PAPEL TÉCNICO #30
UNDERSTANDING SOLAR
CONCENTRATORS
Por
George M.
Kaplan
os Revisores Técnicos
Dr. Thomas E.
Bowman
Dr. Maurice Raiford
JESSE RIBOT
Illustrated Por
Rick Jali
Published Por
VITA
1600 Bulevar de Wilson, Apartamento 500,
Arlington, Virgínia 22209 E.U.A.
Tel: 703/276-1800 * Fac-símile:
703/243-1865
Internet: pr-info@vita.org
Understanding Concentrators Solar
ISBN: 0-86619-239-5
[C] 1985, Voluntários em Ajuda Técnica,
PREFACE
Este papel é um de uma série publicada por Voluntários dentro Técnico
Ajuda para prover uma introdução a estado-de-o-arte específica
tecnologias de interesse para pessoas em países em desenvolvimento.
É pretendida que os documentos são usados como diretrizes para ajudar
pessoas escolhem tecnologias que são satisfatório às situações deles/delas.
Não é pretendida que eles provêem construção ou implementação
são urgidas para as Pessoas de details. que contatem VITA ou uma organização semelhante
para informação adicional e ajuda técnica se eles
achado que uma tecnologia particular parece satisfazer as necessidades deles/delas.
Foram escritos os documentos na série, foram revisados, e foram ilustrados
quase completamente por VITA Volunteer os peritos técnicos em um puramente
basis. voluntário Uns 500 voluntários eram envolvidos na produção
dos primeiros 100 títulos emitidos, enquanto contribuindo aproximadamente
5,000 horas do time. deles/delas o pessoal de VITA incluiu Maria Giannuzzi
como editor, Suzanne Brooks que controla typesetting e plano, e
Margaret Crouch como gerente de projeto.
O autor deste papel, VITA George M Voluntário. Kaplan, é o
presidente de Sócios de KAPL, uma empresa consultora que especializa dentro,
programa e administração de projeto, pesquisa e desenvolvimento, planejando,
avaliação, energia, e ambiente.
que Os revisores também são
VITA volunteers. Dr. Thomas E. Bowman é o Professor e Cabeça de
o Departamento de Engenharia Mecânico no Instituto de Flórida de
Tecnologia em Melbourne, Flórida. Dr. Maurice Raiford é um solar
consultor de energia em Greensboro, Carolina do Norte.
Jesse Ribot é
analista de energia e consultor, e ajudou na preparação
do VITA/USAID Djibouti Avaliação de Energia Nacional.
VITA é uma organização privada, sem lucro que apóia as pessoas
trabalhando em problemas técnicos em países em desenvolvimento.
ofertas de VITA
informação e ajuda apontaram a ajudar os indivíduos e
grupos para selecionar e tecnologias de instrumento destinam o deles/delas
situations. VITA mantém um Serviço de Investigação internacional, um
centro de documentação especializado, e uma lista computadorizada de
voluntário os consultores técnicos; administra projetos de campo a longo prazo;
e publica uma variedade de manuais técnicos e documentos.
UNDERSTANDING CONCENTRATORS SOLAR
por VITA George M Voluntário.
Kaplan
INTRODUÇÃO DE I.
Embora pesquisa de energia solar, desenvolvimento, e experiências de sistemas
foi administrada nos recentes 1800s e cedo 1900s, era
o aumento acentuado no preço de óleo em 1974 precipitadas por
o embargo de óleo Meio-oriental o ano prévio que escalou
investimento nacional e internacional em energia solar.
No
Os Estados Unidos e outros países industriais, o tecnológico
ferramentas e avanços produziram durante Segunda Guerra Mundial, o de após-guerra
reconstruindo e prosperidade, o poder nuclear norte-americano e espaço
programas, e outras realizações tecnológicas foram aplicadas
pesquisa de energia solar e desenvolvimento.
O resultado era aquela pesquisa,
que tinha sido limitada a tinkerers de quintal e pequeno
companhias especializadas, seja esparramada para universidades, laboratórios nacionais,
e industry. que O orçamento solar federal subiu de menos
que $1 milhões em cedo anos setenta para mais de $1 bilhões no cedo
Anos oitenta; o orçamento é agora aproximadamente $200 milhões, com aproximadamente $50,
milhões para tecnologia térmica solar.
Tecnologia térmica solar está principalmente relacionada à utilização
de energia solar convertendo isto para aquecer.
o concentrando
tipo de coletor solar, energia solar é colecionada e
concentrada de forma que temperaturas mais altas pode ser obtida; o
limite é a temperatura de superfície do sol.
However, construção,
materiais impõem um mais baixo, mais prático limite para temperatura
capability. Similarly, eficiência global de coleção de energia,
concentração, e retenção, como relaciona a energia valida,
impõe um limite prático em capacidade de temperatura.
Se energia solar fosse muito altamente concentrada em um volume minúsculo,
o resultado chegaria um sol de miniatura.
Se a mesma energia
foi distribuída ao longo de uma linha magra, a linha seria mais fresco que
o sol de miniatura, mas ainda quente.
Se distribuiu em um grande
se apareça, a superfície estaria menos quente que a linha.
There são
concentrators solar que focaliza luz solar em um ponto ou uma linha.
Lá também está non-focalizando concentrators.
que Cada tipo preferiu
aplicações temperatura-dependentes.
A quantia de energia por área de unidade que pode ser colecionada anualmente
por um concentrator depende do posicionamento do concentrator
relativo ao sun. executam Alguns tipos de coletores adequadamente
(valha efetivamente) se partiu em uma posição fixa.
Estes coletores
geralmente limitou capacidade de temperatura, e provê pequeno
ou nenhuma concentração da luz solar incidente.
a Maioria do concentrators
colecione tão pouca energia em uma posição fixa que eles devem
seja provida com a capacidade a rasto de diário o sol de
manhã (leste) para pôr-do-sol (oeste) ser custo-efetivo.
