Концентраторы солнечных лучей
В детстве, почти каждый из нас пробовал использовать энергию солнца через линзу, выжигая на дощечке имена или подпаливая бумагу. О линзе, как концентраторе солнечных лучей мы не знали. Ее воспринимали как игрушку или очередным детским увлечением.
Подготавливая материал очередной статьи, я все время ловлю себя на мысли, что масса полезной и познавательной информации приходит от моих коллег из социальных сетей. Вот и в этот раз, из группы facebook «Дом твоей мечты» пришла информация о концентраторах солнечного света, на основе сферических линз.
Да, да тех самых линз, которыми мы так любили играться в детстве. Но только линзы изготовлены по новой технологии, так называемые линзы Френеля (Август Френель – французский математик 19 век). Ранее линзы Френеля использовались только в маяках для усиления силы света от лампы для увеличения расстояния видимости.
Никто ранее не догадывался, что этот эффект можно применить для создания мощных солнечных батарей или солнечных печей. Результатом эксперимента, который провели ученые из НАСА с этими линзами, стала миниатюрная солнечная система, под названием SolarVolt.
Новая установка за счет линз Френеля увеличила световой поток в двадцать раз. При этом конечное производство электричества увеличилось на 15 процентов. В солнечных панелях использовали такие линзы толщиной всего в 0,2 миллиметра.
При помощи линз концентрация солнечного света происходит на меньшей площади, что дает возможность уменьшить габаритные размеры установки, не теряя при этом количество вырабатываемой электроэнергии. По новой технологии значительно уменьшаются размеры солнечных панелей, а при реконструкции уже существующих станций повысится их производительность при той же занимаемой площади.
Новая технология увеличения эффективности начала применяться в космической технике на космических кораблях для запуска ионного двигателя. Но опустимся с космических высот на землю и попытаемся разобраться, где же можно использовать эффект линзы, как концентратора солнечного света.
Для более детального описания данной новой технологии я использовал ту информацию, которые прислали мои коллеги.
«Концентраторы солнечных лучей могут быть использованы в двух направлениях. Одно из них – применение линз, которые помещаются поверх фотоэлементов. За счёт размещения на солнечной батарее этих специальных линз в восемь раз повышается концентрация светового потока. Таким образом, появляется возможность уменьшить количество фотоэлементов арсенида галлия, которые составляют основную часть стоимости солнечных батарей.
А второе, использование солнечного света для работы солнечных печей.
Солнечные линзовые панели.
Самодельные солнечные панели с применением линз были установлены в Калифорнии, еще в 1998 году, для обеспечения электричеством частного дома. Последние 10 лет учеными разных стран достигнуты большие успехи в технологиях по изготовления тонких линз для солнечных электрических панелей.
Самой известной крупной компанией, которая попыталась масштабно внедрить линзовые солнечные панели, стала компания SolFocus (Калифорния США). В 2006 году им удалось разработать компактные линзовые солнечные панели. На их создание использовалось гораздо меньше кремния, чем на обычные панели, так как они использовали линзы и зеркала, чтобы сконцентрировать солнечный свет.
Такие концентраторы солнечного света увеличивали солнечную энергию в 500 раз, и таким образом они наращивали продуктивность фотоэлементов. Что в то время сокращало расходы на производство солнечной энергии практически на 40%.
Однако, по заключению разработчиков, систем SolFocus, есть одно но: «При использовании системы фотогальванических панелей вы захватываете только небольшой кусочек неба, поэтому очень важно, чтобы система могла следовать за солнцем от рассвета до заката» (автор).
За последующие 5 лет компания SolFocus реализовала несколько крупных проектов и собрала около 230 млн. $ инвестиций. Системы SolFocus установлены и работают в 13 странах от США (на Гавайском острове Кона, а также в Калифорнии и Колорадо) до острова Крит, и вплоть до Саудовской Аравии, Малайзии и малонаселённых областей Австралии.
Это модульная система, и поэтому мощность комплексов фотогальванических панелей может быть от нескольких сотен киловатт до более 50 мегаватт. Однако, учитывая тот фактор, что для постоянного движения панели SolFocus нужен актуатор (механизм приводящий в движение солнечную панель, который находится в задней ее части), что связано с большими эксплуатационными расходами по техническому обслуживанию, данное направление не получило интенсивного развития.
