрические концентраторы, параболические зеркала, или гелиоцентрические установки башенного типа.

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.


– 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.

В солнечных электростанциях башенного типа с центральным приемником, солнечное излучение фокусируется на приемник, который расположен в верхней части башни . Вокруг башни в большом количестве расставлены отражатели-гелиостаты . Гелиостаты снабжены двуосной системе слежения за солнцем, благодаря которой они всегда повернуты так, что лучи неподвижно сконцентрированы на теплоприемнике.

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.

(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

Солнечные коллекторы.

Какие они бывают?

Классический солнечный коллектор представляет собой металлические пластины черного цвета, установленные на крыше дома. Цвет и положение коллектора предполагает максимальное поглощение и накапливание солнечной энергии. Эти металлические пластины помещаются в корпус, изготовленный из стекла или пластмассы. Наклон к южной стороне, при установке позволит увеличить количество поглощаемой радиации. Проще говоря, солнечный коллектор – это миниатюрная теплица, которая накапливает солнечную энергию под стеклянной панелью. Солнечная радиация распределяется по поверхности равномерно, по этому, чем больше площадь коллектора, тем больше энергии будет поглощено.

На сегодняшний день солнечная энергетика развита достаточно обширно, это дает возможность устанавливать солнечные панели различных комплектаций и размеров. Этот аспект позволяет солнечным коллекторам обеспечивать хозяйственные нужды человека, такие как отопление и снабжение горячей водой.

К примеру, существует несколько отдельных видов солнечных коллекторов, которые различаются, в зависимости от температуры, до которой они способны достигать:

  • Коллекторы низких температур. Такие коллекторы дают достаточно низкие температуры – не выше 50 С. Такие коллекторы, широко применяются для подогрева воды в бассейнах, и в других случаях, когда не требуется слишком высокая температура воды.
  • Коллекторы средних температур. Такой тип коллекторов способен нагревать воду от 50 до 80 С. Зачастую, такой коллектор представляет собой плоскую остекленную пластину, в которой с помощью жидкости происходит теплопередача или же это коллекторы-концентраторы. В последних тепло концентрируется и может использоваться для нагрева воды в жилых секторах.Представлен коллектор-концентратор, в большинстве случаев, вакуумированным трубчатым коллектором
  • Коллектор высоких температур. Зачастую имеют форму параболических тарелок. Такое устройство, в большинстве случаев используется большими предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей

Интегрированный коллектор

Накопительный интегрированный коллектор

На данный момент одним из самых простых видов солнечных коллектором является емкостной коллектор, который еще называются термосифонным коллектором. Такое название, данный генератор получил за счет того, что он одновременно может и аккумулировать тепло и хранить определенное, уже нагретое, количество воды. Такие коллекторы, зачастую используются для начального нагрева воды, которая впоследствии нагревается до необходимой температуры стандартными установками (газовыми, электрическими колонками и т.д.). Такой метод позволяет экономить на потреблении электричества, за счет того, что в бак котла поступает уже подогретая вода.

Рассмотрим основные плюсы такого вида коллекторов. Первое – это, конечно же, экономия на электричестве. Второе – это возможность использовать достаточно дешевую альтернативу солнечной водонагревательной системе. Третьим плюсом стоит отметить простоту использования коллектора – минимум технического обслуживания, за счет отсутствия в нем движущихся частей (насосов и прочего).

Такие коллекторы бывают также «Integrated Collector and Storage», или, проще говоря, интегрированными коллекторами-накопителями. Такой вид коллектора, зачастую представлен одним или несколькими баками, которые заполнены водой. Эти баки помещаются в теплоизоляционный ящик и накрываются стеклянной крышкой. Порою, в этот же ящик помещаются прибор-рефлектор, который позволяет увеличивать солнечное излучение. Принцип действия данного устройства достаточно прост – солнечный свет, проходя через стекло, нагревает воду. Такая простота функционирования обуславливает достаточно не большую цену самого устройства. Однако стоит помнить, что в холодное время года, воду стоит защищать от замерзания, или же сливать.

Плоские коллекторы

Такие коллекторы, пожалуй, самые популярные для использования в бытовых условиях, для нагрева воды и в отопительных системах. Внешне, такое устройство выглядит как обычный металлический ящик. Однако внутри него находиться черная платина, которая поглощает солнечный свет. Крышка у этого ящика должна быть в обязательном порядке, стеклянной или пластмассовой, дабы лучше пропускать солнечную энергию.

Остекление плоского солнечного коллектора может быть прозрачным или матовым. Зачастую, все же, отдается предпочтение матовому остеклению, поскольку такое стекло позволяет пропускать только свет. А также, содержание железа в стекле должно быть очень низким, что бы позволить пропускать большую часть поступающего света, в коллектор. Принцип действия заключается в том, что солнечный свет, попадая на пластину, тепловоспринимающую пластину, которая и вырабатывает тепло. Стекло служит теплоизоляцией, а для повышения КПД коллектора, его стенки прокладывают теплоизолятором. Такая конструкция, позволяет снизить тепловые потери до минимума.

Пластина абсорбента, или же пластина, поглощающая солнечный свет, зачастую окрашена в черный цвет, дабы увеличить количество поглощаемой солнечной энергии, ведь тот факт, то темные тела притягивают ее больше – ни для кого не секрет. Проходя через стекло, и попадая на поглощающую пластину, солнечная радиация превращается в тепловую энергию. Далее, чтобы продолжить процесс, полученное тепло передается тепловому носителю. Тепловым носителем может выступать воздух или жидкость, которые циркулируют в трубах. К сожалению, даже полностью черные поверхности, способны отражать около 10% солнечной радиации, падающей на нее. Дабы избежать этого, абсорбирующие пластины покрываются дополнительно специальным покрытием, которое призвано удерживать солнечный свет попадающие на пластину. Такое покрытие служит дольше обычной краски и позволяет повысить КПД коллектора. В состав такого селективного покрытия входит слой аморфного полупроводника, который наноситься на металлическое основание пластины.

Абсорбирующие пластины изготавливаются из металла, который наилучшим образом проводит тепло. Высокий уровень теплопроводности металла позволит уменьшить теплопотери при передаче переработанной энергии теплоносителю. К списку таких металлов можно причислить медь и алюминий. Разница между ними заключается в том, что медная пластина способна лучше проводить тепло, и более устойчива к коррозиям, в отличии от алюминиевой пластины.


Плоские солнечные коллекторы бывают жидкостными или воздушными. А в зависимости от наличия остекления, и тот и другой вид бывает как остекленным, так и не остекленным.

Жидкостные коллекторы

В солнечных коллекторах этого типа, теплоносителем выступает жидкость. Солнечная энергия, перерабатывается в поглощающей пластине в тепло, и передается жидкости, которая течет по трубам, прикрепленным к пластине. Эти трубы могут идти параллельно друг другу, но на каждой, в обязательном порядке должно быть входное и выходное отверстие. Существует возможность расположение труб в виде змеевика. Такое положение уменьшает количество соединительных отверстий, что, в свою очередь, снижает вероятность протекания. Таким образом, змеевидное расположение обеспечивает более равномерный поток жидкости-теплоносителя. Однако, могут возникать сложности при спуске жидкости перед похолоданием, поскольку в изгибах трубы может остаться жидкость.

Простые системы жидкостных солнечных коллекторов предполагают использование обычной воды, которая сразу же, нагреваясь в коллекторе, поступает пользователю. Такие модели называют «разомкнутыми» или «прямыми» системами. Однако применение таких коллекторов неудобно в регионах с низким температурным режимом. Поскольку, при снижении температуры ниже точки замерзания – необходимо сливать воду. В этот период систему использовать невозможно. Альтернативой является использование незамерзающих жидкостей вместо воды. Этот вид системы жидкостных солнечных коллекторов использует жидкие теплоноситель, который, поглощая тепло, направляется в теплообменник. Зачастую теплообменником является водяной бак, конструкция которого предполагает передачу тепла воде. Такую систему называют «замкнутой» или «непрямой».

Остекление жидкостных коллекторов позволяет нагревать воду для бытовых нужд, и для отопления дома, поскольку их КПД выше, чем у неостекленных аналогов. Неостекленные коллекторы, зачастую используют для нагрева воды в бассейнах. В последних приборах не требуется нагревать температуру до высоких температур. Это позволяет использовать менее дорогие материалы, такие как пластмасса и резина.

Воздушные коллекторы

Теплоносителем в воздушных коллекторах выступает воздух, а он не замерзает и не кипит, в отличие от воды. Этот факт позволяет избежать проблем, которым подвержены жидкостные коллекторы. К тому же, утечка в системе воздушных коллекторов приносит намного меньше трудностей, хотя, конечно же, обнаружить ее достаточно сложно. Стоит помнить, что перед материалами, используемыми в воздушных солнечных коллекторах, не стоят особо сложные эксплуатационные задачи. По этому, в воздушных системах возможно использование более дешевых материалов.

Конструкция воздушных коллекторов, представляет собой сочетание плоских коллекторов. Такой прибор используется в основном для просушки сельскохозяйственной продукции, или же для отопления помещений. Металлические панели и многослойные неметаллические экраны могут послужить поглощающими пластинами в конструкции воздушных коллекторов. Теплоноситель проходит через стенки поглотителя с помощью естественной конвекции, или с помощью специального вентилятора.

Теплопроводимость воздуха, на порядок хуже, чем проводимость тепла, жидкостью. По этому, поглотитель получает значительно меньше тепла от воздуха, чем от жидкости. Вентилятор, присоединенный к поглощающей пластине, позволяет увеличить поток воздуха, таким образом, улучшая теплоотдачу. Однако и в этой конструкции есть свои недостатки. Для работы вентиляторов, необходимо дополнительно использовать электроэнергию, а это, в свою очередь увеличивает затраты на работу системы. В условиях холодного климата, необходимо направлять воздух между поглощающей пластиной и утепленной стенкой коллектора, это позволяет избежать потерь тепла. Но не стоит применять такою циркуляцию, если, все же, воздух в помещении, нагревается на 17 С больше, чем воздух на улице. В этом случае, воздух может спокойно циркулировать без потерь эффективности.

Поговорим о достоинствах воздушных коллекторов. В первую очередь – это простота и надежность. Воздушные коллекторы имеют достаточно простое устройство, благодаря этому снижается уровень необходимости технического обслуживания, при этом увеличивая их безусловную надежность. При достойных условиях эксплуатации, срок службы качественного воздушного коллектора колеблется от 10 до 20 лет. За счет того, что теплоносителем выступает воздух, исключается необходимость использования теплообменника и термоизоляции в холодное время года.

Однако не все так красочно, в сфере солнечных воздухонагревателей. Все дело в том, что применение таких установок распространено исключительно для отопления помещений и просушки сельскохозяйственной продукции, причем, в основном, в развивающих странах. Причиной этому стало то, что существуют некоторые ограничения, для использования в промышленных условиях. Начнем с того, что по сравнению с жидкостными, воздушные коллекторы занимают достаточно большую площадь, за счет низкого уровня удельной теплоемкости. К тому же, требуется оборудовать длинный воздуховод для эффективной работы коллектора. И самая главная трудность – это необходимость использования электроэнергии для прогонки воздуха через функциональные части коллектора. Еще иногда встречаются сложности с аккумулированием самой теплоты. Все эти проблемы, даже в регионах с достаточным количеством солнечных дней, приводит к значительному увеличению стоимости на эксплуатацию и установку воздушных коллекторов.

Принцип действия солнечных коллекторов

Элементарный воздушный коллектор

Воздушные солнечные коллекторы делятся на две группы, в зависимости от способа циркуляции воздуха. В самом простейшем случае, поток теплоносителя (воздуха) в коллекторе проходит как раз под поглотителем. Таким образом, данный коллектор позволяет повысить температуру воздуха, не больше чем на 3-5 С. Причиной такого низкого КПД является потери тепла на конвекцию и излучение.

Любой прозрачный материал, с низкой проводимостью инфракрасного излучения, позволяет снижать уровень теплопотерь, при накрывании им поглотителя. Все дело в том, что поток воздуха, образовывается или под поглотителем, или между поглотителем и данным прозрачным покрытием. Прозрачная крышка (из особого стекла или пластмассы) позволяет не на много снижать уровень излучения тепла с поглотителя. Однако, это снижение конвективных тепловых потерь, может позволить увеличить температуру до 20-50 С. Но и этот параметр будет зависеть от интенсивности солнечной энергии попадающей в коллектор и качества воздушного потока. Как плюс к этому всему, наблюдается, также снижение тепловых потерь на излучение, за счет снижения температуры поглотителя. Но стоит помнит, что при этом происходит еще и снижение возможности абсорбента поглощать энергию, за счет его запыления, в том случае, если поток воздуха проходит с обеих сторон.

Накрытый поглотитель в воздушном коллекторе

Отказ от остекления металлического ящика и теплоизоляции, в некоторых случаях, позволяет существенно снижать затраты. Дело в том, что изготовляется такой коллектор из перфорированного металла черно цвета. Такой материал позволяет улучшать качество теплообмена. Принцип этого процесса заключается в том, что этот металл нагревается достаточно быстро, а вмонтированный вентилятор втягивает теплый воздух, через отверстия в металлических листах. Коллекторы такого типа, достаточно часто используются в жилых домах. Зачастую размеры такого прибора составляют 2,4 м?0,8 м, при этом скорость нагрева воздуха составляет 0,002 м3/с. Даже в солнечный зимний день, температура воздуха, который нагревается в коллекторе, может достигать разницы в 28 ?С по сравнению с наружным. К тому же, стоит учесть, что в значительной мере улучшается качество воздуха, поскольку нагревается непосредственно воздух, поступающий снаружи.

Одним из главных плюсов подобных коллекторов, является тот факт, что они достаточно эффективны. КПД некоторых промышленных моделей может достигать 70%. А их стоимость снижается, за счет уменьшается количество используемых материалов.

