Солнечный коллектор
Солнечный коллектор-(Solar collector - read english version)
Солнечный коллектор - устройство для сбора энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.
Типы солнечных коллекторов
Плоские
Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером, он связан с теплопроводящей системой. Прозрачное покрытие, как правило, выполняется из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов. Плоские коллекторы способны нагреть воду до 70-75 ° С. Чем больше падающей энергии передается теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить ее можно, применяя специальные оптические покрытия, НЕ излучающие тепло в инфракрасном спектре.
Вакуумные
Возможно повышение температуры плоских коллекторов составляет до 80-120 ° С. Добиться этого можно за счет уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.
Солнечные концентраторы
Дальнейшее повышение температуры (120-250 ° С) возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрическим отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем.
Применение
Солнечные применяются для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется теплая и горячая вода (30-90 ° С), проходит в пищевой и текстильной промышленности, таким образом характеризуется высоким потенциалом для использования солнечных коллекторов. В Европе в 2000 г. общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн. м2, а во всем мире - 71,341 млн. м2. Солнечные концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.
Солнечные башни
Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицкая в 1930-х гг Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приемником 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 приемника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приемник 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 ° С и давление 15 МПа. С учетом 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 учетом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $ 1150. Один кВт / ч электроэнергии стоил около $ 0,15.
Параболоцилиндрическим концентраторы
Параболоцилиндрическим концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой. Параболоцилиндрическим 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 ° С.
параболоцилиндрическим зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север-юг и располагают рядами на расстоянии нескольких метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинной генератором. С 1984 по 1991 г. в Калифорнии было построено девять электростанций с параболоцилиндрическим концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $ 0,12 за кВт / час.
Немецкая 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 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году планируется построить 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическим 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 возникает необходимость в системе охлаждения.
Параболические концентраторы
Параболические концентраторы имеют форму спутниковой тарелки. 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 закреплен двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается так, 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. 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 в 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%.
В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $ 0,09-0,12 за кВт / час. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами, снизится и составит $ 0,04-0,05 в 2015-2020 г.
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. К 2010 г. будет построено 20 тыс. параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.