Кроме американцев, в направлении создания концентраторов солнечных лучей для получения электрической энергии трудились российские ученые (Петербург) и немецкие. Последним удалось при помощи такой технологии увеличить КПД солнечных панелей до 40%, а в полевых испытаниях эффективность установки достигла 28,5%.»
В заключении можно сказать, что получение электроэнергии от солнечных панелей с применением линз, гораздо эффективней, чем традиционные плоские солнечные панели. Важен факт, что данная технология может применяться как в быту (частное домостроение) так и в промышленном масштабе, при строительстве солнечных электростанций. Мы надеемся, что данное направление займет достойное место среди возобновляемых источников энергии.
Понравилась статья, поделись с друзьями. Ваши отзывы и пожелания в комментариях всегда приветствуются.
Источник
SolarVolt – солнечные батареи с линзой Френеля от NASA
Никто не ожидал, что маяки будут способствовать появлению более мощных солнечных батарей в космосе и на Земле. Ключом этого процесса являются линзы Френеля, которые позволяли маякам с 19 века концентрировать пучок света и отражать его на многие километры.
Инженеры НАСА используют этот прибор с более тонкими линзами для получения энергии солнца в космосе. Ученые также недавно использовали линзы Френеля для создания миниатюрной фотоэлектрической системы SolarVolt, которая может концентрировать солнечные лучи в 20 раз эффективнее.
Исследовательские центры Entech Solar и NASA‘s Glenn Research Center совместно разработали систему SolarVolt, которая использует крошечные линзы Френеля всего в десять тысячных дюйма (дюйм = 2,54 см) толщиной.
Эти линзы позволяют многокомпонентным солнечным панелям концентрировать солнечную световую энергию элементами гораздо меньшей площади и производить такое же количество энергии, что и большие по площади элементы.
Новая технология может привести к уменьшению размеров солнечных электростанций или значительно повысить эффективность крупнейших в мире солнечных ферм. Революционная технология в изготовлении солнечных панелей стала победителем R&D 100 Award в 2012 году. Конечно, эта технология никогда не появилась бы, если бы инженеры НАСА не изменили допустимые размеры линз.
Ранее исследователи NASA использовали сравнительно большие линзы Френеля для повышения эффективности фотоэлектрической системы миссии Deep Space 1 mission.
Концентратор Solar Concentrator Arrays и система Refractive Linear Element Technology (SCARLET) были оснащены массивом из 720 20сантиметровых линз, приводящим в движение первый когда-либо использовавшийся в качестве основной силовой установки ионный двигатель космического аппарата.
Источник
Солнечная батарея “PlanarSun” — краудфандинговый проект от российского изобретателя
UPDT. После публикации поста на хабре удалось собрать нужную сумму. Автор искренне благодарит всех за внимание и помощь!
Дорогие друзья! Как вы знаете, недавно мы собрали деньги для издания детской книги «Простая наука» с помощью краудфандинговой платформы «Бумстартер». Теперь к нам за помощью обращаются авторы многих краудфандинговых проектов, в той или иной степени связанных с наукой. Сегодня мы хотим рассказать вам про проект под названием . По нашей просьбе автор проекта, Денис Афанасьев, подготовил небольшую текстовую презентацию своего изобретения. И, конечно, Денис просит поддержать проект, который заканчивается 1 октября — ему нужно успеть собрать 150 тысяч рублей. Кто знает, может быть, среди читателей Хабры есть те, кто готов вкладываться в солнечную энергию или которые поддерживают начинания именно российских изобретателей?
Планарный концентратор представляет: солнечная батарея “PlanarSun”
Компактная суперэффективная солнечная батарея по доступной цене на основе запатентованной технологии «планарного концентратора» от российских разработчиков для полной автономной работы нетбука, айфона и других зарядных электронных устройств.
Об авторе:
Настоящий изобретатель — это первопроходец, пионер прогресса и, конечно, ему присуща точная самооценка: «До Теслы мне далековато», — усмехается Денис Афанасьев. Ему 37 лет. Еще подростком он мечтал стать изобретателем. Окончил физико-технический факультет НГТУ по специальности лазерные системы. С 2005 года работал в лаборатории волоконной оптики. В 2008 году, услышав высказывание нобелевского лауреата, академика Жореса Алферова о большом будущем оптических концентраторов, собирающих лучи солнца с поверхности в пучок, загорелся поиском их компактных и удобных решений. С сентября 2011 полностью занимается разработкой собственного инновационного проекта, в августе 2013 он получил на руки российский патент на свое изобретение (Из публикации в газете «Левобережный Навигатор» г. Новосибирска).
