A napkollektor a Nap hőenergiáját (napelemes növény) gyűjti össze, amelyet látható fény és közeli infravörös sugárzás hordoz . Az áramot termelő napelemekkel ellentétben a napkollektor felmelegíti a hőátadó anyagot .
Általában melegvízellátásra és helyiségfűtésre használják. [egy]
A síkkollektor egy napsugárzást elnyelő elemből (abszorber), egy átlátszó bevonatból és egy hőszigetelő rétegből áll. Az abszorber a hőátadó rendszerhez csatlakozik. Fekete festékkel vagy speciális szelektív bevonattal (általában fekete nikkel vagy titán-oxid porlasztással) vonják be a hatékonyság növelése érdekében. Az átlátszó elem általában csökkentett fémtartalmú edzett üvegből, vagy speciális hullámosított polikarbonátból készül . A panel hátoldalát hőszigetelő anyag (például poliizocianurát ) borítja . A csövek, amelyeken keresztül a hűtőfolyadékot elosztják, térhálósított polietilénből vagy rézből készülnek. Maga a panel légmentes, amihez a benne lévő lyukakat szilikon tömítőanyaggal zárják le.
Hőfelvétel (pangás) hiányában a lapos kollektorok képesek a vizet 190-210 °C -ra melegíteni. .
Minél több beeső energia kerül a kollektorban áramló hűtőközegbe, annál nagyobb a hatásfoka. Növelhető speciális optikai bevonatok használatával, amelyek nem bocsátanak ki hőt az infravörös spektrumban.
Lehetőség van a hűtőfolyadék hőmérsékletének 250-300 °C-ra történő emelésére a hőelszívás korlátozási üzemmódjában. Ez a többrétegű üvegbevonat, tömítés vagy a kollektorokban vákuum létrehozása miatti hőveszteség csökkentésével érhető el .
Valójában a napkollektoros hőcső a háztartási termoszokhoz hasonló eszközzel rendelkezik. A csőnek csak a külső része átlátszó, míg a belső cső rendkívül szelektív bevonattal rendelkezik, amely rögzíti a napenergiát. A külső és a belső üvegcső között vákuum van. A vákuumréteg az, amely lehetővé teszi a felvett hőenergia mintegy 95%-ának megtakarítását.
Ezenkívül a hőcsövek alkalmazásra találtak a vákuum napkollektorokban , amelyek hővezetőként működnek. Ha a berendezést napfény sugározza be, a cső alsó részében lévő folyadék felmelegszik és gőzzé alakul. A gőzök a cső (kondenzátor) tetejére emelkednek, ahol lecsapódnak és hőt adnak át a kollektornak. Ezzel az áramkörrel nagyobb hatékonyságot érhet el (a síkkollektorokhoz képest), ha alacsony hőmérsékleten és gyenge fényviszonyok mellett működik.
A modern háztartási napkollektorok még negatív környezeti hőmérsékleten is képesek forráspontig melegíteni a vizet.
A hűtőfolyadékot (víz, levegő, olaj vagy fagyálló ) a kollektoron keresztül keringetve felmelegítik, majd hőenergiát továbbítanak a tárolótartályba, amely meleg vizet halmoz fel a fogyasztó számára.
Egy egyszerű változatban a víz keringése természetes módon megy végbe a kollektor hőmérséklet-különbsége miatt. Ez a megoldás javítja a napkollektoros telepítés hatékonyságát, mivel a napkollektor hatásfoka a hűtőfolyadék hőmérsékletének növekedésével csökken.
