Солнце в концентраторе

Всякий раз, когда делаю анализ в своей теме энергоэффективности, и пытаюсь самостоятельно определить ближайшие перспективы ее развития,  обращаюсь к форумам и выставкам. Ибо именно эти события, как ничто другое представляют новейшие разработки технологий, открытия, изобретения. И в этой связи не могу не отметить событие мирового масштаба, выставку в Астане (Казахстан) «ЭКСПО 2017».

Во-первых, такие выставки проводятся один раз в пять лет, во-вторых, временной интервал – три месяца, и,  в-третьих, каждая такая выставка носит определенную тематику. В этот раз на выставке в Астане основной темой было «Энергия будущего». Не следует акцентировать внимание та том, что большинство экспонатов выставки  представляли оборудование и технологии альтернативной энергетики и возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это и так понятно.

Мне, к сожалению,  не удалось побывать на выставке, но мой коллега, изобретатель, директор компании «Синеко», харьковчанин Александр Согоконь принял непосредственное участие в выставке и представил на украинском стенде свою новую разработку – коллектор на основе концентратора солнечной энергии. Кстати, в рамках «ЭКСПО 2017»,  эта разработка была в числе отобранных Министерством энергетики Казахстана ряда украинских компаний для внедрения проектов на территории страны.

Более подробно о линейном солнечном коллекторе Согоконь мы поговорим ниже, а пока предлагаю направить свое внимание на информацию 2-х летней давности, непосредственно связанную с нашей темой.

Научная станция в Антарктике на ВИЭ (2015 г)

«Персонал и научное оборудование бельгийской полярной станции «Принцесса Элизабет» теперь использует исключительно альтернативные источники энергии. Пока это единственная научная станция, которая обеспечивается электроэнергией за счет солнечного света и ветра. При этом ставка делается именно на сочетание возобновляемых источников обоих видов. Благодаря такой технологии не загрязняется окружающая среда, что очень важно для экологии Антарктики.
На Северном и на Южном полюсе количество солнечного света крайне ограничено в течение всего года, но сильные ветра дуют постоянно. Они и раскручивают все девять ветряных турбин, связанных в единую энергосистему с солнечными установками. Прочность оборудования рассчитана на любой силы шторм: при сильных порывах ветра лопасти турбин автоматически складываются, из-за чего скорость их вращения снижается, предотвращая разрушения.
Конструкторы установили солнечные панели на всех внешних стенах и на крышах строений станции. Электронная система грамотно распределяет вырабатываемую электроэнергию, накапливая ее излишки в аккумуляторах, для предотвращения дефицита энергии. Кроме того, в распоряжении персонала станции есть два генератора, которые могут быть использованы при необходимости. В будущем их заменят более эффективной и экологически безопасной топливной системой на основе водорода».
Переключив ваше внимание на эту информацию, я хотел подчеркнуть, что география по использованию ВИЭ уже расширена на всю территорию земного шара и бельгийцы на своей станции основное внимание уделили ветроустановкам, как источнику получения электроэнергии. Солнечные панели выполняют второстепенную роль.

Теперь давайте более подробно рассмотрим солнечный коллектор украинского изобретателя.

Коллектор солнечного излучения на основе линейного концентратора

В моем понимании, лучше об изобретении, чем сам автор,  никто не расскажет. Поэтому, я попросил Александра поделиться со мной нюансами своего ноу-хау и передаю текст, сказанного им без изменений.

"Наша глобальна цель, сделать солнечную энергию в быту столь же доступной, как электроэнергия или природный газ. На выставку «ЭКСПО – 2017» мы привезли коллектор, мощностью 8 кВт. Его конструкция выполнена на основе солнечного линейного концентратора. Особенность изделия (скорее это система) состоит в том, что оно  постоянно следит за солнцем: с утра его захватывает и ведет до самого заката. В результате получается большая производительность (почти в 2 раза) по сравнению со стационарными коллекторами, трубчатыми или плоскими, которых сейчас на рынке в достаточном количестве, включая и Казахстан.