Начало работ положила прочитанная в 2008 г мысль, что «использование концентрированного солнечного излучения … позволяет резко снизить стоимость дорогих полупроводниковых материалов, повысить КПД полупроводниковых преобразователей».
Применение концентрированного солнечного излучение хорошо известно. Несмотря на то, что подлинность легенды об Архимеде, который якобы сжег римский флот при осаде Сиракуз в 212 г. до н.э., современные историки подвергают сомнению, однако легенда-МЫСЛЬ, была математически смоделирована и возможно реализована в VI веке н. э. византийским ученым математиком и архитектором Анфимием. И без каких-либо исторических сомнений можно утверждать, что по подобной модели был построен и успешно проверен гелиоконцентратор французским естествоиспытателем Бюффоном в середине 18 века.
Надо отметить, что до последнего времени зеркальные солнечные концентрирующие системы мало чем принципиально отличаются от конструкции Бюффона — набор отдельных зеркал (или одно большое зеркало), перенаправляющих «солнечный зайчики» в одну общую точку. 
Второй тип применяемых концентраторов основан на принципе оптических линз. Значительную популярность в последнее время получили концентраторы в виде линз Френеля. Линза Френеля представляют собой квазиплоскую рельефную структуру из прозрачных легких пластиковых материалов. Функционально линза Френеля выполняет задачу фокусирования аналогично традиционным стеклянным линзам.
Посмотрев на подобные примеры данных систем любой технически грамотный человек может ответить на вопрос: ПОЧЕМУ общепринятые солнечные концентраторы для генерации электрической энергии не применяются в массовом масштабе и неспособны экономически конкурировать с традиционными солнечными батареями? (сохраним интригу — оставим возможность читателям подумать и ответить самим, ответ от автора можно прочитать немного позже).
А сейчас поясним МЫСЛЬ нобелевского лауреата об перспективности применения концентраторных систем с позиции эффективности и экономики. Как в 2007 г, так и сейчас в мире применяются всего два типа «солнечного материала» для высокоэффективного преобразования (КПД более 15%) световой энергию в электрическую: монокристаллический кремний (mono-Si) и гетероструктуры на основе арсенида галлия (GaAs). Надо отметить, что именно в области создания новых материалов на основе гетероструктур научная группа Алферова добилась выдающихся результатов.
Из спектральных диаграмм видно, что ФЭП на основе гетероструктур почти в 2 раза эффективней монокристаллического кремния. Теоретический КПД кремниевых ячеек может быть на уровне 26%. Известно, что (единственная в мире) американская компания «SunPower» производит коммерческие кремниевые ячейки с КПД 23% c 3-кратной ценой по сравнению со стандартными кремниевыми ячейками (КПД 17,5%). Теоретический КПД ячеек на арсениде галлия может быть на уровне 49%. Японская фирма Sharp летом 2013 заявила о новом экспериментальном рекорде эффективности 44,4% на основе гетероструктур.
Экономика вопроса тесно связана с удельной стоимостью солнечных ячеек. Удельная стоимость ячеек GaAs находится на уровне 3-15 $/см2, а кристаллического кремния 0,01-0,02 $/см2. Видно, что удельная стоимость суперэффективного арсенида галлия на единицу площади примерно в 200-2000 раз больше. Вот и получается, что с целью достижения цены солнечной панели на арсениде галлия, сравнимой с обычной солнечной батарей, необходимо уменьшить его полезную площадь в 200-800 раз. Это достигается с помощью оптических КОНЦЕНТРАТОРОВ.
НЕДОСТАТКИ существующих оптических КОНЦЕНТРАТОРОВ были определены автором в течении 1,5 месяцев после прочтения МЫСЛИ:
- Значительные габариты существующих концентраторов — прежде всего по толщине (глубине). Что, в свою очередь, увеличивает материалоемкость конструкции, что также увеличивает вес и стоимость.