Léteznek tároló típusú szoláris vízmelegítő berendezések is, amelyekben nincs külön tároló, és a felmelegített vizet közvetlenül a napkollektorban tárolják. Ebben az esetben a telepítés egy téglalap alakú tartály. [egy]
| Vákuumcső alakú | Lakás nagyon szelektív |
|---|---|
| Előnyök | Előnyök |
| Alacsony hőveszteség | Képes hó- és fagymentesítésre |
| Hatékonyság a hideg évszakban -30 C-ig | Nagy teljesítmény nyáron |
| Magas hőmérséklet generálásának képessége | Kiváló ár/teljesítmény arány a déli szélességi fokokon és a meleg éghajlaton |
| Hosszú munkaidő a nap folyamán | Bármilyen szögben felszerelhető |
| Könnyű telepítés | Alacsonyabb kezdeti költség |
| Alacsony szélerősség | |
| Kiváló ár/teljesítmény arány mérsékelt szélességi körökhöz és hideg éghajlathoz | |
| Hibák | Hibák |
| Képtelenség a hó öntisztítására | Magas hőveszteség |
| Viszonylag magas kezdeti projektköltség | Gyenge teljesítmény a hideg évszakban |
| A munkavégzési dőlésszög legalább 20° | A telepítés bonyolultsága az összeszerelt kollektor tetőre szállításának szükségességével kapcsolatos |
| Nagy szélerősség |
Az üzemi hőmérséklet 120-250 °C-ig történő növelése lehetséges, ha a napkollektorokba koncentrátorokat helyeznek el, az elnyelő elemek alá fektetett parabola vályús reflektorokkal. A magasabb üzemi hőmérséklet eléréséhez napelemes nyomkövető eszközökre van szükség.
A napkollektoros levegőkollektorok olyan berendezések, amelyek napenergiával működnek és felmelegítik a levegőt. A napkollektoros levegőkollektorokat leggyakrabban térfűtésre, mezőgazdasági termékek szárítására használják. A levegő természetes konvekció vagy ventilátor hatására halad át az abszorberen.
Egyes napkollektoros légfűtőkben a hőátadás javítása érdekében ventilátorokat rögzítenek az abszorber lemezre. Ennek a kialakításnak az a hátránya, hogy energiát fogyaszt a ventilátorok működtetése, ezzel növelve a rendszer üzemeltetési költségeit. Hideg éghajlaton a levegő az abszorber lemez és a kollektor szigetelt hátfala közötti térbe kerül: így elkerülhető az üvegezésen keresztüli hőveszteség. Ha azonban a levegőt legfeljebb 17°C-kal melegítik fel a külső levegő hőmérséklete fölé, a hőhordozó közeg keringhet az abszorber lemez mindkét oldalán anélkül, hogy jelentős hatást veszítene.
A légkollektorok fő előnyei az egyszerűségük és a megbízhatóságuk. Megfelelő gondozás mellett egy minőségi kollektor 10-30 évig is kitarthat és nagyon könnyen kezelhető. Hőcserélő nem szükséges, mivel a levegő nem fagy meg.
A napkollektorokat ipari és háztartási helyiségek fűtésére , termelési folyamatok melegvízellátására és háztartási szükségletekre használják. A legtöbb meleg és meleg vizet (30-90 °C) használó gyártási folyamat az élelmiszeriparban és a textiliparban zajlik, amelyek így a legnagyobb potenciállal rendelkeznek a napkollektorok alkalmazásában.
Európában 2000-ben a napkollektorok teljes területe 14,89 millió m² volt , világszerte pedig 71,341 millió m².
A napkollektorok-koncentrátorok fotovoltaikus cellák vagy Stirling-motor segítségével képesek elektromos áramot termelni .
A napkollektorok tengervíz-sótalanító üzemekben használhatók. A Német Repülési Központ (DLR) becslései szerint 2030-ra a sótalanított víz ára 40 eurocentre csökken vízköbméterenként [2]
A JIHT RAS kutatása szerint a meleg időszakban (március-áprilistól szeptemberig) Oroszország nagy részén a napsugárzás átlagos napi mennyisége 4,0-5,0 kWh/m² (Spanyolország déli részén 5,5-6,0 kWh/). m², Németország déli részén - akár 5 kWh / m²). Ezzel 2 m²-es napkollektorral akár 80%-os valószínűséggel, azaz szinte naponta mintegy 100 liter víz melegítését teszi lehetővé háztartási célokra. Az átlagos éves napsugárzási bevitel szerint a vezető helyen áll Transbaikalia , Primorye és Dél - Szibéria . Őket követi az európai rész déli része (kb. 50º É-ig) és Szibéria jelentős része.
