Ученые создали прозрачный солнечный концентратор. Концентратор светаСолнечные концентраторы. Виды, особенности, применениеПолное количество энергии солнца, которое поступает на поверхность Земли всего лишь за неделю, превышает энергию запасов нефти, урана, угля и газа во всем мире. Сберегать солнечное тепло можно различными способами. Одним из таких решений являются солнечные концентраторы. Это специальное устройство для сбора солнечной энергии, которое выполняет функцию нагрева материала-теплоносителя. Обычно применяются для отопления помещений и нужд горячего водоснабжения. Именно указанным свойством он отличается от солнечных батарей, который непосредственно производят электричество. УстройствоОсновная функция солнечного концентратора – фокусировка солнечного излучения на приемнике излучателя, который располагается на фокальной линии или в фокальной точке коллектора солнечной энергии. Устройство солнечного концентратора предполагает наличие следующих элементов:• Линзы или отражатели, которые применяются в качестве концентратора солнечных лучей.• Конструкция основания, на которой крепятся линзы или отражатели.• Тепловоспринимающий элемент, в качестве которого часто выступает солнечный коллектор.• Трубопроводы, которые подводят и отводят теплоноситель.• Механизм привода системы слежения. Данный механизм в большинстве случаев включает;1) электронный блок преобразования сигналов;2) датчик направления на Солнце;3) электродвигатель с редуктором, который поворачивает конструкцию солнечного концентратора в двух плоскостях. В зависимости от конструкции устройство также может включать линзы Френеля, термометр, регулирующий вентиль, контур системы отопления, циркуляционный насос и ряд иных элементов. Принцип действияПринцип действия солнечных концентраторов кроется в фокусировке лучей солнца на емкости с теплоносителем. Работа теплоносителя заключается в поглощении солнечной энергии. В зависимости от используемого метода концентрации энергии солнца могут применяться:
Солнечное излучение в определенных моделях концентраторов может концентрироваться:
Все выглядит следующим образом:
Температура в приемнике достигает высоких значений, но концентраторы способны фокусировать лишь прямое солнечное излучение. В результате их эффективность в облачную или туманную погоду существенно снижается. Наиболее высокие показатели КПД демонстрируют в регионах с высокой степенью инсоляции, к примеру, в экваториальных или пустынных районах. Чтобы можно было использовать солнечное излучение максимально эффективно, следует обеспечить ориентацию солнечных концентраторов в направлении солнца. С этой целью концентраторы оснащаются трекером, то есть специальной следящей системой. Она поворачивает систему прямо «лицом» к солнцу. Одноосные следящие системы выполняют поворот системы с востока на запад. В свою очередь двуосные системы с севера на юг, чтобы ориентировать систему на Солнце круглый год. В промышленных масштабах параболоцилиндрический зеркальный концентратор обеспечивает фокусировку солнечного излучения, обеспечивая более, чем стократную его концентрацию. В результате жидкость нагревается практически до 400 градусов. Проходя через ряд теплообменников, жидкость вырабатывает пар, который вращает турбину парогенератора. Чтобы минимизировать тепловые потери, приемная трубка окружается прозрачной стеклянной трубкой, которая тянется вдоль фокусной линии цилиндра. ВидыПо конструктивной схеме работы концентраторы выделяют в следующие разновидности:• Параболические концентраторы. • Параболоцилиндрические концентраторы. • Солнечные башни. • Солнечные концентраторы на сферических линзах. • Солнечные концентраторы на линзах Френеля, то есть плоских линзах. Солнечные концентраторы также классифицируют на следующие виды:
Особенности• Излучение солнца в одних концентраторах фокусируется в фокусной точке, в других — вдоль фокальной линии, где и располагается приемник. При отражении излучения с большей поверхности на меньшую, достигается высокая температура приемника, это тепло отводится теплоносителем. • Эффективность концентраторов существенно снижается в период облачности, так как фокусируется только прямое солнечное излучение. В связи с этим подобные системы имеют высокий КПД в регионах, где особенно высок уровень инсоляции: в районе экватора и пустынях. Для повышения эффективности применения солнечного излучения, концентраторы часто оснащаются следящими системами, которые обеспечивают точную ориентацию на солнце. • Так как стоимость солнечных концентраторов довольно высока, а следящие системы нуждаются в периодическом обслуживании, в большинстве случаев их применение ограничено промышленными системами электрической генерации. К тому же подобные установки могут применяться в гибридных системах, к примеру, в совокупности с углеводородным топливом. В этом случае аккумулирующая система обеспечит уменьшение себестоимости выдаваемого электричества. Применение
