Как самому сделать солнечный концентратор. Самодельный солнечный концентратор из зеркальный пленки. Как это работает

написано после прочтения статьи в Photon International 12/2012. Все фото и данные из этого источника.

Вкратце :
1) Мощность CSP (Concentrated Solar Power) станций во всем мире увеличилась на 1 ГВт в 2012 году. Ежегодно этот рынок растет на величину > 100% (не опечатка!).
2) Установленные мощности: 2.8 ГВт, Строится 2.9, планируется 7 ГВт.
3) Наиболее популярная это технология параболических рефлекторов, но набирают силу концентроторы-башни и концентраторы на линзах Френеля.

Теперь подробнее. Рынок растет так:


(светло коричневым и коричневым: установленная и устанавливаемая в год мощность (ГВт) CSP. Источник: Photon International 12/2012)

Как будут развиваться CSP технологии? Смотрим на эту картинку:


(пояснение "легенды" слева -на-право: общий, параболические рефлекторы, башни, параболические тарелки, линейные отражатели Френеля. Диаграмма первая - на конец 2012 года, вторая: строится, посленяя: запланировано)

Очевидно, что параболические рефлекторы "сегодня", но башни-концентраторы будут популярны "завтра". Самый большой возводимый проект в этой области на сегодня это Ivanpah Solar Electric Generating Station 392 МВт в южной Калифорнии. 170000 зеркал будут фокусировать свет на башни.

CLFR постепенно отвоёвывают рынок: наблюдается рост с 1 до 7%. Самый большой проект в этой области это 100 МВт в Раджастане от Avera Solar.

Что такое параболические рефлекторы?

Это система, где параболические зеркала, поворачиваясь вдоль своей оси фокусируют солнечные лучи на теплопоглощающей трубке. Такая система позволяет концентрировать в 100 раз и нагревать носитель тепла (специальное масло) до 400 градусов. Через обменник тепла горячее масло отдает энергию пару который, в свою очередь, вращает турбину. Новые системы в этой области могут включать аккумулятор в виде бака с расплавленной солью (до 8 часов). Система уже хорошо известна (с 80х) .

Недостатки и достоинства :

1. опробованная технология.


2. Но, высокие затраты относительно других, "зеленых" источников (например ФВ).


3. Но, низкая температура теплоносителя.


4. Но, в некоторых случаях такие системы требуют обеспечение водой, что не просто в условиях пустыни.


5. Но, место установки не должно иметь уклона больше 1%.

Что такое концентраторы - башни?
Это система, где зачастую тысячи поворачиваемых зеркал отслеживают солнце и фокусируют энергию на энергоприемник. Можно концентрировать энергию в 1000 раз. Высота башни от 5- до 165 м. Зеркала от 1.1 до 120 квм. Температура от 440 до 550 градусов цельсия. Для передачи тепла используется вода или расплавленная соль.

Недостатки и достоинства :

1. Позволяют достичь более высоких температур, более высокая эффективность, ниже стоимость энергии чем у параболических рефлекторов.


2. Не требуют ультра плоских ландшафтов (могут быть установлены при градиенте в 5%).


3. Запас энергии в баке с расплавленной солью до 15 часов.


4. Но, истоиря использования таких систем короче и следовательно риск кредитования выше.


5. Но, цена остается все еще высокой.

Что такое системы концентраторов с линейными отражатели Френеля?
Это более простые системы по сравнению с параболическими каналами. Концентрируют свет в 30 раз, а вместо масла используют воду для теплопередачи.

Недостатки и достоинства :
Простой дизайн, низкая стоимость энергии.
Но, высокий технологический риск: технология еще не опробована как параболические рефлекторы.

на сегодняшний день концентраторы борются за свое существование: дешевеющие и ставшими уже привычными солнечные панели давят на этот рынок.

• 1 установленный ватт от концентраторов на сегодня стоит около 5 $ (параболические концентраторы),


• 1 установленный ватт для башней-концентраторов около 7 $ (цена остается такой же если энергия запасается в раслпаве песка на 6-7 часов, 10$ если запас на 12-15 часов).


• 1 установленный ватт для обычных панелей около 1 $.

Генерация 1 квтч обойдется в 14-35 центов. Согласно цели US Department of Energy, в 2020 стоимость эл. энергии от концентраторов на юге Калифорнии должна быть 6 центов.

Тем не менее не стоит забывать, что это намного более молодая отрасль которая повторяет путь традиционной фотовольтаики сделанный 10 лет назад. Потенциал для снижения цен в этой области есть и я уверен, что "места под солнцем" хватит всем технологиям.

