Концентраторы солнечных лучей

В детстве, почти каждый из нас пробовал использовать энергию солнца через линзу, выжигая на дощечке имена или подпаливая бумагу. О линзе, как концентраторе солнечных лучей мы не знали. Ее воспринимали как игрушку или очередным детским увлечением.

Подготавливая материал очередной статьи, я все время ловлю себя на мысли, что масса полезной и познавательной информации приходит от моих коллег из социальных сетей. Вот и в этот раз, из группы facebook «Дом твоей мечты» пришла информация о концентраторах солнечного света, на основе сферических линз.

Да, да тех самых линз, которыми мы так любили играться в детстве. Но только линзы изготовлены по новой технологии, так называемые линзы Френеля (Август Френель – французский математик 19 век). Ранее линзы Френеля использовались только в маяках для усиления силы света от лампы для увеличения расстояния видимости.

Никто ранее не догадывался, что этот эффект можно применить для создания мощных солнечных батарей или солнечных печей. Результатом эксперимента, который провели ученые из НАСА с этими линзами, стала миниатюрная солнечная система, под названием SolarVolt.

Новая установка за счет линз Френеля увеличила световой поток в двадцать раз. При этом конечное производство электричества увеличилось на 15 процентов. В солнечных панелях использовали такие линзы толщиной всего в 0,2 миллиметра.

При помощи линз концентрация солнечного света происходит на меньшей площади, что дает возможность уменьшить габаритные размеры установки, не теряя при этом количество вырабатываемой электроэнергии. По новой технологии значительно уменьшаются размеры солнечных панелей, а при реконструкции уже существующих станций повысится их производительность при той же занимаемой площади.

Новая технология увеличения эффективности начала применяться в космической технике на космических кораблях для запуска ионного двигателя. Но опустимся с космических высот на землю и попытаемся разобраться, где же можно использовать эффект линзы, как концентратора солнечного света.

Для более детального описания данной новой технологии я использовал ту информацию, которые прислали мои коллеги.

«Концентраторы солнечных лучей могут быть использованы в двух направлениях. Одно из них – применение линз, которые помещаются поверх фотоэлементов. За счёт размещения на солнечной батарее этих специальных линз в восемь раз повышается концентрация светового потока. Таким образом, появляется возможность уменьшить количество фотоэлементов арсенида галлия, которые составляют основную часть стоимости солнечных батарей.

А второе, использование солнечного света для работы солнечных печей.

Солнечные линзовые панели.

Самодельные солнечные панели с применением линз были установлены в Калифорнии, еще в 1998 году, для обеспечения электричеством частного дома. Последние 10 лет учеными разных стран достигнуты большие успехи в технологиях по изготовления тонких линз для солнечных электрических панелей.

Самой известной крупной компанией, которая попыталась масштабно внедрить линзовые солнечные панели, стала компания SolFocus (Калифорния США). В 2006 году им удалось разработать компактные линзовые солнечные панели. На их создание использовалось гораздо меньше кремния, чем на обычные панели, так как они использовали линзы и зеркала, чтобы сконцентрировать солнечный свет.

Такие концентраторы солнечного света увеличивали солнечную энергию в 500 раз, и таким образом они наращивали продуктивность фотоэлементов. Что в то время сокращало расходы на производство солнечной энергии практически на 40%.

Однако, по заключению разработчиков, систем SolFocus, есть одно но: «При использовании системы фотогальванических панелей вы захватываете только небольшой кусочек неба, поэтому очень важно, чтобы система могла следовать за солнцем от рассвета до заката» (автор).

За последующие 5 лет компания SolFocus реализовала несколько крупных проектов и собрала около 230 млн. $ инвестиций. Системы SolFocus установлены и работают в 13 странах от США (на Гавайском острове Кона, а также в Калифорнии и Колорадо) до острова Крит, и вплоть до Саудовской Аравии, Малайзии и малонаселённых областей Австралии.

Это модульная система, и поэтому мощность комплексов фотогальванических панелей может быть от нескольких сотен киловатт до более 50 мегаватт. Однако, учитывая тот фактор, что для постоянного движения панели SolFocus нужен актуатор (механизм приводящий в движение солнечную панель, который находится в задней ее части), что связано с большими эксплуатационными расходами по техническому обслуживанию, данное направление не получило интенсивного развития.

