Солнечные батареи для концентраторов

Солнечные концентраторы. Виды и особенности. Применение

Полное количество энергии солнца, которое поступает на поверхность Земли всего лишь за неделю, превышает энергию запасов нефти, урана, угля и газа во всем мире. Сберегать солнечное тепло можно различными способами. Одним из таких решений являются солнечные концентраторы. Это специальное устройство для сбора солнечной энергии, которое выполняет функцию нагрева материала-теплоносителя. Обычно применяются для отопления помещений и нужд горячего водоснабжения. Именно указанным свойством он отличается от солнечных батарей, который непосредственно производят электричество.

Устройство

Основная функция солнечного концентратора – фокусировка солнечного излучения на приемнике излучателя, который располагается на фокальной линии или в фокальной точке коллектора солнечной энергии.

Устройство солнечного концентратора предполагает наличие следующих элементов:

• Линзы или отражатели, которые применяются в качестве концентратора солнечных лучей.
• Конструкция основания, на которой крепятся линзы или отражатели.
• Тепловоспринимающий элемент, в качестве которого часто выступает солнечный коллектор.
• Трубопроводы, которые подводят и отводят теплоноситель.
• Механизм привода системы слежения. Данный механизм в большинстве случаев включает:
  — Электронный блок преобразования сигналов.
  — Датчик направления на Солнце.
  — Электродвигатель с редуктором, который поворачивает конструкцию солнечного концентратора в двух плоскостях.

В зависимости от конструкции устройство также может включать линзы Френеля, термометр, регулирующий вентиль, контур системы отопления, циркуляционный насос и ряд иных элементов.

Принцип действия

Принцип действия солнечных концентраторов кроется в фокусировке лучей солнца на емкости с теплоносителем.

Работа теплоносителя заключается в поглощении солнечной энергии. В зависимости от используемого метода концентрации энергии солнца могут применяться:

• Параболоцилиндрические концентраторы, которые фокусируют солнечное излучение на трубах с маслом или водой
• Гелиоцентрические установки башенного типа.
• Специальные параболические зеркала.

Солнечное излучение в определенных моделях концентраторов может концентрироваться:

• В фокусной точке.
• Вдоль фокальной линии, в которой находится приемник.

Все выглядит следующим образом:

• Достижение в концентраторах высоких температур обеспечивается путем отражения излучения солнца с большей поверхности на более мелкую поверхность приемника- абсорбера.
• Жидкость-теплоноситель, который проходит через приемник, максимально поглощает тепло и переносит его к потребителю.

Температура в приемнике достигает высоких значений, но концентраторы способны фокусировать лишь прямое солнечное излучение. В результате их эффективность в облачную или туманную погоду существенно снижается. Наиболее высокие показатели КПД демонстрируют в регионах с высокой степенью инсоляции, к примеру, в экваториальных или пустынных районах.

Чтобы можно было использовать солнечное излучение максимально эффективно, следует обеспечить ориентацию солнечных концентраторов в направлении солнца. С этой целью концентраторы оснащаются трекером, то есть специальной следящей системой. Она поворачивает систему прямо «лицом» к солнцу.

Одноосные следящие системы выполняют поворот системы с востока на запад. В свою очередь двуосные системы с севера на юг, чтобы ориентировать систему на Солнце круглый год.

В промышленных масштабах параболоцилиндрический зеркальный концентратор обеспечивает фокусировку солнечного излучения, обеспечивая более, чем стократную его концентрацию. Результат, жидкость нагревается практически до 400 градусов. Проходя через ряд теплообменников, жидкость вырабатывает пар, который вращает турбину парогенератора. Чтобы минимизировать тепловые потери, приемная трубка окружается прозрачной стеклянной трубкой, которая тянется вдоль фокусной линии цилиндра.

Виды

По конструктивной схеме работы концентраторы выделяют в следующие разновидности:

• Параболические солнечные концентраторы.

• Параболоцилиндрические концентраторы.

• Концентраторы на сферических линзах.

• Концентраторы на линзах Френеля, то есть плоских линзах.

