Научно-производственное предприятие
phone
  • (068) 734-59-44
ETOVХарьковSyneko - научно-производственное предприятиеСтатьиСОЛНЕЧНЫЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ЭНЕРГООБЕПЕЧЕНИЯ ЭКОДОМОВ И ЭКОПОСЕЛКОВ
Контакты
  • Syneko - научно-производственное предприятие
  • Александр Согоконь
  • +38 (068) 734-59-44
  • Написать нам
  • Московский проспект, 41, Харьков
  • График работы

СОЛНЕЧНЫЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ЭНЕРГООБЕПЕЧЕНИЯ ЭКОДОМОВ И ЭКОПОСЕЛКОВ

Согоконь А.Б.

Научно-производственное малое предприятие «Syneko», г.Харьков, Украина

Вся история развития человечества связана с тем, что человек учился управлять теми или иными природными процессами, с целью получения от них энергии. Сначала был огонь, затем пар, электричество и, наконец, ядерная энергия и солнечная. И после каждого успешного этапа освоения улучшалось качество жизни. Но вот парадокс, солнечная энергия, являющаяся источником всего живого, и доступная человеку с самых незапамятных времен, в этом списке оказывается на последнем месте.

Это связано с тем, что в результате технического прогресса человек привык к «концентрированной» энергии в виде «мегаватт» и «гигакаллорий». А солнечная энергия «размазана» по земному шару с плотностью около 100 милливатт на квадратный сантиметр. Поэтому только в конце ХХ-го века приступили к созданию устройств, позволяющих собирать солнечное излучение с большой площади, и направлять его на приемник, получая при этом значительные мощности. Следует заметить, что это были единичные проекты, которые никоим образом не повлияли на качество жизни и не привели к изменению технологического уклада.

Как правило, для концентрации солнечной энергии применяют вогнутые сферические, параболические, цилиндрические поверхности, имеющие достаточно большую площадь, и, как следствие, обладающие большой парусностью. В результате приходится применять мощные и массивные несущие конструкции, что в свою очередь приводит к значительным затратам энергии на обслуживание системы слежения за Солнцем.

Ранее нами сообщалось [1] о разработке и создании нового типа, так называемых, сегментированных солнечных концентраторов, имеющих пониженную парусность, и, обеспечивающих высокую производительность при минимальных затратах энергии на слежение за положением Солнца. В течение лета 2013 года были проведены всесторонние испытания двух образцов кольцевых концентраторов диаметром 1,7 метра (тепловая мощность 1,8кВт) и диаметром 2,2 метра (мощность 3кВт).

Испытания подтвердили ветроустойчивость и даже показали дожде- и градо- устойчивость этой конструкции. Но самым ценным оказалось другое свойство, о котором в [1] упоминалось, как о дополнительном свойстве к низкой парусности. Это - стационарность фокальной области. Т.е., где бы не находилось Солнце, возле горизонта или вблизи зенита, фокальная область (область максимальной фокусировки) всегда находится в одном и том же месте. Именно эта особенность в корне меняет взгляды на применение солнечной энергии в повседневной жизни, и обеспечивает революционность рассмотренных ниже приложений. А также послужила толчком к написанию [2].

Если фокальная область неподвижна, то в ней можно расположить все что угодно. Другими словами, концентратор солнечного излучения можно рассматривать как универсальный источник питания, как розетку 220 вольт, в которую можно включить любой электроприбор.

Сначала рассмотрим более детально, что же можно «включить в концентратор» для энергообеспечения всего экопоселения, а затем и отдельно взятого экодома.

Вообще говоря, для любого поселения наблюдается недостаток энергии и избыток отходов. Поэтому в первую очередь рассмотрим варианты беззатратной утилизации отходов с получением полезных продуктов. Идея заключается в том, чтобы с помощью солнечного концентратора расплавить полимерные отходы, и тут же из них изготовить нужные для экопоселения вещи, например, тротуарную плитку.

Эксперименты, выполненные с имеющимися концентраторами мощностью1,8 и 3кВт, показали, что это возможно, и это совсем не сложно. При смешивании расплавленного полиэтилена с песком получается очень прочный, не скользкий и приятный на вид материал. Причем полимер используется как связующее вещество, как клей для песка. На одну часть полимера приходится примерно 3 – 4 части песка. Но для того, чтобы этот процесс был более производительным, мощность концентратора нужно увеличить до 5-6кВт.