Параболоцилиндрические установки на текущий момент являются одной из наиболее развитых солнечных энергетических технологий. Вероятнее всего, что именно они в ближайшей перспективе будут использоваться в промышленности. Благодаря эффективной теплоаккумулирующей способности станции башенного типа также могут стать станциями недалекого будущего. Благодаря модульному характеру «тарелок» они могут применяться в небольших установках. «Тарелки» и башни позволяют обеспечить более высоких значений КПД при получении энергии меньшей стоимости. Однако это требует значительного снижения капитальных затрат. В настоящее время только параболические концентраторы уже апробированы и в скором времени будут усовершенствованы. Башенные станции требуют демонстрации эксплуатационной надежности и эффективности. Для систем тарельчатого типа нужна разработка недорого концентратора и создание коммерческого двигателя. Недостатки и достоинстваПараболические концентраторы.Преимущества — опробованная технология.Недостатки:
Башни.Преимущества:
Недостатки:
Солнечные концентраторы с линейными отражателями Френеля.Преимущества:
Недостатки — не опробована технология.Похожие темы:
electrosam.ru Ученые создали прозрачный солнечный концентраторСолнечную энергию уже давно научились собирать при помощи специальных устройств. Однако одна из главных проблем данной процедуры – не слишком привлекательный вид этого оборудования. Команда инженеров из Мичиганского университета решила исправить существующий недостаток и создала уникальный солнечный концентратор с полностью прозрачным корпусом. Такая установка сможет использоваться не только на окнах, но и на экранах смартфонов, не нарушая эстетику устройств. Исследование проводилось во главе с Ричардом Лантом. Его результаты были опубликованы в журнале Advanced Optical Materials. Поглощение солнечного светаСолнечные концентраторы используют линзы для фокусировки света на небольшой площади. Это позволяет максимизировать выработку электроэнергии. Сам процесс чем-то похож на всем нам знакомую хитрость, когда с помощью увеличительного стекла прожигают какую-либо поверхность. Научная дилеммаОтсюда сразу выплывает вопрос: но почему же тогда ученые сразу не создали прозрачную линзу для концентратора? Ведь это бы сделало устройство для сбора тепловой энергии более совершенным. Но, к сожалению, задание оказалось не таким простым, как кажется. Инженеры тщетно пытались соблюсти баланс, при котором при повышении прозрачности линзы не уменьшалась бы эффективность устройства. До настоящего момента для изготовления концентраторов считалось приемлемым использование только окрашенных стекол. «Никто не хочет находиться в окружении цветных линз, - сказал Лант в своем пресс-релизе. - Это делает обстановку слишком красочной, как будто бы вы находитесь на дискотеке. Но мы применили новый подход к разработке концентраторов, при котором активный люминесцентный слой сохраняет прозрачность». Невидимые волныСекрет успеха идеи заключается в создании системы, которая способна функционировать на волнах, находящихся за пределами видимого спектра. Это было достигнуто с помощью органических люминофоров – соединений, отвечающих за свечение. Концентратор поглощает лучи на определенных длинах волн, а затем он может передать их в другое устройство. Отсутствие участия видимого спектра в процессе позволило исследователям получить прозрачный, как стекло, готовый продукт. «Мы можем настроить этот материал таким образом, чтобы он поглощал только ультрафиолет и инфракрасные лучи», - объяснил Лант. Вместо того, чтобы концентрировать свет непосредственно над нужным элементом (например, как это делает увеличительное стекло, размещенное над листом бумаги), устройство распределяет его по всему периметру своей поверхности, преобразовывая солнечные лучи в электроэнергию. fb.ru Как сделать солнечный концентратор своими руками (например, параболический)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.
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.
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.
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.
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 концентраторСамый 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.
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. solarb.ru Концентраторы солнечного излученияСфокусировать солнечные лучи можно с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.