Источник

Солнечные концентраторы. виды и особенности. применение

Фотоэлектрические электростанции

Более широкую известность, в том числе и среди хозяев частного сектора, получили фотоэлектрические электростанции. Основным конструктивным элементом этих установок являются солнечные панели на основе кремния или других полупроводниковых материалов. Их физические свойства позволяют получать электрический ток путем преобразования солнечной энергии. В настоящее время средняя производительность батарей составляет примерно 120 ватт с 1 квадратного метра солнечного элемента.

Стабильная работа фотоэлектрических преобразователей заявляется многими производителями, а срок службы, при соблюдении правил эксплуатации, ничем не ограничивается. В своей работе они используют энергию не только прямых, но и рассеянных солнечных лучей. Конструкции модульного типа дают возможность создать электроустановку с требуемой мощностью для конкретного объекта. Существенным недостатком таких устройств считается их довольно низкий КПД, составляющий в среднем 15%, и высокая стоимость комплектующих изделий.

Солнечные батареи могут быть дополнены следящим или фиксированным фотоприемником, с концентратором солнечных лучей или без него. Эти дополнительные устройства имеют свои конструктивные особенности, технические характеристики и обладают различной эффективностью. С целью повышения производительности установок рекомендуется использование концентраторов, увеличивающих плотность радиационного потока.

Эффективность фотоэлектрических станций повышается за счет систем слежения за движением солнца. Их применение позволяет сократить площадь фотоэлементов в 1,7 раза, сохраняя при этом первоначальную мощность.

В последнее время солнечные батареи становятся все более привлекательными для владельцев частного сектора. Их установка делает хозяев дач и загородных домов полностью независимыми от централизованного электроснабжения. Конструкция таких электростанций несложная и вполне может быть собрана самостоятельно.

Она состоит из следующих элементов:

• Солнечные панели – фотоэлектрические преобразователи. Их основой служит моно- или поликристаллический кремний. В первом случае КПД составляет 17-18%, во втором – не более 15%. Важнейшей характеристикой является полезная мощность, определяемая выходным током и напряжением. На эти параметры влияет интенсивность светового потока, улавливаемого батареей. Для увеличения выходных параметров применяются соединения модулей по параллельной и последовательной схеме. В первом случае возрастает выходной ток, во втором – выходное напряжение. Каждый элемент батареи шунтируется диодами, защищающими от выхода из строя в случае затемнения одного из них.
• Аккумулятор для солнечной электростанции, в котором изначально накапливается вся полученная энергия. Заряд батареи возможен лишь тогда, когда приложенный потенциал превышает напряжение аккумулятора. Величина нагрузочного тока АКБ должна обеспечивать необходимый зарядный ток. С наступлением темноты или уменьшением солнечного света днем, заряд начинает поступать к потребителям. То есть аккумулятор постоянно работает в режиме зарядки и разрядки.
• Контроллер обеспечивает управление циклическими процессами заряда-разряда. Он отключает батарею при полной зарядке и включает ее в случае сильного разряда.
• Инвертор для солнечной электростанции преобразует постоянное напряжение АКБ в переменный ток, обеспечивая работу потребителей, используемых в быту. Без инвертора питание подается лишь к приемникам, работающим от постоянного напряжения. Это мелкие портативные устройства, светодиодные лампы и т.д.

СЭС на параболических концентраторах

Основное предназначение солнечного параболического концентратора состоит в фокусировании солнечных лучей, попадающих на приемник излучателя. Он расположен на линии или в точке фокуса коллектора солнечной энергии.

Типовой параболический концентратор включает в себя следующие компоненты:

• Отражатели (линзы), непосредственно концентрирующие солнечные лучи.
• Основание для установки и крепления отражателей.
• Солнечный коллектор, воспринимающий тепловую энергию.
• Трубопроводы для подводки и отведения теплоносителя.
• Система слежения с механизмом привода. Состоит из датчика направления на солнце, электронного преобразователя сигналов и электродвигателя с редуктором для поворотов концентратора в нужное положение. Ориентация может производится в одной плоскости – с востока на запад, или в двух плоскостях, когда добавляется движение с севера на юг. В последнем случае ориентация относительно Солнца происходит в течение всего года.
• Различные конструкции могут быть дополнены регулирующим вентилем, термометром, циркуляционным насосом, контуром отопительной системы и другими деталями.

