Soczewki Fresnela – przykłady zastosowań

Systemy skupiania punktowego (jedno- i dwustopniowe)

Najbardziej oczywistym zastosowaniem koncentratorów jest wytworzenie skoncentrowanego promieniowania słonecznego do zasilania ogniw fotowoltaicznych. Przykładowo jedna z firm produkuje soczewkę o kopułowym kształcie i wymiarach zredukowanych do poziomu umożliwiającego jej zastosowanie w aplikacjach kosmicznych, np. do koncentracji promieniowania słonecznego dla potrzeb generowania energii zasilającej aparaturę stacji [1].

Koncepcja takiego koncentratora ma istotne zalety w porównaniu ze słonecznym systemem opartym na organicznym obiegu Rankine’a (ORC) w zastosowaniach na orbicie okołoziemskiej, gdzie wymagany jest magazyn energii. W niedalekiej przyszłości możliwe stanie się osiągnięcie gęstości wytwarzanej mocy elektrycznej w odniesieniu do parametrów układu optycznego rzędu 300 W/m² i 100 W/kg. Jest to realne, gdyż obecnie sprawność skupiania soczewek płaskich i kopułowych wynosi odpowiednio 77,3 i 81,5%.

Istotny krok naprzód w rozwoju zastosowań koncentratorów punktowych w fotowoltaice możliwy był dzięki zastosowaniu zespołów soczewek kopułowych – pozwala to uzyskać współczynnik koncentracji dochodzący nawet do 500. Badania wiązały się m.in. z wykorzystaniem pakietów w formie trójrzędowej [1].

Dla modułu złożonego z 36 elementów fotowoltaicznych o łącznej powierzchni 7056 cm² (koncentracja 400 x) osiągnięto szczytową niekorygowaną sprawność o wartości 26,6%. Dla porównania: mierzona w terenie sprawność takiego samego typu modułu z sześcioma ogniwami słonecznymi połączonymi w pakiety o łącznej powierzchni 1176 cm² wynosiła średnio 27,6%.

Znacznie większe sprawności możliwe są do osiągnięcia przy zastosowaniu korekty temperaturowej. W takim przypadku dla modułu o współczynniku koncentracji 550 x w warunkach optymalnego promieniowania słonecznego sprawność wyniosła 31,5 ±1,7%, podczas gdy dla komercyjnych modułów krzemowych sięga 14%.

Przytoczone przykładowe koncentratory charakteryzują się niewielkimi wymiarami. Należy jednak podkreślić, że istnieją także urządzenia optyczne tego typu o powierzchni rzędu 7000 m². Taki koncentrator został już zademonstrowany jako urządzenie mogące poprawić sprawność trójwarstwowego modułu fotowoltaicznego (InGaP/InGaAs/Ge) do ok. 27%. Oczywiście poprawa parametrów pracy nie wynika jedynie z zastosowania kopułowych soczewek charakteryzujących się niskimi stratami optycznymi. Istotne okazało się również zastosowanie wysokosprawnych ogniw.

Odmianą takiego koncentratora jest tzw. koncentrator dwustopniowy. Jest to układ dwóch soczewek – Fresnela o dużej powierzchni (pierwszy stopień) oraz najczęściej zwykłej szklanej soczewki (drugi stopień). Jako soczewek drugiego stopnia można użyć wypukłych soczewek liniowych, soczewek kopułowych oraz płaskich. Dwustopniowy koncentrator oferuje nie tylko większą koncentrację czy wzrost kąta akceptacji, ale także bardziej jednorodny rozkład strumienia promieniowania na ogniwie fotowoltaicznym, niż ma to miejsce w wypadku samodzielnej, punktowo skupiającej soczewki Fresnela.

Przykładowy dwustopniowy modułowy koncentrator oparty na soczewce Fresnela (pierwszy stopień) i kwarcowej wklęsło-wypukłej soczewce (drugi stopień) przedstawiono na rys. 1. Zastosowano tu tzw. ogniwa termo-fotowoltaiczne (TPV – thermophotovoltaic). Testy terenowe w warunkach średniej intensywności promieniowania na poziomie 850 W/m² przeprowadzono dla dwóch typów termicznych ogniw TPV. Ogniwa te przystosowane są do wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem absorpcji fal elektromagnetycznych i ich reemisji w postaci promieniowania cieplnego przed oświetleniem powierzchni ogniw fotowoltaicznych.

