Aurinkokeräin on laite, joka kerää Auringon lämpöenergiaa (aurinkovoimala), jota kuljettaa näkyvä valo ja lähi - infrapunasäteily . Toisin kuin sähköä tuottavat aurinkopaneelit , aurinkokeräin lämmittää lämmönsiirtomateriaalia .
Yleensä käytetään lämpimän veden ja tilan lämmityksen tarpeisiin. [yksi]
Tasokeräin koostuu auringonsäteilyä absorboivasta elementistä (absorber), läpinäkyvästä pinnoitteesta ja lämpöä eristävästä kerroksesta. Absorber on kytketty lämmönsiirtojärjestelmään . Se on pinnoitettu mustalla maalilla tai erityisellä selektiivisellä pinnoitteella (yleensä mustalla nikkelillä tai titaanioksidilla ruiskuttamalla) tehokkuuden lisäämiseksi. Läpinäkyvä elementti on yleensä valmistettu karkaistusta lasista, jonka metallipitoisuus on alennettu, tai erityistä aallotettua polykarbonaattia . Paneelin takaosa on peitetty lämpöä eristävällä materiaalilla (kuten polyisosyanuraatti ). Putket, joiden läpi jäähdytysneste jakautuu, on valmistettu silloitetusta polyeteenistä tai kuparista. Itse paneeli on ilmatiivis, jota varten sen reiät on suljettu silikonitiivisteellä.
Lämmönoton puuttuessa (stagnaation) tasokeräimet pystyvät lämmittämään vettä 190-210 °C:seen .
Mitä enemmän tulevaa energiaa siirretään keräimessä virtaavaan jäähdytysnesteeseen, sitä suurempi on sen hyötysuhde. Sitä voidaan lisätä käyttämällä erityisiä optisia pinnoitteita, jotka eivät lähetä lämpöä infrapunaspektrissä.
Jäähdytysnesteen lämpötilaa voidaan nostaa jopa 250-300 °C lämmönpoiston rajoitustilassa. Tämä voidaan saavuttaa vähentämällä lämpöhäviötä, joka johtuu monikerroksisen lasipinnoitteen käytöstä, tiivistämisestä tai tyhjiön luomisesta keräilijöihin .
Itse asiassa aurinkolämpöputkessa on kotitalouksien termossien kaltainen laite. Vain putken ulkoosa on läpinäkyvä, kun taas sisäputkessa on erittäin selektiivinen pinnoite, joka vangitsee aurinkoenergiaa. Ulomman ja sisemmän lasiputken välissä on tyhjiö. Tyhjiökerroksen avulla voidaan säästää noin 95 % talteenotetusta lämpöenergiasta.
Lisäksi lämpöputket ovat löytäneet sovelluksen tyhjiöaurinkokeräimissä , jotka toimivat lämmönjohtimina. Kun asennusta säteilytetään auringonvalolla, putken alaosassa oleva neste lämpenee ja muuttuu höyryksi. Höyryt nousevat putken (lauhduttimen) yläosaan, missä ne tiivistyvät ja siirtävät lämpöä keräilijään. Tämän piirin avulla voit saavuttaa suuremman tehokkuuden (verrattuna litteäkeräjiin) käytettäessä alhaisissa lämpötiloissa ja heikossa valaistuksessa.
Nykyaikaiset kotitalouksien aurinkokeräimet pystyvät lämmittämään veden kiehumispisteeseen jopa negatiivisissa ympäristön lämpötiloissa.
Jäähdytysneste (vesi, ilma, öljy tai pakkasneste ) lämmitetään kiertämällä keräimen läpi ja siirtää sitten lämpöenergiaa varastosäiliöön, joka kerää kuumaa vettä kuluttajalle.
Yksinkertaisessa versiossa veden kierto tapahtuu luonnollisesti keräimen lämpötilaeron vuoksi. Tämä ratkaisu parantaa aurinkosähköasennuksen tehokkuutta, koska aurinkokeräimen hyötysuhde laskee jäähdytysnesteen lämpötilan noustessa.
