Elektrownie słoneczne cieplne wykorzystując energię sło­neczną w sposób zdecentralizowany nazywane bywają far­mami słonecznymi. Uzyskiwanie energii elektrycznej może odbywać się albo za pomocą turbogeneratorów umieszczo­nych przy każdym kolektorze koncentrującym, co ma zmniejszyć omawiane uprzednio straty, albo w większej skali - we wspólnym turbogeneratorze (ryć. 3.11). Pierwsze

Ryć. 3.11. Elektrownia słoneczna zdecentralizowana. Ogólny widok instalacji słonecznej w Shenandoah

/rodło: „Soiar Thermal Power". SERI. Siany Zjednoc/one

rozwiązanie zmniejsza nakłady inwestycyjne dzięki możli­wości seryjnego wytwarzania jednakowych modułów do indywidualnej przemiany energii cieplnej, ale sprawność tych podukładów jest mniejsza ze względu na niższe temperatury czynnika roboczego. Częściej stosuje się więc

przesyłanie czynnika roboczego między kolektorami kon­centrującymi, co pozwala na stopniowe podwyższanie jego temperatury,, ale jednocześnie powoduje to straty ciepła podczas przesyłu, a cała instalacja jest skomplikowana technicznie ze względu na dużą liczbę przewodów rurowych do obiegu czynnika roboczego.

W celu zmniejszenia tych strat zaproponowano m. in. rozwiązanie polegające na umieszczeniu przewodu z czyn­nikiem roboczym, który stanowi ciekły metal (np. sód), w większym cylindrycznym przewodzie próżniowym. Do przewodu tego, mającego zwierciadlaną wewnętrzną po­wierzchnię odbijającą, promieniowanie słoneczne (skoncen­trowane za pomocą podłużnej soczewki Fresnela) dociera przez specjalną szczelinę i jest skutecznie pochłaniane dzięki selektywnemu pokryciu przewodu wewnętrznego (ryć. 3.12).

Według niektórych obliczeń w celu uzyskania mocy 10 M W przy współczynniku sprawności przemiany równym 30% w tej metodzie potrzebne jest pole kolektorów o powierzchni 8000 m². Przy tym, aby uzyskać po­dany wyżej współczynnik sprawności, temperatura czynnika

i i J^:

rJ^/^-s^^N^-v%XV\^ll

promieniowanie słoneczne

soczewka Fresnela

Ryć. 3.12. Schemat koncentratora rurowego z selektywnym pokryciem przewodu doprowadzającego czynnik roboczy

roboczego powinna wynosić ok. 500 C. Elektrownia będzie konkurencyjna w stosunku do rozwiązań tradycyjnych, jeżeli koszt kolektorów nie przekroczy 60 dol./m², co obecnie jest absolutnie niewykonalne.

Przykładem praktycznego wykorzystania systemu zdecen­tralizowanego jest elektrownia w Almerii (Hiszpania). Uruchomiono ją w 1981 r. jako farmę słoneczną, składa­jącą się z parabolicznych kolektorów o łącznej powierzchni 5362 m² z przechodzącymi przez ich ogniska rurami, w których cyrkulujący olej termiczny ogrzewa się do temperatury ok. 295° C. Ciepło to przez wymiennik jest przekazywane do obiegu parowego z turbozespołem. System ten wykazał swoją dojrzałość. Odznaczał się dużą nieza­wodnością i stabilnością temperatur.

Współpracuje z tą elektrownią słoneczną zawierający olej zbiornik energii z płytami żebrowymi z żeliwa sferoidal-nego, co zapewnia duży stopień akumulacji nośnika ciepła o wysokiej temperaturze. Podobne projekty są wykorzysty­wane \v innych krajach. Rycina 3.13 przedstawia jedno z takich rozwiązań z koncentratorami rynnowymi.

We Francji uruchomiono w 1983 r. prototypową elek­trownię słoneczną wykorzystującą kolektory cylindryczne wykonane na wspornikach betonowych, na których osadzo­no po 71 prostokątnych płytek szklanych koncentrujących energię słoneczną na rurze usytuowanej w ognisku konden­satora, przez którą przepływa czynnik roboczy. Kolektory zgrupowane są w linie i bloki po sześć sztuk. Każdy kolektor ma powierzchnię 3 m², a łączna powierzchnia kolektorów usytuowana na schodkowych tarasach i na­prowadzanych na Słońce za pomocą fotokomórek sprzężo­nych z silnikiem elektrycznym wynosi 1176 m². Moc elektrowni równa jest 100 k W, a zainstalowany zasobnik ciepła o pojemności 50 m² pozwala na 2,5 h pracę elektrowni bez Słońca, napędzając dwa turbozespoły po 50 kW. Czynnikiem roboczym jest freon, a chłodziwem -

150

10

KONCENTRATOROWE WKŁADY FOTOWOLTAICZNE

10.1. KONCENTRATORY

Główną przeszkodą w szerokim wykorzystaniu fotowoltaicznej konwersji energii słonecznej jest jeszcze dość wysoka cena ogniw słonecznych. Jedną z możliwości obniżenia kosztów instalacji generatora fotowoltaicznego jest użycie specjalnych układów optycznych, ogni­skujących światło słoneczne na ogniwach, zwanych koncentlatorami [1-5]. Dzięki takiemu uiządzeniu na górną powierzchnię ogniwa pada wielokrotnie większy strumień fotonów, określony przez aperturę układu optycznego, która jest znacznie większa od przedniej powierzchni ogniwa.