W tym przypadku jako ogniwo TPV zastosowano antymonek galu (szerokość przerwy energetycznej ok. 0,7 eV). Przy temperaturze emitera w zakresie 1400–2000 K zarejestrowano w warunkach zwarcia gęstość natężenia prądu nawet do 5 A/cm². Do montażu ogniw fotowoltaicznych o wysokim przewodnictwie cieplnym wykorzystano ceramikę bazującą na tlenku berylu (BeO). Osiągnięto wysoką sprawność – rzędu 19% dla promieniowania z wolframowego emitera.

Systemy skupiające liniowo

Stosowane są tu tzw. liniowe soczewki Fresnela, które koncentrują promieniowanie słoneczne na obszarze w kształcie linii (paska). Możliwe jest jej stosowanie w koncentratorach rurowych (dla energii cieplnej) oraz w systemach fotowoltaicznych. Taka soczewka została wykorzystana m.in. w koncentratorze rurowo-próżniowym generującym ciepło wysokotemperaturowe na potrzeby chłodzenia sorpcyjnego lub procesów przemysłowych.

Reflektory

Koncepcję, którą wykorzystano do budowy soczewki Fresnela, można też zastosować do budowy reflektorów czy zwierciadeł. W takich wypadkach stosuje się panele liniowych pasów luster koncentrujących promieniowanie na stałym odbiorniku umieszczonym na wieży. Najprościej można je sobie wyobrazić jako płaskie powierzchnie, które po odbiciu koncentrują promieniowanie słoneczne.

To, co do tej pory możliwe było jedynie w przypadku układów posiadających krzywiznę (np. zwierciadeł parabolicznych), osiągnięto przy płaskiej powierzchni. Wiążą się z tym oczywiste zalety – płaskie powierzchnie mogą być większe, są przy tym tańsze, trwalsze i łatwiejsze do utrzymania w czystości. Ich bezsprzeczną zaletą jest też fakt, że nie muszą się one przemieszczać wraz ze zmianą położenia słońca. Obecnie stosuje się dwa systemy reflektorów opartych na optyce fresnelowskiej: liniowe i liniowe kompaktowe.

Schemat układu kolektora liniowego (LFR – Linear Fresnel Reflector) pokazano na rys. 2. Największą zaletą systemu tego typu jest możliwość zastosowania w płaskich i elastycznie zakrzywionych reflektorach, które są zdecydowanie tańsze od parabolicznych reflektorów szklanych.

Istnieją już prototypowe elektrownie wykorzystujące tę technologię. Jako przykład można wymienić instalacje firmy Novatec Solar w Puerto Errado w Hiszpanii – PE1 o mocy 1,4 MW i PE2 o mocy 30 MW. PE1 to pierwsza instalacja tego typu, która została podłączona do sieci elektroenergetycznej. Innym przykładem jest instalacja w Liddell (Australia), gdzie zintegrowano elektrownię słoneczną z elektrownią węglową.

Istotną zaletą opisywanego rozwiązania jest umiejscowienie konstrukcji blisko gruntu – to duże udogodnienie pod kątem wymagań montażowo-strukturalnych. Oczywiście ma ono także wady, dlatego należy zwrócić uwagę na pozostawienie dużych przestrzeni pomiędzy poszczególnymi reflektorami, co zapobiegnie zacienieniu i blokowaniu odbitego promieniowania między optycznymi elementami systemu.

Blokowaniu odbitego promieniowania można również zapobiegać poprzez zwiększenie wysokości wież, co jednak znacząco podwyższa koszty budowy układu. Naprzeciw tym problemom wychodzi technologia kompaktowych kolektorów liniowych CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector) będąca modyfikacją klasycznego układu liniowego. Polega ona na zastosowaniu wielu równoległych liniowych odbiorników umieszczonych na wieżach, na tyle blisko pojedynczego rzędu zwierciadeł, by mieć możliwość kierowania odbitego promieniowania słonecznego do dwóch alternatywnych liniowych odbiorników na odrębnych wieżach (rys. 3).

