BÀI GIẢNG KỸ THUẬT #30 HIỂU VỀ MÁY TẬP TRUNG MẶT TRỜI của George M. Kaplan
Người đánh giá kỹ thuật
Tiến sĩ Thomas E. Bowman
Tiến sĩ Maurice Raiford
Jesse Ribot
Minh họa bởi Rick Jali
Xuất bản bởi
VITA
1600 Wilson Boulevard, Suite 500
Arlington, Virginia 22209 USA
ĐT: 703/276-1800 * Fax: 703/243-1865
Internet: pr-info@vita.org
Tìm hiểu về Bộ tập trung năng lượng mặt trời
ISBN: 0-86619-239-5
[C] 1985, Tình nguyện viên hỗ trợ kỹ thuật
Nội dung
Lời nói đầu
Bài viết này là một trong loạt bài do Tình nguyện viên Hỗ trợ Kỹ thuật xuất bản nhằm giới thiệu về các công nghệ tiên tiến cụ thể được người dân ở các nước đang phát triển quan tâm. Các tài liệu này nhằm mục đích hướng dẫn giúp mọi người lựa chọn công nghệ phù hợp với hoàn cảnh của họ. Chúng không nhằm mục đích cung cấp thông tin chi tiết về xây dựng hoặc triển khai. Mọi người nên liên hệ với VITA hoặc một tổ chức tương tự để biết thêm thông tin và hỗ trợ kỹ thuật nếu họ thấy rằng một công nghệ cụ thể có vẻ đáp ứng được nhu cầu của họ.
Các bài viết trong loạt bài này được viết, xem xét và minh họa gần như hoàn toàn bởi các chuyên gia kỹ thuật của Tình nguyện viên VITA trên cơ sở hoàn toàn tự nguyện. Khoảng 500 tình nguyện viên đã tham gia sản xuất 100 tựa sách đầu tiên được phát hành, đóng góp khoảng 5.000 giờ thời gian của họ. Nhân viên của VITA bao gồm Maria Giannuzzi làm biên tập viên, Suzanne Brooks xử lý việc sắp chữ và bố cục, và Margaret Crouch làm quản lý dự án.
Tác giả của bài viết này, Tình nguyện viên VITA George M. Kaplan, là chủ tịch của KAPL Associates, một công ty tư vấn chuyên về quản lý chương trình và dự án, nghiên cứu và phát triển, lập kế hoạch, đánh giá, năng lượng và môi trường. Những người đánh giá cũng là tình nguyện viên của VITA. Tiến sĩ Thomas E. Bowman là Giáo sư và Trưởng Khoa Kỹ thuật Cơ khí tại Viện Công nghệ Florida ở Melbourne, Florida. Tiến sĩ Maurice Raiford là nhà tư vấn năng lượng mặt trời ở Greensboro, Bắc Carolina. Jesse Ribot là nhà phân tích và tư vấn năng lượng, đồng thời đã hỗ trợ chuẩn bị Đánh giá năng lượng quốc gia Djibouti của VITA/USAID.
VITA là một tổ chức tư nhân, phi lợi nhuận hỗ trợ những người giải quyết các vấn đề kỹ thuật ở các nước đang phát triển. VITA cung cấp thông tin và hỗ trợ nhằm giúp các cá nhân và nhóm lựa chọn và triển khai các công nghệ phù hợp với tình huống của họ. VITA duy trì Dịch vụ Điều tra quốc tế, trung tâm tài liệu chuyên ngành và danh sách các chuyên gia tư vấn kỹ thuật tình nguyện được vi tính hóa; quản lý các dự án thực địa dài hạn; và xuất bản nhiều tài liệu và hướng dẫn kỹ thuật.
I. Giới thiệu
Mặc dù các thí nghiệm nghiên cứu, phát triển và hệ thống năng lượng mặt trời đã được tiến hành vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900, nhưng giá dầu tăng mạnh vào năm 1974 do lệnh cấm vận dầu mỏ ở Trung Đông vào năm trước đã làm tăng đầu tư trong nước và quốc tế vào lĩnh vực này. năng lượng mặt trời. Tại Hoa Kỳ và các nước công nghiệp khác, các công cụ và tiến bộ công nghệ được tạo ra trong Thế chiến thứ hai, quá trình tái thiết và thịnh vượng sau chiến tranh, các chương trình không gian và năng lượng hạt nhân của Hoa Kỳ cũng như các thành tựu công nghệ khác đã được áp dụng cho nghiên cứu và phát triển năng lượng mặt trời. Kết quả là nghiên cứu vốn chỉ giới hạn ở những người thợ mày mò ở sân sau và các công ty chuyên môn nhỏ, đã được lan rộng đến các trường đại học, phòng thí nghiệm quốc gia và ngành công nghiệp. Ngân sách năng lượng mặt trời liên bang đã tăng từ dưới 1 triệu USD vào đầu những năm 1970 lên hơn 1 tỷ USD vào đầu những năm 1980; ngân sách hiện nay là khoảng 200 triệu USD, trong đó khoảng 50 triệu USD dành cho công nghệ nhiệt mặt trời.
Công nghệ nhiệt mặt trời chủ yếu liên quan đến việc sử dụng năng lượng mặt trời bằng cách chuyển đổi nó thành nhiệt. Trong kiểu thu năng lượng mặt trời tập trung, năng lượng mặt trời được thu thập và tập trung để có thể thu được nhiệt độ cao hơn; giới hạn là nhiệt độ bề mặt của mặt trời. Tuy nhiên, vật liệu xây dựng áp đặt giới hạn nhiệt độ thấp hơn, thực tế hơn. Tương tự, hiệu quả tổng thể của việc thu thập, tập trung và lưu giữ năng lượng, vì nó liên quan đến chi phí năng lượng, đặt ra giới hạn thực tế về khả năng chịu nhiệt.
Nếu năng lượng mặt trời tập trung rất cao vào một thể tích cực nhỏ thì kết quả sẽ gần bằng một mặt trời thu nhỏ. Nếu năng lượng tương tự được phân bổ dọc theo một đường mỏng, đường đó sẽ mát hơn mặt trời thu nhỏ nhưng vẫn nóng. Nếu phân bố trên một bề mặt lớn thì bề mặt đó sẽ ít nóng hơn so với đường dây. Có các bộ tập trung năng lượng mặt trời tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm hoặc một đường. Ngoài ra còn có các bộ tập trung không tập trung. Mỗi loại có các ứng dụng phụ thuộc vào nhiệt độ ưa thích.
Lượng năng lượng trên một đơn vị diện tích có thể được bộ tập trung thu thập hàng năm phụ thuộc vào vị trí của bộ tập trung so với mặt trời. Một số loại bộ thu gom hoạt động đầy đủ (hiệu quả về mặt chi phí) nếu được để ở một vị trí cố định. Những bộ thu này thường có khả năng chịu nhiệt độ hạn chế và cung cấp rất ít hoặc không có sự tập trung của ánh sáng mặt trời tới. Hầu hết các bộ tập trung sẽ thu thập rất ít năng lượng ở một vị trí cố định nên chúng phải được trang bị khả năng theo dõi mặt trời hàng ngày từ sáng (hướng Đông) đến hoàng hôn (hướng Tây) để tiết kiệm chi phí. Một số bộ tập trung chỉ có thể tiết kiệm chi phí bằng cách theo dõi cả đường đi hàng ngày của mặt trời và độ nghiêng hàng năm của mặt trời (làm cho mặt trời dường như di chuyển theo hướng xích vĩ 47 [độ] trong năm). Do đó, bộ tập trung có thể là loại không theo dõi, theo dõi một trục (theo dõi từ đông sang tây) hoặc theo dõi hai trục (theo dõi cả đông sang tây và bắc xuống nam). Theo dõi hai trục cung cấp khả năng thu năng lượng mặt trời tối đa nhưng không hiệu quả về mặt chi phí đối với hầu hết các ứng dụng hoặc thiết kế bộ thu.