Как работает солнечная электростанция на параболических концентраторах, какая схема при этом используется? Чтобы добиться высокой температуры в концентраторе, необходимо обеспечить отражение солнечных лучей с большой поверхности на меньшую площадь приемника. Через этот приемник проходит жидкий теплоноситель, поглощающий максимальное количество тепла и передающий его потребителю.

Система концентраторов позволяет фокусировать лишь прямые солнечные лучи, поэтому они становятся менее эффективными при пасмурной погоде. Такие установки демонстрируют наивысший КПД в районах с высокой солнечной активностью, расположенных ближе к экватору.

При промышленном использовании параболических установок, зеркальные концентраторы фокусируют солнечное излучение более чем в 100 раз превосходящее первоначальное значение. Это дает возможность разогревать жидкость до 400 градусов, после чего она проходит через теплообменники и производит пар, вращающий турбины парогенераторов. Во избежание тепловых потерь, приемная труба заключается в прозрачную стеклянную оболочку на протяжении всей фокусной линии.

Конструкция и принцип работы

Отопление дома с помощью преобразования солнечной энергии в электрическую используется, как правило, в качестве дополнительного источника тепла, а не основного. С другой стороны, если установить конструкцию большой мощности, а все приборы в доме переоборудовать под электричество, тогда можно обойтись только солнечным коллектором.

Но стоит помнить, что отопление с помощью солнечных коллекторов без дополнительных источников тепла возможно только в южных регионах. При этом панелей должно быть достаточно много. Их необходимо располагать таким образом, чтобы на них не падала тень (например, от деревьев). Размещать панели следует лицевой стороной в направлении, максимально освещаемом солнцем на протяжении всего дня.

Концентраторы солнечной энергии

Хоть сегодня существует много разновидностей таких устройств, принцип работы у всех одинаковый. Любая схема забирает солнечную энергию и передаёт её потребителю, представляя собой контур с последовательным расположением приборов. Комплектующими, производящими электроэнергию, являются солнечные батареи или коллекторы.

Коллектор состоит из трубок, которые последовательно соединены со входным и выходным отверстием. Также они могут располагаться в виде змеевика. Внутри трубок находится техническая вода или смесь воды и антифриза. Иногда они наполняются просто воздушным потоком. Циркуляция осуществляется благодаря физическим явлениям, таким как испарение, изменение агрегатного состояния, давление и плотность.

Для изготовления крышки корпуса используют материалы с высокой пропускной способностью света. Зачастую это либо оргстекло, либо закалённые виды обычного стекла. Иногда используются полимерные материалы, но изготовление коллекторов из пластика не рекомендуется. Связано это с его большим расширением от нагревания солнцем. В результате может произойти разгерметизация корпуса.

Если система будет эксплуатироваться только осенью и весной, то в качестве теплоносителя можно использовать воду. Но в зимнее время её необходимо заменить на смесь антифриза и воды
. В классических конструкциях роль теплоносителя играет воздух, который движется по каналам. Их можно сделать из обычного профлиста.

Опыт эксплуатации солнечной батареи изготовленной самостоятельно (солнечная батарея часть 3).

Если коллектор необходимо устанавливать для обогрева небольшого здания, которое не подключено к автономной системе отопления частного дома или централизованным сетям, то подойдёт простая система с одним контуром и нагревательным элементом в её начале. Схема простая, но целесообразность её установки оспаривается, так как работать она будет только солнечным летом. Однако для её функционирования не потребуются циркуляционные насосы и дополнительные нагреватели.

При двух контурах всё гораздо сложнее, но количество дней, когда станет активно вырабатываться электроэнергия, увеличивается в несколько раз. При этом коллектор будет обрабатывать только один контур. Большая часть нагрузки возлагается на одно устройство, которое работает на электроэнергии или другом виде топлива.

Выбор комплекта солнечных коллекторов для отопительной системы

Выбор устройства зависит от целей, на которые будет направлена работа конструкция. Гелиосистема применяется для поддержки воздуха, обеспечения горячего водоснабжения, подогрева воды для бассейна.

