Un colector solar este un dispozitiv pentru colectarea energiei termice a Soarelui (planta solară), transportată de lumina vizibilă și radiația infraroșie apropiată . Spre deosebire de panourile solare care produc energie electrică , colectorul solar încălzește materialul de transfer de căldură .
Utilizat de obicei pentru nevoile de alimentare cu apă caldă și încălzirea spațiului. [unu]
Un colector plat este format dintr-un element care absoarbe radiația solară (absorbant), un strat transparent și un strat izolator termic. Absorbantul este conectat la sistemul de transfer de căldură . Este acoperit cu vopsea neagră sau cu un strat selectiv special (de obicei pulverizare cu nichel negru sau oxid de titan) pentru a crește eficiența. Elementul transparent este de obicei realizat din sticlă călită cu un conținut redus de metal sau din policarbonat ondulat special . Spatele panoului este acoperit cu un material termoizolant (cum ar fi poliizocianuratul ). Tuburile prin care este distribuit lichidul de răcire sunt realizate din polietilenă sau cupru reticulat . Panoul în sine este etanș, pentru care găurile din el sunt închise cu etanșant siliconic.
În absența aportului de căldură (stagnare), colectoarele cu plăci plate pot încălzi apa până la 190-210 ° C .
Cu cât este transferată mai multă energie incidentă lichidului de răcire care curge în colector, cu atât eficiența acestuia este mai mare. Poate fi mărită prin utilizarea unor acoperiri optice speciale care nu emit căldură în spectrul infraroșu.
Este posibilă creșterea temperaturii lichidului de răcire până la 250-300 °C în modul de limitare a extracției căldurii. Acest lucru se poate realiza prin reducerea pierderilor de căldură ca urmare a utilizării unui strat de sticlă multistrat, etanșarea sau crearea unui vid în colectoare .
De fapt, o conductă de căldură solară are un dispozitiv asemănător cu termosurile de uz casnic. Doar partea exterioară a tubului este transparentă, în timp ce tubul interior are o acoperire foarte selectivă care captează energia solară. Există un vid între tubul de sticlă exterior și interior. Este stratul de vid care face posibilă economisirea a aproximativ 95% din energia termică captată.
În plus, conductele de căldură și-au găsit aplicație în colectoarele solare în vid , care acționează ca un conductor de căldură. Când instalația este iradiată cu lumina soarelui, lichidul din partea inferioară a tubului se încălzește și se transformă în vapori. Vaporii se ridică în partea de sus a tubului (condensator), unde condensează și transferă căldură la colector. Utilizarea acestui circuit vă permite să obțineți o eficiență mai mare (comparativ cu colectoarele cu plăci plate) atunci când lucrați la temperaturi scăzute și lumină scăzută.
Colectoarele solare moderne de uz casnic pot încălzi apa până la punctul de fierbere chiar și la temperaturi ambientale negative.
Lichidul de răcire (apă, aer, ulei sau antigel ) este încălzit prin circulație prin colector, apoi transferă energie termică în rezervorul de stocare, care acumulează apă caldă pentru consumator.
Intr-o varianta simpla, circulatia apei se produce in mod natural datorita diferentei de temperatura din colector. Această soluție îmbunătățește eficiența instalației solare, deoarece eficiența colectorului solar scade odată cu creșterea temperaturii lichidului de răcire.