Chương trình nghiên cứu năng lượng mặt trời quốc gia của Hoa Kỳ đã dẫn đầu thế giới cả về đầu tư lẫn bề rộng của chương trình. Do thị trường Hoa Kỳ tiềm năng rất lớn nên chương trình quốc gia của Hoa Kỳ nhắm vào thị trường nội địa chứ không nhằm mục đích xuất khẩu cụ thể. Vì vậy, kinh nghiệm của Hoa Kỳ chủ yếu có thể áp dụng được cho Hoa Kỳ và có thể không phù hợp với các quốc gia khác nếu không sửa đổi.
Ví dụ, đối với các ứng dụng của Hoa Kỳ, bộ tập trung loại gương có hiệu quả về mặt chi phí hơn so với bộ tập trung loại thấu kính dành cho các hệ thống nhỏ, trung bình và lớn để tạo và sử dụng nhiệt. Hệ thống theo dõi tỏ ra hiệu quả nhất đối với các ứng dụng nhiệt độ cao. Tuy nhiên, tính hiệu quả ở Mỹ có thể là do công nghệ phức tạp, sự sẵn có của nhân viên bảo trì và phụ tùng thay thế có tay nghề cao, cơ sở hạ tầng hỗ trợ tuyệt vời chứ không phải là lợi thế vốn có của gương hoặc hệ thống theo dõi. Trong môi trường ít công nghiệp hóa hơn, bộ tập trung thấu kính có thể phù hợp hơn.
Mặc dù thuật ngữ "bộ thu" và "bộ cô đặc" được sử dụng thay thế cho nhau trong bài viết này nhưng các thuật ngữ này có tính phân biệt. Bộ thu có thể không tập trung bức xạ mặt trời, trong khi bộ tập trung được coi là bộ thu. Sẽ không có sự phân biệt nào được thực hiện trong bài viết này trừ khi cần thiết.
LỊCH SỬ CỦA MÁY TẬP TRUNG MẶT TRỜI
Khái niệm tập trung các tia mặt trời để làm nóng một khu vực mục tiêu đã được biết đến ít nhất 4.000 năm. Vào thời kỳ tấm đất sét ở Lưỡng Hà, những chiếc bình bằng vàng đánh bóng được cho là được sử dụng để đốt lửa trên bàn thờ. Archimedes được cho là đã cứu Syracuse khỏi cuộc xâm lược bằng cách đốt cháy hạm đội La Mã bằng các tia mặt trời tập trung phản chiếu từ kim loại được đánh bóng.
Các thí nghiệm để xác minh câu chuyện về Archimedes đã được thực hiện vào thế kỷ XVII với những tấm kim loại được đánh bóng. Thấu kính thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng để nấu chảy sắt, đồng, thủy ngân và các vật liệu khác từ quặng của chúng vào thế kỷ XVII. Thế kỷ thứ mười tám mang đến lò nung năng lượng mặt trời và lò nướng năng lượng mặt trời. Công nghệ tiên tiến - vào thế kỷ 19 đã sản xuất ra động cơ hơi nước và động cơ không khí nóng hoạt động bằng năng lượng mặt trời. Nhiều động cơ năng lượng mặt trời và lò năng lượng mặt trời đã được chế tạo vào đầu thế kỷ XX. Việc thử nghiệm tiếp tục diễn ra vào những năm 1930 trước khi lụi tàn khi các nhiên liệu hóa thạch rẻ tiền, đặc biệt là khí đốt tự nhiên, trở nên phổ biến rộng rãi.
Chương trình năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ được khởi xướng vào năm 1970 như một phần của chương trình Nghiên cứu Ứng dụng cho Nhu cầu Quốc gia (RANN) của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. Chương trình này được mở rộng rất nhiều do lệnh cấm vận dầu mỏ năm 1974 và sự tăng giá của dầu cũng như các nhiên liệu hóa thạch khác. Khi mục tiêu của chương trình thay đổi từ nghiên cứu và phát triển và sau đó sang thương mại hóa, trách nhiệm của chương trình được chuyển sang các cơ quan liên bang khác. Chương trình này hiện là một phần của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ; trọng tâm một lần nữa là nghiên cứu và phát triển dài hạn, chi phí cao, rủi ro cao mà ngành công nghiệp khó có thể thực hiện được; trách nhiệm thương mại hóa đã được chuyển trở lại ngành công nghiệp.
NHU CẦU ĐƯỢC PHỤC VỤ BỞI CÔNG NGHỆ
Bộ tập trung năng lượng mặt trời cung cấp bức xạ mặt trời mật độ năng lượng cao đến máy thu mục tiêu, do đó làm tăng nhiệt độ của mục tiêu. Tùy thuộc vào mức độ tập trung, tính chất quang học (sự hấp thụ và bức xạ mặt trời) của bề mặt mục tiêu và tốc độ làm mát của mục tiêu, những điều sau đây có thể xảy ra:
- mục tiêu sẽ tan chảy (nồng độ cao);
- mục tiêu sẽ đạt đến nhiệt độ cân bằng với khả năng làm mát tự nhiên (nồng độ vừa phải); hoặc
- mục tiêu sẽ đạt đến nhiệt độ cân bằng với chất làm mát cưỡng bức (tuần hoàn) (nồng độ trung gian).
Trường hợp đầu tiên là lò năng lượng mặt trời. Thứ hai có thể coi là bếp năng lượng mặt trời hoặc lò nướng năng lượng mặt trời. Trong trường hợp thứ ba, chất làm mát được làm nóng được sử dụng trực tiếp, chẳng hạn như nước nóng hoặc hơi nước trong các ứng dụng gia đình hoặc công nghiệp, hoặc gián tiếp, dưới dạng hơi (hơi nước) để tạo ra điện. Trong trường hợp sản xuất điện, các thiết bị chuyển đổi năng lượng thông thường cung cấp một bước trung gian - quay trục - giữa chất lỏng được làm nóng và chuyển đổi thành điện năng.
Nếu mục tiêu của ánh sáng mặt trời tập trung là một tế bào quang điện hoặc một mảng tế bào thì điện sẽ được sản xuất trực tiếp. Mức độ tập trung năng lượng mặt trời, hiệu suất chuyển đổi tế bào, thiết kế lắp ráp tế bào và vật liệu tế bào sẽ quyết định xem tuần hoàn tự nhiên hay làm mát tuần hoàn cưỡng bức là cần thiết để tế bào hoạt động hiệu quả. Hiện tại, chi phí/diện tích đơn vị của bộ tập trung nhỏ hơn diện tích chi phí/đơn vị ô. Kết quả là, chất cô đặc được sử dụng để giảm diện tích tế bào. Nếu diện tích tế bào trở nên rẻ hơn diện tích bộ tập trung thì bộ tập trung sẽ không được sử dụng.
Bài viết này chủ yếu đề cập đến các bộ tập trung dành cho các ứng dụng nhiệt hơn là các ứng dụng có tế bào quang điện. Nhấn mạnh vào các ứng dụng ở các nước kém phát triển hơn.
II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
ÁNH SÁNG
Trước khi thảo luận về bộ tập trung, cần nói vài lời về mặt trời. Ngoài bầu khí quyển trái đất, cường độ ánh sáng mặt trời là khoảng 1.350 watt trên mét vuông (429 đơn vị nhiệt Anh [Btu] mỗi giờ trên foot vuông). Việc đi qua bầu khí quyển làm giảm cường độ do sự hấp thụ của các loại khí và hơi khác nhau trong không khí và do sự tán xạ từ các khí và hơi này cũng như từ các hạt bụi và băng cũng có trong không khí. Như vậy, ánh sáng mặt trời chiếu tới trái đất là hỗn hợp của bức xạ trực tiếp (không tán xạ) và bức xạ khuếch tán (tán xạ). Ở mực nước biển, cường độ giảm xuống khoảng 1.000 watt/mét vuông (295 Btu/giờ/foot vuông) vào một ngày trời quang đãng. Cường độ còn giảm hơn nữa vào những ngày u ám.