A napkollektorok felhasználása Oroszországban 0,2 m² / 1000 fő, Németországban 140 m² / 1000 fő, Ausztriában 450 m² / 1000 fő, Cipruson körülbelül 800 m² / 1000 fő.
A nyári időszakban Oroszország legtöbb régiója az északi szélesség 65º-ig magas átlagos napi sugárzási értékek jellemzik. Télen a beérkező napenergia mennyisége többszörösére csökken a telepítés szélességi elhelyezkedésétől függően.
Bármilyen időjárási használatra, az egységek nagy felülettel, két fagyálló áramkörrel és további hőcserélőkkel kell, hogy rendelkezzenek. Ebben az esetben kiürített vagy erősen szelektív bevonattal ellátott síkkollektorokat használnak, mivel nagyobb a hőmérséklet-különbség a felmelegített hűtőfolyadék és a külső levegő között. Ez a kialakítás azonban drágább. [egy]
A kollektorok építését jelenleg főleg a Krasznodar Területen , Burjátországban , Primorszkijban és Habarovszkban végzik . [3]
Az ipari típusú naperőmű létrehozásának ötletét először N. V. Linitsky szovjet mérnök vetette fel az 1930-as években . Ugyanakkor javaslatot tett egy napelemes állomás kialakítására, központi vevővel a toronyban. Ebben a napsugarak rögzítésére szolgáló rendszer heliosztát-mezőből állt - két koordinátában vezérelt lapos reflektorokból. Mindegyik heliosztát visszaveri a napsugarakat a központi vevő felületére, amelyet a heliosztát mező fölé emelünk, hogy kiküszöböljük a kölcsönös árnyékolás hatását. Méreteit és paramétereit tekintve a vevőkészülék hasonló a hagyományos gőzkazánhoz.
A gazdasági értékelések kimutatták a nagy 100 MW -os turbinagenerátorok alkalmazásának megvalósíthatóságát az ilyen állomásokon. Számukra jellemző paraméterek az 500 °C hőmérséklet és a 15 MPa nyomás. A veszteségeket figyelembe véve az ilyen paraméterek biztosításához körülbelül 1000 koncentrációra volt szükség, ezt a koncentrációt heliosztátok két koordinátán történő vezérlésével sikerült elérni. Az állomásokon hőtárolókkal kellett rendelkezni, hogy biztosítsák a hőgép működését napsugárzás hiányában.
1982 óta több torony típusú erőmű épült az Egyesült Államokban 10-100 MW kapacitással. Az ilyen típusú rendszerek részletes gazdasági elemzése kimutatta, hogy az építés összes költségét figyelembe véve 1 kW beépített kapacitás körülbelül 1150 dollárba kerül . Egy kWh villamos energia körülbelül 0,15 dollárba kerül.
A parabola-hengeres koncentrátorok parabola alakúak , egyenes vonal mentén feszítve.
1913 - ban Frank Schumann szivattyútelepet épített Egyiptomban parabolikus vályús koncentrátorokból. Az állomás öt, egyenként 62 méter hosszú csomópontból állt. A fényvisszaverő felületek hagyományos tükrökből készültek. Az állomás gőzt állított elő, amellyel percenként mintegy 22 500 liter vizet szivattyúzott [4] .
Egy parabola-hengeres tükörkoncentrátor a napsugárzást egy vonalba fókuszálja és százszoros koncentrációját tudja biztosítani. A parabola fókuszába hűtőfolyadékkal (olajjal) vagy fotovoltaikus cellával ellátott csövet helyeznek . Az olajat csőben 300-390 °C hőmérsékletre melegítjük. 2010 augusztusában az NREL tesztelte a SkyFuel telepítését. A tesztek során a parabolikus vályús koncentrátorok termikus hatásfoka 73%-os volt 350 °C-os hűtőközeg fűtési hőmérséklet mellett [5] .