Вторая особенность состоит в том, что конструкция концентратора состоит из узких зеркальных полосок, своеобразных «веток». Принцип взят у природы, где ветки деревьев, хорошо противостоят ветру. Поэтому наша система очень ветроустойчива, обладает минимальной парусностью.

Данная система запатентована в Украине (Патент № 108571)  и в Европе. Коллектор 8 кВт, способен за день нагреть 2 т воды до температуры 40 – 450С, комфортной температуры, которая используется в системе горячего водоснабжения, что позволит сэкономить значительное количества электричества или природного газа.

Еще одной особенностью данного линейного концентратора является то, что он автономен и с автоматической системой управления. То есть, для своей работы он не требует дополнительных источников энергии, он может работать в прямом смысле в чистом поле. Установили коллектор в чистом поле, появилось солнце, и пошла горячая вода (это же свойственно и в полярных условиях на северном и южном полисах Земли, авт).

В ночной период конструкция установки складывается, поворачивая зеркальные отражатели коллектора вертикально, относительно земли, чтобы не скапливалась пыль летом и снег зимой.

По большому счету, мы считаем, что разрабатывая такой коллектор, мы делаем робота (уд. на первый слог),  под условным названием «Солнцедар». Он работает сам круглогодично. В нем заложена устойчивая программа на несколько лет вперед. Энергия для исполнительных механизмов, системы управления и сам нагрев воды,  преобразуется от солнца.

В состав этой системы входит и метеостанция, которая отслеживает погодные условия, скорость и направление ветра.  Когда сила ветра достигает критического значения, система управления поворачивает всю конструкцию коллектора в направлении минимального сопротивления ветру, продолжая выполнять функцию продуваемости между зеркальными отражателями. Поэтому для данной установки не страшны осадки и ветер.

Поиск в международной системе PSS ( PDM STEP Suite,  предназначена для управления данными об изделии на всех стадиях жизненного цикла) показал, что данная установка уникальна и представляет собой мировую новизну".

Подробно познакомившись с линейным солнечным концентратором Согоконь, вернемся к Антарктиде. Его солнечный концентратор с успехом может функционировать в полярных широтах, производя таяние снега, получение воды для питья и горячего водоснабжения, причем, совершенно автономно, в автоматическом режиме и бесконечно долго.

Спасибо за прочтение! 🙂 Если вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения.

  • Сергей Микуленко

    Прекрасная разработка и горжусь, что это в Харькове!

    • Спасибо Сергей и я горжусь за своего коллегу, он фанат своего дела и одновременно патриот!

  • Борис Афанасьев

    «…получается большая производительность (почти в 2 раза) по сравнению со стационарными коллекторами, трубчатыми…»
    Позволю себе усомниться по 2-м причинам:
    1 — Отражатели всегда используют прямую составляющую солнечной энергии и не могут работать при рассеяном свете. А это составляет примерно 50% поступающей среднемесячной годовой солнечной энергии;
    2- Трубчатые солнечные коллекторы с коаксиальными трубками также имеют конструкцию ветроустойчивую, притом аэродинамически лучше, что давно нами используется, а также, в определенном диапазоне углов имеют неизменную поверхность облучения, что равносильно изменению направления отражателей у автора и известна под названием IAM (Incidence Angle Modifier).

    Да, для Антарктики они м.б. очень эффективны из-за уменьшения теплопотерь при слабой солнечной радиации, а вот в наших регионах — спорно.

    • Борис, спасибо за детальный комент. Фраза, которая прозвучала с уст Александра наверно основывалась на экспериментальных исследованиях. К сожаленияю, он сейчас за пределами Украины. По прибытию я с ним переговорю по сравнительным характеристикам.

