Устройство солнечного коллектора: виды, принцип работы, устройство системы

Вакуумный солнечный коллектор. Принцип работы и оценка эффективности.

Вакуумный солнечный коллектор — оборудование, предназначенное для нагрева воды с помощью солнечной энергии.

Основным нагревательным элементом солнечного коллектора является вакуумная трубка с селективным покрытием. В простых термосифонных коллекторах процесс нагрева воды происходит непосредственно в самой трубке. За счет явления конвекции, нагретая вода перемещается вверх, холодная вниз.

Нулевая теплопроводность вакуума между внутренней и внешней трубкой обеспечивает сохранность тепла. Эффективность такой системы в теплое время года наиболее высокая. Так за один солнечный августовский день термосифонный водонагреватель нагревает 200 литров воды до 84°С.

   

Безупречная эффективность термосифонного водонагревателя в теплое время года оборачивается проблемой в холода: несмотря на 50мм теплоизоляцию бака-накопителя теплопотери в холодную ночь могут достигать 20-25°С.

Если же морозы продержатся несколько дней, а солнце не сумеет пробиться через плотный слой облаков, вода в трубках превратится в лед, а это может привести к разрыву внутренней трубки и выходу из строя всего коллектора.

Кроме того, замена даже одной трубки, требует слива всей воды в баке, что очень трудозатратно.

Для решения проблемы «сезонности», широко применяется в нашем климате вакуумная трубка Heat Pipe или так называемая «сухая трубка».

В стеклянную трубку вставлена медная трубка в алюминиевом рефлекторе, который выполняет роль мостика тепла. Процесс конвекции протекает уже внутри медной трубки HP.  

  

Температура на конце трубки может достигать 250-280ºС. Существует два основных способа передачи этого тепла к потребителю:

1. Греем воду непосредственно в баке (система под давлением). Эта система проста и компактна, но за счет того, что бак расположен на улице, в зимнее время эффективность такой системы тоже имеет ряд ограничений.

 

 

2. Передаем тепло теплоносителю и греем воду в баке косвенного нагрева, расположенному в помещении. Поговорим более подробно о солнечном вакуумном коллекторе:

Такая система универсальна. Она может быть интегрирована в систему отопления и существенно сократить расходы на топливо.

Но не стоит рассматривать солнечный коллектор как единственный источник тепла в Вашем доме. Законы физики неумолимы! Когда светит солнце — коллектор работает. Когда солнца нет — не работает!

Рассчитать эффективность солнечного вакуумного коллектора для горячего водоснабжения в первом приближении поможет следующая методика:

• Шаг 1. Определить, на сколько градусов должна повыситься температура воды и ее объем. Семья — 4 человека (2 взрослых и 2 ребенка). В среднем на одного человека расходуется в день 50 литров воды. Соответственно 50*4=200 л.  Средняя температура водопроводной воды = 15°С. Она должна быть нагрета до 50°С. 50-15=35°С.
• Шаг 2. Определить количество энергии необходимой для нагревания этого объема воды. Для нагрева одного литра воды на один градус надо затратить энергию равную 1 ккал. 200 л x 35°C = 7000 ккал. Для перевода данной энергии в кВт*ч воспользуемся следующей формулой 7000 / 859,8 = 8,14 кВт*ч (1 кВт*ч = 859,8 ккал)
• Шаг 3. Определить количество энергии, которая может быть преобразована в тепло солнечным коллектором. Рассмотрим вариант расположения солнечной установки в Краснодаре. Значение солнечной радиации на поверхность, наклоненную к горизонту на 45° с ориентацией на юг, по данным за последние 22 года наблюдений:  в июле  на 1 м² составляет 5,44 кВт*ч/день, а в декабре  1,74 кВт*ч/день.  Эффективность вакуумного солнечного коллектора традиционно принимают за 80%. Это не совсем верно, так как на КПД влияют многие факторы, мы поговорим о них ниже. Но для предварительного расчета примем эту цифру. Значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками  равно 5,44 x 0,8 = 4,35 кВт*ч/день площади поглощения коллектора для июля.
  Значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками  равно 1,74 x 0,8 = 1,39 кВт*ч/день площади поглощения коллектора для декабря. Площадь абсорбции вакуумной трубки диаметром 58 и длиной 1800 мм составляет 0,0937 м². Несложно подсчитать, что одна трубка способна получать и передавать солнечное тепло в размере 0,4075 кВт*ч и 0,13 кВт*ч соответственно в июле и  декабре.
• Шаг 4. Определить необходимое число трубок. Используя значение, вычисленное выше, определяем количество трубок, которое надо установить. Энергия, которую необходимо затратить на нагрев нужного количества воды, составляет 8,14 кВт*ч. Энергия, которую может передать одна вакуумная трубка, в зависимости от месяца составляет 0,4075 кВт*ч и 0,130 кВт*ч.

