Prototype this по-русски - выпуск девятый. Дешевая солнечная энергия.
Ужо некоторое время как размышляя над возобновляемыми источниками энергии, а также проведя некоторые эксперименты, пришел к нескольким интересным идеям.
Преобразование энергии в солнечных энергетических установках возможно следующими способами:
1. Прямое преобразование (солнечные батареи).
2. Трехкратное преобразование свет-тепло-движение-электричество (двигатели Стирлинга, паровые турбины).
3. Четырехкратное преобразование свет-тепло-теплоаккумулятор-движение-электричество (солнечные накопительные станции).
По 3-му типу сейчас строятся промышленные станции большой мощности. Способность накапливать тепло впрок дает им возможность работать некоторое время после заката. Недостаток такого подхода - требуется создание мощной инфраструктуры (емкость теплоаккумулятора на расплавах солей или строительство ветровой башни). И если в промышленных районах постройка как бы не вызывает вопросов, то в самых интересных с точки зрения потока энергии местах - на высокогорье или вблизи экватора - транспортировка материалов и отбор генерируемой энергии представляют большую проблему. Учитывая тот факт, что генерация на таких станциях происходит на стандартном оборудовании (турбина-генератор), эти проекты успешно реализуются уже сегодня.
По второму типу все намного проще (как минимум инфраструктурные затраты существенно ниже), однако с уходом солнца за горизонт генерация энергии прекращается. В качестве компенсации этого недостатка можно предложить идею комбинированной солнечно-тепловой электростанции, в которой при недостаточном уровне солнечного света рабочее тело (обычно вода) нагревается газовыми горелками, как на современных ТЭЦ. Такая двухрежимная комбинированная станция будет с одной стороны, гораздо экономичнее чисто тепловой, а с другой - гораздо более стабильной в работе, чем чисто солнечная. Опять же - строительство таких объектов в самых интересных регионах как бы требует транспортных расходов, причем в случае комбинированного решения - еще и прокладки газопровода.
В смысле снижения затрат на инфраструктуру очень большой интерес представляют станции первого типа, с прямым преобразованием энергии. Одним из важных свойств таких станций является модульность. По мере установки блоков батарей они начинают генерировать энергию еще на этапе строительства, что в значительной степени может упростить работу. Поскольку блоки солнечных батарей весят мало, и достаточно компактны для перевозок автотранспортом - транспортные расходы даже для строительства на высокогорье не вызывают проблем. Для сравнения - доставка турбины на высокогорье требует специальных решений и в ряде случаев практически нереальна, и в большинстве случаев - нерентабельна.
Солнечные батареи обладают только двумя недостатками. Первый - они дорого стоят. Второй - они преобразуют свет в энергию в достаточно узком диапазоне спектра. Для борьбы с первым недостаткам используют зеркала (солнечные концентраторы), которые собирают свет с большой площади и направляют на компактную (а значит - более дешевую) солнечную батарею. К сожалению, такие зеркала должны иметь криволинейную конфигурацию, что затрудняет их транспортировку, монтаж и обслуживание. Кроме того, зеркальный слой испытывает эрозию под действием пыли и осадков. Кроме того, чем больше света концентрируется на солнечной батарее, тем сильнее она нагревается, а при нагреве КПД преобразования падает, да и фотоэлемент быстрее "стареет". Для борьбы со вторым недостатком разрабатываются технологии многослойных фотоэлементов, что значительно повышает стоимость.
Давайте подумаем, какой бы мы хотели видеть идеальную систему. Такая система должна иметь дешевые солнечные концентраторы, чтобы снизить стоимость. Эти концентраторы должны быть плоскими (для удобства транспортировки, монтажа, обслуживания). Зеркальный слой в этих концентраторах должен быть защищен от прямого контакта с атмосферой, как минимум в смысле пыли и осадков. Эти концентраторы должны собирать на солнечной батарее только ту часть спектра, которая совпадает со спектром преобразования фотоэлемента, а весь остальной свет - рассеивать, не допуская перегрева самой батареи.