Hầu hết các bộ tập trung chỉ sử dụng bức xạ trực tiếp. Những bộ tập trung này hoạt động tốt vào những ngày quang đãng, hoạt động kém vào những ngày sương mù và hoàn toàn không hoạt động vào những ngày xám xịt khi cường độ ánh sáng mặt trời giảm và ánh sáng chủ yếu bao gồm bức xạ khuếch tán. Một yếu tố hạn chế khác là mặt trời không phải là một điểm mà có đường kính tương đương khoảng một nửa độ cung. Thiết kế bộ tập trung phải xem xét vòng cung này.
CÁC LOẠI CHUNG VÀ CÔNG DỤNG
Mặc dù phần thảo luận sau đây đề cập đến các bộ tập trung như những thực thể, nhưng các bộ tập trung chỉ là một phần của hệ thống thu thập năng lượng. Để có ích, các tia tập trung phải được hướng tới một mục tiêu gọi là máy thu, mục tiêu này chuyển đổi các tia thành một dạng năng lượng khác, nhiệt. Bộ tập trung và bộ thu phải được kết hợp để có hiệu suất tối ưu. Thông thường, bộ thu phải truyền nhiệt cho chất lỏng để nhiệt được sử dụng hoặc tiêu tán. Khi mục đích chính của bộ tập trung là thu nhiệt hiệu quả thì sự kết hợp giữa bộ tập trung và bộ thu phải được thiết kế cẩn thận để giảm tổn thất năng lượng đi lạc từ bộ tập trung hoặc bộ thu.
Có nhiều cách để mô tả các bộ tập trung. Bao gồm các:
- Phương tiện tập trung - phản xạ hoặc khúc xạ
- Điểm, đường hoặc không tập trung
- Bộ tập trung cố định hoặc theo dõi
- Máy thu cố định hoặc theo dõi
Phương tiện tập trung
Sự tập trung ánh sáng đạt được bằng gương (phản xạ) hoặc bằng thấu kính trong suốt (khúc xạ). Máy ảnh và kính viễn vọng nhỏ sử dụng thấu kính; kính thiên văn lớn sử dụng gương. Một gương phản chiếu ánh sáng tới sao cho góc của tia phản xạ bằng góc của tia tới (Hình 1). Mối quan hệ này cũng
giữ khi gương nghiêng (Hình 2). Gương phẳng đơn
không tập trung nhưng có thể đạt được sự tập trung bằng cách xếp chồng lên sự phản chiếu của nhiều gương. Ngoài ra, có thể đạt được sự tập trung bằng cách uốn gương thành một hình dạng xác định trước và dựa vào tính chất quang học của bề mặt cong thu được.
Thấu kính dựa vào sự uốn cong (khúc xạ) ánh sáng tới để hội tụ về một tiêu điểm chung (Hình 3). Theo kích thước của ống kính
tăng, độ dày thấu kính cũng tăng. Một thấu kính Fresnel (Hình 4)
duy trì các đặc tính quang học của ống kính tiêu chuẩn bằng cách giữ nguyên độ cong từng phần. Điều này cho phép giảm đáng kể độ dày và trọng lượng của ống kính mà chỉ giảm hiệu suất ở mức khiêm tốn.
Mỗi phương pháp tập trung đều có nhược điểm. Gương yêu cầu bề mặt phản chiếu sạch, nhẵn: sạch vì các hạt bụi có thể tán xạ ánh sáng ra khỏi máy thu hoặc ánh sáng có thể bị hấp thụ một phần bởi một màng bẩn mỏng; trơn tru vì lỗi đường viền cũng có thể dẫn đến thiếu máy thu. Vật liệu phản chiếu có thể được đặt trên bề mặt gương (bề mặt thứ nhất, Hình 5) hoặc phía sau một bề mặt trong suốt (bề mặt thứ hai,
Hình 6). Bạc là vật liệu phản xạ được ưa chuộng với
nhôm thứ hai. Bạc rất dễ bị phân hủy bởi độ ẩm và các chất gây ô nhiễm trong không khí. Các lớp phủ bảo vệ sẵn có chưa được chứng minh là có hiệu quả đối với bạc trong lần sử dụng bề mặt đầu tiên. Nhôm bền hơn nhưng ít phản chiếu hơn. Gương bề mặt thứ hai bị mất năng lượng do sự hấp thụ ánh sáng bởi bề mặt trong suốt, thường là thủy tinh hoặc nhựa, khi ánh sáng tới và khi nó bị phản xạ qua vật liệu. Kính có hàm lượng sắt thấp được ưa chuộng hơn kính có hàm lượng sắt cao vì khả năng hấp thụ ánh sáng giảm. Nếu sử dụng nhựa, nó phải được ổn định để chống lại sự phân hủy bởi tia cực tím của mặt trời.
Do thấu kính có độ dày lớn hơn nên mức độ hấp thụ năng lượng cao hơn so với gương mặt thứ hai. Thấu kính Fresnel, có thể được chế tạo mỏng hơn nhiều so với thấu kính tiêu chuẩn, ít bị mất năng lượng hơn do hấp thụ năng lượng so với thấu kính tiêu chuẩn.
Bề mặt thấu kính cũng phải sạch và mịn vì những lý do tương tự như đối với gương. Hiệu suất của ống kính Fresnel được nâng cao khi phần dọc có ít hoặc không có lỗi độ dốc. Nhựa có thể được tạo hình để sản xuất thấu kính Fresnel có chất lượng cao hơn và chi phí thấp hơn so với thủy tinh. Tuy nhiên, tròng kính nhựa có xu hướng bị hỏng dưới ánh sáng cực tím và phải được ổn định.
Điểm, Đường hoặc Không lấy nét
Một tiêu chí để lựa chọn một bộ cô đặc cụ thể là mức độ tập trung và nhiệt độ cần đạt được. Theo quy luật, việc tập trung năng lượng vào một điểm sẽ tạo ra nhiệt độ từ cao đến rất cao; và trên dây chuyền, nhiệt độ từ trung bình đến cao. Bộ tập trung không tập trung tạo ra nhiệt độ thấp đến trung bình.
Đĩa phản xạ parabol (Hình 7) sử dụng đặc tính quang học của bề mặt cong parabol để tập trung ánh sáng trực tiếp vào tiêu điểm. Hình dạng đĩa quen thuộc được sử dụng cho đèn pha ô tô, đèn rọi, radar và để nhận tín hiệu từ các vệ tinh phát sóng.
Thấu kính tròn và thấu kính Fresnel tiêu chuẩn cũng là các bộ tập trung điểm. Thấu kính Fresnel đã được sử dụng cùng với tế bào quang điện trong một số cơ sở thử nghiệm ở Hoa Kỳ và nước ngoài.
Những hình ảnh chồng lên nhau từ nhiều gương phẳng có thể được coi là tương đương với việc lấy nét điểm. Hình dạng tiêu cự không phải là một điểm mà là hình ảnh hữu hạn của mặt trời được mở rộng hơn nữa bởi các đặc tính của vật liệu phản xạ và các lỗi khác nhau trong quá trình sản xuất cũng như độ chính xác của sự chồng lấp hình ảnh. Hình 8
minh họa khái niệm máy thu trung tâm trong đó kính định nhật (gương phẳng hoặc hơi cong gắn trên thiết bị theo dõi) chuyển hướng tia nắng mặt trời về phía máy thu trên đỉnh tháp. Một nhà máy phát điện 10 megawatt sử dụng nguyên lý này đã được vận hành thành công ở California từ năm 1982.
Đường kẻ. Máng parabol (Hình 9) là một ví dụ về đường tiêu điểm
quang học. Bức xạ trực tiếp tới bị phản xạ từ máng tới tiêu điểm dọc theo chiều dài của máng. Để tối đa hóa việc thu thập năng lượng, máng được thiết kế để theo dõi mặt trời. Máng có thể được định hướng với tiêu điểm chạy theo hướng đông-tây, bắc-nam hoặc bắc-nam với độ nghiêng đồng thời về phía mặt trời (gói cực).