Июль – 8,14 / 0,4075 = 20 трубок. Декабрь – 8,14 / 0,130= 63 трубки.

Оптимальным выбором будет два 20-ти трубочных коллектора и бак на 220 литров с одним теплообменником. 

Для наглядности приведем таблицу эффективности коллекторного поля из 40 трубок ориентированного на юг.

Угол наклона трубок к горизонту 45º, выраженную в кВт*ч в день тепловой энергии, опираясь на данные Национального Управления по Воздухоплаванию и Исследованию Космического Пространства (NASA), получаем следующий график:

Чтобы эти цифры обрели прикладное значение, давайте попробуем рассчитать, на какую температуру в баке накопителе мы можем рассчитывать? 

Возьмем для примера рекомендованный из расчета бак на 220 литров.

Температура воды в баке на начало дня равна температуре в бойлерной, где он располагается и равна, предположим, 20ºС. 

Сначала переводим кВт*ч в килокалории:

Теперь, определим, на сколько градусов нагреет воду в баке наш коллектор за один СРЕДНИЙ  декабрьский день:

• Pккал (мощность коллектора в ккал)
• Vбака (Объем воды в баке): 220л
• Δt искомая величина (значение температуры, на которое нагреется вода в баке за день).

Δt = Pккал/Vбака 

Несмотря на хорошую теплоизоляцию теплопровода, мы потеряем часть тепла по пути до бака. Сам бак тоже обладает не 100% теплоизоляцией.

Так же процесс теплообмена между концом трубки Heat Pipe и теплоносителем и теплообмен в змеевике бойлера снижает общую эффективность системы. Так что можно смело списывать еще 10% для зимы, 5% для  ноября и марта, 2% для апреля с октябрем. Летом можно принять этот вид потерь за ноль.

Δt= Pккал/Vбака*0,9 

Δt дек=4486/220*0,9=18ºС 

 Казалось бы все ясно и понятно. НО! Мы опираемся на данные среднемесячных наблюдений. А это значит, что В СРЕДНЕМ по декабрю мы получим такую величину Δt.  Давайте попытаемся понять, что значит это самое СРЕДНЕЕ: По данным портала: russia.pogoda360.ru солнечных дней в Краснодаре в декабре 31%, облачных 34%, пасмурных: 34%

В пасмурную погоду эффективность солнечного коллектора близка к нулю. Нет солнца — нет тепла.

Конечно какую-то энергию рассеянного солнечного излучения вакуумные трубки соберут, но при передаче ее воде бака естественные потери в теплотрассе и самом баке ее обнулят.

Да и циркуляционный насос качающий теплоноситель не включится, если разность температур в коллекторе и баке не превысит хотя бы 10ºС.

Таким образом все те крохи тепла, что соберет коллектор просто развеятся. В такие дни поддержкой температуры в баке занимается электрический ТЭН, который предусмотрен во всех буферных емкостях. Если ТЭНа нет или он отключен, теплопотери бака ничем не компенсируются. Температура воды в баке сравняется с температурой воздуха в бойлерной.

Скорость с которой остынет вода, зависит от теплоизоляции бака и температуры внутри помещения. По эмпирическим данным потеря тепла составляет порядка 5-8ºС за 12 часов (ночь) при разнице температур в баке и помещении около 25ºС .
Если за сутки плотные тучи так и не рассеялись, наш бак остынет на 10-16 градусов. А за два дня потеряет все накопленное тепло.

В облачную погоду мы уже можем на что-то рассчитывать. Но опять же. Насколько она «облачна»? Сколько конкретно кВт*ч солнечного излучения приходит на нашу солнечную установку?  В лучшем случае нам удастся компенсировать естественное остывание бака.

