Зеркала для солнечных панелей

Дешёвый солнечный концентратор и парообразователь на Arduino. Зеркала и пар с температурой до 250°C

Солнечную энергию можно собирать и использовать разными способами. Один из самых простых и эффективных — зеркальный рефлектор и концентратор. Его не сложно изготовить своими руками.

Рефлектор отражает солнечные лучи и концентрирует их на ёмкости с водой. Та нагревается и вскипает, выдавая струю пара. Конструкция устройства довольно проста, главное — чтобы зеркала автоматически поворачивались на нужный угол и следили за Солнцем.

Полученный пар направляем, например, в духовой шкаф для приготовления пищи, по трубам на обогрева дома, в турбину для генерации электроэнергии, в двигатель, холодильник и т.д. На самом деле, если посмотреть на какой-нибудь производственный процесс, то почти любую его часть можно перевести на пар.

Самодельный парогенератор Solar-OSE на линейных зеркалах с управлением от платы Arduino стал одним из самых интересных экспонатов на французской конференции мейкеров POC21, посвящённой самодельным экологическим проектам.

Недавно авторы выложили в открытый доступ под лицензией Creative Commons инструкцию по сборке устройства. Такой компактный прибор на 1 кВт отлично подходит для малого бизнеса, особенно в сельской местности. Если объединить несколько модулей, то мощность повышается в несколько раз.

По оценке мейкеров, стоимость всех деталей парогенератора составит примерно $2000, но есть разные варианты экономии.

Примерное время сборки: 150 часов. Одна неделя, три человека.

В инструкции приводится полный список и размеры всех материалов, а также необходимые для работы инструменты.

Источник

Солнечные батареи и зеркало: есть ли смысл?

Огромные вложения в гелио энергетику по всему миру связаны не только с заботой об окружающей среде. Не менее важная причина – финансовая. Теоретический предел КПД фотоэлектрических панелей превышает 80%. А эффективность нынешних моделей составляет в среднем 20-25%. Это вынуждает инженеров и ученых постоянно искать способы повышения удельной производительности – а, значит, и выгоды. Один из исследуемых вариантов – установка зеркал для солнечных батарей.

Обоснование данной попытки очевидно. Физические законы оптики позволяют отражать и фокусировать любое количество лучей в одной точке. Повышение инсоляции в ней будет приводить к увеличению энергии. Однако с равноценным поднятием КПД в подобной ситуации все не так просто.

Когда сочетание «солнечная батарея и зеркало» становится выгодным

На практике применение зеркальных отражателей является выгодным далеко не всегда. Перечень оптимальных условий для этого следующий.

1. Рабочие поверхности солнечных панелей по разным причинам невозможно расположить под оптимальным углом к солнцу. Использование зеркала может легко сделать направление луча идеальным.
2. В СЭС с жестко закрепленными модулями установка быстро теряет производительность при изменении положения солнца. В этом случае зеркала способны заменить собой трекеры, обеспечивая рост эффективности на 25-30%.
3. В космических и иных системах, где финансовые затраты непринципиальны, и на первом месте стоит максимально возможный КПД.
4. При использовании панелей двухстороннего типа. Размещенная снизу недорогая зеркальная поверхность увеличит общую выработку системы почти на треть.
5. В башенных СЭС, где зеркала всегда играют роль отражателей, а солнечная батарея заменяется нагревательным баком.

Максимальное распространение гелио установки различного типа с использованием зеркал получили в первой половине 2010-х годов. Цена на фотоэлектрические панели тогда была все еще высокой, и системы с зеркальными отражателями и концентраторами оказывались более выгодными и эффективными.

Как только стоимость классического гелио оборудования упала ниже определенного предела, ситуация изменилась на противоположную. И сегодня идея концентрирования энергии путем применения отражателей используется только в исключительных случаях.

Стоит ли устанавливать зеркала для солнечных батарей в стандартных условиях

Такой выбор специалисты в области гелио энергетики не рекомендуют. Основных причин этому две.