Mỗi định hướng đều có đặc điểm thu thập theo mùa và hàng năm riêng. Không có định hướng nào được ưu tiên phổ biến (nghĩa là hiệu quả hơn về mặt chi phí).
Thấu kính tiêu chuẩn và thấu kính Fresnel có thể được chế tạo ở dạng tuyến tính (Hình 10) với cùng tiết diện như thấu kính tròn nhưng
hiện đang tạo ra một đường tiêu điểm thay vì một tiêu điểm. Thấu kính Fresnel tuyến tính bằng nhựa có chất lượng tốt có thể dễ dàng được sản xuất bằng cách ép đùn.
Bát hình bán cầu (Hình 11) là một ví dụ khác của đường thẳng
quang học tiêu cự. Không giống như máng hoặc thấu kính, việc theo dõi hai trục là bắt buộc. Bát hình bán cầu luôn cố định và máy thu thực hiện theo dõi. Tiêu điểm nằm trên đường nối tâm hình cầu với mặt trời. Tiêu điểm bị giới hạn ở nửa dưới của bán kính bởi các đặc tính quang học của cái bát. Bởi vì một số tia tới tiêu điểm chỉ với một phản xạ và những tia khác yêu cầu phản xạ nhiều lần nên cường độ không đồng đều dọc theo chiều dài của tiêu cự. Hình 12 cho thấy một cái bát thí nghiệm có đường kính 65 foot (19,7 mét)
đã hoạt động thành công ở Texas trong nhiều năm. Việc thu thập năng lượng hàng năm thấp hơn so với các thiết bị quang học thu gom khác và dường như không có lợi thế bù đắp nào, ngoại trừ việc một máy thu nhỏ theo dõi hình ảnh mặt trời dễ dàng hơn nhiều so với một bộ tập trung lớn hơn và nặng hơn nhiều.
Không tập trung. Máng bán cầu (Hình 13) và mặt phẳng
bộ thu tấm có gương trợ lực là ví dụ về bộ tập trung không lấy nét. Bộ tập trung không tập trung không tập trung ánh sáng mặt trời thành một hình dạng hình học cụ thể mà phản chiếu ánh sáng mặt trời lên bộ thu, do đó làm tăng tổng lượng ánh sáng mặt trời nhận được. Loại máy tập trung không tập trung cũng bao gồm các máy tập trung trong đó tiêu điểm có chất lượng kém. Bộ thu hình trụ (Hình 14), một biến thể của
máng bán cầu được quan tâm vì toàn bộ hình trụ có thể được chế tạo bằng nhựa bơm hơi rẻ tiền.
Một phương pháp đơn giản để đạt được mức tăng nồng độ vừa phải trên một diện tích lớn là sử dụng gương tăng cường kết hợp với bộ thu tấm phẳng (Hình 15). Trước buổi trưa gương mặt
phía đông; sau buổi trưa họ quay mặt về phía tây. Ưu điểm thu năng lượng của bộ tăng tốc cho bộ thu tấm phẳng được thể hiện trong Hình 16.
Bộ tập trung cố định hoặc theo dõi
Việc thu thập năng lượng tối đa hàng ngày hoặc hàng năm đòi hỏi phải theo dõi mặt trời (hoặc hình ảnh phản chiếu của mặt trời) vì các bộ tập trung, đặc biệt là những bộ có khả năng tập trung cao, chỉ sử dụng bức xạ trực tiếp. Do đó, một đĩa parabol khi hướng vào mặt trời sẽ có các tia phản xạ đi qua tiêu điểm. Khi mặt trời di chuyển, một số tia phản xạ sẽ mất tiêu điểm và theo thời gian, tất cả sẽ mất tiêu điểm. Đĩa phải được di chuyển để duy trì các tia phản xạ ở tiêu điểm. Bộ thu trung tâm, đĩa parabol, máng parabol, thấu kính tiêu chuẩn và thấu kính Fresnel là những ví dụ về hệ thống tập trung theo dõi.
Cái bát hình bán cầu cũng phải liên tục theo dõi mặt trời. Những chiếc bát lớn quá khó sử dụng để di chuyển. Do đó, máy thu được di chuyển liên tục. Nó theo dõi tiêu điểm của quả cầu (hình ảnh phản chiếu của mặt trời) suốt cả ngày.
Giống như cái bát hình bán cầu, bộ tập trung Russell được cố định và máy thu phải theo dõi hình ảnh của mặt trời (Hình 17). Cái này
bộ tập trung bao gồm các gương dài hẹp có tâm nằm trên chu vi của một vòng tròn. Các gương được định hướng sao cho tất cả các ảnh phản chiếu đều tập trung vào một điểm trên cùng một chu vi. Khi mặt trời di chuyển tiêu điểm sẽ di chuyển dọc theo chu vi. Bộ thu Winston thường được coi là bộ tập trung không theo dõi. Việc thu thập năng lượng của nó có thể được tăng lên bằng cách theo dõi. Là một bộ thu kiểu máng (Hình 18), nó bao gồm một bộ thu parabol
bề mặt có trục nằm ngang và tiêu điểm của nó gần với bề mặt. Bộ thu thường được tìm thấy dưới dạng paraboloid nhưng cũng có thể ở dạng máng. Bộ thu nhận cả bức xạ trực tiếp và khuếch tán. Góc chấp nhận (góc chấp nhận ánh sáng mặt trời) phụ thuộc vào chiều cao của parabol. Chiều cao càng ngắn, góc chấp nhận và thời gian hoạt động hàng ngày càng lớn nhưng nồng độ và khả năng nhiệt độ tối đa càng kém. Bộ thu đã được sử dụng như một bộ thu cố định hiệu quả cao, đạt nhiệt độ cao hơn so với bộ thu tấm phẳng thông thường.
Người nhận cố định hoặc theo dõi
Bộ thu trung tâm và máng parabol có các bộ thu cố định do đặc tính quang học của hệ thống. Bộ thu đĩa parabol thường được đặt ở tiêu điểm để di chuyển cùng với đĩa khi đĩa theo dõi mặt trời. Cả chiếc bát và máy thu Russell đều không theo dõi mặt trời, do đó máy thu của họ phải theo dõi hình ảnh của mặt trời. Bộ thu Winston, bộ thu hình trụ và bộ thu tấm phẳng có gương trợ lực thường được sử dụng ở vị trí cố định và với bộ thu cố định. Tất nhiên, tấm phẳng vừa là bộ thu vừa là bộ thu.
Bộ tập trung cố định khác
Có nhiều bộ tập trung khéo léo hoạt động khá tốt và có thể tiết kiệm chi phí trong một số ứng dụng. Bộ thu đỉnh (Hình 19), có hình dạng bề mặt là quỹ tích của vị trí
Phần cuối của sợi dây khi được tháo ra khỏi ống có thể cung cấp nồng độ vừa phải thích hợp cho nước nóng. Một bộ thu hình nón (Hình 20) có thể được thay thế cho paraboloid Winston,
đạt được sự đơn giản trong sản xuất với một số hạn chế về hiệu suất. Tương tự, gương phản xạ phẳng có thể thay thế cho các mặt parabol của bộ thu máng Winston.
Bảng 1 tóm tắt các đặc điểm và khả năng sử dụng của các bộ cô đặc được mô tả ở trên.
