Не традиционные источники энергии

     Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в  инфракрасном спектре. Стандартным  решением повышения эффективности  коллектора стало применение абсорбера  из листовой меди из-за её высокой теплопроводности. (можно оспорить такое "распространенное" утверждение, поскольку применение меди против алюминия дает выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение "запаса мощности" по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой) 

     2.3.2Вакуумные коллектора

     Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

     Фактически  солнечная тепловая труба имеет  устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное  покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

     Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах  нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным  светом, жидкость, находящаяся в  нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

     Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры  кипения даже при отрицательной  окружающей температуре. 

     2.3.3Солнечные коллекторы-концентраторы

     Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные  коллекторы концентраторов с помощью  параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких  эксплуатационных температур требуются  устройства слежения за солнцем. 

     2.3.4Применение

     Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

     В Европе в 2000 году общая площадь солнечных  коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

     Солнечные коллекторы — концентраторы могут  производить электроэнергию с помощью  фотоэлектрических элементов или  двигателя Стирлинга.

     Солнечные коллекторы могут использоваться в  установках для опреснения морской  воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды. 

     2.4Солнечные башни

     Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута  советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с  центральным приёмником на башне. В  ней система улавливания солнечных  лучей состояла из поля гелиостатов  — плоских отражателей, управляемых  по двум координатам. Каждый гелиостат  отражает лучи солнца на поверхность  центрального приёмника, который для  устранения влияния взаимного затенения  поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

     Экономические оценки показали целесообразность использования  на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными  параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась  с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для  обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

     В США с 1982 г. было построено несколько  станций башенного типа мощностью  от 10 до 100 МВт. Подробный экономический  анализ систем этого типа показал, что  с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит  примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15. 
 

     2.5Параболоцилиндрические концентраторы

     Параболоцилиндрические  концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

     В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту.

     Параболоцилиндрический  зеркальный концентратор фокусирует солнечное  излучение в линию и может  обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический  элемент. Масло нагревается в  трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку  компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C[3].

     Параболоцилиндрические  зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси  север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель  поступает в тепловой аккумулятор  для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.

     С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость  электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.

     Германская  компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.

     В июне 2006 года в Испании была построена  первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.

     Всемирный банк финансирует строительство  подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

     Концентрация  солнечного излучения позволяет  сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается  его КПД, и требуется некая  система охлаждения. 

     2.6Параболические концентраторы

     Параболические  концентраторы имеют форму спутниковой  тарелки. Параболический отражатель управляется  по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается  таким образом, чтобы область  нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя  Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

     В феврале 2008 года Национальная лаборатория  Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

     В настоящее время строятся установки  с параболическими концентраторами  мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются  бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что  выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния солнечной чистоты. В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %.

     В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах  составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.

     Компания  Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

     Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

     В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах  составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015—2020 г.

     В 2007 году в Алжире началось строительство  гибридных электростанций. В дневное  время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

     На  начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта 

     2.7Использование солнечной энергии в химическом производстве

     Солнечная энергия может применяться в  различных химических процессах. Например:

     Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

     Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

     Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива  на транспорте. 

     2.8Солнечный транспорт

     Основная  статья: Электромобили на солнечных  батареях

     Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться  на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных  автомобилях, самолётах, дирижаблях и  т. д.

     Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового  питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

     В Италии и Японии фотоэлектрические  элементы устанавливают на крыши  ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

     Компания  Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.