1. Система, базирующаяся на использовании большого количества идеально отполированных поверхностей, является сложной в эксплуатации. Зеркальные отражатели требуют частой очистки и постоянного изменения позиционирования. Вручную осуществить последнюю невозможно, а применение автоматических трекеров существенно увеличивает себестоимость.
2. При концентрации большого количества энергии на малой площади происходит ее нагревание до высоких температур в несколько сотен градусов. Кремниевые панели в таких условиях начнут быстро деградировать, а их КПД – снижаться.

Из второго варианта существуют два исключения:

• применение зеркал в установках, функционирующих в регионах с преобладающими низкими температурами;
• замена обычных кремниевых модулей панелями на базе малочувствительных к нагреву добавок и материалов.

Солнечные батареи и увеличительное стекло отражатель

Все вышесказанное относилось к зеркальным поверхностям большого размера. Однако миниатюрные отражательные линзы специальной конструкции свою рыночную нишу нашли. Среди них наиболее востребованными являются:

• мини-ячейки площадью до 1 см2 с дополнительным охлаждением жидкостного типа;
• широко известные в оптической физике линзы Френеля;
• фацеточные зеркальные конструкции, напоминающие строение глаза некоторых насекомых.

Об удачности подобных экспериментов говорят технические характеристики следующих известных систем на «зеркальной» отражательной основе.

1. Amonix Inc. (США) и IES_&_UPM (Испания) – фацет, два рабочих слоя поглощения, КПД 35,8%. Рыночная стоимость – от $450 за квадратный метр.
2. Sharp (Япония) – концентрирующие линзы, три рабочих слоя поглощения, КПД 41,5%. Рыночная стоимость – от $550 за квадратный метр.
3. Sharp (Япония) – линзы Френеля, от 4 до 6 слоев, КПД 48,0%, разработаны специально для аэрокосмической отрасли. От $800 за квадратный метр.

Краткие выводы – повысит ли КПД зеркало для солнечных батарей

На поставленный так вопрос ответ будет положительным. При этом рост производительности, в зависимости от условий эксплуатации и примененной технологии, способен составить от 25% до 300%.

К сожалению, перечень таких условий ограничен. И в абсолютном большинстве случаев по параметру «стоимость/эффективность» классические солнечные батареи окажутся в выигрыше. Особенно с учетом того, что ныне их средняя стоимость упала до $0,3-0,5 за 1 м2 и продолжает снижаться.

Источник

Солнечный концентратор: какие существуют виды, сравнение, видео как сделать своими руками

Человеческая цивилизация – самое опасное для планеты явление, оказывающее крайне негативное влияние на состояние экосистемы. Среди многих отрицательных факторов следует остановиться на одном – увеличении в атмосфере углекислого газа. Он запускает в действие необратимое увеличение температуры с непредсказуемыми последствиями. Для минимизации явления на международном уровне принято решения об альтернативной возобновляемой энергетике. Один из ее видов – солнце, для использования его тепловой энергии применяется солнечный концентратор .

Виды конструкции

Задача концентраторов – собрать с большой площади тепловые инфракрасные лучи и направить их в одну точку для передачи энергии носителям. Приемные коллекторы нагреваются до +350–700°С, рабочая температура поддерживается в пределах +600°С, что объясняется физическими свойствами применяемых теплоносителей. Какие схемы применяются при создании солнечных концентраторов?

Параболическая

Агрегаты состоят из лотков параболической формы, лучи фокусируются на установленных металлических трубках черного цвета. Для уменьшения потерь они закрываются стеклянной трубкой – потери минимизируются за счет исключения конвекции воздушных потоков. Тепло солнца передается теплоносителю (солевой расплав из 60% натриевой и 40% калийной селитры), небольшие станции используют простые растворы. Надо знать, что чем ниже плотность жидкости, тем меньше она накапливает энергии, а это уменьшает и так слабый коэффициент полезного действия оборудования.