Вакуумированный солнечный коллектор

Плоские солнечные коллекторы, изначально создавались для использования в местах с большим количеством солнечной энергии. При плохой погоде, их эффективность достаточно не значительна. Холодная, ветреная, пасмурная погода – не позволяют работать таким коллекторам в полную мощь. Но и это не все – повышенная влажность в значительной мере неблагоприятно сказывается на состоянии внутренних деталей такого коллектора. А это влечет за собой уменьшение срока службы коллектора, а также ухудшение эффективности его работы. Дабы устранить такие недостатки были созданы вакуумированные солнечные коллекторы.

Современные вакуумированные солнечные коллекторы способны нагревать воду, для обеспечения хозяйственных нужд. Принцип действия такого прибора заключается в следующем: солнечная энергия, проходя через наружную трубку, попадает в поглощающую трубку, где и происходит превращение солнечной энергии в тепло. А далее, переработанное тепло передается теплоносителю (жидкости). Сам коллектор представляет собой сочетание определенного количества параллельных рядов стеклянных трубок. К каждой из этих трубок прикрепляется трубчатый поглотитель с селективным покрытием (аналог пластины-поглатителя в вышеописанных плоских коллекторах). Нагретая в коллекторе жидкость поступает в бак накопитель, и уже там отдает все полученное тепло воде.

Трубки в вакуумированном коллекторе можно менять. Добавлять или даже убирать, в зависимости от необходимости. Это позволяет называть такие коллекторы модульными. Но стоит помнить, что между трубками коллектора должен быть вакуум, что бы уменьшить потери тепла в процессе конвекции. Однако, радиационная потеря тепла остается. Уточним, что радиационная потеря тепла – это то тепло, которое идет на нагревание поверхностей рабочих частей коллектора. Но не стоит думать, что эти потери существенно повлияют на эффективность работы коллектора. Радиационная потеря достаточно мала, по этому можно уверенно считать, что рабочие характеристики вакуумированного коллектора достаточно велики.

На данный момент, создано большое количество вакуумированных коллекторов, которые имеют различные комплектации, а, следовательно, и разные эксплуатационные характеристики и особенности.

Создание вакуумированного коллектора – это достаточно сложный и трудоемкий процесс. Особенные трудности вызывает запайка оболочки коллектора. Проблема заключается в том, что по сей день не найдено достаточно эффективного метода создания эффективной высоковакуумной системы, при не больших затратах.

Стоит помнить, что такие вакуумированные коллекторы достаточно эффективны, по сравнению с обычными плоскими коллекторами. Все дело в том, что эффективность работы вакуумированного коллектора не зависит от качества радиации, т.е. как в условиях прямой, так и рассеянной радиации, данный коллектор работает одинаково эффективно. К тому же, вакуумное строение коллектора позволяет свести к минимуму потери тепла. Помимо всего вышесказанного, такие приборы достаточно долго и качественно служат, полностью обеспечивая все хозяйственные нужды человека.

Концентраторы

Фокусирующий солнечный коллектор

Концентраторы или же коллекторы отличаются от предыдущих описанных коллекторов тем, что их принцип действия заключается в концентрации солнечных лучей. Делается это за счет зеркальных поверхностей, которые направляют солнечную энергию конкретно на поглотители. Температура, которая обеспечивается концентраторами значительно выше, чем максимальная температура плоских коллекторов. Но стоит помнить, что концентраторы могут воспринимать исключительно прямую солнечную радиацию, по этому. В пасмурную погоду их использование не возможно. Такой тип коллекторов-концентраторов, особенно эффективен в регионах близких к экватору и в пустынных районах с большим количеством солнечных дней.

Для более эффективной работы концентратора, используется специальный прибор, который отслеживает направление солнечных лучей и поворачивает прибор к солнцу. В зависимости от оси, по которой может вращаться, такой коллектор различают одноосные и двуосные следящие устройства. Первые предполагают вращение устройства с востока на запад, а вторые, предполагают поворот устройства во все четыре стороны света, для того что бы точно отслеживать направление солнца в течение всего года. Данные коллекторы-концентраторы, в основном используются в промышленных условиях. Причиной этому стала достаточно большая стоимость этого устройства, а также необходимость постоянного технического обслуживания. Для бытового применения, они просто не приемлемы.

Солнечные печи и дистилляторы.

Солнечная печь

Помимо всех вышеописанных приборов, существуют также приборы, которые имеют достаточно простую структуру, и узкую сферу применения. К примеру, такие приборы могут выступать в роли солнечной печи, для приготовления пищи, или солнечного дистиллятора – прибора достаточно дешево очищающего воду любого состояния.

Поговорим про солнечные печи. Они достаточно просты, как при эксплуатации, таки при изготовлении. Солнечные печи представляют собой достаточно хорошо теплоизолированную коробку, которая покрыта материалом, отражающим свет (фольгой, например). Эта коробка накрывается стеклом и оборудована внешним отражателем. Кастрюля черного цвета послужит поглотителем, поскольку может намного быстрее нагреваться. Такие печи, можно использовать для стерилизации воды, при кипении.

Что касается солнечных дистилляторов, то они могут в результате своей работы предоставлять дистиллированную воду достаточно дешево, притом, что брать воду, можно практически из любого источника. Принцип работы солнечного дистиллятора лежит в основе процесса испарения, а сам прибор использует солнечную энергию, с целью ускорить этот процесс. За день работы, небольшой солнечный дистиллятор может произвести около 10 литров идеально чистой воды.

На данный момент солнечная энергия используется достаточно обширно. Одним из самых эффективных примеров его использования является метод нагрева воды солнечной энергией. Несколько миллионов жителей нашей планеты, уже достаточно долго и давно используют солнечные коллекторы для обеспечения своих нужд. Такие приборы достаточно эффективны, не требуют особых затрат на эксплуатацию, к тому же не приносят вреда окружающей среде.

Вакуумный коллектор AQUA «PLASMA» — Акватех

Вакуумный коллектор AQUA «PLASMA»

Новый вакуумный коллектор AQUA «PLASMA» это последовательное совершенствования разработок в отрасли гелиоэнергетики.

Для повышения производительности солнечного коллектора, AQUA «PLASMA» впервые применяется технология плазменного напыления.

1)Вакуумная трубка с Новым плазменным напылением для еще большей эффективности.

2)Высокоселективный слой абсорбера на внутренний трубке с оптимизированной кривой производительности. Для поглощения максимальной количества солнечной энергии.

3)Алюминиевый теплопроводник , для оптимальной передачи энергии от абсорбера к теплоносителю.

4)U образная трубка, изготовленная из специального сплава, для максимально эффективного переноса энергии.

5)Минеральная вата с алюминиевым ламинированием ,для предотвращения теплопотерь в регистре коллектора.

6)Регистр коллектора с системой распределительных трубопроводов ,направляет полученную солнечную энергию в буферную емкость.

7)Параболический концентратор ( CPC) с зеркальной поверхностью и новым нано покрытием ,которое защищает поверхность от атмосферных явлений. Концентратор направляет солнечные лучи на нижнюю, и боковые части вакуумной трубки.

При плазменном напылении покрытие формируется из мелких расплавленных частиц , какие переносятся на поверхность вакуумных труб и параболического зеркального концентратора для образования покрытия ,которое оптимизирует процесс преобразования солнечного света в тепловую энергию.

Антирефлекторное покрытие вакуумных трубок уменьшает отражающую способность и обеспечивает лучшее прохождение солнечных лучей через стеклянную поверхность. Новое покрытие параболического концентратора (СРС) повышает защиту зеркальной поверхности от коррозионного атмосферного воздействия и обеспечивает высокий эксплуатационный период. Новый эксклюзивный дизайн коллектора подчеркивает высокую технологичность коллектора.

Вакуумные солнечные коллектора Paradigma обеспечивают высокую эффективность в холодное время года, и при низкой солнечной активности. Требуют меньшую площадь для выработки 1 кВт чем аналоги. Благодаря использованию воды в качестве теплоносителя Вам не придется менять бойлер, солнечная установка встраивается в существующую систему.

Вакуумная трубка. Каждый солнечный коллектор оснащен рядом вакуумных трубок, которые изготовлены из специального борсиликатного стекла, что делает их невероятно стойкими с механическим повреждениям. Производитель гарантирует стойкость вакуумных трубок Paradigma от повреждения градом, и предоставляет на них пожизненную гарантию. Вакуумная трубка состоит из внутренней и внешний колбы , которые спаянны между собой.

Принцип термоса. Тепло в вакуумной трубке солнечных коллекторов Paradigma может сохраняться длительное время, так как вакуум который, содержится между трубками является лучшим теплоизолятором. Это дает возможность нагревать теплоноситель до высоких температур даже в холодную зиму.

Преобразование солнечного света в тепловую энергию. Солнечный свет попадает на экологичный и высокоселективный абсорбер, который нанесен на внутреннюю трубку вакуумной колбы , где и преобразовывается в тепловую энергию.

CPC зеркало. ( Compound Parabolic Cjncentrator). Под трубками солнечного коллектора Paradigma установлен параболичный зеркальный концентратор, его задача состоит в том, что бы направить на абсорбер как можно больше солнечных лучей. Благодаря свой форме он направляет каждый солнечный луч на вакуумную трубку под оптимальным углом. Даже слабые солнечные лучи превращаются в тепловую энергию. Зеркальный концентратор изготовлен из особого материала, который используется в NASA и изготовлен в Канаде. Поверхность зеркального концентратора покрыта специальным покрытием, выполненное по нанотехнологии. Покрытие самоочищается и сохраняет максимальную отражающую способность длительное время без дополнительного обслуживания. На параболический зеркальный концентратор для солнечных коллекторов Paradigma предоставляется гарантия 25 лет.

Технология плазменного напыления. Солнечные коллектора Paradigma достигли нового уровня продуктивности благодаря применению технологии плазменного напыления. Материал для напыления производится в Германии, а сам процесс плазменного напыления выполняется в Швейцарии. Преимущество плазменного напыления в том что оно пропускает солнечное излучение во внутрь вакуумной трубы и не дает ему возможность вырваться наружу. Это позволяет преобразовать 95% солнечного излучения в тепловую энергию.

Вакуумные коллектора Paradigma работают в высокотемпературном режиме , нагревая воду до 60С и выше , то есть Ваш коллектор работает как дополнительный котел . достигается большая производительность при меньшей площади и без применения дополнительных компонентов. Солнечные вакуумные коллектора Paradigma эффективно преобразовывают солнечные лучи в тепловую энергию , которая сразу передается в систему отопления без использования промежуточных теплообменников. Инновационная система антизамерзания позволяет использовать воду в качестве теплоносителя с минимальными потерями энергии. Принцип работы системы защищен патентом.

Технические характеристики солнечных коллекторов PARADIGMA

AQUA PLASMA   15/27 15/40 19/34 19/50
Количество трубок шт 14 21 14 21
Годовая продуктивность Solar Keymark кВт 1729 2590 2227 3340
Размеры:(В*Ш*Г) мм 1,641х1,628х110 1,641х2,433х110 2,058х1,628х110 2,058х2,433х110
Площадь м2 2,67 3,99 3,35 5,01
AQUA STAR   15/26 15/39 19/33 19/49
Количество трубок шт 14 21 14 21
Годовая продуктивность Solar Keymark кВт 1545 2301 1989 2984
Размеры:(В*Ш*Г) мм 1,616х1,627х122 1,616х2,432х122 2,033х1,627х122 2,033х2,432х122
Площадь м2 2,63 3,93 3,31 4,94

Годовая производительность по результатам теста Solar Keymark,в зависимости от площади и средней температуры 50 ° С и 75 ° С.

  AQUA PLASMA 19/34
  CPC 30 Star azzurro
  Плоский коллектор ( ближайший конкурент)

Солнечный коллектор — это… Что такое Солнечный коллектор?

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.[1]

Типы солнечных коллекторов

Плоские

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурит). Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.[2]

При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—200 °C.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение «запаса мощности» по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой)[источник не указан 51 день] Используется также аллюминиевый экран. [2]

Вакуумные

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора

Теплоноситель (вода, воздух или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе и баке-аккумуляторе, который располагается выше.

В более сложном варианте коллектор имеет свой контур, заполненный водой или антифризом. В контур включается насос для циркуляции теплоносителя. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания.

В тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно, температуру воды на нужном уровне поддерживает дополнительный электрический нагревательный элемент, который устанавливают за баком-аккумулятором. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.[1]

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов

Вакуумные трубчатые Плоские высокоселлективные
+ +
Низкие теплопотери Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до -30С Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
Неспособность к самоочистке от снега Высокие тепло потери
Относительно высокая начальная стоимость проекта Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20° Сложность монтажа связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы

Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы представляют собой чаще всего простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом, избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности. Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов. Коллекторы предназначены для обогрева помещений в условиях достаточной солнечной освещенности и при отсутствии (или параллельно с ними) других источников энергии (таких как газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо). Коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции.

Применение

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[3]

В России

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии – до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел. На Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., в Германии 140 м²/1000 чел.

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляет­ся, в основном, в Красно­дарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.[4]

Солнечные башни

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту[5].

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C[6].

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Параболические концентраторы

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга [7].

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 % [8].

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Линзы Френеля

Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.

Распространение

В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт[9]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.[10]

Примечания

См. также

Ссылки

Литература

  • А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
  • Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
  • Солнечный душ\\Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 №1, стр 131
  • Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990

Делаем зеркало своими руками для телескопа. Зеркальные концентраторы, повышающие кпд, для солнечных коллекторов. Я знаю: Солнечный концентратор своими руками

Do-it-yourself / DIY

Вы видели, сколько сейчас стоит рефлектор с зеркалом диаметром в 18 дюймов (почти 46 см)?
Поэтому мой парк безумных инженерных идей пополняется новым пунктом!

Для создания зеркала нам понадобится много плексигласа или нехрупкого (т.н. вязкого) стекла. Чтобы подобрать материал — надо хорошенько заморочиться, да. Также понадобится три-четыре мощных и точных сервопривода с контроллерами, Arduino и немого радиодеталей. Далее нужен материал для станины, корпуса станка и поворотных деталей. Ну и самое главное — ручная фреза, подходящая для обработки выбранного материала.