Loại bộ tập trung: Đĩa parabol
Loại tiêu điểm :
Thấu kính điểm hoặc gương : Gương
Nồng độ mặt trời : > 1000
Theo dõi : Có
Bộ thu theo dõi : Có
Nhiệt độ (C): >2638
Nhiệt độ (F): >3000
Ứng dụng điển hình : Điện
Nhận xét : Nhỏ- ứng dụng quy mô
Loại bộ tập trung: Bộ thu trung tâm
Loại tiêu điểm :
Thấu kính điểm hoặc gương :
Gương Nồng độ mặt trời : > 1000
Theo dõi : Có
Bộ thu theo dõi : Không
Nhiệt độ (C): >2638
Nhiệt độ (F): >3000
Ứng dụng điển hình : Điện
Nhận xét : Lớn- ứng dụng quy mô
Loại bộ tập trung: Thấu kính (Tròn)
Loại tiêu cự :
Thấu kính điểm hoặc Gương : Thấu kính
Nồng độ mặt trời : > 1000
Theo dõi : Có
Bộ thu theo dõi : Không
Nhiệt độ (C): >2638
Nhiệt độ (F): >3000
Ứng dụng điển hình : Điện
Nhận xét : Tế bào quang điện
Loại bộ tập trung: Máng parabol
Loại tiêu điểm :
Thấu kính đường hoặc gương :
Gương Nồng độ mặt trời : 100
Theo dõi : Có
Bộ thu theo dõi : Không
Nhiệt độ (C): 538
Nhiệt độ (F): 1000
Ứng dụng điển hình : Điện, Nhiệt
Nhận xét : Nhỏ hoặc Lớn Hệ thống
Loại bộ tập trung: Gương cố định Tiêu điểm chuyển động
Loại tiêu điểm :
Thấu kính thẳng hoặc Gương : Gương
Nồng độ mặt trời : 100
Theo dõi : Không
Bộ thu theo dõi : Có
Nhiệt độ (C): 538
Nhiệt độ (F): 1000
Ứng dụng điển hình : Điện, Nhiệt
Nhận xét : Nhỏ hoặc Hệ thống lớn. Kinh tế không phải là kinh nghiệm của Mỹ
Loại bộ tập trung: Thấu kính (tuyến tính)
Loại tiêu cự :
Thấu kính thẳng hoặc Gương : Gương
Nồng độ của mặt trời : 100
Theo dõi : Có
Bộ thu theo dõi : Có
Nhiệt độ (C): 538
Nhiệt độ (F): 1000
Ứng dụng điển hình : Điện, Nhiệt
Nhận xét : Nhỏ hoặc Hệ thống lớn. Kinh nghiệm nhỏ của Mỹ
Loại Bộ tập trung: Hình cầu Loại Tiêu điểm : Thấu kính thẳng hoặc Gương : Gương Nồng độ của Mặt trời : 80 Theo dõi : Không Bộ thu theo dõi : Có Nhiệt độ (C): 538 Nhiệt độ (F): 1000 Ứng dụng điển hình : Điện Nhận xét : Lúng túng ở quy mô lớn
Loại bộ tập trung: Xi lanh
Loại tiêu điểm :
Thấu kính thẳng hoặc gương : Gương
Nồng độ mặt trời : 2
Theo dõi : Không
Bộ thu theo dõi : Không
Nhiệt độ (C): 121
Nhiệt độ (F): 250
Ứng dụng điển hình : Nhiệt
Nhận xét :
Loại bộ tập trung: Cusp
Loại tiêu điểm :
Thấu kính thẳng hoặc gương :
Gương Nồng độ mặt trời : 1.5-2.5
Theo dõi : Không
Bộ thu theo dõi : Không
Nhiệt độ (C): 121
Nhiệt độ (F): 250
Ứng dụng điển hình : Nhiệt
Nhận xét :
Loại bộ tập trung: Winston
Loại tiêu cự :
Thấu kính thẳng hoặc Gương : Gương
Nồng độ của mặt trời : 3-6
Theo dõi : Không
theo dõi Bộ thu : Không
Nhiệt độ (C): 121
Nhiệt độ (F): 250
Ứng dụng điển hình : Nhiệt
Nhận xét : Nồng độ giảm khi chấp nhận góc tăng
Loại bộ tập trung: Tấm phẳng w/ Booster
Loại tiêu cự :
Thấu kính vùng hoặc Gương :
Gương Nồng độ mặt trời : Từ 1 đến 2
Theo dõi : Không
Bộ thu theo dõi : Không
Nhiệt độ (C): 121
Nhiệt độ (F): 250
Ứng dụng điển hình : Nhiệt
Nhận xét :
HIỆU QUẢ THU THẬP NĂNG LƯỢNG HÀNG NĂM
Người thu gom duy trì bề mặt hướng về phía mặt trời (góc phải đối với hầu hết người thu gom) có hiệu quả thu gom hàng năm cao nhất. Đĩa parabol và bộ thu theo dõi hai trục khác là những ví dụ. Bộ thu trung tâm, mặc dù là hệ thống theo dõi hai trục, không hướng các gương phản xạ định nhật hướng về phía mặt trời mà duy trì một góc so với mặt trời để hình ảnh được phản chiếu tới bộ thu. Đúng như dự đoán, hiệu quả thu gom của nó thấp hơn so với chiếc đĩa. Máng parabol là hệ thống theo dõi một trục; do đó, bề mặt thỉnh thoảng chỉ vuông góc với mặt trời và có hiệu suất thu gom hàng năm thấp hơn so với máy thu trung tâm.
Bộ thu cố định với bộ thu theo dõi như bộ thu thập bát và bộ thu Russell thậm chí còn có hiệu suất thu thập thấp hơn. Winston và các bộ thu và thu cố định khác thể hiện hiệu quả kém nhất.
Hiệu suất hàng năm về mặt lý thuyết của ba bộ thu tập trung chính được sử dụng ở Hoa Kỳ là 80% đối với đĩa, 60% đối với bộ thu trung tâm và 43% đối với máng parabol trên cơ sở hàng năm. Hiệu suất của bộ thu được xác định trong khoảng thời gian kéo dài từ khi bắt đầu theo dõi khi mặt trời lên tới 15 độ so với đường chân trời cho đến khi quá trình theo dõi dừng lại khi mặt trời giảm xuống dưới 15 độ vào cuối ngày. Hiệu suất phụ thuộc vào bức xạ mặt trời trực tiếp và quang học của hệ thống.
Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào độ chính xác của gương hoặc bề mặt thấu kính, bụi và màng trên bề mặt, sự hấp thụ năng lượng của thấu kính hoặc gương, tính chất phản xạ, vật liệu, độ chính xác của hướng, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đối với các yếu tố này, thời tiết--bao gồm mây, bụi và sương mù , và như thế. Hiệu suất còn bị giảm thêm do hiệu suất của máy thu và thiết kế hệ thống con của máy thu, bao gồm cả việc chú ý giảm tổn thất nhiệt do dẫn truyền, đối lưu và bức xạ.
III. BIẾN ĐỔI THIẾT KẾ VÀ KINH NGHIỆM
BỘ SƯU TẬP MẶT TRỜI PARABOLIC
Một bài báo gần đây về đĩa parabol do Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực(*) chuẩn bị mô tả chín thiết kế do Hoa Kỳ tài trợ
(*) VC Truscello, "Tình trạng của Bộ tập trung đĩa Parabol, Kỷ yếu của Hội nghị Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Năng lượng về Bộ thu năng lượng mặt trời tập trung, Viện Công nghệ Georgia, 26-28 tháng 9 năm 1977 (Washington, DC: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, không ghi ngày tháng) , khoảng năm 1982-1983).
Bộ Năng lượng, 8 thiết kế do tư nhân Hoa Kỳ tài trợ và 10 món ăn do các nước khác phát triển. Mặc dù không có hai món ăn nào giống hệt nhau nhưng chúng được chia thành bốn loại:
1. Phản xạ cứng. Bề mặt phản chiếu được gắn vào một cấu trúc cong cứng nhắc. Đây là cấu trúc tiêu chuẩn (loại radar) (Hình 21).
2. Màng ổn định áp suất. Bề mặt phản chiếu được gắn vào một màng linh hoạt, có hình dạng cấu trúc hỗ trợ cong, cứng bằng cách tạo ra chân không giữa màng và cấu trúc. Mục đích là giảm chi phí bằng cách giảm trọng lượng của vật liệu xây dựng (Hình 22).