Казалось бы - фантастика, но! РУССКИЕ НЕ СДАЮТСЯ, и этой фантастики есть у нас в загашнике!
Если мы возьмем плоское зеркало и положим на него линзу, то увидим, что такая система работает как концентратор. Свет, проходя через линзу, преломляется, падает на зеркало под углом, отражается, преломляется еще раз в ту же сторону, собираясь в пучок. Поскольку преломление происходит дважды, обычные линзы нам не годятся - они сделаны для однократного преломления. Чтобы собрать свет в фокус, нам нужно иметь линзу с несколько другим законом кривизны, тогда и фокус получится точным. Однако линза не плоская, да и изготовление линзы - гораздо сложнее, она тяжелее и более хрупкая, чем зеркало. Так вот, если мы возьмем линзу Френеля (которая плоская с одной стороны, и плоская, но ребристая с другой), и приложим к зеркалу ребристой (не совсем плоской) частью - то эффект концентрации света сохранится. При этом зеркальный слой будет защищен от прямого контакта с атмосферой линзой (стеклом), пыль и осадки уже не окажут на него разрушающего действия, и срок службы такого зеркала будет большим, практически - вечным. А обслуживание плоской части линзы (промывка от пыли) не будут вызывать проблем от слова вообще. Плоское - оно и есть плоское.
Заметим, что изготовление линзы Френеля - это все-таки изготовление линзы, операция дорогая и тонкая. Однако мы должны иметь в виду, что нам не требуется концентрировать свет в точку, в фокус. Нам будет достаточно, если свет будет собираться на площади, по форме и размеру соответствующей нашей солнечной батарее. А это значит, что вместо сложной криволинейной формы с ребристой стороны линзы мы можем обойтись приблизительно соответствующими по среднему углу прямолинейными оптическими "клиньями". Иными словами, речь идет о том, что угол отражения нашей оптической системы не меняется непрерывно от точки к точке, а построен зонально. Вот в этом прямоугольнике - два градуса, а в соседнем - уже три.
При таком подходе наша линза уже перестает быть собственно линзой, а становится чем-то вроде банального рельефного стекла, дешевого и практичного. Просто рельеф в нашем стекле (простите, в линзе) несет функциональную нагрузку вместо декоративной. Более того, зональный подход к рельефу "линзы" позволяет изготавливать концентратор из отдельных участков (зон) с типоразмером, серийно производимом промышленностью. Мы берем серийное рельефное стекло с несерийным рельефом, серийное плоское зеркало, соединяем, герметизируем стык, откачиваем воздух, монтируем уже на месте из таких блоков плоский солнечный концентратор...
Мы уже имеем дешевый плоский солнечный концентратор с защищенным зеркальным слоем. К тому же его можно изготовить на серийном оборудовании, и для этого не требуется вообще ничего нового, и стоить он будет копейки. Можно пойти дальше. Можно наносить зеркальный слой прямо на рельефную часть стекла, защищая его краской, лаком или чем-либо еще, это будет проще и дешевле...
Вдумчивый читатель заметит, что стекло пропускает не весь солнечный свет, а значит, количество энергии, отраженное на фотоэлемент, будет меньше, чем в обычном криволинейном концентраторе. На это я отвечу так. У меня одно время была солнечная подзарядка для мобильника. Так вот, лежа на подоконнике за двойным стеклом, она работала не сильно хуже, чем под прямым солнечным светом, а грелась не в пример меньше. Изготовление стекла с цветными добавками уже давным-давно не проблема, и подобрав добавки таким образом, чтобы стекло пропускало нужный диапазон света и задерживало-рассеивало "лишний" свет, мы добьемся того, что на батарею будет собираться только "полезная" часть спектра. То есть - наша батарея не будет перегреваться той энергией, которая все равно уходит в тепло. А поскольку наше плоское зеркало стоит копейки, нам ничто не мешает сделать концентратор несколько больших размеров - это все равно нам обойдется дешевле, чем полная солнечная батарея площадью, как у концентратора.