Z fizycznego punktu widzenia nie ma żadnych powodów, które przemawiałyby przeciw tej koncepcji, ale oczywiście koszt koncentratora nie może być zbyt duży, a poza tym taki koncentratorowy układ fotowoltaiczny powinien być wydajny i działać niezawodnie. Oznacza to konieczność użycia w tych układach ogniw mających dużą wydajność przy skoncentrowanym świetle słonecznym oraz tanich, bardzo sprawnych koncentratorów. Należy jednak pamiętać, że koncentratory (z wyjątkiem koncentratora płaskiego) ogniskują głównie tylko tę część promieniowania słonecznego, która pochodzi bezpośrednio od Słońca w postaci wiązki płomieni równoległych. Dlatego też koncentrator powinien być zaopatrzony w mechanizm umożliwiający dokładne śledzenie przez układ optyczny po­zornego ruchu Słońca, dziennego i rocznego.

Procentowa ilość energii słonecznej zawartej w promieniowaniu bezpośrednim -ileży od położenia geograficznego, na przykład w południowo-zacl.oonich Stanach Zjedno­czonych około 80% energii słonecznej pochodzi bezpośrednio od Słońca, podczas gdy obszar między Nowym Jorkiem i Bostonem otrr/irm:? bezpośrednio tyiku Ci 7„ cncr^i' słonecznej [5]. Pozostała część energii słonecznej dochód/.* dC po-.y.crzchni Ziemi w postaci promieniowania rozproszonego przez atmosferę ziemską, zwanego także promieniowa­niem dyfuzyjnym. Powietrze rozprasza nic tylko promieniowanie biegnące w kierunku Ziemi, ale także promienie odbite od jej powierzchni. Fotony promieniowania rozproszo­nego padają na poziomą powierzchnię pod różnymi kątami względem prostopadłej do tej powierzchni, mieszczącymi się w granicach od O do 90°.

Zaproponowano wiele układów optycznych koncentrujących światło słoneczne

30 i

5

(rys. 10.1) [1-4]. Niektóre z nich (soczewki, zwierciadło paraboliczne, reflektor Fresnela, rynna paraboliczna) wytwarzają obraz Słońca, w innych zaś (stożek, pole heliostatowe, paraboloida złożona) taki obraz nie powstaje.

Stosowane koncentratorowe układy fotowoltaiczne można podzielić na trzy kategorie: - układy, w których stosunek powierzchni apertury wejściowej do powierzchni apertury wyjściowej jest możliwie wielki,

— układy, w których pole widzenia jest możliwie duże, — układy charakteryzujące się obiema wymienionymi cechami.

a)

c) _

Rys. .10.1. Niektóre z wielu koncentratorów nieobrazowych i wytwarzających obraz [3]; a) pojedyncza soczewka, b) soczewka Luneberga, c) soczewka Fresnela, d) reflektor Fresnela, c) zwierciadło parabo­liczne f) rynna paraboliczna, g) stożek, h) pole heliostatowe (heliostai fielif), i) paraboloida złożona

Przykładami koncentratorów pierwszej kategorii mogą być: rynna paraboliczna z ogniwami umieszczonymi w jej płaszczyźnie ogniskowej (rys. 10.1 f) oraz soczewka Fresnela (rys. 10.1 c). Soczewka Fresnela składa się z cienkiej płytki, której jedna z po­wierzchni ma kształt złożony z części powierzchni kilku zwykłych soczewek. Największą korzyścią stosowania takiej soczewki jest możliwie największy stosunek powierzchni apertury wejściowej do powierzchni apertury wyjściowej. Do wytwarzania soczewek

302

KJ najlepiej nadaje się materiał akrylowy, ponieważ jest tani, łatwy do odlewania, odporny

na działanie atmosferyczne i wykazuje dużą transmisję światła widzialnego.

Zasadniczą korzyścią wynikającą ze stosowania koncentratorów drugiej kategorii jest możliwość wykorzystania także znaczącej części promieniowania rozproszonego. Dla danych warunków geograficznych i klimatycznych ilość tego promieniowania, docho­dząca do koncentratora, zależy od wielkości kąta granicznego, pod jakim fotony mogą jeszcze wpadać do apertury wejściowej koncentratora oraz od wilgotności powietrza. Jeżeli wspomniany kąt graniczny jest zbyt mały, to światło rozproszone nie może być zogniskowane i gęstość mocy promieniowania padającego na ogniwo może być znacznie zmniejszona. Ma to istotne znaczenie zwłaszcza przy większych szerokościach geogra­ficznych oraz w godzinach rannych i wieczornych. Stosowanie koncentratorów o dużym kącie widzenia jest celowe również ze względu na błędy układu optycznego oraz błędy śledzenia Słońca, spowodowane niedokładnościami działania mechanizmu skierowującego oś koncentratora ku Słońcu.

Najlepsze są więc takie układy koncentratorowe, które¹ mają możliwie największy kąt widzenia i największy stosunek powierzchni apertury! wejściowej do powierzchni apertury wyjściowej. Takie wymagania zapewniają dopiero ; układy dwu- lub wielostop­niowe, składające się z dwóch lub więcej pojedynczych koncentratorów. W pierwszym stopniu o największym kącie widzenia wspomniany stosunek jest duży, ale ogniskowanie światła nie jest doskonałe. Dopiero umieszczenie w jego płaszczyźnie ogniskowej apertury drugiego stopnia o niewielkim stosunku powierzchni apertury wejściowej do powierzchni apertury wyjściowej daje pożądany efekt [6, 7]. Przykładem takiego złożonego układu może być soczewka Fresnela umieszczona na odbijającej światło rynnie o kształcie litery V [8, 9].