Рис. Гелиоустановка с параболоидным гелиоконцентратором Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного алюминия. Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце. Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже Пред (Пред = 46 160), но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений. Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка - параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.
В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах.
Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоид. концентратора (45град.), близок к 60 град. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга (двигатель внешнего сгорания, пример-паровоз). Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 куб.м. воды в час. В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости. Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт.
В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором
Рис. . Линейные гелиоконцентраторы
В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем. . Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВтч энергии - 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций. (Атомные станции США ~ 15 центов за 1Квт.). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом в дневные часы - солнце. Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболоцилиндрических длинных отражателей в виде желоба.
При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100. В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18 млн. км2 в океане.
Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах. В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.
В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550оС, воздух и другие газы - до 1000оС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100оС, жидкометаллические теплоносители - до 800оС. Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250 м.
На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу. Несколько иного типа электростанция в Альмерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.
Санлукар-ла-Майор, провинция Севилья, Испания.
Рис. . Санлукар-ла-Майор, провинция Севилья, Испания. Гелиоэнергетические установки PS20 (на переднем плане) и PS10.
Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.
Рис. . Электростанция Solar Two на гелиоконцентраторах в Калифорнии.
Входит в состав различных гелиоустановок, в которых солнечная энергия преобразуется и используется в виде тепла или электроэнергии в солнечных печах, при гелиосварке, стерилизации, в ряде других технологических процессов, в сочетании с солнечным термоэлектрогенератором и т. п. Гелиоконцентратор может повышать плотность энергии солнечной радиации в несколько тысяч раз, доводя её до 35·10³ кВт/м², что только в два раза меньше плотности лучистой энергии на поверхности Солнца (74·10³ кВт/м²). Для такой концентрации энергии строят гелиоустановки, зеркальная система которых (параболоидного и других типов) может иметь диаметр до 10 м. Гелиоконцентратор может повышать плотность энергии солнечной радиации в несколько тысяч раз, доводя её до 35·10³ кВт/м², что только в два раза меньше плотности лучистой энергии на поверхности Солнца (74·10³ кВт/м²). Для такой концентрации энергии строят гелиоустановки, зеркальная система которых (параболоидного и других типов) может иметь диаметр до 10 м. Гелиоконцентраторы можно условно разделить на две группы – точечные и линейные. К точечным относятся те устройства, в которых отраженные лучи собираются в одну условную фокальную точку – пятно. В линейных концентраторах при помощи параболоцилиндрического отражателя лучистая энергия концентрируется в фокальной линии, по оси которой размещается труба для движения теплоносителя. Температура теплоносителя в них может достигать 300-400 °С. Неотъемлемой частью гелиоконцентраторов является система ориентации, которая позволяет непрерывно отслеживать положение Солнца и в соответствии с ним осуществлять перемещение концентраторов для устойчивого положения фокуса относительно отражательных элементов. Применение зеркал, по сравнению с линзами, световодами и подобными устройствами, является наиболее эффективным, т.к. позволяет получить наиболее высокий уровень мощности солнечного излучения. Наиболее эффективно применение гелиоэлектростанций в тропических широтах. Средняя полоса также позволяет применять этот принцип преобразования энергии.
Фотоэлектрические преобразователи. В солнечнойэнергетике для получения электрической энергии широко применяют фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Фотоэлектрический преобразователь представляют собой полупроводниковое устройство по преобразованию солнечной энергии непосредственно в электричество. Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею (Рис. 21).