Идея в том, чтобы при помощи закрепленной на вращающейся штанге фрезы наносить концентрические канавки с уменьшающимся радиусом и увеличивающейся глубиной при каждом новом круге. Таким образом мы получаем ступенчатую поверхность, близкую к параболоиду вращения, т.к. все изменения положения фрезы и глубины её погружения будут рассчитываться при помощи параболической функции. Далее поверхность покрывается эпоксидной смолой и при помощи быстрого вращения заготовки равномерно распределяется по поверхности, заполняя «ступеньки» и приводя поверхность к максимально близкой к параболоиду.

Основные проблемы, с которыми я точно столкнусь:

  • Точность позиционирования
  • Выбор материала и фрезы, в случае со стеклом будут сколы, а плексиглас слишком мягкий и не держит форму
  • Морока с «замазкой» ступенек эпоксидкой и финальная шлифовка
  • Нанесение отражающего слоя. (пылищща, ага)


У меня есть простой телескоп Celestron PowerSeeker 127 EQ, вот этот, на фотографии выше. Мне его жена на день рождения подарила. Это был довольно спонтанный подарок вроде такого: «я не знаю, что тебе подарить, о смотри магазин, давай зайдем посмотрим». В принципе, я был очень рад такому подарку, штука очень интересная. Однако, за время его использования я понял, что мне хочется большего. У этого телескопа PowerSeeker 127EQ есть ряд существенных конструктивных недостатков о которых я по неопытности просто не догадывался. Основной недостаток — это сферическое главное зеркало и корректирующая линза к нему. Как следствие, переусложненная оптическая схема, неточности посадки корректирующей линзы, которая к тому же не высокого качества. В общем, качество наблюдаемого изображения при таком диаметре зеркала думаю могло быть и получше.

Я задумался о том, что мне нужен другой телескоп. Это нормальная ситуация. Говорят, что какой бы не был у любителя телескоп, он всегда мечтает о лучшем. И тут возникает вопрос: купить или сделать самому? Ответ на самом деле неочевиден. Купить наверняка проще, а может быть и дешевле? Строить самому при отсутствии опыта — сложная техническая задача, не известно получится ли вообще и не понятно будет ли это дешевле, чем просто купить.

Я вступил на скользкую тропу самостоятельного телескопостроения. Далее расскажу о моих первых шагах в этом направлении, но сразу предупреждаю, что пока не ждите прочитать статью с хэппи эндом. Мне до него очень далеко (если вообще он случится).

Итак, начинать нужно с изучения теории.

По моему мнению нет ничего лучше, чем книга «Телескопы для любителей астрономии», Л.Л.Сикорук, 1982 . Несмотря на то, что книге более тридцати лет, более подробного изложения «от и до» я не встречал. Есть еще книга М. С. Навашина «Телескоп астронома-любителя «, 1979. Тоже полезно.

Кроме этих весьма полезных книг, конечно, можно и нужно посещать астрофорумы. например, вот этот . Тут можно и вопрос спросить и почитать, кто, что и как делает.

Последний приют: youtube.com. Может показаться странным, но телескопы по всему миру строят очень многие люди. Некоторые даже ведут видеоблоги и показывают процесс изготовления. Ключевые слова для поиска по ютюбу: mirror grinding.

В целом я бы сказал, что ниша любительского телескопостроения в России кажется абсолютно пустой (но это не точно). В европах и америках есть специальные магазины, которые продают и заготовки к зеркалам (mirror blanks), и шлифовальные порошки, и инструменты и комплекты для изготовления зеркал (teleskope mirror kit).

У нас сейчас, конечно, не 79-й и не 82-й год, но вот где взять заготовку к зеркалу телескопа? Или где взять шлифпорошки? Я нашел несколько оптических заводов, но похоже они абсолютно не заинтересованы в частных заказчиках. Вероятно у них главный заказчик — это государство в лице ВПК. Я хотел купить заготовку зеркала — диск диаметром 200 миллиметров и мне сказали, что он будет стоить около тридцати тысяч без пересылки. Возможно там очень качественное оптическое стекло, а я дилетант просто не понимаю (без иронии, я знаю, что где-то может потребоваться исключительное качество).

Сказать по правде за тридцать тысяч можно уже готовое большое зеркало купить где нибудь в великом Китае.

В общем я решил делать из подручных материалов, как советовал делать Сикорук в своей книге. Подручный материал — это витринное стекло (но некаленое). Мне нужно вырезать несколько дисков из стекла толщиной 10 миллиметров и потом их склеивать жидким стеклом. В своей книге Сикорук пишет и обосновывает необходимую толщину главного зеркала в зависимости от его диаметра.

Эпопея первая. Вырезание заготовки из стекла

Пошел к стекольщику и попросил его вырезать мне прямоугольные куски 10 мм стекла примерно 250х250 миллиметров, но они все должны быть из одного листа, чтобы быть уверенным в одинаковых свойствах всех заготовок.

Пошел в магазин и купил пару алюминиевых кастрюль внутренним диаметром 180 миллиметров. Именно такой я задумал делать телескоп Сказать по правде Сикорук советует делать первый телескоп не более 100 миллиметров и на нем набираться опыта, но нет, мы же умные, делаем сразу 180.

Кастрюля была распилена и к донышку прикручен груз и два торчащих болта.

Это будет фреза.

Далее идет долгий и мучительный процесс изготовления станка для вырезания заготовки. Тут пригодится двигатель от старой стиральной машинки, шкив от нее же, какой-то старый редуктор, куски фанеры, шпильки, гайки и прочая ерунда.
В целом выглядит вот так:

Крышка от кастрюли приклеена к стеклу силиконом и у нее загруты края. Она служит центрирующим элементом для моей фрезы. Фреза, ну то есть пол-кастрюли надевается сверху и приводится во вращение редуктором от мотора.

Работает эта штука вот так (мое видео):

Во время работы под края фрезы нужно постоянно подсыпать абразив. Поработало с абразивом минут пять-семь, абразив источился и перемешался с крошками стекла и алюминия. Смыть старый абразив и насыпать новый. Я потом приловчился делать все это на лету не выключая мотор. Поработало, смыл и тут же ложечкой подсыпал нового абразива.

Вот не очень удачное фото, но видно, на сколько «фреза» погрузилась в толщу стекла:

Абразив я добывал так же, как это делали наши далекие предки во времена мамонтов. У меня был кусок старого шлифовального круга. Я его дробил молотком на наковаленке.

Получившиеся кусочки еще стучал молотком, крошки собирал в баночку — получился грубый абразивный порошок. Конечно, на этом этапе такое дикарство еще допустимо, а вот дальше придется повышать культуру производства.

В итоге, один 180 миллиметровый диск из 10 миллиметрового листа на моем станке выпиливается примерно за три — три с половиной часа. Я вырезал четыре диска:

Мое богатство:

По моему плану я их склею попарно жидким стеклом, края обработаю эпоксидкой, как советует Сикорук, и у меня будет две 180 мм заготовки главного зеркала. Далее я начну их точить и, вероятно, один испорчу. Ну а второй, буду надеяться, что получится.

Я уже приобрел для этой миссии набор шлифпорошков:

А вот дальше начинается уже другая история. Нужно точить. Делается это за несколько этапов: грубая формовка-обдирка, шлифовка и далее полировка. Я честно застрял на этом этапе. Вот несколько иллюстраций из книги «Телескопы для любителей астрономии»:

Обдирка:

Шлифовка:

Типичные ошибки:

К сожалению, несмотря на подробные объяснения в книге Сикорука и из других источников, у меня нет абсолютно точного представления, как это нужно правильно делать. Проблема в том, что нужно исполнить параболу с очень высокой точностью: ошибки, бугры или ямки на главном зеркале должны быть менее 1/8 длины волны света. Точность исполнения параболы должна быть не менее 0,05 мкм.

Вот как пишет Сикорук в своей книге:

Процесс фигуризации и теневых испытаний трудно разделить на составляющие — это единый творческий процесс, где решающую роль часто играют не только знания, но и интуиция. Вообще, этот процесс настолько интересен сам по себе, что автор, например, часто не торопится с окончанием, пробуя работать и так и этак, находя большое удовольствие в процессе фигуризации, хотя, спору нет, вид совершенно плоской теневой картины — зрелище потрясающее.

В процессе полировки, по словам Дж. Маттьюсона, «всегда есть элемент мистики». Отчасти это объясняется тем, что процесс полировки во многом недостаточно изучен, но отчасти и тем, что мастеру самому часто хочется немного мистики, когда фигуризация перестает быть просто технологией, а становится в значительной степени искусством. Не зря Д. Д. Максутов говорил, что оптик предпочитает «колдовать» над самодельной смолой полировальника, не доверяя заводской смоле. (Правда, если вам представится возможность приобрести заводскую полировальную смолу, надо это сделать). Нередко успех дела решает творческий порыв, и чтобы для творчества оставалось побольше времени, надо предупредить причины, которые явно приводят к неприятностям.


Получается, что видимо не существует четких методик, по которым нужно действовать, чтобы получить истинную параболу?

На самом деле, конечно, в той же книге Сикорука рассказывается, как контролировать форму зеркала. Для этого нужно сперва построить специальный «теневой прибор». Однако, с помощью этого прибора думаю можно обнаружить зональные ошибки, но абсолютно не понятно, как модифицировать полировальник, чтобы при дальнейшей полировке зональные ошибки выправлялись.

Я пересмотрел множество видеодемонстраций на ютюбе: тут есть и формовка и шлифовка и так называемая «параболизация» магическим штрихом «W».

Вот несколько красочных видео:
Грубая обработка:

Mirror grinding: 200 f/5 fine grinding:

Еще люди строят станки для механической обработки зеркала:

Из всего этого выходит, что каждый делает, как придумает, но как сделать так, чтоб гарантировать результат? Тут есть над чем задуматься…

После довольно долгих раздумий, я решил прежде чем точить нужно попытаться сделать программную модель всего процесса шлифовки. Почему-то мне казалось, что сделать это будет довольно просто. Я подумал, что я буду делать станок для шлифовки, примерно такой, как в последнем видео.

Заготовка зеркала должна медленно вращаться внизу, а сверху возвратно поступательными движениями с помощью кривошипно-шатунного механизма будет двигаться, например, стальное обдирочное кольцо.

Я решил, что программная модель может быть очень простой: нужно посчитать время нахождения каждой точки заготовки зеркала под поверхностью обдирочного кольца. Можно пробовать считать не всю поверхность заготовки, а только один срез-радиус.

Вот это видео сформировано из снимков процесса виртуальной обдирки в моей программе:

Я думал, что подбирая в программной модели длину штриха, длину плечей кривошипно-шатунного механизма (а его движение это далеко не синусоида) я смогу точно сказать, как нужно точить, чтобы выйти на параболу.

К сожалению, должен сказать, что чем дальше я вникаю в проблему, тем больше понимаю, что моя виртуальная программная модель не работает совсем. Я не учитываю слишком многих параметров, которые влияют на скорость стачивания стекла: например, я не учитываю скорость трущихся частей, а она разная в центре и по краям. Потом я пока не учитываю давление обдирочного кольца на заготовку, а это видимо нужно сделать, так как в процессе работы форма заготовки меняется, а значит меняется и распределение сил трения по поверхности заготовки.

Когда я писал эту статью я даже думал здесь целиком привести исходный код своей программы (C/C++), однако, какой в этом смысл, если программа не работает?

В настоящий момент я занялся кардинальным переписыванием своего программного обеспечения и намерен все таки сделать программную модель процесса фигуризации зеркала. Возможно, если все таки у меня это получится, я опубликую свой код.

Очень давно хотелось изготовить солнечный параболический концентратор. Прочитав массу литературы по изготовлению формы для параболического зеркала, я остановился на простейшем варианте — спутниковой тарелке. Спутниковая тарелка имеет параболическую форму, которая собирает отраженные лучи в одной точке.

За основу присмотрел Харьковские тарелки «Вариант». По приемлимой для меня цене мог приобрести только 90 сантиметровое изделие. Но цель моего опыта — высокая температура в фокусе. Для достижения хороших результатов необходима площадь зеркала — чем больше, тем лучше. Поэтому тарелка должна быть 1,5м, а лучше 2м. В ассортименте Харьковского производителя есть данные размеры, однако изготовлены они из алюминия, и соответственно цены заоблачные. Пришлось нырнуть в интернет, в поисках б/у изделия. И вот в Одессе, строители разбирая какой-то объект, предложили мне спутниковую тарелку размерами 1,36м х 1,2м., изготовленную из пластика. Немного не дотягивала до моих пожеланий, однако цена была хорошей, и я заказал одну тарелку.

Получив через пару дней тарелку, обнаружил, что изготовлена она в США, имеет мощные ребра жесткости (я переживал, достаточно ли крепкий корпус, и не поведет ли его после наклейки зеркал), и крепкий механизм ориентирования с множеством настроек.

Также приобрел зеркала, толщиной 3мм. Заказал 2 кв.м. — немного с запасом. Зеркала продаются в основном толщиной 4 мм., нашел троечку, чтобы легче было нарезать. Размер зеркал для концентратора решил сделать 2 х 2 см.

После сбора основных комплектующих приступил к изготовлению подставки для концентратора. Нашлось несколько уголков, кусочков труб и профильков. Нарезав по размерам, сварил, зачистил и покрасил. Вот что получилось:

Итак, изготовив подставку, принимаюсь за нарезку зеркал. Зеркала получил размерами 500 х 500 мм. Первым делом разрезал пополам, а потом сеткой 2 х 2 см. Перепробовал кучу стеклорезов, однако сейчас найти в магазинах, хоть что-то толковое, не представляется возможным. Новый стеклорез режет идеально 5-10 раз, и все…. После этого можно сразу выкидывать. Возможно есть какие-то профессиональные, но покупать их надо не в строительных магазинах. Поэтому, если кто-то соберется сделать концентратор из зеркал, вопрос о порезке зеркал самый трудный!