- Снижение надежности и срока эксплуатации модуля в связи с наличием внутри солнечного модуля высоко концентрированного излучения (500-800 «Солнц»), которое приводит к быстрой деградации оптических и конструкционных материалов.
- Значительное выделение тепла в точки фокусировки излучения требует применение специальной (зачастую принудительной) системы охлаждения рабочего ФЭПа.
- Требуется высокоточная система слежения за солнцем по двум координатам (точность позиционирования 0.1 град), что приводит к увеличению удельной стоимость на 30-40%, а также снижает надежность.
- Наличие воздушного промежутка между поверхностью концентратора и фотопреобразователем снижает надежность системы из-за появления естественных помехи (дождь, пыль, водный конденсат) на оптическом пути излучению между концентратором и ФЭПом.
- Дорогая технологическая сборка большого солнечного модуля в виде двумерного массива из многих отдельных солнечных ячеек. Данный недостаток принципиально обусловлен построением солнечных модулей на базе ОБЪЕМНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ.
Результатом анализа недостатков стало сформулированное РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ в общем виде:
ОБЪЕМНЫЙ концентратор должен быть заменен на плоский концентратор минимальной толщины, или ПЛАНАРНЫЙ концентратор (перевод с анг., термин в международной литературе — “planar concentrator”). Второе условие – степень концентрации должна быть достаточной для серьезного экономического эффекта (например, в более, чем 3-10 раз).
ПЛАНАРНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР. Через 1,5 года размышлений и множества численных экспериментов было предложено конкретное решение. Элементарная ячейка солнечной батареи PlanarSun с планарным концентратором представляет собой лист оргстекла (стекла) со специальной поверхностной и внутренней структурой c прикрепленным к торцу фотоэлектрическими преобразователями.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ. Падающие вблизи нормали солнечные лучи со всей плоской поверхности ПК направляются в два противоположных торца, за счет однократного отражения от задней поверхности и многократных полных внутренних отражений от внешней и внутренней поверхности.
В непосредственной близости от выводящих излучение торцов ПК расположены фотоэлектрические преобразователь, которые имеет геометрический размер, соответствующий торцу. Данная конструкция планарного концентратора позволяет создавать устройства с толщиной в 10-20 раз меньше его ширины поверхности, с которой собирается солнечная энергия.
Почему так важно для успешного развития проекта оформление «НАЦИОНАЛЬНЫХ ПАТЕНТОВ» других стран?
Представляемый инновационный проект находится на «посевной» стадии, т.е. является достаточно высокорисковым, с перспективой существенного прироста капитализации к моменту завершения. Также это означает, что требуется еще 1-2 года и около 2 млн. рублей на проведение научно-исследовательских и технологических работ доведения проекта до технологического уровня мелкосерийного производства. Для подготовки технологии и организации крупного серийного производства требуется еще 100-300 млн.рублей.
Для привлечения инвесторов с такими средствами необходимо, чтобы инвестиции были юридически защищены на рыночном пространстве производимой продукции. В России рынок солнечной энергетики находится в зачаточном состоянии, тогда как рынки других стран в последнее время достаточно активно растут. Очевидно, что без наличия патентных прав (хотя бы в одной из стран с растущим рынком солнечной энергетики) получить необходимые инвестиции будет маловероятным. Таким образом, «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПАТЕНТ» в любой стране с активным ростом солнечной энергетики является необходимым условием для УСПЕШНОГО ВНЕДРЕНИЯ продукции.
Получен патент РФ «Планарный световод» № 2488149 от, 20.07.2013, а также международная заявка PCT: WO2012/150876A2 от 24.04.2012. В октябре – ноябре 2013 (единственном законом установленном сроке) требуется до 670 т.р. для перехода на «национальную фазу» различных стран, основных игроков на рынке.
Патентование в странах СНГ: Украина, Армения, Казахстан.
Почему УКРАИНА? По оценкам экспертов IBCentre, общие инвестиции в украинскую отрасль солнечной энергетики составили в первом полугодии 2013 г.более 360 млн евро. Также, по данным исследовательской организации, в планах участников украинского рынка солнечной энергетики построить до конца 2013 г. 7 станций общей установленной мощностью около 50 МВт. Украина жизненно заинтересована в снижении энергетической зависимости от российского газа, поэтому, активно разрабатывает масштабные проекты по введению в эксплуатацию альтернативных источников энергии. Кроме того в Украине хорошо развита химическая промышленность для производства основного материала для планарных концентраторов оргстекла.