Algum concentrators
só pode ser valida efetivo localizando ambos o sol
diariamente caminho e a inclinação anual do sol (quais causas o sol
parecer se mudar para declinação antes das 47 [graus] durante o ano) . Thus,
concentrators podem estar non-localizando, único-eixo que localiza (o qual
leste de rastos para oeste), ou dois-eixo que localiza (que localiza ambos
leste para oeste e norte para sul).
Dois-eixo localizando provê o
máximo coleção de energia solar mas não é valida efetivo para
a maioria das aplicações ou desígnios de coletor.
O programa de pesquisa de energia solar nacional norte-americano conduziu o mundo
ambos em investimento e amplitude de programa.
Porque o potencial
Mercado norte-americano é grande, o programa nacional norte-americano foi apontado ao
mercado doméstico e especificamente não era planejado para exportação.
Assim, a experiência norte-americana é principalmente aplicável para o EUA e
possa não ser pertinente a outros países sem modificação.
Para aplicações norte-americanas, por exemplo, são concentrators de espelho-tipo
mais custo efetivo que concentrators de lente-tipo para pequeno, intermedeie,
e sistemas grandes para geração de calor e uso.
Localizando
sistemas se aparecem muito efetivos para aplicações de alto-temperatura.
Porém, a efetividade no EUA pode ser devido a
tecnologia sofisticada, disponibilidade de manutenção qualificada,
pessoal e peças sobressalente, uma infra-estrutura apoiando excelente,
em lugar de uma vantagem inerente de espelhos ou localizando
systems. Em um ambiente menos industrializado, concentrators de lente
possa provar mais apropriado.
Embora o coletor " de condição " e " concentrator " são interchangeably usado
neste papel, as condições são distintivas.
coletor
possa não concentrar radiação solar, enquanto concentrators são
collectors. considerado que Nenhuma distinção será feita neste papel
a menos que necessário.
HISTÓRIA DE CONCENTRATORS SOLAR
O conceito de concentrar raios solares para aquecer uma área designada tem
conhecido por pelo menos 4,000 anos.
No período de tablete de barro
de Mesopotamia, recipientes de ouro polidos foram usados supostamente para
acenda altar que é dita que fires. Archimedes tem salvado Syracuse
de invasão queimando a frota romana com concentrado solar
raios refletiram de metal polido.
Experiências para verificar a história de Archimedes foram executadas dentro
o décimo sétimo século com pratos de metal polidos.
Copo lentes
foi usada para fundir ferro, cobre, mercúrio, e outros materiais primeiro
dos minérios deles/delas no décimo sétimo século.
O décimo oitavo
século trouxe fornos solares e fornos solares.
Advancing tech-em
o décimo nono século produziu máquinas a vapor e quente
máquinas de ar operaram com energia solar.
Numerosas máquinas solares
e foram construídos fornos solares cedo no vigésimo século.
Experimentação continuou nos anos trinta antes de se adoecer
como se tornaram combustíveis de fóssil baratos, particularmente gás natural,
extensamente disponível.
O programa de energia solar norte-americano foi iniciado em 1970 como parte de
a Pesquisa Aplicou a Necessidades Nacionais (RANN) programa do EUA
Fundação de Ciência nacional.
como o que Este programa se expandiu enormemente
um resultado do embargo de óleo de 1974 e o preço sobe de óleo e
outro fuels. fóssil Como as metas de programa mudadas de pesquisa
e desenvolvimento e depois para comercialização, responsabilidade de programa
trocada para outras agências federais.
que O programa é agora
parte do Departamento norte-americano de Energia; o foco é novamente aceso
alto-custo a longo prazo, pesquisa de alto risco e desenvolvimento improvavelmente
ser empreendida através de indústria; responsabilidade para comercialização
foi trocada atrás a indústria.
NECESSIDADES SERVIDAS PELA TECNOLOGIA
Concentrators solar provêem densidade de energia alta radiação solar
para um receptor designado, elevando a temperatura do objetivo assim.
Dependendo do grau de concentração, as propriedades ópticas,
(absorção solar e radiação) da superfície designada, e o
objetivo está esfriando taxa, o seguinte pode acontecer:
o o objetivo derreterá (concentração alta);
o o objetivo alcançará uma temperatura de equilíbrio com
esfriando natural (concentração modesta); ou
o o objetivo alcançará uma temperatura de equilíbrio com um
forçou (circulando) coolant (concentração de intermediário).
O primeiro exemplo é isso de um forno solar.
que O segundo pode ser
considerada um fogão solar ou forno solar.
No terceiro exemplo,
o coolant aquecido é diretamente usado como, por exemplo, água quente ou
cozinhe em vapor em casa ou aplicações industriais, ou indiretamente, como um
vapor (vapor) gerar eletricidade.
No caso de eletricidade
produção, dispositivos de conversão de energia comuns provêem um intermediário
passo--rotação de cabo--entre o fluido aquecido e conversão
para eletricidade.
Se o objetivo da luz solar concentrada é um photovoltaic
cela, ou uma ordem de celas, eletricidade será produzida diretamente.
O grau de concentração solar, eficiência de conversão de cela,
o desígnio da assembléia de cela, e a cela testamento material
determine se circulação natural ou circulação forçada esfriar é
necessário para operação eficiente da cela.
Currently, o
área de cost/unit de um concentrator é menos que a cela de cost/unit
area. como resultado, são usados concentrators para reduzir área de cela.
Se a área de cela deveria ficar menos cara que o concentrator
área, não seriam utilizados concentrators.
Este papel se trata principalmente de concentrators para aplicações térmicas
em lugar de para aplicações com celas de photovoltaic.
É colocada ênfase em aplicações em países menos desenvolvidos.
II. PRINCÍPIOS OPERACIONAIS
LUZ SOLAR
Antes de discutir concentrators, alguns palavras sobre o sol são dentro
order. Além da atmosfera da terra a intensidade de luz solar
é aproximadamente 1,350 watts por metro quadrado (429 unidades térmicas britânicas
[Btu] por hora por pé quadrado).