    • Sogokon Aleksandr

      Попробую развеять Ваши сомнения. Да, действительно, у батареи
      из вакуумных трубок в пределах примерно 120 градусов (у разных производителей этот угол разный, и определяется по формуле tg(f/2)=d/2r + 1 где d — расстояние между трубками, а r- радиус трубки) эффективная площадь поглощения не меняется.
      Но солнце-то ходит по гораздо большему кругу. И чем северней, тем больше этот угол, вплоть до 360 градусов за полярным кругом и на полюсе. Поэтому, на широте Крыма или Одессы трекинг возможно и дает выигрыш в 1,4 раза, и неизбежно возрастает по мере продвижения на север. На экваторе выигрыш от трекинга
      минимален, а на полюсе – максимален, и скорее всего, равен 3.

      Одна вакуумная трубка в свободном пространстве при плотности
      потока 1кВт/м2 поглощает до 100 Вт тепловой энергии. При этом потери составляют 6 Вт. Это мои экспериментальные данные. Отсюда находим порог срабатывания, т.е., минимальную плотность потока, при которой еще возможен нагрев теплоносителя хотя бы на 0,0001 градуса. Это произойдет при плотности потока в 60Вт/м2 . Такой поток идет от солнца на высоте в единицы градусов над горизонтом. Сколько бы трубок не было в батарее, при такой
      плотности потока теплоноситель нагреваться не будет, так как потери равны поступлению энергии.

      Совсем другая ситуация наблюдается в концентраторе. Все
      излучение, например, с площади в 9,5кв.м. направляется на две вакуумные трубки (реальный концентратор). В результате получаем 60х9,5=570Вт. Пусть потеряем на коэффициенте отражения 30%, и еще 12Вт в трубках, все рано получим 400Вт. Не густо, но по сравнению с полностью неработающей системой из 80 трубок это в
      миллион раз лучше. Причем, как на полюсе, так и в наших условиях.

      • Борис, я надеюсь комментарий автора вас удовлетворил

        • Борис Афанасьев

          Эти коллекторы давно производятся, намного совершеннее, даже специальные сквозные (!) металлические коаксиальные абсорберы с вакуумной трубой продаются и занимают свою нишу — температуры более 100оС и много выше, в циклах парогенерации СЭ и дешевых самодельных системах с аматорски приспособленными для этого трубками! Но априори, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ (кВтЧ!, МДж) их не м.б. больше низкотемпературных обычных коллекторов даже за счет треккеров..

          • Борис, я за то, чтобы было достаточно различных систем преобразования солнечной энергии. Понятно, что каждая из них будет обладать своими особенностями. Однако, потребитель сам найдет, какую выбрать.
            Спасибо за детализацию вакуумных коллекторов.

          • Дмитрий Поварго

            Борис, здравствуйте! Как же так, что производительность не может быть больше за счёт трекеров? Ведь Александр указал на угол раскрыва в 120гр. для вакуумного коллектора. Трекер весьма полезен в северных широтах. Можно конечно поворачивать вакуумный коллектор с теплоносителем, но дело это не благодарное. Концентратор в этом случае в реальных полевых условиях будет производительней. Второй момент, это сегментированный отражатель у Александра, что благоприятно сказывается на парусность. Я, например, давно отслеживаю тему коллекторов и концентраторов, таких вариантов с вакуумной трубкой я не встречал. О каких более совершенных конструкциях Вы говорите, в том числе и немецких? Мне любопытно. Прикрепите ссылки, будет всем интересно и познавательно.

