Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Солнечный коллектор

Солнечный коллектор – устройство, предназначенное для сбора энергии.

По элементам конструкций солнечные коллекторы подразделяются на плоские, вакуумные, концентраторы.

Первая разновидность коллекторов представляет собой плоский элемент, который имеет прозрачное покрытие и термоизолирующий слой. Поглощающий солнечное излучение элемент непосредственно связан с теплопроводящей системой. Плоская разновидность коллекторов позволяет нагревать воду до температуры около 70—75 °C. Что касается энергетических характеристик, то 1 м2 плоского солнечного коллектора вырабатывает около 1 кВт/ч тепловой энергии за год работы в наших широтах.

Следующим типом коллекторов являются вакуумные солнечные коллекторы, которые позволяют получить более высокие температуры нагрева – до 120 °C. Более высокую температуру позволяет получить значительное уменьшение тепловых потерь за счет использования многослойного стеклянного покрытия и герметизации при условии создания в коллекторах вакуума.

Солнечные концентраторы получают посредством введения в солнечные коллекторы специальных концентраторов, которые прокладываются под поглощающими элементами при помощи параболоцилиндрических отражателей.

С помощью солнечных концентраторов можно достичь температур порядка 200 °C и выше. Дальнейшее повышение температур возможно при оборудовании таких коллекторов специальными устройствами слежения за солнцем.

Солнечные коллекторы используют для отопления в промышленности, а также для бытовых нужд и нужд горячего водоснабжения производственных процессов. Высоким потенциалом для использования солнечных коллекторов является промышленность, основу которой составляют процессы, использующие воду температурой порядка 30—90 °C. На сегодняшний день во всем мире насчитывается около 100 млн м2 солнечных коллекторов. Дооборудовав солнечные коллекторы фотоэлектрическими элементами либо двигателем Стирлинга, можно наладить производство электроэнергии.

Солнечная электростанция

Солнечная электростанция – электростанция, электрическая энергия в которой получается путем преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. В 30-е гг. XX в. советским инженером Н. В. Линицким была выдвинута идея, предполагающая использование энергии солнечного излучения в электростанции промышленного типа. Им была предложена схема солнечной электростанции с центральным приемником на башне. Солнечное излучение предполагалось улавливать при помощи двух плоских отражателей, которые могли управляться по двум координатам.

В функции отражателей входило отражение солнечных лучей на поверхность центрального приемника, который устанавливался на некотором возвышении над полем гелиостатов (отражателей). Возвышение было необходимо для устранения взаимного затемнения. Размеры и характеристики приемника излучения во многом были схожи с параметрами обычного парового котла.

На электростанциях башенного типа эффективнее всего было бы использовать турбогенераторы мощностью порядка 100 МВт.

Необходимая концентрация достигалась при помощи гелиостатов. На случай временного отсутствия солнечного излучения электростанция должна быть оборудована тепловыми аккумуляторами, которые могли бы обеспечить работу тепловой машины в случае необходимости. Идея о возможности использования солнечных электростанций башенного типа была реализована в США, где с 1982 г. было сооружено несколько электростанций такого типа.

Более популярными в настоящее время являются концентраторные солнечные электростанции, которые строятся по всему миру. Конструктивно можно выделить два направления, которые получили широкое применение. Это параболоцентрические и параболические концентраторные электростанции. Принципиальная разница заключается в следующем: параболоцентрические концентраторы имеют форму параболы, протянутой вдоль прямой, что позволяет зеркальным концентраторам фокусировать солнечное излучение в линию и обеспечить многократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка, в которой находится теплоноситель, например масло, или фотоэлектрический элемент. Теплоноситель нагревается до температур порядка 400 °C. Параболоцентрические зеркала имеют длину не более 50 м и ориентируются по оси север – юг. Зеркала собираются в ряды через несколько метров.

Для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором теплоноситель подается в тепловой аккумулятор. Американцы реализовали подобную технологию в Калифорнии, где в период с 1984 по 1991 г. было построено девять электростанций, суммарная мощность которых составила 354 МВт. Стоимость электроэнергии, выработанной на параболоцентрических концентраторах, оказалась на 20% ниже, чем электроэнергии, полученной на солнечных электростанциях башенного типа.

В настоящее время в Китае под контролем германской компании «Solar Millenium AG» осуществляется строительство солнечной электростанции, мощность которой планируется увеличить до 1000 МВт к 2020 г.

Параболический концентратор представляет собой некое подобие спутниковой тарелки. Управление осуществляется по двум координатам. Солнечная энергия фокусируется на небольшой площади. КПД отражающих зеркал составляет около 90%. В фокусе отражателя могут использоваться как двигатель Стирлинга, так и фотоэлектрические элементы.

Если используется двигатель Стирлинга, то в фокусе должна находиться область нагрева. Роль рабочего тела может выполнять водород или гелий. Американская компания «Stirling Solar Energy» осуществляет разработку и внедрение солнечных коллекторов крупных размеров, мощность электростанции на основе параболических концентраторов с двигателем Стирлинга может достигать 150 кВт. По различным подсчетам, стоимость электроэнергии, которая будет получена подобным методом, будет в 3 раза ниже стоимости энергии, полученной при помощи башенных солнечных электростанций.

В настоящее время компания осуществляет строительство крупнейшей в мире солнечной электростанции, которая к 2010 г. будет состоять более чем из 20 000 параболических коллекторов диаметром 11 м.

В системах солнечных электростанций могут быть использованы любые типы фотоэлектрических преобразователей, которые будут созданы на базе различных полупроводниковых материалов. Все они должны удовлетворять определенным требованиям, которые обязательно предъявляются к таким масштабным системам переработки солнечной энергии в электрическую и тепловую. Перечислим важнейшие из условий:

  1) высокие показатели надежности и долговечности. Средний ресурс должен быть рассчитан на длительный срок эксплуатации (несколько десятков лет);

  2) материалы, которые используются для изготовления элементов системы преобразования энергии, должны быть доступны и в достаточном количестве для организации их массового производства;

  3) срок окупаемости энергозатрат должен быть максимально коротким;

  4) при использовании космических солнечных электростанций или станций, расположенных на околоземной орбите, должны быть сведены к доступному минимуму расходы на ориентацию, стабилизацию электростанции на орбите и расходы на передачу и преобразование энергии после ее переработки на электростанции;

  5) последним, но не менее важным, является пункт, который подразумевает обеспечение удобства техобслуживания электростанции на околоземных или иных орбитах Солнечной системы.

Почему так важно придерживаться перечисленных пунктов? Многие эффективные фотоэлектрические преобразователи созданы на основе трудоемких технологических процессов с колоссальными требованиями к производственной линии. Помимо этого, многие современные фотоэлектрические преобразователи используют в своей конструкции сырье, которое находится в ограниченном количестве либо создается искусственно в специальных лабораториях, что существенно уменьшает перспективы массового использования этих элементов повсеместно для эффективного преобразования солнечной энергии. Высокая производительность будет достижима лишь в случае наладки автоматизированного производства фотоэлектрических преобразователей.

На сегодняшний день это возможно сделать, применив ленточные технологии. Обеспечение сборки солнечных батарей на базе предприятий с автоматизированной линией позволит существенно снизить себестоимость модуля батареи. Экономия, которая будет при этом достигнута, обеспечит снижение себестоимости в 2—3 раза.

Современный уровень развития полупроводниковой отрасли промышленности позволяет выдвинуть в качестве наиболее перспективных материалов для создания фотоэлектрических преобразователей, которые будут использоваться в солнечных электростанциях, кремний и арсенид галия.