Мощность

Чтобы рассчитать возможную мощность гелиосистемы, следует знать 2 параметра: солнечной инсоляции в определенном регионе в нужное время года и эффективную площадь поглощения коллектора. Эти цифры необходимо перемножить.

Можно ли использовать коллектор в зимний период

Вакуумные устройства справляются с работой в холодном климате. Плоские показывают низкую производительность в морозы и лучше подойдёт для южных областей.

Меньше других для функционирования в холоде подходит воздушная конструкция так, как ночью она не способна нагревать воздух.

Неудобства доставляют сильные осадки, ведь зимой оборудование часто засыпает снегом и требуется регулярная чистка. Морозный воздух отбирает накопленное тепло, а сам коллектор может быть поврежден градом.

Учёт сферы применения

В промышленности использование гелиосистем более распространено. Энергию солнца применяют в работе электростанций, парогенераторов, опреснителей воды. Для нагрева воды, обогрева дачи или бани в бытовых условиях чаще устанавливают вакуумные коллекторы, реже — плоские. Воздушные системы помогают снизить стоимость отопления, благодаря обогреву воздуха в дневное время.

Работа вакуумных коллекторов на треть более эффективнее, чем функционирование плоских. За год экономия составляет на 20—25% больше. К подбору и установке трубчатых коллекторов следует отнестись серьезно, поскольку по сравнению с другими они более подвержены разрушительному действию осадков.

Техническая информация

При покупке коллекторов обращают внимание на условия эксплуатации. Наиболее важными параметрами будут общая площадь отопления, активная площадь, показатели теплопотерь, угловой коэффициент, параметры КПД

Знание этих данных позволит рассчитать производительность работы конкретного агрегата. Покупатель имеет право потребовать у продавцов соответствующие расчеты и имеющиеся сертификаты.

Изготовление своими руками

Процесс изготовления солнечного обогревателя своими руками довольно увлекательный, а готовая конструкция принесёт много пользы хозяину. Благодаря такому устройству можно решить проблему обогрева помещений, нагрева воды и других важных хозяйственных задач.

Материалы для самостоятельного производства

В качестве примера можно привести процесс создания отопительного устройства, которое будет поставлять нагретую воду в систему. Самым дешёвым вариантом производства солнечного коллектора является использование в качестве основных материалов деревянного бруска и фанеры, а также плит ДСП. Как альтернативу можно использовать алюминиевые профили и металлические листы, но они обойдутся дороже.

Все материалы должны быть влагоустойчивыми, то есть отвечать требованиям использования на открытом воздухе. Качественно изготовленный и установленный солнечный коллектор может служить от 20 до 30 лет. В связи с этим материалы должны иметь необходимые характеристики эксплуатации для применения на протяжении всего срока. Если корпус создан из дерева или плит ДСП, тогда для продления срока службы его пропитывают водно-полимерными эмульсиями и лаком.

Обзор: Самодельная солнечная панель (батарея).

Обустройство теплоизоляции

Чтобы уменьшить потери тепла, на дно короба укладывается изоляционный материал. Для него можно использовать пенопласт, минеральную вату и т. п. Современная промышленность предоставляет большой выбор различных утеплителей. Например, хорошим вариантом станет использование фольги. Она не только предотвратит потерю тепла, но и будет отражать солнечные лучи, а значит, увеличит нагрев теплоносителя.

В случае использования пенопласта или полистирола для утепления можно вырезать для трубок канавки и монтировать их таким образом. Как правило, абсорбер фиксируется к днищу корпуса и укладывается по изоляционному материалу.

Теплоприемник коллектора

Теплоприемником солнечного коллектора выступает абсорбирующий элемент. Он представляет собой систему, состоящую из трубок, по которым движется теплоноситель, и других деталей, производящихся обычно из листов меди.

Лучшим материалом для трубчатой части является медь. Но домашние умельцы изобрели более дешёвый вариант — полипропиленовые шланги
, которые скручиваются в спиральную форму. Для подсоединения к системе на входе и выходе применяются фитинги.

Подручные материалы и средства разрешается использовать различные, то есть практически любые, которые есть в хозяйстве. Тепловой коллектор своими руками можно изготовить из старого холодильника, полипропиленовых и полиэтиленовых труб, панельных радиаторов из стали и других подручных средств. Важным фактором при выборе теплообменника является теплопроводность материала, из которого он изготовлен.