Wszystkie wymienione koncentratory powinny być chłodzone, na przykład wodą lub powietrzem, ale odprowadzająca ciepło woda może być praktycznie wykorzystana na przykład do ogrzewania basenów kąpielowych lub w inny sposób.

W Europie północnej i na podobnych szerokościach geograficznych w innych częściach świata do 60% przeciętnego natężenia napromieniowania słonecznego ulega rozproszeniu w atmosferze ziemskiej, a ponadto większość fotonów padających na powierzchnię Ziemi ma długości fal przesunięte w kierunku światła niebieskiego (0,32-0,70 urn) [10-12]. Użycie w takich warunkach opisanych konwencjonalnych koncentratorów jest niecelowe. Obiecujące natomiast wydaje się stosowanie wtedy koncentratora płaskiego, składającego się z dużej płytki szklanej lub akrylowej, zawierającej rozpuszczone barwniki fluorescen­cyjne, i pokrytej warstwą przeciwodbiciową (rys. 10.2a). Padające na taki koncentrator światło słoneczne jest pochłaniane przez wspomniane barwniki, które następnie emitują fotony o innych energiach zawartych we względnie wąskim przedziale 1-2 eV. Większość tych fotonów odbija się od wewnętrznych powierzchni koncentratora i w końcu dociera do umieszczonego na jego krawędzi ogniwa słonecznego (rys. 10.2b). Taki koncentrator może zbierać fotony padające na jego powierzchnię pod różnymi kątami.

Aby jednak zastosowanie opisanych sposobów koncentracji światła słonecznego zapewniło znaczące obniżenie kosztów instalacji układów fotowoltaicznych, konieczne jest osiągnięcie dużych ich wydajności, większych od 20 % [13]. Konieczność ta przemawia za wykorzystaniem koncepcji wprowadzania do układu koncentratorowego dwu i¹ .b więcej ogniw utworzonych z półprzewodników o rożnycii j«z.rwach energetycznych,

303

to być silniki Suil-ng- albo, co jesi stosowane znacznie częściej, turbiny parowe. Przy wytwarzaniu pary do napędu turbiny za pośrednictwem energii słonecznej stosuje się dwa rozwiązania: zdecentralizowane — wykorzystujące po­le kolektorów, między którymi przepływa czynnik roboczy oraz scentralizowane, zawierające kolektor centralny u-mieszczony na wieży i pole heliostatów koncentrujących na nim energię słoneczną.

W systemach zdecentralizowanych mogą być stosowane kolektory płaskie lub paraboliczne z jedno- lub dwuosio­wym systemem śledzącym Słońce. Chociaż kolektory płaskie są najprostsze i mają tę przewagę, że wykorzystują także rozproszone prornieniowanie słoneczne, to jednak ze względu na ich niską sprawność i w rezultacie konieczność pokrywania nimi dużych powierzchni są one ostatecznie mniej efektywne ekonomicznie od koncentrujących. Kolek­tory koncentrujące rynnowe z jedną osią (ryć. 3.9) są znacznie częściej wykorzystywane. Dzięki współczynnikowi koncentracji od 2 do 10, w zależności od ukształtowania powierzchni odbijających i ich pokrycia, pozwalają one uzyskać znacznie wyższe temperatury. Jest to szczególnie korzystne, jeśli budowane są systemy skojarzone, które wytwarzają nie tylko energię elektryczną, lecz również cieplną do potrzeb grzewczych. Największym współczyn­nikiem koncentracji, sięgającym 50, odznaczają się dwu­osiowe kolektory śledzące w postaci naczyń parabolicz­nych (ryć. 3.10), ale są one najbardziej skomplikowane konstrukcyjnie, a zatem najbardziej kosztowne. Dopiero elektrownie wieżowe, które omawiamy dalej, zapewniające kilka tysięcy razy wyższy stopień koncentracji energii słonecznej, transportowanej optycznie do odbiornika, dają wysoką sprawność termodynamiczną elektrowni i mniejsze straty niż te, które występują w przypadku pozyskiwania jej w sposób zdecentralizowany w układzie kolektorów, między którymi przepływa kolejno czynnik roboczy.

146

4. Odbiorniki energii promieniowania słonecznego

4.1. Klasyfikacja odbiorników i wymagania ogólne

Kolektory słoneczne można podzielić według eksploatacyjnego zakresu temperatur czynnika przenoszącego ciepło, na kolektory:

a) niskotemperaturowe (do 100°C) -kolektory;płaskie;

b) wysokotemperaturowe (powyżej 100°C, aż ;do 2000°C) - kolektory skupiające.

4.2. Kolektory niskotemperaturowe

Do odbiorników niskotemperaturowych zaliczam|y różnej konstrukcji ko­lektory płaskie. Zwykle pozyskujące ciepło dla celów grzewczych, mają one dość szerokie zastosowanie. Jako medium pośredniczące w przekazywaniu ciepła do eksploatacji, stosuje się głównie strumień wody lub powietrza. Używając kolektora płaskiego, można z łatwością przekazywać energię pro­mieniowania słonecznego, zamienioną na ciepło — wodzie, którą pod­grzewa się do temperatury najwyżej bliskiej wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym. Prostota konstrukcji kolektorów płaskich, taniość produkcji i eksploatacji oraz wzrost cen konwencjonalnych źródeł energii, zachęcają do stosowania kolektorów płaskich do wyzyskiwania energii promieniowania słonecznego na szerszą skalę.

