Концентратор солнечной энергии

Концентратор солнечной энергии предназначен для получения тепловой энергии из энергии солнечного излучения. В работе системы происходят следующие физические процессы. Солнечные лучи падают на панель зеркал и от зеркала отражаются в мишень. В мишени происходит преобразование энергии излучения в тепловую энергию. В течение всего светового дня происходит наведение панели зеркал на Солнце по двум координатам. В результате панель всегда располагается перпендикулярно солнечным лучам. Эту функцию концентратора выполняет контроллер с набором датчиков и исполнительных механизмов. (см. чертеж 1)

Разберём последовательно состав и функции каждого элемента системы.

Панель зеркал – это металлическая рама с зеркальными элементами. Отражающая поверхность каждого зеркального элемента геометрически соответствует активной площади мишени. Конструкция рамы предусматривает крепление и ориентацию зеркальных элементов. Так, в собранном виде, на раме образуется псевдопараболическая зеркальная поверхность, в фокусе которой устанавливается мишень. Эффективная отражающая поверхность панели зеркал примерно равна двум квадратным метрам.

Мишень - выполняет функцию абсорбера. Абсорбер это устройство, которое преобразует энергию. В нашем случае солнечное излучение в тепло. Активная площадь абсорбера является проекцией зеркального элемента. В нашем солнечном концентраторе площадь абсорбера примерно в сто раз меньше отражающей поверхности панели зеркал. Таким образом, коэффициент концентрации энергии равен примерно ста. Внутри абсорбера циркулирует теплоноситель, поэтому его корпус и подводящие трубопроводы утеплены.

Панель зеркал с мишенью – единый сборочный узел. Он установлен на специальной платформе. С целью равномерного распределения механической нагрузки и увеличения стойкости к ветровой нагрузке на одной платформе устанавливаются два подобных узла. Платформа представляет собой жёстко закреплённое основание и подвижную часть. Основание монтируется в выбранном заказчиком месте (кровля здания или площадка на поверхности земли) и выставляется горизонтально. Подвижная часть установлена на платформе-основании и обеспечивает перемещение обеих панелей зеркал по двум координатам. Таким образом, по средствам исполнительных механизмов происходит поворот панелей зеркал в вертикальной и горизонтальной плоскости (по углу и азимуту). Диапазон угла наклона 0˚÷ 90˚, диапазон поворота по азимуту 0˚÷290˚.

Контроллер (устройство управления) - прибор, который автоматизирует работу всей механической части солнечного концентратора. Контроллер обеспечивает наведение панели зеркал на Солнце, т.е. устанавливает её всегда перпендикулярно солнечным лучам. Таким образом, решается задача максимального получения тепла в данных климатических условиях. Контроллер принимает сигналы от фото-датчика и подаёт команды на исполнительные устройства вертикального и горизонтального перемещения. Так происходит отслеживание перемещения солнца на горизонте в течение всего дневного цикла.

Вторая задача контроллера – хранение информации. Наличие информации о координатах Солнца за предыдущие дни в памяти контроллера необходимо для ежедневной «встречи» Солнца на восходе и «ведения» его в условиях сильной облачности.

Третья задача – сохранность работоспособности оборудования. Так в случае избытка тепла и нагрева аккумулятора тепла до критической температуры контроллер уводит концентратор от направления на Солнце. Тем самым предотвращает закипание теплоносителя и как следствие разрушение системы. В случае же недостатка тепла контроллер отключает циркуляцию в системе теплообмена (концентратор – аккумулятор тепла). Тем самым предотвращается выхолаживание аккумулятора тепла.

Контроллер имеет ЖК-индикатор, который показывает оперативную информацию и шесть кнопок управления. Для выработки управляющих сигналов контроллер получает информацию от трёх датчиков температуры и четырёх ориентационных датчиков – часы, компас, акселерометр, фото датчик (см. чертёж 4). Контроллер - программируемое устройство. Он может помимо обязательных функций выполнять ряд дополнительных, которые предусматриваются заданием на проектирование.

Электропитание контроллера и всех электронных приборов солнечного концентратора выполнено в двух вариантах: а) автономное, от солнечной батареи; б) зависимое, от электрической сети 220В.

Аккумулятор тепла

Аккумулятор тепла предназначен для накопления и хранения тепловой энергии полученной от солнечного концентратора. Генерация тепла происходит в период солнечной активности, а использование - по мере необходимости. Таким образом, с помощью аккумулятора тепла происходит согласование этих независимых процессов.

Конструктивно аккумулятор тепла представляет собой ёмкость для воды, в которой размещены два трубопровода-теплообменника и электотэн (см. чертёж 2). Для накопления и хранения тепловой энергии мы используем обычную воду. Высокая теплоёмкость воды позволяют в заданном объёме накапливать максимальное количество тепла.

Ёмкость для воды - это полипропиленовый бак, утеплённый снаружи слоем фольгированного энергофлекса. Вода в баке находится при атмосферном давлении, и меняется только при техобслуживании оборудования. Теплообменник – трубопровод из нержавеющей стали, с гофрированной поверхностью. Длина каждого трубопровода соответствует заданной мощности теплообмена. Электротэн в конструкции бака необходим для поддержания работоспособности системы теплоснабжения в случае продолжительного периода низкой солнечной активности.

Гидравлическая система концентратора и аккумулятора выполняется с принудительной циркуляцией теплоносителя. Для обеспечения её надёжной работы и исключения аварийных ситуаций используется запорно-регулирующая арматура, расширительные баки, контрольно-измерительные приборы.

Принципиальная схема гидравлической системы солнечного концентратора приведена на чертеже 3.