СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Опубликовано 13.02.2018 автором admin

Когда то,  в далеком 1989г. еще в СССР, мне выделили из Москвы финансирование на разработку «энергоактивного сооружения» (как сейчас говорят —   энергонезависимого дома с «нулевым потреблением»).
Под это дело была создана «проблемная лаборатория» в Архитектурном Строительном институте г. Алма-Аты. (ААСИ). Где по ходу дела было сделано много полезных разработок, а также  изобретены и изготовлены «сверхлегкие» (и дешевые) тонкопленочные зеркала практически любого размера и оптического качества (а иначе было бы невозможно получать плоскопараллельные пучки света для световодов см. фото концентратора).
Причем делалось это в связи с идеей использовать подвалы городских жилых зданий для  теплиц и оранжерей, поскольку для этого там не хватает только солнечного света. Его предполагалось собирать на крыше концентраторами и далее транспортировать по световоду в помещения.
И вот спустя десятилетия пришло время вспомнить о той давней разработке.

Естественно, о них вспоминать приходилось и раньше — например в связи с удешевлением солнечных электростанций, поскольку использование концентраторов света позволяет снизить до 10 раз стоимость вырабатываемого фотоэлементами электричества, и одновременно получать в больших объемах горячую воду. Эти же концентраторы позволяют преобразовывать солнечный свет в холод (абсорбционные холодильники), опреснять соленую воду и т.д.
Но как то все руки не доходили доводить эти технологии до промышленных образцов. И к тому же я наивно полагал, что кто то уже давно освоил производство подобных зеркал и возвращаться к разработке нет смысла. Однако, когда возникла необходимость строительства мобильных домов, и я решил прикупить каких нибудь «китайских зеркал» для солнечных концентраторов, выяснилось, что воз и ныне там… Максимум это громоздкие и дорогостоящие промышленные зеркала за баснословные деньги, которые не только не удешевят, но и многократно удорожат получение солнечной энергии (проще тогда поставить фотоэлементы или солнечные тепловые коллекторы).
В общем разработка оказалась и ныне актуальной — поэтому привожу ее описание (еще того времени). Ну а мне ее вспомнить пришлось совсем по другому поводу — потребовались высококачественные зеркала для «Биотрона» 

1. Альтернативная энергетика — Гелиоконцентратор.                Тонкопленочный концентратор солнечной энергии с электростатической стабилизацией поверхности*. Решает проблему создания альтернативной энергетики соизмеримой по стоимости с традиционной, но без затрат на топливо при эксплуатации.

*Разработанный солнечный концентратор из тонкой пластиковой пленки, имеет одну из самых низких в мире себестоимостей (до 1$/м2). Кривизна зеркала пленки получена за счет  барических и   электростатических  сил (нет необходимости в жесткой массивной подложке), что дает уникальную возможность получения в зоне фокуса до 3000 градусов температуры. Пластиковая пленка  в сотни раз легче других отражателей гелиоконцентраторов типа стекла или алюминиевых листов, не подвержена тепловой и механической деформации  (это в свою очередь снижает стоимость не только самого гелиоконцентратора, но и материалов  крепления, рамы, стоек, систем управления и.т.п.). Прибор  не требует дорогостоящих механизмов слежения за солнцем, поскольку может иметь значительную рабочую площадь. Прибор ремонтопригоден, не требует специальных приспособлений и высокой квалификации для замены отражающей поверхности. При необходимости пленка просто заменяться  собственными силами потребителя. Долговечность пленки —  до 3 лет. 

Фото. Внешний вид концентратора массой 1,5кГ, являющегося основой универсального энергоблока.  Автор демонстрирует на опытном образце, как в фокусе зеркала почти мгновенно загорается деревянная палка. На базе этой и сопутствующих разработок и Ноу-хау предлагается  производство:·         Мощных Электростанций с электрогенераторами  поршневого или лопастного типа (турбиной), либо оригинальным двигателем — электрогенератором внешнего горения см. п.п.6. Солнечная  энергия от комплекса гелиоконцентраторов может вырабатывать перегретый пар, и обеспечивать работу  стандартных мощных преобразователей механической энергии в электричество, либо нагревать непосредственно рабочее тело для предлагаемого ниже (п.6) оригинального двигателя внешнего горения.