Koncepcję tę poddano wielu modyfikacjom, skupiając się szczególnie na ustawieniu absorberów i ich strukturze oraz na użyciu wtórnych reflektorów bezpośrednio przy absorberach. Dodatkowo nacisk położony został na zmianę konfiguracji paneli, wysokości odbiorników oraz zagęszczenia luster.

Na fot. 1 pokazano przykładową instalację CLFR Kimberlina (Bakersfield, USA) o mocy 5 MW.

Systemy wykorzystania światła dziennego

Bardzo istotnym zastosowaniem omawianej technologii mogą być tzw. hybrydowe systemy oświetlenia budynków. W rozwiązaniu tym promieniowanie słoneczne skoncentrowane w heliostacie wyposażonym w koncentrujące soczewki Fresnela transportowane jest za pomocą światłowodów w głąb budynku, np. do pomieszczeń bez okien (piwnic, korytarzy czy sal w centralnych częściach dużych obiektów). Do transportu używa się grubych światłowodów z ciekłym rdzeniem. Ogólny schemat systemu przedstawiono na rys. 4.

Wykorzystanie soczewek Fresnela pozwala w tym wypadku na znaczne zmniejszenie wymiarów i masy elementu optycznego śledzącego słońce. Obiecująca jest możliwość wykorzystania koncentratorów na heliostatach jednocześnie do oświetlania pomieszczeń i ich ogrzewania. Należy w tym celu skierować część promieniowania na końcówkę światłowodu, a część na absorber. Wyboru pomiędzy jednoczesnym oświetlaniem i ogrzewaniem a wykorzystaniem skoncentrowanej energii tylko jako źródła światła dokonać można poprzez manipulowanie położeniem absorbera.

Także dobór samego absorbera zależy od danej aplikacji. Soczewki Fresnela mogą bowiem równie dobrze dostarczać skoncentrowane promieniowanie do różnych typów absorberów: termicznych, fotowoltaicznych lub termo-fotowoltaicznych w celu konwersji skoncentrowanego promieniowania słonecznego w ciepło albo elektryczność bądź w obie formy.

Należy zauważyć, że światło jest najbardziej kosztowną formą energii. O ile sprawność wytwarzania energii elektrycznej z paliwa chemicznego wynosi przeciętnie trzydzieści kilka procent, to sprawność konwersji energii elektrycznej w światło jest jeszcze mniejsza.

W przypadku żarówek wynosi tylko kilka procent, dla świetlówek – do 40%. Zatem sprawność zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie w światło wynosi tylko ok. 1–5% (uwzględniając straty na przesyle energii elektrycznej). Inna jest też jakość światła pochodzącego z tych źródeł w porównaniu do światła słonecznego.

Inne systemy wykorzystujące optykę Fresnelowską

Niektóre urządzenia z powodzeniem mogą pracować na skoncentrowanym promieniowaniu słonecznym, mimo że obecnie do ich zasilania wykorzystywana jest energia elektryczna. Zastosowanie soczewek Fresnela przyczynia się do łatwiejszej budowy takich układów i może pomóc w ich rozpowszechnieniu. Osobną kwestią jest w takich wypadkach efektywność i oszczędność energii.

Lodówka zasilana energią słoneczną

Można spotkać się z poglądem, że przyszłością chłodnictwa może być technologia oparta na zjawisku termoakustycznym polegającym na „pompowaniu” ciepła pod wpływem drgań akustycznych. Drgania te wytwarzane są z kolei przez odpowiedni generator wykorzystujący różnicę temperatury. Okazuje się, że dobrą metodą wytwarzania wymaganej różnicy temperatury jest użycie skoncentrowanej wiązki promieniowania słonecznego. Schemat modelowego rozwiązania takiej termoakustycznej lodówki przedstawiono na rys. 5.

Dzięki zastosowaniu soczewki Fresnela możliwe jest skupianie wiązki światła i kierowanie jej na gorącą końcówkę stosu głównego napędu (generatora drgań akustycznych), nagrzewaną w ten sposób do 475ºC. Takie rozwiązanie pozwala wyeliminować gorący wymiennik ciepła, stanowiący kłopotliwy element głównego napędu.