Установки оснащаются одноосными или двуосными системами слежения за положением солнца, в редких случаях делаются стационарными. Именно такой солнечный концентратор своими руками можно сделать на приусадебном участке, место солевых растворов использовать обыкновенную воду. Недостаток – низкая эффективность повышает стоимость произведенной энергии. Преимущества: сглаживают пиковые нагрузки гибридной системы, на сегодняшний день выработано 4500 ГВт/ч, накоплен большой практический опыт работы установок. У параболических антенн самый простой механизм слежения.

Тарельчатая

Внешним видом и принципом действия напоминает спутниковую антенну, только последняя концентрирует электромагнитные волны кроткого диапазона, а первая тепловые инфракрасные электромагнитные волны. Приемники энергии устанавливаются в фокусе каждой антенны, теплоноситель может нагреваться до +1000°С. Электрическая энергия вырабатывается компактными генераторами непосредственно в антенне. Такие станции применяются как для автономного питания небольших потребителей, так и для подключения к существующим электрическим сетям (в гибридном режиме). Диметр зеркал достигает 7 м, мощность ≈ 25 кВт, КПД до 29%. Недостатки: по многим техническим параметрам не отвечают требованиям потребителей, большой популярностью не пользуются. Достоинства: может регулировать пики нагрузок в сети, имеет высокие параметры преобразования, модульность, работают в гибридных системах.

Башенная

Лучи фокусируются на удаленной башне с теплоприемником, система автоматического слежения за положением солнца обеспечивает постоянную концентрацию лучей в одной точке. Нагретая жидкость подается на генератор или закачивается в хранилище, тепловая энергия из него используется ночью или в облачную погоду. Упрощенный башенный солнечный концентратор для отопления может использоваться для обогрева зданий и сооружений, в том числе и частных домов. Температура жидкости в башне превышает +1000°С, тепло используется для производства электрической энергии, в технических целях или для систем отопления.

Сравнительные технические характеристики различных концентраторов

В настоящее время идеального решения нет, каждый вид оборудования имеет свои сильные и слабые стороны. В таблице даны характеристики действующих промышленных солнечных станций с различными видами концентраторов.

Источник

Зеркала для ловли солнца. Как в Архангельске создали мобильную электростанцию для Арктики

Аспирант Северного Арктического федерального университета (САФУ) Кирилл Романов разрабатывает мобильную солнечную электростанцию для работы в арктических условиях. Он говорит, что интерес к его проекту уже проявляют компании, которые занимаются прокладкой кабельных линий связи, ученые, которые отправляются в экспедиции на Крайний Север, и даже национальные парки.

Холод — это хорошо

Кирилл поступил в университет изучать электроснабжение промышленных предприятий. А в магистратуре уже плотнее занялся теплоэнергетикой. Незадолго до этого в САФУ установили гибридную ветро-солнечную электростанцию для исследования эффективности применения возобновляемых источников энергии на территории Архангельска.

«И нас с товарищем поставили разбираться в устройстве и принципах работы электростанции, чтобы впоследствии внедрить ее в общую систему энергоснабжения здания. Меня это очень увлекло», — вспоминает Кирилл.

До Романова в САФУ альтернативной энергетикой тоже занимались, только акцент делали на энергию ветра. Но после установки маленькой солнечной электростанции на здании Учебно-научного центра энергетических инноваций все убедились в эффективности ее работы: в солнечный день весной энергии всего шести панелей хватало, чтобы провести несколько занятий. Еще выяснилось, что панели работают даже лучше, чем ожидалось.

«Мы пришли к выводу, что в Архангельске солнечные панели работают эффективней, чем должны. У кремниевых фотоэлементов, которые встроены в панель, при работе повышается температура, а с повышением температуры падает КПД. А так как средняя температура в зимнее время была около минус 15 градусов, при этом происходило естественное охлаждение при помощи холодного воздуха окружающей среды, то фотоэлементы раскрывали весь свой потенциал даже в условиях низкой инсоляции (недостатка солнечного света — прим. ТАСС). Мы сделали вывод, что панели могут работать эффективно, есть потенциал для работы в Архангельской области солнечных панелей даже в зимнее время».