Passagem de pela atmosfera
esvazia a intensidade devido a absorção pelos gases vários e
vapores no ar e se espalhando destes gases e vapores
e de partículas de pó e gelo também no ar.
Thus, luz solar,
chegando à terra é uma mistura de dirija (unscattered) e
difunda (se espalhou) radiação.
A nível de mar a intensidade é
reduzida a aproximadamente 1,000 metro de watts/square (295 Btu/hour /
pé quadrado) em um dia claro luminoso.
A intensidade está mais adiante reduzida
em dias nublados.
A maioria do concentrators só utiliza radiação direta.
Este concentrators
trabalhe bem em dias claros luminosos, pobremente em dias nebulosos, e
não em dias cinzas pardos quando a intensidade de luz solar é
reduzida e a luz consiste principalmente em radiação difusa.
Outro limitando fator é que o sol não é um ponto mas tem um
diâmetro equivalente para sobre um-meio grau de arco.
CONCENTRATOR
desígnio tem que considerar este arco.
TIPOS GENÉRICOS E USO
Embora a discussão como a que segue transações com concentrators
entidades, concentrators são só uma porção de uma coleção de energia
system. para ser útil os raios concentrados devem ser dirigidos
a um objetivo chamado um receptor no qual converte os raios
outra forma de energia, calor.
que O concentrator e receptor devem
seja emparelhada para desempenho ótimo.
Frequently, o receptor é
esperou dar calor a um fluido para que o calor seja
utilizada ou dissipated. Quando o propósito principal do concentrator
é obter calor efetivamente, então a combinação de concentrator,
e o receptor deve ser projetado para reduzir perdido cuidadosamente
perda de energia do concentrator ou receptor.
Há muitos modos para caracterizar concentrators.
que Estes incluem:
o Means de concentração--reflexão ou refração
o Point, enfileire, ou non-focalizando
o Fixed ou localizando concentrator
o Fixed ou localizando o receptor
Meios de Concentração
Concentração de luz é alcançada com espelhos (reflexão) ou
com lente transparente (refração).
Máquinas fotográficas de e telescópios pequenos
use lentes; telescópios grandes usam espelhos.
que UM espelho reflete
luz entrante de forma que o ângulo do raio refletido é igual para
o ângulo do raio incidente (Figura 1).
Esta relação também
25p05a.gif (486x486)
cabos quando o espelho é inclinado (Figura 2).
UM único espelho plano
25p05b.gif (486x486)
não concentre mas concentração pode ser obtida sobrepondo
as reflexões de muitos espelhos.
Alternately, concentração,
pode ser alcançada dobrando o espelho em um predeterminado
forma e confiando nas propriedades ópticas do resultar
superfície encurvada.
A lente confia em dobrar (refratando) luz entrante para para
converja a um foco comum (Figura 3).
Como o tamanho da lente
25p06a.gif (353x353)
aumentos, espessura de lente também aumenta.
UMA lente de Fresnel (Figura 4)
25p06b.gif (393x393)
mantém as características ópticas da lente standard por
retendo o mesmo piecewise de curvatura.
Isto permite um significante
redução nas densidades e peso da lente com só
uma penalidade de desempenho modesta.
Cada método de concentração tem desvantagens.
que O espelho requer
uma superfície refletindo lisa limpa: limpe desde partículas de pó
possa se espalhar luz longe do receptor ou a luz possa ser
em parte absorvida por um filme sujo magro; liso porque contorno
erro também pode resultar sentindo falta do receptor.
O refletindo
material pode ser colocado na superfície do espelho (primeiro superfície,
Figure 5), ou atrás de uma superfície transparente (segunda superfície,
25p07a.gif (393x393)
Figure 6) Prata de . é o material de refletor preferido com
25p07b.gif (393x393)
alumínio Prata de second. é muito suscetível a degradação por
umidade e contaminantes no ar.
camadas protetoras Disponíveis
não provou efetivo para prata em primeira aplicação de superfície.
Alumínio é mais durável mas menos refletivo.
Espelhos de segundo-superfície têm alguma perda de energia devido a absorção de
ilumine pela superfície transparente, normalmente copo ou plástico, como
a luz é incidente e como é refletido pelo material.
Copo de baixo-ferro é preferido em cima de copo de alto-ferro porque
de absorção reduzida de luz.
Se plástico for usado, deve ser
estabilizada contra degradação pela luz ultravioleta do
sol.
Por causa das maiores densidades da lente, o grau de
absorção de energia é mais alta que isso da segunda superfície
mirror. A lente de Fresnel que pode ser feita muito mais magro que um
lente standard, tem menos perda de energia devido a absorção de energia que
a lente standard.
A superfície de lente também deve estar limpa e tem que alisar para o mesmo
razões como para o mirror. é aumentado Fresnel lente desempenho
quando a porção vertical tem pequeno ou nenhum erro de declive.
Plásticos de
pode ser formada para produzir lente de Fresnel de qualidade mais alta e menos
custo que com glass. However, lentes de plástico tendem a deteriorar
debaixo de luz ultravioleta e deve ser estabilizada.
Aponte, Enfileire, ou Non-focalizando
Um critério para seleção de um concentrator específico é o
grau de concentração e conseqüentemente temperatura que é ser
achieved. Como uma regra, concentrando energia sobre um ponto produz
alto a temperatura muito alta; e sobre uma linha, modere para alto
temperature. Non-focusing concentrators produzem para moderar baixo
temperatura.
Point. O refletor de prato parabólico (Figura 7) utiliza o
25p08.gif (393x393)
propriedades ópticas da superfície curvada parabólica para concentrar
luz direta para o foco.
que A geometria de prato é
ser familiar usado para faróis automóvel, holofotes,
radar, e receber transmissões de satélites de radiodifusão.
Padrão circular e lentes de Fresnel também são concentrators de foco de ponto.