Вот такие пироги, так сказать...
Преобразование энергии в солнечных энергетических установках возможно следующими способами:
1. Прямое преобразование (солнечные батареи).
2. Трехкратное преобразование свет-тепло-движение-электричество (двигатели Стирлинга, паровые турбины).
3. Четырехкратное преобразование свет-тепло-теплоаккумулятор-движение-электричество (солнечные накопительные станции).
По 3-му типу сейчас строятся промышленные станции большой мощности. Способность накапливать тепло впрок дает им возможность работать некоторое время после заката. Недостаток такого подхода - требуется создание мощной инфраструктуры (емкость теплоаккумулятора на расплавах солей или строительство ветровой башни). И если в промышленных районах постройка как бы не вызывает вопросов, то в самых интересных с точки зрения потока энергии местах - на высокогорье или вблизи экватора - транспортировка материалов и отбор генерируемой энергии представляют большую проблему. Учитывая тот факт, что генерация на таких станциях происходит на стандартном оборудовании (турбина-генератор), эти проекты успешно реализуются уже сегодня.
По второму типу все намного проще (как минимум инфраструктурные затраты существенно ниже), однако с уходом солнца за горизонт генерация энергии прекращается. В качестве компенсации этого недостатка можно предложить идею комбинированной солнечно-тепловой электростанции, в которой при недостаточном уровне солнечного света рабочее тело (обычно вода) нагревается газовыми горелками, как на современных ТЭЦ. Такая двухрежимная комбинированная станция будет с одной стороны, гораздо экономичнее чисто тепловой, а с другой - гораздо более стабильной в работе, чем чисто солнечная. Опять же - строительство таких объектов в самых интересных регионах как бы требует транспортных расходов, причем в случае комбинированного решения - еще и прокладки газопровода.
В смысле снижения затрат на инфраструктуру очень большой интерес представляют станции первого типа, с прямым преобразованием энергии. Одним из важных свойств таких станций является модульность. По мере установки блоков батарей они начинают генерировать энергию еще на этапе строительства, что в значительной степени может упростить работу. Поскольку блоки солнечных батарей весят мало, и достаточно компактны для перевозок автотранспортом - транспортные расходы даже для строительства на высокогорье не вызывают проблем. Для сравнения - доставка турбины на высокогорье требует специальных решений и в ряде случаев практически нереальна, и в большинстве случаев - нерентабельна.
Солнечные батареи обладают только двумя недостатками. Первый - они дорого стоят. Второй - они преобразуют свет в энергию в достаточно узком диапазоне спектра. Для борьбы с первым недостаткам используют зеркала (солнечные концентраторы), которые собирают свет с большой площади и направляют на компактную (а значит - более дешевую) солнечную батарею. К сожалению, такие зеркала должны иметь криволинейную конфигурацию, что затрудняет их транспортировку, монтаж и обслуживание. Кроме того, зеркальный слой испытывает эрозию под действием пыли и осадков. Кроме того, чем больше света концентрируется на солнечной батарее, тем сильнее она нагревается, а при нагреве КПД преобразования падает, да и фотоэлемент быстрее "стареет". Для борьбы со вторым недостатком разрабатываются технологии многослойных фотоэлементов, что значительно повышает стоимость.
Давайте подумаем, какой бы мы хотели видеть идеальную систему. Такая система должна иметь дешевые солнечные концентраторы, чтобы снизить стоимость. Эти концентраторы должны быть плоскими (для удобства транспортировки, монтажа, обслуживания). Зеркальный слой в этих концентраторах должен быть защищен от прямого контакта с атмосферой, как минимум в смысле пыли и осадков. Эти концентраторы должны собирать на солнечной батарее только ту часть спектра, которая совпадает со спектром преобразования фотоэлемента, а весь остальной свет - рассеивать, не допуская перегрева самой батареи.