Кроме американцев, в направлении создания концентраторов солнечных лучей для получения электрической энергии трудились российские ученые (Петербург) и немецкие. Последним удалось при помощи такой технологии увеличить КПД солнечных панелей до 40%, а в полевых испытаниях эффективность установки достигла 28,5%.»

В заключении можно сказать, что получение электроэнергии от солнечных панелей с применением линз, гораздо эффективней, чем традиционные плоские солнечные панели. Важен факт, что данная технология может применяться как в быту (частное домостроение) так и в промышленном масштабе, при строительстве солнечных электростанций. Мы надеемся, что данное направление займет достойное место среди возобновляемых источников энергии.

Понравилась статья, поделись с друзьями. Ваши отзывы и пожелания в комментариях всегда приветствуются.

Солнечная печь из линзы френеля

Вероятно, практически каждый в детстве выжигал надписи и рисунки на дощечке или пробовал разводить огонь при помощи увеличительного стекла. Как известно это возможно за счет того, что увеличительное стекло фокусирует солнечные лучи в одну небольшую точку. Вспоминая об этом, автору пришла в голову мысль о создании солнечной печи для приготовления пищи на основе большого увеличительного стекла.

Материалы и инструменты, которые использовал автор для создания солнечной печи на основе линзы Френеля:

1) старый проекционный телевизор
2) алюминиевый профиль
3) болты и гайки с зажимами
4) деревянные брусья и рейки
5) дрель

Рассмотрим подробнее создание данной конструкции солнечной печи и основные моменты, касающиеся ее работы.

Естественно температура в точке фокусировки зависит не только от интенсивности солнечного излучения, но так же и от размеров самого увеличительного стекла. Для приготовления пищи и создания солнечной печи потребуется довольно большое увеличительное стекло, поэтому возникает естественный вопрос: где его взять?

К тому же линзы, которые вы использовали в детстве делались из стекла и были довольно толстыми, а следовательно стекло необходимых размеров для солнечной печи будет еще более толстым. К тому же большое увеличительное стекло найти не так то просто. ведь они не особенно пользуются популярностью. Да и даже, если раздобыть такое стекло, то оно будет стоить весьма больших денег, а так же будет тяжелым, что значит неудобным в практическом использовании.

Ища ответы на эти вопросы в интернете, автор наткнулся на так называемую линзу Френнеля. Они пользуются гораздо большей популярностью по нескольким причинам. Во-первых, они могут иметь большие размеры и при этом толщину всего в несколько миллиметров. Во-вторых, они могут изготавливаться не только из стекла, но и из пластика, что сильно сказывается на цене подобных линз в сторону их дешевизны.

Такие линзы можно заказать через зарубежные интернет-магазины, такие как Таобао, Алиэкспресс, Ebay. Так же автор узнал, что такие линзы используются в моделях проекционных телевизоров.

Ниже представлена схема структуры одного из таких телевизоров:

Поэтому автор предпочел использовать линзу из старого уже не рабочего проекционного телевизора, такие кстати тоже можно поискать на барахолках радио-рынков.

В итоге с экрана проекционного телевизора была демонтирована линза Френеля таких же размеров.

Так как сама линза довольно тонкая и пластичная, то для ее практического использования необходимо создать каркас, в который она будет крепиться.
Взяв за основу алюминиевый профиль и деревянные бруски, автор соорудил жесткую рамку под размеры линзы. Для того, чтобы устанавливать линзу в одно положение, автор сделал так же из деревянных брусков треногу, и просверлил в ее вертикальных направляющих несколько отверстий для крепления зажимов. На рамке линзы были так же сделаны специальные полки, в которые вставляются болты, закрепляя эти болты в соответствующие деления на ножнах подставки, можно регулировать высоту расположения и наклон линзы.

После того как линза оказалась на подставке, остается только вынести ее на солнце, определить точку фокусировки лучей и поставить в нее кастрюлю или сковородку, где будет готовиться пища. Будьте предельно аккуратны при установки посуды для приготовления под точку фокусировки солнечных лучей, так как температура в этой точке может достигать 1000 градусов. Для того, чтобы регулировать температуру готовки, следует помещать сковородку немного выше или ниже точки фокусировки.