  • Высокотемпературные источники для различных технологических циклов,  плавки металлов, производства стройматериалов, переработки сельхоз продукции.
  • Систем преобразования солнечной  энергии в традиционное топливо, включая производство автомобильного топлива из органических отходов, и т.п. и горючих газов, в том числе водорода.
  • Подземных высокорентабельных теплиц, сельхоз назначения, работающих без затрат топлива и электроэнергии, обеспечивающих 100% защиту от неблагоприятных климатических  условий.
  • Универсальный бытовой энергоблок на солнечной энергии. Коммерческий проект быстрой окупаемости. (На первом этапе возможна организация отверточного  производства, с промежуточным типом зеркала (Ноу-хау), из широко распространенных комплектующих.)

Энергоблок  обеспечивает автономное энергоснабжение по себестоимости соизмеримой со стоимостью бензогенератора аналогичной мощности, но не потребует  топлива и сложного обслуживания. Мощность единичного модуля энергоблока выбирается в пределах 2÷4 кВт. Энергоблок имеет высокотемпературную до 3500С духовку или плиту для приготовления пищи, электрическую фотобатарею мощностью 300 ÷ 1000вт для питания бытовой техники (освещение, холодильник и т.д.). Систему утилизации  солнечного тепла для отопления, получения горячей воды или работы опреснителя. Заменит спутниковую антенну в ночное время. Использование нескольких таких модулей позволит обеспечить автономное энергоснабжение жилого комплекса или поселения.

 Ориентировочный сегмент рынка солнечных концентраторов – обеспечение мировой альтернативной гелиоэнергетики и создание промышленных гелио электростанций.Ориентировочный оборот —  возможно замещение не менее  10% мировой потребности в узлах  для альтернативных источников энергии.Уровень рентабельности – расчетное суммарное преимущество по сравнению с аналогами до 10 раз.Уровень готовности – опытные образцы.Перспективы – массовое производство систем автономного энергообеспечения и создание альтернативной энергетики обеспечивающей энергетическую и экологическую безопасность.

            Так, Энергоблок на основе комплекса концентраторов, площадью 2 км х 5 км,  установленный в пустынной местности, за 1 год  произведет 12,8 млрд. кВт\ч тепловой энергии или при 30% преобразовании  —  4 млрд. кВт\ч. электроэнергии.

2.Универсальная полупромышленная силовая установка на базе сборника-концентратора солнечной энергии и  теплового насоса.

 Разработан концентратор солнечной энергии из тонкой пластиковой пленки. Имеет одну из самых низких в мире себестоимостей (до 1$/м готового зеркала). Пластиковая пленка  в сотни раз легче других отражателей типа гелиоконцентраторов из стекла или алюминиевых листов, не подвержена тепловой и механической деформации  (это в свою очередь снижает стоимость не только самого гелиоконцентратора, но и материалов  крепления, рамы, стоек, систем управления и.т.п.). Кривизна зеркала пленки получена за счет  барических и   электростатических  сил (нет необходимости в жесткой массивной подложке), что дает уникальную возможность получения в зоне фокуса до 1000 градусов (цилиндрическое зеркало). Прибор  не требует дорогостоящих механизмов слежения за солнцем, поскольку может иметь значительную избыточную  рабочую площадь. Прибор ремонтопригоден, не требует специальных приспособлений и высокой квалификации для замены отражающей поверхности. При необходимости пленка просто заменяться  собственными силами потребителя. Долговечность пленки —  до 3 лет.  Солнечная батарея на основе кремневых фотоэлементов и концентратора (с тепловым экраном) позволяет получать электроэнергию стоимостью до 10 цент  за 1 кВт, окупается в течение первого года эксплуатации (без учета стоимости подстанций, аккумулирования и транспортировки).

 

Автор демонстрирует  тонкопленочное зеркало массой 1,5 кГ.

