En solfångare är en anordning för att samla in den termiska energin från solen (solanläggningen), som bärs av synligt ljus och nära infraröd strålning . Till skillnad från solpaneler som producerar el värmer solfångaren värmeöverföringsmaterialet .
Används vanligtvis för behoven av varmvattenförsörjning och rumsuppvärmning. [ett]
En plattkollektor består av ett element som absorberar solstrålning (absorberare), en transparent beläggning och ett värmeisolerande skikt. Absorbatorn är ansluten till värmeöverföringssystemet . Den är belagd med svart färg eller en speciell selektiv beläggning (vanligtvis svart nickel- eller titanoxidförstoftning) för att öka effektiviteten. Det genomskinliga elementet är vanligtvis tillverkat av härdat glas med reducerat metallinnehåll, eller speciell korrugerad polykarbonat . Baksidan av panelen är täckt med ett värmeisolerande material (som polyisocyanurat ). Rören genom vilka kylvätskan fördelas är gjorda av tvärbunden polyeten eller koppar. Själva panelen är lufttät, för vilken hålen i den är stängda med silikontätningsmedel.
I avsaknad av värmeintag (stagnation) kan plattkollektorer värma vatten upp till 190-210 ° C .
Ju mer infallande energi som överförs till kylvätskan som strömmar i kollektorn, desto högre effektivitet. Den kan ökas genom att använda speciella optiska beläggningar som inte avger värme i det infraröda spektrumet.
Det är möjligt att höja temperaturen på kylvätskan upp till 250-300 °C i värmeuttagsbegränsningsläget. Detta kan uppnås genom att minska värmeförlusten som ett resultat av användningen av en flerskiktsglasbeläggning, tätning eller skapa ett vakuum i kollektorerna .
Faktum är att ett solvärmerör har en enhet som liknar hushållstermosar. Endast den yttre delen av röret är transparent medan innerröret har en mycket selektiv beläggning som fångar upp solenergi. Det finns ett vakuum mellan det yttre och det inre glasröret. Det är vakuumskiktet som gör det möjligt att spara cirka 95 % av den infångade värmeenergin.
Dessutom har värmerör hittat tillämpning i vakuumsolfångare , som fungerar som en värmeledare. När installationen bestrålas med solljus värms vätskan i den nedre delen av röret upp och förvandlas till ånga. Ångor stiger till toppen av röret (kondensorn), där de kondenserar och överför värme till kollektorn. Genom att använda denna krets kan du uppnå större effektivitet (jämfört med plattkollektorer) när du arbetar vid låga temperaturer och svagt ljus.
Moderna hushållssolfångare kan värma vatten upp till kokpunkten även vid negativa omgivningstemperaturer.
Kylvätskan (vatten, luft, olja eller frostskyddsmedel ) värms upp genom att cirkulera genom kollektorn och överför sedan värmeenergi till lagringstanken, som samlar hett vatten till konsumenten.
I en enkel variant sker vattencirkulationen naturligt på grund av temperaturskillnaden i kollektorn. Denna lösning förbättrar solcellsinstallationens effektivitet, eftersom solfångarens effektivitet minskar med ökande kylvätsketemperatur.
Det finns även solvärmeanläggningar av lagringstyp där det inte finns någon separat ackumulatortank och det uppvärmda vattnet lagras direkt i solfångaren. I detta fall är installationen en tank nära en rektangulär form. [ett]
| Vakuumrör | Platt mycket selektiv |
|---|---|
| Fördelar | Fördelar |
| Låg värmeförlust | Förmåga att rensa snö och frost |
| Effektivitet under den kalla årstiden upp till -30C | Hög prestanda på sommaren |
| Förmåga att generera höga temperaturer | Utmärkt pris/prestanda-förhållande för sydliga breddgrader och varma klimat |
| Lång arbetstid under dagen | Kan installeras i alla vinklar |
| Enkel installation | Lägre initialkostnad |
| Låg vindstyrka | |
| Utmärkt pris/prestanda-förhållande för tempererade breddgrader och kalla klimat | |
| Brister | Brister |
| Oförmåga att själv rensa snö | Hög värmeförlust |
| Relativt hög initial projektkostnad | Dålig prestanda under den kalla årstiden |
| Arbetslutningsvinkeln inte mindre än 20° | Komplexiteten i installationen i samband med behovet av att leverera den monterade uppsamlaren till taket |
| Hög vindstyrka |
En höjning av drifttemperaturen upp till 120–250 °C är möjlig genom att införa koncentratorer i solfångare med paraboliska rännreflektorer under absorberande element. Solspårningsenheter krävs för att få högre driftstemperaturer.
Solfångare är enheter som arbetar på solenergi och värmer luften. Solfångare används oftast för uppvärmning av rum, torkning av jordbruksprodukter. Luft passerar genom absorbatorn på grund av naturlig konvektion eller under påverkan av en fläkt.
