Преобразуем солнечный свет в тепло и электроэнергию

Нас уже не удивляет картинка, когда мы, проходя по улице видим на крышах домов солнечные коллекторы и солнечные панели. Первые преобразуют солнечный свет в тепловую энергию, вторые вырабатывают электрический ток. И те, и другие солнечную инсоляцию используют как источник энергии, но схемы преобразования совершенно разные. Естественно, чтобы иметь в качестве альтернативного источника тепло и электроэнергию, нужно практически понести двойные затраты.

Оказывается, есть технические решения, позволяющие объединить такие две системы в одну, что значительно увеличивает эффективность преобразования солнечного света. В Одессе (Украина) последние пять лет была протестирована и запатентована двухстороння солнечная панель преобразующая солнечный свет в тепло и электроэнергию.  С разработкой одесских изобретателей «Двухсторонние солнечные электротеплогенераторы» вы могли познакомиться в журнале «Винахідник і раціоналізатор», №1 за 2018 г. Авторы этой разработки сегодня изготавливают такие панели под заказ.

Недавно, аналогичную комплексную систему преобразования солнечного света в тепло и электричество, представили научно-исследовательское подразделение IBM совместно со швейцарской компанией Airlight Energy. В рамках проекта под названием «Подсолнух» (Project Sunflower) была разработана установка HCPVT (highly efficient concentrated photovoltaic/thermal), которая помимо электричества, может обеспечивать здания горячей водой.

Конструкция «hi-tech подсолнуха» оснащена высокоэффективными фотоэлементами, которые способны преобразовывать собранные рефлекторами в точке фокуса солнечные лучи в электричество при высоких температурах. В основном, элементы и решения, применяемые в HCPVT достаточно известны, исключение составляет лишь одна технология – одновременное использование двух методов генерации солнечной энергии: термального (используются высокие температуры) и светового (фотоэлементы).

Рефлекторы (отражатели) «подсолнуха» представляют собой вогнутые зеркала, материалом для которых послужила алюминиевая фольга. Специалисты проекта выбрали его из-за относительной дешевизны и высокой отражающей способности. Кроме того, тонкий слой алюминия (толщина 0,2 мм) достаточно надежен и для его защиты не требуется специальных приспособлений.

«Солнечный цветок» с поверхностью 40 м2 имеет внешний вид параболической антенны и состоит из 36 эллиптических «лепестков», каждый из которых включает в себя 6 рефлекторов. Рефлекторы создают точку фокуса световых лучей, в которой размещены 6 коллекторов, по одному на каждый блок из шести отражателей.

Именно коллекторы и являются «ноу-хау» системы. Прежде всего, каждый коллектор покрыт слоем фотоэлементов из арсенида галлия (GaAs). Это химическое соединение преобразует свет в электроэнергию с гораздо большим КПД (около 38%), чем это делает лучшие аналоги из кремния (около 20%). GaAs более дорогостоящий материал, тем не менее в «фотогальванических подсолнухах» арсенида галлия применяется немного – им покрывается лишь небольшая область, в которой фокусируется свет.

Один коллектор устройства содержит покрытие арсенида галлия площадью всего несколько см2, но в итоге, получившейся энергоэффективности фотоэлемента на сегодняшний день нет равных. Генерирующая способность каждого коллектора находится в пределах 2 кВт, а в общем фотоэлектрческая система HCPVT выдает до 12 кВт энергии.

Разработчики солнечных панелей знают, что полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии при нагревании теряют определенную часть эффективности. Даже GaAs ограничен температурой около 1050 C. Основная проблема – это высокие температуры (выше 15000 C) в точке фокуса и, похоже, исследователи IBM нашли решение.

Специалисты компании применили оригинальный метод, который уже применялся IBM для охлаждения суперкомпьютеров – это жидкостная система охлаждения, в которой в качестве хладагента выступает горячая вода. Но в случае с HCPVT все несколько по-другому – используется «водяной массив», представляющий собой кремниевый блок с микрожидкостными каналами. Таких каналов делается несколько тысяч, и по ним вода поступает к нагреваемым элементам устройства. Такая технология позволяет значительно увеличить количество тепла, которое можно рассеять, микроканалы в этом плане гораздо более эффективны, чем обычные каналы, какие используются в стандартной системе охлаждения.

 «Технология прямого охлаждения при очень небольшой мощности накачки используется для охлаждения фотовольтаических чипов. Создавая эту систему, мы вдохновлялись решением природы – разветвлённой системой кровоснабжения в организме человека», — поясняет один из авторов исследования Бруно Мишель (Bruno Michel), сотрудник IBM Research. Эти «охладители» закрепляются на задней стороне фотоэлементов, что позволяет охлаждать площадки до требуемой температуры в 1050 С. В результате система, которая производит 12 кВт электрической энергии, дополнительно выдает 21 кВт тепловой энергии.

Жидкостный коллектор одесситов (солнечная панель 400 Вт), одновременно с электроэнергией выдает 2,5 кВт тепла в виде горячей воды.

Установка HCPVT дополнительно может быть настроена таким образом, чтобы обеспечивать потребителей питьевой и горячей водой, а также предоставляет возможность для кондиционирования воздуха. Так, вода, содержащая соли, проходит через нагревательные трубки, а затем переходит в дистилляционную систему с проницаемой мембраной, где она опресняется и выпаривается. Для получения холодного воздуха отходящее тепло можно пропускать через адсорбционную холодильную машину, которая представляет собой обычный теплообменник с испарителем и конденсатором, использующего воду в качестве хладагента.

Срок службы каждого «Sunflower», который преобразует солнечный свет в тепло и электроэнергию может составлять приблизительно в 60 лет при соответствующем обслуживании, замене фольги и зеркал-отражателей каждые 10-15 лет (в зависимости от среды эксплуатации). Фотоэлементы нужно будет заменять каждые 25 лет.

Источник

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