4.2.1. Konstrukcja i działanie płaskiego '/c-^ktora ctcr.ecznego

Zasadniczym elementem płaskiego kolektora słonecznego jest płyta z kanałami przepływu czynnika przenoszącego (transportującego) ciepło (cieczy lub gazu), stanowiąca absorber energii promieniowania słonecznego

83

oraz równocześnie wymiennik ciepła. Działanie płaskiego absorbera słone­cznego polega na absorbcji energii promieniowania przez powierzchnię na­promienianą, zwykle pokrytą czernią selektywną. Ta czerń selektywna to powłoka czarna w zakresie promieniowania krótkofalowego dochodzącego od Słońca, a biała (bezbarwna, przejrzysta lub lustrzana) w zakresie dłu­gofalowego promieniowania podczerwonego, jakie głównie emituje absorber w swojej temperaturze roboczej. Białość powłoki w zakresie emisji własnej płyty absorbera, radykalnie zmniejsza straty ciepła na promieniowanie cie­plne absorbera. Od strony tylnej i bocznej płyta absorbera jest otoczona warstwą materiału izolującego cieplnie. Od strony napromienianej, płyta ab­sorbera jest przysłonięta jedną, dwoma, rzadziej trzema przezroczystymi osłonami, głównie dla ograniczenia strat ciepła przez unoszenie. Całość jest ujęta w ramę (rys. 4.1.). Nagrzana płyta absorbera przekazuje ciepło do czynnika przenoszącego ciepło, płynącego przez płytę systemem kana­łów lub wężownic rurowych. Część energii, mimo zastosowania osłon i najkorzystniejszych materiałów izolacyjnych, jest tracona do otoczenia.

rama okapowa

obramowanie

izolacja termiczna ściany bocznej

Rys. 4.1. Fragment kolektora płaskiego

Energia pochłaniana przez absorber zależy od szeregu parametrów:

a) zdolności pochłaniania promieniowania przez zaczernioną płytę;

b) strumienia promieniowania słonecznego oraz kąta 0 padania promie­ni słonecznych na płytę absorbera;

c) przepuszczalności promieni słonecznych przez osłony przezroczyste;

84

d) strat wynikłych z zakurzenia osłon;

e) zacienienia powierzchni absorbcji przez boczne ściany ramy. Ogólne wymagania konstrukcyjne kolektorów płaskich:

a) prostota i taniość produkcji;

b) trwałość i pewność pracy przez dziesiątki lat eksploatacji;

c) duża powierzchnia wymiany ciepła kanałów przepływu w stosunku do całej powierzchni płyty absorbera;

d) duża sprawność przekazu ciepła do akumulatora;

e) brak skłonności do zapowietrzeń przepływu kanałami płyty;

f) gwarancja szczelności przyłączy hydraulicznych króćcami kolektorów w temperaturach do 100°C;

g) odporność płyty od zewnątrz i wewnątrz kanałów przepływu na ko­rozję;

h) niewrażliwość na wydłużenia termiczne połączeń z instalacją.

4.2.2. Płyta absorbera

Typowe ukształtowania kanałów przepływu przez płytę absorbera poka­zano na rysunku 4.2.a, b, c. Podobnie kształtuje się przepływ wężownicami rurowymi (rys. 4.3.). Kanały przepływu są wytwarzane pomiędzy dwcna blachami odpowiednio ukształtowanymi, wzajemnie zgrzewanymi. Kanały przepływu uformowane z dwóch blach stwarzają-znacznie v."ęks'R możH-

JL

i

i r

a) b)

Rys. 4.2. Typowe kanały przepływu w płaskim kolektorze

85

płyta absorbera

Rys. 4.3. Typowy przepływ wężownicą rurową i sposoby umieszczenia rur w płycie absor­bera

wości uzyskania dużej powierzchni wymiany ciepła z przepływającym czyn­nikiem, niż przyspawanie do płyty wężownicy rurowej. Wybór ukształtowania kanałów przepływu zależy od stosowanej technologii wykonania, a zwłasz­cza metody i możliwości zgrzewania. Ukształtowanie przepływu wężowni-cami rurowymi (rys. 4.3.) jest podobne do ukształtowania kanałów (rys. 4.2.b). Rodzaj przekroju poprzecznego rur ma duży wpływ na wymianę ciepła. Rury spłaszczone przylegają do płyty większą powierzchnią, co podnosi sprawność wymiany. Stosowanie wężownic rurowych przez które przepływa czynnik odbierający ciepło, jest stosowne przy wykonywaniu płaskich kole­ktorów we własnym zakresie, na małą skalę. Należy jednak liczyć się z mniejszą sprawnością wymiany w porównaniu z kolektorami płaskimi z utworzonymi kanałami przepływu. Poza tym, nawet przy dobrym wyko­naniu zgrzewania lub przyspawania rury do blachy, nie mamy gwarancji uzyskania na całej długości jednolitego kontaktu. Przy produkcji masowej przyspawanie całych wężownic do blachy jest pracochłonne i kosztowne. Jako materiały na płytę absorbera stosuje się stal, mosiądz, aluminium oraz tworzywa sztuczne. Blacha stalowa jest tańsza od mosiężnej, ale stal gorzej przewodzi ciepło oraz szybciej koroduje. Mosiądz jest droższy i trud­niej dostępny. Materiały aluminiowe są dużo lżejsze i tańsze od mosiądzu. Przewodność cieplna aluminium jest nieco gorsza jak mosiądzu, ale jest znacznie lepsza niż stali. Aluminium nie nadaje się do stosowania wężownic

86

rurowych, ze względu na trudną technologię spawania. Aluminium jest wra­żliwe na alkalia. Blachy aluminiowe doskonale nadają się do płytkiego wy­tłaczania, łatwo je zgrzewać, łatwo uzyskiwać dowolne kształty kanałów przepływu.