..

Рассчитать точное значение мощности солнечного коллектора в каждый день можно, но для этого нужно иметь  данные инсоляции по каждому дню. Знать истинные цифры теплопотерь на конкретном объекте. Температуру воздуха и пр. Это имеет скорее научное, чем прикладное значение. Нам же надо понять принцип работы и возможности, которые предоставляет нам использование этого оборудования.  

Итак, мы имеем среднее значение Δt=18ºС.  Это значит, что в СРЕДНЕМ в декабре мы получим 38ºС в баке за один день. За ночь наш бак остынет, и если нам повезет и день снова будет СРЕДНИМ ( 🙂 ), к вечеру мы можем рассчитывать на 38-5+15=51ºС. Не учитывая потерь бака, о которых мы говорили выше. Но достаточно двух подряд пасмурных дней, чтобы вода в баке остыла до температуры окружающей среды. При этом, за два солнечных дня мы увидим 60-70 градусов на термометре бака, если не будет водоразбора. Где же этому предел? И почему мы так редко наблюдаем кипящую воду в баке зимой? Все дело снова в потерях! Чем выше разница между температурой в баке и воздухом в бойлерной, тем интенсивней идет теплообмен.

Так все-таки работает ли солнечный коллектор зимой или нет!?

Ответ: ДА работает! Но мы не можем рассматривать коллектор как единственный источник тепла. Лишь, как помощь основному источнику.

В среднем использование солнечного коллектора может экономить:

• В зимний период от 20 до 40% энергии на отопление и ГВС.
• В период с апреля по октябрь наши потребности в отоплении значительно ниже, а солнца больше. Здесь мы говорим о 60-70% на отопление и до 90% на ГВС.
• С мая по сентябрь солнца много, потребности в отоплении нет совсем и мы закрываем 100%+ потребности в ГВС!

Вернемся снова к нашему расчету. Копнув чуть глубже мы выяснили, что не все так прямолинейно. И если расчет для ИЮЛЯ остается практически неизменным, то для февраля мы должны учесть потери как минимум 10%. Тогда наша формула будет выглядеть так:
Июль – 8,14 / 0,4075 = 20 трубок. Декабрь – 8,14 / (0,130*0,9)= 70 трубок.  
Поэтому,  нашей рекомендацией будет установка коллектора на 20 и 30 трубок, соединенных в группу на 50 трубок.  И установка электроТЭНа на 2 кВт в бак накопитель.

Куда же девать излишки тепла летом?  Решение зависит от конкретного объекта. Если есть бассейн — греем бассейн. Если нет — ставим тепловентилятор, который работает по принципу печки в автомобиле. Сбросом тепла управляет контроллер гелеосистемы. Все автоматизировано и не требует  участия человека. 

    

ИБП для гелиоустановки: Контроллер управления, циркуляционные насосы гелеосистемы и тепловентилятора работают от сети 220в 50Гц. В случае отключения электропитания в солнечный летний день, и остановки циркуляции теплоносителя ,температура в коллекторе достигнет предельных значений за считанные секунды.

Это может привести к аварии и дорогому ремонту оборудования.  Поэтому, верным решением будет обеспечить их работу источником бесперебойного питания, состоящего из небольшого инвертора с зарядным устройством и аккумуляторной гелевой батареи.

Специалисты нашей компании имеют богатый практический опыт в проектировании и установке солнечного оборудования. А прямые поставки с заводов изготовителей, гарантируют лучшие цены на рынке.

Мы предлагаем нашим клиентам не просто оборудование, а комплексное решение задач отопления и горячего водоснабжения. 

Устройство и принцип работы солнечного коллектора

Всем привет! Давно хотел рассказать про гелиосистемы и солнечные коллектора, но все как-то было не до того.

Хотя тема очень интересная и продвинутая (экология + экономия денег).

Системы на основе солнечных коллекторов разных видов очень популярны в Европе и США.

Там установка такого оборудования может даже субсидироваться государством.

В нашей стране с ее климатом, гелиосистемы можно успешно применять не только на юге, где много солнечных дней.

Современные технологии повысили эффективность солнечных коллекторов, по этой причине появилась возможность их применения в средней полосе России и не только летом, но и зимой.

Давайте подробно рассмотрим гелиосистемы и начнем, как обычно, с определения.

