 |
| Солнечный энергетический модуль (СЭМ-1) СЭМ-1. Солнечная установка для получения воды из снега для применения в экстремальных природно - климатических условиях (при температурах воздуха до минус 80 градусов С). Организации - разработчики: Институт высоких температур РАН ("ИВТРАН"), Москва; ЗАО "КАЛИМП", Москва; ИПП "ТАИС" г. Химки, Московская область; ЗАО "СОЛТО", Москва. Руководитель проекта А.С. Шейнштейн ("ИВТРАН"). |
При решении вопросов альтернативной энергетики всенепременно нужно внимательно следить за технологиями, используемыми в экстремальных условиях.
В частности СЭМ-1 можно применить для БЕСПЛАТНОГО ОБОГРЕВА частного дома, не говоря уже о том, что на нем еще и готовить можно ))))
Одно из самых интересных событий — разработанный Институтом высоких температур РАН солнечный энергетический модуль (СЭМ-1), прошедший успешные испытания на Полюсе холода Земли — российской антарктической станции «Восток». К сожалению, проект по не вполне понятным причинам в последующие годы не имел продолжения, несмотря на успешное начало и очевидную перспективность.
-
Российская антарктическая станция «Восток» хорошо известна.
В то же время одна из страниц её истории, возможно, осталась в тени более громких событий. Она связана с успешным испытанием солнечной энергетической установки, разработанной Институтом высоких температур РАН.
Солнечный энергетический модуль «СЭМ-1» позволяет концентрировать солнечную энергию с использованием её для нагрева воды и приготовления пищи и способен работать в экстремальных условиях Полюса холода Земли с крайне низкими температурами воздуха и сильными ветрами.
Испытания модуля прошли на станции «Восток» в сезон 1999-2000 г. Об этом сообщает «Акт о внедрении опытного образца солнечного энергетического модуля СЭМ-1 в период работы 45-й Российской антарктической экспедиции в зоне Высокого Антарктического плато на станции «Восток», подготовленный РАЭ 11 февраля 2000 года:
«Солнечный энергетический модуль («СЭМ-1») – тепловая солнечная установка на основе концентратора солнечного излучения.
Опытный образец его впервые разработан и создан в рамках проекта Министерства науки и технологий РФ (заказчиком данных работ является Российская антарктическая экспедиция) в Институте высоких температур РАН (руководитель работ и главный конструктор проекта А. С. Шейнштейн).
Для натурных испытаний в условиях труднодоступной зоны высокого антарктического плато, где отсутствуют источники воды, а для целей тепло- и энергоснабжения используется исключительно дорогостоящее привозное дизельное топливо, был представлен портативный образец солнечного энергетического модуля «СЭМ-1».
Основной функцией этой установки является «солнечное» плавление снега (льда) для получения питьевой и технической воды, дополнительные функции установки — нагрев и кипячение воды, приготовление пищи (режим работы «гриль»).
Используя отечественные конверсионные космические технологии, авторы разработали уникальный образец гелиоустановки для применения в экстремальных природно-климатических условиях (при температуре воздуха до минус 800С).
В сезон 1999-2000 гг. на станции «Восток» были проведены натурные испытания установки «СЭМ-1», подтвердившие правильность принятых научных и конструктивных решений. Результаты испытаний показали, что все узлы, механизмы и материалы, использованные при создании установки, нормально функционируют в условиях станции «Восток» при температурах наружного воздуха до минус 500С. Проведённые испытания показали, что установка эффективно работает в предусмотренных режимах (плавление снега, нагрев и кипячение воды, приготовление пищи).
Установка «СЭМ-1» активно использовалась в период проведения испытаний. С помощью данной установки было произведено 1'280 литров воды, которая использовалась для нужд станции.
Средняя суточная производительность установки в режиме снеготаяния составила 65-70 л.
Авторы данной разработки впервые решили проблему эффективного использования солнечной энергии для получения низкопотенциального тепла в экстремальных природно-климатических условиях Антарктиды. Применённые схемные решения обеспечивают высокую эффективность использования прямой солнечной радиации, высокую надёжность работы специального теплопровода в условиях пониженных температур воздуха, а также систем слежения и электропитания проводов.
Предложенная конструкция является компактной, лёгкой, сборка и обслуживание данной установки осуществляется одним человеком. Её можно устанавливать в любом районе станции, её можно использовать для нужд санно-гусеничного похода и для выносных лагерей. Продумана система слива получаемой воды при пониженных температурах воздуха.