W ostatnich latach rozwój technologii chemicznej doprowadzi) do produ­kcji szerszego asortymentu tworzyw sztucznych o różnych własnościach. Tworzywa sztuczne znalazły dość powszechne zastosowanie w produkcji kolektorów płaskich, gdyż dają możliwość urozmaicenia kształtu powierz­chni płyty absorbera metodą prasowania przy łatwej produkcji masowej.

Szczególnie rozpowszechniły się taśmowe absorbery produkowane z czarnego tworzywa odpornego w temperaturach ;do stu stopni Celsjusza. Taśmowe absorbery stosuje się przede wszystkimi do podgrzewania wody w basenach, przy czym temperatura wody w absorberach, nie przekracza trzydziestu paru stopni. Obecnie w krajach zachoćjnich masowo produkuje się absorbery taśmowe w długościach kilkudziesięciu metrów o przekroju poprzecznym jak na rysunku 4.4.a. Średnica wewnętrzna rurek wynosi 8 mm, a odstęp pomiędzy nimi wynosi 18 mm. Widoczne na rysunku ko­twice od strony spodniej, służą do stałego zamocowania taśmy na pochyłym dachu. Na dachach raczej płaskich prościej jest pr^ykleić taśmowy absorber bezpośrednio do dachówek, eternitu lub blachy kryjącej zewnętrznie dach.

l i

a) b)

Rys. 4.4. Absorber z tworzywa sztucznego dla temperatur do 40°C

87

Taśmowy absorber na końcu bardziej odległym od zbiorczego przewodu wody zimnej, zgina się o 180 stopni, by umożliwić powrót cieplej wody do przewodu zbiorczego cieplej wody, który znajduje się tuż obok równoległego przewodu wody zimnej (rys. 4.4.b). Przewody zbiorcze posiadają boczne prostopadle końcówki metalowe, które wciska się do wnętrza rurek taśmo­wego absorbera. Ilość końcówek oczywiście odpowiada ilości rurek. Takie połączenie na wcisk nie potrzebuje dodatkowych zabezpieczeń przed ewen­tualną nieszczelnością i wyciekiem wody. Na przemian co drugą rurką woda dopływa i wypływa (rys. 4.4.a, b).

Instalacja baterii jest bardzo łatwa i może być wykonana przez jednego lub dwóch pracowników w ciągu paru dni. Ze względu na niskie temperatury używanej wody, przewody (zwłaszcza jeśli z tworzywa sztucznego) pomię­dzy baterią a basenem, nie wymagają izolacji cieplnej. Z tegoż powodu sama bateria pozbawiona jest osłon przezroczystych.

Tego rodzaju absorber taśmowy bez osłon przezroczystych jest bardziej użyteczny w krajach położonych bliżej równika. W każdym razie nie nadaje się do użytku w okresie śnieżnym oraz gdy potrzebna jest wyższa tempe­ratura czynnika. Mała przewodność cieplna tworzywa sztucznego musi wpływać ujemnie na sprawność absorbera. Jednak mała różnica temperatur absorbera i otoczenia sprzyja ograniczeniu strat ciepła. Do stosowania taś­mowego absorbera zachęcają przede wszystkim bardzo niskie koszty pro­dukcji, montażu i eksploatacji w porównaniu z baterią słoneczną złożoną z absorberów metalowych. Baterie z taśmowych absorberów z tworzywa sztucznego mają powierzchnie czynne od 8 m² do 800 m². Z reguły wiel­kość baterii słonecznej jest podyktowana powierzchnią dachów pomiesz­czeń będących do dyspozycji wokół basenów.

Na rysunku 4.5. pokazano schemat działania całości urządzenia. Pompa wodna zostaje automatycznie uruchomiona, gdy temperatura w absorberze słonecznym jest nieco wyższa od temperatury wody w basenie.

Również do produkcji osłon przezroczystych zamiast szkła stosuje się tworzywa sztuczne o doskonałej przezroczystości. Wadą wszystkich two­rzyw sztucznych jest nietrwalość kształtu w wyższych temperaturach, już przy kilkudziesięciu stopniach Celsjusza. Poza tym osłony z tworzyw sztu­cznych ładują się elektrostatycznie i skutkiem tego szybko pokrywają się pyłem. Szkto jako osłona tworzy pułapkę promieniowania słonecznego; pra­wie całkowicie przepuszcza promieniowanie słoneczne, a nie przepuszcza promieniowania powyżej 8 mikrometrów długości fali. Tworzywa sztuczne przepuszczają to promieniowanie długofalowe. Przy wyborze odpowiednich

88

Kolektory słoneczne w zakresie krajowych szerokości geograficznych są nachylone do poziomu pod kątem od 45° do 65°. Dlatego króćce, łączące wzajemnie dwa kolektory albo kolektor z głównym przewodem odpływu, muszą być odchylone od prostopadłości do płyt absorberów o kąt od 30° do 45°. Odchylenie króćca wylotowego (rys. 4.10.) ma na celu uniknięcie niedopuszczalnego zapowietrzenia płyty absorbera, łatwo występującego przy grawitacyjnym przepływie czynnika. Na rysunku 4.10. przedstawiono różne sposoby wzajemnego połączenia kolektora dolnego z górnym oraz połączenia kolektorów z przewodami zbiorczymi dopływowymi i odpływowymi.