Зеркала нарезаны, тренога готова, приступаю к поклейке зеркал! Процесс долгий и нудный. У меня количество зеркал на готовом концентраторе получилось 2480 штук. Клей выбрал неправильный. Купил специальный клей для зеркал — держит хорошо, но он густой. При наклейке, выдавливая капельку на зеркало и прижимая потом к стенке тарелки, есть вероятность неравномерно прижать зеркало(где-то сильнее, где-то слабее). От этого зеркало может быть приклеено не плотно, т.е. будет направлять свой лучик солнца не в фокус, а около него. А если фокус будет размыт — высоких результатов ждать нечего. Забегая вперед, скажу, что у меня фокус получился размытым (из чего делаю вывод о том, что необходимо было применить другой клей). Хоть и результаты опыта порадовали, но фокус был размером приблизительно около 10 см, а вокруг еще размытое пятно еще по 3-5 см. Чем меньше фокус, тем точнее фокусировка лучей, тем соответственно будет выше температура. На поклейку зеркал у меня ушло почти 3 полных дня. Площадь нарезанных зеркал составила около 1,5кв.м. Был брак, вначале, пока не приспособился — много, позже существенно меньше. Бракованные зеркала составили, наверное, не более 5 %.

Солнечный параболический концентратор готов.

При замерах, максимальная температура в фокусе концентратора составила не менее 616,5 градусов. Солнечные лучи помогли поджечь деревянную доску, расплавить олово, свинцовый грузик и алюминиевую пивную банку. Эксперимент я проводил 25 августа 2015 года в Харьковской области, пгт.Новая Водолага.

В планах на следующий год (а может быть получится и в зимний период) приспособить концентратор для практических потребностей. Возможно для нагрева воды, возможно для выработки электроэнергии.

В любом случае, всем нам природа дала мощнейший источник энергии, надо только научиться им пользоваться. Энергия солнца в тысячи раз перекрывает все потребности человечества. И если человек сможет взять хотя-бы малую часть этой энергии, то это будет величайшим достижением нашей цивилизации, благодаря которому мы сохраним нашу планету.

Ниже представлен ролик, в котором вы увидите процесс изготовления солнечного концентратора на основе спутниковой тарелки, и опыты, которые с помощью концентратора получилось сделать.

Забрал наконецто вакуумный коллектор на 20 трубок, буду из них собирать концентратор. 1-на трубка наполненая водой (3л.) нагрелась с 20*С до 68.3*С (кипяток на ощуп) за 2 часа 40 минут. За окном 26 мая, на солнце 42*С в тени 15*С время проведения эксперимента с 16,27 до 18,50 солнце садится…
А в концентраторе замер показал 19 минут! до тех же 68*С. Скорость можно увеличить, увеличив площадь концентратора, но тогда возрастает парусность и ухудшается целостность конструкции…
Площадь концентратора составляет 1,0664м.кв.(62х172см.)
Фокусное расстояние 16см.
Покупаете 1-ну вакуумную трубка, а снимаете с неё как с 7-ми в моём варианте, если считать по площади. Внизу видео одного из первопроходцев, которая натолкнула меня на мой подвиг.

Столкнулся пока с проблемой плохой склейки акрила с клеем для зеркал. Легко отклеилось от основы… Также клей для зеркал очень мягкий и система «гуляет» нужно усиливать конструкцию.
сказал (а):
По совету FarSeer; я расположил ось горизонтально (ориентация восток-запад для зимы). Такое расположение проще в конструктивном плане, ветровые нагрузки меньше, увод (переворот) от осадков тоже проще.
В связи с тем, что свои «совки» я буду размещать горизонтально в направлениях восток-запад, дабы не зацыкливаться на трекерах, пришлось обдумывать, как сделать отбор тепла более эффективным, так как стандартная схема с конденсацией жидкости может в теории не работать, так как нет стёка конденсата вниз и соответственно подъёма пара вверх для отдачи своего тепла. Сделал 2 вида отбора тепла от вакуумной трубки.
Вариант-1 (справа, на фото-1) Родной наконечник (утолщение где собирается пар) активно омывается теплоносителем.
Вариант-2 (среднее, на фото-1) взято 2 трубки одна 10мм. в диаметре, другая 15 мм. в диаметре и вставленны одна в другую, по аналогии рекуператоров, внутренняя не доходит до конца пару см. а наружная в конце заглушена, а сверху эти трубки рассоеденены тройником см. фото. Как показали опыты, между горизонтальной трубкой и стоящей под 45* при температурах около 80* разница была около 5* хотя мне говорили что в горизонтальном положении данная трубка вообще работать не будет!
Жду потепления, чтобы выкопать под стойки ямки, потому что земля ещё мёрзлая и копать её не реально.
Что касается аварийных режимов, уже всё продуманно, стоит бесперибойник на 1.5 Квт типа Smart с дополнительными аккумуляторами.
Второй и на мой взгляд самый существенный момент по решению аварийных ситуаций, закрывание зеркал или концентратора от солнца или же его поворачивание от оси фокуса, что выведет концентратор на минимальную мощность простой вакуумной трубки в самый жаркий сезон к примеру, по этому же принцыпу, можно регулировать сумарную мощность концентраторов выводя некоторые из фокуса.

Как вариант концентратора из подручного материала см. фото.

В моем далеком уже детстве попалась мне хрестоматия по астрономии с тех ещё более далёких лет, которых я не застал, когда эта астрономия была предметом в школе. Читал её до дыр и мечтал о телескопе, чтобы хоть одним глазком посмотреть в ночное небо, но не сложилось. Рос в деревне, где ни знаний, ни наставника для этого не было. Так и ушло это увлечение. Но с возрастом обнаружил, что желание то осталось. Прошерстил интернет, оказывается людей, увлеченных телескопостроением и собирающих телескопы, да ещё какие, и с нуля — масса. Из профильных форумов набрался информации, теории, и решил построить небольшой телескоп для начинающего.

Спроси меня ранее, что такое телескоп, сказал бы — труба, с одной стороны смотришь, вторую направляешь на предмет наблюдения, одним словом подзорная труба, но побольше размером. Но оказывается для телескопостроения используют в основном другую конструкцию, которую ещё называют ньютоновским телескопом. При массе достоинств она имеет не так много недостатков, по сравнению с другими конструкциями телескопов. Принцип его работы понятен из рисунка — свет далёких планет падает на зеркало, имеющее в идеале параболическую форму, далее свет фокусируется и выносится за пределы трубы с помощью второго, установленного под 45 градусами по отношению к оси, по диагонали, зеркала, которое так и называют — диагональное. Далее свет попадает в окуляр и в глаз наблюдающего.


Телескоп это точный оптический прибор, поэтому при изготовлении необходимо соблюдать аккуратность. Перед этим необходимо произвести расчёты конструкции и мест установки элементов. В интернете существуют онлайн калькуляторы расчёта телескопов и грех этим не воспользоваться, но азы оптики знать тоже не помешает. Мне понравился калькулятор.

Для изготовления телескопа в принципе ничего сверхестественного не надо, я думаю что у любого хозяйственного человека в подсобке есть небольшой токарный станочек хотя бы по дереву, а то и по металлу. А если есть ещё и фрезеровочный станок — завидую белой завистью. И уж совсем не редкость теперь домашние лазерные станочки с ЧПУ для вырезания по фанере и 3D печатающий станок. К сожалению, у меня в хозяйстве из всего выше перечисленного ничего нет, окромя молотка, дрели, ножовки, электролобзика, тисков и мелкого ручного инструмента, плюс куча банок, ванночек с россыпью трубок, болтиков, гаечек, шайбочек и прочего гаражного металлолома, который вроде и выкинуть надо, но жалко.

При выборе размера зеркала (диаметр 114мм) мне кажется выбрал золотую середину, с одной стороны такой размер ходовой и уже не совсем маленький, с другой стороны стоимость не такая огромная, чтобы в случае фатальной неудачи пострадать финансово. Тем более главная задача была пощупать, разобраться и научиться на ошибках. Хотя, как говорят на всех форумах, самый хороший телескоп это тот, в которой наблюдают.

И так, для своего первого, надеюсь не последнего, телескопа я выбрал сферическое главное зеркало с диаметром 114мм и алюминиевым покрытием, фокусом 900мм и диагональным зеркалом, имеющего форму овала с малой диагональю в один дюйм. При таких размерах зеркала и фокусного расстояния различия форм сферы и параболы ничтожны, поэтому можно использовать недорогое сферическое зеркало.

Внутренний диаметр трубы по книге Навашина, Телескоп астронома-любителя (1979), для такого зеркала должен быть не менее 130мм. Конечно, лучше побольше. Трубу можно делать и самому из бумаги и эпоксидки, или из жести, но грех не воспользоваться готовым дешёвым материалом — в этот раз метровая канализационная PVH труба DN160, купленная за 4.46 евро в строймагазине. Толщина стенок 4мм мне показалась достаточной, с точки зрения прочности. Пилится и обрабатывается легко. Хотя есть и с 6мм толщины стенкой, но мне показалась тяжеловатой. Для того, чтобы распилить, пришлось на неё брутально сесть, никаких остаточных деформаций на глаз не наблюдается. Конечно, эстеты скажут фи, как можно в трубу для овна звёзды смотреть. Но для настоящих рукопоповцев это не преграда.

Вот она, красавица


Зная параметры зеркала, можно делать расчёт телескопа на вышеупомянутом калькуляторе. Сразу не всё понятно, но по мере создания всё становится на свои места, главное, как всегда, не зацикливаться на теории, а совмещать её с практикой.

С чего начать? Я начал, по моему мнению, с самого сложного — узла крепления диагонального зеркала. Как уже писал, изготовление телескопа требует точности, но которая не отменяет наличие возможности регулировки положения того же диагонального зеркала. Без тонкой регулировки — никак. Схем крепления диагонального зеркала несколько, на одной стойке, на трёх растяжках, на четырёх и прочие. У каждого есть свои плюсы и минусы. Так как размеры, вес моего диагонального зеркала, а значит и его крепления, скажем прямо, малы, я выбрал трёхлучевую систему крепления. В качестве растяжек использовал найденный регулировочный лист нержавейки толщиной 0.2мм. В качестве арматуры использовал медные муфты под 22мм трубу с наружным диаметром 24мм, чуть меньшим размера моей диагоналки, а также болт М5 и болты М3. Центральный болт М5 имеет конусную головку, которая просунутая в шайбу М8 работает как шаровая опора, и позволяет наклонять регулировочными болтами М3 диагональное зеркало при регулировке. Сначала припаял шайбу, потом обрезал грубо под углом и подогнал под 45 градусов на листе грубой наждачки. На обе детали (одна залита полностью, вторая 5мм через отверстие) ушло меньше 14мл пятиминутного двухкомпонентного эпоксидного клея Момент. Так как размеры узла малы, очень трудно всё разместить и чтобы всё это нормально работало, плечо регулировки маловато. Но получилось очень и очень не плохо, диагональное зеркало регулируется достаточно плавно. Болты с гайками макал в горячий воск, чтобы не прилипла смола при заливке. Только после изготовки этого узла этого заказал зеркала. Само диагональное зеркало клеил на двухсторонний вспененный скотч.


Под спойлером некоторые фото этого процесса.

Узел диагонального зеркала



Манипуляции с трубой были следующие: отпилил лишнее, ну и так как труба имеет раструб большего диаметра, использовал его для усиления района крепления растяжек диагоналки. Вырезал кольцо и на эпоксидку посадил на трубу. Хотя жесткость трубы и достаточна, на мой взгляд лишним не будет. Далее по мере поступления комплектующих сверлил и вырезал в ней отверстия, снаружи обклеил декоративной плёнкой. Очень важный момент — окраска трубы изнутри. Она должна быть такая, чтобы как можно больше поглощала свет. К сожалению продающиеся краски, даже матовые, совсем не подходят. Есть спец. краски для этого, но они дорогие. Я сделал так — по совету из одного форума покрыл изнутри краской из баллончика, потом засыпал в трубу ржаной муки, закрыл два конца плёнкой, хорошо покрутил — потряс, вытряхнул то, что не прилипло и опять задул краской. Получилось очень прилично, смотришь как в печную трубу.


Крепление главного зеркала делал из двух дисков фанеры толщиной 12мм. Один с диаметром под трубу 152мм, второй с диаметром главного зеркала 114мм. Зеркало ложится на три кружка приклеенных к диску кожи. Главное, чтобы зеркало не было жёстко зажато, я прикрутил уголки, обматал их изолентой. Само зеркало удерживается штрапсами. Два диска имеют возможность двигаться друг относительно друга для регулировки основного зеркала с помощью трёх регулировочных болта М6 с пружинами и тремя стопорными болтами, тоже М6. По правилам в дисках должны быть отверстия, для охлаждения зеркала. Но так как у меня телескоп дома храниться не будет (будет в гараже), то и температурное выравнивание не актуально. Второй диск в таком случае заодно играет роль пылезащитной задней крышки.

На фото крепление уже с зеркалом, но без заднего диска.


Фото самого процесса изготовления.

Крепление основного зеркала



В качестве опоры использовал монтировку Добсона. В интернете масса различных модификаций, в зависимости от наличия инструмента и материалов. Состоит из трёх частей, первая в которой зажимается сама труба телескопа —


Оранжевые круги это отпиленные кругляки трубы, в которые вставлены круги из 18мм фанеры и залитые эпоксидной смолой. Получилась составная часть подшипника скольжения.


Вторая — куда ставится первая, позволяет двигаться трубе телескопа по вертикали. И третья — круг с осью и ножками, на который ставится вторая деталь, позволяющая вращать её.


В местах опирания деталей прикручены кусочки тефлона, позволяющие легко и без рывков перемещать детали одну относительно другой.

После сборки и примитивной настройки прошли первые испытания.


Сразу же появилась проблема. Я пренебрёг советами умных людей не сверлить отверстия под крепления основного зеркала без испытания. Хорошо ещё, что пилил трубу с запасом. Фокусное расстояние зеркала оказалось не 900мм, а около 930мм. Пришлось сверлить новые отверстия (старые заклеены изолентой) и отодвигать дальше основное зеркало. Просто не смог поймать в фокус ничего, приходилось поднимать сам окуляр из фокусёра. Минус этого решения — крепёжные и регулировочные болты с торца не прячутся в трубе. а торчат. В принципе не трагедия.