Рис. 21. Солнечные батареи
Принцип работы ФЭП основан на фотовольтаическом эффекте, т.е. возникновение электрического тока при воздействии солнечного излучения на неоднородную полупроводниковую структуру. Неоднородность структуры достигается несколькими путями. Первый способ – легирование полупроводника различными примесями, вследствие чего образуются несколько p-n переходов. Второй способ – соединение разных полупроводников, которые имеют разную ширину запрещенной зоны, т.е. энергию отрыва из атома электрона. При этом создаются гетеропереходы. Третий способ – изменения химического состава полупроводника, что приводит к созданию градиента ширины запрещенной зоны, варизонных структур иначе. Более того возможны комбинации перечисленных выше способов, что позволяет добиться большей эффективности преобразователя, которая зависит от электрофизических характеристик полупроводниковой структуры и оптических свойств преобразователя. Важным фактором, определяющим оптические свойства, является фотопроводимость, которая обуславливается явлением внутреннего фотоэффекта, возникающего при облучении полупроводника солнечным светом. Руководствуясь этими физическими свойствами на заводах изготавливают солнечные батареи, которые используются во многих отраслях промышленности. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Среди фотоэлектрических установок условно выделяют несколько типов по применяемому в производстве материалу (в порядке уменьшения КПД): арсенид галлия, монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, CIGS – медь, индий, галлий и селен. Сегодня можно говорить о трех поколениях фотоэлектрических элементов. К первому поколению, кристаллическому, относят монокристаллические кремниевые ФЭП, поликристаллические кремниевые и технологии выращивания тонкостенных заготовок. Второе поколение, тонкоплёночное, позволяет получать электроэнергию используя кремниевые фотоэлементы - аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass), фотоэлементы на основе теллурида кадмия (CdTe) и на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S). ФЭП третьего поколения – элементы, фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC), органические (полимерные) ФЭП (OPV), неорганические ФЭП (CTZSS) и ФЭП на основе каскадных структур. В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы[17] приходилось 6 % рынка, в 2007 - 8 %, а в 2009 году их доля выросла до 16,8 %. Основным показателем эффективности фотоэлементов является коэффициент полезного действия - отношение количества энергии, поступившей на фотоэлемент, к количеству энергии, получаемой потребителем. КПД Фотоэлементы массового производства на основе монокристаллического кремния имеют практический 16 - 17%, использующие поликристаллический кремний - 14 - 15%, аморфный кремний - 8 - 9%. Наибольшей эффективности работы фотоэлектрических панелей можно добиться только при их установке перпендикулярно падающим солнечным лучам. Угол наклона солнца относительно горизонта меняется как в течение суток так и в течение года. Для увеличения КПД солнечных электростанций применяют системы автоматического слежения за солнцем (трэкеры). Такие установки дороги и сложны в установке, поэтому их применение оправдано только при большом количестве панелей. Ещё одним эффективным способом повышения энергоотдачи фотопанелей является применение концентраторов солнечного излучения: линзы Френеля, параболические концентраторы, гелиостаты. Но увеличение плотности энергии поступающей на фотопанель приводит к необходимости использования систем охлаждения, что делает конструкцию более сложной. Солнечные фотоэлектрические установки могут функционировать: – автономно, т.е. изолированно от других источников электроэнергии; – в составе гибридной системы энергообеспечения при децентрализованном энергоснабжении потребителя энергии; – в сети с подключением к местным или централизованным системам электроснабжения с возможность продажи избытка электрической энергии компании-владельцу распределительных сетей по согласованному тарифу; – в качестве резервного источника, используемого в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка. Каждый из указанных видов достаточно перспективен и имеет равные с другими шансы на развитии и внедрение в повседневную жизнь.
Солнечные коллекторы. Одной из солнечных технологий, позволяющей снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО2, является производство низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд. В настоящее время более 40% первичной энергии расходуемой человечеством приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе технологии использования солнечной энергии являются наиболее зрелыми и экономически приемлемыми для широкого практического использования.
Похожие статьи:poznayka.org Ksinergy Group - Оптический способ концентрации солнечной энергии в миллионы раз
Может быть использован для передачи солнечного излучения по оптическому кабелю на большие расстояния без его преобразования в другие виды энергии.
Цель изобретений: Оба изобретения предназначены для получения концентрированной солнечной энергии в десятки тысяч раз, которую можно передавать на большие расстояния без её преобразования в другие виды энергии.
1. Новый способ оптической концентрации солнечной энергии позволяет снизить потери при её концентрации и при преобразовании в другие виды энергии. Этот эффект достигается за счёт полного внутреннего отражения, принципов Ферма, закона Снеллиуса и оптических свойств кривых второго порядка. 2. В фотоэнергетике известно, что во сколько раз увеличивается концентрация солнечной энергии, во столько раз уменьшается расход полупроводниковых структур, а соответственно стоимость и размеры солнечных элементов. 3. Собранная, с достаточно большой поверхности, концентрированная солнечная энергия позволит получить температуру получения четвёртого состояния вещества — плазму, и в зависимости от степени ионизации вести пиролиз или прямой термолиз вещества.