(и да.. молоды мы были))) 

Краткое описание:

  1. Предназначение:

            В зависимости от комплектации установка обеспечивает следующие функции:

  1. Отопление бытовых и производственных помещений, получение горячей воды и перегретого пара.
  2. Получение и аккумулирование тепловой энергии для приготовления пищи и обеспечения высокотемпературных технологических процессов.
  3. Освещение и обогрев  теплиц, выращивание водорослей и биокультур.
  4. Опреснение соленой воды, получение дистиллята, использование в процессах перегонки различных жидкостей.
  5. Получение холода, создание холодильников, кондиционеров, рефрижераторов, автономных складов и хранилищ.
  6. Использование при переработке сельхоз продукции (получение сгущеного молока, пастеризация, сушка, варка и т.д.)
  7. Выработка электроэнергии.
  1. Комплектность:

            Установка состоит из трех сравнительно независимых основных систем:

  1. Сборника-концентратора солнечной энергии, системы управления и штормовой защиты.
  2. Тепловой трубы с естественной или принудительной циркуляцией и насосом преобразователем.
  3. “Теплового насоса” с теплообменниками.

            Кроме того, в зависимости от назначения установка комплектуется дополнительными устройствами:

  1. Реактором для дистилляции (опреснения) или перегонки жидкостей.
  2.  Низкотемпературным теплоаккумулятором.
  3. Высокотемпературным теплоносителем и теплоаккумулятором.
  4. Печью или автоклавом на высокотемпературном теплоносителе.
  5. Тепловыми рекуператорами для возврата тепла (холода) при вентиляции.
  6. Различными теплообменниками и объемными световодами.
  7. Электрогенератором  с приводом поршневого или лопастного типа.
  8. Электрогенератором на фотоэлектрических элементах.
  9. Электрическим аккумулятором и преобразователем напряжения.

 

  1. Описание устройства (Рис.1):
  2. Солнечное излучение фокусируется с помощью цилиндрического зеркала (1) в протяженный шнур шириной 40¸80мм. и длинной 2,5 м. В фокусе установлены фокон для снижения потерь и зачерненная труба-радиатор  с теплоносителем (2) . Общее количество зеркал определяется требуемой мощностью установки. (Для варианта освещения и обогрева  застекленных теплиц, веранд, зимнего сада и.т.п., фокусное расстояние концентратора соответственно увеличивается, в фокусе устанавливается зеркало отражатель и все последующие устройства исключаются).
  3. Теплоноситель испаряется, поглощая тепло солнечного излучения, разогретый пар приводит в действие насос (3) для перекачки теплоносителя и транспортирует тепло к теплообменнику (4) установленному в баке низкотемпературного теплоаккумулятора с водой (5).
  4. Насос (3) перекачивает вторичный теплоноситель (“теплового насоса”) который через теплообменник (6) поглощает тепло грунта, воздуха или воды и транспортирует его к теплоаккумулятору (5) через теплообменник (7). (Для увеличения надежности системы и на случай длительной непогоды, привод теплового насоса (3) может быть продублирован двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем, при этом тепловая эффективность использования топлива или электроэнергии возрастет в k раз, где k эффективность теплового насоса.)
  5. Для высокотемпературного теплоносителя с естественной циркуляцией (тепловая труба) все звенья кроме 1,2 исключаются, вместо низкотемпературного теплоаккумулятора устанавливается любое дополнительное устройство: реактор для дистилляции, печь или автоклав, электрогенератор и т.д.
  1. Технические характеристики:
  2. Тепловая мощность сборника-концентратора солнечной энергии 20 кВт (Февраль — полдень, широта 560 , 6 модулей).
  3. Совокупная тепловая мощность, совместно с “тепловым насосом” 40¸90кВт. (в зависимости от вторичного источника тепла — вода, грунт, воздух и перепада температур — эффективность теплового насоса принята: k =1,5 ¸ 6 ).
  4. Средняя удельная тепловая мощность за сутки 11,7 ¸30 кВт/час. (8 часовой световой день, эффективность “теплового насоса” k =1,5 ¸6 ).
  5. Средняя отапливаемая площадь в м2, для различных температур окружающего воздуха, согласно Таблице 1. (Расчеты выполнены для варианта с использованием низкотемпературного теплоаккумулятора   (вода — 18 тонн),  в расчете на 33 %  солнечных дней в неделю,  8 часовой световой день,  эффективность теплового насоса k=3, рекуперация теплопотерь при вентиляции 65%) :

 

Таблица 1.