Снимал с руки мобильником. На тот момент был только один 6мм окуляр, степень увеличения это отношение фокусных расстояний зеркала и окуляра. В данном случае получается 930/6=155 раз.
Испытание номер 1. До объекта 1км.


Номер два. 3км.



Главный результат достигнут — телескоп работает. Понятно, что для наблюдения планет и Луны нужна более качественная юстировка. Для неё был заказан коллиматор, ну и ещё один 20мм окуляр, и фильтр для Луны в полнолуние. После этого все элементы с трубы были сняты и поставлены обратно уже тщательней, прочнее и точнее.

Ну и наконец цель всего этого — наблюдения. К сожалению звёздных ночей в ноябре практически не было. Из объектов, что успел понаблюдать всего два, Луна и Юпитер. Луна выглядит не диском, а величаво проплывающим ландшафтом. С 6мм окуляром вмещается только её часть. А Юпитер с его спутниками просто сказка, принимая во внимание расстояние, которое нас отделяет. Выглядит он как полосатый шарик со звёздочками-спутниками на линии. Цвета этих линий различить не получается, тут нужен телескоп с другим зеркалом. Но всё равно — завораживает. Для фотографирования объектов нужно как дополнительное оборудование, так и другой тип телескопа — светосильный с малым фокусным расстоянием. Поэтому здесь только фото с просторов интернета, точно иллюстрирующая то, что видно с таким телескопом.

К сожалению для наблюдения Сатурна придётся ждать весны, а пока в ближайшем будущем Марс, Венера.

Понятно, что зеркала далеко не все расходы на постройку. Вот далее список того, что было куплено кроме этого.

Немецкие идеи в сфере гелиоэнергетики | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Когда речь заходит о гелиоэнергетике, практически всегда имеется в виду одно из двух: либо небольшие плоские солнечные коллекторы, устанавливаемые, как правило, на крышах домов и служащие для отопления и горячего водоснабжения, либо крупные солнечные электростанции промышленного типа на основе так называемых параболоцилиндрических концентраторов, призванные снабжать энергией целые регионы.

А где же золотая середина? И вот теперь немецкие инженеры взялись за разработку гелиосистем среднего размера для обеспечения теплом отдельных промышленных предприятий.

Коллектор Френеля вместо параболоцилиндрического концентратора

Ведь дело в том, что две трети всей потребляемой в промышленности энергии расходуется на производство тепла. Тепло необходимо чуть ли не для каждой стадии технологического цикла, будь то химические реакции или физические процессы. Инженеры фирмы Mirroxx из Фрайбурга уверены, что значительную часть потребности в этом тепле удастся покрыть за счет энергии солнечного излучения.

С этой целью они разработали свою собственную модификацию коллектора Френеля, названного так по имени французского физика Огюстена Френеля (Augustin Fresnel), одного из создателей волновой теории света. Это сооружение представляет собой набор плоских отражателей длиной четыре метра и шириной полметра. Физик Кристиан Цалер (Christian Zahler), глава фирмы Mirroxx, поясняет: «Мы расположили множество таких зеркал рядом друг с другом параллельно земле. Каждое из зеркал может с помощью небольшого электродвигателя поворачиваться вокруг продольной оси так, чтобы все зеркала вместе образовывали своего рода вытянутый желоб, фокусирующий отраженный солнечный свет на одной прямой. В нашем случае эта прямая пролегает на высоте четыре метра над зеркальным полем. Там расположена трубка с теплоносителем».

Вода или масло?

Иными словами, речь идет о миниатюрном варианте параболоцилиндрического конденсатора, но не сплошного, не цельнометаллического, а образованного отдельными длинными и узкими отражателями. Вся конструкция отчасти напоминает лежащие на земле жалюзи, в которых положение ламелей регулируется компьютером так, чтобы отраженные солнечные лучи разогревали циркулирующий в трубке теплоноситель.

Если это вода, то ее температура может достигать 200 градусов — этого вполне достаточно для технологических процессов, потребляющих примерно треть всего тепла, расходуемого в промышленности. Если же в качестве теплоносителя использовать масло, то рабочую температуру на выходе коллектора Френеля можно довести до 400 градусов.

«Если говорить об установке такого коллектора Френеля на крыше, то у нее есть ряд бесспорных преимуществ, — говорит Кристиан Цалер. — Например, благодаря тому, что отражатели узкие и расположены параллельно крыше, эта конструкция имеет гораздо меньшую парусность, чем параболоцилиндрический концентратор».

Сегодня на основе параболоцилиндрических концентраторов планируется построить целый ряд крупных солнечных электростанций на юге Европы и на севере Африки. Но если в Испании, не говоря уже про Сахару, под такую электростанцию легко найти участок площадью в несколько гектаров, то на крышах фабричных зданий места крайне мало, и уже хотя бы поэтому коллекторы Френеля больше подходят для такого использования.

Однако этим их преимущества не исчерпываются, — говорит Кристиан Цалер: «Коллекторы Френеля позволяют получать более высокую пиковую мощность. А ещё они обеспечивают более равномерное распределение нагрузки на кровлю, что, конечно, очень важно. Большинство параболоцилиндрических концентраторов монтируются на огромных бетонных фундаментах. Мы же обходимся без них».

Начало положено…

В жаркий солнечный день изделия фрайбургских инженеров вырабатывают до 500 ватт тепловой энергии с квадратного метра площади. Пилотные установки, сооруженные в Италии, Испании и Тунисе, свидетельствуют о том, что система функционирует надежно.

Скажем, в Севилье такой коллектор площадью в 350 квадратных метров вот уже более двух лет поставляет тепло для специальных термохимических холодильных установок в здании местного университета.

«В мире очень много регионов — будь то Индия или части Южной и Северной Америки, — где возведение таких установок себя, безусловно, оправдывает, — поясняет Кристиан Цалер. — И есть очень много отраслей промышленности, нуждающихся в тепловой энергии именно в таком температурном диапазоне — грубо говоря, от 150 до 400 градусов. Это и пищевая промышленность, и химическая, и текстильная, фармацевтическая, — список можно продолжать до бесконечности. Именно они с танут, как мы надеемся, нашими заказчиками в ближайшие годы».

Правда, тут многое будет зависеть от мировых цен на традиционные энергоносители — нефть и газ. Ведь чем дороже обходится потребителю сжигание ископаемых углеводородов, тем быстрее амортизируются его инвестиции в гелиоустановку.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева

Линейная система концентраторов, концентрирующая солнечно-тепловую энергию, Основы

Коллекторы с линейной концентрацией солнечной энергии (CSP) улавливают солнечную энергию с помощью больших зеркал, которые отражают и фокусируют солнечный свет на линейную приемную трубку. Приемник содержит жидкость, которая нагревается солнечным светом, а затем используется для нагрева традиционного энергетического цикла, который вращает турбину, которая приводит в действие генератор для производства электроэнергии. В качестве альтернативы пар может генерироваться непосредственно в солнечном поле, что устраняет необходимость в дорогостоящих теплообменниках.

Линейные концентрирующие коллекторные поля состоят из большого количества коллекторов, расположенных параллельными рядами, которые обычно выровнены в направлении север-юг для максимального накопления годовой и летней энергии. Благодаря одноосной системе слежения за солнцем эта конфигурация позволяет зеркалам отслеживать солнце с востока на запад в течение дня, что гарантирует, что солнце непрерывно отражается на приемные трубки.

Линейные системы могут включать в себя аккумуляторы тепла. В этих системах поле коллектора слишком велико для обогрева системы хранения в течение дня, поэтому дополнительный пар, который он генерирует, можно использовать для производства электроэнергии вечером или в пасмурную погоду.Эти растения также могут быть спроектированы как гибриды, что означает, что они используют ископаемое топливо для дополнения солнечной энергии в периоды низкой солнечной радиации. В такой конструкции используется обогреватель, работающий на природном газе, или парогазовый котел / подогреватель. В будущем линейные системы могут быть интегрированы с существующими или новыми установками комбинированного цикла, работающими на природном газе и угле.

Параболические лотковые системы

Самая распространенная система CSP в США — это линейный концентратор, в котором используются параболические лотковые коллекторы.В такой системе приемная труба расположена вдоль фокальной линии каждого параболического отражателя. Трубка прикреплена к конструкции зеркала, и теплоноситель течет через поле солнечных зеркал и выходит из них туда, где он используется для создания пара (или, в случае водо-парового ресивера, он направляется непосредственно в турбина).

(PDF) Инновационный солнечный концентратор с фиксированным зеркалом для технологического тепла

Инновационный солнечный концентратор с неподвижным зеркалом для технологического тепла

В.Martínez1 *, R. Pujol1 ​​и A. Moià1

1UIB, Физический факультет, Campus UIB, Ctra de Valldemossa km 7.5, 1070122 Palma de Mallorca, Испания

* Автор для корреспонденции, [email protected]

Резюме

описана разработка солнечного теплового коллектора с фиксированным отражателем и следящим поглотителем,

, специально разработанного для подачи технологического тепла в промышленных процессах и солнечного охлаждения. Первоначально проект был основан на концепции солнечного концентратора с фиксированным зеркалом (FSMC)

, уже разработанной в 70-х годах, но после детального оптического анализа было решено использовать аналогичную концепцию, основанную на параболических зеркалах, в

.При такой конструкции можно достичь максимальной теоретической

средней годовой эффективности около 39%. Чтобы уменьшить количество необходимых механизмов

, система позиционирования состоит из сетки из 8 рядов приемников, приводимых в движение шарнирно-сочлененными манипуляторами

4. Отражатель изготовлен в виде многослойной конструкции с алюминиевым листом с высокой отражательной способностью

в качестве отражающей поверхности. Каждый коллектор имеет отражатель

4,5 x 6 м, состоящий из 16 частей размером 1 x 1.5 м собраны вместе с помощью 5 стальных профилей, вырезанных лазером.

Ресивер состоит из 32 стандартных U-образных коллекторов Sydney. Первый прототип

был запущен в эксплуатацию в июле 2008 года, и основной обнаруженной проблемой было поломка некоторых из откачанных трубок

из-за термических напряжений. На данный момент проводится полная оценка системы

.

Ключевые слова: Концентрирующий коллектор, технологическое тепло, температура среды, неподвижный отражатель

1.Введение

Около 30% потребления энергии в Европе приходится на промышленный сектор [1]. Более чем

пятьдесят процентов этой затраченной энергии приходится на технологическое тепло при температурах до 250ºC

[2]. Научные основы технологии, необходимой для подачи солнечного тепла при таких температурах

, установлены. Тем не менее, этот большой потенциал не приводит к широкому применению солнечных коллекторных систем

в промышленности.

Для применений в низкотемпературном диапазоне (до 80ºC) основным препятствием, вероятно, является относительно длительный период окупаемости

первоначальных инвестиций, обычно более 10 лет. Однако следует принимать во внимание и другие факторы:

: ограниченное количество подходящих поверхностей, отсутствие опыта в установке

и эксплуатации крупных объектов или процессов и оборудования, не приспособленных для использования солнечной энергии.

В среднем диапазоне температур (до 250ºC) одним из основных препятствий, которые необходимо преодолеть, является отсутствие

хорошо развитого рынка солнечных коллекторов, которые легко интегрируются в промышленные здания,

по конкурентоспособной цене и которые могут надежно работать при температурах выше 100ºC

Чтобы удовлетворить эти потребности, был задействован проект по содействию разработке нового коллектора, специально разработанного

для технологического нагрева до 160ºC.В июле 2008 года первый прототип этой новой разработки

начал работу.

Новое изобретение для повышения энергоэффективности систем солнечных коллекторов с параболическим желобом

Исследователь Sandia Рич Дайвер устанавливает разработанное им устройство для калибровки лотковых солнечных тарелок, чтобы максимально увеличить количество улавливаемого ими солнечного света (фото Рэнди Монтойя).

Устройство измерения выравнивания зеркал, изобретенное Ричем Дайвером, исследователем из Sandia National Laboratories, может вскоре сделать одну из самых популярных систем солнечных коллекторов, параболические желоба, более доступной и энергоэффективной.

Новая теоретическая технология оверлейной фотографии (TOP)

Diver вызывает интерес у солнечной индустрии из-за своей простоты и необходимости поиска решений для глобального потепления.

«Выравнивание TOP может решить серьезную проблему с системами желоба — неточное выравнивание зеркал, которое не позволяет солнечному свету точно фокусироваться на солнечных приемниках», — говорит Дайвер.«Неправильно выровненные зеркала приводят к потерям и бесполезной трате энергии».

СФЕРЫ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ КАНАЛОВ простираются до горизонта пустыни Мохаве недалеко от Барстоу, Калифорния. Изобретение Рича Дайвера можно было бы использовать для лучшего выравнивания зеркал и сделать систему силовой установки с желобом более доступной и эффективной.

Вместе с Diver над проектом работает Тим ​​Мосс, который является менеджером проекта и основным разработчиком программного и аппаратного обеспечения.

В параболических желобах используются зеркальные поверхности, имеющие параболическую форму.Зеркала фокусируют солнечный свет на приемную трубку, проходящую по длине желоба. Масло проходит через фокальную область, где оно нагревается до высоких температур, а затем проходит через теплообменник для генерации пара. Затем пар используется для работы обычной электростанции.

Крупнейшие в мире установки по производству параболических желобов, расположенные в пустыне Мохаве недалеко от Барстоу, Калифорния, состоят из девяти заводов, вырабатывающих 354 мегаватта мощности при пиковой мощности. Мощность станций составляет от 14 до 80 МВт. Например, каждая 30-мегаватная электростанция около Kramer Junction имеет около 10 000 модулей, каждый из которых состоит из 20 зеркал.Ожидается, что в ближайшее время будет запущена желобная электростанция мощностью 64 МВт, которая будет снабжать электроэнергией Лас-Вегас, штат Невада. Завод мощностью 1 МВт также существует в Аризоне.

Проблема с системами параболического желоба, по словам Дайвера, заключалась в отсутствии точного выравнивания зеркала, которое препятствует максимальной энергоэффективности.