On myös varastotyyppisiä aurinkovesilämmityslaitteistoja, joissa ei ole erillistä varastosäiliötä ja lämmitetty vesi varastoidaan suoraan aurinkokeräimeen. Tässä tapauksessa asennus on säiliö, joka on lähellä suorakaiteen muotoista. [yksi]
| Tyhjiö putkimainen | Flat erittäin valikoiva |
|---|---|
| Edut | Edut |
| Pieni lämpöhäviö | Kyky puhdistaa lunta ja huurretta |
| Tehokkuus kylmänä vuodenaikana -30C asti | Korkea suorituskyky kesällä |
| Kyky tuottaa korkeita lämpötiloja | Erinomainen hinta/laatusuhde eteläisille leveysasteille ja lämpimään ilmastoon |
| Pitkä työaika päivän aikana | Voidaan asentaa mihin tahansa kulmaan |
| Asennuksen helppous | Pienemmät alkukustannukset |
| Matala tuuletus | |
| Erinomainen hinta/laatusuhde lauhkeille leveysasteille ja kylmälle ilmastolle | |
| Vikoja | Vikoja |
| Kyvyttömyys puhdistaa lunta itse | Suuri lämpöhäviö |
| Suhteellisen korkeat projektin alkukustannukset | Huono suorituskyky kylmällä kaudella |
| Kallistuskulma vähintään 20° | Asennuksen monimutkaisuus, joka liittyy tarpeeseen toimittaa koottu keräin katolle |
| Korkea tuuletus |
Käyttölämpötilojen nostaminen 120–250 °C:een on mahdollista sijoittamalla rikastimia aurinkokeräimiin käyttämällä parabolisia kouruheijastimia, jotka on sijoitettu absorboivien elementtien alle. Aurinkoenergian seurantalaitteita tarvitaan korkeampien käyttölämpötilojen saavuttamiseksi.
Aurinkoilmankeräimet ovat laitteita, jotka toimivat aurinkoenergialla ja lämmittävät ilmaa. Aurinkoilmankeräimiä käytetään useimmiten tilojen lämmittämiseen, maataloustuotteiden kuivaamiseen. Ilma kulkee vaimentimen läpi luonnollisen konvektion tai puhaltimen vaikutuksesta.
Joissakin aurinkoenergialämmittimissä tuulettimet on kiinnitetty vaimennuslevyyn lämmönsiirron parantamiseksi. Tämän rakenteen haittana on, että se kuluttaa energiaa puhaltimien käyttöön, mikä lisää järjestelmän käyttökustannuksia. Kylmissä ilmastoissa ilma johdetaan absorptiolevyn ja keräimen eristetyn takaseinän väliseen tilaan: näin vältytään lämpöhäviöltä lasin läpi. Jos ilmaa kuitenkin lämmitetään enintään 17°C ulkoilman lämpötilan yläpuolelle, lämmönsiirtoaine voi kiertää vaimennuslevyn molemmilla puolilla ilman suurta tehon menetystä.
Ilmankeräinten tärkeimmät edut ovat niiden yksinkertaisuus ja luotettavuus. Asianmukaisella hoidolla laadukas keräilijä voi kestää 10-30 vuotta ja sitä on erittäin helppo hallita. Lämmönvaihdinta ei tarvita, koska ilma ei jäädy.
Aurinkokeräimiä käytetään teollisuus- ja kotitaloustilojen lämmitykseen, tuotantoprosessien kuumaan käyttövesihuoltoon ja kotitalouksien tarpeisiin. Eniten lämmintä ja kuumaa vettä (30-90 °C) käyttäviä tuotantoprosesseja tapahtuu elintarvike- ja tekstiiliteollisuudessa, joilla on siten korkein potentiaali aurinkokeräinten käyttöön.
Euroopassa vuonna 2000 aurinkokeräinten kokonaispinta-ala oli 14,89 miljoonaa m² ja maailmanlaajuisesti 71,341 miljoonaa m².
Aurinkokeräimet-keskittimet voivat tuottaa sähköä aurinkokennoilla tai Stirling-moottorilla .
Aurinkokeräimiä voidaan käyttää meriveden suolanpoistolaitoksissa. Saksan ilmailukeskuksen (DLR) arvion mukaan vuoteen 2030 mennessä suolattoman veden hinta laskee 40 eurosenttiin vettä kuutiometriltä [2]
JIHT RAS -tutkimuksen mukaan lämpimänä aikana (maalis-huhtikuusta syyskuuhun) suurimmassa osassa Venäjää auringon säteilyn keskimääräinen päivittäinen määrä on 4,0-5,0 kWh/m² (Etelä-Espanjassa 5,5-6,0 kWh/ m², Etelä-Saksassa - jopa 5 kWh / m²). Näin on mahdollista lämmittää noin 100 litraa vettä kotitalouskäyttöön 2 m²:n aurinkokeräimellä jopa 80 %:n todennäköisyydellä eli lähes päivittäin. Auringon keskimääräisen vuotuisen säteilyn saannin mukaan johtajia ovat Transbaikalia , Primorye ja Etelä - Siperia . Niitä seuraavat Euroopan osan eteläosa (noin 50º N asti) ja merkittävä osa Siperiasta.