A lente de Fresnel foi utilizada junto com
celas de photovoltaic em várias instalações de teste no Unido
Estados e no estrangeiro.
Podem ser consideradas as imagens sobrepondo de muitos espelhos de apartamento
o equivalente de ponto focalizar.
A forma focal não é um ponto
mas bastante a imagem finita do sol mais adiante alargada pelo
características do material de refletor e erros vários em
fabrique e na precisão de imagem sobreponha.
Figure 8
25p09a.gif (393x393)
ilustra o conceito de receptor central em que heliostats (apartamento
ou espelhos ligeiramente encurvados montaram em localizar dispositivos) redirecione
os raios do sol para um receptor sobre uma torre.
UNS 10-MEGAWATT
planta geradora elétrica que emprega este princípio foi
prosperamente operada na Califórnia desde 1982.
Line. O cocho parabólico (Figura 9) é um exemplo de foco de linha
25p09b.gif (393x393)
optics. A radiação direta incidente é refletida do
cocho para a linha focal o comprimento do cocho.
para maximizar
coleção de energia o cocho é projetado para localizar o sun. O
cocho pode ser orientado com a linha focal leste-oeste corrente,
norte-sul, ou norte-sul com toldo simultâneo para o sol
(monte polar).
Cada orientação tem suas próprias características de coleção sazonais e anuais.
Ninguém orientação é preferida universalmente (i.e.,
é mais custo-efetivo).
Podem ser fabricadas o padrão e lentes de Fresnel em forma linear
(Figura 10) com a mesma seção atravessada como a lente circular mas
25p10.gif (534x534)
produzindo uma linha focal agora em vez de um foco.
Plástico de
lentes de Fresnel lineares de qualidade boa podem ser produzidas facilmente por
extrusão.
O hemispherical fazem rolar (Figura 11) é outro exemplo de linear
25p11a.gif (540x540)
óticas focais. Ao contrário o cocho ou lente, dois-eixo localizar é
mandatory. A tigela de hemispherical sempre é fixa, e o receptor
faz o tracking. que A linha focal cai no linha conectar
o centro da esfera com o sol.
que A linha focal é
restringida o mais baixo a metade do rádio pelas propriedades ópticas
do bowl. Porque alguns raios alcançam a linha focal com
só uma reflexão e outros requerem reflexões múltiplas, o
intensidade não é uniforme ao longo do comprimento da linha focal.
Figure 12 espetáculos um 65-pé (19.7-metro) diâmetro tigela experimental
25p11b.gif (600x600)
isso operou prosperamente por muitos anos no Texas.
Anuário de
coleção de energia é mais baixo que para outras óticas de coletor e
lá parece não ser nenhuma vantagem compensando, a não ser que é
muito mais fácil para um receptor pequeno localizar a imagem do sol que isto
é para um maior e muito concentrator mais pesado.
Non-focalizando. O cocho de hemispherical (Figura 13) e o apartamento
25p12a.gif (393x486)
chapeie o coletor com espelhos de propugnador é exemplos de concentrators
isso é non-focusing. Non-focusing que concentrators não fazem
focalize luz solar em uma forma geométrica específica, mas reflita
luz solar sobre um receptor, aumentando o total assim de
luz solar received. A categoria de non-focalizar concentrators
também inclui concentrators no qual o foco é de qualidade pobre.
O coletor cilíndrico (Figura 14), uma variação do
25p12b.gif (437x437)
cocho de hemispherical, é de interesse porque o cilindro inteiro
pode ser fabricada com plástico barato, inflável.
Um método simples de alcançar um aumento modesto em concentração
em uma área grande é usar espelhos de propugnador junto com um
coletor de prato plano (Figura 15).
Antes do meio-dia a face de espelhos
25p13a.gif (437x540)
leste; depois do meio-dia eles enfrentam oeste.
A vantagem de coleção de energia
de propugnador para um coletor de prato plano é mostrada em Figura 16.
25p13b.gif (437x437)
Fixada ou Localizando Concentrators
Coleção de energia de máximo em uma base diária ou anual requer
localizando do sol (ou a imagem refletida do sol) desde concentrators,
particularmente esse capaz de concentração alta, utilize
só radiation. Thus direto um prato parabólico, quando pontudo
ao sol, refletiu raios que atravessam o foco. Como o
movimentos de sol, alguns dos raios refletidos perderão o foco e, em
tempo, tudo perderão o foco.
O prato deve ser movido para manter
os raios refletidos ao foco.
O receptor central,
prato parabólico, cocho parabólico, lente standard, e lente de Fresnel
é exemplos de localizar sistemas de concentrator.
O hemispherical fazem rolar igualmente tem que localizar o sol continuamente.
Tigelas grandes também são unwieldly para mover.
Thus, o receptor é
movida continuamente ao invés. Localiza a linha focal do
esfera (a imagem refletida do sol) ao longo do dia.
Como o hemispherical faça rolar, o Russell concentrator é fixo
e o receptor tem que localizar a imagem do sol (Figura 17) . Isto
25p14.gif (393x486)
concentrator consiste em espelhos estreitos longos cujos centram tudo
caia no perímetro de um círculo.
que Os espelhos são orientados assim
que tudo refletiram que imagens focalizam em um ponto no mesmo perímetro.
Como os movimentos de sol que o foco remove o perímetro.
O Winston o coletor normalmente é considerado um concentrator non-localizando.
Sua coleção de energia pode ser aumentada localizando. Como
coletor de cocho-tipo (Figura 18), consiste de um parabólico
25p15.gif (486x486)
superfície cujo eixo está horizontal e de quem foco é íntimo
para a superfície. O coletor freqüentemente é achado como um paraboloid
em forma mas também pode estar em forma de cocho.
que O coletor aceita
dirija e radiação difusa.
O ângulo de aceitação (ângulo
de aceitação de luz solar) depende da altura da parábola.
O mais curto a altura, o maior o ângulo de aceitação e o
período de operação diária, mas o menos a concentração e
capacidade de temperatura de máximo.