          • Дмитрий, спасибо за коммент и за правильные вопросы. Надеюсь, Борис ответит

          • Борис Афанасьев

            Почти все ниже я писал уже в нескольких комментариях. Я оцениваю конструкции, обобщая информацию, без деталей, известных по многочисленным публикациям.
            1- Трекер дает добавку в 25—40%. Он целесообразен тогда, когда ориентирует коллектор на солнце не только в зените, как стационарные коллекторы, но и при более низких углах, и меньшей интенсивности излучения.
            Трубчатый вакуумный коллектор с разряженными рядами трубок, ориентированный по нормали к солнцу имеет площадь абсорбера 60-70% от общей — апертурной (фактически плоского эквивалента). Цилиндрическая форма позволяет получать неизменную поверхность облучения в определенном диапазоне углов наклона солнца, обычно в пределах 90 град и это м.б. до 90% падающего излучения. Так наз. модифицированный угол IAM, который увеличивает производительность до 1,4 раз.
            Немецкие подобные коллектора (CPC) имеют шаг трубок больший, чем китайские и добавляют параболические отражатели под каждой трубкой, одновременно увеличивая угол безтеневого облучения и отражая на обратную сторону трубок, падающее в промежутках излучение. Т.о фактически эквивалентный абсорбер приближается к апертуре.
            Все это в сумме, при определен. условиях становится равнозначно использованию трекера.
            2- Все известные промышленные коллектора с параболически-цилиндрическими отражателями содержат трубчатый абсорбер (металлический), впаяный в стеклянную вакуумную оболочку, коаксиальную и сквозную (!), нанизанную на трубу-теплообменник. Они применяются в основном для получения температур более 100оС. и там, где много солнечных дней.
            3 — главное, с чего я начал и постоянно игнорируется — отражатели всегда используют прямую составляющую солнечной энергии и не могут работать при рассеяном свете. А это составляет в НАШИХ широтах примерно 50% поступающей среднемесячной годовой солнечной энергии; Т.е. вы теряете половину солнечной энергии на м2 в год, как количественно, так и во времени!

          • Дмитрий Поварго

            Борис, Благодарю за ответ! Как я понял из ответа Ваши выводы сделаны чисто из публикаций и, возможно, рекламных буклетов. Начнём с п.3: вы упустили потенциал рассеянной составляющей. Да, в рекламных буклетах, маркетологи и продавцы вам будут твердить о положительной работе вакуумных коллекторов в пасмурную погоду, демонстрируя в роликах и не только как вода налитая в трубку нагревается. Но за какой период? Включите систему, Вы ничего не извлекёте полезного — для нужд нагрева не будет. Это говорит о крайне низком энергетическом потенциале рассеянного излучения. К слову, концентраторы в виде фотона или фоклина «умеют» концентрировать рассеянное и отражённое излучение.
            По п.1. Безусловно, что слежение нужно организовывать по двум осям — по азимуту и высоте. Даже в приведённом Вами примере с отражателями остаются незасвеченные участки труб, что неблагоприятно, а в определённых случаях остаётся затенение от соседних труб и других конструктивных элементов, которых не избежать. Кроме того, каждая трубка имеет потери на участке передачи тепловой энергии, что по итогу суммируется. В конструкции Александра трубка одна (или две в зависимости от модели) и она засвечивается равномерно по всей окружности, что позволяет максимально снять тепло. Ещё можно добавить о скорострельности конструкции в силу малого объёма абсорбера, что позволяет быстро нагреть и быстро спрятать. Очень выгодно, когда солнце выходит на 15 мин. и опять спрячется.

          • Дмитрий Поварго

            Добавлю по трекингу по высоте. Допустим Ваши трубы стоят «по классике» вертикально, с летним углом. При низком солнце, не обязательно зимой, но и летом на восходе и закате, при определённом угле наступит 100% отражение от стекла трубки, без преломления и тем самым поступления света во внутрь.

          • Борис Афанасьев

            Дмитрий! Я занимаюсь наукой, реализовал много проектов и преподаю и популяризирую солнечную энергетику и специально для вас пытался объяснить на пальцах не частные случаи о которых без конца твердите, а общие, интегральные по времени, научно обобщенные и осредненные по дням в месяц, год и уважая собеседника не стал бы давать «буклеты и рекламу» и самоуверенные личные домыслы. Я все сказал, что хотел и далее участвовать в упрощенных умозаключениях не вижу смысла.

          • Дмитрий Поварго

            Борис, очень хорошо, что Вы популяризируете солнечную энергетику! Я очень хочу ознакомиться с Вашими проектами. Я практик. Будьте добры связаться со мной любым удобным Вам способом. pirogoff@tut.by

      • Борис Афанасьев

        Рекомендую больше обратить внимание на метеоданные прямого и рассеянного облучения — это главное! И в кВтЧ, а не в ВТ!