Aurinkokeräinten käyttö on Venäjällä 0,2 m² / 1000 henkilöä, Saksassa 140 m² / 1000 henkilöä, Itävallassa 450 m² / 1000 henkilöä, Kyproksella noin 800 m² / 1000 henkilöä.
Kesäkaudella useimmat Venäjän alueet jopa 65º pohjoista leveyttä niille on ominaista korkeat keskimääräisen päivittäisen säteilyn arvot. Talvella tulevan aurinkoenergian määrä vähenee useita kertoja riippuen asennuksen leveyssuunnasta.
Kaikissa sääolosuhteissa yksiköissä on oltava suuri pinta, kaksi jäätymisenestopiiriä , lisälämmönvaihtimia. Tässä tapauksessa käytetään tyhjennettyjä tai erittäin selektiivisellä pinnoitteella varustettuja levykeräimiä, koska lämmitetyn jäähdytysnesteen ja ulkoilman lämpötilaero on suurempi. Tämä malli on kuitenkin kalliimpi. [yksi]
Keräilijöiden rakentaminen tapahtuu tällä hetkellä pääasiassa Krasnodarin alueella , Burjatiassa , Primorskin ja Habarovskin alueilla. [3]
Neuvostoliiton insinööri N.V. Linitsky esitti ensimmäistä kertaa ajatuksen teollisuustyyppisen aurinkovoimalan perustamisesta 1930-luvulla . Samaan aikaan hän ehdotti suunnitelmaa aurinkovoimalasta, jonka tornissa on keskusvastaanotin. Siinä auringonsäteiden sieppausjärjestelmä koostui heliostaattien kentästä - litteistä heijastimista, joita ohjattiin kahdella koordinaatilla. Jokainen heliostaatti heijastaa auringonsäteet keskusvastaanottimen pinnalle, joka on nostettu heliostaattikentän yläpuolelle keskinäisen varjostuksen vaikutuksen eliminoimiseksi. Mittojensa ja parametrien suhteen vastaanotin on samanlainen kuin tavallinen höyrykattila.
Taloudelliset arvioinnit ovat osoittaneet, että tällaisilla asemilla on mahdollista käyttää suuria 100 MW turbiinigeneraattoreita . Niille tyypillisiä parametreja ovat 500 °C lämpötila ja 15 MPa paine. Häviöt huomioon ottaen tällaisten parametrien varmistamiseksi tarvittiin pitoisuus noin 1000. Tällainen pitoisuus saavutettiin ohjaamalla heliostaatteja kahdessa koordinaatissa. Asemilla oli oltava lämmönvaraajat varmistamaan lämpömoottorin toiminta ilman auringonsäteilyä.
Vuodesta 1982 lähtien Yhdysvaltoihin on rakennettu useita tornityyppisiä laitoksia, joiden kapasiteetti on 10-100 MW. Tämän tyyppisten järjestelmien yksityiskohtainen taloudellinen analyysi osoitti, että kun otetaan huomioon kaikki rakennuskustannukset, 1 kW asennettu teho maksaa noin 1150 dollaria . Yksi kWh sähköä maksoi noin 0,15 dollaria.
Parabolis-sylinterimäiset keskittimet ovat paraabelin muotoisia , venytettynä suoraa linjaa pitkin.
Vuonna 1913 Frank Schumann rakensi pumppuaseman Egyptiin parabolisista koururikastimista. Asema koostui viidestä solmupisteestä, joista kukin oli 62 metriä pitkä. Heijastavat pinnat tehtiin tavallisista peileistä. Asema tuotti höyryä, jolla se pumppaa noin 22 500 litraa vettä minuutissa [4] .
Parabolis-sylinterimäinen peilikeskitin fokusoi auringon säteilyn linjaksi ja voi tuottaa sen satakertaisen pitoisuuden. Putki, jossa on jäähdytysneste (öljy) tai aurinkokenno, asetetaan paraabelin keskipisteeseen . Öljy kuumennetaan putkessa 300-390 °C:n lämpötilaan. Elokuussa 2010 NREL testasi SkyFuelin asennusta. Testien aikana parabolisten koururikastimien lämpöhyötysuhteeksi osoitettiin 73 % jäähdytysnesteen lämmityslämpötilassa 350 °C [5] .
Paraboliset lieriömäiset peilit valmistetaan jopa 50 metriä pitkiksi. Peilit on suunnattu pohjois-etelä-akselilla ja riviin muutaman metrin välein. Jäähdytysneste menee lämpövaraajaan höyryturbiinigeneraattorilla sähkön lisätuotantoa varten .