Заимствуя различные методы, используемые для выравнивания зеркал в системах солнечных тарелок, Diver разработал выравнивание TOP, оптический подход для быстрой и эффективной оценки выравнивания зеркал в электростанциях с параболическим желобом и предписания корректирующих действий.

«Этот метод можно использовать во время строительства электростанции с желобом для улучшения производительности существующих электростанций или для текущего обслуживания», — говорит Дайвер. «Это должна быть идеальная техника выравнивания зеркала, потому что она проста в установке, требует минимум сложного оборудования и не требует снятия приемника».

Подход TOP состоит из столба с пятью камерами, расположенными вдоль него. Четыре камеры делают цифровые фотографические изображения четырех рядов зеркал параболического модуля.Средняя камера фотографирует центр модуля, где прикреплен датчик осевого визирования, который используется для вертикального центрирования или «прицеливания» штанги к желобному модулю.

Векторная алгебра и теория проекции затем используются для предсказания теоретического проецируемого изображения приемника для идеально выровненных зеркал.Расчетное теоретическое изображение приемника для идеально совмещенных зеркал накладывается на фотографии фактического положения изображения приемника в зеркалах. Изображения сравниваются с реальным изображением, чтобы показать, как должны быть выровнены зеркала. Затем нужно отрегулировать зеркала до правильного положения.

«Весь этот процесс очень прост», — говорит Дайвер. «Как только зеркала выровнены, начинается экономия энергии. Это все равно, что собирать деньги с земли. И зеркала выровнены на весь срок службы завода.«

Для удовлетворения потребностей коммерческих электростанций, работающих в лотке, например, в Kramer Junction, Калифорния, Diver и Moss установили крепление TOP на трейлере, тянущем правительственный фургон, который можно безопасно перемещать по шоссе к параболическим электростанциям. Камеры снимали модули на разных заводах. Изображения будут обработаны позже, и будут созданы рабочие задания с подробным описанием корректировки выравнивания. Регулировку центровки можно производить, когда это удобно, даже во время работы установки.

Diver говорит, что люди пытались придумать способы выравнивания зеркал в параболических модулях в течение как минимум 20 лет, но их методы всегда были «громоздкими и занимали слишком много времени».

Он и Мосс разработали ТОП-метод, используя параболический модуль 20-летней давности, расположенный в Национальном испытательном центре солнечной энергии Sandia в Альбукерке. Модуль такой же, как у Kramer Junction. Они провели «вытяжное» тестирование TOP на заводе по производству желобов за пределами Тусона, штат Аризона., в марте и октябре 2006 г. Следующими шагами будут испытания системы на узле Kramer Junction в конце этого года и, в конечном итоге, лицензирование технологии операторам электростанций с параболическим желобом и / или разработчикам проектов.

Источник: Sandia National Laboratories.


Стометровые солнечные платформы, которые остаются устойчивыми и устойчивыми в ненастную морскую погоду.

Ссылка : Новое изобретение, позволяющее сделать системы солнечных коллекторов с параболическим желобом более энергоэффективными (2007, 15 мая) получено 5 октября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2007-05-parabolic-trough-solar-collector-energy.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Типы солнечных коллекторов — Электрический портал

В этой статье мы узнаем о типах солнечных коллекторов.Поговорим о сборщике контратиконов.

Работа концентратора.

Коллектор-концентратор — устройство для сбора солнечной энергии с высокой интенсивностью солнечного излучения на поглощающей поверхности с помощью отражателя или рефрактора.

Необходимость ориентации в коллекторах-концентраторах

В таких коллекторах обычно используется оптическая система в виде отражателей. Концентрирующий коллектор — это особая форма плоского коллектора, модифицированная путем введения отражающей (или преломляющей) поверхности (концентратора) между солнечным излучением и поглотителем.Эти типы коллекторов могут иметь увеличение радиации от низкого значения 1,52 до высоких значений порядка 10 000. В этих коллекторах излучение, попадающее на относительно большую площадь, фокусируется на приемник (или поглотитель) значительно меньшей площади. В результате концентрации энергии жидкости могут нагреваться до температур 500 ° C и более.

Ориентация Солнца относительно Земли время от времени меняется. Таким образом, чтобы использовать максимальное количество солнечных лучей, необходимо, чтобы наш коллектор был направлен в сторону солнечных лучей.По этой причине необходима ориентация на концентрирующий коллектор. Это достигается за счет использования «Отслеживающего устройства»

.

Тип концентрирующих коллекторов

Различные типы коллекторов фокусирующего / концентрирующего типа:

  1. Параболический проходной коллектор.
  2. Зеркальный коллектор.
  3. Коллекторы линз Френеля.
  4. Плоский коллектор с регулируемыми зеркалами.
  5. Составной параболический концентратор (КПК).
  6. Коллектор параболической посуды.
  7. Коллектор гелиостат.

Коллектор параболический желоб.

Принципиальная часть проходного параболического коллектора, который часто используется в фокусирующих коллекторах. Солнечное излучение, приходящее с определенных направлений, собирается над фокусирующими коллекторами. Солнечное излучение, приходящее с определенного направления, переходит в коллектор. Площадь отражающей поверхности и сосредоточена в фокусе параболы, если отражатель имеет форму желоба с параболическим поперечным сечением, солнечное излучение фокусируется по линии.В основном используются цилиндрические параболические концентраторы, в которых поглотитель расположен вдоль оси фокуса.

Зеркальный коллектор

Коллектор из зеркальных полос состоит из нескольких плоскостей или слегка изогнутых или вогнутых зеркальных полос, установленных на основании. Эти отдельные зеркала расположены под такими углами, чтобы преломленное солнечное излучение попадало на ту же фокальную линию, где размещена труба. В этой системе коллекторная труба поворачивается так, что отраженные лучи на поглотителе остаются сфокусированными относительно изменений в

Коллектор линз Френеля

В этом коллекторе используется линза Френеля, в которой линейные канавки имеются с одной стороны, а плоская — с другой.Солнечное излучение, падающее перпендикулярно линзе, преломляется линзой и фокусируется на поглотителе. И стекло, и пластик могут использоваться в качестве преломляющих материалов для линз Френеля.

Плоский коллектор с регулируемыми зеркалами

Плоский коллектор с регулируемыми зеркалами. Он состоит из плоского коллектора, обращенного на юг, с зеркалами, прикрепленными к его северному и южному краям. Если зеркала установлены под правильным углом, они отражают солнечное излучение на пластине поглотителя.Таким образом, последний принимает отраженное излучение в виде излучения в дополнение к обычно падающему на него. Чтобы зеркало было эффективным, углы должны постоянно регулироваться по мере изменения высоты солнца. Поскольку зеркала могут обеспечить лишь относительно небольшое увеличение солнечного излучения, падающего на поглотитель, плоские коллекторы с зеркалами не получили широкого распространения.

Параболический концентратор соединений (CPC)

Составной параболический концентратор. Его разработали Уинстон (и Баранов).Он состоит из двух параболических сегментов, ориентированных так, что фокус одного находится в нижней конечной точке другого, и наоборот. Приемник представляет собой плоскую поверхность для отверстий, соединяющую два очага отражающих поверхностей.

По термическим и экономическим причинам предпочтительны ребристые и трубчатые поглотители. Принято считать, что коллекторы Winston способны обеспечивать конкурентоспособные характеристики при высоких температурах около 300 ° C, необходимых для выработки электроэнергии, если они используются с приемниками в вакуумном корпусе с селективным покрытием.

Максимальный рацион, доступный с параболической системой, составляет порядка 10 000.

Преимущества

  1. Высокий коэффициент концентрации
  2. Нет необходимости в отслеживании
  3. Эффективность приема диффузного излучения намного выше, чем у обычных концентраторов.

Параболоидальный сборщик посуды

В коллекторах этого типа все солнечные лучи фокусируются в одну точку. Этот коллектор может генерировать температуру до 300 C и коэффициент концентрации от 10 до нескольких тысяч.Его диаметр составляет от 6 до 7 м и может производиться серийно. Это типы солнечных коллекторов.

Коллектор гелиостата

Система, эквивалентная очень большому параболоидальному отражателю, состоит из значительного количества зеркал, распределенных по площади на земле. Каждое зеркало, называемое гелиостатом, может независимо управляться по двум осям, так что отраженное солнечное излучение всегда направляется на поглотитель, установленный на вышке. Этот тип коллектора классифицируется как центральный ресивер-коллектор.Это в основном используется на электростанциях для производства электроэнергии.

Преимущества и недостатки концентрирующих коллекторов Преимущества

  1. Высокий коэффициент концентрации.
  2. Может быть достигнута высокая температура жидкости.
  3. Меньше тепловых потерь.
  4. Эффективность системы увеличивается при высоких температурах.
  5. Недорогой процесс.

Недостатки солнечного коллектора

  1. Неравномерный поток на поглотителе.
  2. Собирать только компоненты лучевого излучения, поскольку компоненты диффузного излучения не могут быть отражены, следовательно, они теряются.
  3. Требуется дорогостоящее устройство слежения.
  4. Высокая начальная стоимость.
  5. Требуется обслуживание для сохранения качества отражающей поверхности от грязи и окисления.

Следовательно, это типы солнечных коллекторов. Если вы хотите узнать о типах солнечных коллекторов, оставьте комментарий ниже в поле для комментариев.

Солнечный коллектор IBM будет концентрировать энергию 2000 солнц и сохранять прохладу

Сделано в IBM Labs: совместная работа направлена ​​на использование энергии 2000 солнц

— Фотогальваническая тепловая система с высокой концентрацией, способная преобразовывать 80 процентов солнечной энергии. собранная солнечная энергия
— Система может доставлять электроэнергию, свежую воду и холодный воздух в удаленные места
— Конструкция основана на недорогом, большом тарелочном концентраторе и высокопроизводительных фотоэлектрических чипах с микроканальным охлаждением, подходящих для массового производства

ЦЮРИХ, 22 апреля 2013 г .: Сегодня, в День Земли, ученые объявили о сотрудничестве по разработке доступной фотоэлектрической системы, способной концентрировать в среднем энергию 2000 солнц с эффективностью, которая может собирать 80 процентов приходящей радиации и преобразовывать ее. к полезной энергии.Предлагаемая система может быть построена везде, где не хватает устойчивой энергии, питьевой воды и прохладного воздуха, а ее стоимость в три раза ниже, чем у сопоставимых систем.

Ученым из IBM Research был предоставлен трехлетний грант в размере 2,4 миллиона долларов (2,25 миллиона швейцарских франков) от Швейцарской комиссии по технологиям и инновациям; «Эйрлайт Энерджи», поставщик технологий солнечной энергетики; ETH Zurich (профессура возобновляемых источников энергии) и Межгосударственный университет прикладных наук Buchs NTB (Институт микро- и нанотехнологий MNT) для исследования и разработки экономичной фотоэлектрической тепловой системы с высокой концентрацией (HCPVT).

Согласно исследованию Европейской ассоциации солнечной тепловой энергии и Гринпис Интернэшнл, для удовлетворения мировых потребностей в электроэнергии потребуется всего два процента территории пустыни Сахара *. К сожалению, современные солнечные технологии, представленные на рынке сегодня, слишком дороги и медленны в производстве, требуют редкоземельных минералов и не обладают эффективностью, чтобы сделать такие массивные установки практичными.

В прототипе системы HCPVT используется большая параболическая тарелка, сделанная из множества зеркальных граней, которая прикреплена к системе слежения, которая определяет наилучший угол в зависимости от положения солнца.После совмещения солнечные лучи отражаются от зеркала на несколько приемников с микроканальным жидкостным охлаждением и тройными фотоэлектрическими чипами — каждый чип 1×1 сантиметр может преобразовать в среднем 200-250 Вт за типичный восьмичасовой рабочий день в солнечном регионе.

Весь приемник состоит из сотен микросхем и выдает 25 киловатт электроэнергии. Фотогальванические чипы установлены на микроструктурированных слоях, которые направляют жидкий хладагент в пределах нескольких десятков микрометров от чипа, чтобы поглощать тепло и отводить его в 10 раз более эффективно, чем при пассивном воздушном охлаждении.

Охлаждающая жидкость поддерживает стружку почти при одной и той же температуре при концентрации солнечного света в 2000 раз и может поддерживать их при безопасных температурах вплоть до концентрации солнечного света в 5000 раз. Решение для прямого охлаждения с очень малой мощностью откачки вдохновлено иерархической разветвленной системой кровоснабжения человеческого тела и уже было протестировано учеными IBM на высокопроизводительных компьютерах, включая Aquasar.

«Мы планируем использовать фотоэлектрические элементы с тройным переходом в охлаждаемом микроканальном модуле, который может напрямую преобразовывать более 30 процентов собранной солнечной радиации в электрическую энергию и обеспечивать эффективную утилизацию отработанного тепла свыше 50 процентов», — сказал Бруно. Мишель, менеджер по передовой термоупаковке в IBM Research.«Мы считаем, что можем достичь этого с помощью очень практичной конструкции, состоящей из инновационных бетонных трекеров, первичной оптики, состоящей из недорогих пневматических зеркал, и конструкций из бетона — это скромная инновация, основанная на многолетнем опыте в области легкости и высокой прочности. бетонные элементы, используемые для строительства мостов ».

Первоначальный демонстрационный образец многокристального приемника был разработан в рамках предыдущего сотрудничества между IBM и Египетским центром нанотехнологий.

«Дизайн системы элегантно простой». — сказала Андреа Педретти, технический директор компании «Эйрлайт Энерджи». «Мы заменяем дорогую сталь и стекло дешевым бетоном и простой металлизированной пленкой под давлением. Небольшие высокотехнологичные компоненты, в частности микроканальные охладители и формы, могут быть изготовлены в Швейцарии, а остальная конструкция и сборка будут выполнены в районе Это приводит к беспроигрышной ситуации, когда система конкурентоспособна по стоимости и рабочие места создаются в обоих регионах.»

Концентрирующая солнечная оптика будет разработана ETH Zurich.» Передовые численные методы трассировки лучей будут применяться для оптимизации конструкции оптической конфигурации и достижения однородных солнечных потоков, превышающих 2000 солнечных лучей на поверхности фотоэлемента. — сказал Альдо Штайнфельд, профессор ETH Zurich.