На следующем слайде представлен параболоцилиндрический концентратор, изготовленный по патенту №2300058. Концентратор имеет площадь зеркального отражателя 17.3 кв.м. Коэффициент отражения 0.7 (полированная нержавеющая сталь), абсорбер выполнен из чёрного оцинкованного металла. Сблокированные концентраторы с такой площадью способны получить сотни тонн горячей воды или пара. Вода из скважины прокачивается через абсорбер и превращается в пар.
При этом базовым концентратором для нового способа концентрации солнечной энергии, является параболический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем, изготовленный по патенту №2300058 Основным недостатком существующих концентраторов подобного типа, являются большие потери солнечной энергии при отражении у абсорбера и при передаче тепловой энергии к теплоприёмнику.
Вашему вниманию представлен новый способ концентрации солнечной энергии, где эти недостатки сведены к минимуму.
На кадре просматривается неизвестный луч, который в двух местах прожигает зеркало из полированной нержавеющей стали и алюминиевую подложку. Природа этого мощного луча неизвестна, но его оптический след понятен, исходя из конструктивного решения концентратора Этот фото факт подтверждает, что подобное можно сделать и на земле, но только в обратном направлении, используя новый способ концентрации солнечной энергии.
На следующих слайдах изображён параболоцилиндрический концентратор с площадью зеркального отражения 7.6 кв. м . Он проектировался как пилотный образец для использования в бытовых целях, поэтому и размещен у жилого индивидуального дома. Такой концентратор нагревает ёмкость 500 литров до температуры 65 – 70 градусов Цельсия за восемь часов. При этом температура воды, поступающей из скважины , составляет 7 – 8 градусов Цельсия.
Эксплуатация концентраторов показала необходимость замены зеркала на полированный алюминий с коэффициентом отражения 0.9, а абсорбер, выполненный из черного металла, следует выполнять из цветного металла, теплопроводность которого, в пять и восемь раз больше теплопроводности чёрного металла. Вся система слежения за солнцем проста. Система учитывает постоянство экваториальных координат, времена года, поясное время и работает по копиру при определении угла места солнца.
Немного теории… Пик энергии солнечных лучей приходится на видимую часть спектра электромагнитных волн длина которых находится в пределах от восьми до четырёх тысяч атомных ядер (800-400 нм.) К этому диапазону прилегают инфракрасные лучи с длиной волны (1мм-800 нм.) и ультрафиолетовые с длиной волны (400-10 нм). Солнечный концентратор способен принять указанный диапазон длин волн в световоде -концентраторе. И позволяет передавать концентрированное солнечное излучение по оптическому кабелю на большие расстояния, с последующим преобразованием в другие виды энергии. Световод-конкентратор выполнен из прозрачного диэлектрика и закреплен в металлическом каркасе в фокусе концентратора первой ступени. Концентрированные солнечные лучи на первой ступени, попадая в световод меняют направление светового потока на угол до 90 о . Принцип работы основан на законах оптической геометрии. Создаются условия для реализации полного внутреннего отражения, в результате чего достигается высокая концентрация энергии.
На следующих слайдах представлены некоторые конструктивные решения. В место абсорбера установлен фрагмент световода — концентратора. Две трети площади зеркала концентратора первой ступени закрыты не отражающей плёнкой. Открытая часть концентратора собирает солнечную энергию и в виде фокальной полосы направляет на световод — концентратор, где энергия суммируется по длине световода, и изменяет направление светового потока под углом до 90˚. С открытой части зеркала площадью 2.8 кв.м температура в солнечном пятне, на поверхности земли достигает 300 о С. При этом поверхность земли, в районе солнечного пятна не имела специального покрытия для приёма тепловой энергии. На слайде просматривается мокрое пятно, это результат некачественной пайки.
На слайде хорошо просматривается размещение светового потока в световоде. Материалом для световода служит прозрачный диэлектрик, акриловое стекло (полиметилметакрилат), с коэффициентом преломления 1.49. Этот материал термопластичен уже при температуре 80 градусов Цельсия. Важно, что в процессе концентрации, не смотря на высокую температуру на выходе, геометрические размеры световода не меняются. Это говорит о том, что энергия при концентрации в световоде (при любой длине световода) не теряется.
