Слънчеви електро-топло производствени технологии

Фотоволтаичният ефект е открит от Е. Бекерел през далечната 1839 година. Той забелязал, че директната светлина върху електродите на батерия увеличава електрическото напрежение. През 1954 се появили устройства, с помощта на които било възможно да се произвежда електрическа енергия. Тогава в  САЩ  са изобретили слънчева батерия, която преобразува светлината в електричество с коефициент на полезно действие (КПД) от 6%. Много скоро след това слънчевите батерии намират приложение в космическите спътници. Първият спътник, изцяло захранван от слънчеви батерии, е Вангард I , изстрелян в Космоса през 1958 г.. От тогава слънчевите батерии се използват като основен източник на енергия за сателитите в Космоса, и са доказали своята ефективност. КПД при преобразуването на слънчева енергия в електрическа се е увеличил на повече от 24%, а мощността се е увеличила от няколко миливата до десетки киловата. Внезапното увеличаване на цените на петрола от ОПЕК през 1973 г. води до засилен интерес към възможностите на слънчевата енергия като източник на електричество не само в Космоса, но и на Земята. Днес производството на електричество от слънцето чрез фотоволтаици е бързо развиваща се индустрия с многобройни приложения във всекидневието. За да бъдат фотоволтаиците по-ефективни могат да се използват концентриращи колектори.

 Концентриращи колектори

Концентриращи колектори се използват, не само за соларни загряващи системи за топла вода, но и за фотоволтаични системи. Но трябва да отбележим, че фотоволтаиците се използват масово без концентратори. Иновативни технически решения за повишаване на ефективността на фотоволтаиците без да се използват концентратори са представени тук. Задължителният обхват на проектирането на електроцентралите, работещи с ВЕИ вижте тук. Евросубсидии  и грантове за усвояване на ВЕИ са представени тук

 За приложения като вентилация, генериране на енергия, и много други индустриални дейности, изискващи наличие на висока температура, плоските колектори не могат да пренесат носещите течни среди с температурата, нужна за оптималното постигане на посочените и други подобни цели. В тези случаи те могат да бъдат използвани в първия етап от процеса като входни топлинни устройства, след което температурата на носещите течни среди се покачва от други стандартни нагревателни уреди. Като алтернатива на това се използват концентриращи слънчеви колектори. Те оптически отразяват и фокусират попадналата на повърхността им слънчева светлина върху малка приемна площ. Като резултат от това концентриране, интензитетът на слънчевата светлина се увеличава и температурата, на повърхността на приемната площ (наречена “мишена”) може да достигне няколко стотин или дори няколко хиляди градуса в целзий. Концентриращите колектори трябва да се движат, за да следват лъчите на слънцето. При тях целта за  постигане на максимална ефективност не е единствената. Ориентирането спрямо слънцето е и необходимо, за да се гарантира постоянното фокусиране на концентрираната слънчева енергия именно върху приемната площ, а не някъде встрани. Това се осъществява с устройства, наречени хелиостати, които осигуряват нерекъснато оптимална ориентация към слънцето.

Познати са най-различни видове концентратори. Най-често се ползват равнинни парболични концентратори, със степен на концентрация около 75 пъти (с ефективност 10% и температура 400°С). Най-мощни са параболоидните концентратори, със степен на концентрация около 3000 пъти (с ефективност 23% и температура 750°С). Има концентратори, които чрез множество огледала с подходяща форма, насочват слънчевата светлина към приемник на кула, при което типичната степен на концентрация е около 800 пъти (с ефективност 15% и температура на приемника 560°С).