Это вполне под силу концентратору диаметром 2,8 метра. Расчеты показывают, что в условиях Казахстана при среднегодовой инсоляции 1600кВт*час/м2 в течение 8-ми часового рабочего дня с помощью такого концентратора можно переработать до 100-130 кг отходов из полиэтилена или полистирола. При этом будет изготовлено около 150 тротуарных плиток размером 30х30 см. Если эту эксклюзивную плитку реализовать даже по цене обычной, то дневной доход составит примерно 150-200 евро. При такой рентабельности период окупаемости затрат на приобретение необходимого оборудования исчисляется не годами, а месяцами.

При переработке пластиковых бутылок производительность будет несколько меньше, так как температура плавления полиэтилентерефталата (ПЭТ) выше и расплав имеет большую вязкость. Но изделия при этом имеют более привлекательный вид. А снижение производительности можно компенсировать увеличением мощности концентратора.

Если концентратор вместе с формовочным блоком разместить на прицепе легкового автомобиля, то реализуется концепция утилизации отходов на месте их возникновения. Предполагая, что 300 экодомов будут производить в день 1-1,5 тонн бытовых отходов, то пластиковых среди них будет около 30%, т.е. 300-500кг. На каждый вид пластика (полиэтилен, полистирол и ПЭТ) будет приходиться примерно по 100-160 кг. Поэтому имея в наличии 3 мобильные солнечные утилизационные установки, каждая из которых адаптирована под определенный вид пластика, можно почти полностью, без затрат дополнительной энергии и с двойной пользой для жизнеобеспечения экопоселка, решить проблему пластикового мусора.

Второе важное применение солнечных концентраторов в экопоселении тоже связано с утилизацией отходов, но на этот раз, неподлежащих переработке. Речь идет о пиролизе. Как известно, для эффективного термического разложения органических соединений необходима высокая температура, до 900 градусов и даже выше. Обычно для этого используют либо часть самого перерабатываемого сырья, как в случае с древесиной, либо отдельный источник энергии, либо ранее запасенный пиролизный газ. Кроме того, для поддержания процесса пиролиза тоже сжигают часть полученного синтез-газа. В условиях дефицита энергии и энергоносителей - это нерационально, если не сказать расточительно.

Эксперименты с имеющимися концентраторами показали, что в фокальной области достигается температура не меньше 660 градусов (плавится алюминий). Этого вполне достаточно для осуществления низкотемпературного пиролиза. По результатам опытов с пиролизом древесных опилок сформулированы требования как к конструкции пиролизного реактора, так и к мощности концентратора. Учитывая, что отходов неподлежащих вторичной переработке будет немного (10-15%), а в рамках экопоселка- 100-200кг в сутки, то мощности концентратора диаметром 3,3 - 3,5 метра (7-8 кВт) будет достаточно.

Такой концентратор тоже может быть установлен на мобильной платформе вместе с пиролизным реактором. И в случае, если отходов будет недостаточно, сможет обслуживать несколько поселков, или переключится на пиролиз другого сырья.

Для отдельно взятого экодома наиболее актуальным остается горячее водоснабжение, отопление, получение электричества и холода (кондиционер и холодильник), а также приготовление пищи. Как показано в работе [1], задача получения горячей воды и отопление с помощью концентраторов решается довольно легко и эффективно. Разработана линейка концентраторов мощностью 1, 2 и 4 кВт, рассчитанных на получение 150, 300 и 600 литров горячей воды в день. Низкопотециальное тепло может быть использовано в системах «теплый пол» и в системах оттаивания тротуаров и подъездов к гаражам.

При использовании концентратора теплоноситель нагревается очень быстро, и его нужно очень быстро доставить потребителю. Это обстоятельство тоже работает на повышение производительности, так как сокращается время взаимодействия теплоносителя с внешней средой, и естественно, сокращаются потери тепла. Но для прокачки теплоносителя нужен насос. Это можно решить с помощью небольшой фотовольтаической панели и электронасоса. Но было бы более естественно осуществлять прокачку тоже с помощью солнечного тепла. Таким образом, приходим к необходимости создания солнечного насоса. Следует заметить, что наличие такого устройства не будет лишним и для других применений в системах жизнеобеспечения экопоселка.

Приготовление пищи - неотъемлемый атрибут жизнедеятельности, который тоже требует затрат энергии. Причем, это вторая по объему статья «расходов энергии» после расходов на отопление.