Что такое гелиосистема?

Что такое гелиосистема отопления?

Это инженерная система, в которой происходит преобразование энергии солнечного излучения в тепло для отопления или горячего водоснабжения.

Основным элементом такой системы является специальное устройство — коллектор. О них мы поговорим ниже.

Солнечный коллектор: принцип работы и виды устройства

Их существует несколько видов отличающихся по конструктивному исполнению. Начну их перечислять последовательно от простых к более сложным.

Термосифонный солнечный коллектор

Термосифонный солнечный коллектор для нагрева воды

Наиболее простой и дешевый вид такого оборудования, рассчитанный на работу только в теплый сезон.

Поэтому такие системы называют сезонными. Они делаются в двух вариантах:

Кроме этого, есть еще различия в способе нагрева воды. Таких способов 2:

1. Прямой — внутри коллектора нагревается, которая подается непосредственно потребителю.
2. Косвенный — нагрев потребляемой воды происходит при помощи теплообменника. Теплообменник находится внутри верхнего бака-аккумулятора.

Для понятности добавим сюда следующую картинки:

Прямой нагрев водыКосвенный нагрев воды

Более всего в этих устройствах интересны трубки, в которых происходит нагревание воды.

В современных коллекторах они делаются из специального высокопрочного стекла.

Трубка по строению похожа на стеклянную колбу термоса — она имеет две стенки, между которыми создается вакуум.

Внутренняя трубка покрывается напылением, уменьшающим отражение солнечного излучения.

Это позволяет доводить температуру теплоносителя до 300° Цельсия.

Такие температуры возможны только при повышенном (больше атмосферного) давлении.

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор солнечной энергии

Грубо говоря, это ящик, дно которого утеплено пенополиуретаном, а верх закрыт толстым ударопрочным стеклом (на случай града и других неприятностей).

Между этими двумя слоями находится абсорбер — теплообменник, который нагревается солнцем.

Он покрашен специальной краской, уменьшающей отражение солнечных лучей.

Внутри плоского коллектора может быть создан вакуум, что увеличит его КПД, но это условие не обязательно.

То есть вакуума может и не быть. Схему устройства смотри ниже:

Плоский вакуумный солнечный коллектор

В отличие от термосифонных, плоские коллектора можно использовать и в холодное время года.

Для этого внутри них должен циркулировать специальный антифриз для отопления.

В этом случае приборы подключаются к бойлеру косвенного нагрева. Выглядит это примерно так:

Плоский солнечный коллектор для нагрева воды

Здесь использован специальный бойлер с двумя теплообменниками.

Если вместо бойлера будет теплоаккумулятор, то мы получим систему отопления с поддержкой от солнечной энергии.

Такая хитрость будет недешево стоить, но со временем окупится.

Ведь вы будете экономить на топливе для котла. Лично я считаю, что такое решение имеет право на существование.

Гибридный солнечный коллектор

Гибридный солнечный коллектор для нагрева воды

Еще одним видом коллекторов являются гибридные.

Главным их отличием от плоских является то, что в них помимо нагрева воды осуществляется еще и выработка электрической энергии.

На мой взгляд, это удачная идея совместить эти две функции в одном устройстве.

Крыша ведь у дома всего одна и площадь, на которой можно разместить эти коллектора достаточно ограничена, а тут одним выстрелом убивают двух зайцев.

Но не все так просто,  фотоэлектрические элементы не любят повышенной температуры.

Поэтому температура теплоносителя не должна превышать порога в 50° Цельсия.

Для ГВС, например, этого будет мало. В принципе, теплоноситель с такой температурой можно использовать для теплых полов и тепловых насосов.

Функция выработки электричества тоже страдает. Как известно, все универсальное хуже специального.

Еще одним существенным их недостатком для нашего потребителя можно назвать их высокую стоимость.

В нашей стране, к сожалению, не субсидируют применение энергоэффективных технологий

Итоги

Если вы живете в местности, где солнце светит много дней в году, то применение различных вариантов подобных систем может сэкономить вам приличные деньги.

Разумеется, это оборудование стоит дорого и должно быть установлено грамотными людьми, но за свой срок эксплуатации оно сэкономит вам тысячи киловатт часов или кубометров газа, которые вы должны были бы потратить на подогрев воды или другие цели.