Coletor de The foi utilizado
como um coletor fixo altamente efetivo que alcança mais alto
temperatura que coletor de prato plano típico.
Fixada ou Localizando os Receptores
O receptor central e cocho parabólico fixaram os receptores,
devido às características ópticas dos sistemas.
O parabólico
receptor de prato normalmente é posicionado ao foco para mover
com o prato como o prato localiza o sol.
Neither a tigela nem
o Russell rasto de coletor o sol, conseqüentemente os receptores deles/delas devem
localize o image. do sol O Winston o coletor, o cilíndrico
coletor, e o coletor de prato plano com espelhos de propugnador é
normalmente utilizada em posição fixa e com receivers. fixo O
prato plano é, claro que, o coletor e o receptor.
Outro Concentrators Fixo
Há muitos concentrators engenhoso que trabalham bastante bem e
pode ser valida efetivo em algumas aplicações.
O coletor de cusp
(Figura 19), de quem geometria de superfície é o locus da posição
25p16a.gif (486x486)
do fim de um fio como é desembrulhado de um tubo pode prover
uma concentração modesta satisfatório para água quente.
coletor cônico
(Figura 20) pode ser substituída para o Winston paraboloid,
25p16b.gif (540x540)
simplicidade ganhando de fabrique com alguma penalidade de desempenho.
Semelhantemente, refletores planos podem substituir para os lados parabólicos
do Winston o coletor de cocho.
Mesa 1 resume as características e usos de potencial do
concentrators descreveram acima.
Mesa 1. Classificação de Concentrators
O Tracking de Type Sol Capacidade de de
Digite Lente de of de of ou o Concen- Tracking Receptor Temperatura de Typical
Concentrator Focus Espelho tration de (yes/no) (yes/no) ([graus] C) ([graus] F) Applications Comentários
point parabólico refletem > 1000 yes de sim >2638 electricity de >3000 aplicações Em pequena escala
sirva calor de para dois-eixo de
Point de Central refletem > 1000 yes de nenhum >2638 electricity de >3000 Amplas aplicações
receptor dois-eixo de heat de
Lens apontam lens de > 1000 sim sim >2638 que electricity de >3000 Utilizaram com celas de photovoltaic
(redondo) dois-eixo de calor de
Line de Parabolic refletem 100 yes de nenhum 538 podem ser usados 1000 electricty para ambos pequeno e
cocho um-eixo de heat de sistemas grandes
Espelho fixado line refletem 100 no de sim podem ser usados 538 1000 electricity para ambos pequeno e
foco comovente um-eixo de aquecem sistemas grandes; não econômico em
experiência norte-americana
Line de Lens refletem 100 yes de sim 538 1000 electricity Pouca experiência norte-americana
(linear) um-eixo de calor de
Line de Sphere refletem 80 no de sim 538 1000 electricity Desajeitado em tamanho grande
Dois-eixo de
Line de Cylinder refletem 2 no de nenhum 121 250 heat
Line de Cusp refletem 1.5-2.5 nenhum nenhum 121 250 aquecem
Line de Winston refletem 3 - 6 no de nenhum 121 como os que 250 Concentração de heat diminui
acceptance pescam aumentos
Prato plano
com area de booster refletem > 1 no de nenhum 121 250 heat
Booster de e <2
EFICIÊNCIA DE COLEÇÃO DE ENERGIA ANUAL
Coletores que mantêm as superfícies deles/delas enfrentando o sol (direito
pesque para a maioria dos coletores) tenha a coleção anual mais alta
efficiency. O prato parabólico e outro dois-eixo que localiza os coletores
é examples. O receptor central, embora um dois-eixo
sistema localizando, não dirija os refletores de heliostat para enfrentar
o sol mas bastante mantém um ângulo ao sol de forma que o
imagem é refletida ao receptor.
Como esperada, sua coleção
eficiência é mais baixa que o prato.
O cocho parabólico é um
único-eixo que localiza sistema; assim, a superfície só é ocasionalmente
a um ângulo certo para o sol e tem uma mais baixa coleção anual
eficiência que o receptor central.
Coletores fixos com localizar os receptores como a tigela e
Russell o coletor tem abaixa coleção até mesmo efficiency. O
menos eficiência é exibida por Winston e outros coletores fixos
e receptores.
A eficiência anual teórica do três diretor concentrar
coletores utilizados nos Estados Unidos têm 80 por cento anos
para o prato, 60 por cento para o receptor central, e 43 por cento
para o cocho parabólico em uma base anual.
Coletor eficiência
é determinado para o período que estende desde o princípio
de localizar quando o sol escala a 15 graus sobre o horizonte
até localizar paradas quando o sol recusa debaixo de 15 graus a
o fim do day. A eficiência depende em dirija radiação solar
e óticas de sistema.
Eficiência atual depende de espelho ou precisão de superfície de lente,
pó de superfície e filma, absorção de energia por lente ou mirror, o
propriedades do refletir, material, apontando precisão, efeitos,
de variações de temperatura nestes fatores, tempo--incluindo
nuvens, pó e neblina, e assim por diante.
A eficiência é adicional
reduzida por desempenho de receptor e desígnio de subsistema de receptor,
inclusive cuidado dado a redução de perda de calor através de condução,
transmissão, e radiação.
III. DESIGN VARIAÇÕES E EXPERIÊNCIA
PRATOS PARABÓLICOS
Um recente papel no prato parabólico preparado pelo jato-propulsão
Laboratório (*) descreve nove desígnios patrocinados pelo EUA
(*) V.C. Truscello, " Estado do Prato Parabólico Concentrator,
Procedimentos da Energia Pesquisam e Conferência de Agência de Desenvolvimento
em Concentrar os Coletores Solares, Instituto de Geórgia de Tecnologia,
26-28 de setembro de 1977 (Washington, D.
C. : U. S.
Departamento
de Energia, não datado, aproximadamente 1982-1983).