Разработанная конструкция гелиоустановки полностью отвечает требованиям технического задания и рекомендуется для дальнейшего тиражирования и использования для нужд антарктических экспедиций, работающих в зоне высокого антарктического плато.
Российская антарктическая экспедиция готова содействовать в продвижении данной уникальной техники на зарубежный рынок».
Технические характеристики установки:
- Тепловая эффективность(КПД) –50%;
- Производительность воды в час – 5-6 литров (нагрев до 600С); 3-4 литра (кипячение);
- Вес 55 кг;
- Срок эксплуатации – 15-20 лет;
- Условия эксплуатации: температура – до -800С, ветер – до 10 м/с, с порывами до 20-30 м/с.
Образец и описание «СЭМ-1» сейчас находятся в Музее Арктики и Антарктики в Санкт-Петербурге.
Существуют различные подходы к преобразованию солнечной энергии в тепловую, в том числе – разрабатываемые российскими исследователями.
«СЭМ-1» на этом фоне уникальна: она могла бы использоваться в отдалённых точках Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, в горных районах, в экспедициях; при этом она была испытана почти 12 лет назад, когда солнечная энергетика во всём мире была в самом начале своего становления.
Наконец, установка «СЭМ-1» ещё раз показала, что в способности побеждать холод нам нет равных.
=
=
=
Кольцевой солнечный концентратор диаметром 2,2 метра (3 кВт)
По сравнению с линейным, кольцевой концентратор обеспечивает бóльшую степень концентрации солнечного излучения, так как излучение сосредоточено не на протяженном приемнике в виде трубки, а в шароподобной локальной области объемом 1-2 литра. Это позволяет получить более высокую температуру в фокальной области, и, естественно, более широкую сферу применения концентратора.
Отличительной чертой предлагаемой конструкции концентратора является то, что при перемещении Солнца по небосклону фокальная область (область максимальной фокусировки) остается неподвижной. Это избавляет от необходимости перемещать приемник излучения вслед за Солнцем. В результате - прямая экономия материалов и энергии, и, что более важно, появление новых возможностей использования концентратора. В этом случае в фокальной области можно расположить все, что угодно, начиная от банального гриля или сушилки для фруктов, и заканчивая паровым котлом или двигателем Стирлинга.
Следует подчеркнуть еще одну особенность кольцевых концентраторов: область, в которой сосредоточена большая тепловая мощность, представляющая зону повышенной опасности, находится внутри концентратора, что полностью исключает возможность даже случайного попадания в нее птиц, животных, человека или посторонних предметов. Чего нельзя сказать о системах со сплошными параболическими концентраторами, которые представляют угрозу возникновения пожара уже при выходе из строя системы слежения за Солнцем.
Предлагаемый концентратор солнечной энергии можно рассматривать как универсальный источник питания, к которому можно подключить практически любую полезную нагрузку.
Диаметр - 2,2 метра
Вес – 22 кг
Тепловая мощность – 3 кВт
Фокальная область – сфера диаметром 300 мм
-
-
-
Установка для получения воды из снега и/или льда
-
Вода и солнце: Брестский профессор Виталий Северянин запатентовал гелиостанцию
Профессор Брестского государственного технического университета, доктор технических наук Виталий Северянин изобрел и запатентовал гелиостанцию для получения от солнечной энергии тепла для подогрева воды.
Гелиоустановка состоит из солнечного концентратора, выполненного в виде концентрических конусов, способных отражать солнечный поток на приемник для подогрева воды. Гелиоустановка снабжена системой слежения за лучом солнца. Она способна нагреть воду до ста градусов в зависимости от интенсивности солнца. Гелиостанцией уже заинтересовались производители, и к марту 2009 года планируется пробный выпуск в натуральную величину.
-
Принцип конуса, или Как улучшить гелиостанцию
В ближайшее время в Бресте будет изготовлена экспериментальная гелиостанция по проекту профессора В.С.Северянина, руководителя научной лаборатории «Пульсар» БрГТУ. За воплощение его идеи возьмутся специалисты ОАО «Брестгазоаппарат». Аналогов разработке брестского учёного в мире пока не создано.
Энергия солнца – на службе людям
Поиск новых источников энергии уже давно охватил мир. Ветрогенера-торы и солнечные батареи активно используются в энергетическом комплек-се ряда европейских стран.