Думайте сами, решайте сами. На этом все, если есть вопросы, то пишем их в комментариях.

Солнечные коллекторы | Промышленная солнечная энергия

Что такое солнечный коллектор?

Солнечный коллектор — это устройство, которое улавливает солнечное излучение солнца. Захваченная энергия может нагревать жидкости и воздух или генерировать электричество. Однако важно различать фотоэлектрические (PV) панели и солнечные тепловые коллекторы. Фотоэлектрические панели поглощают электромагнитное излучение солнца и вырабатывают электричество с помощью полупроводников. Солнечные тепловые коллекторы, с другой стороны, аккумулируют тепло от солнца для обогрева тепловых систем. Солнечные тепловые коллекторы могут быть концентрирующими или неконцентрирующими в зависимости от их конструкции, и они обычно включают теплоноситель, такой как термальное масло или вода. Здесь мы остановимся на различных типах солнечных (тепловых) коллекторов, их особенностях и использовании.

Какие существуют типы солнечных коллекторов?

Несмотря на то, что солнечные коллекторы разработаны с использованием одного и того же основного принципа сбора и фокусировки солнечной энергии, существуют различные типы солнечных коллекторов с различного назначения и масштабы применения . Более того, технологии солнечных тепловых коллекторов становятся все более популярными по мере увеличения спроса на отопление и охлаждение. Ниже представлены наиболее распространенные типы солнечных тепловых коллекторов.

Плоский коллектор

Плоские солнечные коллекторы представляют собой простые металлические коробки, содержащие темный поглотитель , прозрачное остекление и изоляцию для минимизации тепловых потерь . Солнечный свет падает на пластину, и солнечное излучение проходит через прозрачную крышку, попадая на поглотитель темного цвета. Затем пластина нагревается и передает свое тепло теплоносителю. Плоские коллекторы в основном используются для удовлетворения спроса на горячей воды и могут значительно снизить затраты, связанные с подогревом воды. Бытовые применения этих солнечных коллекторов являются наиболее распространенными. Эти солнечные коллекторы предлагают реальную возможность цена-качество.

Вакуумный трубчатый коллектор

Как следует из названия, этот солнечный коллектор представляет собой вакуумный коллектор и используется для нагрева воды с минимальными потерями тепла. Он имеет ряд трубок, изготовленных из ударопрочного стекла. Под внешней стеклянной трубкой находится поглощающее покрытие, соединенное с тепловой трубкой. Эта тепловая трубка содержит жидкость, находящуюся под определенным давлением, которая испаряется при низких температурах, создавая пар в отдельной тепловой трубке. Этот коллектор нагревает жидкость в основной трубе, свободно и эффективно перемещая тепловую энергию. Они более эффективны, чем плоские коллекторы, но более дороги в установке и хрупки.

Упомянутые до сих пор два типа коллекторов представляют собой системы с открытым контуром, в которых вода нагревается напрямую, и они часто больше подходят для бытового применения, чем для коммерческого. Теперь, переходя к технологиям концентрации солнечной энергии, рассматриваемые солнечные тепловые коллекторы могут генерировать гораздо более высокие температуры, концентрируя солнечные лучи в одной точке.

Параболический желоб

Солнечные коллекторы с параболическим желобом изогнуты и имеют отражающую поверхность до концентрировать солнечный свет на тепловой трубе или изолированной трубке. Они в основном используются в солнечных электростанциях и нежилых помещениях. Они могут генерировать тепло до 200°C. И у них есть трекеры, чтобы следить за солнцем с востока на запад в течение дня.

Параболическая тарелка

Параболические тарелки — это точечных сборщиков, и они очень похожи на огромные ТВ-спутниковые тарелки. Эти солнечные коллекторы собирают солнечный свет, отслеживая движение солнца и концентрируя солнечную энергию в фокусе, отражая ее от своих поверхностей. Они лучше всего работают в стабильно солнечные условия. Этот коллектор обычно используется на солнечных электростанциях и в исследовательских целях.

Башня солнечной энергии

Этот тип солнечного коллектора обычно устанавливается на большой площади, где приемник на вершине башни собирает концентрированный солнечный свет, отраженный от зеркал слежения за солнцем, называемых гелиостатами, которые размещаются на земле вокруг приемника. . Эти коллекторы обычно устанавливаются в более удаленных местах, требуют большого пространства для установки и достигают очень высоких температур. В ресивере тепло используется для производства пара, который затем приводит в действие турбогенератор для производства электроэнергии.