                                               Температура  наружного воздуха 0С.

Этажность  -50С  -100С  -150С  -200С  — 250С  -300С  -350С
       1  152 м2  146 м2  142 м2  111 м2  106 м2  99 м2  94 м2
       2  186 м2  177 м2  168 м2  154 м2  146 м2  142 м2  134 м2
       3  255 м2  238 м2  221 м2  206 м2  190 м2  175 м2  161 м2
       4  325 м2  299 м2  274 м2  258 м2  234 м2  209 м2  189 м2
  1. Кондецированние воздуха в летнее время на площади соответствующейотапливаемым площадям. (tср. окружающего воздуха = +450С; tср. воздуха в помещении+180С; световой день ³ 10 часов; рекуперация теплопотерь при вентиляции 60%)
  2. Холодильник:средний охлаждаемый объем камеры-хранилища 150 м3.    (tср. окружающего воздуха = +350С;  tср. воздуха в холодильнике -50С; световой день ³ 10 часов;  теплопопотери  25%)

 

Дополнительные функции:

  1. Дистилляция (опреснение) воды(начальная температура жидкости везде 200С): комплектность без “теплового насоса”, в полдень ³ 20 л/час .Средняя, в автономном режиме ³ 200 л/световой день.
  2. Дистилляция воды: комплектность с “тепловым насосом” ³ 150 л/час Средняя, в автономном режиме ³ 1500 л/световой день.
  3. Дистилляция спиртов, нефти (перегонка) летом с “тепловым насосом” ³ 3000 л/день.
  4. Высокотемпературные технологические процессы — запасаемая энергия высокотемпературным теплоаккумулятором за солнечный день (tср ³ 3500С  — силикат, гидраты):    лето ³ 150 кВт/час;    зима ³ 100 кВт/час.   (Для обеспечения высокотемпературных технологических процессов соответствует электропечи-автоклаву  мощностью 18 кВт  в течении 8 часов,  либо мощностью 6,5 кВт в течении суток, возможна кратковременная тепловая мощность до 200 кВт.)
  5. Электрогенератор поршневым или лопастным приводом. В зависимости от модификации и стоимости КПД 20-30%. Мощность 5¸6,5 кВт . Среднее количество электричества за солнечный день:  лето ³ 50 кВт/час; зима ³ 30 кВт/час.  При стоимости электроэнергии  0,05$/кВт´час срок окупаемости 1-2 года. (Возможно применение сборника-концентратора совместно с фотоэлементами, при этом сравнительная стоимость на 1ватт мощности фотоэлемента снижается  от 4¸6$/вт. до 0,5¸1$/вт.  Соответственно на базе 6 модулей монтируется установка мощностью 1,6¸2 кВт, при полной себестоимости около 4.500$ USA, что соизмеримо со стоимостью бензиновых автономных электрогенераторов (без стоимости топлива) . Средний срок окупаемости при цене электроэнергии 0,1$/кВт´час, около 5 лет  (без учета стоимости ремонта и замены элементов). Что может быть приемлемо  для районов удаленных от централизованных источников электроэнергии и линий электропередач.)

 

  1. Габариты:
  2. Освещенная площадь занятая установкой 36 м2 (6 модулей 2,5´2 м в любой комбинации ).
  3. Высота развернутой установки  2,2 ¸ 2,4 м.
  4. Максимальная масса модулей (каркас стальной уголок) 6 ´35 Кг. = 210 Кг. Минимальная масса (каркас дюралюминий) 6 ´12Кг. = 72 Кг.
  5. Бак низкотемпературного аккумулятора ³ 15 м3 (для условий 33% солнечных дней в неделю, 8 часов световой день, средняя температура воздуха -200С).

Масса и габариты вспомогательных устройств — в зависимости от комплектации.

Запись опубликована в рубрике Без рубрики. Добавьте в закладки постоянную ссылку.