Departamento de Energia, oito desígnios norte-americanos reservadamente-fundados, e
10 pratos desenvolvidos por outros países.
Embora nenhum dois prato
é idêntico, eles entram em quatro categorias:
1.
refletor Rígido.
para o que A superfície refletiva é prendida
um structure. curvado rígido Este é o padrão (radar
digitam) estrutura (Figura 21).
25p20a.gif (437x437)
2.
Pressure-stabilized membrana.
que A superfície refletiva é
prendeu a um membrane, flexível que leva a forma
de uma estrutura de apoio rígida, curvada por criação de um
limpam com aspirador de pó entre a membrana e structure. A intenção
reduzirão valida reduzindo peso de materiais de
Construção de (Figura 22).
25p20b.gif (486x486)
3.
lente de Fresnel ou espelho de Fresnel.
para cima o que A lente é construída
de vários parts; concêntrico estreito o espelho é
uma série de surfaces. refletivo concêntrico A intenção
reduzirão valida simplificando a curvatura combinação
do paraboloid (Figura 23).
4.
refletor Secundário.
UM segundo espelho que pode ser
hiperbólico (*) (cassegrain) ou elíptico (* *) (gregorian),
reflete os raios do refletor parabólico para um
Receptor de atrás da parábola.
A intenção é eliminar
o receptor pesado demandas estruturais no
servem e também prover acesso fácil ao receptor
para manutenção (Figura 24).
O refletor rígido foi o mais popular desde que se assemelhar a
radar atual technology. que O Shenandoah projetam, um Departamento norte-americano,
de projeto de demonstração de Energia desdobrou perto de Atlanta, Geórgia,
114 pratos de 7-metro-diâmetro cobriram com um filme refletivo
produzir 399 [graus] C (750 [graus] F) vapor.
O vapor foi usado para gerar
400 quilowatts de eletricidade e vapor de processo a 9.70 quilogramas
por centimeter quadrado (138 libras por polegada quadrada medida [psig])
para uma fábrica de roupa de malha adjacente.
Depois de alguns problemas de inicial,
o sistema é agora satisfatoriamente operacional.
O projeto é um
esforço em comum do Departamento norte-americano de Energia, o poder local,
companhia, e a fábrica de tricotar-uso.
Sua meta era demonstrar
a viabilidade de coletores de rígido-refletor, não ser um comercial,
protótipo.
(*) Uma curva formada pela seção de um corte de cone
em um avião com o que faz um maior ângulo
a base que o lado do cone faz.
(* *) Oval-amoldou.
25p19.gif (393x393)
RECEPTORES CENTRAIS
O melhor exemplo norte-americano de um receptor central é Solar, uma junta,
projeto do Departamento norte-americano de Energia e dois Califórnia Sulista
utilities. que Esta 10-megawatt planta de piloto elétrica utiliza
1,818 heliostats (ou refletores), cada com 41.8 metros quadrados
(450 pés quadrados) de espelhos de copo de segundo-superfície.
O heliostats
cerque uma torre na qual o receptor fica situado.
a Maioria do
heliostats ficam situados sul da torre.
que A planta excedeu
suas especificações e está operando muito prosperamente.
O desígnio
estava baseado em uma 100-megawatt planta e então reduziu a 10 megawatts.
Um aperfeiçoou 10-megawatt planta teria provável um diferente
configuração de campo de heliostat.
Uma 100-megawatt versão (Solar 100) com tecnologia semelhante é
sendo considerada pelas utilidades, investimento de governo pretensioso,
créditos são provided. Sem estes incentivos financeiros, o
planta não seria econômica nos Estados Unidos devido a cair
lubrifique prices. However, tal uma planta pode ser econômica dentro outro
países com custos de energia altos.
Heliostats evoluíram por uma série de desígnios que reduziram
o peso inicial de mais de 97.6 metro de kilograms/square (20
pounds/square caminham) para aproximadamente 39 metro de kilograms/square (8 pounds/square
pé). Foram construídos mais de 20 desígnios de heliostat e
tested. que A preferência atual é para um copo de segundo-superfície
reflita em um apoio de copo. O Departamento norte-americano de Energia é Solar
Instituto de Pesquisa de energia está desenvolvendo um refletor de peso leve
(plastic/silver/plastic) que promete reduzir drasticamente
o custo de heliostats. Quando desenvolveu, o material pode ser de
interesse para uso em países menos-industrializados.
Tamanho de Heliostat é governado por rigidez e exigências de carga de vento.
Devido aos elementos de custo presentes de heliostats (que são
influenciou pelo fato que todo heliostat precisa seu próprio localizar
sistema), nos Estados Unidos, desígnios de sistemas favorecem grande
heliostats. que A distribuição de elementos de custo pode variar dentro outro
countries. Enquanto é provável que só receptores centrais maiores sejam
econômico nos Estados Unidos, alguns países em desenvolvimento avançados
possa poder utilizar a Uma tecnologia Solar menor
economicamente.
LENTES
Lentes circulares, se padrão ou Fresnel, tenda ser limitada
em tamanho, muito como o prato parabólico.
Tamanho de também está limitado por
capacidades de fabricação atuais.
lentes de copo Pequenas para máquinas fotográficas
e refletores estão disponíveis, como é plástico maior lenses. Mas
um 7-metro lente de diâmetro (um tamanho comparável ao Shenandoah
prato) não está certamente ou extensamente disponível em copo ou plástico.
Em tamanhos grandes, uma lente de copo seria muito pesada; plástico de ,
provavelmente em um desígnio de Fresnel, é provável ser o único prático
lente, se available. que lentes de Fresnel Lineares podem oferecer para a vantagem
de fabricable de ser em larguras pequenas e grandes e comprimentos.
