Концентратор сонячної енергії

Найбільші родовища корисних паливних копалин, такі як нафтові на Аравійському півострові, вугільні в Донбасі, Кузбасі, Рурі і інші родовища багато років, якщо не довше, забезпечують людство енергією. Крім уже розвіданих запасів таких копалин існують і не розвідані, які оцінюються на основі тих чи інших наукових даних. А сонячна енергія зігріває Землю всього за три тижні виявляється рівною всім запасам паливних копалин на нашій планеті. Тому все частіше люди замислюються про альтернативні джерела енергії.

Як застосувати енергію Сонця?

Як уже використовуваних органічних копалин зараз і в минулому, так і передбачуваних нерозвіданих. Але сонячне випромінювання нерівномірно розподіляється на поверхні Землі, оскільки залежить від часу дня. Також воно розсіяно в межах контуру нашої планети. Однак, незважаючи на згадане навіть зовсім невеликий сонячний концентратор, яким може стати збільшувальне скло, дозволяє досягати температуру в сотні градусів за Цельсієм.

Ефективність використання випромінювання Сонця залежить тільки від погоди і конструкції концентратора. Чим більше його поверхню, що освітлюється сонячними променями, і чим менше розміри сонячної плями від них при відображенні або ламанні, тим вища температура виходить в цьому плямі. При цьому втрати енергії відбуваються в повітрі і в матеріалі концентратора.

На основі ефекту віддзеркалення площа освітлюється Сонцем виходить набагато більше, в порівнянні з тим, що можна зробити з використанням лінз. Тому сучасні сонячні концентратори це дзеркала різноманітної конструкції. Щоб зібрати багато сонячної енергії дзеркал потрібна велика кількість. З цієї причини складно використовувати фокусують увігнуті дзеркала. Вийде дуже дорога конструкція. Простіше виготовити багато невеликих плоских дзеркал.

Вежа з дзеркалами

Кожне з них буде створювати пляма світла розмірами з дзеркало. Вони будуть приблизно однаковими в широкому діапазоні відстаней від відбивача. Система керування положенням дзеркала в залежності від руху світила по небу буде утримувати світлову пляму на одному і тому ж місці. Таке дзеркало називається як «геліостат». Висока температура, що отримується від поєднання відображень від величезного числа дзеркал, використовується для отримання пари з води. Тобто, схема точно така ж, як на теплових електростанціях.

Але при цьому ніяке паливо не витрачається. А найбільш потужна з подібних електростанцій називається «Айванпа». Вона розташована в США неподалік від міста Лас - Вегас і виробляє майже 400 мегават на годину електроенергії сонячним каліфорнійським днем. В її складі 350 тисяч геліостатів. Розміри кожного з них подібні до воріт стандартного гаража. Вони розділені на три групи по числу парогенераторів, встановлених на вершинах веж (зображення нижче).

Теплообмінник в фокусі

Існує ще один різновид вже функціонуючих електростанцій з використанням сонячних концентраторів іншої конструкції у вигляді жолобів параболічної форми. Вони нагрівають теплоносій до температури, яка робить можливим отримувати перегрітий водяну пару. Тобто майже до 400 градусів за Цельсієм. Цей теплоносій циркулює по трубі розташованої у фокусі жолоба (на зображенні далі).

Безпосередньо нагрівати воду замість теплоносія можна - перегріта пара повинен бути отриманий поблизу турбіни для найбільш високої ефективності перетворення енергії пари в механічну енергію турбіни. Але сонячний концентратор у вигляді жолоба містить зайва ланка в ланцюзі перетворення енергії солнцеgt; теплоносітельgt; вода-парgt; турбіна. Ланцюг перетворення солнцеgt; вода-парgt; турбіна в концентраторі з вежею виходить більш ефективною. Тому вся установка займає менше місця.

Двигун Стірлінга з сонячним підігрівом

Найвища температура при найменшій за площею поверхні, що відбиває сонячного концентратора виходить у фокусі тарельчатой конструкції. Ця конструкція може складатися або з одного великого відбивача або з декількох невеликих круглих увігнутих дзеркал. Кілька невеликих дзеркал набагато простіше виготовити і транспортувати ніж одне велике дзеркало. Але при однакових зовнішніх розмірах кілька дзеркал мають меншу сумарну поверхню, що відбиває і менш ефективні, ніж одне велике дзеркало.

Але при своїй великої одиничної ефективності тарілчасті концентратори складно об`єднати в одне ціле з метою збільшення потужності. Причина цього в існуванні фокуса в кожному відбивачі. Якщо грунтуватися на конструкції з вежею, в якій застосовуються сотні тисяч відносно невеликих плоских дзеркал, увігнутих дзеркал потрібно приблизно стільки ж. Але при цьому треба виготовити їх так, щоб фокусна відстань було різним.

Буде потрібно виготовити по кілька тисяч груп відбивачів з однієї і тієї ж формою угнутості в групі. Але при цьому кожна з груп буде відрізнятися один від одного. Також неможливо об`єднати тарілчасті концентратори за допомогою теплоносія. Відстань між фокусами кожного дзеркала занадто велика і теплоносій буде остигати при переміщенні між ними. За цими двома перерахованих причин кожен тарільчасте концентратор робиться міні - електростанцією на основі невеликого двигуна Стірлінга.

Цей двигун разом з турбіною і генератором розміщується в кожному тарілчастому дзеркалі поблизу його фокусу з парогенератором. Об`єднуються в єдину систему такі міні - електростанції електрично. Таке технічне рішення забезпечує найбільший ККД з усіх сонячних концентраторів. Він становить майже тридцять відсотків. Потужність кожного електрогенератора встановленого в концентраторі тарельчатого типу становить 10 - 25 кіловат.

Досягнення і перспективи використання сонячних концентраторів

На жаль, так само як і для вітрильних суден для сонячних концентраторів важлива погода. У цьому укладений найголовніший недолік використання сил вітру і сонця. Навіть проліт реактивного літака і слід в небі, який залишається на кілька годин помітно позначається на роботі сонячних концентраторів, зменшуючи їх тепловіддачу. Тому будівництво таких електростанцій вимагає місць з великою кількістю сонячних днів, які стабільно повторюються з року в рік.

Але навіть в середніх широтах влітку і в інші місяці сонячні дні можна використовувати з користю для свого господарства, підзаряджаючись від сонячного світла. Для цього в приватному будинку або на дачі найкращим буде тарільчасте сонячний концентратор. Його треба всього лише поставити на сонячне місце. Більше нічого робити не потрібно. А останнім часом з`явилися нові конструкції сонячних «тарілок», які дуже зручні в особистому користуванні. Вони збираються з дрібних деталей замість одного великого дзеркала. Така конструкція робить їх легкими і «не здувало» під дією сильного вітру.

Такі установки є ефективним доповненням для домашньої енергетики. Надалі в міру невідворотного зростання цін на газ і електрику їх використання буде розширюватися все більше.

Подивіться також статтю про виготовлення сонячної батареї своїми руками.