Солнечный концентратор

Еще со времен начала нашего тысячелетия, возможность и способы использования энергии солнечных лучей заботили самые выдающиеся умы человечества. Уже тогда люди прекрасно понимали, что небесное светило по имени Солнце, является источником излучения неисчерпаемой энергии. Однако как «приручить» и использовать его в своих интересах в то далекое время не выяснил никто. Согласно дошедшим до наших дней источникам, писатели времен античности Плутарх и Полибий, указали, что человеком, который первым собственноручно написал чертежи и собрал работающее изобретение, был Архимед.

По своей сути, изобретение мудрого греческого инженера, которое он собрал своими руками – это первый созданный на планете Земля параболический концентратор на основе солнечной энергии, принцип действия которого состоял в концентрации излучения в одном небольшом пучке.

В районе воздействия такого пучка уровень температуры мог достигать от 300 до 400 градусов Цельсия. Такой энергии, сконцентрированной на корпусе любого из кораблей римского военного флота (который в то время полностью состоял из дерева), было бы достаточно для возгорания морского судна. Сегодня можно только делать предположения насчет того, какое конкретно изобретение дал миру Архимед, но исходя из современных знаний и представлений о технологиях и достижениях в данной области энергетики, было только два возможных варианта.

Начнем с того, что само наименование, которое получило изобретение – это солнечный концентратор, такое название говорит за себя само.

Линза, выпуклая с обеих сторон – это пример простейшего концентратора

Это устройство, которое путем улавливания солнечного излучения определенным изгибом поверхности концентрирует лучи в одной точке, добиваясь кратных показателей увеличения энергии. Все мы помним из своего юного прошлого обычную линзу, выпуклую с обеих сторон – это пример простейшего концентратора. В солнечную погоду, регулируя своими руками угол падения излучения солнца, можно было выжечь на деревянной поверхности или на бумаге все, что приходило в голову, любую фигуру или надпись.

Такая линза принадлежит к группе рефракторных концентраторов. В дополнение к выпуклым линзам, к этой же группе концентраторов относят и линзы Френеля, представляющие собой призму. Длиннофокусные концентраторы собираются с использованием так называемых линейных линз. Такие концентраторы очень недорогие и их легко собрать своими руками, не прибегая к помощи квалифицированного инженера (если вы решите это сделать, в сети закачано достаточное количество видео, запрос – homemade solar reflector). Однако в практике они используются совсем нечасто, одна из причин этого – их довольно крупные габариты. Такие концентраторы, в том числе и самодельные, применяют в тех местах, где сделать это позволяют площади и занимаемое ими пространство, не являющимися критичным для его обладателя.

Линза Френеля размером примерно с альбомный лист

Такой недостаток отсутствует у призменного концентратора солнечного излучения. Кроме того, это оборудование может частично концентрировать и часть диффузионного излучения, тем самым в значительной мере увеличивая мощность создаваемого энергетического лучевого потока. Трехгранная призма, с применением которой строится данный механизм, одновременно осуществляет функции и инициатора излучения точки концентрации луча, и приема этого излучения. В дополнение ко всему задняя грань многогранника отражает поток энергии принятого передней гранью солнечного излучения, а боковая грань отвечает за выдачу излучения. В принципе работы этого оборудования заложен механизм максимального отражающего воздействия на солнечные лучи до момента их попадания на боковую грань.

Рефлекторный солнечный концентратор solar в сравнении с рефракторными функционирует путем объединения энергии пучка отраженной солнечной радиации. Исходя из формы конструкции, такие концентраторы делятся на подвиды и называются параболоцилиндрическими и параболическими. Если разбираться в показателях коэффициента полезного действия этих устройств, то самым мощным источником энергии будет параболический концентратор, он выдает до 10 тысяч единиц концентрации.

Параболический концентратор выдает до 10 тысяч единиц концентрации

Однако для создания энергетических солнечных систем теплоснабжения (особенно для отопления зимой) в большей степени прибегают к установке параболоцилиндрических или плоских устройств, к тому же такую систему легко монтировать и своими руками.

