Understanding solar concentrators/ru
ТЕХНИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ № 30 ПОНИМАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ Автор: Джордж М. Каплан
Технические рецензенты:
доктор Томас Э. Боуман,
доктор Морис Рэйфорд,
Джесси Рибо
Иллюстрации Рика Джали
Опубликовано
VITA
1600 Wilson Boulevard, Suite 500
Arlington, Virginia 22209, США
Тел.: 703/276-1800 * Факс: 703/243-1865
Интернет: pr-info@vita.org
Понимание солнечных концентраторов
ISBN: 0-86619-239-5
[C] 1985, Волонтеры технической помощи
Предисловие
Эта статья входит в серию публикаций организации «Волонтеры технической помощи», описывающих современные технологии, представляющие интерес для жителей развивающихся стран. Эти статьи предназначены для использования в качестве руководства по выбору технологий, подходящих для их ситуации. Они не содержат подробностей о конструкции или внедрении. Если вы считаете, что конкретная технология отвечает вашим потребностям, настоятельно рекомендуется обратиться в VITA или аналогичную организацию для получения дополнительной информации и технической помощи.
Статьи этой серии были написаны, прорецензированы и проиллюстрированы практически полностью техническими экспертами-волонтерами VITA на исключительно добровольной основе. В создании первых 100 изданий участвовало около 500 волонтёров, потратив около 5000 часов своего рабочего времени. В состав сотрудников VITA входили Мария Джаннуцци (редактор), Сюзанна Брукс (вёрстка и верстка) и Маргарет Крауч (менеджер проекта).
Автор данной статьи, Джордж М. Каплан, волонтёр VITA, является президентом KAPL Associates, консалтинговой фирмы, специализирующейся на управлении программами и проектами, исследованиях и разработках, планировании, оценке, энергетике и охране окружающей среды. Рецензенты также являются волонтёрами VITA. Д-р Томас Э. Боуман — профессор и заведующий кафедрой машиностроения Флоридского технологического института в Мельбурне, штат Флорида. Д-р Морис Рейфорд — консультант по солнечной энергетике в Гринсборо, штат Северная Каролина. Джесси Рибо — энергетический аналитик и консультант, участвовавший в подготовке Национальной оценки энергетической эффективности Джибути, проводимой VITA/USAID.
VITA — частная некоммерческая организация, оказывающая поддержку людям, работающим над решением технических проблем в развивающихся странах. VITA предоставляет информацию и помощь, направленные на то, чтобы помочь отдельным лицам и группам выбирать и внедрять технологии, соответствующие их ситуации. VITA поддерживает международную справочную службу, специализированный центр документации и компьютеризированный реестр технических консультантов-волонтеров; управляет долгосрочными полевыми проектами; и публикует различные технические руководства и статьи.
I. Введение
Хотя исследования, разработки и системные эксперименты в области солнечной энергетики проводились в конце 1800-х и начале 1900-х годов, именно резкий рост цен на нефть в 1974 году, спровоцированный ближневосточным нефтяным эмбарго годом ранее, привел к эскалации национальных и международных инвестиций в солнечную энергетику. В Соединенных Штатах и других промышленно развитых странах технологические инструменты и достижения, созданные во время Второй мировой войны, послевоенного восстановления и процветания, программ ядерной энергетики и космоса США, а также другие технологические достижения были применены к исследованиям и разработкам в области солнечной энергетики. Результатом стало то, что исследования, которые были ограничены кустарными умельцами и небольшими специализированными компаниями, распространились на университеты, национальные лаборатории и промышленность. Федеральный бюджет на солнечную энергетику вырос с менее чем 1 миллиона долларов в начале 1970-х годов до более чем 1 миллиарда долларов в начале 1980-х годов; в настоящее время бюджет составляет около 200 миллионов долларов, из которых около 50 миллионов долларов идут на солнечные тепловые технологии.
Технология солнечной теплоэнергетики в основном связана с использованием солнечной энергии путём её преобразования в тепло. В концентрирующем солнечном коллекторе солнечная энергия собирается и концентрируется для достижения более высоких температур; пределом является температура поверхности Солнца. Однако строительные материалы накладывают более низкие, более практичные ограничения на температурные характеристики. Аналогичным образом, общая эффективность сбора, концентрации и удержания энергии, связанная с её стоимостью, накладывает практические ограничения на температурные характеристики.
Если бы солнечная энергия была очень сильно сконцентрирована в крошечном объёме, результат был бы близок к миниатюрному солнцу. Если бы ту же энергию распределили вдоль тонкой линии, линия была бы холоднее миниатюрного солнца, но всё ещё горячей. При распределении по большой поверхности поверхность была бы менее горячей, чем линия. Существуют солнечные концентраторы, фокусирующие солнечный свет в точку или линию. Существуют также нефокусирующие концентраторы. Каждый тип имеет свои особенности применения, зависящие от температуры.
Количество энергии с единицы площади, которое концентратор может собрать за год, зависит от его положения относительно солнца. Некоторые типы коллекторов работают достаточно эффективно (экономически эффективно) при стационарном размещении. Такие коллекторы, как правило, имеют ограниченный температурный диапазон и обеспечивают незначительную или нулевую концентрацию падающего солнечного света. Большинство концентраторов собирают так мало энергии в стационарном положении, что для экономической эффективности их необходимо обеспечить возможностью ежедневного отслеживания положения солнца с утра (восток) до заката (запад). Некоторые концентраторы могут быть экономически эффективными только при отслеживании как суточного пути солнца, так и годового наклона его земной оси (из-за чего кажется, что солнце смещается по склонению на 47 [градусов] за год). Таким образом, концентраторы могут быть неотслеживающими, одноосными отслеживающими (отслеживающими направление с востока на запад) или двухосными отслеживающими (отслеживающими направление как с востока на запад, так и с севера на юг). Двухосное отслеживание обеспечивает максимальный сбор солнечной энергии, но неэффективно для большинства применений и конструкций коллекторов.
