Солнечный коллектор или гелиоконцентратор

Пост опубликован: 27 апреля, 2020

Скрытое превосходство против явного преимущества

Содержание статьи

Солнечный концентратор, как и солнечный коллектор, на первый взгляд решают одинаковую задачу – обеспечение потребителя энергией из альтернативного источника. Но если существуют два разных устоявшихся названия, значит эти устройства должны чем-то существенно отличаться друг от друга.

Сравнение без детализации

Установить градацию между солнечными коллекторами и концентраторами помогут два новых понятия: апертура и абсорбер. В области альтернативной энергетики их следует описывать так:

Апертура – элемент конструкции эффективно принимающий солнечное излучение;
Абсорбер – элемент устройства, поглощающий тепловое излучение.

Используя эти термины, описать обычный бытовой солнечный коллектор можно как устройство, в котором площади апертуры и абсорбера приблизительно одинаковы. Типичный пример – солнечный водонагреватель, или воздушный солнечный коллектор.

Солнечный концентратор спроектирован таким образом, что площадь апертуры во много раз больше площади абсорбера. Например, солнечная электростанция Ашалим, в Израиле, собирает свет с 55 тысяч зеркал, общей площадью более 3,1 кв. км, на абсорбер площадью ≈ 200 кв. м.

Типы солнечных концентраторов

До 2010 года, солнечные концентраторы использовали только зеркальные поверхности для передачи излучения на абсорбер и делились на три типа:

Солнечные башни;
Параболические концентраторы;
Параболоцилиндрические системы.

Затем была доказана более высокая эффективность анидолической (неизображающей) оптики, для концентрации тепловой энергии солнечного света, и на основе параболоцилиндрических систем начали строить крупные электростанции, генерирующие более 100 МВт электроэнергии.

Но самую первую солнечную электростанцию, ещё в 1907 году собрал изобретатель Шуман, именно на основе параболических желобов. Постоянно совершенствуя своё детище, к 1913 году Шуман довёл её мощность до 52 КВт.

Фундаментальные различия коллекторов и концентраторов

Принципиальная разница между гелиоконцентраторами и солнечными коллекторами кроется в температуре рабочего тела. Для солнечных концентраторов, стандартная температура абсорбера не опускается ниже 400˚C. В некоторых системах она достигает 1400˚C. Разумеется, что использование воды в таких системах невозможно, поэтому в качестве теплоносителя используют расплавы солей, эвтектические сплавы металлов и даже жидкий кремний.

Но самое главное – солнечные концентраторы, прежде всего, используют для генерации электричества. Для обогрева помещений такие системы не приспособлены, поэтому гелиоконцентраторы практически везде используются в промышленных масштабах.

ВАЖНО: для генерации электричества в круглосуточном режиме, все промышленные гелиоконцентраторы имеют в своей структуре гигантские теплоаккумуляторы.

Солнечные коллекторы спроектированы именно как устройства для нагрева воды или воздуха, без возможности генерации электричества. В самых современных солнечных коллекторах с вакуумными трубками, теплоноситель может нагреваться до 200-220˚C, но через обменный контур он отдаёт тепло в бойлер большого объёма. А температура воды в бойлере уже не поднимается выше 90-95˚C.

Особое применение нашли солнечные коллекторы в работе с теплоаккумуляторами. Комбинация двух этих устройство позволяет запасать тепло на длительный срок, и использовать энергию из альтернативного источника для бесплатного обогрева жилья в зимний период. Грамотно проектированные теплоаккумуляторы, могут сделать зимнее отопление жилых помещений полностью автономным, либо снизить затраты на 65-90%.

ИНФОРМАЦИЯ: в Германии ежегодно вводят в эксплуатацию несколько сотен теплоаккумуляторов для отопления домов, а крупномасштабные проекты, обеспечивающие обогрев больших инфраструктурных объектов (больницы, торговые центры, крытые стадионы) уже исчисляются десятками. Все они используют вакуумные солнечные коллекторы.

Для объективности надо заметить, что интеграция в систему отопления теплоаккумуляторов, заряжающихся от альтернативных источников энергии, требует относительно высоких финансовых вложений. Во всём мире подобные проекты частично или полностью оплачиваются из государственной казны. Правительство России, как и других стран постсоветского пространства, такую помощь населению не оказывает.

Предпочтения в частном секторе

Простому домовладельцу в 99% случаев приходится использовать солнечный коллектор. Даже если он изготовлен в форм-факторе параболоцилиндрического желоба, то получаемая энергия идёт на обогрев дома, или воды. В идеальном варианте, такой коллектор может запасать тепло в расширительной ёмкости днём, а ночью горячий теплоноситель будет циркулировать по батареям отопления.

Единичные проекты теплоаккумуляторов рассчитанные для сезонного хранения энергии, реализованы в нескольких подмосковных коттеджах. И то, это была инициатива владельцев, действовавших на свой страх и риск. Но отзывы они оставляют положительные. Ведь затраты на отопление в зимний период снизились на 60-80%!

Солнечный концентратор тоже может получить прописку в своём доме, но только в виде систем CSP-Stirling. Такие небольшие параболические концентраторы диаметром 2 – 3 метра, с установленным генератором Стирлинга в фокусной точке, могут вырабатывать 3-5 КВт электроэнергии. В США их устанавливают на крышах зданий с 2010 года. Тем более что КПД подобных устройств гораздо выше, чем у солнечных элементов.

Без генерации электроэнергии, солнечным концентратором можно нагревать сауну. Такие например используются в швейцарских Альпах. (рис. Солнечная сауна)