Дешёвый солнечный коллектор-концентратор с вращающимся рефлектором
Low-cost solar collector concentrator with rotated reflector
ЧАСТЬ 2

Содержание статьи:
Микроэкономика и бесплатная солнечная энергия летом.
Принцип работы простого солнечного коллектора-концентратора
с вращающимся рефлектором.
Детали конструкции простого солярного теплового коллектора-концентратора.

Принцип работы простого солнечного коллектора-концентратора с вращающимся рефлектором

Приёмник солнечного света может быть любым, например: пакет вакуумированных стеклянных труб, плоский двустронний солнечный коллектор, "ящики" различных сечений, шар, и т.д. - главное, чтобы световоспринимающая поверхность была бы достаточно большой. Но, на наш взгляд, оптимальной формой приёмника-преобразователя является цилиндр, потому что: изготовление цилиндра просто и технологично; цилиндр имеет наименьшую поверхность и, соответственно, меньшую площадь конвекционного охлаждения; обеспечивается симметричность конструкции.

Рисунок 1.
Поперечный разрез солнечного коллектора-концентратора с вращающимся рефлектором.

На рисунке:
1 - неподвижный цилиндрический приёмник солнечного излучения
2.1-2.3 - полотна алюминиевого рефлектора (алюминиевая фольга, например, на ткани), образующие рефлектор, вращающийся вокруг оси цилиндрического приёмника солнечного излучения.
Жёлтым показано прямое и диффузное отражение прямого солнечного света

Угловое перемещение направления прямых солнечных лучей составляет 15 градусов в час. Следовательно, для того, чтобы рефлектор был позиционирован в направлении на солнце, его угловая скорость должна быть также 15 градусов в час.

Рисунок 2.
Ориентация коллектора-концентратора на солнце.

На рисунке указано астрономическое время.
Угол наклона оси вращения солнечного коллектора концентратора показан условно. Например, для 45 градуса широты для лета угол наклона может быть от +10 до -10 градусов, что зависит от местной погоды и времени суток, когда необходима тепловая энергия.

Рефлектор может быть не только вдоль оси цилиндра, но и с торцов цилиндра - как бы с пяти сторон, оставаясь открытым только по направлению к солнцу. Форма приёмника солнечного света зависит от геометрических пропорций рефлектора. Мощность солнечного света, падающего на светоприёмный элемент возрастает многократно, а это позволяет уменьшать его площадь и, соответственно, уменьшать стоимость и теплопотери.

Если площадь нормальной к солнечному свету площадки приёмника солнечной лучистой энергии составляет 0,4 квадратных метра (например, цилиндр диаметром 40 сантиметров и длиной 2 метра), то площадь, с которой рефлектор собирает солнечный свет может быть 4,65 квадратных метра (1,5 м * 3,1 м).

При больших соотношениях размера отражателя к размерам приёмника энергии конструкция становится не столь выгодной.

При соблюдении условий и целей, указанных в части Экономичность следящего за солнцем солярного коллектора-нагревателя концентратора, в период с 22 апреля по 22 августа средне-суточная производительность солнечного коллектора-концентратора эффективной площадью 4,65 квадратных метра в экологически-чистом месте (где нормальная, прозрачная атмосфера) может составить 40 киловатт-часов тепловой энергии.

Если перевести энергию в киловатт-часах в джоули - один один киловатт-час (KWh) равен 3600000 джоуля - то получим 144*10⁶ джоуля.

Сколько воды можно нагреть этой солнечной энергией? Удельная теплоёмкость воды (specific heat capacity) - 4,18 килоджоуля на килограмм-кельвин [KJ/(KG*K)]. Для сопоставления теплопроизводительности следящего коллектора-концентратора с плоской солнечной панелью, о которой рассказано в статье "Экономическая эффективность солнечных тепловых панелей в течение летних месяцев", примем такие же температуры воды - холодная вода: +15 градусов Цельсия; горячая вода: +65.

144000 [KJ] / (4,18 [KJ/(KG*K) * (65-15) [K]) = 689 [KG]

Элегантность конструкции данного солярного теплового коллектора-концентратора очевидна:

• в качестве оси вращения используются коаксиальные с цилиндром трубы с теплоносителем (или горячей водой) - нижняя подводящая, и верхняя - с нагретой жидкостью;
• силовая конструкция подвижного отражателя имеет объемную форму, то есть при малой материалоёмкости легко добиться достаточной жёсткости конструкции - например, изготовив её в виде фермы;
натянутый мягкий отражатель (например, алюминиевая фольга на прочной синтетической ткани) делает конструкцию предварительно напряженной - то есть особо прочной.

Кстати, можно делать и комбинированные конструкции для получения одновременно и тепла, и электричества, используя, например, солнечные электро-батареи (photovoltaic) или термо-модули Пельтье.

У полупроводниковых солнечных батарей при увеличении потока излучения падает КПД, солнечные батареи перегреваются. Но если солнечные батареи принудительно охлаждаются, то плотность светового потока можно увеличивать - что и происходит внутри показанного выше рефлектора. А в качестве охладителя можно использовать цилиндр с протекающей в нём нагреваемой водой. Для этого достаточно установить солнечные батареи на цилиндр, обеспечив их тепловой контакт.

Или вместо солнечных батарей использовать термоэлектрические элементы Пельте, одна сторона которых термически соединена с нагреваемыми солнцем чёрными теплопроводящими панелями, а другая - с цилиндром, выполняющим в этом случае роль теплообменника. Вероятно, температура горячей стороны элемента Пельтье (под "парниковым" покрытием - например, стеклом) будет достигать 100 градусов по Цельсию, и если для требуемых целей 50-градусная горячая вода достаточна - то конструкция имеет практический смысл: при 50 градусах разницы температур горячей и холодной сторон термоэлемента создаётся имеющая практический смысл электрическая мощность. А разница температур регулируется потоком теплоносителя.

Возможно, есть практический смысл использовать получаемую тепловую энергию и для двигателей внешнего сгорания - двигателя Стирлинга (Стерлинга).

Дополнительным важным фактором увеличения производительности солнечного коллектора-концентратора является его установка на обширной неподвижной отражающей поверхности - например, крыше из оцинкованного железа, белой крыше, которая при скользящих лучах солнца на восходе и закате отражает дополнительно солнечный свет на рефлектор.

Ночью, для уменьшения радиационного охлаждения теплоприёмника, отражатель можно направлять вниз - в холодное время года это предотвратит образование инея, а также прикроет от выпадающего ночью снега.

2008

постоянный интернет-адрес этой статьи
"Дешёвый солнечный коллектор-концентратор с вращающимся рефлектором"
http://camru.org/articles/lowcost_solar_collector_concentrator_with_rotated_reflector.html

ЧАСТЬ 2
"Принцип работы простого солнечного коллектора-концентратора с вращающимся рефлектором"
http://camru.org/articles/lowcost_solar_collector_concentrator_with_rotated_reflector_principle.html