Национальная исследовательская программа США в области солнечной энергетики стала мировым лидером как по объёму инвестиций, так и по масштабу программы. Ввиду большого потенциального рынка США, национальная программа была ориентирована на внутренний рынок и не предназначалась специально для экспорта. Таким образом, опыт США применим в первую очередь к США и может быть неприменим к другим странам без внесения изменений.
Например, для применения в США зеркальные концентраторы более экономичны, чем линзовые, для малых, средних и крупных систем генерации и использования тепла. Системы слежения представляются наиболее эффективными для высокотемпературных применений. Однако эффективность в США может быть обусловлена передовыми технологиями, наличием квалифицированного обслуживающего персонала и запасных частей, отличной вспомогательной инфраструктурой, а не неотъемлемыми преимуществами зеркал или систем слежения. В менее развитой индустриализации линзовые концентраторы могут оказаться более подходящими.
Хотя термины «коллектор» и «концентратор» используются в данной статье как взаимозаменяемые, они имеют различное значение. Коллектор не может концентрировать солнечное излучение, в то время как концентраторы считаются коллекторами. В данной статье не будет проводиться никаких различий, если это не является необходимым.
ИСТОРИЯ СОЛНЕЧНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ
Концепция концентрирования солнечных лучей для обогрева определённой области известна уже как минимум 4000 лет. В эпоху глиняных табличек в Месопотамии полированные золотые сосуды, по имеющимся данным, использовались для разжигания алтарных огней. Считается, что Архимед спас Сиракузы от вторжения, сжег римский флот концентрированными солнечными лучами, отражёнными от полированного металла.
Эксперименты, подтверждающие историю Архимеда, проводились в XVII веке с полированными металлическими пластинами. Стеклянные линзы впервые были использованы для выплавки железа, меди, ртути и других материалов из руд в XVII веке. XVIII век принёс солнечные печи и духовки. Развитие технологий в XIX веке привело к появлению паровых двигателей и двигателей горячего воздуха, работающих на солнечной энергии. Многочисленные солнечные двигатели и солнечные печи были построены в начале XX века. Эксперименты продолжались до 1930-х годов, но затем прекратились из-за повсеместного распространения недорогого ископаемого топлива, в частности природного газа.
Программа солнечной энергетики США была инициирована в 1970 году в рамках программы «Исследования, применяемые к национальным потребностям» (RANN) Национального научного фонда США. Эта программа значительно расширилась в результате нефтяного эмбарго 1974 года и роста цен на нефть и другие виды ископаемого топлива. По мере изменения целей программы с исследований и разработок на коммерциализацию, ответственность за программу перешла к другим федеральным агентствам. В настоящее время программа входит в структуру Министерства энергетики США; основное внимание вновь уделяется долгосрочным, дорогостоящим и высокорискованным исследованиям и разработкам, которые вряд ли будут реализованы промышленностью; ответственность за коммерциализацию снова перешла к промышленности.
ПОТРЕБНОСТИ, УДОВЛЕТВОРЯЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИЕЙ
Солнечные концентраторы обеспечивают подачу высокоэнергетического солнечного излучения на приемник-цель, повышая ее температуру. В зависимости от степени концентрации, оптических свойств (поглощения и излучения солнечной энергии) поверхности цели и скорости ее охлаждения могут происходить следующие процессы:
- цель расплавится (высокая концентрация);
- цель достигнет равновесной температуры при естественном охлаждении (умеренная концентрация); или
- цель достигнет равновесной температуры с принудительной (циркулирующей) охлаждающей жидкостью (промежуточная концентрация).
Первый случай – это солнечная печь. Второй случай можно рассматривать как солнечную плиту или солнечную печь. В третьем случае нагретый теплоноситель используется непосредственно, например, в виде горячей воды или пара в бытовых или промышленных целях, или косвенно, в виде пара, для выработки электроэнергии. В случае производства электроэнергии обычные устройства преобразования энергии обеспечивают промежуточный этап – вращение вала – между нагретой жидкостью и её преобразованием в электричество.
Если концентрированный солнечный свет направляется на фотоэлектрический элемент или матрицу элементов, электроэнергия будет вырабатываться напрямую. Степень концентрации солнечной энергии, эффективность преобразования энергии элементом, конструкция сборки элемента и материал элемента определяют, необходима ли для эффективной работы элемента естественная или принудительная циркуляция. В настоящее время стоимость концентратора на единицу площади меньше стоимости на единицу площади элемента. В результате концентраторы используются для уменьшения площади элемента. Если площадь элемента станет дешевле площади концентратора, концентраторы не будут использоваться.
В данной статье рассматриваются преимущественно концентраторы для термических применений, а не для применения с фотоэлектрическими элементами. Особое внимание уделяется применению в менее развитых странах.
II. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ
Прежде чем говорить о концентраторах, несколько слов о солнце. За пределами земной атмосферы интенсивность солнечного света составляет около 1350 ватт на квадратный метр (429 британских тепловых единиц [БТЕ] в час на квадратный фут). Прохождение через атмосферу снижает интенсивность из-за поглощения различными газами и парами в воздухе, а также из-за рассеяния этими газами и парами, а также частицами пыли и льда в воздухе. Таким образом, солнечный свет, достигающий Земли, представляет собой смесь прямого (нерассеянного) и рассеянного (диффузного) излучения. На уровне моря интенсивность снижается примерно до 1000 ватт на квадратный метр (295 БТЕ/час на квадратный фут) в ясный день. В пасмурные дни интенсивность ещё больше снижается.