Солнечные концентраторы их практическое использование и применение

В принципе, главная функция солнечных концентраторов любой конструкции – это сбор поступающего от солнца излучения и его сосредоточение в одной точке. Определить область применения данной энергии – выбор хозяина этого оборудования. Используя совершенно бесплатную и возобновляемую энергию, можно разогревать воду для хозяйственных нужд и нужд гигиены. Количество нагреваемой воды будет зависеть только от размеров тарелки и общей конструкции концентратора. Параболические концентраторы небольших размеров могут быть использованы в качестве печи для приготовления продуктов, которая будет работать исключительно на сконцентрированной солнечной радиации.

Зимой концентраторы можно применить в качестве дополнительного источника солнечного света для фотоэлектрических солнечных батарей, тем самым повышая их выходную мощность в условиях недостатка солнечного излучения.

Параболические концентраторы могут быть использованы в качестве печи для приготовления продуктов

На самом деле применение в целях повышения эффективности кристаллических батарей – довольно неплохая идея, учитывая невысокую стоимость концентраторов. Тем более что патент на такую конструкцию вам не понадобится. Получится своеобразная система электроснабжения homemade solar.

Возможно также применение устройства как автономного источника энергии для двигателя Стирлинга (патент на такой двигатель его изобретателем был получен уже очень давно). Концентраторы группы параболических создают в точке сбора солнечных лучей температуру в диапазоне от 300 до 400 °C.

Если в область концентрации лучей, идущих от сравнительно небольшой тарелки, поставить металлическую подставку для посуды и поместить на нее чайник, без проблем можно вскипятить воду без использования электричества. Разместив нагреватель в точке концентрации энергии, вы довольно быстро разогреете и проточную воду в достаточно больших объемах для дальнейшего использования в хозяйственных нуждах. Сможете полить огород, помыть посуду, принять душ.

Разместив в фокусе луча правильно подобранный по мощности двигатель Стирлинга, вы получите небольшую тепловую и электрическую станцию.

Двигатели Стирлинга созданы для того, чтобы работать в паре с солнечным концентратором

К примеру, одна компания под названием Qnergy разработала и зарегистрировала патент, запустив в серийное производство двигатели Стирлинга QB-3500, которые созданы специально для того, чтобы работать в паре с солнечным концентратором solar reflector. По своей сути такое устройство можно считать генератором электрического тока, где основную функцию выполняет двигатель Стирлинга. Отметим, что такая система также требует наличия аккумуляторных батарей для накапливания полученной энергии. Такая электростанция осуществляет выработку электрического тока мощностью 3500 Вт. Инвертор на выходе выдает стандартное напряжение в 220 вольт, частотой 50 Гц. Такой мощности электрического тока вам хватит для полного обеспечения нужд дома, в котором проживает семья из четырех человек. Эффективно применение подобных батарей и для дачного дома. Установленный на вашем участке концентратор будет иметь внешний вид спутниковой антенны, не нарушая внешнюю эстетику.

Кстати, одним из производителей был зарегистрирован патент устройства, где, применяя принцип работы двигателя Стирлинга, можно создать систему, которая в своей основе будет эксплуатировать поступательно-возвратное или вращательное движение (не требует установки аккумуляторных батарей). Как пример такой системы можно привести водяной насос для колодца или других целей.

Параболический концентратор нужно систематически поворачивать за лучами солнца по мере вращения земли в течение суток

Главный недостаток, которым обладает параболический концентратор – это то, что за ним надо систематически следить, поворачивая его за лучами солнца по мере вращения земли в течение суток. Там, где концентраторы применяются на крупных тепловых станциях в промышленных масштабах, к группе батарей дополнительно монтируют специальные системы слежения за движением солнца. Такие системы поворачивают зеркала вслед за его перемещением. Тем самым гарантируется постоянный и эффективный прием поступающей солнечной радиации под самым эффективным углом. Но применение такого оборудования в частном порядке, скорее всего, будет не очень целесообразным, ввиду того, что затраты на приобретение будут значительно большими, чем стоимость стандартного рефлектора на треножном креплении.

Как сделать концентратор солнечного излучения самому?