Laser zasilany słonecznie

Ze względu na unikalne i wyjątkowe parametry wiązki światła wytwarzanej przez lasery ich znaczenie jest w ostatnich latach bardzo duże – odnosi się to także do procesów wymagających dużej energii wiązki. Oczywiście do wytworzenia takiej wiązki trzeba zużyć wiele energii elektrycznej (sprawność lasera wynosi przeciętnie 10–20%), istnieje jednak możliwość wykorzystania do tego celu bezpośrednio promieniowania słonecznego. W rozwiązaniach prototypowych zastosowano soczewkę Fresnela skupiającą naturalne światło słoneczne.

Na rys. 6 przedstawiono schematycznie działanie lasera „pompowanego” słonecznie i klasycznego. Wykorzystanie jako ośrodka czynnego neodymu z domieszką chromu oraz granatu itrowo-glinowego (NdCrYAG) umożliwiło osiągnięcie mocy wiązki na poziomie ok. dwudziestu kilku watów przy zasilaniu soczewką Fresnela o powierzchni 1,3 m².

Wykazano, że taki słoneczny system laserowy mógłby zostać użyty jako element elektrowni pracującej w tzw. magnezowym cyklu energetycznym (Magnesium Injection Cycle), w którym wytwarzanie wodoru odbywa się przy wykorzystaniu reakcji proszku magnezu i wody w temperaturze pokojowej. W procesie chemicznym powstają pary tlenku magnezu o wysokiej energii oraz wodór, spalany w celu zwiększenia całkowitej sprawności generacji.

Rola lasera słonecznego polega tu na dostarczaniu energii (przekonwertowanej z energii promieniowania słonecznego) do procesu wydzielania magnezu z tlenku w celu jego ponownego wykorzystania jako paliwa. Inną aplikacją takich laserów jest koncepcja tzw. satelity energetycznego – przesyłającego na ziemię energię w postaci wiązki lasera „pompowanego” słonecznie.

Obróbka materiałowa

Bardzo interesujące jest zastosowanie skoncentrowanego promieniowania słonecznego do modyfikacji powierzchni materiałów metalicznych. Już kilka sekund wystarcza, by osiągnąć temperaturę rzędu 1500–2000 K, a po kilku minutach możliwe jest rozpoczęcie obróbki materiału. Rozwój technologii solarnych pod kątem takich zastosowań może z pewnością doprowadzić do powstania grupy narzędzi konkurencyjnych dla stosowanych obecnie.

Z tematyką obróbki powierzchni metali bezpośrednio wiąże się nanoszenie na nie powierzchni ochronnych. W tym przypadku możliwe jest wykorzystanie skoncentrowanego promieniowania do inicjowania samoczynnie rozprzestrzeniającej się wysokotemperaturowej syntezy w mieszaninie proszków niklu i glinu. Wytwarzany w ten sposób NiAl może być z powodzeniem nanoszony na stal węglową.

Podsumowanie

Każda nowa technologia pozyskiwania energii promieniowania słonecznego sprawia, że promieniowanie to staje się bardziej dostępne i zwiększa możliwości układów nim zasilanych. Z termodynamicznego punktu widzenia skoncentrowane promieniowanie ma bardzo dużo zalet.

Być może w przyszłości okaże się, że bardziej opłacalne będzie budowanie systemów koncentrujących promieniowanie i efektywnie je przekształcających w inne formy energii niż układów niskotemperaturowych. Systemy niekoncentrujące promieniowania (ogniwa PV, kolektory) mogą oczywiście w pewnym stopniu pracować na promieniowaniu rozproszonym, ale przyszłość wykorzystania promieniowania słonecznego może należeć do systemów koncentrujących.

Literatura

1. Xie W.T., Dai Y.J., Wang R.Z., Sumathy K., Concentrated solar energy Applications Using Fresnel lenses: A review, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” No. 15/2011.

2. http://pvlab.ioffe.ru/pdf/Paper-17.pdf.

3. http://www.eere.energy.gov/basics/renewable_energy/linear_concentrator.html.

4. http://www.novatecsolar.com/8-1-Projects.html.

5. http://www.areva.com/EN/operations-3641/compact-linear-fresnel-reflector-technology.html.

6. Adeff J.A., Hofler T.J., Design and construction of a solar powered, thermoacoustically driven, thermoacoustic refrigerator, „Journal of the Acoustical Society of America” Vol. 107, Issue 6, 2000.

7. Szubel M., Sornek K., Filipowicz M., Soczewki Fresnela – nowoczesne elementy optyczne, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!