Большинство концентраторов используют только прямое излучение. Такие концентраторы хорошо работают в яркие ясные дни, плохо в туманные и совсем не работают в унылые серые дни, когда интенсивность солнечного света снижается и свет состоит в основном из рассеянного излучения. Ещё одним ограничивающим фактором является то, что солнце не является точкой, а имеет диаметр, эквивалентный примерно половине дуги. Конструкция концентратора должна учитывать эту дугу.
ОБЩИЕ ТИПЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Хотя в дальнейшем обсуждении рассматриваются концентраторы как таковые, они являются лишь частью системы сбора энергии. Чтобы быть полезными, концентрированные лучи должны быть направлены на цель, называемую приёмником, который преобразует их в другую форму энергии – тепло. Концентратор и приёмник должны быть согласованы для достижения оптимальной производительности. Часто предполагается, что приёмник будет передавать тепло жидкости для его последующего использования или рассеивания. Если основной целью концентратора является эффективное получение тепла, то сочетание концентратора и приёмника должно быть тщательно спроектировано для минимизации паразитных потерь энергии как от концентратора, так и от приёмника.
Существует множество способов охарактеризовать концентраторы. Вот некоторые из них:
- Способы концентрации — отражение или преломление
- Точка, линия или отсутствие фокусировки
- Фиксированный или следящий концентратор
- Стационарный или следящий приемник
Средства концентрации
Концентрация света достигается с помощью зеркал (отражение) или прозрачных линз (преломление). В камерах и небольших телескопах используются линзы; в больших телескопах — зеркала. Зеркало отражает падающий свет так, что угол отраженного луча равен углу падающего луча (рис. 1). Это соотношение также
Удерживается при наклоне зеркала (рис. 2). Одно плоское зеркало
Концентрации не происходит, но её можно достичь, наложив отражения множества зеркал. Альтернативно, концентрации можно добиться, изгибая зеркало в заданную форму и используя оптические свойства получившейся искривлённой поверхности.
Работа линзы основана на преломлении (преломлении) падающего света, сводя его в один общий фокус (рис. 3). Поскольку размер линзы
увеличивается, толщина линзы также увеличивается. Линза Френеля (рис. 4)
Сохраняет оптические характеристики стандартной линзы, сохраняя её кривизну. Это позволяет значительно уменьшить толщину и вес линзы при незначительном ухудшении её характеристик.
Каждый метод концентрации имеет свои недостатки. Зеркало требует чистой и гладкой отражающей поверхности: чистой, поскольку частицы пыли могут рассеивать свет от приёмника, или свет может частично поглощаться тонкой грязной плёнкой; гладкой, поскольку погрешность контура также может привести к пропуску приёмника. Отражающий материал может быть расположен на поверхности зеркала (первая поверхность, рис. 5) или за прозрачной поверхностью (вторая поверхность, рис. 5).
Рисунок 6). Серебро является предпочтительным материалом для отражателя.
Алюминий – второй по значимости. Серебро очень подвержено разрушению под воздействием влаги и загрязняющих веществ в воздухе. Существующие защитные покрытия не доказали своей эффективности для серебра, наносимого на первую поверхность. Алюминий более долговечен, но обладает меньшей отражающей способностью. Зеркала, наносимые на вторую поверхность, имеют некоторую потерю энергии из-за поглощения света прозрачной поверхностью, обычно стеклом или пластиком, как при падении, так и при отражении света через материал. Стекло с низким содержанием железа предпочтительнее стекла с высоким содержанием железа из-за меньшего поглощения света. При использовании пластика его необходимо стабилизировать от разрушения под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения.
Благодаря большей толщине линзы степень поглощения энергии выше, чем у второго поверхностного зеркала. Линза Френеля, которую можно сделать значительно тоньше стандартной линзы, имеет меньшие потери энергии из-за поглощения энергии, чем стандартная линза.
Поверхность линзы должна быть чистой и гладкой по тем же причинам, что и зеркало. Эффективность линзы Френеля повышается, если её вертикальная часть имеет небольшую погрешность наклона или её отсутствие. Пластиковые линзы можно формовать для получения линз Френеля более высокого качества и меньшей стоимости, чем стеклянные. Однако пластиковые линзы, как правило, разрушаются под воздействием ультрафиолетового излучения и должны быть стабилизированы.
Точка, линия или нефокусировка
Одним из критериев выбора конкретного концентратора является степень концентрации и, следовательно, достигаемая температура. Как правило, концентрация энергии в точке создаёт высокую или очень высокую температуру, а в линии – среднюю или высокую. Нефокусирующие концентраторы создают низкую или среднюю температуру.
Параболический отражатель (рис. 7) использует оптические свойства параболической изогнутой поверхности для фокусировки прямого света в фокусной точке. Такая геометрия отражателя широко применяется в автомобильных фарах, прожекторах, радарах и для приёма сигналов со спутников вещания.
Стандартные круглые линзы и линзы Френеля также являются концентраторами точечного фокуса. Линза Френеля использовалась совместно с фотоэлектрическими элементами в нескольких испытательных установках в США и за рубежом.
Перекрывающиеся изображения от множества плоских зеркал можно считать эквивалентом точечной фокусировки. Фокальная форма представляет собой не точку, а конечное изображение солнца, дополнительно расширенное за счёт характеристик материала отражателя и различных погрешностей изготовления и точности перекрытия изображений. Рисунок 8
Иллюстрация концепции центрального приёмника, где гелиостаты (плоские или слегка изогнутые зеркала, установленные на устройствах слежения) перенаправляют солнечные лучи на приёмник на вершине башни. Электростанция мощностью 10 мегаватт, работающая по этому принципу, успешно эксплуатируется в Калифорнии с 1982 года.
Линия. Параболический желоб (рис. 9) – пример линейного фокуса.