Industrial Solar является пионером в области технологии коллекторов Френеля с коллекторами LF-11. Они представляют собой выгодный тип солнечных тепловых коллекторов с их малым весом и модульной конструкцией , что позволяет легко устанавливать и масштабировать систему. Отрасли, которые могут извлечь выгоду из линейных коллекторов Френеля, — это пищевая, текстильная, бумажная, фармацевтическая и другие отрасли.

Коллектор Френеля

Коллектор Френеля — это линейный концентрирующий солнечный коллектор r , обеспечивающий нагрев до 400°C и работающий под давлением до 120 бар. Несколько рядов одноосных зеркал из безопасного стекла, отслеживающих солнечные лучи, улавливают солнечный свет и отражают его на стационарный приемник над коллектором. Этот приемник состоит из вторичного рефлектора и высокоэффективной вакуумной поглотительной трубки с селективным покрытием. Трубки могут содержать горячую воду под давлением или термальное масло в качестве теплоносителя. Коллектор производит пар, который готов к использованию и можно оптимизировать с точки зрения температуры и консистенции для соответствующих промышленных применений.

Их также можно интегрировать в существующие системы с прямым подключением для производства пара для технологических операций или уровня снабжения промышленных предприятий. Для коллекторов Френеля требуется на меньшая площадь установки, чем для параболических желобных коллекторов. Они также могут быть установлены на крышах, что дает еще одно преимущество для пользователей, которые хотят сэкономить доступную площадь земли. Коллекторы Френеля LF-11 имеют высокая ветроустойчивость , простота в эксплуатации и обслуживании с минимальным вмешательством человека, возможность самоочистки. Продолжительность их жизни составляет около 25 лет.

Как пользоваться солнечными коллекторами

Солнечные (тепловые) коллекторы могут использоваться в жилых и промышленных целях. В жилых районах они обеспечивают горячей водой и центральным отоплением и охлаждением . В промышленных целях солнечные коллекторы могут удовлетворить спрос на горячую воду, пар или горячий воздух в любом процессе, а в некоторых случаях можно настроить приложения для охлаждения.

Например, технология коллектора Френеля может обеспечить тепло на уровне процесса или предварительный нагрев питательной воды котла. Кроме того, накопление энергии может быть включено в тепловые системы для максимального использования солнечных ресурсов. Еще одним преимуществом коллекторов Френеля является то, что они могут быть объединены в гибридную систему с абсорбционными охладителями для обеспечения охлаждения.

Преимущества солнечных тепловых коллекторов

Солнечные коллекторы представляют собой эффективный и выгодный способ использования возобновляемой энергии. Солнечные тепловые технологии хорошо зарекомендовали себя и продолжают совершенствоваться по мере того, как потребители ищут способы уменьшить свои счета за электроэнергию и уменьшить свою зависимость от ископаемого топлива для производства тепла. Несмотря на их сходство, солнечные коллекторы имеют нюансы. Различные типы могут использоваться в жилых или промышленных целях, от отопления помещений до прямого производства пара.

Мы выясним, что лучше всего подходит именно вам!

Коллектор Френеля — это инновационная и проверенная технология со многими преимуществами. Однако у каждого завода и местоположения есть свои ограничения, которые необходимо учитывать. Даже если дана общая информация о различных технологиях, важно учитывать индивидуальные потребности и потребление энергии. Наше проектное бюро проводит тщательные исследования энергетической концепции, чтобы определить, какая технология или сочетание технологий лучше всего соответствует вашим потребностям. Мы подробно изучаем и оптимизируем солнечную установку, которая позволит вам обезуглероживать вашу отрасль.

2.2 Типы и элементы концентрирующих коллекторов

Печать

2.2 Типы и элементы концентрирующих коллекторов

Любая общая установка для преобразования солнечной энергии включает в себя приемник — устройство, способное преобразовывать солнечное излучение в другой вид энергии. Это может быть либо поглотитель тепла (для сбора тепловой энергии), либо фотогальванический элемент (для преобразования света в электрическую энергию). В первом случае тепловое излучение поглощается для нагрева среды (жидкости), которая передает поглощенную энергию генератору. Во втором случае свет вызывает фотоэлектрический эффект в материале солнечного элемента, который генерирует электрический ток. В обеих этих ситуациях количество энергии, доступной для преобразования, равно количеству энергии, вырабатываемой солнечным источником на единицу площади преобразователя.