Например, в скандинавских странах широко используется биотопливо и гидроэнергия (к 2010 году Швеция планирует довести долю возобновляю-щейся энергии до 60% энергетического комплекса страны). Германия и Испания – мировые лидеры по установленной мощности ветрогенераторов (18,5 и 10 ГВт соответственно). Помимо этого, Германия – крупнейший рынок фо-тогальванических систем (1,4 ГВт установленной мощности солнечных батарей на начало 2006 года, что на 53% больше, чем в 2005-м) и систем солнечного отопления (установлено приблизительно 6,7 млн. м2 коллекторов мощностью 4,69 термических ГВт, а в 2005 было 664 МВт).
В Беларуси использование возобновляющихся источников энергии (солнце, ветер, вода) развито пока не достаточно. Объясняется это, в первую очередь, географическим положением и климатическими особенностями нашей страны. И всё же, по подсчётам специалистов, 10-20% теплопотребления можно обеспечить за счёт использования излучаемого Солнцем тепла.
Поэтому, несмотря на то, что использование солнечной энергии в Беларуси может быть эффективным только в летний период, белорусские учёные ведут активную научную деятельность в области использования возоб-новляющихся энергоисточников. И уже достигнуты определённые результаты.
В лаборатории терморегулирования Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова НАНРБ разработан гелиомодуль, преобразующий солнечное излучение в тепловую энергию с нагревом воды. Устройство представляет собой плоскую прямую конструкцию с абсорбером, стеклянным покрытием и теплоизоляцией. Технические параметры: площадь – 0,9-2 м2, тепловая мощ-ность – 0,5-1 кВт, температура нагреваемой воды – 60 °С.
Брестские учёные также взялись решать проблему использования энергии возобновляющихся источников. За основу солнцеприёмника взяли пара-болоид. И значительно продвинулись в своих разработках.
Проблему ветра решит система конусов
Так считает Виталий Степанович Северянин, научный руководитель исследовательской лаборатории «Пульсар» Брестского государственного тех-нического университета.
На Западе прогрессивной технологией считается применение параболоида вращения. Мощность такой установки зависит от диаметра снопа солнечных лучей, попадающих на её поверхность и фокусируемых в центре параболы.
Как известно, мощность светового потока вне атмосферы Земли - Солнечная постоянная – равна 1,32 кВт на квадратный метр. В зависимости от поры года и времени суток до нас доходит примерно 0,8 кВт. Такая величина характерна для бытового электроутюга.
Следовательно, чтобы уловить большее количество энергии, надо увеличить площадь восприятия светового потока. Французы, например, исследовали возможность плавления тугоплавких металлов при помощи Солнца. Построили экспериментальную установку в форме параболы диаметром 20 метров. При этом в фокусе они получили температуру до 4 000 градусов Цельсия.
Однако два самых больших недостатка параболоида – сложность конструкции и ветровая нагрузка. Это обстоятельство накладывает определённые ограничения на величину диаметра установки и заставляет решать проблему надёжного крепления.
Виталий Степанович, давно занимающийся разработками в области альтернативных источников энергии, предложил принципиально новый вариант конструкции солнечной установки. Проблему ветра он решил с помощью конуса.
Гелиостанция в форме розы
Размышляя над решением проблемы парусности параболоида, профес-сор Северянин нашёл идеальную, на его взгляд, форму для гелиостанции. Его гелиоустановка состоит из набора конусов различного диаметра, что придаёт ей внешнее сходство с розой.
Установленные под определённым углом конуса направляют солнеч-ные лучи в одну точку – в центр основания «розочки», где установлен котёл. Примечательно, что если смотреть на многоконусный рефлектор прямо, его поверхность кажется сплошной. А если немного сместить угол зрения – появляются большие просветы между конусами. Таким образом, ветер сможет почти беспрепятственно проходить сквозь солнечный приёмник, не создавая на него давления.
В лабораторных условиях Виталий Степанович свое изобретение уже испытал. Из ватмана, покрытого серебрянкой, он изготовил макет станции с диаметром рефлектора 0,3 метра. Светившее сквозь окно солнце нагрело чёрный котёл солнцеприёмника более 70 °С.
-Недавно в Португалии запустили в эксплуатацию крупнейшую в мире солнечную электростанцию,- чтобы показать значимость своего изобретения, В.С.Северянин привёл пример из мировой практики.- Её мощность – 11 мегаватт. Она состоит из 52 тысяч солнечных батарей, установленных на двухметровой высоте и занимающих территорию площадью 60 га. Стоимость проекта – 75 миллионов долларов. Обслуживает станция 8 тысяч домов.