3. Thấu kính Fresnel hoặc gương Fresnel. Thấu kính được tạo thành từ một số bộ phận đồng tâm hẹp; gương là một loạt các bề mặt phản chiếu đồng tâm. Mục đích là giảm chi phí bằng cách đơn giản hóa độ cong tổng hợp của paraboloid (Hình 23).
4. Phản xạ thứ cấp. Một gương thứ hai, có thể là hyperbol(*) (cassegrain) hoặc eliptic(**) (gregorian), phản chiếu các tia từ gương phản xạ parabol tới bộ thu phía sau parabol. Mục đích là để loại bỏ các yêu cầu về cấu trúc bộ thu nặng trên đĩa và cũng để cung cấp khả năng tiếp cận dễ dàng với bộ thu để bảo trì (Hình 24).
Tấm phản xạ cứng là loại phổ biến nhất vì nó giống với công nghệ radar hiện tại. Dự án Shenandoah, một dự án trình diễn của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ gần Atlanta, Georgia, đã triển khai 114 đĩa có đường kính 7 mét được phủ một lớp màng phản chiếu để tạo ra hơi nước có nhiệt độ 399 [độ] C (750 [độ] F). Hơi nước được sử dụng để tạo ra 400 kilowatt điện và xử lý hơi nước với công suất 9,7 kg/cm2 (138 pound/inch vuông [psig]) cho một nhà máy dệt kim liền kề. Sau một số trục trặc ban đầu, hiện nay hệ thống đã hoạt động ổn định. Dự án này là nỗ lực chung của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, công ty điện lực địa phương và nhà máy sản xuất hàng dệt kim. Mục tiêu của nó là chứng minh khả năng tồn tại của bộ thu thập phản xạ cứng chứ không phải là một nguyên mẫu thương mại.
(*) Là đường cong được tạo bởi phần hình nón cắt bởi một mặt phẳng tạo với đáy một góc lớn hơn so với cạnh của hình nón.
(**) Hình bầu dục.
MÁY THU TRUNG TÂM
Ví dụ tốt nhất về máy thu trung tâm ở Hoa Kỳ là Solar One, một dự án chung của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và hai công ty điện lực ở Nam California. Nhà máy thí điểm điện 10 megawatt này sử dụng 1.818 kính định nhật (hoặc gương phản xạ), mỗi kính có diện tích 41,8 mét vuông (450 feet vuông) gương kính bề mặt thứ hai. Các kính định nhật bao quanh một tòa tháp nơi đặt máy thu. Hầu hết các kính định nhật đều nằm ở phía nam của tòa tháp. Nhà máy đã vượt quá các thông số kỹ thuật đề ra và đang vận hành rất thành công. Thiết kế dựa trên một nhà máy có công suất 100 MW và sau đó giảm xuống còn 10 MW. Một nhà máy 10 megawatt được tối ưu hóa có thể sẽ có cấu hình trường điều hòa nhiệt độ khác.
Một phiên bản 100 megawatt (Solar 100) với công nghệ tương tự đang được các công ty điện lực xem xét, giả sử các khoản tín dụng đầu tư của chính phủ được cung cấp. Nếu không có những ưu đãi tài chính này, nhà máy sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế ở Hoa Kỳ do giá dầu giảm. Tuy nhiên, nhà máy như vậy có thể tiết kiệm ở các quốc gia khác có chi phí năng lượng cao.
Heliostat đã phát triển thông qua một loạt thiết kế giúp giảm trọng lượng ban đầu từ hơn 97,6 kg/mét vuông (20 pound/foot vuông) xuống còn khoảng 39 kg/mét vuông (8 pound/foot vuông). Hơn 20 thiết kế kính định nhật đã được xây dựng và thử nghiệm. Ưu tiên hiện nay là sử dụng gương kính bề mặt thứ hai trên nền kính. Viện Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đang phát triển một loại vật liệu phản xạ nhẹ (nhựa/bạc/nhựa), hứa hẹn sẽ giảm đáng kể chi phí của kính định nhật. Khi được phát triển, vật liệu này có thể được quan tâm sử dụng ở các nước kém công nghiệp hóa.
Kích thước của bộ điều chỉnh trực thăng bị chi phối bởi các yêu cầu về độ cứng và tải trọng gió. Do các yếu tố chi phí hiện tại của kính định nhật (bị ảnh hưởng bởi thực tế là mỗi kính định nhật cần có hệ thống theo dõi riêng), tại Hoa Kỳ, các thiết kế hệ thống thiên về kính định nhật cỡ lớn. Việc phân bổ các yếu tố chi phí có thể khác nhau ở các quốc gia khác. Trong khi ở Hoa Kỳ chỉ có các máy thu trung tâm lớn hơn mới có tính kinh tế, một số nước đang phát triển tiên tiến có thể sử dụng công nghệ Solar One nhỏ hơn một cách kinh tế.
ỐNG KÍNH
Thấu kính tròn, dù là loại tiêu chuẩn hay Fresnel, đều có xu hướng bị giới hạn về kích thước, giống như đĩa parabol. Kích thước cũng bị giới hạn bởi khả năng chế tạo hiện tại. Các thấu kính thủy tinh nhỏ dành cho máy ảnh và đèn chiếu đều có sẵn, cũng như các thấu kính nhựa lớn hơn. Nhưng một ống kính có đường kính 7 mét (kích thước tương đương với đĩa Shenandoah) chắc chắn không được bán rộng rãi bằng thủy tinh hoặc nhựa. Ở kích thước lớn, thấu kính thủy tinh sẽ rất nặng; nhựa, có thể là theo thiết kế Fresnel, có thể là ống kính thực tế duy nhất, nếu có. Thấu kính Fresnel tuyến tính có thể mang lại lợi thế là có thể chế tạo được ở cả chiều rộng và chiều dài nhỏ và lớn.
TRUYỀN PARABOLIC
Một số lượng đáng kể các máng parabol đã được thiết kế, xây dựng và thử nghiệm, chủ yếu bằng nguồn vốn tư nhân. Nhiều loại có sẵn trên thị trường. Máng khác nhau về vật liệu phản chiếu, vật liệu cấu trúc, khái niệm bộ thu, v.v. Nhiệt độ có thể đạt được đạt khoảng 540 [độ] C (1000 [độ] F). Các thiết kế khác nhau tùy theo ứng dụng nhiệt độ dự định, vì lỗi bề mặt, lỗi theo dõi và tổn thất máy thu có tầm quan trọng đáng kể đối với thiết kế nhiệt độ cao.
Máng đã được nhiều dự án trình diễn liên bang sử dụng để cung cấp nhiệt cho các ứng dụng công nghiệp và cung cấp hơi cho các động cơ nhỏ phù hợp (ví dụ: thiết bị bơm tưới tiêu). Tất cả các thiết kế đều có vấn đề ban đầu, thường là về vật liệu và phần cứng phi năng lượng mặt trời. Sau khi sửa chữa hoặc sửa đổi, hoạt động đã ổn định và thành công. Nhiều dự án do liên bang tài trợ có xu hướng ngừng hoạt động khi chúng kết thúc và hiếm khi được khởi động lại vì người dùng không có được sự quan tâm lâu dài. Một nguồn thông tin tuyệt vời về các nhà sản xuất máng tư nhân là Hiệp hội Công nghiệp Năng lượng Mặt trời (SEIA) ở Washington, DC
Máng có thể hấp dẫn vì tính đơn giản tương đối của chúng. Vì độ cong bề mặt của chúng là đơn lẻ chứ không phải phức hợp như đối với đĩa nên máng được chế tạo dễ dàng hơn. Có thể dễ dàng đặt nhựa phản chiếu bề mặt thứ hai có lớp nền dính lên trên bề mặt cong. Một ống hoặc ống đơn giản sẽ đóng vai trò thích hợp như một bộ thu mặc dù nhiều kỹ thuật đơn giản khác nhau, chẳng hạn như áo khoác chân không bằng thủy tinh xung quanh ống thu, sẽ nâng cao hiệu suất. Theo dõi một trục ít phức tạp hơn theo dõi hai trục.