30-45°

Rys. 4.1Q.a. Łączenie króćców kolektorów

Kolektory turystyczne

Kolektorami turystycznymi bywają skupiające, jak i płaskie. Produkowane na Zachodzie przenośne kolektory skupiające mają kształt paraboloidalnej czaszy składanej z segmentów cienkiej blachy aluminiowej. W ognisku kon­centratora umieszcza się garnek lub patelnię. Temperatura podgrzania do­chodzi do 250°C. Ustawiania czaszy na stojaku w kierunku Słońca dokonuje się ręcznie.

o pojemności siedmiu litrów (rys. 4.11.). Ptyta absorbera od tylu i po bokach jest izolowana cieplnie watą mineralną lub szklaną. W górnej poziomej ścia­nie obramowania wykonany jest otwór na garnek. Otwór jest przykrywany cylindryczną pokrywą z materiału o malej przewodności cieplnej, na przy­kład z drewna. W przypadku podgrzewania posiłków w garnku lub na pa­telni, zbiornik kolektora należy opróżnić z wody. Zbiornik opróżnia się z wody przez odkręcenie dolnego kurka. Garnek może być podgrzany do około 150°C.

pokrywa

Rys. 4.11. Przenośny kolektor turystyczny

W głównym zbiorniku w ciągu dnia od kwietnia do końca września można podgrzać 15 do 20 litrów wody do temperatury 60°C do 80°C. Masa kolektora turystycznego 6 kg, powierzchnia napromieniania 500 mm x 500 mm, rama dolna 100 mm, rama górna 200 mm. Obrót za ruchem Słońca jest wykonywany ręcznie co 1 do 2 godz.

'K;

pionowej ścianie. Wszystkie konstrukcje nośne muszą być obliczone co do wytrzymałości przez jednostkę wyspecjalizowaną w obliczaniu kratownic. W obliczaniu konstrukcji wolnostojącej dodatkowo musi być uwzględniona sita wiatru. Konstrukcja najczęściej bywa spawana ze stalowych kątowników lub ceowników, ale może być także drewniana. Wybór drewna na konstru­kcję nośną zwiększa gabaryt baterii. Jako izolator cieplny, drewno jest zna­cznie lepszym materiałem niż stal, przez co użycie drewna na konstrukcję nośną zmniejsza straty ciepła z kolektorów do konstrukcji nośnej.

4.3. Kolektory wysokotemperaturowe

Zastosowanie soczewek lub luster dla skupienia strumienia promienio­wania słonecznego było znane setki lat temu. Silnik parowy zaopatrywany w parę wyprodukowaną przez kolektor skupiający promieniowanie słonecz­ne był pokazany na Wystawie Światowej w Paryżu w roku 1878 (rys. 4.16.)

Rys. 4.16. Kolektor skupiający z roku 1878 [23] 102

Ryć. 3.13. Ogólny widok elektrowni słonecznej z koncentratorami rynkowymi największej w zachodniej Australii współpracującej z silnikami Diesla jako uzupełniającym źródłem energii

woda. Temperatura w zasobniku ciepła sięga 250° C. Elektrownia ta jest konstrukcją prototypową przystosowaną do warunków panujących w krajach, do których Francja eksportuje swoją technologię, a typowe modułowe koncen­tratory można zestawiać w zespoły dowolnej wielkości, dostosowując do nich również wymiary zasobnika ciepła.

Istnieje tendencja do budowy coraz większych koncentra­torów. Przykładem może być opisany dalej moduł elektrowni słonecznej (ryć. 3.14).

W miejscowości Shenandoah w amerykańskim stanie Georgia została uruchomiona doświadczalna instalacja słoneczna wyposażona w 114 parabolicznych zwierciadeł średnicy 7 m, która pokrywa 50% rocznego zapotrzebo­wania zakładu dziewiarskiego na energię elektryczną i parę wodną. Czynnik roboczy przepływający przez ogniska zwierciadeł nagrzewa się do temperatury 400° C i przechodząc przez wymiennik ciepła ogrzewa wodę,

151

Zalety		Wady
4.	Małość walcowej powierzchnia absorbera umożliwia pokrycie go doskonalszą izola­cją — próżniową.	4. Zdolność odbicia luster maleje z cza-sem;wymagają one okresowego czysz­czenia. Powierzchnia luster ulega postę­pującemu nieodwracalnemu niszczeniu. Okolice bardziej uprzemysłowione nie nadają się do instalowania kolektorów skupiających.
5.	Baterie kolektorów skupiających mogą służyć do wytwarzania energii elektrycz­nej przez turbogenerator.	5. Ruchome koncentratory wymagają stałej, wykwalifikowanej obsługi technicznej.

