Wykorzystanie skoncentrowanego promieniowania słonecznego w warunkach polskich

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.

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.

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.

Na fot. 3 zobrazowano usytuowanie modelu, na rys. 3 – analizę termograficzną rozkładu temperatur w układzie silnika (gorący koniec i radiator), a na rys. 4 – rozkład temperatur na końcu silnika. W istotnych punktach układu temperatura strony gorącej wyniosła ok. 300°C, a radiatora ok. 70°C. Na gorącym końcu silnika występuje silny gradient temperatury (ok. 100 K/cm) spowodowany różnymi czynnikami: wielkością obszaru, na którym skoncentrowana została energia, poborem ciepła przez silnik czy stratami ciepła do otoczenia.

Zmiany mocy zaobserwowano, gdy słońce było chwilowo przysłaniane chmurami lub zmieniała się prędkość wiatru – radiator był wtedy lepiej chłodzony.

Wykorzystanie koncentratora do dostarczania światła

Układy tego typu umożliwiają pozyskanie dużej ilości światła, które może być wykorzystane np. do oświetlania pomieszczeń czy ich fragmentów. Przeprowadzono test transportu światła z układu koncentratora za pomocą kabla światłowodowego składającego się z 25 włókien o średnicy 0,75 mm każde. Końcówka kabla wyposażona w głowicę umieszczana była w różnych miejscach koncentratora, w takim oddaleniu od ogniska, by nie uległa zniszczeniu.

Na fot. 4 pokazano głowicę światłowodu i jej usytuowanie, a na rys. 5 końcówki kabla światłowodowego. Część końcówek świeci, a część po zmatowieniu (zeszlifowaniu drobnym papierem ściernym) dostarcza światło bocznie na długości kilku centymetrów.

Wstępne pomiary pokazują, że taka ilość światła może być wystarczająca do wykorzystania np. w uprawach roślin na niedużej przestrzeni, oczywiście przy zwiększeniu liczby i przekroju pojedynczych włókien, ewentualnie przy zastosowaniu światłowodu gruboziarnistego.

Zwiększenie wydajności ogniw fotowoltaicznych

Zastosowanie układów tego typu to również sposób na zwiększenie wydajności ogniw fotowoltaicznych. Im większe natężenie padającego promieniowania, tym więcej energii wytworzyć może ogniwo. Należy oczywiście mieć na uwadze nagrzewanie się ogniwa i możliwość jego zniszczenia, dlatego powinno ono pracować w układzie chłodzącym, przy czym ciepło z chłodzenia (np. wodnego) może być dodatkowo wykorzystane. W tym wypadku można mówić o hybrydowym układzie kogeneracyjnym.

Badania pokazały, że możliwe jest zwiększenie mocy ogniwa fotowoltaicznego w zależności od jego umieszczenia względem ogniska. Uzyskano następujące zwiększenie mocy (przy bezchmurnym niebie i skierowaniu bezpośrednio w stronę słońca):

• ok. 1,4 razy w wypadku ogniwa skierowanego na koncentrator i umieszczonego ok. 25 cm za ogniskiem, przy aktywności tylko części „foliowej” koncentratora,
• ok. 1,9 razy dla ogniwa skierowanego na koncentrator i znajdującego się ok. 15 cm za ogniskiem, aktywna tylko część „foliowa”,
• ok. 6,8 razy dla ogniwa skierowanego na koncentrator i umieszczonego ok. 25 cm za ogniskiem, przy aktywności zarówno folii odbijającej, jak i lustra parabolicznego.

Usytuowanie ogniwa względem koncentratora pokazano schematycznie na rys. 6.

Jak wspomniano, zbyt długie przebywanie ogniwa fotowoltaicznego w strumieniu odpowiednio silnie skoncentrowanego promieniowania powoduje niestety jego zniszczenie (przegrzanie). Dlatego nie można w ten sposób znacząco zwiększyć ilości energii wytworzonej przez ogniwo. Rozwiązaniem może być jego chłodzenie.

Wnioski

Uzyskane wyniki badań są obiecujące. Pomiary przeprowadzono we wrześniu i październiku 2012 r., czyli w okresie o nie najwyższym nasłonecznieniu. Na podstawie [5] określono, że bezpośrednie promieniowanie słoneczne występowało we wrześniu przez prawie 80 godzin. Natężenie promieniowania waha się w ciągu dnia, przyjęto, że wynosi ono ok. 250 W/m², co przy powierzchni ok. 2,4 m² pozwala uzyskać ok. 20 kWh wysokotemperaturowego ciepła. Ilość ta może być porównywalna lub nawet wyższa niż energii pozyskanej przez układ fotowoltaiczny o takiej samej powierzchni.

Energia elektryczna jest „cenniejszą” formą energii niż ciepło wysokotemperaturowe, jednak w praktyce zależy to od sposobu jej dalszego wykorzystania. Po uwzględnieniu różnych sprawności może się okazać na przykład, że wykorzystanie chłodziarki absorpcyjnej napędzanej ciepłem wysokotemperaturowym jest energetycznie bardziej efektywne niż zasilanie energią elektryczną chłodziarek sprężarkowych.

W celu szerszego wykorzystania tego typu rozwiązań należy oczywiście rozstrzygnąć jeszcze wiele kwestii, do których zaliczyć można: dokładniejsze śledzenie położenia słońca, dobór odpowiednich materiałów oraz odbiór i transport ciepła. W Katedrze Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego AGH trwają obecnie dalsze prace związane z możliwościami wykorzystania skoncentrowanego promieniowania słonecznego.

Praca wykonana w ramach działalności statutowej Katedry Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego AGH

Literatura

1. Szubel M., Sornek K., Filipowicz M., Soczewki Fresnela – nowoczesne elementy optyczne, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2012.
2. Szubel M., Sornek K., Filipowicz M., Soczewki Fresnela – przykłady zastosowań, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2012.
3. Kaiyan H., Hongfei Z., Tao T., Xiaodi X., Experimental investigation of high temperature congregating energy solar stove with sun light funnel, „Energy Conversion and Management” No. 50 (2009).
4. Xiaodi X., Hongfei Z., Kaiyan H., Zhili C., Tao T., Guo X., Experimental study on a new solar boiling water system with holistic track solar funnel concentrator, „Energy” No. 35 (2010).
5. http://meteo.kdwd.webd.pl/.