Слънчевият концентратор – екологична енергийна алтернатива

Слънцето е най-големият източник на енергия за нашата планета и неговата радиация може да намери редица приложения в бита на човека. Едно от тях е осигуряване на гореща вода за домакинствата или затопляне на вода за плувни басейни. Всичко това е възможно благодарение употребата на слънчеви колектори, чиито принцип на действие се състои в прихващане на излъчваната слънчева радиация, трансформирането й в топлинна енергия и крайната фаза – затопляне на водата. 

Слънчевите колектори се подразделят на много видове, като една от категориите представя така наречените слънчеви концентратори, или концентриращи слънчеви колектори. Обикновено този вид е целесъобразно средство за произвеждане на електроенергия за промишлени нужди, поради реализирането на високи температурни нива.


Принцип на действие
Използването на слънчевата енергия за различни технически приложения е свързано също така и с известни затруднения, породени от ниския интензитет на слънчевото лъчение, в сравнение с обикновените енергийни източници. Именно в това направление е насочен и принципът на работа на слънчевият концентратор. Както се подразбира от наименованието му, колекторът оптически концентрира слънчевата енергия, като с  това позволява увеличаване на енергийната концентрация на слънчевата радиация. Казано с други думи задачата на слънчевият концентратор е да повиши интензивността на слънчевото лъчение и да спомогне за неговото ефективното оползотворяване в топлина или електрическа енергия.



Концентрирането на слънчевата светлина се осъществява посредством отразителни повърхнини и огледала (хелиостати) и се основава на принципа на пречупването и фокусирането на тази светлина от голяма площ в малка повърхност, най-често специфичен за целта приемник. По този начин се постигат много по-високи температури, в сравнение с неконцентриращите колектори. Трябва да се подчертае, че работата на повечето слънчеви концентратори е възможна само при наличието на дирекно слънчево лъчение, идващо пряко от Слънцето и следователно употребата им е оптимална за области с повече слънчеви дни в годината и безоблачно небе.

Видове слънчеви концентратори

В зависимост от метода на концентриране на слънчевата енергия, слънчевите концентратори се подразделят на два типа: с точно фокусиране и с неточно фокусиране, а съобразно оптичните процеси – отражение на светлината (огледала) и пречупване на светлината (лещи). В практиката по-често се употребяват концентратори с огледала, поради по-високата им издържливост на атмосферните условия и ниската цена. В повечето случаи тези слънчеви концентратори са проектирани в параболична форма или във вид на параболоид или параболичен цилиндър.

При първият метод за фокусиране използваните рефлектори събират постъпилите лъчи в една точка или линия и преобразуват светлинния поток в електрическа енергия. Тъй като посоката на слънчевите лъчи се променя непрекъснато, концентраторите с точно фокусиране трябва постоянно да бъдат насочвани, така че да следят посоката им. За да стане възможно това се използват специални следящи системи.

Ето и примери за концентратори с точно фокусиране:


Параболоиден слънчев концентратор   www.wykop
 

Параболично-цилиндрични концентратори – представляват линейни U-образни огледални отражатели, концентриращи светлинния поток върху приемници, разположени по дължината на фокусната линия на отражателя. Ориентирани са в посоки изток-запад и следенето на слънцето става по височинен ъгъл. Техният принцип на работа се изразява в загряване на топлопроводим флуид (масло, стопена сол, морска вода), който се намира в приемник – тръба, точно над средата на параболично извитите огледала. Работният флуид се движи през приемника, като се нагрява от 150 до 400 °С и се използва като източник на топлина за произвеждане на електрическа енергия. Топлината се отдава и се образува водна пара, която задвижва турбина. Предимство при този метод е възможността да се акумулира и запази енергия под формата на топлина в работната течност, дори и при липса на слънчево греене.

Линейни френелови рефлектори
Тази система за концентриране на слънчевата енергия използва много тънки огледални ивици, вместо параболични огледала и фокусира лъчението в тръби с работен флуид. Основно преимущество тук е употребата на плоски огледала, които са по-евтини от огънатите. По този начин върфу една и съща площ могат да се разположат повече на брой рефлектори за по-ефективно усвояване на постъпващият светлинен поток. При параболичните концентратори на всеки един рефлектор има приемник – тръба с флуид, докато при френеловите системи има само един приемник за няколко рефлектора. Линейните рефлектори може да се използват в малки и големи соларни централи. Това предпоставя по-голяма гъвкавост при следене на слънцето.

