W Polsce coraz popularniejsze stają się instalacje wykorzystujące promieniowanie słoneczne, zwłaszcza kolektory służące do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Pod koniec 2011 r. łączna powierzchnia instalacji kolektorów słonecznych przekroczyła 90 ha, a roczny przyrost wyniósł ponad 20 ha.
Instalacje te przyczyniają się niewątpliwie do oszczędności paliw kopalnych i zmniejszenia emisji do środowiska, jednak coraz bardziej widoczne dla użytkowników stają się również mankamenty systemów tego typu, takie jak niska temperatura czynnika roboczego, nadpodaż ciepła w lecie czy konieczność stosowania kosztownej instalacji hydraulicznej ze zbiornikiem akumulacyjnym.
Przeczytaj: Sezonowe wykorzystanie energii słonecznej >>
Pierwsze dwa można w znacznym stopniu zniwelować dzięki wykorzystaniu skoncentrowanego promieniowania słonecznego. Przyjęło się, że w warunkach polskich technologia ta jest nieopłacalna i niepraktyczna – pogląd ten jest niewątpliwie uzasadniony w przypadku dużych instalacji, np. elektrowni heliotermicznych czy innych bazujących na różnych systemach koncentracji.
Czy panele fotowoltaiczne sprawdzą się w systemie zasilania budynku w energię elektryczną? |
| Dowiesz się podczas konferencji "Zespołu prądotwórcze i zasilacze UPS w systemach zasilania budynków w energię elektryczną". Kolejna edycja już w 2016 roku. |
SPRAWDŹ >> |
W Polsce liczba godzin bezpośredniego promieniowania słonecznego nie jest duża – ok. 1600 godzin rocznie. Jednak zasób ten można efektywnie wykorzystać w przypadku małych instalacji poprzez połączenie koncentratora z instalacją zwykłych kolektorów słonecznych czy też zastosowanie go jako samodzielnej jednostki. Pozwala to uzyskać czynnik grzewczy o wyższej temperaturze i wykorzystać go np. do celów chłodniczych w układach chłodziarek absorpcyjnych.
Przeczytaj: Magazynowanie energii słonecznej. Nowe systemy >>
Przykłady rozwiązań stosowanych na świecie
Istnieje wiele rozwiązań i zastosowań małych systemów koncentrujących, ale układy hybrydowe nisko- i wysokotemperaturowe nie są zbyt popularne. Przy odpowiedniej konfiguracji mogą mieć jednak wiele zalet. Przykładem może być rozwiązanie opracowane w Chinach – koncentrator słoneczny o charakterystycznej formie tuby.
W urządzeniu tym promieniowanie słoneczne odbija się od ścianek leja w kierunku dolnego otworu, przez który, już skupione, kierowane jest do tzw. pieca solarnego. Pomimo że system ten ma jedynie ręczny układ śledzenia położenia słońca, temperatura wewnątrz pieca osiąga nawet 250°C przy wysokim natężeniu promieniowania słonecznego, ok. 850 W/m2 [3].
Urządzenie to połączono z łatwo dostępnymi kolektorami słonecznymi (rys. 1). Czynnik roboczy przepływał przez kolektory próżniowo‑rurowe o powierzchni 3 m2 i kierowany był do pieca solarnego połączonego z tubalnym koncentratorem słonecznym. Na końcowym etapie czynnik oddawał uzyskane ciepło do zbiornika z wodą – w ciągu 10–17 minut można było zagotować ok. 4–8 kg wody [4].
Wstępne wyniki polskich badań
Na Wydziale Energetyki i Paliw AGH skonstruowano koncentrator promieniowania słonecznego, w którym wykorzystano lustro paraboliczne o średnicy 1,2 m oraz folię odbijającą (fot. 1). Na rys. 2 pokazano schemat budowy czaszy koncentratora.
Aktywna powierzchnia koncentratora wynosi ok. 2,4 m2, układ wyposażono w dwa ogniska usytuowane w odległości ok. 70 i 85 cm od powierzchni lustra. Współpracuje on z układem obrotowym śledzącym położenie słońca, w którym elementami wykonawczymi są dwa silniki liniowe o obciążeniu dynamicznym 1000 N i statycznym 3400 N dla wykonywania obrotu w kącie azymutu oraz odpowiednio 8000 N i 15 000 N dla zmiany kąta elewacji.
Za śledzenie położenia słońca odpowiada układ elektroniczny w trybie sterowania astronomicznego (położenie wyliczane jest przy pomocy odpowiednich algorytmów). Waga całkowita układu wraz z odbiornikami promieniowania wynosi ok. 100 kg.
Pomiar temperatury w ognisku
Dokładne pomiary i rejestracja temperatury wymagają zastosowania bardzo kosztownego sprzętu pomiarowego. Przy zastosowaniu zwykłych termopar otrzymano ok. 1400°C, jednak urządzenia te ulegały zniszczeniu podczas badania. O wysokiej temperaturze świadczy np. topnienie metalu (stali) i zjawisko wypalania dziur w rurach stalowych (fot. 2). Układ tego typu może być z pewnością wykorzystywany do topienia metali lub ich cięcia.
Konwersja na pracę mechaniczną – silnik Stirlinga
Wysokotemperaturowe ciepło można łatwo przekonwertować na inne formy energii – np. pracę mechaniczną. W tym wypadku wykorzystano specjalnie skonstruowany model silnika Stirlinga z „gorącym końcem”, który można umieścić w pobliżu ogniska koncentratora. Temperatura i przesyłany strumień ciepła okazały się wystarczające do uruchomienia modelu.