Но я помню и оптимизм с которым Сименс взялся за концентраторы (недавно Сименс сообщил о прекращении работ в этой области) и я помню энтузиазм в области тонкопленочной кремниевой фотовольтаики. В обоих случаях окно возможностей закрылось с треском для многих карманов.

Поговорим о недостатках. Зеркала надо чистить. Более того их поверхность должна быть идеальна и должна оставаться такой все время работы станции.


(чистка

Очень давно хотелось изготовить солнечный параболический концентратор. Прочитав массу литературы по изготовлению формы для параболического зеркала, я остановился на простейшем варианте - спутниковой тарелке. Спутниковая тарелка имеет параболическую форму, которая собирает отраженные лучи в одной точке.

За основу присмотрел Харьковские тарелки "Вариант". По приемлимой для меня цене мог приобрести только 90 сантиметровое изделие. Но цель моего опыта - высокая температура в фокусе. Для достижения хороших результатов необходима площадь зеркала - чем больше, тем лучше. Поэтому тарелка должна быть 1,5м, а лучше 2м. В ассортименте Харьковского производителя есть данные размеры, однако изготовлены они из алюминия, и соответственно цены заоблачные. Пришлось нырнуть в интернет, в поисках б/у изделия. И вот в Одессе, строители разбирая какой-то объект, предложили мне спутниковую тарелку размерами 1,36м х 1,2м., изготовленную из пластика. Немного не дотягивала до моих пожеланий, однако цена была хорошей, и я заказал одну тарелку.

Получив через пару дней тарелку, обнаружил, что изготовлена она в США, имеет мощные ребра жесткости (я переживал, достаточно ли крепкий корпус, и не поведет ли его после наклейки зеркал), и крепкий механизм ориентирования с множеством настроек.

Также приобрел зеркала, толщиной 3мм. Заказал 2 кв.м. - немного с запасом. Зеркала продаются в основном толщиной 4 мм., нашел троечку, чтобы легче было нарезать. Размер зеркал для концентратора решил сделать 2 х 2 см.

После сбора основных комплектующих приступил к изготовлению подставки для концентратора. Нашлось несколько уголков, кусочков труб и профильков. Нарезав по размерам, сварил, зачистил и покрасил. Вот что получилось:

Итак, изготовив подставку, принимаюсь за нарезку зеркал. Зеркала получил размерами 500 х 500 мм. Первым делом разрезал пополам, а потом сеткой 2 х 2 см. Перепробовал кучу стеклорезов, однако сейчас найти в магазинах, хоть что-то толковое, не представляется возможным. Новый стеклорез режет идеально 5-10 раз, и все.... После этого можно сразу выкидывать. Возможно есть какие-то профессиональные, но покупать их надо не в строительных магазинах. Поэтому, если кто-то соберется сделать концентратор из зеркал, вопрос о порезке зеркал самый трудный!

Зеркала нарезаны, тренога готова, приступаю к поклейке зеркал! Процесс долгий и нудный. У меня количество зеркал на готовом концентраторе получилось 2480 штук. Клей выбрал неправильный. Купил специальный клей для зеркал - держит хорошо, но он густой. При наклейке, выдавливая капельку на зеркало и прижимая потом к стенке тарелки, есть вероятность неравномерно прижать зеркало(где-то сильнее, где-то слабее). От этого зеркало может быть приклеено не плотно, т.е. будет направлять свой лучик солнца не в фокус, а около него. А если фокус будет размыт - высоких результатов ждать нечего. Забегая вперед, скажу, что у меня фокус получился размытым (из чего делаю вывод о том, что необходимо было применить другой клей). Хоть и результаты опыта порадовали, но фокус был размером приблизительно около 10 см, а вокруг еще размытое пятно еще по 3-5 см. Чем меньше фокус, тем точнее фокусировка лучей, тем соответственно будет выше температура. На поклейку зеркал у меня ушло почти 3 полных дня. Площадь нарезанных зеркал составила около 1,5кв.м. Был брак, вначале, пока не приспособился - много, позже существенно меньше. Бракованные зеркала составили, наверное, не более 5 %.

Солнечный параболический концентратор готов.

При замерах, максимальная температура в фокусе концентратора составила не менее 616,5 градусов. Солнечные лучи помогли поджечь деревянную доску, расплавить олово, свинцовый грузик и алюминиевую пивную банку. Эксперимент я проводил 25 августа 2015 года в Харьковской области, пгт.Новая Водолага.