Идеальным вариантом для создания самодельного водяного коллектора является медь. Она имеет самую высокую теплопроводность. Но использование медных трубок вместо полипропиленовых не означает, что устройство будет выдавать намного больше тёплой воды. На равных условиях медные трубки будут на 15-25% эффективнее, чем установка полипропиленовых аналогов. Поэтому применение пластика тоже является целесообразным, к тому же он намного дешевле меди.

При использовании меди или полипропилена необходимо делать все соединения (резьбовые и сварные) герметичными. Возможное расположение труб — параллельное или в виде змеевика. Верх основной конструкции с трубками закрывается стеклом. При форме в виде змеевика уменьшается количество соединений и, соответственно, возможное образование утечек, а также обеспечивается равномерное движение теплоносителя по трубкам.

При изготовлении классического варианта можно использовать закалённое стекло или оргстекло, поликарбонатные материалы и т. п. Хорошей альтернативой станет применение полиэтилена.

Важно учитывать, что использование аналогов (рифлёных и матовых поверхностей) способствует уменьшению пропускной способности света. В заводских моделях применяют для этого специальное солярное стекло

Оно имеет немного железа в своём составе, что обеспечивает низкую теплопотерю.

Классификация по температурным показателям

Гелиосистемы классифицируются по различным критериям

Но в приборах, которые можно изготовить самостоятельно, следует обратить внимание на вид теплоносителя. Такие системы можно разделить на два типа:

• использование различных жидкостей;
• воздушные конструкции.

Первые применяются чаще всего. Они более производительные и позволяют напрямую подключить коллектор к отопительной системе. Также распространена классификация по температуре, в пределах которой может работать устройство:

Солнечная батарея своими руками Part11

Последний вид гелиосистем работает благодаря очень сложному принципу передачи солнечной энергии. Оборудованию требуется много места. Если разместить его на загородной даче, тогда оно займет преобладающую часть участка. Для производства энергии понадобится специальное оборудование, поэтому сделать такую солнечную систему самостоятельно будет практически невозможно.

Солнечные концентраторы их практическое использование и применение

В принципе, главная функция солнечных концентраторов любой конструкции – это сбор поступающего от солнца излучения и его сосредоточение в одной точке. Определить область применения данной энергии – выбор хозяина этого оборудования. Используя совершенно бесплатную и возобновляемую энергию, можно разогревать воду для хозяйственных нужд и нужд гигиены. Количество нагреваемой воды будет зависеть только от размеров тарелки и общей конструкции концентратора. Параболические концентраторы небольших размеров могут быть использованы в качестве печи для приготовления продуктов, которая будет работать исключительно на сконцентрированной солнечной радиации.

Зимой концентраторы можно применить в качестве дополнительного источника солнечного света для фотоэлектрических солнечных батарей, тем самым повышая их выходную мощность в условиях недостатка солнечного излучения.

Параболические концентраторы могут быть использованы в качестве печи для приготовления продуктов

На самом деле применение в целях повышения эффективности кристаллических батарей – довольно неплохая идея, учитывая невысокую стоимость концентраторов. Тем более что патент на такую конструкцию вам не понадобится. Получится своеобразная система электроснабжения homemade solar.

Если в область концентрации лучей, идущих от сравнительно небольшой тарелки, поставить металлическую подставку для посуды и поместить на нее чайник, без проблем можно вскипятить воду без использования электричества. Разместив нагреватель в точке концентрации энергии, вы довольно быстро разогреете и проточную воду в достаточно больших объемах для дальнейшего использования в хозяйственных нуждах. Сможете полить огород, помыть посуду, принять душ.

Разместив в фокусе луча правильно подобранный по мощности двигатель Стирлинга, вы получите небольшую тепловую и электрическую станцию.