A parabola hengeres tükrök legfeljebb 50 méter hosszúak. A tükrök az észak-déli tengely mentén helyezkednek el, és néhány méterenként sorba rendeződnek. A hűtőfolyadék belép a hőtárolóba , hogy egy gőzturbinás generátorral további villamos energiát termeljen .
1984 és 1991 között kilenc erőművet építettek parabolikus vályús koncentrátorokból Kaliforniában , összesen 354 MW teljesítménnyel. Az áram költsége körülbelül 0,12 dollár volt kWh-nként.
A német Solar Millennium AG cég napelemes erőművet épít Belső-Mongóliában ( Kína ) . Az erőmű összteljesítménye 2020 -ra 1000 MW-ra nő . Az első szakasz teljesítménye 50 MW lesz.
2006 júniusában megépült az első 50 MW teljesítményű termikus naperőmű Spanyolországban . Spanyolországban 2010 - re 500 MW parabolikus vályús koncentrátoros erőművek épülhetnek.
A Világbank finanszírozza hasonló erőművek építését Mexikóban , Marokkóban , Algériában , Egyiptomban és Iránban .
A napsugárzás koncentrációja lehetővé teszi a fotovoltaikus cella méretének csökkentését . De ugyanakkor csökken a hatékonysága, és valamilyen hűtőrendszerre van szükség.
A parabolakoncentrátorok forradalomparaboloid alakúak. A parabola reflektor vezérlése két koordináta szerint történik a nap követésekor. A nap energiája egy kis területre összpontosul. A tükrök a rájuk eső napsugárzás mintegy 92%-át tükrözik vissza. A reflektor fókuszában egy Stirling-motor vagy fotovoltaikus cellák vannak felszerelve egy konzolra . A Stirling-motor úgy van elhelyezve, hogy a fűtési terület a reflektor fókuszában legyen. A Stirling-motorok munkafolyadéka általában hidrogén vagy hélium .
2008 februárjában a Sandia National Laboratory 31,25%-os hatékonyságot ért el egy parabolakoncentrátorból és egy Stirling-motorból álló összeállításban [6] .
Jelenleg 9-25 kW teljesítményű parabola koncentrátoros üzemek épülnek. 3 kW teljesítményű háztartási berendezések fejlesztése folyik. Az ilyen rendszerek hatásfoka körülbelül 22-24%, ami magasabb, mint a fotovoltaikus celláké. A kollektorok szokásos anyagokból készülnek: acél , réz , alumínium stb. , „napelemes” szilícium használata nélkül. A kohászatban az úgynevezett "kohászati szilíciumot" használják, amelynek tisztasága 98%. A fotovoltaikus cellák gyártásához 99,9999%-os tisztaságú „szoláris tisztaságú” vagy „szoláris gradáció” szilíciumot használnak [7] .
2001 -ben a napkollektorokban előállított villamos energia ára kWh -nként 0,09-0,12 dollár volt . Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma előrejelzése szerint a napelem-koncentrátorok által termelt villamos energia ára 2015-2020 -ra 0,04-0,05 dollárra csökken .
A Stirling Solar Energy nagy méretű napkollektorokat fejleszt - akár 150 kW-ig Stirling motorral . A vállalat Dél- Kaliforniában építi a világ legnagyobb naperőművét . 2010 - re 20 000 11 méter átmérőjű parabolakollektor lesz. Az erőmű összteljesítménye 850 MW-ig növelhető.
A Fresnel lencsék a napsugárzás koncentrálására szolgálnak egy fotovoltaikus cella felületén vagy egy hőátadó csövön. Gyűrűs és derék lencséket egyaránt használnak. Angolul az LFR kifejezést használják - lineáris Fresnel reflektor.
2010-ben 1170 MW napelemes hőerőmű üzemelt világszerte. Ebből Spanyolország 582 MW, az Egyesült Államok 507 MW. A tervek szerint 17,54 GW teljesítményű napelemes hőerőművek épülnek. Ebből az USA-ban 8670 MW, Spanyolországban 4460 MW, Kínában 2500 MW [8] . 2011-ben 12 országból 23 lapkollektor gyártó és szállító működött; 88 vákuumosztó-gyártó és beszállító 21 országból. [9]