При такой высокой концентрации и радикально низкой стоимости ученые-дизайнеры считают, что они могут достичь стоимости площади апертуры ниже 250 долларов за квадратный метр, что в три раза ниже, чем у сопоставимых систем.Нормированная стоимость энергии будет менее 10 центов за киловатт-час (кВтч). Для сравнения, льготные тарифы на электроэнергию в Германии в настоящее время все еще превышают 25 центов за киловатт-час, а себестоимость угольных электростанций составляет около 5-10 центов за киловатт-час.

Опреснение воды и охлаждение воздуха

Фотоэлектрические системы с текущей концентрацией только собирают электрическую энергию, а затем рассеивают тепловую энергию в атмосферу. С помощью подхода к упаковке HCPVT ученые могут не только устранить проблемы перегрева солнечных чипов, но и перепрофилировать энергию для опреснения термальной воды и охлаждения воздуха.

Чтобы обеспечить пресную воду, ученые и инженеры IBM используют ведущую в мире технологию, которую они разработали для суперкомпьютеров с водяным охлаждением. И в суперкомпьютерах Aquasar, и в SuperMUC вода используется для поглощения тепла микросхем процессора, которое затем используется для обогрева помещений.

«Микротехнология, известная из производства компьютерных микросхем, является ключом к обеспечению такой эффективной теплопередачи от фотоэлектрического чипа к охлаждающей жидкости», — объясняет Андре Бернар, глава института MNT в NTB Buchs.«И, используя инновационные способы изготовления этих теплопередающих устройств, мы стремимся к рентабельному производству».

В системе HCPVT вместо обогрева здания вода с температурой 90 градусов Цельсия проходит через систему дистилляции с пористой мембраной, где она затем испаряется и опресняется. Такая система могла бы обеспечивать 30-40 литров питьевой воды на квадратный метр площади водоприемника в день, при этом производя электричество с выходом более 25 процентов или двумя киловатт-часами в день.Это немногим меньше половины количества воды, которое требуется среднему человеку в день по данным Организации Объединенных Наций **, но большая установка может обеспечить достаточно воды для небольшого города.

Примечательно, что система HCPVT также может обеспечивать кондиционирование воздуха с помощью адсорбционного чиллера с тепловым приводом. Адсорбционный охладитель — это устройство, которое преобразует тепло в охлаждение посредством теплового цикла, применяемого, например, к абсорберу, сделанному из силикагеля. Адсорбционные охладители могут заменить компрессионные охладители, которые содержат вредные рабочие жидкости, на воду, устраняя любое воздействие на озоновый слой.

Ученые предполагают, что система HCPVT обеспечит устойчивую энергию и пресную воду по всему миру, включая Южную Европу, Африку, Арабский полуостров, юго-запад Северной Америки, Южную Америку и Австралию. Отдаленные туристические районы также представляют собой интересный рынок, особенно курорты на небольших островах, таких как Мальдивы, Сейшельские острова и Маврикий, поскольку традиционные системы требуют отдельных единиц, которые должны быть интегрированы, что, как следствие, снижает эффективность и увеличивает стоимость.

Прототип HCPVT в настоящее время проходит испытания в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария. Несколько прототипов системы HCPVT будут построены в Биаске и Рюшликоне, Швейцария, в рамках этого сотрудничества.

* Концентрация солнечной энергии: Outlook 2009, опубликованный Greenpeace

International, SolarPACES и Европейская ассоциация солнечной тепловой энергии
** http://www.un.org/en/globalissues/water/

Parabolic Системы солнечных коллекторов с желобом стали более энергоэффективными — ScienceDaily

Устройство для измерения выравнивания зеркал, изобретенное Ричем Дайвером, исследователем из Sandia National Laboratories, вскоре может сделать одну из самых популярных систем солнечных коллекторов, параболические желоба, более доступной и энергоэффективной. эффективный.

Новая теоретическая технология оверлейной фотографии (TOP)

Diver вызывает интерес у солнечной индустрии из-за своей простоты и необходимости поиска решений для глобального потепления.

«Выравнивание TOP может решить серьезную проблему с системами желоба — неточное выравнивание зеркал, которое не позволяет солнечному свету точно фокусироваться на солнечных приемниках», — говорит Дайвер. «Неправильно выровненные зеркала приводят к потерям и бесполезной трате энергии».

Вместе с Diver над проектом работает Тим ​​Мосс, который является менеджером проекта и основным разработчиком программного и аппаратного обеспечения.

В параболических желобах используются зеркальные поверхности, имеющие параболическую форму. Зеркала фокусируют солнечный свет на приемную трубку, проходящую по длине желоба. Масло проходит через фокальную область, где оно нагревается до высоких температур, а затем проходит через теплообменник для генерации пара. Затем пар используется для работы обычной электростанции.

Крупнейшие в мире установки по производству параболических желобов, расположенные в пустыне Мохаве недалеко от Барстоу, Калифорния, состоят из девяти заводов, вырабатывающих 354 мегаватта мощности при пиковой мощности.Мощность станций составляет от 14 до 80 МВт. Например, каждая 30-мегаватная электростанция около Kramer Junction имеет около 10 000 модулей, каждый из которых состоит из 20 зеркал. Ожидается, что в ближайшее время будет запущена желобная электростанция мощностью 64 МВт, которая будет снабжать электроэнергией Лас-Вегас, штат Невада. Завод мощностью 1 МВт также существует в Аризоне.

Проблема с системами параболического желоба, по словам Дайвера, заключалась в отсутствии точного выравнивания зеркала, которое препятствует максимальной энергоэффективности.

Заимствуя различные методы, используемые для выравнивания зеркал в системах солнечных тарелок, Diver разработал выравнивание TOP, оптический подход для быстрой и эффективной оценки выравнивания зеркал в электростанциях с параболическим желобом и предписания корректирующих действий.

«Этот метод можно использовать во время строительства электростанции с желобом для улучшения производительности существующих электростанций или для текущего обслуживания», — говорит Дайвер. «Это должна быть идеальная техника выравнивания зеркала, потому что она проста в установке, требует минимум сложного оборудования и не требует снятия приемника».

Подход TOP состоит из столба с пятью камерами, расположенными вдоль него. Четыре камеры делают цифровые фотографические изображения четырех рядов зеркал параболического модуля.Средняя камера фотографирует центр модуля, где прикреплен датчик осевого визирования, который используется для вертикального центрирования или «прицеливания» штанги к желобному модулю.

Векторная алгебра и теория проекции затем используются для предсказания теоретического проецируемого изображения приемника для идеально выровненных зеркал. Расчетное теоретическое изображение приемника для идеально совмещенных зеркал накладывается на фотографии фактического положения изображения приемника в зеркалах. Изображения сравниваются с реальным изображением, чтобы показать, как должны быть выровнены зеркала.Затем нужно отрегулировать зеркала до правильного положения.

«Весь этот процесс очень прост», — говорит Дайвер. «Как только зеркала выровнены, начинается экономия энергии. Это все равно, что собирать деньги с земли. И зеркала выровнены на весь срок службы завода».

Для удовлетворения потребностей коммерческих электростанций, работающих в лотке, например, в Kramer Junction, Калифорния, Diver и Moss установили крепление TOP на трейлере, тянущем правительственный фургон, который можно безопасно перемещать по шоссе к параболическим электростанциям.Камеры снимали модули на разных заводах. Изображения будут обработаны позже, и будут созданы рабочие задания с подробным описанием корректировки выравнивания. Регулировку центровки можно производить, когда это удобно, даже во время работы установки.

Diver говорит, что люди пытались придумать способы выравнивания зеркал в параболических модулях в течение как минимум 20 лет, но их методы всегда были «громоздкими и занимали слишком много времени».

Он и Мосс разработали ТОП-метод, используя параболический модуль 20-летней давности, расположенный в Национальном испытательном центре солнечной энергии Sandia в Альбукерке.Модуль такой же, как у Kramer Junction. В марте и октябре 2006 г. они провели «вытяжное» тестирование TOP на заводе по производству желобов за пределами Тусона, штат Аризона. Следующими шагами будут испытания системы на узле Kramer Junction в конце этого года и, в конечном итоге, лицензирование технологии операторам электростанций с параболическим желобом. и / или через разработчиков проектов.

Sandia — лаборатория Национального управления ядерной безопасности (NNSA).

24-часовая солнечная энергия: расплавленная соль делает это возможным, и цены быстро падают

Подпишитесь, чтобы получать наши последние отчеты об изменении климата, энергии и экологической справедливости, которые будут отправляться прямо на ваш почтовый ящик. Подпишитесь здесь .

Первое, что вы видите на установке солнечной энергии Crescent Dunes, и вы можете быть в нескольких милях от нее, — это свет настолько яркий, что вы не можете смотреть прямо на него. Он расположен на вершине 640-футовой цементной башни, возвышающейся над плоской пустой пустыней Невада на полпути на шоссе из Рино в Лас-Вегас. Башня окружена зеркалами шириной почти в две мили, которые посылают в небо мерцающие лучи света.

Путешественники иногда спрашивают, проезжали ли они что-то инопланетное, говорит Дарби, бармен столетнего отеля Mizpah в Тонопе, пыльном городке, где раньше добывали серебро, в 15 милях от завода.Такие вопросы здесь принимаются за чистую монету. Зона 51, засекреченный объект, где, по мнению сторонников заговора, ВВС США скрывают свидетельства космических пришельцев, всего через час или около того.

То, что люди на самом деле видят, — это электростанция концентрированной солнечной энергии (CSP) мощностью 110 мегаватт, построенная и управляемая SolarReserve в Санта-Монике, Калифорния. Он не из космоса, но ничего подобного ему такого размера еще нигде на планете нет.

SolarReserve пытается доказать, что технология, лежащая в основе Crescent Dunes, может сделать солнечную энергию доступным, безуглеродным, круглосуточным источником энергии, передаваемым по электрической сети, как любой другой завод, работающий на ископаемом топливе.Здесь концентрированный солнечный свет нагревает расплавленную соль до 1050 градусов по Фаренгейту в этой мерцающей башне; затем соль хранится в гигантском изолированном резервуаре, из которого можно производить пар для работы турбины.

Гелиостаты, гигантские зеркала, фокусирующие солнечные лучи, управляются программным обеспечением, которое позволяет им следить за солнцем в течение дня. Предоставлено: SolarReserve.

Если этот завод и несколько аналогичных объектов, которые строятся или вскоре будут построены, окажутся надежными, технология будет готова к взлету.Солнечные фотоэлектрические (PV) панели могут вытеснять ископаемое топливо в течение дня, а ветряные турбины могут делать то же самое, пока дует ветер. Но башни из расплавленной соли могут решить проблему подачи электроэнергии по запросу и вывести на пенсию более старые и более грязные электростанции, работающие на ископаемом топливе.

«Мы собираемся увидеть еще много башен из расплавленной соли CSP», — сказал Марк Мехос, руководитель программы исследований CSP в Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Колорадо. Мехос основывает свое мнение на ценах, которые SolarReserve и другие разработчики проектов назначают на электроэнергию с новых станций, и на знании того, что башня CSP с восьми или 10 часами хранения расплавленной соли в настоящее время намного дешевле, чем солнечная фотоэлектрическая ферма с эквивалентным количеством литий-ионные аккумуляторы.

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой на второй электростанции SolarReserve, которая будет построена недалеко от Порт-Огаста, Австралия, будет меньше половины от стоимости электроэнергии, производимой Crescent Dunes — около 7,8 центов (австралийских) за киловатт-час, или чуть более 6 Центов США. Когда правительство Южной Австралии подписало контракт на закупку продукции завода в августе, казначей штата Том Кутсантонис написал в Твиттере, что «угольная промышленность только что подняла дрожь», потому что новая угольная электростанция не может сравниться с этой ценой. .

Кевин Смит, главный исполнительный директор SolarReserve, считает, что Crescent Dunes показывает, что технология работает, и следующие запланированные проекты докажут экономическую эффективность. Компания владеет третьим заводом в Южной Африке и планирует построить еще 10 башен CSP в Неваде для нужд Калифорнии.

«Мы собираемся довести дело до конца», — сказал Смит о попытках добиться признания этого типа поколения. Он помог превратить компанию Invenergy в одного из крупнейших владельцев U.S. до того, как присоединиться к SolarReserve при его основании в 2008 году. «Потребовалось время, чтобы добраться до того места, где мы находимся. Рынок сейчас реагирует. Мы снизили наши расходы. Мы выигрываем ставки «.

Следующая большая вещь? Это Хранилище

Производство электроэнергии в Crescent Dunes начинается с 10 347 зеркал, в общей сложности 13 миллионов квадратных футов стекла — этого достаточно, чтобы полностью покрыть Национальную аллею в Вашингтоне от ступенек Капитолия до памятника Вашингтону. Зеркала называются гелиостатами, потому что каждое из них может наклоняться и поворачиваться, чтобы точно направить луч света.Расположенные концентрическими кругами, они направляют солнечный свет на «приемник» наверху центральной башни. Если отбросить предположения туристов, на самом деле это не свет. Ресивер, матовый черный, когда на него нет солнечного света, поглощает энергию для нагрева расплавленной соли, протекающей по ряду труб. Затем горячая соль стекает в резервуар для хранения из нержавеющей стали на 3,6 миллиона галлонов.

Соль, которая при таких температурах выглядит и течет почти как вода, проходит через теплообменник, чтобы произвести пар для работы стандартного турбогенератора.В резервуаре содержится достаточно расплавленной соли для работы генератора в течение 10 часов; Это составляет 1100 мегаватт-часов хранения, что почти в 10 раз больше, чем у крупнейших литий-ионных аккумуляторных систем, которые были установлены для хранения возобновляемой энергии.

Если башни расплавленной соли CSP находятся на грани более широкого признания, то это в значительной степени из-за растущего осознания того, что переход на возобновляемые источники энергии требует хранения в таких масштабах. «Хранение — это действительно ценное предложение для CSP», — сказал Клиффорд Хо, возглавляющий исследования тепловой солнечной энергии в Sandia National Laboratories в Альбукерке, Нью-Мексико.