IV. NHỮNG CHỦ ĐỀ ĐẶC BIỆT
MÁY THU
Ánh sáng mặt trời tập trung phải được chuyển đổi thành dạng năng lượng hữu ích, thường là nhiệt. Nếu muốn, nhiệt có thể được chuyển đổi thành điện năng nhờ động cơ và máy phát điện. Máy thu phải được thiết kế để giảm thiểu sự thất thoát nhiệt. Sự mất nhiệt xảy ra do bức xạ tới vật lạnh hơn; thông qua dòng đối lưu được tạo ra khi không khí nóng tiếp xúc với bề mặt máy thu nóng; và thông qua sự dẫn nhiệt từ các bộ phận nóng của máy thu đến các bộ phận lạnh hơn cũng như đến các bộ phận kết cấu và lớp cách nhiệt kèm theo. Khả năng giữ nhiệt của máy thu được tăng cường bằng cách phủ lên máy thu một lớp phủ chọn lọc, lớp phủ này sẽ hấp thụ hầu như toàn bộ bức xạ tập trung nhưng sẽ bức xạ lại tương đối ít năng lượng. Hơn nữa, vì tổng năng lượng bức xạ phụ thuộc trực tiếp vào diện tích bức xạ nên diện tích bề mặt máy thu cần được giảm thiểu. Có thể giảm sự đối lưu bằng cách ngăn chặn sự tích tụ của các dòng không khí loại bỏ không khí được làm nóng bởi bộ thu và cung cấp cho bộ thu không khí lạnh hơn để tiếp tục mất nhiệt. Cửa sổ trong suốt (kính hoặc nhựa tùy theo nhiệt độ) có thể làm giảm dòng không khí.
Cửa sổ giới thiệu các hiệu ứng mất nhiệt và tăng nhiệt khác. Một phần năng lượng sẽ bị phản xạ từ mặt trước và mặt sau của cửa sổ và không bao giờ tới được thiết bị thu. Năng lượng bổ sung sẽ được cửa sổ hấp thụ và không đến được máy thu. Bề mặt bên trong của cửa sổ có thể được phủ một lớp gương nhiệt như oxit thiếc, giúp giảm tổn thất bức xạ bằng cách phản xạ năng lượng bức xạ trở lại máy thu. Việc khắc bề mặt bên ngoài của cửa sổ kính làm giảm sự phản chiếu từ bề mặt.
Vật liệu cách nhiệt giúp giảm tổn thất đối lưu và bức xạ từ các bộ phận của máy thu nằm ngoài đường đi của bức xạ tới. Giảm tổn thất dẫn điện bằng cách giảm tiết diện của các kết cấu tiếp xúc trực tiếp với máy thu và sử dụng các chất dẫn nhiệt kém cho các kết cấu này nếu có thể. Tạo khoảng chân không giữa cửa sổ và máy thu sẽ làm giảm tổn thất đối lưu và dẫn truyền hơn nữa.
Hình 25 cho thấy độ phản xạ của một số hệ thống gương. Ghi chú
không chỉ những khác biệt về độ phản xạ mà còn ở một số vật liệu, năng lượng phản xạ nằm trong một góc đặc nhỏ* (Hình 26). Những vật liệu này cho phép một khu vực mục tiêu nhỏ cho
nhận được tia phản xạ. Nếu cần một góc đặc lớn hơn để bao quanh sự phản xạ thì phải thực hiện sự thỏa hiệp giữa kích thước mục tiêu và sự mất mát của tia phản xạ. Năng lượng không bị phản xạ sẽ chuyển thành nhiệt ở bề mặt phản xạ. Điều này có thể đòi hỏi những nỗ lực làm mát tích cực để giảm bớt hoặc loại bỏ căng thẳng nhiệt.
TRỊ GIÁ
Chi phí của bộ tập trung chỉ chiếm một phần chi phí của hệ thống. Chi phí của lượng nhiệt được cung cấp ở nhiệt độ yêu cầu là phương pháp xác định chi phí được ưu tiên. Đối với một hệ thống nhất định, chi phí trên một triệu kilowatt giờ hoặc kWh (trên một triệu Btu) thường giảm khi tổng số kWh (Btu) được phân phối tăng lên, tức là khi quy mô hệ thống tăng lên. Tương tự, chi phí trên một triệu kWh (trên một triệu Btu) có thể sẽ thấp hơn ở nhiệt độ thấp hơn so với ở nhiệt độ cao hơn. Nhìn chung, mức độ tập trung và phức tạp càng cao thì chi phí càng cao.
(*) Nếu ta có một góc có một cạnh thẳng đứng, một cạnh không thẳng đứng và quay xung quanh một góc thẳng đứng (giữ nguyên một góc) thì góc tạo ra được gọi là góc đặc.
Chi phí thường được thể hiện bằng giá mua nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Người bán có thể giảm giá bán để thâm nhập thị trường, mở rộng thị phần, dự đoán nền kinh tế sản xuất trong tương lai và giảm chi phí cũng như để hạn chế hoặc loại trừ khả năng cạnh tranh. Người bán độc quyền hoặc có vị trí ưu tiên có thể bán với giá cao hơn mức giá hợp lý. Người bán phải đối mặt với những rủi ro và trách nhiệm pháp lý không xác định hoặc không xác định đối với sản phẩm sẽ cố gắng chuyển rủi ro cho người mua thông qua mức giá cao hơn hoặc các phương tiện khác.
Tại Hoa Kỳ, nhiều hệ thống năng lượng mặt trời chỉ có hiệu quả về mặt chi phí nhờ chính sách thuế của liên bang và tiểu bang nhằm hỗ trợ ngành năng lượng mặt trời. Những hệ thống này có giá cao hơn từ hai đến năm lần so với các hệ thống năng lượng cạnh tranh. Tuy nhiên, chi phí năng lượng ở nhiều nước kém phát triển cao hơn nhiều lần so với ở Hoa Kỳ, và do đó hệ thống năng lượng mặt trời có thể có hiệu quả về mặt chi phí ở những nước đó.
Tại Hoa Kỳ, chi phí của một hệ thống điện nhiệt mặt trời sử dụng công nghệ tương đối mới và kết hợp chi phí nghiên cứu và phát triển sẽ dao động từ 10 USD đến khoảng 30 USD mỗi watt. Thí nghiệm máy thu trung tâm ở California (Solar One) có giá khoảng 15 USD/watt; một nhà máy 100 megawatt được đề xuất kết hợp các bài học của Solar One và tính kinh tế của quy mô tăng gấp 10 lần được dự đoán sẽ có giá khoảng 4 USD mỗi watt. Heliostat chiếm khoảng 1/3 tổng chi phí của Solar One và dự kiến sẽ bằng khoảng một nửa chi phí của nhà máy lớn. (Một nhà máy điện đốt than có giá khoảng $1,00-$1,40 cho mỗi watt công suất lắp đặt.)
Các nghiên cứu về công nghệ đĩa cho thấy chi phí cho hệ thống dao động từ 50 USD/watt, trong đó chi phí đĩa bằng 1/3 đến 1/2 chi phí hệ thống. Công nghệ món ăn đi sau trải nghiệm máy điều hòa nhiệt độ. Hiện tại, các máng parabol dường như có giá khoảng 538 USD/m2 (50 USD/foot vuông) và có thể giảm xuống còn khoảng 270 USD/m2 (25 USD/foot vuông) với thị trường lớn hơn. Một lần nữa, những chi phí này chỉ phản ánh một phần ba đến một nửa chi phí hệ thống.