Почему АРМЕНИЯ? В этой стране есть острейший энергетический дефицит, там нет даже российского газа, так как она находиться в природной, географической и политической изоляции. У нее есть всего две возможности решить проблему с энергоресурсами – это построить новую АЭС, и (или) создать комплекс энергетики на основе альтернативных источников. Новая АЭС требует значительных замороженных капитальных вложений на много лет строительства. В тоже время Армения обладает прекрасным солнечным энергетическим потенциалом, который можно быстро запускать в эксплуатацию с относительно малыми единовременными вложениями при постоянно растущем дефиците.
Почему КАЗАХСТАН? Солнца значительно больше, чем в Новосибирске, чтобы эксплуатировать солнечные батареи. Близость к разработчикам делает эту страну подходящим местом для тестирования и отработки технологии солнечных батарей с планарным концентратором. Также Казахстан закупает в значительных объемах электроэнергию в соседних странах для обеспечения нужд промышленности, что делает перспективу развития солнечной энергетики актуальной задачей.
Солнечная батарея Planar Sun, область применения
Чтобы обеспечить автономное энергообеспечение ноутбука, айфона или других устройств на стандартных солнечных батареях нужно иметь площадь этих батарей в 1,5-2 раза больше, чем сами мобильные устройства. Фактически, нужно носить еще одно достаточно габаритное устройство.
Пример стандартной солнечной батареи для ноутбука Sol.
Существующие мировые решения позволяют уменьшить до требуемого размера батарею только на основе очень дорогого “солнечного материала” (арсенида галлия). Цена его в 100-200 раз выше, чем стандартные решения, поэтому это доступно только для военных и космических целей. Например, солнечная батарея размером 10” для iPad по технологии компании Alta Devices будет стоить от производителя более 1100$. Наше решение позволяет уменьшить стоимость батареи в почти 7 раз при сохранении компактных размеров батареи, сопоставимых с размером мобильного устройства, т. е. цена устройства при серийном производстве будет на уровне 160$. Подобный продукт становиться доступным более широкому кругу потребителей/сегменту рынка, а не только узкоспециализированным нишам военно-космических потребителей.
Так как совместно с планарным концентратором может применяться любой тип высокоэффективного «солнечного материала», то мы предлагаем к разработке два типа солнечных батарей рассчитанных на разный размер мобильных устройств:
- В устройстве PlanarSun Super применяются солнечные ячейки на основе арсенида галлия (КПД солнечных ячеек 28 %)
- В устройстве PlanarSun применяются ячейки высокоэффективного кремния (КПД солнечных ячеек 23 %)
Дополнительное повышение эффективности достигается за счет введения внутрь «планарного концентратора» люминесцентного материала, делая доступным для преобразования в электричество УФ-спектр (300-400 нм) солнечной радиации, что повышает КПД на 1-2%.
Транспорт наземный, воздушный, водный: поезда, автомобили, прогулочные катера, наземные роботы, беспилотные устройства.
В Индии на поезда планируют ставить солнечные батареи для обеспечения нужд кондиционирования вагонов. Для тех же задач кондиционирования может служить батарея на автомобиле. Накопленную в дополнительную аккумуляторную батарею энергию от солнечных батарей PlanarSun для путешествующих автомобилистов можно направить на ночной подогрев спальных мест в палатке, трейлере или на приготовление кипятка для чая (энергии за солнечный день хватит на 7-9 литров кипятка).
Устройства PlanarSun Super Big отличаются большей площадью (более 1 м2), и формированием рабочего напряжений по выбору заказчика. Мощность 1 м2 солнечной батареи составляет 250 Вт при стандартных условиях (1000 Вт/м2, спектр АМ 1.5)
Солнечная батарея PlanarSun Super, позволит уменьшить парусность и вес «SolarCopter».
Все роботы нуждаются в автономном энергообеспечении. Нет ничего более доступного, чем солнечная энергия. Габариты и площадь роботов ограничена, поэтому суперэффективные батареи PlanarSun будут востребованы.
Друзья, что скажете о разработке? насколько перспективно, заслуживает ли внимания? Какие есть плюсы и недостатки?
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Источник