Система за едновременно производство на ток и топлина от слънцето

Термо-фотоволтаичен слънчев когенератор   (По-долу е част от патентното описание)

Безспорно е, че слънцето дава практически неограничени възможности за използването му като напълно възобновяем енергиен източник. Когато се оценява въздействието на различни слънчеви енергийни системи винаги се пресмята какви дефицитни материални ресурси, какви изчерпаеми горива и каква енергия от невъзобновяеми енергийни източници се влагат за тяхното производство. В това отношение, без никакво съмнение, ползите от слънчевите енергийни системи са многократно по-големи от техните недостатъци. Затова се смята, че сравнена с всички други начини за производство на енергия, именно слънчевата енергетика е най-природосъбразното енергопроизводство. Наред с вятърната енергетика и добиването на енергия от водните течения, включително приливите и отливите, слънчевата енергетика заема водещо място в световната енергетика в настъпилата вече епоха на петролен дефицит. Фотоволтаиците генерират електричество в резултат от облъчването им от сравнително тесни ленти от пълния слънчев спектър. За да можем да оценим диференциално слънчевия потенциал, с оглед най-пълното му оползотворяване по-отношение на електропроизводството на фотоволтаиците, използваме термина „електрозначима стойност” на слънчевото греене.

Основната електрозначима спектрално-енергийна лента включва всички дължини на вълните в слънчевия спектър и съответните им енергийни нива, които имат принос за протичането на ток в различните видове фотоволтаици. Точно тази лента носи електрозначимата енергия за електропроизводството на слънчевите клетки. За първи път думата photovoltaic се среща в края на осемнадесети век. Състои се от две части - "фото", произхождаща от гръцката дума за светлина, и "волт", в чест на откривателя на електричеството Алесандро Волта. Следователно, терминът photovoltaic, или на български - фотоелектрически, буквално преведен означава светлинно-електрически. Видимата за човешкото око светлина, приблизително с дължина на вълната между 400 и 700 нанометъра, представлява около една десета част от слънчевия спектър и носи по-малко от половината от пълноспектралната слънчева мощност. Но точно този по-малък спектрален обхват е електрозначим за всички видове познати фотоволтаици. Изхождайки от това разделяне, можем да кажем, че за фотоволтаичната енергетика има много решаващо значение "слънцесветенето" (видимото за окото лъчение) и значително по-малко значение топлогреенето (невидимото за окото лъчение, което топли, но не свети). У нас официално е позната слънчева карта на БАН, която показва общото количество слънчева енергия, попадаща на единица земна площ. у нас. В нея няма направеното тук спектрално и енергийно разделяне и редица други необходими слънчеви и климатични параметри. Затова не препоръчително тя да се използва за проектиране на фотоволтаични и термо-фотоволтаични системи. Допълнително усложнение при проектирането на термо-фотоволтаични инсталации е фактът, че тяхната енергийна ефективност зависи и от съотношението между пряката и дифузната слънчева радиация за всяко конкретно място.

Точна диференциална оценка за слънчевата енергия се прави с уредите и методите на слънчево-енергийния одит , който е неразделна част от задължителния обхват на проектирането по Наредба 16-27 / 2008 на МЕИ. Но еднозначно е ясно, че на цялата територия на страната, както слънцесветенето, така и топлогреенето благоприятстват развитието на слънчевата енергетика и по този ресурс България е в първата десятка от европейските страни. Ако сравним термините "слънцесветене" и "топлогреене" можем да кажем, че за слънчевата топлоенергетика има решаващо значение топлогреенето, а за фотоволтаиците - слънцесветенето, което и етимологически съответства на термина photovoltaic. Видимият слънчев спектрален диапазон (слънцесветенето) има енергиен принос от 75 до 100 % за производството на ток от масовите фотоволтаици, а за най-евтините от тях - само слънцесветеното се преобразува в електричество - т.е. почти 100% от генерираното електричество от тях се дължи на слънцесветеното. Останалата енергия от слънчевата радиация са преди всичко топлинните (определящи топлогреенето) лъчи, наричани още инфрачервени. По-прецизно казано - инфрачервените слънчеви лъчи, с дължини на вълните над 700 нанометра и техните енергийни нива, определят "топлогреенето", а "слънцесветенето" зависи от енергийните нива на видимата светлина (стойност над 1.1 еV предизвиква протичането на ток в силициевите полупроводници). Когато се измерва общо слънчевата радиация се отчита едновременно "слънцесветеното "и "топлогреенето", което наричаме с една дума слънцегреене, чиято стойност е сумата от "слънцесветеното ", "топлогреенето" и на тези слънчеви лъчи които, нито светят, нито топлят, наричани ултравиолетови. Последните участват с минимална енергийна стойност в общата енергия, излъчвана от слънцето.