Exista si instalatii solare de incalzire a apei de tip acumulator, in care nu exista rezervor de stocare separat, iar apa incalzita este stocata direct in colectorul solar. În acest caz, instalația este un rezervor aproape de o formă dreptunghiulară. [unu]
| Tubular cu vid | Plat foarte selectiv |
|---|---|
| Avantaje | Avantaje |
| Pierderi reduse de căldură | Abilitatea de a curăța zăpada și înghețul |
| Eficienta in sezonul rece pana la -30C | Performanță ridicată vara |
| Abilitatea de a genera temperaturi ridicate | Raport excelent preț/performanță pentru latitudinile sudice și climă caldă |
| Perioada lungă de muncă în timpul zilei | Poate fi instalat sub orice unghi |
| Ușurință de instalare | Cost inițial mai mic |
| Vant redus | |
| Raport excelent preț/performanță pentru latitudini temperate și climă rece | |
| Defecte | Defecte |
| Incapacitatea de a auto-cură zăpada | Pierderi mari de căldură |
| Costul inițial al proiectului relativ ridicat | Performanță slabă în sezonul rece |
| Unghiul de înclinare de lucru nu mai mic de 20° | Complexitatea instalării asociată cu necesitatea de a livra colectorul asamblat pe acoperiș |
| Vant mare |
O creștere a temperaturilor de funcționare până la 120–250 °C este posibilă prin introducerea de concentratoare în colectoarele solare folosind reflectoare cu jgheab parabolice așezate sub elemente absorbante. Dispozitivele de urmărire solară sunt necesare pentru a obține temperaturi de funcționare mai ridicate.
Colectoarele solare de aer sunt dispozitive care funcționează cu energia solară și încălzesc aerul. Colectoarele solare de aer sunt folosite cel mai adesea pentru încălzirea spațiilor, uscarea produselor agricole. Aerul trece prin absorbant datorită convecției naturale sau sub influența unui ventilator.
La unele încălzitoare solare de aer, ventilatoarele sunt atașate la placa absorbantă pentru a îmbunătăți transferul de căldură. Dezavantajul acestui design este ca consuma energie pentru a actiona ventilatoarele, crescand astfel costurile de operare ale sistemului. În climatele reci, aerul este canalizat în spațiul dintre placa absorbantă și peretele izolat din spate al colectorului: astfel se evită pierderea de căldură prin geam. Cu toate acestea, dacă aerul este încălzit cu cel mult 17°C peste temperatura aerului exterior, mediul de transfer de căldură poate circula pe ambele părți ale plăcii absorbante fără pierderi mari de eficiență.
Principalele avantaje ale colectoarelor de aer sunt simplitatea și fiabilitatea lor. Cu o îngrijire adecvată, un colector de calitate poate rezista 10-30 de ani și este foarte ușor de gestionat. Nu este necesar un schimbător de căldură deoarece aerul nu îngheață.
Colectorii solari sunt utilizați pentru încălzirea spațiilor industriale și casnice, pentru alimentarea cu apă caldă a proceselor de producție și a nevoilor casnice. Cel mai mare număr de procese de producție care utilizează apă caldă și caldă (30-90 °C) au loc în industria alimentară și textilă, care au astfel cel mai mare potențial de utilizare a colectoarelor solare.
În Europa, în 2000, suprafața totală a colectoarelor solare era de 14,89 milioane m² , iar la nivel mondial - 71,341 milioane m².
Concentratoarele solare pot produce energie electrică folosind celule fotovoltaice sau un motor Stirling .
Colectorii solari pot fi utilizați în instalațiile de desalinizare a apei de mare. Conform estimărilor Centrului Aerospațial German (DLR), până în 2030 costul apei desalinizate va scădea la 40 de cenți de euro pe metru cub de apă [2]
Potrivit cercetării JIHT RAS , în perioada caldă (din martie-aprilie până în septembrie), în cea mai mare parte a Rusiei, cantitatea medie zilnică de radiație solară este de 4,0-5,0 kWh/m² (în sudul Spaniei - 5,5-6,0 kWh/ m², în sudul Germaniei - până la 5 kWh/m²). Acest lucru face posibilă încălzirea a aproximativ 100 de litri de apă pentru uz casnic folosind un colector solar de 2 m² cu o probabilitate de până la 80%, adică aproape zilnic. Conform aportului mediu anual de radiație solară, liderii sunt Transbaikalia , Primorye și sudul Siberiei . Ele sunt urmate de sudul părții europene (până la aproximativ 50º N) și de o parte semnificativă a Siberiei.