На слайде изображены две проекции устройства концентрации солнечной энергии по новому способу с использованием квантовой ловушки. Сконцентрировать световой поток, от представленного на слайде концентратора, до диаметра 1.5 - 2 мм., конструктивно не представляет трудности, тогда под определённой апертурой он может быть направлен в оптический кабель для передачи его на расстояние. На слайде световой поток смещён от центра ловушки. В конце световода — концентратора установлена квантовая ловушка, которая способна преобразовывать сконцентрированную солнечную энергию в тепловую и электрическую одновременно.
690002, Россия Приморский край, г. Владивосток Пр. Острякова, 26 кв. 242 Тел.: 8 (4232) 304 – 303, моб. 8 914 799 03 67 Факс. 8 (4232) 401 – 195 Электронная почта: [email_address] Юлий Рылов Контактная информация Источник ksinergy.org Линзовые солнечные панели. Плоские и сферические / Солнечная энерги…Для эффективного сбора солнечной энергии могут использоваться солнечные концентраторы на основе, сферических линз или так называемых линз Френеля. Такие линзовые панели часто применяются для увеличения продуктивности солнечных батарей или солнечных печей. Давайте рассмотрим несколько проектов линзовых солнечных панелей Солнечные концентраторы на лизнах ФренеляПлоские линзы были изобретены еще в 19 веке французским математиком Август Френелем, который сумел дублировать эффект огромного выпуклой линзы с помощью стеклянных призм. Сейчас тонкие круглые призматические линии штампуют на пластиковых листах. Линзы Френеля продаются в магазинах канцелярских товаров на листах 8 «х 11» и стоят примерно $ 2,00. Такие солнечные концентраторы могут быть использованы в двух направлениях. Одно из них – применение линзовых концентраторов солнечного света, которые помещаются поверх фотоэлементов. За счёт размещения на солнечной батарее этих специальных линз в восемь раз повышается концентрация светового потока. Таким образом, появляется возможность уменьшить количество фотоэлементов арсенида галлия, которые составляют основную часть стоимости солнечных батарей. А второе, использование солнечного света для работы солнечных печей. Эти самодельные линзовые солнечные панели были установлены в Калифорнии еще в 1998 году для обеспечения электричеством частного дома Недавно петербургские инженеры разработали солнечные панели нового типа на основе таких линзовых концентраторов. А здесь можно увидеть 4 теста, как линзовые концентраторы увеличивают продуктивность работы солнечных панелей А вот так выглядит немецкая разработка солнечного концентратора FlatCon. Как утверждают сами разработчики, при помощи такого модуля можно добится увеличения КПД до 40%. В полевых испытаниях эффективность модуля достигла 28,5% SolFocus — взлет и падение Самой известной крупной компанией, которая попыталась масштабно внедрить линзовые солнечные панели, стала компания SolFocus. В 2006 году им удалось разработать компактные линзовые солнечные панели. На их создание использовалось гораздо меньше кремния, чем на обычные панели, так как они использовали линзы и зеркала, чтобы сконцентрировать солнечный свет. Такие концентраторы солнечного света увеличивали солнечную энергию в 500 раз, и таким образом они наращивали продуктивность фотоэлементов. Что в то время сокращало расходы на производство солнечной энергии практически на 40%. За последующие 5 лет компания SolFocus реализовала несколько крупных проектов и собрала около 230 млн $ инвестиций. Но что-то пошло не так и сейчас сайт компании не работает, а SolFocus находится в Списке умерших компаний.Сферические солнечные панелиСферические линзы использовались для создания солнечных концентраторов еще в 70-х годах и такие разработки были запатентованы во Франции, Германии, Италии, Японии, США, и СССР. В 1988 году в Петербурге работал целый исследовательский центр по разработке разных видов солнечных концентраторов на основе линз, сфер и призм.Если вернуться к современным проектам то в 2012 году немецкий архитектор Андре Броессел разработал сферический концентратор, который в состоянии повысить эффективность фотоэлектрической панели на целых 35%. rodovid.me Солнечные концентраторы: недостатки, преимущества, проблемы.: solar_front написано после прочтения статьи в Photon International 12/2012. Все фото и данные из этого источника.