Двигатели Стирлинга созданы для того, чтобы работать в паре с солнечным концентратором

К примеру, одна компания под названием Qnergy разработала и зарегистрировала патент, запустив в серийное производство двигатели Стирлинга QB-3500, которые созданы специально для того, чтобы работать в паре с солнечным концентратором solar reflector. По своей сути такое устройство можно считать генератором электрического тока, где основную функцию выполняет двигатель Стирлинга. Отметим, что такая система также требует наличия аккумуляторных батарей для накапливания полученной энергии. Такая электростанция осуществляет выработку электрического тока мощностью 3500 Вт. Инвертор на выходе выдает стандартное напряжение в 220 вольт, частотой 50 Гц. Такой мощности электрического тока вам хватит для полного обеспечения нужд дома, в котором проживает семья из четырех человек. Эффективно применение подобных батарей и для дачного дома. Установленный на вашем участке концентратор будет иметь внешний вид спутниковой антенны, не нарушая внешнюю эстетику.

Кстати, одним из производителей был зарегистрирован патент устройства, где, применяя принцип работы двигателя Стирлинга, можно создать систему, которая в своей основе будет эксплуатировать поступательно-возвратное или вращательное движение (не требует установки аккумуляторных батарей). Как пример такой системы можно привести водяной насос для колодца или других целей.

Параболический концентратор нужно систематически поворачивать за лучами солнца по мере вращения земли в течение суток

Главный недостаток, которым обладает параболический концентратор – это то, что за ним надо систематически следить, поворачивая его за лучами солнца по мере вращения земли в течение суток. Там, где концентраторы применяются на крупных тепловых станциях в промышленных масштабах, к группе батарей дополнительно монтируют специальные системы слежения за движением солнца. Такие системы поворачивают зеркала вслед за его перемещением. Тем самым гарантируется постоянный и эффективный прием поступающей солнечной радиации под самым эффективным углом. Но применение такого оборудования в частном порядке, скорее всего, будет не очень целесообразным, ввиду того, что затраты на приобретение будут значительно большими, чем стоимость стандартного рефлектора на треножном креплении.

Отопление с помощью солнечных батарей

В странах, где две трети дней преимущественно ясные, устанавливают солнечные батареи. Эти устройства работают на основе фотоэффекта и переводят энергию солнца в тепло.

Принцип действия

Это оборудование делится на автономное и функционирующее от сети электропитания. Первые накапливают энергию в аккумулирующих устройствах, что позволяет продолжать обогрев в отсутствие света. Приборы второй категории через специальный инвертор подсоединяются к электросети. Это оборудование довольно надежное, но приостанавливает работу в случае отсутствия электроэнергии.

Плюсы и минусы

Использование солнечных батарей помогает обеспечить бесперебойную работу систем пожарного оповещения, охранного слежения и конструкции отопления.

Они экологичны, износоустойчивы и функционируют бесшумно.

К недостаткам относят низкую производительность, особенно в умеренном и прохладном климате. Первоначально оборудование требует больших вложений, окупается долго, необходимо большое количество вспомогательной техники и квалифицированное обслуживание.

Популярные производители

Лучшие мировые разработчики солнечных батарей:

• Sharp (Япония);
• First Solar (США);
• Suntech Power Ко (Китай);
• Trina Solar (КНР);
• Yingli Green Energy (Китай).

Концентратор солнечного света

Повысить плотность солнечного излучения можно двумя способами:

1. Фокусировка, или преломление.
2. Отражение.

У каждого из них есть свои индивидуальные особенности, которые делают схему более удобной для интеграции в проектах разной спецификации и масштаба.

При профессиональном создании проекта солнечного концентратора, в расчет, прежде всего, принимается условия его реализации:

• Рельеф местности;
• Уровень инсоляции;
• Масштаб решаемых задач;
• Объём финансирования и пр.

Например, оснащение гелиоконцентратора для Северо-Западного региона России, будет избыточным в горах Алтая. А избыточность системы, значительно повышает стоимость оборудования, но энергоэффективность устройства увеличится незначительно, т.е. «овчинка не стоит выделки».

Фокусирующие гелиоконцентраторы

Есть несколько решений для таких солнечных коллекторов:

• Параболическое зеркало;
• Параболоцилиндрическая конструкция;
• Плоские линзы Френеля.

У всех подобных устройств одно общее свойство, они собирают солнечный свет в точку/линию, находящуюся на близком расстоянии от отражающей поверхности. В точке схождения лучей (в фокусе), устанавливается приёмник энергии с циркулирующим теплоносителем.