Если нам нужно больше энергии для использования, у нас есть два варианта. Первый вариант — увеличить масштаб системы (например, за счет увеличения количества приемников). Другими словами, мы должны расширить площадь завода, что повлечет за собой дополнительные затраты на строительство, обслуживание, ремонт, а также может потребовать дополнительной земли, дополнительных материалов и т. д. В какой-то степени это было сделано, но иногда этого недостаточно. мера для удовлетворения потребностей в энергии, особенно если площадь земли является ограничением. Второй вариант – сконцентрировать поток излучения. Этого можно достичь, поставив концентратор (обычно какое-то оптическое устройство) между источником света (солнцем) и приемником. По общепринятой терминологии солнечный коллектор — это система обработки солнечного света, включающая в свою установку концентратор и приемник; она также характеризуется апертурой — площадью поперечного сечения, через которую солнечный свет попадает в систему.

Наиболее распространенными концентраторами являются рефлекторы (зеркала) и рефракторы (линзы), которые модифицируют и перенаправляют падающий солнечный луч. Конструкция концентрирующей оптики различна. Некоторые из примеров концентрирующих коллекторов, которые включают в себя зеркала различной формы, показаны на рис. 2.3, поскольку они применяются для преобразования солнечной энергии в тепловую.

Рисунок 2.3. Типы собирателей солнечного света: (а) трубчатые поглотители с диффузным задним отражателем, (б) трубчатые поглотители с зеркальными остроконечными отражателями, (в) плоский приемник с плоскими отражателями (V-образный желоб), (г) многосекционный планарный концентратор, (д) составной параболический концентратор (е) параболический желоб, (ж) концентратор Френеля, (з) матричные отражатели (гелиостаты) с центральным приемником. Концентрация света на приемнике достигается за счет формирования отражателей (зеркал) вокруг приемника (обозначены синими кружками).

Авторы и права: Марк Федкин — модифицировано по Даффи и Бекману, 2013 г.

Процесс концентрации света подразумевает, прежде всего, увеличение потока энергии за счет ограничения его на меньшей площади. Это дает несколько важных преимуществ:

• достижение более высоких температур для коллекторов тепла;
• тепловые потери с поверхности ресивера уменьшаются за счет уменьшения площади приема;
• Более высокая скорость преобразования энергии может быть достигнута на меньшей площади.

Концентрация подразумевает локализацию потока солнечного излучения на меньшей площади по сравнению с исходной апертурой.

Существует два основных класса солнечных концентраторов: с изображением и без изображения . Концентраторы изображения называются формирующими изображение, потому что они создают оптическое изображение солнца на приемнике. Концентраторы без формирования изображения не создают такого изображения, а рассеивают солнечный свет по всей площади приемника. Невизуальные концентраторы имеют относительно низкий коэффициент концентрации (<10) по сравнению с визуализирующими концентраторами.

Все оптические инструменты, предназначенные для управления солнечным светом с целью его концентрации и эффективного использования, основаны на фундаментальных принципах оптики, которые вы, возможно, помните из курсов физики. Если вам нужно освежить свои знания об этих основах, прежде чем мы будем изучать принципы концентрации света, обратитесь к следующим материалам и видео:

Чтение и видеозадание

Веб-статья : «Отражение и преломление света», Science Primer 2011-2013 гг.

На этой странице есть хорошее поясняющее видео, которое я предлагаю вам посмотреть.

Из различных типов концентраторов, перечисленных выше, в основном следующие четыре технологии были приняты для использования на объектах CSP коммунального масштаба [Mendelsohn et al., 2012]:

1. Параболический желоб
2. Солнечная башня
3. Параболическая тарелка
4. Линейный отражатель Френеля

Все они представляют собой концентраторы для формирования изображений, допускающие относительно высокие температуры концентрации: около 400 ^o C для параболических желобов, до 650 ^o C для тарелок Стирлинга и выше 1000 ^o C для башен солнечной энергии.