Оптика. Падающее прямое излучение отражается от желоба к фокальной линии, проходящей по всей длине желоба. Для максимального сбора энергии желоб спроектирован так, чтобы отслеживать положение Солнца. Жёлоб может быть ориентирован фокальной линией с востока на запад, с севера на юг или с севера на юг с одновременным наклоном к Солнцу (полярная монтировка).
Каждая ориентация имеет свои сезонные и годовые особенности сбора. Ни одна из ориентаций не является универсально предпочтительной (т.е. более экономически эффективной).
Стандартные линзы и линзы Френеля могут быть изготовлены в линейной форме (рис. 10) с тем же поперечным сечением, что и круглая линза, но
Теперь вместо точки фокусировки используется фокальная линия. Пластиковые линейные линзы Френеля хорошего качества легко изготавливаются методом экструзии.
Полусферическая чаша (рис. 11) — еще один пример линейной
Фокальная оптика. В отличие от лотка или линзы, двухкоординатное отслеживание обязательно. Полусферическая чаша всегда неподвижна, а отслеживание осуществляет приёмник. Фокальная линия совпадает с линией, соединяющей центр сферы с солнцем. Фокальная линия ограничена нижней половиной радиуса оптическими свойствами чаши. Поскольку некоторые лучи достигают фокальной линии только после одного отражения, а другие требуют многократного, интенсивность неравномерна по длине фокальной линии. На рисунке 12 показана экспериментальная чаша диаметром 65 футов (19,7 метра).
которая успешно работает в Техасе уже много лет. Годовой сбор энергии ниже, чем у других оптических коллекторов, и, по-видимому, никаких компенсирующих преимуществ нет, за исключением того, что небольшому приёмнику гораздо проще отслеживать изображение солнца, чем более крупному и значительно более тяжёлому концентратору.
Нефокусирующий. Полусферический желоб (рис. 13) и плоский
Пластинчатые коллекторы с усилительными зеркалами являются примерами нефокусирующих концентраторов. Нефокусирующие концентраторы не фокусируют солнечный свет в определённую геометрическую форму, а отражают его на приёмник, тем самым увеличивая общее количество получаемого солнечного света. К категории нефокусирующих концентраторов также относятся концентраторы с низким качеством фокусировки. Цилиндрический коллектор (рис. 14) – разновидность
Полусферический желоб интересен тем, что весь цилиндр может быть изготовлен из недорогого надувного пластика.
Простой способ добиться небольшого увеличения концентрации на большой площади — использовать усилительные зеркала в сочетании с плоским коллектором (рис. 15). До полудня зеркала обращены
На восток; после полудня они обращены на запад. Преимущество усилителей для сбора энергии с плоским коллектором показано на рисунке 16.
Фиксированные или следящие концентраторы
Для максимального сбора энергии ежедневно или ежегодно необходимо отслеживать положение солнца (или его отраженное изображение), поскольку концентраторы, особенно те, которые способны к высокой концентрации, используют только прямое излучение. Таким образом, параболическая антенна, направленная на солнце, отражает лучи, проходящие через фокус. По мере движения солнца часть отраженных лучей не попадает в фокус, а со временем и все. Антенну необходимо перемещать, чтобы отраженные лучи оставались в фокусе. Примерами систем следящих концентраторов являются центральный приемник, параболическая антенна, параболический желоб, стандартная линза и линза Френеля.
Полусферическая чаша также должна непрерывно отслеживать положение солнца. Большие чаши слишком громоздки для перемещения. Поэтому вместо этого непрерывно перемещается приёмник. Он отслеживает фокальную линию сферы (отражённое изображение солнца) в течение всего дня.
Как и полусферическая чаша, концентратор Рассела неподвижен, и приёмник должен отслеживать изображение солнца (рис. 17). Это
Концентратор состоит из длинных узких зеркал, центры которых расположены по периметру круга. Зеркала ориентированы таким образом, что все отраженные изображения фокусируются в одной точке на одном и том же периметре. При движении солнца фокус перемещается по периметру. Коллектор Уинстона обычно считается концентратором без слежения. Его собираемая энергия может быть увеличена за счет слежения. Как коллектор желобчатого типа (рис. 18), он состоит из параболического
Поверхность с горизонтальной осью и фокусом, расположенным близко к поверхности. Коллектор часто имеет форму параболоида, но может иметь и желобчатую форму. Коллектор принимает как прямое, так и рассеянное излучение. Угол падения (угол падения солнечного света) зависит от высоты параболы. Чем меньше высота, тем больше угол падения и продолжительность ежедневной работы, но тем меньше концентрация и максимальная температура. Коллектор используется как высокоэффективный стационарный коллектор, достигающий более высокой температуры, чем типичный плоский коллектор.
Стационарные или следящие приемники
Центральный приёмник и параболический приёмник имеют фиксированные приёмники, что обусловлено оптическими характеристиками систем. Параболический приёмник обычно располагается в фокусе таким образом, чтобы двигаться вместе с тарелкой, отслеживающей Солнце. Ни чаша, ни приёмник Рассела не отслеживают Солнце, поэтому их приёмники должны отслеживать его изображение. Коллектор Уинстона, цилиндрический коллектор и плоский приёмник с усилительными зеркалами обычно используются в фиксированном положении и с фиксированными приёмниками. Плоская пластина, конечно же, является и приёмником, и коллектором.
Другие фиксированные концентраторы
Существует множество оригинальных концентраторов, которые работают достаточно хорошо и могут быть экономически эффективными в некоторых случаях. Выступающий коллектор (рис. 19), геометрия поверхности которого является геометрическим положением
Конец струны, развёрнутый из трубы, может обеспечить умеренную концентрацию, подходящую для горячей воды. Конический коллектор (рис. 20) можно заменить параболоидом Уинстона.