Utilizarea colectoarelor solare în Rusia este de 0,2 m² / 1000 de persoane.În Germania se folosesc 140 m² / 1000 de persoane, în Austria 450 m² / 1000 de persoane, în Cipru aproximativ 800 m² / 1000 de persoane.
În perioada de vară, majoritatea regiunilor Rusiei până la 65º N.S. se caracterizează prin valori mari ale radiației medii zilnice. În timpul iernii, cantitatea de energie solară de intrare scade de mai multe ori în funcție de locația latitudinală a instalației.
Pentru utilizare pe orice vreme, unitățile trebuie să aibă o suprafață mare, două circuite antigel , schimbătoare de căldură suplimentare. În acest caz, se folosesc colectoare evacuate sau colectoare plane cu un strat foarte selectiv, deoarece diferența de temperatură dintre lichidul de răcire încălzit și aerul exterior este mai mare. Cu toate acestea, acest design este mai scump. [unu]
Construcția de colectori se desfășoară în prezent în principal în Teritoriul Krasnodar , Buriația , Primorsky și teritoriile Khabarovsk . [3]
Pentru prima dată, ideea creării unei centrale solare de tip industrial a fost propusă de inginerul sovietic N.V. Linitsky în anii 1930 . În același timp, el a propus o schemă pentru o stație solară cu un receptor central pe turn. În el, sistemul de captare a razelor solare consta dintr-un câmp de heliostate - reflectoare plate controlate în două coordonate. Fiecare heliostat reflectă razele soarelui pe suprafața receptorului central, care este ridicat deasupra câmpului heliostatelor pentru a elimina influența umbririi reciproce. În ceea ce privește dimensiunile și parametrii, receptorul este similar cu un cazan de abur convențional.
Evaluările economice au arătat fezabilitatea utilizării unor turbine generatoare mari de 100 MW la astfel de stații. Pentru ei, parametrii tipici sunt o temperatură de 500 °C și o presiune de 15 MPa. Ținând cont de pierderi, pentru asigurarea unor astfel de parametri, a fost necesară o concentrație de aproximativ 1000. O astfel de concentrație s-a realizat prin controlul heliostatelor în două coordonate. Stațiile trebuiau să aibă acumulatori de căldură pentru a asigura funcționarea motorului termic în absența radiației solare.
Din 1982 , mai multe centrale de tip turn au fost construite în Statele Unite ale Americii , cu o capacitate de 10 până la 100 MW. O analiză economică detaliată a sistemelor de acest tip a arătat că, luând în considerare toate costurile de construcție, 1 kW de capacitate instalată costă aproximativ 1150 USD . Un kWh de energie electrică costă aproximativ 0,15 USD.
Concentratoarele parabolico-cilindrice au forma unei parabole , întinse de-a lungul unei linii drepte.
În 1913, Frank Schumann a construit o stație de pompare în Egipt din concentratoare cu jgheab parabolice. Stația era formată din cinci hub-uri fiecare cu lungimea de 62 de metri. Suprafețele reflectorizante au fost realizate din oglinzi obișnuite. Stația producea abur, cu care pompa aproximativ 22.500 de litri de apă pe minut [4] .
Un concentrator de oglindă parabolic-cilindric concentrează radiația solară într-o linie și poate furniza concentrația sa de o sută de ori. Un tub cu un lichid de răcire (ulei) sau o celulă fotovoltaică este plasat în centrul parabolei . Uleiul este încălzit într-un tub la o temperatură de 300-390 °C. În august 2010, NREL a testat instalația SkyFuel. În timpul testelor, eficiența termică a concentratoarelor cu jgheab parabolice a fost demonstrată a fi de 73% la o temperatură de încălzire a lichidului de răcire de 350 °C [5] .
Oglinzile cilindrice parabolice au o lungime de până la 50 de metri. Oglinzile sunt orientate de-a lungul axei nord-sud și dispuse în rânduri la fiecare câțiva metri. Lichidul de răcire intră în acumulatorul de căldură pentru generarea ulterioară de electricitate de către un generator cu turbină cu abur .