I vissa luftvärmare för solenergi är fläktar fästa på absorbatorplattan för att förbättra värmeöverföringen. Nackdelen med denna design är att den förbrukar energi för att driva fläktarna, vilket ökar driftskostnaderna för systemet. I kallt klimat leds luften in i utrymmet mellan absorbatorplattan och solfångarens isolerade bakvägg: på så sätt undviks värmeförlust genom glaset. Men om luften värms upp högst 17°C över uteluftens temperatur kan värmeöverföringsmediet cirkulera på båda sidor av absorbatorplattan utan större effektivitetsförlust.
De främsta fördelarna med luftsamlare är deras enkelhet och tillförlitlighet. Med rätt skötsel kan en kvalitetssamlare hålla i 10-30 år och är mycket lätt att hantera. En värmeväxlare behövs inte eftersom luften inte fryser.
Solfångare används för uppvärmning av industri- och hushållslokaler, för varmvattenförsörjning av produktionsprocesser och hushållsbehov. Det största antalet produktionsprocesser som använder varmt och varmt vatten (30-90 °C) sker inom livsmedels- och textilindustrin, som därmed har störst potential för användning av solfångare.
I Europa år 2000 var den totala ytan av solfångare 14,89 miljoner m² och över hela världen - 71,341 miljoner m².
Solfångare-koncentratorer kan producera elektricitet med hjälp av fotovoltaiska celler eller en Stirling-motor .
Solfångare kan användas i avsaltningsanläggningar för havsvatten. Enligt uppskattningar från German Aerospace Center (DLR) kommer kostnaden för avsaltat vatten år 2030 att sjunka till 40 eurocent per kubikmeter vatten [2]
Enligt JIHT RAS- forskning , under den varma perioden (från mars-april till september), i större delen av Ryssland, är den genomsnittliga dagliga mängden solstrålning 4,0-5,0 kWh/m² (i södra Spanien - 5,5-6,0 kWh/ m², i södra Tyskland - upp till 5 kWh / m²). Detta gör det möjligt att värma upp cirka 100 liter vatten för hushållsändamål med en 2 m² solfångare med en sannolikhet på upp till 80 %, det vill säga nästan dagligen. Enligt det genomsnittliga årliga solstrålningsintaget är ledarna Transbaikalia , Primorye och södra Sibirien . De följs av den södra delen av den europeiska delen (upp till cirka 50º N) och en betydande del av Sibirien.
Användningen av solfångare i Ryssland är 0,2 m² / 1000 personer. I Tyskland används 140 m² / 1000 personer, i Österrike 450 m² / 1000 personer, på Cypern cirka 800 m² / 1000 personer.
Under sommarperioden är de flesta regioner i Ryssland upp till 65º N.S. kännetecknas av höga värden av genomsnittlig daglig strålning. På vintern minskar mängden inkommande solenergi flera gånger beroende på installationens latitudinella placering.
För allvädersanvändning måste enheterna ha en stor yta, två frostskyddskretsar , ytterligare värmeväxlare. I detta fall används evakuerade kollektorer eller plattkollektorer med en mycket selektiv beläggning, eftersom temperaturskillnaden mellan den uppvärmda kylvätskan och uteluften är större. Denna design är dock dyrare. [ett]
Byggandet av samlare utförs för närvarande huvudsakligen i Krasnodar-territoriet , Buryatia , Primorsky och Khabarovsk- territorierna. [3]
För första gången lade den sovjetiske ingenjören N.V. Linitsky fram idén om att skapa ett solkraftverk av industriell typ på 1930- talet . Samtidigt föreslog han ett schema för en solcellsstation med en central mottagare på tornet. I den bestod systemet för att fånga solens strålar av ett fält av heliostater - platta reflektorer styrda i två koordinater. Varje heliostat reflekterar solens strålar på ytan av den centrala mottagaren, som är upphöjd över heliostatfältet för att eliminera påverkan av ömsesidig skuggning. När det gäller dess dimensioner och parametrar liknar mottagaren en konventionell ångpanna.
Ekonomiska utvärderingar har visat möjligheten att använda stora 100 MW turbingeneratorer vid sådana stationer. För dem är typiska parametrar en temperatur på 500 °C och ett tryck på 15 MPa. Med hänsyn till förluster, för att säkerställa sådana parametrar, krävdes en koncentration på cirka 1000. En sådan koncentration uppnåddes genom att styra heliostater i två koordinater. Stationerna var tvungna att ha värmeackumulatorer för att säkerställa driften av värmemotorn i frånvaro av solstrålning.
Sedan 1982 har flera anläggningar av torntyp byggts i USA med en kapacitet på 10 till 100 MW. En detaljerad ekonomisk analys av system av denna typ visade att, med hänsyn till alla byggkostnader, kostar 1 kW installerad kapacitet cirka $ 1150. En kWh el kostar cirka $ 0,15.