Упрощение производства при некотором ухудшении производительности. Аналогично, плоские отражатели могут заменить параболические стенки коллектора Уинстона.
В таблице 1 обобщены характеристики и возможные области применения концентраторов, описанных выше.
Тип концентратора: параболическая тарелка
Тип фокусировки: точечная
линза или зеркало: зеркало
Концентрация солнца: > 1000
Отслеживание: Да
Приемник слежения: Да
Температура (C): > 2638
Температура (F): > 3000
Типичное применение: электричество
Комментарии: мелкомасштабное применение
Тип концентратора: Центральный приемник
Тип фокусировки: Точечная
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнца: > 1000
Отслеживание: Да
Отслеживающий приемник: Нет
Температура (C): > 2638
Температура (F): > 3000
Типичное применение: Электричество
Комментарии: Крупномасштабное применение
Тип концентратора: Линза (круглая)
Тип фокусировки: Точечная
Линза или зеркало: Линза
Концентрация солнца: > 1000
Отслеживание: Да
Приемник слежения: Нет
Температура (C): > 2638
Температура (F): > 3000
Типичное применение: Электричество
Комментарии: Фотоэлектрические элементы
Тип концентратора: параболический желоб
Тип фокусировки: линейная
линза или зеркало: зеркало
Концентрация солнца: 100
Отслеживание: да
Отслеживающий приемник: нет
Температура (C): 538
Температура (F): 1000
Типичное применение: электричество, тепло
Комментарии: малые или большие системы
Тип концентратора: Фиксированное зеркало, подвижный фокус.
Тип фокусировки: Линейная
линза или зеркало: Зеркало.
Концентрация солнечного излучения: 100.
Отслеживание: Нет.
Приёмник слежения: Да.
Температура (°C): 538.
Температура (°F): 1000.
Типичное применение: Электричество, Тепло.
Комментарии: Малые и большие системы. Неэкономичный опыт США.
Тип концентратора: Линза (линейная)
Тип фокусировки: Линейная
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнечного света: 100
Отслеживание: Да
Отслеживающий приемник: Да
Температура (°C): 538
Температура (°F): 1000
Типичное применение: Электричество, Тепло
Комментарии: Малые и большие системы. Небольшой опыт работы в США.
Тип концентратора: Сфера
Тип фокусировки: Линейная
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнца: 80
Отслеживание: Нет
Приемник слежения: Да
Температура (C): 538
Температура (F): 1000
Типичное применение: Электричество
Комментарии: Неудобно в больших масштабах
Тип концентратора: Цилиндр
Тип фокусировки: Линейная
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнца: 2
Отслеживание: Нет
Отслеживающий приемник: Нет
Температура (C): 121
Температура (F): 250
Типичное применение: Тепло
Комментарии:
Тип концентратора: Пикообразный
Тип фокусировки: Линейная
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнца: 1,5–2,5
Отслеживание: Нет
Отслеживающий приемник: Нет
Температура (C): 121
Температура (F): 250
Типичное применение: Тепло
Комментарии:
Тип концентратора: Winston
Тип фокусировки: Линейная
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнца: 3-6
Отслеживание: Нет
Отслеживание приемника: Нет
Температура (C): 121
Температура (F): 250
Типичное применение: Тепло
Комментарии: Концентрация уменьшается с увеличением угла приема
Тип концентратора: Плоская пластина с усилителем
Тип фокусировки: Плоская
линза или зеркало: Зеркало
Концентрация солнца: Между 1 и 2
Отслеживание: Нет
Отслеживание приемника: Нет
Температура (C): 121
Температура (F): 250
Типичное применение: Тепло
Комментарии:
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОДОВОГО СБОРА ЭНЕРГИИ
Коллекторы, поверхности которых обращены к солнцу (для большинства коллекторов они расположены под прямым углом), имеют самую высокую годовую эффективность сбора данных. Примерами служат параболические тарелки и другие двухосные системы слежения. Центральный приемник, хотя и представляет собой двухосную систему слежения, не направляет рефлекторы гелиостата на солнце, а поддерживает угол к солнцу, чтобы изображение отражалось на приемник. Как и ожидалось, его эффективность сбора данных ниже, чем у тарелки. Параболический желоб представляет собой одноосную систему слежения; таким образом, поверхность лишь изредка располагается под прямым углом к солнцу и имеет более низкую годовую эффективность сбора данных, чем центральный приемник.
Стационарные коллекторы с отслеживающими приёмниками, такие как коллекторы типа «чаша» и «Рассел», обладают ещё более низкой эффективностью сбора. Наименьшую эффективность демонстрируют коллекторы типа «Уинстон» и другие стационарные коллекторы и приёмники.
Теоретическая годовая эффективность трёх основных концентрирующих коллекторов, используемых в США, составляет 80% для антенны, 60% для центрального приёмника и 43% для параболического желоба. Эффективность коллектора определяется за период с начала слежения, когда солнце поднимается до 15 градусов над горизонтом, до окончания слежения, когда солнце опускается ниже 15 градусов в конце дня. Эффективность зависит от прямого солнечного излучения и оптики системы.
Фактическая эффективность зависит от точности поверхности зеркала или линзы, наличия на ней пыли и плёнки, поглощения энергии линзой или зеркалом, свойств отражающего материала, точности наведения, влияния колебаний температуры на эти факторы, погодных условий (включая облачность, пыль и дымку) и т. д. Эффективность дополнительно снижается характеристиками приёмника и конструкцией его подсистемы, включая меры по снижению потерь тепла за счёт теплопроводности, конвекции и излучения.
III. ВАРИАЦИИ ДИЗАЙНА И ОПЫТ
ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
В недавней статье о параболической тарелке, подготовленной Лабораторией реактивного движения(*), описываются девять проектов, спонсируемых США.