4.3.1. Koncentrator SRTA

Kolektor SRTA złożony z nieruchomego koncentratora oraz z wychylne-go tubowego absorbera jest wynalazkiem Gene Stewarda. Koncentrator o powierzchni odbicia w kształcie czaszy kulistej skupia promienie słone­czne na linii tego promienia kuli, który jest równoległy do padających pro­mieni. W miarę przesuwania się Słońca od wschodu do zachodu linia skupiania promieni zawsze przechodzi przez środek kuli. Absorber tubowy musi się tak wychylać, by leżał w linii skupiania. Mechanizm wychylania absorbera tubowego względem stałego punktu, jaki stanowi środek kuli, jest znacznie prostszy od mechanizmu nastawiającego ku Słońcu cały koncen­trator. Na rysunku 4.17. pokazano w uproszczeniu kolektor typu Stewarda (SRTA) [21]. Praktyczne wykorzystanie koncentratora SRTA przedstawiono na schemacie (rys. 4.18.) istniejącej instalacji grzewczej w Colorado w USA. Koncentrator podgrzewa wodę dopływającą do absorbera od temperatury 70°C do 150-200°C pary przegrzanej. Z absorbera para przegrzana jest tłoczona pompą do akumulatora ciepła o pojemności energetycznej 10 milionów kJ. Objętość akumulatora ciepła wynosi 12 m³. Na zewnątrz akumulatora znajduje się powietrzno-wodny wymiennik ciepła. Chłodna woda dopływa z instalacji grzewczej budynku i podgrzana gorącym po­wietrzem w wymienniku wraca do urządzeń gorącej wody użytkowej. Go­rące powietrze jest przetłaczane przez dmuchawę z akumulatora do wymiennika ciepła i wraca do akumulatora ciepła jako chłodniejsze. Zim­na woda z akumulatora jest przetłaczana pompą do absorbera. Zapo­trzebowanie na ciepło, w razie niedomiaru energii słonecznej, jest uzupełniane piecem kotłowym opalanym olejem.

[23]. Silnik parowy o mocy 50 kM napędzany by) parą wytwarzaną przez kolektor paraboloidalny z absorberem energii słonecznej w kształcie tuby umieszczonej w głównej osi koncentratora. Koncentrator by) obracany za ruchem Słońca ręcznie przy pomocy korby.* W roku 1913 inżynier amery­kański F. Shuman zainstalował z powodzeniem kolektor paraboloidalny w pobliżu Kairu (Egipt) do napędu pompy nawadniającej przybrzeże Nilu. Pomimo te i inne osiągnięcia, względy ekonomiczne zniechęcały do szer­szego zastosowania kolektorów skupiających. Poważną trudnością dla roz­powszechnienia kolektorów skupiających jest konieczność wyposażania ich w mechanizm obrotowy, z uwzględnieniem nie tylko dziennego ruchu Słoń­ca, ale także zmiany deklinacji promieni słonecznych w ciągu roku.

W ostatnich paru latach wprowadzono trzy nowe prostsze rozwiązania unikające kosztownego mechanizmu obrotu koncentratora za Słońcem.

1. SRTA (Stationary Reflektor-Tracking Absorber) [21]. Kolektor składa się z nieruchomego czaszowego koncentratora oraz z wychylnego tubowe­go absorbera, leżącego zawsze w aktualnie równoległym do promieni sło­necznych promieniu czaszy.

2. CPC (Compound Parabolic Concentrator) Kpjekior składa się z rynien o parabolicznym przekroju poprzecznym. Każda rynna jest ustawiona na osi wschód-zachód. Piaski absorber znajduje się w ognisku paraooli.

3. POĆ (Pyramidal-Optical Concentrator) Koncentrator optyczny składa się z płaskich luster odbijających promieniowanie słoneczne na wielokrotnie mniejszą powierzchnię płaskiego absorbera.

Zalety i wady kolektorów skupiających

Zalety		Wady
1.	Powierzchnia lustra koncentratorów jest tańsza od takiej samej powierzchni kolektora płaskiego.	1. Koncentrator jest sprawny tylko przy pa­daniu na niego bezpośredniego promie­niowania. Promieniowanie rozproszone skupiane jest w nikłym stopniu.
2.	Czynna powierzchnia kolektorów skupia­jących odbiera więcej energii wskutek ob­rotu za Słońcem.	2. Tubowy absorber, względnie koncentrator wymaga kosztownego mechanizmu obroto­wego wraz z automatycznym sterowaniem.
3.	Koncentracja strumienia promieniowania słonecznego umożliwia podgrzanie czyn­nika w absorberze do znacznie wyższej temperatury. Ponieważ powierzchnia absorbera jest znacznie mniejsza jak w kolektorze płaskim, straty ciepła do otoczenia mogą być łatwo redukowane.	3. System wychylania tubowego absorbera wymaga elastycznego połączenia z prze­wodami przepływu czynnika przenoszą­cego ciepło db akumulatora ciepła. ; i i

Rys. 4.27. Powiązanie kształtu koncentratora z długością promienia odbicia [9]

2r,

e

D„

max ^{- sin} 2 sin 60° • sin w

(4.6)

Z rysunku 4.27. najmniejszą średnicę absorbera otrzymamy dla A_max przy y = 90°.