Получилось, что для солнечных панелей чем холоднее, тем лучше. Правда, при отрицательных температурах возникает проблема намерзания снега на их поверхности. Для предотвращения этого процесса нужны гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия. Их сейчас тоже исследуют, они требуются и для работы ветряных станций.

Солнечная энергия обычно ассоциируется с южными территориями, но во время полярного лета ее вполне можно использовать даже на Крайнем Севере. Ведь солнце с мая по сентябрь не заходит здесь вообще, и даже на самом северном архипелаге России и Евразии — Земле Франца-Иосифа количество солнечной энергии за сутки практически такое же, как на широте Москвы в середине лета.

Например, в национальном парке «Русская Арктика», который расположен на севере Новой Земли и Земле Франца-Иосифа, солнечную энергетику начали внедрять еще в 2013 году. Первый опыт был скромным — на мысе Желания архипелага Новая Земля при помощи энергии солнечных панелей вскипятили чайник.

Но эксперимент признали удачным и экологически чистую энергию решили использовать. Сейчас в летнее время базы на мысе Желания, в бухте Тихой, на острове Гукера и на острове Земля Александры полностью обеспечиваются электроэнергией за счет солнца. Экономия для каждого опорного пункта — примерно тысяча литров дизельного топлива за сезон, ну и, конечно, очень важно, что не загрязняется окружающая среда.

«Более того, мы продолжим внедрение солнечной энергетики в национальном парке. У нас уже закуплены панели для базы на острове Хейса, их нужно только доставить и смонтировать. Солнце показало себя очень хорошо. А мыс Желания у нас по-прежнему остается, так сказать, испытательным полигоном для альтернативной энергетики. Смотрим, как ветряки там себя покажут», — говорит директор «Русской Арктики» Александр Кирилов.

Правда, он отметил, что мобильные солнечные станции, которые сейчас предлагают производители, сложны в управлении, а если вырабатывают много электричества, то еще и громоздки. Они требуют высокого уровня профессионализма в работе со всеми этими контроллерами и инверторами. Если станция небольшая, то от нее можно максимум зарядить мобильный телефон.

Ловить солнце

Именно над решением этой проблемы и работает Кирилл Романов. Свою мобильную электростанцию он разрабатывает в рамках грантовой программы «Умник» от Фонда содействия инновациям. Программа поддерживает коммерчески ориентированные научно-технические проекты молодых ученых от 18 до 30 лет. По завершении должен получиться продукт, который можно внедрить в производство. Победитель получает грант 500 тыс. рублей на доработку своей идеи или проекта. Так и Романов совершенствует свой прототип.

Чтобы сделать станцию максимально эффективной, Романов предлагает несколько решений. Первое — это зеркала, точнее, зеркальные концентраторы. Они будут направлены к панелям под углом, чтобы ловить как можно больше солнца. Причем выдвигаться они должны автоматически и только когда датчики зафиксируют, что освещения недостаточно.

«Если температура +20 градусов и они будут выдвинутые стоять целый день, то фотоэлементы выйдут из строя из-за перегрева. А если ближе к вечеру температура падает и датчик показывает, что температура фотоэлемента находится в пределе номинальных рабочих значений, то тогда начинают работать зеркальные концентраторы», — рассказывает Кирилл.

Зеркальные концентраторы должны убираться и при усилении ветра, чтобы конструкция не упала и ее хрупкие элементы не разбились. Есть проблема с поиском материала для зеркал. Концентраторы в первом прототипе оказались непрочными и тяжелыми. Сейчас молодой исследователь изучает возможность использования тонкопленочных рефлекторных гибких материалов, способных выдерживать силу воздействия порывов ветра.