Điều có thể được các nước đang phát triển quan tâm là loại bộ thu sử dụng nhựa trong suốt ở dạng hình trụ với màng phản xạ nằm một phần ở cung dưới và một ống "đen" nằm ở tiêu điểm. Loại nhà sưu tập này dường như có chi phí thấp. Một số phiên bản sử dụng ống thủy tinh chân không có ống đồng đen bên trong theo kiểu "một lần xuyên qua" (ống thẳng) hoặc kiểu lưỡi lê có bán trên thị trường ở Hoa Kỳ (Hình 27, 28 và 29).
Chiếc bát hình bán cầu đã được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thử nghiệm ở Crosbyton, Texas. Thiết bị có đường kính 20 mét, tạo ra hơi nước ở nhiệt độ cao và áp suất cao phù hợp với các tua bin hơi nước hiện đại. Độ cong phức hợp rất khó xây dựng, cũng như yêu cầu theo dõi hai trục của máy thu. Tuy nhiên, bộ thu theo dõi đơn giản hơn bộ tập trung theo dõi. Bộ cô đặc có thể dễ được chấp nhận hơn ở kích thước nhỏ hơn và nồng độ (nhiệt độ) thấp hơn. Việc giảm nồng độ sẽ làm giảm nhiệt độ, làm tăng số lượng vật liệu có thể sử dụng cho máy thu và có thể dễ dàng chế tạo quả cầu.
Để so sánh các công nghệ nhiệt mặt trời, nên giảm chi phí về các cơ sở chung như chi phí trên mỗi watt điện hoặc trên mỗi kWh (Btu). Cơ sở cần phân biệt giữa công suất trung bình và công suất cao điểm; số lượng lưu trữ kết hợp; nhiệt độ, nếu nhiệt là sản phẩm cuối cùng mong muốn; và năng lượng được cung cấp hàng năm. Các công nghệ khác có cơ sở riêng; chi phí sử dụng quang điện trên mỗi watt cao điểm và chi phí lắp đặt trên mỗi kilowatt giờ được sản xuất hàng năm. Điện từ năng lượng gió cũng như từ các công nghệ điện mặt trời khác có thể có giá trị khác nhau đối với người sử dụng tùy thuộc vào thời điểm phát điện. Những cân nhắc này nên được đưa vào bất kỳ phương pháp đánh giá nào để lựa chọn các hệ thống hiệu quả về mặt chi phí.
V. SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP THAY THẾ
Bộ thu tấm phẳng đơn giản là bộ thu năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi nhất và tiết kiệm chi phí nhất. Mục đích sử dụng chính của chúng là dành cho các ứng dụng nước nóng trong gia đình và thương mại (ví dụ: bệnh viện, nhà hàng, v.v.); tuy nhiên chúng cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống làm nóng trước cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao hơn. Chúng có thể đạt được nhiệt độ khoảng 38 [độ] C (100 [độ] F) so với môi trường xung quanh bằng cách thu ánh sáng mặt trời, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt và giảm thiểu cẩn thận sự thất thoát nhiệt không mong muốn từ bộ thu.
Bộ thu dạng tấm phẳng (thường không có rãnh) là loại được chế tạo đơn giản nhất. Các bộ sưu tập đơn giản, không phức tạp, có chức năng có thể dễ dàng được xây dựng bằng các công cụ đơn giản. Phải cẩn thận để tăng cường thu năng lượng mặt trời và ngăn ngừa tổn thất nhiệt. Việc sử dụng cẩn thận các vật liệu địa phương ở mức tối đa có thể có thể giảm chi phí. Trong khi các chất hấp thụ chọn lọc nâng cao hiệu suất và mang lại nhiệt độ cao hơn thì hầu hết mọi bề mặt "đen" đều sẽ hoạt động đầy đủ. Một số thiết bị thu gom tấm phẳng đơn giản, chi phí thấp có thể tốt hơn thiết bị thu gom ở nhiệt độ dưới 93 [độ] C (200 [độ] F), đặc biệt ở các nước kém công nghiệp hóa. Kỳ vọng về hiệu suất tốt hơn của các bộ thu dạng tấm phẳng (không tập trung) so với các bộ thu tập trung, đối với cùng một ứng dụng nhiệt độ, chưa được xác minh trong thực tế. Kỳ vọng dựa trên việc sử dụng cả bức xạ trực tiếp và khuếch tán bằng các bộ thu tấm phẳng và chỉ sử dụng bức xạ trực tiếp bằng các bộ tập trung.
THƯ VIỆN/ DANH SÁCH ĐỌC GỢI Ý
Báo cáo và Kỷ yếu Hội nghị
Dougherty, DA Line-Pocus Thu nhiệt. SERI/TR-632-868. Golden, Colorado: Viện nghiên cứu năng lượng mặt trời, tháng 7 năm 1982.
Murphy, LM Tiềm năng kỹ thuật và chi phí cho công nghệ điều hòa nhiệt độ màng kéo dài, nhẹ. SERI/TP-253-2070. Golden, Colorado: Viện nghiên cứu năng lượng mặt trời, tháng 1 năm 1984.
Scholten, WB So sánh khả năng cung cấp năng lượng của các bộ thu năng lượng mặt trời. McLean, Virginia: Ứng dụng khoa học, Inc., 1983.
Viện nghiên cứu năng lượng mặt trời. Báo cáo đánh giá thường niên về công nghệ nhiệt mặt trời, Năm tài chính 1983. Golden, Colorado: Viện nghiên cứu năng lượng mặt trời, tháng 8 năm 1984.
Truscello, VC "Trạng thái của Bộ tập trung đĩa parabol." Kỷ yếu của Hội nghị Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Năng lượng về Bộ thu năng lượng mặt trời tập trung. Viện Công nghệ Georgia, ngày 26-28 tháng 9 năm 1977. Washington, DC: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, không ghi ngày tháng (khoảng 1982-1983).
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Báo cáo đánh giá công nghệ hàng năm của đĩa parabol mặt trời, năm tài chính 1982. DOE/JPL1060-63. Washington, DC: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, ngày 15 tháng 9 năm 1983.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ/Phòng thí nghiệm Sandia. Kỷ yếu của Hội nghị Phát triển Công nghệ Năng lượng Nhiệt Mặt trời Line-Focus, Hội thảo dành cho Công nghiệp (9-11 tháng 9 năm 1980). Washington, DC: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, tháng 9 năm 1980.
Sách
Duffie, JA và Beckman, WA Kỹ thuật xử lý nhiệt mặt trời. New York, New York: John Wiley và các con trai, 1980.
Kreith, F. và Kreider, Nguyên tắc Kỹ thuật Năng lượng Mặt trời của JF. Washington, DC: Nhà xuất bản Bán cầu, 1978.
Lunde, Kỹ thuật nhiệt mặt trời PJ. New York, New York: John Wiley và các con trai, 1980.
Meinel, AB và Meinel, MP Ứng dụng Năng lượng Mặt trời. Reading, Massachusetts: Nhà xuất bản Addison-Wesley, 1976.
NGUỒN THÔNG TIN
Văn phòng In ấn Chính phủ
Washington, DC 20402 Hoa Kỳ
Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực
4800 Oak Grove Drive
Pasadena, California 91103 Hoa Kỳ
Dịch vụ Thông tin Kỹ thuật Quốc gia
5285 Port Royal Road
Springfield, Virginia 22161 Hoa Kỳ
Hiệp hội Công nghiệp Năng lượng Mặt trời
1717 Đại lộ Massachuses NW
Washington, DC 20036 Hoa Kỳ
Viện Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời
1617 Cole Boulevard
Golden, Colorado 80401 USA
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Văn phòng Hệ thống Nhiệt
1000 Đại lộ Độc lập, SW
Washington, DC 20585 Hoa Kỳ
Xem thêm
Hội nghị Kỹ thuật Chuyển đổi Năng lượng, 1990. IECEC-90. Kỷ yếu của lần
xuất bản thứ 25 của Liên xã hội Ngày: 12-17 tháng 8 năm 1990
Tập: 5, Trên (các) trang: 185-195
ISBN: 0-8169-0490-1]