В планах на следующий год (а может быть получится и в зимний период) приспособить концентратор для практических потребностей. Возможно для нагрева воды, возможно для выработки электроэнергии.

В любом случае, всем нам природа дала мощнейший источник энергии, надо только научиться им пользоваться. Энергия солнца в тысячи раз перекрывает все потребности человечества. И если человек сможет взять хотя-бы малую часть этой энергии, то это будет величайшим достижением нашей цивилизации, благодаря которому мы сохраним нашу планету.

Ниже представлен ролик, в котором вы увидите процесс изготовления солнечного концентратора на основе спутниковой тарелки, и опыты, которые с помощью концентратора получилось сделать.

Солнечную энергию можно собирать и использовать разными способами. Один из самых простых и эффективных - зеркальный рефлектор и концентратор. Его не сложно изготовить своими руками.

Рефлектор отражает солнечные лучи и концентрирует их на ёмкости с водой. Та нагревается и вскипает, выдавая струю пара. Конструкция устройства довольно проста, главное - чтобы зеркала автоматически поворачивались на нужный угол и следили за Солнцем.

Полученный пар направляем, например, в духовой шкаф для приготовления пищи, по трубам на обогрева дома, в турбину для генерации электроэнергии, в двигатель, холодильник и т.д. На самом деле, если посмотреть на какой-нибудь производственный процесс, то почти любую его часть можно перевести на пар.

Самодельный парогенератор Solar-OSE на линейных зеркалах с управлением от платы Arduino на французской конференции мейкеров POC21 , посвящённой самодельным экологическим проектам.

Недавно авторы выложили в открытый доступ под лицензией Creative Commons инструкцию по сборке устройства. Такой компактный прибор на 1 кВт отлично подходит для малого бизнеса, особенно в сельской местности. Если объединить несколько модулей, то мощность повышается в несколько раз.

По оценке мейкеров, стоимость всех деталей парогенератора составит примерно $2000, но есть разные варианты экономии.

Примерное время сборки: 150 часов. Одна неделя, три человека.

В инструкции приводится полный список и размеры всех материалов, а также необходимые для работы инструменты.

Климат средней полосы России не балует ее жителей обилием прямого солнечного света. Абсолютно ясных солнечных дней в течении года бывает немного. В основном же как правило переменная облачность, когда солнце появляется на десяток – другой минут, а затем на это же время прячется за облаками и интенсивность солнечной тепловой энергии резко падает.

Все это крайне неблагоприятно сказывается на перспективах использования солнечной энергии для организации горячего водоснабжения на даче или в загородном доме. Солнечные коллекторы и водонагреватели традиционной конфигурации просто физически неспособны эффективно нагревать воду. Потому что они основаны на принципе непрерывной циркуляции воды из накопительного бака в солнечный коллектор и обратно. И небольшой по площади солнечный коллектор площадью в 1-2 кв. метра не способен быстро нагреть большой объем воды в несколько сот литров. Это легко доказывается простейшими расчетами.

Практически единственным выходом организовать действительно надежное горячее водоснабжение от солнечной энергии служит построение концентрирующего солнечного коллектора с малым объемом воды, нагреваемой в каждую единицу времени. Логика тут достаточно простая.

На каждый квадратный метр поверхности падает примерно 800-1000 Ватт солнечной энергии. Возьмем нижнее значение (с учетом отражения от самого солнечного коллектора, оно, увы не нулевое). Итак, теплотворность нашего «кипятильника» 800 Ватт (или 2900 КДж). Теплоемкость воды равна 4,2 Кдж/кг*град. Теперь вспомним, за какое время электрический чайник в 1,5 КВт мощности доводить те 1,5 литра воды, что в нем помещается, до кипения. За считанные минуты! А если заставить его кипятить бочку воды? Он ее только нагревать будет часа 3-4.

С другой стороны, нам не нужна целая бочка горячей воды и сразу. Нам в каждую минуту времени надо 2-3 литра всего. Умыться, посуду помыть… И напрашивается следующая схема нагревания воды. Относительно маломощным «чайником» мы быстро нагреваем 1-2 литра воды и сливаем ее в термос. Затем нагреваем следующую порцию и снова сливаем в термос и так далее. А для своих нужд мы используем ее из термоса. Т.е. делаем проточный водонагреватель с накоплением результата его работы. Такой он будет проточно-накопительный.