Рефлекторни чинии
При системите с високи нива на концентрация се използват и така наречените единични параболични отражатели, които наподобяват структурата на чиния и оттам и наименованието им рефлекторни чинии. Повърхността на рефлекторите концентрира светлината върху приемник, разположен във фокусната точка на отражателя. Следенето на слънчевата радиация се извършва по две оси. Работният флуид в приемника се нагрява от 300 до 700°С и непосредствено след това се използва от Стирлинг двигател за генериране на енергия. Този двигател преобразува топлинната енергия в механична, която от своя страна задвижва генератор, произвеждащ електричество. Двигателят на Стирлинг не случайно се разглежда като изключително перспективна отправна точка за технологичното развитие в нашето съвремие.

Слънчев концентратор с френелови лещи    www.sunflowercpv.blogspot.com

Соларни кули
Структурата им представлява голям брой плоски огледала (хелиостати), които проследяват Слънцето и отразяват слънчевите лъчи в приемник, разположен на кула. В приемника се движи работен флуид, който може да съдържа дори и морска сол и се нагрява от 500 до 1000°С. Използва като източник на топлина за генериране или съхранение на енергия. Някои от системите използват вода и водни пари като топлопреносими флуиди, а други натриеви соли, поради високата им топлопроводимост и възможността за съхранение на топлинната енергия. Следящите системи (тракери) се движат по две оси – вертикална и хоризонтална. Концентриращите инсталации със соларни кули не са толкова добре развити, колкото тези с параболичните отражатели, но за сметка на това предоставят по-висока ефективност и възможност за съхранение на енергията.

Концентратори с неточно фокусиране
Тези концентратори съсредоточават цялата слънчева радиация в отвора, без да я фокусират в една точка. Считат се за по-гъвкави по отношение на насочването им спрямо слънчевите лъчи. Пример за подобен вид концентратор е пресечен конус с отразяваща вътрешна повърхнина. При нещо след многократни отражения, слънчевите лъчи попадат върху дъното, което се използва като абсорбер.

СРС ( Compound Parabolic Concentrator) концентратор 
Това е може би най-ефективният и най-използваният вид концентратор с неточно фокусиране. Употребява се като среднотемпературен слънчев колектор и осигурява до 150°С температура на топлоносителя. Тази разновидност заема средно място между обикновените плоски колектори и концентриращите системи. Отражателите на СРС концентраторът представляват две параболи, като всяка парабола продължава, докато допирателната към нея стане успоредна на оста на концентратора. При този вид не могат да се достигнат високи нива на концентрация, поради изискването за по-голяма височина на стените за реализирането на голям отвор на концентратора. Въпреки това, този концентриращ колектор представлява оправдана алтернатива на скъпите, изискващи следене на слънчевата радиациа концентратори с точно фокусиране.


Рефлекторни чинии     www.pasaz.rs
 

Приложението на слънчевите концентратори днес:
Свидетели сме на развитието на ново поколение електроцентрали, които чрез концентриращи слънчевата енергия системи използват слънцето като източник на топлина и светлина за генериране на електрическа енергия. Всяка една от горепосочените системи дава възможност за достигане на високи температурни нива и ефективност. Различията при тях се изразяват в начините на улавяне и усилване на интензитета на слънчевата радиация.

Благодарение на иновативните решения в тази област, учените са създали и концентратори, които работят успешно дори и при облачно време. Концентриращите колектори се използват за достигане на високи температурни нива на водата, но употребата им е приложима най-вече за промишлени цели. Слънцевите концентратори, предназначени за домашно ползване са ограничени до загряване на водата с температура до 97-98°С.

Извършени проучвания на Международната агенция по енергетика, Европейската агенция за термо-соларна електроенергия и природозащитната организация Грийнпийс по отношение на  перспективите и потенциала на концентрираната слънчева енергия са установили, че до 2050 г. тези системи ще задоволяват до 25% от световните енергийни нужди. Това ще преустанови отделянето на огромни количества въглероден двуокис и редица други вредни вещества.

Технологиите за концентриране на слънчевата енергия са екологичен модел за използване на практически неизчерпаемата слънчева енергия по рационален и ефективен начин.