В обхвата на слънчевия спектър точно инфрачервените лъчи носят повече енергия до земната повърхност, отколкото тази от светлинните лъчи. Именно инфрачервените лъчи, и причиненото от тях нагряване на фотоволтаиците, определят и ГЛАВНИЯ ИМ ПРОБЛЕМ. А той е, че при увеличаване на температурата на повърхността им електропроизводителността им рязко спада. За да се поддържа по-висока производителност, са известни редица технически решения, които имат за цел допълнителното и принудителното им охлаждане. Основен недостатък при тези подходи е, че се изразходва допълнителна енергия за охлаждането и крайният ефект е минимален по отношение на резултатната енергийна ефективност. А тя е съществено важна за всякакви електрогенератори, включително и фотоволтаиците като такива. А веднъж решен проблемът с нагряването на фотоволтаиците, техният коефициент на полезно действие може да се увеличи многократно. Например от 6 - 14% к.п.д. на масовите плоски фотоволтаични модули, при концентрация на слънчевите лъчи се постига около 35% к.п.д. Това е особено важно като имаме предвид, че за производството на монокристалните и поликристалните силициеви фотоволтаични клетки се изразходва значителна топлинна енергия, която ги оскъпява. Затова, в комбинация със слънчеви концентратори, които са значително по-евтини от фотоволтаиците, се постига и по-висока електрическа ефективност и съответно - икономическа целесъобразност.

В новоизобретените когенератори, където допълнително получаваме и топлина, използваме линейни и кръгови параболични слънчеви концентратори снимки вижте тук !   Непрекъснато се изобретяват и разработват все по-усъвършенствани системи за слънчева когенерация в целия свят. Те са предмет на добре пазена тайна, и като конкретни технически решения, и като ноу-хау, и съответно са юридически защитена интелектуална и индустриална собствености. Когенириращ термо-фотоволтаичен панел е описан в патент на Мексико № MXYU05000002, при който за охлаждащ флуид се ползва вода, която през топлообменник отдава топлината си за полезни нужди. Водата преминава покрай сенчестата страна на модула и отнема топлина от него. От патент на Китай № CN1780136 е известна фотоволтаична инсталация, съставена от множество отделни елементи, всеки състоящ се от многорефлекторен отражател, фотоволтаик и воден радиатор за охлаждането му. Основните общи недостатъци на описаните известни устройства, както и на други подобни са, че не се предотвратява слънчевото облъчване на фотоволтаика (откъм огряната му страна) със загряващите го инфрачервени слънчеви лъчи.

От патент на Германия № DE10149620 е известен слънчев когенератор с рефлектори. Между рефлекторите и линейния приемник на слънчевата топлина е монтиран полупропусклив фотоволтаик. Той се облъчва от пълния отразен слънчев спектър, включително и от инфрачервените лъчи, въпреки, че част от тях той пропуска, но се загрява от останалата част, която поглъща. Пропуснатите през полупрозрачния фотоволтаик лъчи нагряват линеен приемник на топлина. Главният недостатък на този когенератор e, че пълният слънчев спектър облъчва фотоволтаика, при което инфрачервените лъчи го загряват. В новоизобретения термо-фотоволтаичен слънчев ко-генератор (вижте тук) са избегнати всички недостатъци на познатите слънчеви когенератори по един радикален начин. Изобщо не необходимо фотоволтаикът да се охлажда. Когенераторът е конструиран така, че не се допуска прегряване на фотоволтаика от инфрачервените лъчи. И това става със сравнително прости и евтини средства и технически устройства. Използва се добре известният факт, че водата поглъща почти напълно инфрачервените лъчи, от което се загрява, но свободно пропуска светлината. (Именно поради това водата във водоемите се загрява през лятото, а същевременно се вижда през нея, защото пропуска слънцесветеното.)