Такая схема значительно снижает требования по мощности собственно нагревателя и в тоже время позволит иметь достаточно большой запас горячей воды в несколько десятков литров.

Посудите сами, даже в течении 10-15 минут, когда светит солнце, мы получим около 200 Ватт-часов энергии от солнца. Это эквивалентно 720 КДж. Что позволит нагреть до 50-60 градусов примерно 4-5 литров воды (почти полведра, межлу прочим). В следующий «выход» солнца — еще 5 литров, потом еще. И так далее в течении всего дня.

Причем чем меньше будет емкость нашего нагревателя, тем эффективнее он будет использовать солнечную энергию. Он будет ухитряться выхватывать солнечное тепло даже если оно будет выскакивать всего на несколько минут! Как говорится, с паршивой овцы хоть шерсти клок. А уже если оно будет долгим, такой нагреватель превратится в кипятильник.

Сделать такой малоёмкий солнечный коллектор можно двумя способами. Первый — сделать очень плоский классический коллектор максимально большой площади. Например, толщиной в 1-2-3 см всего и площадью в 1-1,5 кв. метра. Но его емкость будет около 20-40 литров! Особо маленьким его не назвать. И что бы нагреть всю эту воду потребуется как минимум час солнца.

Второй вариант — сделать концентрирующий параболический солнечный коллектор примерно такой же площади и с емкостью 2-3 литра! Тогда вода в нем будет нагреваться всего за 5-8 минут! Всего полчаса солнца — и у нас целое ведро достаточно горячей воды! Более того, концентрирующий коллектор способен собирать и рассеянную солнечную энергию, когда лучи рассеиваются дымкой и облаками.

Теперь перейдем к конструкции. Многих пугает слово «параболический» и они думают, что сделать параболический концентратор сложно. На самом деле, сделать параболическое зеркало сможет даже школьник. К тому же концентрирующий коллектор гораздо проще даже в физическом плане. Не надо «заморачиваться» огромной и ломкой плоской «канистрой». Добиваться ее абсолютной герметичности, жесткости, обеспечивать минимальное гидродинамическое сопротивление и т.д. В параболическом солнечном водонагревателе – коллектор — простой плоский готовый металлический профиль или труба! Надо только сделать заглушки на торцы и врезать пару футорок для ввода – вывода воды. Вся остальная арматура и в в том и другом случае будет одинаковая. Само же параболическое зеркало делается из обыкновенной фанеры и оклеивается обычной бытовой фольгой для запекания. Коэффициент ее отражения ИК-лучей составляет 90-95 %!

Существует достаточно простой способ для построения параболы. На листе фанеры мы рисуем прямой угол. Затем, по одной стороне мы наносим отметки через 1 единицу измерения (например через 100 мм, на рисунке – это буквы). А по другой — через 2 единицы (т.е через 200 мм, на рисунке это цифры). Затем соединяем отметки линиями а1, б2, в3 и т.д. Образующиеся пересечения линий и дадут нам искомую параболу. Ее естественно надо сгладить при помощи лекала. И разумеется, это только половинка параболы, которая нам нужна. Вторая — зеркальное отражение.

Теперь, как может выглядеть концентрический параболический солнечный водонагреватель.

Ну примерно так.

Вода в коллектор – нагреватель поступает под небольшим давлением из напорного бака. А на выходе коллектора установлен клапан – термостат. Аналогичный по действию тому, что устанавливается в контурах охлаждения автомобилей. Т.е. он открывается тогда, когда вода нагревается до определенной температуры. Когда порция воды, находящаяся в коллекторе нагреется, термостат открывается и вода сливается в баки термосы. Как только вся горячая вода сольется и начнет идти прохладная вода, то термостат тут же закроется и коллектор начнет греть следующую порцию.

Что бы зря не пропадало место позади параболического зеркала, баки – термосы установлены в свободных нишах и тщательно теплоизолированы. Хотя, как понимаете, это всего лишь вариант их расположения. Их можно установить в любом удобном месте, но важно тщательно утеплить трубу, ведущую к ним от коллектора.

Вообще говоря, параболическое зеркало имеет не просто фокус, куда направляются все отраженные лучи, а так называемую фокальную плоскость. Потому что если лучи падают на параболическое зеркало не перпендикулярно, то и отражаться они будут не по центру параболы. Поэтому в устройствах с параболическими зеркалами делают гелиотрекеры, которые всегда поворачивают параболическое зеркало строго на солнце либо перемещают коллектор по фокальной плоскости (что на мой взгляд, проще).