Да, это ракетостроение

Несмотря на обещания, прогресс SolarReserve не был быстрым и легким. Компания все еще уклоняется от цели коммерческого признания своей технологии электростанций. Спустя десятилетие Crescent Dunes является единственным примером системы расплавленных солей CSP от SolarReserve. Во многом компания остается стартапом.

Сохраняйте жизнь экологической журналистики

ICN бесплатно предоставляет отмеченные наградами локализованные климатические материалы и рекламу.Чтобы продолжить работу, мы рассчитываем на пожертвования таких читателей, как вы.

Пожертвовать сейчас

Вы будете перенаправлены на страницу партнера ICN по пожертвованиям.

Главный технический директор

SolarReserve, Уильям Гулд, более двух десятилетий занимался разработкой производства электроэнергии из расплавленной соли CSP. Еще в 1990-х годах он был руководителем проекта демонстрационной установки под названием Solar Two, построенной при поддержке Министерства энергетики США в пустыне Мохаве недалеко от Барстоу, Калифорния. В 1980-х годах в том же месте был Solar One, который успешно показал, что поле гелиостатов, сияющих на центральной башне, может производить пар для работы турбины.Работа Гулда заключалась в том, чтобы продолжить проект, в котором вместо пара нагревалась соль, и доказать, что энергия может храниться.

Solar Two был небольшим пилотным проектом недалеко от Барстоу, Калифорния, где в 1990-х годах была протестирована технология хранения соли, которая сейчас используется в Crescent Dunes. Предоставлено: KJKolb / CC-BY-SA-2.0.

Чтобы построить приемник расплавленной соли, Гулду пришлось выбирать между двумя претендентами: производитель котлов, имеющий опыт работы с традиционными электростанциями, работающими на ископаемом топливе; и Rocketdyne, компания, производившая ракетные двигатели для НАСА.Он пошел с учеными-ракетчиками. Конус или раструб в нижней части ракеты, где выходит пламя, на самом деле состоит из сети небольших трубок, по которым циркулирует жидкое топливо, охлаждая металл и не давая конусу плавиться. Опыт Rocketdyne в разработке этого трюка и знания в области высокотемпературной металлургии побудили компанию разработать технологию использования расплавленной соли на установке CSP.

Проект Solar Two мощностью 10 МВт успешно работал в течение нескольких лет, подтверждая эту концепцию, и был списан в 1999 году.«У нас были прорезывания зубов. У нас были некоторые проблемы, которые нам нужно было исправить », — сказал Гулд. «Но в конце концов он работал так, как задумано». Действительно, основная технология, используемая сегодня в Crescent Dunes, практически ничем не отличается от Solar Two, кроме масштаба: смесь нитратных солей и рабочие температуры идентичны.

В начале своей карьеры Гулд работал инженером-ядерщиком в Bechtel, гигантской строительной компании, работавшей на реакторах Сан-Онофре в Калифорнии и на заводе в Пало-Верде в Аризоне. Он сказал, что в конце концов решил, что ничто не может быть полностью защищено от дурака.«Я больше не сторонник ядерной энергетики», — сказал он.

Однако он отказался от работы над Solar Two как большой сторонник расплавленной соли. «Мы возлагали большие надежды на быструю коммерциализацию», — сказал он. Расширение масштабов до коммерчески жизнеспособных 100 МВт или более оказалось слишком новым для привлечения финансирования из банков или других традиционных источников. Ему действительно требовалась государственная гарантия по кредиту или другая поддержка, которой в те годы не было.

Ставка на миллиард долларов

Когда была основана компания SolarReserve, казалось, что завод по производству расплавленной соли с полем гелиостатов и центральной башней может производить электроэнергию по цене, конкурентоспособной, если не дешевле, чем у большой солнечной фотоэлектрической станции.Но сразу цена на фотоэлектрические панели стала падать. По данным Министерства энергетики США, стоимость киловатт-часа электроэнергии от солнечной фермы в масштабе коммунального предприятия, усредненная за время эксплуатации объекта, упала с 28 центов в 2010 году до менее 6 центов. Сегодня это не редкость, когда солнечная ферма предлагает продавать электроэнергию примерно по 2 цента за киловатт-час.

Кевин Смит, генеральный директор SolarReserve, считает, что Crescent Dunes показывает, что технология работает и что следующие проекты докажут экономичность.Компания планирует построить еще 10 башен CSP в Неваде. Предоставлено: Роберт Дитрайх.

Компания построила несколько солнечных фотоэлектрических станций, поскольку цены упали. По словам Смита, это помогло заработать немного денег. Но основное внимание оставалось на башнях из расплавленной соли. Благодаря соглашению о закупке электроэнергии от NV Energy, основной коммунальной компании Невады, и крупной гарантии по кредиту от Министерства энергетики, строительство Crescent Dunes началось в 2011 году. Оно было завершено в 2015 году, примерно на два года позже запланированного срока.

Строительство стоило около 750 миллионов долларов, а с учетом так называемых «мягких» затрат, таких как проценты во время строительства и подключения к линии электропередачи, общая стоимость была близка к 1 миллиарду долларов.По словам Смита, затраты на строительство для проектов, находящихся в стадии разработки, были сокращены почти вдвое. Тем не менее, новая солнечная фотоэлектрическая установка для коммунальных предприятий размером с Crescent Dunes, но без каких-либо хранилищ, может быть построена сегодня примерно за 110 миллионов долларов.

Смит и Гулд — и другие наблюдатели — скажут вам, что Crescent Dunes в первые два года существования страдала от проблем. Но проблема не в конструкции системы расплавленной соли, гелиостатов или башни, сказал Смит.Он ссылается на проблемы «баланса завода», такие как насосы, которые не работают должным образом, и трансформаторы для оборудования в области гелиостата, которые были малоразмерными.

Самой большой проблемой на Crescent Dunes была утечка в резервуаре для хранения горячей соли, обнаруженная в конце 2016 года. Смит объясняет, что гигантское кольцо, опирающееся на пилоны на дне резервуара, распределяет расплавленную соль по мере того, как она спускается из получатель. В то время как пилоны должны были быть приварены к полу, само кольцо было спроектировано так, чтобы двигаться, поскольку изменения температуры вызывают расширение или сжатие.Вместо этого из-за ошибки конструкции все было сварено вместе, и изменения температуры привели к изгибу дна резервуара и утечке.

Расплавленная соль, нагретая солнечными батареями, хранится в гигантских резервуарах возле башни в Crescent Dunes. Предоставлено: Роберт Дитрих.

Утечка солевого расплава не представляет особой опасности. Когда он попал в гравийный слой под резервуаром и сразу же остыл, он превратился в соль. Тем не менее, остановка длилась несколько месяцев, и завод вернулся в сеть только в июле.

Предполагается, что

Crescent Dunes сможет вырабатывать около 500 000 МВт электроэнергии в год, что эквивалентно работе около 12 часов в день.Но этого еще не произошло. Смит утверждает, что сейчас предприятие работает хорошо и выполнит поставленную задачу. «Основная технология работает как чемпион», — сказал он.

Все еще крошечный кусочек солнечного пирога

На протяжении многих лет применялось несколько различных подходов к CSP. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, во всем мире было построено около 5000 МВт генерации CSP. Это немного — на конец 2016 года количество солнечных панелей составляло 291 000 МВт, — но это еще не все.

Большинство проектов CSP осуществляется в США и Испании, где правительство предлагало щедрые субсидии в течение нескольких лет до финансового кризиса 2008 года. Наиболее распространенной технологией является параболический желоб, система, в которой используются изогнутые зеркала, которые перемещаются по одной оси для отслеживания солнца. Солнечный свет концентрируется на трубе, заполненной маслом, в фокусе параболического зеркала. Масло, температура которого может достигать 700 градусов по Фаренгейту, используется для производства пара для работы турбины. Здесь нет прямого накопления тепла, хотя некоторые предприятия добавляют ступень, используя масло для нагрева расплавленной соли, чтобы ее можно было хранить.Однако этот процесс менее эффективен, чем хранение с использованием башни CSP, из-за более низких температур.

Первый завод CSP в Марокко, Noor I, имеет полмиллиона изогнутых зеркал, которые медленно следуют за солнцем. Солнечный свет концентрируется на трубе, заполненной маслом, которое используется для создания пара для работы турбин. Предоставлено: Фадель Сенна / AFP / Getty Images.

Параболические желоба могут быть уместны в некоторых местах, по словам Серджио Реллозо из подразделения солнечной энергии испанской инженерной компании Sener.Компания Sener построила более двух десятков проектов лотков CSP. Сейчас компания строит два завода в Уарзазате, Марокко. Один использует технологию параболического желоба Sener и систему хранения расплавленной соли; другой — конструкция башни из расплавленной соли, что делает его вторым испытанием технологии в масштабах коммунального хозяйства после Crescent Dunes.

Цена на электроэнергию на двух марокканских заводах очень близка, сказал Реллозо. Поскольку многие установки с желобами уже построены, он делает ставку на то, что лучшая возможность для снижения затрат в будущих проектах связана с технологией башни с расплавленной солью.«Конструкция башни дает гораздо больше возможностей для снижения затрат».

Другой важный тип установок CSP использует центральную башню и гелиостаты для нагрева пара вместо соли. Эти растения похожи на Crescent Dunes, но здесь нет хранилища; пар должен быть немедленно использован в турбине. Эта технология используется на проекте Ivanpah мощностью 377 мегаватт, расположенном в пустыне Мохаве недалеко от границы Невады и Калифорнии, на крупнейшем в мире заводе CSP. Ivanpah был построен с гарантией федерального кредита в размере 1,6 миллиарда долларов.

Иванпа, расположенный в пустыне Мохаве в Калифорнии, был введен в эксплуатацию в 2013 году как крупнейшая в мире солнечная тепловая электростанция. Его ресиверы вырабатывают пар для работы турбин. Предоставлено компанией Bechtel.

Смит, Мехос и другие заявили, что использование только пара в Иванпе кажется тупиковым, потому что он остается намного дороже, чем солнечные фотоэлектрические панели, и не имеет возможностей хранения, которые могут сделать продукцию завода более ценной для населения. сетка.

Разработчик проекта Ivanpah, компания BrightSource Energy, сообщила в электронном письме, что его технология, основанная на проектировании солнечного поля и оптимизации гелиостата, также может быть применена к установкам расплавленных солей.Компания разрабатывает проекты по хранению расплавленных солей в Китае.

Это то, что нужно сети?

SolarReserve всегда считал хранилище своим преимуществом. Смит сказал, что официальные лица коммунальных предприятий и политики ответят, что хранилище важно, что они хотят большего. «Но они хотели бесплатное хранилище», — сказал он. «И, к сожалению, мы не могли дать им это бесплатно».

Стандарты портфеля возобновляемых источников энергии и другие законодательные и нормативные требования подтолкнули коммунальные предприятия к добавлению ветровой и солнечной энергии, но не дали большого стимула для поддержки генерации, которая будет работать тогда, когда сеть больше всего нуждается в электроэнергии.«На рынке коммунальных услуг США они просто хотели киловатт-часов», — сказал Смит. «Им было все равно, когда они их получили».

Теперь, по словам Смита, разговор о том, что действительно нужно электросети, начался всерьез. В таких местах, как Калифорния, где около трети электроэнергии в настоящее время вырабатывается из возобновляемых источников, в определенные часы дня наблюдается избыточное производство из возобновляемых источников. Если переход к более чистым, безуглеродным источникам энергии будет продолжаться, Калифорнии и другим системам потребуются чистые ресурсы, которые можно будет направлять для удовлетворения пикового спроса и поддержания стабильности энергосистемы.«Мы считаем, что сейчас происходит возрождение рынка CSP. И все дело в хранении «.

Концентрированные солнечные электростанции, использующие хранилище расплавленной соли, вызывают интерес во всем мире, при этом несколько заводов планируется построить в Китае. Предоставлено: SolarReserve.

Мехос сказал, что такие разработчики, как SolarReserve, все еще должны доказать, что башни расплавленной соли CSP могут быть надежными и обеспечивать электроэнергию по обещанным ценам. В дополнение к австралийскому проекту по цене около 6 центов, SolarReserve предложила продать электроэнергию из проекта в пустыне Атакама в Чили по цене около 5 центов за киловатт-час.

«Нам действительно нужно увидеть установки на местах, которые соответствуют этим заявкам и работают надежно», — сказал Мехос. Чилийский проект представляет собой самую низкую цену на продукцию CSP, отчасти потому, что там солнечный свет даже сильнее, чем в Неваде или Южной Австралии.

Тем временем в Китае правительство объявило о программе строительства CSP мощностью 6000 МВт с хранилищем. SolarReserve вступила в партнерские отношения с государственной компанией Shenhua Group, занимающейся строительством угольных электростанций, с целью развития производства расплавленных солей CSP мощностью 1000 МВт.

10 дополнительных станций, которые SolarReserve надеется когда-нибудь построить в пустыне Невада, будут похожи на Crescent Dunes, но больше — каждая с 10 часами хранения, общей мощностью 2000 МВт и производительностью 7 миллионов МВтч в год. Проект будет простираться к северу от участка Crescent Dunes, и компания подала заявку на разрешение на землю в Федеральное бюро землепользования.

Гулд наблюдает, когда Калифорния поймет, что это то, что им нужно. «Это кажется неизбежным, не так ли?» он сказал.Если так, то башни CSP, которые сегодня выглядят чуждыми путешественникам, проезжающим по пустыне, в ближайшие несколько лет могут стать привычным зрелищем.

Проект солнечной энергии Crescent Dunes — неожиданное место посреди безлюдной пустыни Невады. Кредит: SolarReserve

Роберт Дитрих

Роб Дитрих пишет еженедельный бюллетень чистой экономики для InsideClimate News.Его опыт работы в области экономики, финансов и энергетики: восемь лет он проработал старшим редактором журнала Bloomberg Markets и пять лет руководителем группы по энергетическим компаниям и рынкам в Bloomberg News. В качестве внештатного репортера и редактора Роб работал в The Economist Intelligence Unit и Bloomberg Businessweek, а также в других изданиях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.