(*) В. К. Трусчелло, «Состояние параболического тарелочного концентратора», Труды конференции Агентства энергетических исследований и разработок по концентрирующим солнечным коллекторам, Технологический институт Джорджии, 26–28 сентября 1977 г. (Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США, без даты, около 1982–1983 гг.).
Министерство энергетики, восемь проектов США, финансируемых из частных источников, и 10 антенн, разработанных другими странами. Хотя двух одинаковых антенн не существует, их можно разделить на четыре категории:
1. Жёсткий отражатель. Отражающая поверхность крепится к жёсткой изогнутой конструкции. Это стандартная конструкция (радиолокационного типа) (рис. 21).
2. Мембрана, стабилизированная давлением. Отражающая поверхность прикреплена к гибкой мембране, которая принимает форму жёсткой изогнутой опорной конструкции благодаря созданию вакуума между мембраной и конструкцией. Целью является снижение стоимости за счёт уменьшения веса конструкционных материалов (рис. 22).
3. Линза Френеля или зеркало Френеля. Линза состоит из нескольких узких концентрических элементов; зеркало представляет собой ряд концентрических отражающих поверхностей. Целью является снижение стоимости за счёт упрощения сложной кривизны параболоида (рис. 23).
4. Вторичный рефлектор. Второе зеркало, которое может быть гиперболическим(*) (кассегреновым) или эллиптическим(**) (григорианским), отражает лучи от параболического рефлектора на приёмник, расположенный за параболой. Это сделано для того, чтобы снизить нагрузку на антенну, а также обеспечить лёгкий доступ к приёмнику для обслуживания (рис. 24).
Жесткий отражатель стал самым популярным, поскольку он напоминает современную технологию радаров. Проект Шенандоа, демонстрационный проект Министерства энергетики США недалеко от Атланты, штат Джорджия, развернул 114 тарелок диаметром 7 метров, покрытых отражающей пленкой, для производства пара температурой 399 [градусов] C (750 [градусов] F). Пар использовался для выработки 400 киловатт электроэнергии и технологического пара при давлении 9,70 килограммов на квадратный сантиметр (138 фунтов на квадратный дюйм избыточного давления [psig]) для соседней трикотажной фабрики. После некоторых первоначальных проблем система сейчас работает удовлетворительно. Проект является совместным проектом Министерства энергетики США, местной энергетической компании и трикотажной фабрики. Его целью было продемонстрировать жизнеспособность коллекторов с жестким отражателем, а не создать коммерческий прототип.
(*) Кривая, образованная сечением конуса, которое пересекает плоскость, образующую больший угол с основанием, чем боковая сторона конуса.
(**) Овальной формы.
ЦЕНТРАЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ
Лучшим примером центрального приёмника в США является Solar One, совместный проект Министерства энергетики США и двух южнокалифорнийских энергетических компаний. Эта 10-мегаваттная опытная электростанция использует 1818 гелиостатов (или отражателей), каждый из которых имеет 41,8 квадратных метра (450 квадратных футов) стеклянных зеркал второй поверхности. Гелиостаты окружают башню, на которой расположен приёмник. Большинство гелиостатов расположены к югу от башни. Установка превзошла свои технические характеристики и работает весьма успешно. Проект был основан на установке мощностью 100 мегаватт, а затем мощность была снижена до 10 мегаватт. Оптимизированная 10-мегаваттная установка, вероятно, будет иметь другую конфигурацию гелиостатного поля.
Энергокомпании рассматривают возможность строительства 100-мегаваттной версии (Solar 100) с аналогичной технологией, при условии предоставления государственных инвестиционных кредитов. Без этих финансовых стимулов строительство станции было бы нерентабельным в США из-за падения цен на нефть. Однако такая станция может быть экономически выгодна в других странах с высокими энергозатратами.
Гелиостаты прошли через ряд усовершенствований, в результате которых первоначальный вес гелиостатов снизился с более чем 97,6 кг/кв. м (20 фунтов/кв. фут) до примерно 39 кг/кв. м (8 фунтов/кв. фут). Было изготовлено и испытано более 20 конструкций гелиостатов. В настоящее время предпочтение отдаётся стеклянному зеркалу со второй поверхностью на стеклянной подложке. Исследовательский институт солнечной энергии Министерства энергетики США разрабатывает лёгкий отражатель (пластик/серебро/пластик), который обещает значительно снизить стоимость гелиостатов. После разработки этот материал может представлять интерес для использования в странах с менее развитой промышленностью.
Размер гелиостата определяется требованиями к жёсткости и ветровой нагрузке. В связи с высокой стоимостью гелиостатов (которая обусловлена тем, что каждому гелиостату требуется собственная система слежения), в Соединённых Штатах предпочтение отдаётся крупным гелиостатам. Распределение стоимости может различаться в других странах. Хотя в Соединённых Штатах, вероятно, экономически выгодны только более крупные центральные приёмники, некоторые развитые развивающиеся страны могут использовать менее мощную технологию Solar One.
ЛИНЗЫ
Круглые линзы, как стандартные, так и линзы Френеля, как правило, ограничены в размерах, подобно параболическим зеркалам. Размер также ограничен современными производственными возможностями. Существуют небольшие стеклянные линзы для камер и прожекторов, а также более крупные пластиковые линзы. Но линза диаметром 7 метров (сопоставимая с зеркалом телескопа «Шенандоа»), безусловно, не так широко доступна ни в стекле, ни в пластике. Стеклянная линза больших размеров будет очень тяжёлой; пластиковая линза, вероятно, с линзами Френеля, вероятно, будет единственной практичной линзой, если она доступна. Преимущество линейных линз Френеля заключается в возможности их изготовления как с малой, так и с большой шириной и длиной.
ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ ЖЕЛОБА
Было спроектировано, построено и испытано значительное количество параболических желобов, в основном за счёт частных средств. На рынке представлено множество их типов. Желоба различаются по отражающим материалам, конструктивным материалам, концепциям приёмника и т. д. Допустимая температура достигает около 540°C (1000°F). Конструкции различаются в зависимости от предполагаемого температурного режима, поскольку погрешность измерения поверхности, погрешность слежения и потери приёмника имеют большое значение для высокотемпературных конструкций.
Troughs have been utilized by many federal demonstration projectsto provide process heat for industrial applications and to supplyvapor for suitable small engines (e.g., irrigation pump devices).All designs had initial problems, usually with materials and nonsolarhardware. After repair or modification, operation was reliableand successful. Many federally-funded projects tended tobe shut down when they ended and rarely restarted because of lackof sustained interest by the user. An excellent source of informationon private trough manufacturers is the Solar Energy IndustriesAssociation (SEIA) in Washington, D.C.
Troughs may be attractive because of their relative simplicity.Because their surface curvature is singular, not compound as fordishes, troughs are more easily fabricated. A second-surfacereflective plastic with adhesive backing can be easily placed onthe curved substrate. A simple pipe or tube will serve adequatelyas the receiver although various simple techniques, such as aglass vacuum jacket around the receiver tube, will enhance performance.Single-axis tracking is less complex than two-axistracking.
IV. SPECIAL TOPICS
RECEIVERS
The concentrated sunlight must be converted to a useful form ofenergy, usually heat. If desired, heat can be converted to electricityby means of an engine and generator. The receiver shouldbe designed to minimize heat loss. Heat loss occurs throughradiation to a cooler object; through convection currents createdby heating air in contact with the hot receiver surface; andthrough conduction from the hot parts of the receiver to colderparts and to attached structural members and insulation.Heat retention by the receiver is enhanced by covering the receiverwith a selective coating which will absorb virtually allthe concentrated radiation but will reradiate comparativelylittle energy. Furthermore, since the total energy radiateddepends directly on the radiating area, the receiver surface areashould be minimized. Convection can be reduced by preventing thebuild-up of air currents that remove air heated by the receiverand provide the receiver with colder air for continued heat loss.A transparent window (glass or plastic depending on temperature)can reduce air currents.
The window introduces other heat loss and heat gain effects.Some energy will be reflected from the front surface and rearsurface of the window and never reach the receiver. Additionalenergy will be absorbed by the window and not reach the receiver.The inner surface of the window may be coated with a heat mirrorsuch as tin oxide, which reduces the radiation loss by reflectingradiated energy back to the receiver. Etching of the outer surfaceof a glass window reduces the reflection from the surface.
Insulation serves to reduce convection and radiation losses fromparts of the receiver outside the path of the incoming radiation.Conduction loss is reduced by decreasing the cross-section ofstructures in direct contact with the receiver, and using poorheat conductors for these structures where possible. Creating avacuum between the window and the receiver will further reduceconvection and conduction losses.
Figure 25 shows the reflectivity of several mirror systems. Note
not only the differences in reflectivity but also that for somematerials the reflected energy falls within a small solid angle*(Figure 26). These materials allow a small target area for
receipt of the reflected rays. If a larger solid angle is requiredto enclose the reflection, then a compromise betweentarget size and loss of reflected rays must be made. Energy whichis not reflected is converted to heat at the reflecting surface.This may require positive cooling efforts to ease or eliminatethermal stress.
COST
Concentrator cost represents only one portion of the cost of asystem. The cost of the quantity of heat delivered at the requiredtemperature is the preferred method of determining cost.For a given system, the cost per million kilowatt-hours, or kWh(per million Btu) usually decreases as the total number of kWh(Btu) delivered increases, i.e., as system size increases. Similarly,the cost per million kWh (per million Btu) is likely to beless at lower temperatures than at higher temperatures. In general,the higher the concentration and complexity, the higher thecost.
(*) If you have an angle, one side of which is vertical and theother side not vertical, and that side is rotated around the vertical(maintaining the same angle), the angle created is calledthe solid angle.
Cost is frequently represented by purchase price but not always.Sellers may reduce selling price to penetrate a market, to expandmarket share, to anticipate future manufacturing economies andcost reductions, and to limit or exclude potential competition.Sellers with a monopoly or a preferred position may sell athigher than reasonable rates. Sellers faced with unknown orindeterminate risks and liabilities for the product will try totransfer the risk to the purchaser through higher prices or othermeans.
In the United States, many solar energy systems are cost effectiveonly because of federal and state tax policies to aid thesolar energy industry. These systems cost two to five times morethan competing energy systems. However, energy costs in manyless-developed countries are several times greater than in theUnited States, and therefore solar systems may be cost effectivein those countries.
In the United States, the cost of a solar thermal electric systemutilizing relatively new technology and incorporating researchand development costs would range from $10 to about $30 per watt.The central receiver experiment in California (Solar One) costabout $15 per watt; a proposed 100-megawatt plant incorporatingthe lessons of Solar One and the economies of a ten-fold increasein size is anticipated to cost about $4 per watt. Heliostats wereabout one-third of the total cost of Solar One, and are expectedto be about one-half the cost of the large plant. (A coal-firedelectric plant costs about $1.00-$1.40 per watt of installedcapacity.)
Studies of dish technologies indicate costs ranging to $50 perwatt for the system, with dish costs of one-third to one-half ofthe system cost. Dish technology is well behind heliostat experience.Parabolic troughs appear to cost about $538 per squaremeter ($50 per square foot) at present with possible reduction toabout $270 per square meter ($25 per square foot) with a largermarket. Again, these costs reflect only one-third to one-half thesystem cost.
Of possible interest to developing countries is the class ofcollectors using transparent plastic in cylindrical form with thereflector film partially located in the lower arc and a "black"tube located at the focus. This type of collector appears tooffer low cost. Some versions using an evacuated glass tube withan inner blackened copper tube in "once through" (straight tube)or bayonet style are commercially available in the United States(Figures 27, 28, and 29).