Для изучения данного вопроса можно обратиться к опыту изобретателя из Владивостока Юрия Рылова, имеющего патент на созданную им отопительную систему. Уже на протяжении долгого времени его большой загородный дом, общая площадь которого составляет более 400 квадратных метров, полностью обогревается на основе системы батарей, где теплоноситель разогревается солнечным концентратором.

Концентратор Юрия Рылова работает более чем в два раза эффективней солнечных батарей

Всю систему, на которую он в результате получил патент, умелец разработал сам. Его концентратор работает более чем в два раза эффективней солнечных батарей.

Для этого есть ряд причин, одна из них – это система концентраторов, на которую изобретатель получил патент, она аккумулирует энергию практически всего поступающего спектра солнечной радиации. Следующая причина в том, что система была дополнена механизмом слежения за солнцем (учитывая область применения оборудования в данном случае, это может быть оправданным).

Однако с внедрением системы в массовое производство возникли проблемы. Под созданное устройство уже более чем пять лет назад изобретателем был получен патент Российской Федерации, но до настоящего времени оно не получило широкого промышленного распространения. Это довольно странно, так как со слов Рылова, его концентратор позволяет обогревать подъезд дома в пять этажей, обеспечивая его горячей водой. За восемь часов работы оборудование разогревает кубометр воды. За это же время концентратор выдаст 80 кВт электроэнергии. В дополнение изобретатель столкнулся с проблемой защиты интеллектуальной собственности на территории России. Заниматься закреплением права собственности на свое устройство в тех странах, где возможно наладить такое производство, надо самостоятельно, чиновники не помогают получить патент за границей.

Самый легкий способ для сборки собственного самодельного концентратора – это сделать его на основе старой спутниковой тарелки

Итак, самый легкий способ для сборки собственного самодельного концентратора – это сделать его на основе старой спутниковой тарелки. До начала сборки механизма определитесь с целями его применения, после чего выберите место установки концентратора. Хорошенько вычистите антенну и на рабочую сторону прикрепите отражающую пленку.

Для ровной укладки пленки и во избежание возможного появления складок, разрежьте пленку на полоски, размером не больше пятидесяти миллиметров. Если вы надумали применять концентратор в роли печи, использующей солнечное излучение, будет лучше, когда в центральной части тарелки вы проделаете отверстие около 70 миллиметров диаметром. Через него пропустите крепление емкости с пищей. Приспособление гарантирует фиксированное положение тары с разогреваемым объектом во время разворотов устройства за солнцем.

Если в вашем распоряжении только тарелка с малым диаметром, здесь стоит нарезать ленту полосками по 100 миллиметров. Каждую полоску необходимо клеить отдельно, внимательно и аккуратно выравнивая стыки.

Самодельный солнечный концентратор, поверхность которого покрыта кусочками отражающей серебряной плёнки

Когда вы закончите оклейку отражающего элемента, определите, где находится точка концентрации лучей. Это надо сделать потому, что форма тарелки зачастую не гарантирует совпадения точки фокуса и места расположения головки приема сигнала.

Самодельная печь концентратор на солнечном излучении

Для начала стоит выявить место концентрации, для этого оденьте солнцезащитные очки. Возьмите деревянную доску и плотные варежки. Направьте отражатель в сторону солнца и сфокусируйте пойманные лучи на доске, далее регулируйте расстояние пока не получите максимально эффективный, концентрированный пучок энергии, делайте это до тех пор, пока не получите его самый малый размер. Одетые вами варежки предохранят кожу рук от солнечного ожога, если вы случайно подставите руки в зону фокуса лучей. После того как вы определите точку концентрации, вам останется только зафиксировать конструкцию и закончить ее монтаж в оптимальное место. Как говорят в кругах изобретателей: «Остается только получить патент». Пользуйтесь результатами своего труда, получая неиссякаемый и бесплатный источник энергии.

Двигатель Стирлинга можно собрать, используя подручные, распространенные материалы

Существует множество вариантов изготовления концентраторов на основе солнечного излучения. Таким же образом вы сможете сами, используя подручные, распространенные материалы, собрать двигатель Стирлинга (это действительно возможно, хоть, на первый взгляд, и кажется недостижимым), а уж использовать возможности этого двигателя для самых разных целей вы сможете на протяжении длительного времени. Все ограничения зависят только от вашего терпения и наличия фантазии.