Простые математические расчёты показывают, что мощность одной ба-тареи – около 200 ватт, а стоимость – почти полторы тысячи долларов. Доро-говизна объясняется тем, что в данном случае используется фотоэлемент, состоящий из диодов, изготовленных из сверхчистого материала. Зато выигрывают португальцы в том, что сразу получают готовую электроэнергию, не совершая лишних операций.
Мощность же моей «розочки» диаметром 1 метр будет колебаться в пределах от 800 до 1 000 Вт. Да и стоимость её изготовления будет несравнимо ниже.
Пока Виталий Степанович не берётся назвать цену своего изобретения. Все зависит от того, какой материал будет использован при изготовлении конусов рефлектора. Сейчас рассматривается три варианта: хромированный алюминий, нержавеющая сталь или специальная пластмасса.
Всё гениальное – просто
Изобретение многоконусного рефлектора было лишь началом огромного творческого труда В.С.Северянина над созданием белорусской гелиостанции.
Следующим и, пожалуй, более сложным этапом научной работы стала разработка надёжного привода, который обеспечил бы гелиостанции постоянное слежение за солнцем.
Решая эту задачу, профессор Северянин пытался сочетать простоту в эксплуатации и минимум электроники с максимумом точности. По его мнению, разработанный им механический привод имеет все эти качества.
Круглую платформу-базу станции будет вращать всего один электродвигатель. За сутки она будет делать один оборот. А стоящая на ней опора с рефлектором при помощи передаточного механизма с каждым оборотом платформы будет поднимать или опускать солнечный приёмник на 365-ую часть высоты. Таким образом, при минимуме механизмов и электронного оборудования многоконусному рефлектору будет обеспечено круглогодичное слежение за Солнцем.
Ещё одна составляющая гелиостанции – хранилище солнечной энергии. Результатом излучения солнца может быть либо электроэнергия, либо теплота нагретой воды.
Так как электричество сохранить гораздо сложнее – аккумуляторов промышленного масштаба пока не создано – Виталий Степанович предлагает хранить горячую воду.
Тут есть несколько вариантов. Нагретую с помощью Солнца воду можно закачать под землю. Из-за невысокой теплопроводности земных пород потеря теплоты будет незначительной, следовательно, вода надолго сохранит температуру.
Другой способ – установить в земле специальные баки-аккумуляторы. Они, по мнению Виталия Степановича, должны быть разделены на секции, чтобы нагнетаемая, а затем расходуемая вода как можно дольше сохраняла полученную теплоту.
Именно этот способ хранения, считает брестский учёный, является наиболее перспективным для внедрения в производство. Он уверен, что если на крыше жилого дома смонтировать одну-две гелиостанции с метровым рефлектором, а под домом установить бак-аккумулятор, то с помощью солнца этот дом можно обеспечить горячим водоснабжением, а затраты на централизованное отопление свести к минимуму.
В.С.Северянин полагает, что после проведения испытаний гелиостанции, ОАО «Брестгазоаппарат» сможет быть налажено серийное производство солнечных установок. В будущем учёный планирует изготовить рефлектор диаметром 10 метров, повысив мощность гелиостанции до 10 кВт. Для этого понадобится слегка доработать существующую конструкцию.
Таким образом, изобретение профессора Северянина должно заинтересовать не только энергетиков, но и специалистов строительной отрасли: применение многоконусных гелиостанций может избавить от необходимости тянуть километровый трубопровод к ближайшей котельной. А это, в свою очередь, позволит избежать огромных потерь теплоты, полученной от сжигания дорогостоящего топлива.
А с 14 июня необходимость разработки и применения гелиостанций подтверждена на высочайшем уровне – Директива №3 Президента Республики Беларусь А.Г.Лукашенко предписывает к 2012 году 25 % электрической и тепловой энергии производить за счёт использования местных видов топлива, вторичных энергетических ресурсов и альтернативных источников энер-гии. К последним солнце как раз и относится.
-
-
-
Солнечная многофункциональная сильноконцентрирующая энергоустановка
Солнечная многофункциональная сильноконцентрирующая энергоустановка работает следующим образом
Общий стеклянный конический концентратор 1 с селективным покрытием 11 и с углом раствора в 90° собирает солнечные лучи с меньшей долей ИК солнечных лучей, выпуская их наружу, вдоль и вокруг своей оптической оси, где расположены первичный концентратор-параболоид 2 и вторичный концентратор-гиперболоид 3, развернутые своими образующими вокруг оптической оси общего стеклянного конического концентратора 1 на 360°. Приемник 6 расположен в вершине первичного концентратора-параболоида 2 и имеет цилиндрическую форму, вытянутую вдоль оптической оси общего стеклянного конического концентратора 1 с селективным покрытием 11, позволяющим выпускать наружу ИК солнечные лучи, снижая нагрев приемника 6.