Vuodesta 1984 vuoteen 1991 Kaliforniassa rakennettiin yhdeksän voimalaitosta parabolisista koururikastimista , joiden kokonaiskapasiteetti oli 354 MW. Sähkön hinta oli noin 0,12 dollaria kilowattitunnilta.
Saksalainen Solar Millennium AG rakentaa aurinkovoimalaa Sisä - Mongoliaan ( Kiina ) . Voimalaitoksen kokonaiskapasiteetti nousee 1 000 MW:iin vuoteen 2020 mennessä . Ensimmäisen vaiheen teho on 50 MW.
Kesäkuussa 2006 Espanjaan rakennettiin ensimmäinen lämpöaurinkovoimala , jonka teho on 50 MW . Espanjaan vuoteen 2010 mennessä voidaan rakentaa 500 MW voimalaitoksia, joissa on paraboliset koururikastimet.
Maailmanpankki rahoittaa vastaavien voimalaitosten rakentamista Meksikoon , Marokkoon , Algeriaan , Egyptiin ja Iraniin .
Auringon säteilyn pitoisuus mahdollistaa aurinkokennon koon pienentämisen . Mutta samalla sen tehokkuus laskee, ja jonkinlainen jäähdytysjärjestelmä tarvitaan.
Paraboliset keskittimet on muotoiltu vallankumouksen paraboloidiksi. Parabolista heijastinta ohjataan kahdessa koordinaatissa aurinkoa seurattaessa. Auringon energia keskittyy pienelle alueelle. Peilit heijastavat noin 92 % niihin putoavasta auringon säteilystä. Heijastimen kohdalle Stirling-moottori tai aurinkokenno on asennettu kannakkeeseen . Stirling-moottori on sijoitettu siten, että lämmitysalue on heijastimen keskipisteessä. Stirling -moottorin käyttöneste on yleensä vety tai helium .
Helmikuussa 2008 Sandia National Laboratory saavutti 31,25 %:n tehokkuuden kokoonpanossa, joka koostui parabolisesta keskittimestä ja Stirling-moottorista [6] .
Rakenteilla on parabolisia rikastimia teholtaan 9–25 kW. Kotitalousasennuksia, joiden teho on 3 kW, kehitetään. Tällaisten järjestelmien tehokkuus on noin 22-24 %, mikä on korkeampi kuin aurinkokennojen. Keräimet on valmistettu yleisistä materiaaleista: teräksestä , kuparista , alumiinista jne. ilman "aurinkolaatuista" piitä . Metallurgiassa käytetään niin kutsuttua "metallurgista piitä", jonka puhtaus on 98 %. Aurinkosähkökennojen valmistukseen käytetään piitä, jonka puhtaus on 99,9999 % [7] .
Vuonna 2001 aurinkokeräimissä tuotetun sähkön hinta oli 0,09–0,12 dollaria kWh :lta . Yhdysvaltain energiaministeriö ennustaa, että aurinkokeskittimien tuottaman sähkön hinta putoaa 0,04–0,05 dollariin vuoteen 2015–2020 mennessä .
Stirling Solar Energy kehittää suurikokoisia aurinkokeräimiä jopa 150 kW asti Stirling-moottoreilla . Yhtiö rakentaa Etelä- Kaliforniaan maailman suurinta aurinkovoimalaa . Vuoteen 2010 mennessä parabolisia keräilijöitä on 20 000, joiden halkaisija on 11 metriä. Voimalaitoksen kokonaiskapasiteettia voidaan nostaa 850 MW:iin.
Fresnel-linssejä käytetään keskittämään auringon säteily aurinkokennon pinnalle tai lämmönsiirtoputkeen. Käytetään sekä rengas- että vyötärölinssejä. Englannissa käytetään termiä LFR - lineaarinen Fresnel-heijastin.
Vuonna 2010 aurinkolämpövoimaloita oli toiminnassa maailmanlaajuisesti 1 170 MW. Näistä Espanjassa on 582 MW ja Yhdysvalloissa 507 MW. Suunnitelmissa on rakentaa 17,54 GW aurinkolämpövoimalaitoksia. Näistä Yhdysvalloissa 8670 MW, Espanjassa 4460 MW, Kiinassa 2500 MW [8] . Vuonna 2011 tasokeräimien valmistajaa ja toimittajaa oli 23 12 maasta; 88 tyhjiöjakotukkien valmistajaa ja toimittajaa 21 maasta. [9]