«Нужна очень тонкая пленка, у которой коэффициент отражения будет идеальный, без искажений», — подчеркивает Кирилл.

Движение за светом

Самое сложное — сделать так, чтобы солнечная станция не была статичной, а следила за солнцем, причем как по вертикали, так и по горизонтали наподобие арктических цветов, например полярных маков. Их желтые бутоны похожи на маленькие солнечные батарейки: поверхность, обращенная к пестикам и тычинкам, — глянцевая, как зеркальная чаша. На тонком стебельке цветок в течение всего полярного дня поворачивается за солнцем.

Но перенести это на механическую конструкцию не так просто. Нужен двухосевой трекер, который позволит установке следовать за солнцем как вправо-влево, так и вверх-вниз. Здесь много нюансов, например, чтобы вся эта система не замерзла в мороз. Также надо предусмотреть, как будут работать механические детали и какие противообледенительные жидкости можно применить. Все эти вопросы — самое сложное в проекте, признается Кирилл.

Он свою мобильную солнечную электростанцию хочет сделать максимально удобной. Важный момент — транспортировка и удобство для пользователя, тот самый принцип «для чайников», которого, как говорит директор «Русской Арктики» Александр Кирилов, нет в существующих предложениях.

Романов планирует, что его станцию можно будет разместить в автомобильном прицепе или коробе, который можно перевезти на место вертолетом, самолетом или судном. На месте ее достаточно будет просто развернуть и включить.

«И чтобы это работало по принципу Plug and Play. Просто нажал на кнопку, и за тебя микрокомпьютер все решает, определяет геоданные, смотрит, где солнце в этом регионе, и подстраивает движения солнечного трекера под движение солнца, чтобы были самые благоприятные условия для работы солнечных батарей», — объясняет Кирилл.

Искусственное солнце

Весна в этом году в Архангельске не слишком солнечная, поэтому Кирилл сделал искусственное солнце прямо в лаборатории. Это система из инфракрасных ламп и прожекторов. Так он проверяет эффективность зеркал и разных типов панелей.

«Основной спектр поглощения солнечных батарей — это спектр видимого излучения, ближе к инфракрасному, — рассказывает ученый. — На лампы дневного света солнечная панель практически не реагирует, она больше даже на спичку реагирует, чем на светодиодную лампу. В данный момент я занимаюсь исследованием эффективности работы монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей. Существует определенный миф, что поликристаллические панели в облачную погоду работают лучше, чем монокристаллические. Интересно посмотреть на разницу в условиях отрицательных температур».

Есть у Кирилла и одна интересная находка. Это панели, между фотоэлементами которых находится прозрачный материал. Сквозь него проходят лучи и, отражаясь от снега, падают на заднюю поверхность панели, где тоже находятся солнечные элементы. Для Арктики, где много снега, такой вариант двусторонних панелей тоже может оказаться эффективным. Вместо снега, кстати, тоже можно использовать зеркало.

Кирилл Романов определил свою целевую аудиторию. Это научно-исследовательские экспедиции в удаленные точки, например за полярный круг или в горы; вахтовики, которые ремонтируют или строят что-то в Арктике, например прокладывают трубопроводы или линии электропередачи. Для них может быть изготовлен комбинированный вариант: к солнечной батарее запасным будет дизель-генератор. Еще солнечные станции могут использовать путешественники и рыбаки.

«И также я рассматривал объекты культурного наследия, — говорит Кирилл. — В национальных парках или музеях, где старинные сооружения, нужно сохранить экологически благоприятную среду. Там зачастую нельзя использовать дизель-генератор, а должно быть освещение там, где могут быть установлены маленькие магазинчики или старые домики, где проводятся экскурсии».

Работу над зеркальными концентраторами Кирилл Романов планирует завершить к концу мая, а прототип мобильной солнечной станции будет готов показать уже к новому году. ​

Источник