Новоизобретеният термо-фотоволтаичен слънчев ко-генератор е конструиран така, че слънчевата светлина да преминава еднократно или двукратно през прозрачна вода, преди да попадне върху повърхността на фотоволтаика. За да се увеличи производителността му и да се поевтини когенерационната система, като цяло, използваме слънчеви линейни и кръгови параболични концентратори Снимки вижте тук !  

С новоизобретения слънчев когенератор се произвежда едновременно топлина и електричество, като водата, която поглъща инфрачервените лъчи се загрява и същевременно служи като инфрачервен филтър на слънчевия спектър. Тя пропуска само светлинните лъчи, които предизвикват електрогенерацията на фотоволтаика  и поглъща топлинните инфрачервени лъчи. Затова термо-фотоволтаичният слънчев ко-генератор по оптимален начин използва слънчевите лъчи за едновременно и синергично производство на полезна топлина и електричество, поради което неговият коефициент на полезно действие е 85-90 %. За сега не е известна друга енергийна система, използваща възобновяеми енергийни източници, която да има по-висока ефективност от новоизобретения слънчев когенератор. Вариант на новоизобретения слънчевия когенератор може да работи и като слънчев охладител (климатик). Техническа същност на изобретението Основна цел на изобретението е да се създадат различни модели евтини, съставени от масово произвеждани елементи и несложни за сглобяване високо енергийно ефективни и напълно природосъобразни слънчеви когенератори със слънчеви концентратори, при които да се препятства нагряването на фотоволтаика от топлинното инфрачервено облъчване, а поне част от инфрачервения слънчев спектър да се преобразува в топлина за полезни нужди. Допълнителната цел на изобретението е да се осигури възможност за насочване на рефлектора/ите на слънчевия когенератор към слънцето. Снимки вижте тук !

Слънчева когенерация с парни турбини

Когато се използват слънчеви концентратори за силно нагряване на течности, с оглед на производство на пара с голяма енергийна плътност, то тя е напълно достатъчна да задвижва парни турбини, които да въртят електрически машини, произвеждащи ток, което е също когенерация, защото отработената от турбините пара винаги следва да се охлажда кондензира за оборотно ползване. Това отдаване на топлина с ниска енергийна плътност може да се използва за подгряване на водоемите или част от тях. Следва да се има предвид, че уплътняването на слънчевия поток е възможно да достигне до 1700 пъти ???, когато става с френелови планарни лупи, включително експериментално и у нас. Температурата на уплътнения поток е достатъчна да разтопи гранит. Но в масовия случай такива  температура се използва да се получи пара като работен флуид за парни турбини.

Освен с лупи, концентрацията се прави и с огледала, които най-често са параболични, за да фокусират в една точка слънчевата светлина. Едно от важните високотемпературни приложения на концентриращите устройства се намира във Франция и използва 9600 рефлектора с обща площ от приблизително 1860 m² за достигане на работни температури до 4000°С. Такива пещи са идеални за изследвания, изискващи високи температури и обеззаразени среди – като например при изследването на материята.

Цялостното генериране на електрическа енергия, получена от слънчева енергия все още е в процес на разработка. Това се предвижда да става в централните приемници, или “електрически кули”, в които редица от рефлектори монтирани към компютърно-управляван хелиостат отразяват и фокусират слънчевите лъчи към водонагревател, намиращ се върху “кулата”.