Din 1984 până în 1991, nouă centrale electrice au fost construite din concentratoare cu jgheab parabolice în California , cu o capacitate totală de 354 MW. Costul energiei electrice a fost de aproximativ 0,12 USD pe kWh.
Compania germană Solar Millennium AG construiește o centrală solară în Mongolia Interioară ( China ) . Capacitatea totală a centralei va crește la 1.000 MW până în 2020 . Capacitatea primei etape va fi de 50 MW.
În iunie 2006, prima centrală solară termică cu o capacitate de 50 MW a fost construită în Spania . În Spania , până în 2010, pot fi construite 500 MW de centrale electrice cu concentratoare parabolice.
Banca Mondială finanțează construcția de centrale electrice similare în Mexic , Maroc , Algeria , Egipt și Iran .
Concentrația radiației solare permite reducerea dimensiunii celulei fotovoltaice . Dar, în același timp, eficiența sa scade și este necesar un fel de sistem de răcire.
Concentratoarele parabolice au forma unui paraboloid al revoluției. Reflectorul parabolic este controlat în două coordonate atunci când urmărește soarele. Energia soarelui este concentrată pe o zonă mică. Oglinzile reflectă aproximativ 92% din radiația solară care cade asupra lor. În centrul reflectorului, un motor Stirling , sau celule fotovoltaice, este montat pe un suport . Motorul Stirling este amplasat astfel încât zona de încălzire să fie în centrul reflectorului. Fluidul de lucru al unui motor Stirling este de obicei hidrogen sau heliu .
În februarie 2008, Laboratorul Național Sandia a atins o eficiență de 31,25% într-o instalație formată dintr-un concentrator parabolic și un motor Stirling [6] .
Instalații cu concentratoare parabolice cu o capacitate de 9–25 kW sunt în prezent în construcție. Se dezvoltă instalații casnice cu o capacitate de 3 kW. Eficiența unor astfel de sisteme este de aproximativ 22-24%, ceea ce este mai mare decât cea a celulelor fotovoltaice. Colectorii sunt fabricați din materiale obișnuite: oțel , cupru , aluminiu etc., fără a utiliza siliciu "de calitate solară" . În metalurgie se folosește așa-numitul „siliciu metalurgic” cu o puritate de 98%. Pentru producerea celulelor fotovoltaice se folosește siliciu de „puritate solară”, sau „gradație solară” cu o puritate de 99,9999% [7] .
În 2001, costul energiei electrice generate în colectoarele solare a fost de 0,09-0,12 USD per kWh . Departamentul de Energie al SUA prevede că costul energiei electrice produse de concentratoarele solare va scădea la 0,04-0,05 USD până în 2015-2020 .
Stirling Solar Energy dezvoltă colectoare solare de dimensiuni mari - până la 150 kW cu motoare Stirling . Compania construiește cea mai mare centrală solară din lume în sudul Californiei . Până în 2010 vor exista 20.000 de colectoare parabolice cu un diametru de 11 metri. Capacitatea totală a centralei poate fi mărită până la 850 MW.
Lentilele Fresnel sunt folosite pentru a concentra radiația solară pe suprafața unei celule fotovoltaice sau pe un tub de transfer de căldură. Se folosesc atât lentile inelare, cât și pentru talie. În engleză se folosește termenul LFR - reflector liniar Fresnel.
În 2010, în întreaga lume funcționau 1.170 MW de centrale solare termice. Dintre acestea, Spania are 582 MW, iar SUA 507 MW. Este planificată construirea de 17,54 GW de centrale solare termice. Dintre acestea, în SUA 8670 MW, în Spania 4460 MW, în China 2500 MW [8] . În 2011, existau 23 de producători și furnizori de colectoare plate din 12 țări; 88 de producători și furnizori de colectoare de vid din 21 de țări. [9]