Такие гелиоконцентраторы удобнее всего использовать в проектах малого масштаба, например для нагрева воды в коттедже, или на даче. Но они прекрасно масштабируются, что позволило в Израиле на основе таких параболоцилиндрических концентраторов создать электростанцию мощностью 5 мегаватт!

Наиболее удобными считаются параболоцилиндрические модели. В них солнечное излучение собирается в тонкую линию, в фокусе которой размещается трубка с теплоносителем.

Параболоцилиндрические модели легче всего изготовить своими руками. Но для повышения эффективности, требуется досконально изучить анидолическую оптику.

Неизображающая оптика

Практическая часть науки «Оптика», оперирует такими системами, которые на приёмнике сигнала формируют изображение от источника. Но это условие подразумевает использование сложных оптических поверхностей, которые делают систему более дорогой и сложной.

При этом – они не улучшают передачу самого электромагнитного излучения! Ведь весь свет и так уже передали на приёмник.

По этой причине анидолическая (неизобразительная) оптика, гораздо проще и эффективнее обычной. Неизображающие устройства значительно превосходят обычные линзы и зеркала в солнечной среде, приближаясь к теоретическому (термодинамическому) пределу.

Сравнение параболического концентратора без формирования изображения и параболического концентратора

На практике, использование неизображающей оптики позволяет создавать такие гелиоконцентраторы, которые не нуждаются в солнечном трекере. Для среднетемпературных применений эти коллекторы не должны следить за солнцем, поскольку отслеживание эффективно осуществляется с помощью широкоугольной оптики.

Использование неизображающей оптики даёт более высокую эффективность, ослабленные физические допуски, улучшенную оптическую однородность и снижение производственных затрат.

Отражающие солнечные коллекторы

Эти системы относятся к классу высокотемпературных устройств. Впервые отражающий коллектор использовал легендарный Архимед. Когда его родные Сиракузы осаждали римские галеры, он выстроил на крепостной стене сотню воинов с блестящими медными щитами, и по команде они направили солнечные зайчики на один из кораблей. Через несколько секунд он вспыхнул, а ещё через несколько минут, таким же образом был сожжён весь римский флот.

В солнечных концентраторах такой системы, отражённый свет с нескольких зеркал направляется на одну точку. Такую схему удобнее всего реализовывать для масштабных проектов, как например Crescent Dunes. На этом объекте более 10 тысяч зеркал общей площадью 1,19 км2, отражают свет на центральную башню. Теплоноситель в приёмном устройстве разогревается до 600-700˚C.

Но и на малых площадях отражающие солнечные концентраторы могут быть собраны по такой схеме. В ней несколько зеркал расположенных под углом. Не мешают друг другу, они отправляют свет на противоположные теплоприёмники.

Разновидности солнечных электростанций

Многие страны мира в течение длительного времени пользуются солнечными электростанциями, способными преобразовывать энергию солнца в электрический ток. Они представляют собой различные виды инженерных сооружений, конструктивно различающихся между собой и работающих по собственным принципам.

Наибольшее распространение получили установки, работающие на основе фотоэлектрических элементов. Их основными компонентами являются солнечные панели, нередко занимающие довольно значительные площади. Они используются не только в производственной сфере, но и в частном секторе, обеспечивая электричеством все домашнее хозяйство. Принцип работы этих устройств основан на прямом преобразовании солнечного света в электрический ток.

Принцип работы солнечной электростанции является одинаковым для всех типов данных устройств. Они различаются между собой лишь разновидностями теплоприемников, где концентрируется солнечная энергия. В результате концентрации возникает тепло с температурой 200-1000 градусов, в зависимости от конструкции. Далее в работу включается паровая или газовая турбина, вращающаяся под действием полученного пара. Излишки тепловой энергии применяются в других производственных процессах или используются в системах отопления.

Каждая солнечная электростанция оборудована следящей системой, обеспечивающей максимальную концентрацию солнечных лучей в течение всего светового дня. Конструктивно типы солнечных электростанций могут быть башенными, тарельчатыми, параболическими, солнечно-вакуумными и другими. Для того чтобы понять, как они функционируют, рассмотрим их более подробно.

Параболические концентраторы

Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Источник