Концентратор солнечной энергии

Крупнейшие месторождения полезных топливных ископаемых, такие как нефтяные на Аравийском полуострове, угольные в Донбассе, Кузбассе, Руре и другие месторождения многие годы, если не дольше, обеспечивают человечество энергией. Кроме уже разведанных запасов таких ископаемых существуют и не разведанные, которые оцениваются на основе тех или иных научных данных. А солнечная энергия согревающая Землю всего за три недели оказывается равной всем запасам топливных ископаемых на нашей планете. Поэтому все чаще люди задумываются об альтернативных источниках энергии.

Как применить энергию Солнца?

Как уже используемых органических ископаемых сейчас и в прошлом, так и предполагаемых неразведанных. Но солнечное излучение неравномерно распределяется на поверхности Земли, поскольку зависит от времени дня. Также оно рассеяно в пределах контура нашей планеты. Однако, несмотря на упомянутое даже совсем небольшой солнечный концентратор, которым может стать увеличительное стекло, позволяет достигать температуру в сотни градусов по Цельсию.

Эффективность использования излучения Солнца зависит только от погоды и конструкции концентратора. Чем больше его поверхность, освещаемая солнечными лучами, и чем меньше размеры солнечного пятна от них при отражении или преломлении, тем более высокая температура получается в этом пятне. При этом потери энергии происходят в воздухе и в материале концентратора.

На основе эффекта отражения площадь освещаемая Солнцем получается намного больше, по сравнению с тем, что можно сделать с использованием линз. Поэтому современные солнечные концентраторы это зеркала разнообразной конструкции. Чтобы собрать много солнечной энергии зеркал требуется большое число. По этой причине сложно использовать фокусирующие вогнутые зеркала. Получится слишком дорогая конструкция. Проще изготовить много небольших плоских зеркал.

Башня с зеркалами

Каждое из них будет создавать пятно света размерами с зеркало. Они будут примерно одинаковыми в широком диапазоне расстояний от отражателя. Система управления положением зеркала в зависимости от движения светила по небу будет удерживать световое пятно на одном и том же месте. Такое зеркало называется как «гелиостат». Высокая температура, получаемая от совмещения отражений от огромного числа зеркал, используется для получения пара из воды. То есть, схема точно такая же, как на тепловых электростанциях.

Но при этом никакое топливо не расходуется. А наиболее мощная из подобных электростанций называется «Айванпа». Она расположена в США неподалёку от города Лас – Вегас и вырабатывает почти 400 мегаватт в час электроэнергии солнечным калифорнийским днём. В её составе 350 тысяч гелиостатов. Размеры каждого из них подобны воротам стандартного гаража. Они разделены на три группы по числу парогенераторов, установленных на вершинах башен (изображения ниже).

Теплообменник в фокусе

Существует ещё одна разновидность уже функционирующих электростанций с использованием солнечных концентраторов иной конструкции в виде жёлобов параболической формы. Они нагревают теплоноситель до температуры, которая делает возможным получать перегретый водяной пар. То есть почти до 400 градусов по Цельсию. Этот теплоноситель циркулирует по трубе расположенной в фокусе жёлоба (на изображении далее).

Напрямую нагревать воду вместо теплоносителя нельзя – перегретый пар должен быть получен вблизи турбины для наиболее высокой эффективности преобразования энергии пара в механическую энергию турбины. Но солнечный концентратор в виде жёлоба содержит лишнее звено в цепи преобразования энергии солнце>теплоноситель>вода-пар>турбина. Цепь преобразования солнце>вода-пар>турбина в концентраторе с башней получается более эффективной. Поэтому вся установка занимает меньше места.

Двигатель Стирлинга с солнечным подогревом

Самая высокая температура при наименьшей по площади отражающей поверхности солнечного концентратора получается в фокусе тарельчатой конструкции. Эта конструкция может состоять или из одного большого отражателя или из нескольких небольших круглых вогнутых зеркал. Несколько небольших зеркал намного проще изготовить и транспортировать чем одно большое зеркало. Но при одинаковых внешних размерах несколько зеркал имеют меньшую суммарную отражающую поверхность и менее эффективны, чем одно большое зеркало.

Но при своей большой единичной эффективности тарельчатые концентраторы сложно объединить в одно целое с целью увеличения мощности.  Причина этого в существовании фокуса в каждом отражателе. Если основываться на конструкции с башней, в которой применяются сотни тысяч относительно небольших плоских зеркал, вогнутых зеркал потребуется примерно столько же. Но при этом надо изготовить их так, чтобы фокусное расстояние было разным.

Потребуется изготовить по нескольку тысяч групп отражателей с одной и той же формой вогнутости в группе. Но при этом каждая из групп будет отличаться друг от друга. Также невозможно объединить тарельчатые концентраторы при помощи теплоносителя. Расстояние между фокусами каждого зеркала слишком велико и теплоноситель будет остывать при перемещении между ними. По этим двум перечисленным причинам каждый тарельчатый концентратор делается мини — электростанцией на основе небольшого двигателя Стирлинга.

Этот двигатель вместе с турбиной и генератором размещается в каждом тарельчатом зеркале вблизи его фокуса с парогенератором. Объединяются в единую систему такие мини – электростанции электрически. Такое техническое решение обеспечивает самый большой КПД из всех солнечных концентраторов. Он составляет почти тридцать процентов. Мощность каждого электрогенератора установленного в концентраторе тарельчатого типа составляет 10 – 25 киловатт.

Достижения и перспективы использования солнечных концентраторов

К сожалению, так же как и для парусных судов для солнечных концентраторов важна погода. В этом заключён самый главный недостаток использования сил ветра и солнца. Даже пролёт реактивного самолёта и след в небе, который остаётся на несколько часов заметно отражается на работе солнечных концентраторов, уменьшая их теплоотдачу. Поэтому строительство таких электростанций требует мест с большим количеством солнечных дней, которые стабильно повторяются из года в год.

Но даже в средних широтах летом и в другие месяцы солнечные дни можно использовать с пользой для своего хозяйства, подзаряжаясь от солнечного света. Для этого в частном доме или на даче наилучшим будет тарельчатый солнечный концентратор. Его надо всего лишь поставить на солнечное место. Больше ничего делать не нужно. А в последнее время появились новые конструкции солнечных «тарелок», которые очень удобны в личном пользовании. Они собираются из мелких деталей вместо одного большого зеркала. Такая конструкция делает их лёгкими и «не сдуваемыми» под действием сильного ветра.

Такие установки являются эффективным дополнением для домашней энергетики. В дальнейшем по мере неотвратимого роста цен на газ и электричество их использование будет расширяться всё больше.

Посмотрите также статью про изготовление солнечной батареи своими руками.