Казалось бы - фантастика, но! РУССКИЕ НЕ СДАЮТСЯ, и этой фантастики есть у нас в загашнике!
Если мы возьмем плоское зеркало и положим на него линзу, то увидим, что такая система работает как концентратор. Свет, проходя через линзу, преломляется, падает на зеркало под углом, отражается, преломляется еще раз в ту же сторону, собираясь в пучок. Поскольку преломление происходит дважды, обычные линзы нам не годятся - они сделаны для однократного преломления. Чтобы собрать свет в фокус, нам нужно иметь линзу с несколько другим законом кривизны, тогда и фокус получится точным. Однако линза не плоская, да и изготовление линзы - гораздо сложнее, она тяжелее и более хрупкая, чем зеркало. Так вот, если мы возьмем линзу Френеля (которая плоская с одной стороны, и плоская, но ребристая с другой), и приложим к зеркалу ребристой (не совсем плоской) частью - то эффект концентрации света сохранится. При этом зеркальный слой будет защищен от прямого контакта с атмосферой линзой (стеклом), пыль и осадки уже не окажут на него разрушающего действия, и срок службы такого зеркала будет большим, практически - вечным. А обслуживание плоской части линзы (промывка от пыли) не будут вызывать проблем от слова вообще. Плоское - оно и есть плоское.
Заметим, что изготовление линзы Френеля - это все-таки изготовление линзы, операция дорогая и тонкая. Однако мы должны иметь в виду, что нам не требуется концентрировать свет в точку, в фокус. Нам будет достаточно, если свет будет собираться на площади, по форме и размеру соответствующей нашей солнечной батарее. А это значит, что вместо сложной криволинейной формы с ребристой стороны линзы мы можем обойтись приблизительно соответствующими по среднему углу прямолинейными оптическими "клиньями". Иными словами, речь идет о том, что угол отражения нашей оптической системы не меняется непрерывно от точки к точке, а построен зонально. Вот в этом прямоугольнике - два градуса, а в соседнем - уже три.
При таком подходе наша линза уже перестает быть собственно линзой, а становится чем-то вроде банального рельефного стекла, дешевого и практичного. Просто рельеф в нашем стекле (простите, в линзе) несет функциональную нагрузку вместо декоративной. Более того, зональный подход к рельефу "линзы" позволяет изготавливать концентратор из отдельных участков (зон) с типоразмером, серийно производимом промышленностью. Мы берем серийное рельефное стекло с несерийным рельефом, серийное плоское зеркало, соединяем, герметизируем стык, откачиваем воздух, монтируем уже на месте из таких блоков плоский солнечный концентратор...
Мы уже имеем дешевый плоский солнечный концентратор с защищенным зеркальным слоем. К тому же его можно изготовить на серийном оборудовании, и для этого не требуется вообще ничего нового, и стоить он будет копейки. Можно пойти дальше. Можно наносить зеркальный слой прямо на рельефную часть стекла, защищая его краской, лаком или чем-либо еще, это будет проще и дешевле...
Вдумчивый читатель заметит, что стекло пропускает не весь солнечный свет, а значит, количество энергии, отраженное на фотоэлемент, будет меньше, чем в обычном криволинейном концентраторе. На это я отвечу так. У меня одно время была солнечная подзарядка для мобильника. Так вот, лежа на подоконнике за двойным стеклом, она работала не сильно хуже, чем под прямым солнечным светом, а грелась не в пример меньше. Изготовление стекла с цветными добавками уже давным-давно не проблема, и подобрав добавки таким образом, чтобы стекло пропускало нужный диапазон света и задерживало-рассеивало "лишний" свет, мы добьемся того, что на батарею будет собираться только "полезная" часть спектра. То есть - наша батарея не будет перегреваться той энергией, которая все равно уходит в тепло. А поскольку наше плоское зеркало стоит копейки, нам ничто не мешает сделать концентратор несколько больших размеров - это все равно нам обойдется дешевле, чем полная солнечная батарея площадью, как у концентратора.
Вот такие пироги, так сказать...