Parabolcylindriska koncentratorer har formen av en parabel , sträckt längs en rak linje.
1913 byggde Frank Schumann en pumpstation i Egypten av paraboliska trågkoncentratorer. Stationen bestod av fem nav vardera 62 meter långa. Reflekterande ytor gjordes av vanliga speglar. Stationen producerade ånga, med vilken den pumpade cirka 22 500 liter vatten per minut [4] .
En parabolisk-cylindrisk spegelkoncentrator fokuserar solstrålningen till en linje och kan ge sin hundrafaldiga koncentration. Ett rör med kylvätska (olja) eller en solcellscell placeras i parabelns fokus . Oljan värms upp i ett rör till en temperatur på 300-390 °C. I augusti 2010 testade NREL SkyFuels installation. Under testerna visades den termiska effektiviteten hos paraboliska trågkoncentratorer vara 73 % vid en kylvätskeuppvärmningstemperatur på 350 °C [5] .
Paraboliska cylindriska speglar är gjorda upp till 50 meter långa. Speglar är orienterade längs den nord-sydliga axeln och ordnade i rader med några meters mellanrum. Kylvätskan kommer in i värmeackumulatorn för vidare generering av elektricitet av en ångturbingenerator .
Från 1984 till 1991 byggdes nio kraftverk från paraboliska trågkoncentratorer i Kalifornien med en total kapacitet på 354 MW. Kostnaden för el var cirka 0,12 dollar per kWh.
Det tyska företaget Solar Millennium AG bygger ett solkraftverk i Inre Mongoliet ( Kina ) . Kraftverkets totala kapacitet kommer att öka till 1 000 MW år 2020 . Kapaciteten för den första etappen kommer att vara 50 MW.
I juni 2006 byggdes det första termiska solkraftverket med en kapacitet på 50 MW i Spanien . I Spanien kan 500 MW kraftverk med paraboliska trågkoncentratorer byggas fram till 2010 .
Världsbanken finansierar byggandet av liknande kraftverk i Mexiko , Marocko , Algeriet , Egypten och Iran .
Koncentrationen av solstrålning gör det möjligt att minska storleken på solcellscellen . Men samtidigt minskar dess effektivitet, och något slags kylsystem krävs.
Parabolkoncentratorer är formade som en revolutionsparaboloid. Den paraboliska reflektorn styrs i två koordinater när den följer solen. Solens energi är fokuserad på ett litet område. Speglar reflekterar cirka 92 % av solstrålningen som faller på dem. I reflektorns fokus är en Stirlingmotor , eller fotovoltaiska celler, monterad på ett fäste . Stirlingmotorn är placerad på ett sådant sätt att värmeområdet är i fokus för reflektorn. Arbetsvätskan i en Stirling-motor är vanligtvis väte eller helium .
I februari 2008 uppnådde Sandia National Laboratory en verkningsgrad på 31,25 % i en uppsättning bestående av en parabolisk koncentrator och en Stirlingmotor [6] .
Anläggningar med parabolkoncentratorer med en kapacitet på 9–25 kW är för närvarande under uppbyggnad. Inhemska installationer med en kapacitet på 3 kW utvecklas. Effektiviteten för sådana system är cirka 22-24%, vilket är högre än för solceller. Samlare är gjorda av vanliga material: stål , koppar , aluminium , etc. utan användning av "solar-grade" kisel . Inom metallurgin används det så kallade "metallurgiska kislet" med en renhet på 98 %. För produktion av solceller används kisel av "solrenhet" eller "solgradation" med en renhet på 99,9999 % [7] .
År 2001 var kostnaden för el som genererades i solfångare 0,09-0,12 USD per kWh . Det amerikanska energidepartementet förutspår att kostnaden för el som produceras av solenergikoncentratorer kommer att sjunka till 0,04-0,05 USD 2015-2020 .
Stirling Solar Energy utvecklar solfångare av stora storlekar - upp till 150 kW med Stirling-motorer . Företaget bygger världens största solkraftverk i södra Kalifornien . År 2010 kommer det att finnas 20 000 parabolsamlare med en diameter på 11 meter. Kraftverkets totala kapacitet kan ökas upp till 850 MW.
Fresnel-linser används för att koncentrera solstrålningen på ytan av en fotovoltaisk cell eller på ett värmeöverföringsrör. Både ringformade och midjelinser används. På engelska används begreppet LFR - linear Fresnel reflector.
2010 var 1 170 MW solvärmekraftverk i drift över hela världen. Av dessa har Spanien 582 MW och USA 507 MW. Det är planerat att bygga 17,54 GW solvärmekraftverk. Av dessa, i USA 8670 MW, i Spanien 4460 MW, i Kina 2500 MW [8] . Under 2011 fanns det 23 tillverkare och leverantörer av platta samlare från 12 länder; 88 tillverkare och leverantörer av vakuumgrenrör från 21 länder. [9]