Применение фокусирующих коллекторов

Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую состоит в использовании линзы, подобной той, которой каждый из нас пользовался в детстве. Если кусок газетной бумаги помещался в фокусе линзы, то через некоторое время он обязательно загорался. Принцип действия коллекторов с концентраторами солнечной энергии примерно такой же: тепловоспринимающая панель монтируется в фокусе линзы большого размера или зеркального отражателя, а вся установка регулируется так, что на тепловоспринимающую поверхность постоянно поступает солнечное излучение. Чтобы точно сконцентрировать прямой поток параллельных лучей, отражающая поверхность в сечении должна иметь форму правильной параболы. В качестве концентраторов, следяющих за перемещением Солнца по небосводу, в основном используются параболоцилиндрические, имеющие форму водосточной трубы, разрезанной пополам, или параболоидные, похожие на круглую чашу. В фокусе параболоида достигается значительная степень концентрации излучения; в солнечных печах получают температуру свыше 2000°С, а на тепловых электростанциях - более 300°С. В случае параболо-цилиндра степень концентрации солнечных лучей относительно небольшая, поэтому получаемая температура составляет 100 - 200°С.

Фокусирующие солнечные коллекторы

Если использовать в качестве концентраторов солнечного излучения большие линзы, выполненные из толстого слоя стекла, то они будут тяжелыми и очень дорогими, поэтому обычно для этой цели применяют линзы Френеля, у которых профиль канавок, как у пластинок, получают теснением.

Коллектор с солнечным концентратором в виде линзы Френеля

а - общий вид; б - линза Френеля в увеличении; 1 - линза Френеля; 2 - солнечное излучение (прямой поток);
3 - собственно линза Френеля (акриловая смола); 4 - фокус (тепловоспринимающая панель)

Возникает вопрос - почему же такие высокоэффективные фокусирующие коллекторы не применяют в солнечных домах. Дело в том, что существенным недостатком таких коллектора является необходимость использования следящего устройства которое следовало бы за движением Солнца и ориентировало коллектор таким образом, чтобы сконцентрированное солнечное излучение постоянно поступало на солнечную панель. К тому же фокусирующие коллекторы гораздо дороже плоских. Кроме того, для систем теплохладоснабжения, а также горячего водоснабжения жилых домов не нужна такая высокая температура, следовательно, эти преимущества в данном случае не реализуются. Далее, коллекторы с концентраторами собирают только прямое солнечное излучение, поскольку концентрировать таким образом удается только параллельные лучи; рассеянное излучение эти коллекторы не фокусируют. В такой стране, как Япония, климат которой отличается влажностью, рассеянное излучение составляет 30-50%, поэтому в установках с концентраторами эта доля излучения не используется.

Однако у фокусирующих коллекторов есть и положительные стороны, поэтому некоторые ученые думают о способах их использования без систем слежения за Солнцем.

Первый способ состоит в установке оси параболо-цилиндрического зеркала по оси "восток-запад". Если зафиксировать угол наклона в соответствии с движением Солнца по сезонам, то отпадет необходимость почасового слежения за Солнцем и нужно будет ручным способом менять лишь угол наклона в соответствии с временем года.

Второй способ предполагает сделать внутреннюю часть зеркального отражения более глубокой, чем у параболоида, и Увеличить площадь тепловоспринимающей поверхности для того, чтобы солнечные лучи, отклонившиеся от главной оси, все Равно попадали на эту поверхность.

Такой способ обычно применяют в коллекторах с составными параболическими концентраторами (СРС)¹. В США он уже частично используется даже в системах теплохладоснабжения. Чтобы снизить стоимость вакуумированных трубчатых коллекторов, в них нередко применяют зеркальные отражатели.

Уже давно высказываются различные мысли о возможности максимального концентрирования солнечного излучения без помощи параболоида. Однако эта проблема не решена. Только при использовании параболоида можно добиться, чтобы из фокуса излучение обратно шло параллельными лучами и наоборот - параллельные лучи собирает в фокусную линию только параболоид.

¹(СРС) - (Compound Parabolic Concentrator) - составные параболические концентраторы. В США зеркальные системы типа фоклинов и фоконов с параболическими образующими объединены в класс СРС; они являются частью более Широкого класса зеркальных и линзовых концентраторов, не создающих изображения.