COCHOS PARABÓLICOS
Um número significante de cochos parabólicos foi projetado,
construída, e testou, principalmente com fundos privados.
que Muitos tipos são
disponível nos Cochos de market. difira dentro o refletivo deles/delas
materiais, materiais estruturais, conceitos de receptor, etc. O
temperatura atingível alcança aproximadamente 540 [graus] C (1000 [graus] F) . Os desígnios
varie com aplicação de temperatura planejada, desde erro de superfície,
erro localizando, e perdas de receptor assumem importância considerável
para um desígnio de temperatura alto.
Cochos foram utilizados por muitos projetos de demonstração federais
prover calor de processo para aplicações industriais e prover
vapor para máquinas pequenas satisfatórias (por exemplo, dispositivos de bomba de irrigação).
Todos os desígnios tiveram problemas iniciais, normalmente com materiais e nonsolar,
hardware. Depois de conserto ou modificação, operação estava segura
e successful. Muitos federalmente-fundaram projetos tendidos
seja fechada quando eles terminaram e raramente reiniciaram por causa de falta
de interesse contínuo pelo usuário.
Uma fonte excelente de informação
em fabricantes de cocho privados é as Indústrias de Energia Solares
Associação (SEIA) em Washington, D.C.
Cochos podem ser atraentes por causa da simplicidade relativa deles/delas.
Porque a curvatura de superfície deles/delas é singular, não componha como para
pratos, são fabricados cochos mais facilmente.
UMA segundo-superfície
plástico refletivo com apoio de adesivo pode ser colocado facilmente em
o substrate. curvado UM tubo simples ou tubo servirá adequadamente
como o receptor embora técnicas simples várias, como um
jaqueta de vazio de copo ao redor do tubo de receptor, aumentará desempenho.
Único-eixo localizar é menos complexo que dois-eixo
localizando.
IV. TÓPICOS ESPECIAIS
RECEPTORES
A luz solar concentrada deve ser convertida a uma forma útil de
energia, normalmente heat. Se desejou, calor pode ser convertido a eletricidade
por meio de uma máquina e gerador.
que O receptor deve
seja projetada para minimizar perda de calor.
Heat pelo que perda acontece
radiação para um objeto mais fresco; por correntes de transmissão criadas
aquecendo ar em contato com a superfície de receptor quente; e
por condução das partes quentes do receptor para mais frio
partes e para sócios estruturais fixos e isolamento.
Aqueça retenção pelo receptor é aumentada cobrindo o receptor
com uma camada seletiva que absorverá virtualmente tudo
a radiação concentrada mas vai reradiate comparativamente
pequeno energy. Furthermore, desde que a energia total radiou
depende diretamente da área radiando, a área de superfície de receptor,
deva ser Transmissão de minimized. pode ser reduzida prevenindo o
formação de correntes de ar que removem ar aquecida pelo receptor
e provê o receptor com ar mais frio para perda de calor continuada.
Uma janela transparente (copo ou plástico que dependem de temperatura)
possa reduzir correntes de ar.
A janela introduz outra perda de calor e efeitos de ganho de calor.
Um pouco de energia será refletida da superfície dianteira e parte traseira
superfície da janela e nunca localiza o receptor.
Additional
energia será absorvida pela janela e não será localizada o receptor.
A superfície interna da janela pode ser coberta com um espelho de calor
como óxido de lata que reduz a perda de radiação refletindo
energia radiada atrás para o receptor.
Etching da superfície exterior
de uma janela de copo a reflexão reduz da superfície.
Isolamento serve reduzir transmissão e perdas de radiação de
partes do receptor fora do caminho da radiação entrante.
Perda de condução está reduzida diminuindo o corte transversal de
estruturas em contato direto com o receptor, e usando pobre
aqueça os condutores para estas estruturas onde possível.
Creating um
limpe com aspirador de pó entre a janela e o receptor reduza mais adiante
transmissão e perdas de condução.
Figure 25 espetáculos o reflectivity de vários espelho Nota de systems.
25p24a.gif (540x540)
não só as diferenças em reflectivity mas também que para alguns
materiais as quedas de energia refletidas dentro de um ângulo sólido pequeno *
(Figura 26) . para o que Estes materiais permitem uma área designada pequena
25p24b.gif (486x486)
recibo dos raios refletidos.
Se um ângulo sólido maior é requerido
incluir a reflexão, então um acordo entre
devem ser feitas tamanho designado e perda de raios refletidos.
Energia de que
não é refletida é convertida para aquecer à superfície refletindo.
Isto pode requerer para positivo esforços refrescantes aliviar ou eliminar
tensão térmica.
CUSTO
Custo de Concentrator representa só uma porção do custo de um
system. O custo da quantidade de calor entregou ao exigido
temperatura é o método preferido de determinar custo.
Para um determinado sistema, o custo por milhões de quilowatt-horas, ou kWh
(por milhões de Btu) normalmente diminuições como o número total de kWh
(Btu) entregou aumentos, i.e., como tamanho de sistema increases. Similarly,
o custo por milhões de kWh (por milhões de Btu) é provável ser
menos a mais baixas temperaturas que a temperaturas mais altas.
em geral,
o mais alto a concentração e complexidade, o mais alto o
custo.
(*) Se você tem um ângulo, um lado de qual é vertical e o
outro lado não vertical, e aquele lado é girado ao redor do vertical
(mantendo o mesmo ângulo), o ângulo criado é chamado
o ângulo sólido.
Custo freqüentemente é representado através de preço de compra mas não sempre.
Vendedores podem reduzir preço de venda para penetrar um mercado, se expandir,
parte de mercado, se antecipar futuro economias industriais e
reduções de custo, e limitar ou excluir competição potencial.
Vendedores com um monopólio ou uma posição preferida pode vender a
mais alto que taxas razoáveis.
Vendedores de enfrentaram com desconhecido ou
riscos indeterminados e responsabilidades para o produto tentarão
transfira o risco ao comprador por preços mais altos ou outro
meios.
Nos Estados Unidos, são validos muitos sistemas de energia solares efetivo
só por causa de políticas de imposto federais e estatais ajudar o
energia solar industry. Estes sistemas valeram dois a cinco vezes mais
que competindo sistemas de energia.