Есть два пути организации солнечной печи. Первый, технически обустроить все так, что хозяйка и не заметит разницы между солнечной и, например, газовой плитой. Т.е. собрать солнечное тепло и доставить его, по возможности, без потерь к посуде, в которой готовится еда, к кастрюле, чайнику, сковородке. И второй – это непосредственное воздействие концентрированного солнечного света и тепла на готовящееся блюдо: котлету, сосиску, голубец, пирожок, яичницу.

Если в первом случае качество и вкус еды ничем не будет отличаться от еды приготовленной на обычной плите, то во втором случае ситуация существенно изменяется. Дело в том, солнечное излучение в своем спектре содержит значительную часть ультрафиолетового излучения, которое не обладает тепловым эффектом, но зато охотно взаимодействует с органическими соединениями и биологическими микрообъектами. Поэтому вкусовые качества еды будут иные. Такой способ приготовления пищи сейчас пользуется успехом в США.

Здесь необходимо сделать небольшое отступление, если можно так выразиться, о философии и психологии технического прогресса. Если взглянуть на историю развития систем, связанных с преобразованием энергии из одного вида в другой, то можно заметить общую тенденцию прогресса: постоянное увеличение КПД. Но это увеличение КПД всегда приводит к усложнению устройства, и, как следствие увеличению стоимости самого устройства. Причина этого явления кроется в том, что мы платим за ту энергию, которую преобразовываем. И платим второй раз за незначительное повышение эффективности этого преобразования, чтобы платить меньше за исходную энергию. В такой ситуации у разработчиков, ученых и изобретателей формируется четкая установка на повышение КПД, и иногда ради его повышения на 1%, разгораются настоящие битвы.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда энергия, которую мы преобразуем, достается нам бесплатно. В этом случае нет стимула бороться за каждый процент. Но разработчики, ученые и изобретатели, по-прежнему нацеленные на борьбу, по-прежнему предлагают сложные и, как они считают, эффективные решения. Отсюда вывод: в условиях, когда энергия бесплатна, на первый план выходит надежность, простота, отсутствие или минимальное воздействие на экологию и низкая стоимость преобразователя, в пределе стремящаяся к нулю.

Существует очень много простых и надежных устройств, разработанных еще в прошлом и позапрошлом веках, и отвергнутых по причине низкого КПД. Именно их и нужно использовать для преобразования бесплатной энергии. Паровой двигатель не такая уж и плохая машина, чтобы пылиться на полке истории. А скорее наоборот - если его питать солнечной энергией, то он ничего не создаст такого, что может навредить окружающей среде. И по этому параметру он должен стоять рядом с двигателями Стирлинга.

В настоящее время нами ведутся активные работы по созданию на основе солнечных концентраторов насосов, холодильников и кондиционеров, а также электрогенераторов. Следует заметить, что Казахстан обладает высоким потенциалом не только солнечной энергии, но и ветровой. Поэтому рассматривается вариант создания гибрида-трансформера: солнечный концентратор-ветротурбина. Т.е., когда светит солнце, концентратор полноценно греет воду или выполняет иную «солнечную работу», а в ночное время или в пасмурную погоду перестаивается на концентрацию ветра и генерирует электричество. Причем это не просто сумма двух устройств на одном фундаменте, а глубоко интегрированная система, в которой каждый элемент выполняет две функции. В результате стоимость такого гибрида будет меньше чем сумма стоимостей ветрогенератора и концентратора взятых по отдельности.

Таким образом, для успешного перехода к VI технологическому укладу необходимо расширить взгляды на солнечную энергию и рассматривать ее не как средство получения только горячей воды, а как полноценную солнечную технологию, способную органично влиться в инфраструктуру экопоселка. Это же относится и к другим видам энергии. А в целом, потребуются как коренные изменения экологических и мировоззренческих взглядов граждан, так и изменения самой парадигмы технического прогресса.

Литература

1.Согоконь А.Б.Зачем нужен концентратор солнечной энергии? Или на что способен солнечный концентратор? Научно-практическая конференция «Энерго-и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий» Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 19–20 марта 2013г, стр., 50-57.

2.Заявка на патент № а201307610 (UA) Концентратор солнечной энергии / Согоконь А.Б. Дата подачи 17.06.2013, решение о выдаче патента № 24670/ЗА/13 от 10.10.2013.

22 ноября 2013
© 2013 - 2018 Syneko - научно-производственное предприятие | Пожаловаться на содержимое
Создать сайт бесплатно
Сайт создан на платформе ETOV