Вкратце:1) Мощность CSP (Concentrated Solar Power) станций во всем мире увеличилась на 1 ГВт в 2012 году. Ежегодно этот рынок растет на величину > 100% (не опечатка!).2) Установленные мощности: 2.8 ГВт, Строится 2.9, планируется 7 ГВт.3) Наиболее популярная это технология параболических рефлекторов, но набирают силу концентроторы-башни и концентраторы на линзах Френеля . Теперь подробнее. Рынок растет так: Как будут развиваться CSP технологии? Смотрим на эту картинку: Очевидно, что параболические рефлекторы "сегодня", но башни-концентраторы будут популярны "завтра". Самый большой возводимый проект в этой области на сегодня это Ivanpah Solar Electric Generating Station 392 МВт в южной Калифорнии. 170000 зеркал будут фокусировать свет на башни. CLFR постепенно отвоёвывают рынок: наблюдается рост с 1 до 7%. Самый большой проект в этой области это 100 МВт в Раджастане от Avera Solar. Что такое параболические рефлекторы? Это система, где параболические зеркала, поворачиваясь вдоль своей оси фокусируют солнечные лучи на теплопоглощающей трубке. Такая система позволяет концентрировать в 100 раз и нагревать носитель тепла (специальное масло) до 400 градусов. Через обменник тепла горячее масло отдает энергию пару который, в свою очередь, вращает турбину. Новые системы в этой области могут включать аккумулятор в виде бака с расплавленной солью (до 8 часов). Система уже хорошо известна (с 80х) . Недостатки и достоинства:
Недостатки и достоинства:
Что такое системы концентраторов с линейными отражатели Френеля?Это более простые системы по сравнению с параболическими каналами. Концентрируют свет в 30 раз, а вместо масла используют воду для теплопередачи.  Недостатки и достоинства:Простой дизайн, низкая стоимость энергии.Но, высокий технологический риск: технология еще не опробована как параболические рефлекторы. на сегодняшний день концентраторы борются за свое существование: дешевеющие и ставшими уже привычными солнечные панели давят на этот рынок.
Тем не менее не стоит забывать, что это намного более молодая отрасль которая повторяет путь традиционной фотовольтаики сделанный 10 лет назад. Потенциал для снижения цен в этой области есть и я уверен, что "места под солнцем" хватит всем технологиям. Но я помню и оптимизм с которым Сименс взялся за концентраторы (недавно Сименс сообщил о прекращении работ в этой области) и я помню энтузиазм в области тонкопленочной кремниевой фотовольтаики. В обоих случаях окно возможностей закрылось с треском для многих карманов. Поговорим о недостатках. Зеркала надо чистить. Более того их поверхность должна быть идеальна и должна оставаться такой все время работы станции. Зеркала должны быть устойчивы к эрозии песком, например.
solar-front.livejournal.com |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Рефракторный солнечный концентратор
Параболические (рефлекторные) солнечные концентраторы
Параболический концентратор в качестве солнечной печи 
Простейшая схем нагрева воды солнечным концентратором
Самодельный солнечный концентратор – печь
Для этого он использовал стеклянный шар, который наполнил водой. Такой шар способен концентрировать энергию солнца в 10000 раз!
Недостатком такого концентратора, конечно может быть его вес, если допустить, что солнечные панели находятся на крыше дома.
С другой стороны преимуществом сферических солнечных концентраторов может стать их умение эффективно улавливать солнечный свет под любым углом. А это существенно экономит средства на разные устройства, отслеживающие движение солнца.
Конечно, с удешевлением стоимости солнечных панелей такие линзовые и сферические концентраторы теряют свою актуальность. Но в тоже время их способность улавливать генерировать энергию даже ночью может стать решающим фактором в дальнейшем развитии таких проектов.
(светло коричневым и коричневым: установленная и устанавливаемая в год мощность (ГВт) CSP. Источник: Photon International 12/2012)
(пояснение "легенды" слева -на-право: общий, параболические рефлекторы, башни, параболические тарелки, линейные отражатели Френеля. Диаграмма первая - на конец 2012 года, вторая: строится, посленяя: запланировано)
(чистка параболического концентратора в Морокко. Самый популярный: 96% всех концентраторов это параболические. Фото: Photon International 12/2012)