4.3.3. System POĆ

System ten ogólnie polega na odbiciu strumienia promieniowania słone­cznego przez płaskie lustra (zwykle aluminiowe) w kierunku płaskiego ab­sorbera ukrytego wewnątrz pomieszczenia. Powierzchnia luster bywa nawet wielokrotnie większa od czynnej powierzchni absorbera. Na rysunku 4.28., absorber o małej powierzchni czynnej jest ukryty w pomieszczeniu — dzięki czemu jest zabezpieczony przed zakurzeniem oraz przed większymi stra­tami ciepła do atmosfery. Pewna liczba nieruchomych luster znajduje się wewnątrz pomieszczenia. Pozostałe lustra znajdują się na zewnątrz i mają możliwość obrotu w osi poziomej. W godzinach kiedy absorber nie jest napromieniany, zewnętrzne lustra ustawia się w pozycji pionowej. W tej pozycji lustra zamykają szczelnie pomieszczenie absorberów, co zmniejsza

114

wejściowo aperiura 1500 x 6800 mm

nastawianie

Rys. 4.28. Koncentrator typu POĆ [21]

piaski kolektor

straty ciepła z absorberów do otoczenia. Tego typu baterie absorberów mogą podgrzewać wodę powyżej 100°C. Lustra zewnętrzne muszą mieć możliwość nastawiania nachylenia do poziomu, zależnie od pory dnia i roku. W ciągu dnia można to czynić parokrotnie. Najważniejsze jest ustawienie pomiędzy godziną 11°° a 13°°, zwłaszcza w porze zimowej. Poziome usy­tuowanie płaskiego kolektora upraszcza system, umożliwia wykonanie ab­sorberów we własnym zakresie. Powierzchnia absorberów jest wielokrotnie mniejsza niż przy odbiorze przez płaskie kolektory bezpośrednie. Wskutek dwu- a nawet trzykrotnego odbicia promieni, zanim promieniowanie dotrze do płaskiego absorbera, uzyskuje się sprawność optyczną rzędu 80%. Stra­ty optyczne nadrabia małość powierzchni baterii kolektorów w tym systemie. System ten nie wymaga dokładnego wykonawstwa. Jako materiał na lustra stosuje się folię aluminiowaną wykonaną przez natryskiwanie aluminium na tworzywo sztuczne itp.

^«. f 4.3.4. Soczewki skupiające

Z soczewek skupiających najbardziej rozpowszechnione są soczewki Fresnela (rys. 4.29.a), których atrakcyjność wynika głównie z łatwości ich masowej produkcji i malej materiałochłonności, oraz względnej taniości ma­teriału (polimetakrylan metylu). Obecnie przeprowadza się badania nad mo­żliwościami koncentracji przez liniowe soczewki, których pryzemki są skierowane ku dołowi. Soczewki Fresnela od strony padających na nie pro­mieni słonecznych są płaskie albo cylindryczne. Promienie po przejściu

115

ueuzie to największa instalacja tego typu w RFN.

Nowym kierunkiem wykorzystania wielkich pomp ciepła w RFN jest sprzężenie ich z elektrociepłowniami, przy zastosowaniu odprowadzenia ciepła za pomocą tzw. zimnej szyny. Rozwiązanie to jest znacznie bardziej ekonomiczne od odprowadzania ciepła w tradycyjny sposób izolowanym rurociągiem, jeśli odległości elektrociepłowni od odbiorcy są duże (powyżej 15 km). Ciepło doprowadza się wówczas za pomocą nieizolowanego rurociągu, co powoduje wpraw­dzie duże straty ciepła, ale nakłady na instalację są cztery razy niższe, a wykorzystanie dużej pompy ciepła w miejscu odbioru pozwala ogrzewać mieszkania znacznie taniej niż w rozwiązaniu tradycyjnym mimo zużycia pewnej ilości energii do napędu sprężarki w pompie ciepła. Zapewnia to ponadto lepszy odbiór ciepła z elektrociepłowni i zmniejsza jej uzależnienie od wody chłodzącej, co ma szczególne znaczenie w przypadku elektrowni jądrowych.

Do roku 1977 w RFN zainstalowanych było 6000 pomp ciepła, ale ich sprzedaż w związku z kryzysem energetycz­nym szybko wzrastała i wynosiła w 1981 r. 58000 sztuk (w tym 40 000 do podgrzewania wody). Ze względu na zmianę sytuacji na światowym rynku energetycznym obecnie sprzedaż spadła na ok. 10000 sztuk rocznie (przy cenie ok. 1000 marek za sztukę).

3.1.2. Elektrownie sloneczne -systemy zdecentralizowane

Podstawowe zasady pracy elektrowni słonecznych znane są od bardzo dawna. Kilka konstrukcji silników słonecz­nych na gorące powietrze lub parę wodną stosowanych było w latach 1880-1920. Jedną z największych instalacji tego typu było wybudowane w Midii w Egipcie urządzenie o mocy 45 k W z silnikiem słonecznym do pompowania wody. Stosowane silniki mogą być różnego typu. Mogą

III Odn.mialnc /rodła cncraii 145

Ryć. 3.14. Przykład dużego koncentratora dwuosiowego o średnicy 15 m. Wytwarza on temperaturę 2700°F, a zastosowany do produkcji energii elektrycznej może dostarczyć moc 50 k W. Może być stosowany w zestawie kilku instalacji w celu uzyskania większej mocy

Źródło: jak ryć. 3.11

po czym, zamieniając ją w parę, napędza generator energii elektrycznej, który wytwarza 400 k W energii elektrycznej oraz dostarcza parę technologiczną. Instalacja zajmuje powierzchnię 2,28 ha (ryć. 3.11).

152

---