Слънчевите концентратори са способни да подготвят пара с параметри в рамките на обичайните за енергийно употребяваните парни турбини. Тоест, независимо по кой от горните способи е получена, парата може да бъде използвана в стандартните електроцентрали за получаване на електроенергия чрез добре познатата когенерационна технология на парните турбини. В този смисъл подобна установка се характеризира с всички предимства на паротурбинното електропроизводство в частта му, касаеща използването на парата. Парните турбини работят със сравнително ниски от съвременна гледна точка работни температури. Това наред с термодинамичните характеристики на работата на парата и усъвършенстваната флуидодинамика на турбините води до високи термични коефициенти на полезно действие, достигащи и в отделни случаи дори надвишаващи 80%. В резултат количеството на “отпадъчната” топлина е относително малко и така се постига благоприятен баланс между произведените електро и топлинна енергия. Парните турбини имат малък брой движещи се части, а самото движение е равномерно, без пулсиращи натоварвания или неравномерност на моментната ъглова скорост.

Когенерация с двигател на Стирлинг

Едно друго технологично приложение на концентратори е комбинирането на фототермично преобразуване на слънчева енергия с последващо получаване на електрическа енергия. Модел за такъв технологичен процес е двигателят на Стирлинг. За слънчевите стирлингови системи е характерно, че ефективността на преобразуването от директна слънчева радиация в електричество, след отчитане на “паразитните” загуби е около 30%. Тази ефективност е около 2 пъти по-голяма от електрическата ефективност на естествено охлаждащите се фотоволтаични модули, което е и причината  тук да разглеждаме тази алтернатива. Но само тази причина не е достатъчна, за да може разглежданата технология да бъде включена в тази разработка. Произвеждането на топлина в рамките на когенерацията по стирлинг технологията е втората причина.

 Коефициентът на полезно действие на двигателя на Стирлинг е функция от оптическите загуби и от тези на електрогенератора. Общата ефективност на когенерацията (общо електрическа и топлинна енергия) по технологията “слънчев концентратор – Стирлинг двигател - електропроизводство - топлопроизводство” е около 80%. Следва да отбележим, че някои когенерационни системи, базирани на двигатели с вътрешно горене (горивни двигатели) имат общо (електричество плюс топлина) к.п.д. над 80%. Тях не разглеждаме тук, тъй като излизат извън обсега на възобновяемите енергоизточници.

 Съществуват два типа фототермични приемници (абсорбери) за стирлинг машините. Първият тип са предназначени само за слънчева енергия, които работят само при слънцегреене. Другият тип са така наречените хибридни приемници, които са допълнително оборудвани с горелка (на природен газ, биогаз и др.) и могат да работят през цялото денонощие. И при двата вида  топлинната  се отвежда към самия двигател на Стирлинг. Той работи по най-ефективният термодинамичен цикъл за преобразуване на топлина в механична или електрическа енергия има следните особености:

В сравнение с двигателите с вътрешно горене (без значение по цикъл на Ото или на  Дизел), двигателят на Стирлинг използва само външна топлина. В този смисъл той няма изисвания за начина по който тя е получена, а няма и изисквания за момента на получаването й, в противовес на ДВГ, които са особено чувствителни по отношение момента на запалване и времето за извършване на горенето. Поради това двигателят на Стирлинг е особено подходящ преобразуване на непрекъсната генерирана топлина (каквато е слънчевата) в механична енергия.  В двигателя на Стирлинг работния газ е константно количество, то е постоянно както при затопляне, така и при охлаждане. В резултат на разширението, при затопляне и свиването при охлаждане, работният газ задвижва две или повече бутала, които са непосредствено свързани към колянов вал, при което отсъстват каквито и да било газови емисии.

На сегашния етап, все още високата цена на оборудването и необходимата прецизност при производството изграждането и експлоатацията на оптичните компоненти на този вид технология са най-големите пречки за масовото приложение на слънчевите стирлингови системи. Очаква се при масово производство цената на стирлинговата когенерационна инсталация да стане конкурентна и по-ниска от тази на фотоволтаичните когенератори.

Повече информация по темата вижте тук