However, energia vale dentro muitos
países menos-desenvolvidos são várias vezes maior que no
Estados Unidos, e então podem ser validos sistemas solares efetivo
nesses países.
Nos Estados Unidos, o custo de um sistema elétrico térmico solar
tecnologia relativamente nova utilizando e pesquisa incorporando
e custos de desenvolvimento variariam de $10 a aproximadamente $30 por watt.
A experiência de receptor central na Califórnia (Solar) custo
aproximadamente $15 por watt; um propôs 100-megawatt planta incorporando
as lições de Solar e as economias de um aumento de dez-dobra
em tamanho se antecipa valer aproximadamente $4 por watt.
Heliostats seja
sobre um-terço do custo total de Solar, e é esperada
ser sobre um-meia o custo da planta grande.
(UM carvão-incendiou
planta elétrica vale aproximadamente $1.00-$1.40 por watt de instalou
capacidade.)
Estudos de tecnologias de prato indicam custos que variam a $50 por
watt para o sistema, com custos de prato de um-terço para um-meia de
o cost. Dish de sistema que tecnologia está bem atrás de experiência de heliostat.
Cochos parabólicos parecem valer aproximadamente $538 honestamente por
metro ($50 por pé quadrado) no momento com possível redução para
aproximadamente $270 por metro quadrado ($25 por pé quadrado) com um maior
market. Again, estes custos refletem só um-terço a um-meia o
custo de sistema.
De possível interesse para países em desenvolvimento a classe é de
coletores que usam plástico transparente em forma cilíndrica com o
filme de refletor parcialmente localizada no mais baixo arco e um " preto "
tubo localizou ao focus. para o que Este tipo de coletor se aparece
ofereça para baixo cost. Algumas versões que usam um tubo de copo evacuado com
um tubo de cobre enegrecido interno em " uma vez por " (tubo direto)
ou estilo de baioneta está comercialmente disponível nos Estados Unidos
(Figura 27, 28, e 29).
25p26a0.gif (81x486)
A tigela de hemispherical foi testada em Crosbyton, Texas, por
o Departamento de U.S. de Energy. A unidade, 20 metros em diâmetro,
temperaturas altas produzidas e vapor de pressão alto satisfatório para
turbines. a vapor moderno A curvatura combinação é difícil para
construa, como é o dois-eixo que localiza exigido do receptor.
Porém, um receptor localizando é mais simples que um concentrator localizando.
O concentrator podem ser mais aceitáveis em tamanho menor
e mais baixa concentração (temperatura).
A redução em concentração
diminua temperatura da qual aumenta o número
materiais que podem ser usados para o receptor, e pode aliviar fabricação
da esfera.
Comparar tecnologias térmicas solares, custos deveriam ser reduzidos
bases comuns como custo por watt elétrico ou por kWh (Btu) . O
base deveria distinguir entre média e capacidade de cume; o
quantia de armazenamento incorporou; temperatura, se calor é o
produto de fim desejado; e a energia anual entregou.
Other
tecnologias têm as próprias bases deles/delas; photovoltaics usam valida por
watt de cume, e instalou custo por quilowatt-hora anual produzida.
Eletricidade de energia de vento, como também de outro solar elétrico
tecnologias, pode ter valor diferente ao usuário depender
no tempo de generation. deveriam ser incluídas Estas considerações
em qualquer metodologia de avaliação para seleção de custo-efetivo
sistemas.
V. COMPARANDO AS ALTERNATIVAS
Coletores de prato de apartamento simples são o amplamente usado e mais mais
coletores solares custo-efetivos.
que o uso primário deles/delas é para doméstico
e comercial (por exemplo, hospitais, restaurantes, etc.) água quente
aplicações; porém eles também podem ser usados dentro preaqueça sistemas
para aplicações de temperatura mais altas.
Eles podem alcançar uma temperatura
de cerca de 38 [graus] C (100 [graus] F) sobre o ambiente capturando luz solar,
luz solar convertendo para aquecer, e minimizando cuidadosamente
perda de calor não desejada do coletor.
Prato plano (normalmente non-localizando) os coletores são os mais simples para
fabricate. Simples, natural, funcionando os coletores podem
facilmente seja construída com ferramentas simples.
Deve ser tomado Cuidado de para aumentar
coleção solar e previne perdas térmicas.
uso Cuidadoso de habitante
materiais para a extensão de máximo possível pode reduzir cost. Enquanto
absorventes seletivos aumentam desempenho e rendimento temperatura mais alta,
quase qualquer " superfície de preto " executará adequately. Alguns
coletores de prato de apartamento simples, baratos podem ser melhores que concentrators
para temperaturas debaixo de 93 [graus] C (200 [graus] F), particularmente em
países menos-industrializados.
Expectativas de de desempenho melhor
para prato de apartamento (non-concentrando) os coletores em cima de concentrar
coletores, para a mesma aplicação de temperatura, não foram
verificada em practice. que As expectativas estavam baseado em utilização
de ambos dirija e radiação difusa por coletores de prato de apartamento e
uso de só radiação direta através de concentrators.
BIBLIOGRAPHY/SUGGESTED READING LISTA
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4800 Passeio de Arvoredo de carvalho
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Informação Técnica nacional Fonte de de mais federal
Service projetam relatórios
5285 porto Estrada Real
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Associação de Indústrias de Energia solar Lista de de fabricantes
1717 Avenida de Massachusses N.W.
com companhias e
Washington, D.C. 20036 E.U.A. sistemas de
Instituto de Pesquisa de Energia solar Informação de sobre tudo
1617 Bulevar de couve sistemas térmicos
Dourado, Colorado 80401 E.U.A.
Departamento norte-americano de Energia Informação de sobre tudo
Escritório de Sistemas Térmicos sistemas térmicos
1000 independências Avenue, S.W.
Washington, D.C. 20585 E.U.A.
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