В садово-дачных условиях это, к сожалению, серьезно усложняет конструкцию концентрирующего солнечного коллектора. Либо придется ставить какую то автоматику, либо самом периодически, вручную, разворачивать параболическое зеркало строго на солнце.

Определённым решением в этом случае может служить не горизонтальное, а вертикальное расположение параболического зеркала. Ведь солнце достаточно быстро перемещается по горизонтали, и очень медленно по вертикали. Поэтому, если сделать достаточно вытянутую параболу и расположить коллектор в ее фокальной плоскости, то несколько часов подряд на коллектор будет падать весь объем отраженной солнечной энергии. А регулировку по вертикали придется делать лишь раз в неделю-две, в зависимости от угла солнца над горизонтом.

Но конечно, самым эффективным решением будет изготовление гелиотрекера, поворачивающего параболическое зеркало непосредственно на солнце.

Внимание! Если вы будете реализовывать подобный проект, ни в коем случае не пробуйте температуру в зоне коллектора рукой, «на ощупь»!!! Температура в зоне нагрева достигает 200-300 градусов! Это все равно, что пробовать на ощупь спираль электроплитки. Во время моих экспериментов деревяшка, внесенная в зону нагрева бесшумно вспыхивала практически мгновенно. Довольно мистическое зрелище, кстати.

Константин Тимошенко

Задать свои вопросы и обсудить конструкцию вы можете на

Забрал наконецто вакуумный коллектор на 20 трубок, буду из них собирать концентратор. 1-на трубка наполненая водой (3л.) нагрелась с 20*С до 68.3*С (кипяток на ощуп) за 2 часа 40 минут. За окном 26 мая, на солнце 42*С в тени 15*С время проведения эксперимента с 16,27 до 18,50 солнце садится...
А в концентраторе замер показал 19 минут! до тех же 68*С. Скорость можно увеличить, увеличив площадь концентратора, но тогда возрастает парусность и ухудшается целостность конструкции...
Площадь концентратора составляет 1,0664м.кв.(62х172см.)
Фокусное расстояние 16см.
Покупаете 1-ну вакуумную трубка, а снимаете с неё как с 7-ми в моём варианте, если считать по площади. Внизу видео одного из первопроходцев, которая натолкнула меня на мой подвиг.

Столкнулся пока с проблемой плохой склейки акрила с клеем для зеркал. Легко отклеилось от основы... Также клей для зеркал очень мягкий и система "гуляет" нужно усиливать конструкцию.
сказал (а):
По совету FarSeer; я расположил ось горизонтально (ориентация восток-запад для зимы). Такое расположение проще в конструктивном плане, ветровые нагрузки меньше, увод (переворот) от осадков тоже проще.
В связи с тем, что свои "совки" я буду размещать горизонтально в направлениях восток-запад, дабы не зацыкливаться на трекерах, пришлось обдумывать, как сделать отбор тепла более эффективным, так как стандартная схема с конденсацией жидкости может в теории не работать, так как нет стёка конденсата вниз и соответственно подъёма пара вверх для отдачи своего тепла. Сделал 2 вида отбора тепла от вакуумной трубки.
Вариант-1 (справа, на фото-1) Родной наконечник (утолщение где собирается пар) активно омывается теплоносителем.
Вариант-2 (среднее, на фото-1) взято 2 трубки одна 10мм. в диаметре, другая 15 мм. в диаметре и вставленны одна в другую, по аналогии рекуператоров, внутренняя не доходит до конца пару см. а наружная в конце заглушена, а сверху эти трубки рассоеденены тройником см. фото. Как показали опыты, между горизонтальной трубкой и стоящей под 45* при температурах около 80* разница была около 5* хотя мне говорили что в горизонтальном положении данная трубка вообще работать не будет!
Жду потепления, чтобы выкопать под стойки ямки, потому что земля ещё мёрзлая и копать её не реально.
Что касается аварийных режимов, уже всё продуманно, стоит бесперибойник на 1.5 Квт типа Smart с дополнительными аккумуляторами.
Второй и на мой взгляд самый существенный момент по решению аварийных ситуаций, закрывание зеркал или концентратора от солнца или же его поворачивание от оси фокуса, что выведет концентратор на минимальную мощность простой вакуумной трубки в самый жаркий сезон к примеру, по этому же принцыпу, можно регулировать сумарную мощность концентраторов выводя некоторые из фокуса.

Как вариант концентратора из подручного материала см. фото.