The hemispherical bowl has been tested in Crosbyton, Texas, bythe U.S. Department of Energy. The unit, 20 meters in diameter,produced high temperatures and high pressure steam suitable formodern steam turbines. The compound curvature is difficult tobuild, as is the two-axis tracking required of the receiver.However, a tracking receiver is simpler than a tracking concentrator.The concentrator may be more acceptable in smaller sizeand lower concentration (temperature). The reduction in concentrationwill decrease temperature, which increases the number ofmaterials that can be used for the receiver, and may ease fabricationof the sphere.
To compare solar thermal technologies, costs should be reduced tocommon bases such as cost per watt electric or per kWh (Btu). Thebase should distinguish between average and peak capacity; theamount of storage incorporated; temperature, if heat is thedesired end product; and the yearly energy delivered. Othertechnologies have their own bases; photovoltaics use cost perpeak watt, and installed cost per annual kilowatt-hour produced.Electricity from wind energy, as well as from other solar electrictechnologies, may have different value to the user dependingon the time of generation. These considerations should be includedin any evaluation methodology for selection of cost-effectivesystems.
V. COMPARING THE ALTERNATIVES
Simple flat plate collectors are the most widely used and mostcost-effective solar collectors. Their primary use is for domesticand commercial (e.g., hospitals, restaurants, etc.) hot waterapplications; however they may also be used in preheat systemsfor higher temperature applications. They can achieve a temperatureof about 38 [degrees] C (100 [degrees] F) above the ambient by capturing sunlight,converting sunlight to heat, and carefully minimizingunwanted heat loss from the collector.
Flat plate (usually non-tracking) collectors are the simplest tofabricate. Simple, unsophisticated, functioning collectors caneasily be built with simple tools. Care must be taken to enhancesolar collection and prevent thermal losses. Careful use of localmaterials to the maximum extent possible can reduce cost. Whileselective absorbers enhance performance and yield higher temperature,almost any "black" surface will perform adequately. Somesimple, low-cost flat plate collectors may be better than concentratorsfor temperatures below 93 [degrees] C (200 [degrees] F), particularly inless-industrialized countries. Expectations of better performancefor flat plate (non-concentrating) collectors over concentratingcollectors, for the same temperature application, have not beenverified in practice. The expectations were based on utilizationof both direct and diffuse radiation by flat plate collectors anduse of only direct radiation by concentrators.
BIBLIOGRAPHY/SUGGESTED READING LIST
Reports and Conference Proceedings
Dougherty, D.A. Line-Pocus Receiver Heat Losses. SERI/TR-632-868. Golden, Colorado: Solar Energy Research Institute, July 1982.
Murphy, L.M. Technical and Cost Potential for Lightweight, Stretched-Membrane Heliostat Technology. SERI/TP-253-2070. Golden, Colorado: Solar Energy Research Institute, January 1984.
Scholten, W.B. A Comparison of Energy Delivery Capabilities of Solar Collectors. McLean, Virginia: Science Applications, Inc., 1983.
Solar Energy Research Institute. Solar Thermal Technology Annual Evaluation Report, Fiscal Year 1983. Golden, Colorado: Solar Energy Research Institute, August 1984.
Truscello, V.C. "Status of the Parabolic Dish Concentrator." Proceedings of the Energy Research and Development Agency Conference on Concentrating Solar Collectors. Georgia Institute of Technology, September 26-28, 1977. Washington, D.C.: U.S. Department of Energy, undated (circa 1982-1983).
U.S. Department of Energy. Solar Parabolic Dish Annual Technology Evaluation Report, Fiscal Year 1982. DOE/JPL1060-63. Washington, D.C.: U.S. Department of Energy, September 15, 1983.
Министерство энергетики США/Сандийские лаборатории. Материалы конференции Line-Focus по развитию технологий солнечной тепловой энергии, семинар для промышленности (9–11 сентября 1980 г.). Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США, сентябрь 1980 г.
Книги
Даффи, Дж. А., и Бекман, У. А. Солнечная инженерия тепловых процессов. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, 1980.
Крейт, Ф. и Крейдер, Дж. Ф. Принципы солнечной энергетики. Вашингтон, округ Колумбия: Hemisphere Publishing Corp., 1978.
Лунде, П. Дж. Солнечная тепловая инженерия. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, 1980.
Мейнел, А. Б., и Мейнел, М. П. Прикладная солнечная энергия. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley Publishing Co., 1976.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
Правительственная типография
Вашингтон, округ Колумбия, 20402, США
Лаборатория реактивного движения,
4800 Oak Grove Drive,
Пасадена, Калифорния 91103, США
Национальная техническая информационная служба
5285 Port Royal Road
Springfield, Virginia 22161, США
Ассоциация предприятий солнечной энергетики
, 1717 Massachusses Avenue, северо-запад,
Вашингтон, округ Колумбия, 20036, США
Научно-исследовательский институт солнечной энергии,
1617 Коул Бульвар
, Голден, Колорадо 80401, США
Министерство энергетики США,
Управление тепловых систем,
1000 Independence Avenue, SW,
Вашингтон, округ Колумбия, 20585, США
См. также
[Конференция по инженерному преобразованию энергии, 1990. IECEC-90. Труды 25-й межобщественной конференции.
Дата публикации: 12–17 августа 1990 г.
Том: 5. На страницах: 185–195.
ISBN: 0-8169-0490-1].
| Авторы | |
|---|---|
| Лицензия | CC-BY-SA-3.0 |
| Цитировать как | «Понимание солнечных концентраторов» . Appropedia. 2007–2025 . Дата обращения: 18 августа 2025 г. |