Форма преобразователя приемника 6 позволяет преобразовывать концентрированную солнечную энергию, в зависимости от вида приемника 6, в электрическую, механическую, электромагнитную и другие виды энергии. В предлагаемом изобретении приемник 6 преобразовывает энергию солнечного излучения в энергию монохроматического лазерного излучения через выходное окно 9. Первичный концентратор-параболоид 2, вторичный концентратор-гиперболоид 3 и приемник 6 закреплены с помощью держателей, соответственно держателя 4, держателя 5 и держателя 7. Радиатор 8 имеет цилиндрические отверстия-дырки 10 с возможностью увеличения поверхности отвода и сброса тепла в окружающее пространство.
-
Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором
-
 |
| Зарядная станция для электромобилей – одно из возможных применений новинки (иллюстрация Monarch Power). |
При разработке этого проекта инженеры вдохновлялись цветком лотоса. Авторы новации утверждают, что «на основе цветка» они выпустят на рынок относительно недорогой комбинированный генератор (электричество плюс тепло).
Компания Monarch Power представила свой новый проект — Monarch Lotus. Его сердце – складной концентратор, представляющий собой 18 «лепестков лотоса».
В разложенном виде этот зеркальный цветок насчитывает в диаметре 4 метра. Площадь собирающей свет поверхности – 11 м2. Степень концентрации лучей – приблизительно три порядка. Площадь солнечных батарей, которые предполагается установить в фокусе этого зеркала, равна 120 см2. Это будет мозаика из ста двадцати сантиметровых ячеек.
 |
| «Монарх лотос» в открытом положении и опорный столб для «цветка». Слева можно заметить фотоэлектрический преобразователь, который должен работать совместно с этим концентратором (фото Monarch Power). |
Авторы системы намерены использовать в ней эффективные серийные СБ (как пример таких батарей можно вспомнить Spectrolab C3MJ+ с КПД 39,2%).
Создатели системы Monarch Lotus рассчитывают, что в реальных условиях, с учётом всех потерь и не самой лучшей погоды, а также применения не самых рекордных фотоячеек, аппарат сможет генерировать 2-3 кВт электрической мощности.
Кроме того, поскольку батареи потребуется интенсивно охлаждать, система будет производить как побочный продукт горячую воду. Расчётная тепловая мощность установки тоже составляет 2-3 кВт.
 |
| 18 лепестков зеркала сгруппированы в 6 слоёв. Между собой лепестки в определённом порядке соединены струнами, так что перемещение шести базовых лепестков вызывает правильное раскрытие всех остальных (иллюстрации Monarch Power). |
Пока компания построила только прототип концентратора и ещё не устанавливала на нём солнечные батареи.
Параллельно американцы ведут экспериментальную работу по созданию собственного альтернативного генератора электричества для «лотоса» – миниатюрной системы «паровой котёл плюс паровая машина». Какой способ преобразования окажется выгоднее, покажет практика.
По мнению Monarch Power, у её проекта есть очевидные преимущества перед аналогами. Концентратор-цветок выполнен из полимеров и алюминия. Он лёгок (вся установка должна весить порядка 100 кг) и транспортабелен.
«Монарх лотос» может складываться при сильном ветре или ливне, поясняет Gizmag. А для перевозки этот «цветок» ещё и спускается вниз по своему алюминиевому столбу. В таком виде установку можно погрузить в крупный пикап.
 |
| Сложенный «лотос» занимает не так уж много места (фото Monarch Power). |
По оценке компании, система Monarch Lotus должна стоить порядка $9 тысяч. Это весьма привлекательные $1,5 за ватт установленной мощности (если считать по максимуму 3 кВт электрической и 3 кВт тепловой энергии).
Авторы солнечного генератора надеются, что он будет востребован в самых разных ситуациях: как индивидуальная электростанция для коттеджа, придорожного кафе, автозаправки или зарядной станции электромобилей, как установка, которую можно взять с собой в путешествие на автокемпере и раскрывать на стоянке, как аварийный генератор, оперативно доставляемый в район стихийных бедствий.
В отдалённых сообществах «лотос» может работать ещё и в роли опреснителя (за счёт энергии своей тепловой части), выдавая до 10 тысяч литров воды в день.
Разумеется, пока это всего лишь проектные характеристики, да и сроков выхода «лотоса» на рынок Monarch Power не называет.
-
Комментарии
Отправить комментарий