Выработка электроэнергии с параболической технологией

Параболическая технология, на самом, деле может быть более эффективна, чем фотоэлектрическая, и эта область требует дополнительных исследований

Использование солнечного света в энергетике чаще всего рассматривается в сочетании с развивающейся фотоэлектрической технологией. Но концентрированное солнечное излучение может оказаться гораздо более эффективным способом выработки тепловой энергии и электричества.

Рассматриваемый проект является отправной точкой для использования концентрированной солнечной тепловой энергии для бытового и промышленного использования. Параболическая тарелка используется для концентрации солнечной энергии, а открытый цикл - для преобразования энергии из концентрированного тепла в электричество.

Конструкция устройства

В эпицентре максимальная температура достигает 960°C. Специально разработанный приемник для хранения использует турбину и должен быть подключен к генератору постоянного тока 12В для производства электроэнергии.

Приемник емкостью 800 см³ воды спроектирован совместно с реакционной турбиной, вращающейся со скоростью 600 об/мин, производящей 220 мА тока, подключенной к двигателю 5В, в котором установлен вентилятор.

Пока полученная эффективность оказывается значительно ниже фотоэлектрических моделей, но это новая область исследований, и, возможно, все еще впереди. Методы, применяемые для обеспечения максимальной эффективности, включают правильную настройку параболической антенны и приемника.

Точно так же конструкция приемника и турбины, а также их совместимость важны для эффективного производства электроэнергии. Кроме того, давление пара также может быть увеличено путем добавления нано-жидкостей, то есть жидких суспензий твердых частиц нанометрового размера и волокон, таких как углеродные нано-трубки, которые могут повысить эффективность этого процесса.

Особенности работы устройства

Устройство выработки электроэнергии по параболической технологии состоит из параболического тарелочного концентратора, приемника, котла, турбины и электрической цепи с нагрузкой.  Концентратор состоит из отражателей.  Параболические отражатели более эффективны, чем сферические, поскольку сферические отражатели страдают от сферических аберраций.

Эффективность солнечного концентратора зависит от форм-фактора тарелки. Аналогичным образом, индекс концентрации также является важным параметром, который говорит нам, насколько интенсивно свет фокусируется на приемнике. Одними из наиболее важных факторов, влияющих на температуру в приемнике, являются поглощение приемника, коэффициент пропускания и отражательная способность стеклянного зеркала, используемого в концентраторе.

Работа этого устройства была улучшена внедрением термодинамического цикла для производства электроэнергии. Термодинамический цикл завершается с помощью приемника, который действует как котел и турбина. Теплопроводность приемника должна быть очень высокой. Кроме того, приемник должен иметь очень низкие потери тепла.

Турбина сконструирована таким образом, чтобы максимально использовать давление и скорость пара. Основными факторами, влияющими на эффективность работы турбины, являются количество используемых лопаток, угол наклона лопаток, положение лопаток, масса и материал лопаток, условия ввода пара. Результаты были подтверждены необходимыми расчетами и моделированием. Генератор постоянного тока 12В используется для преобразования механической энергии в электрическую.

Проект послужит отправной точкой для новых исследователей и энтузиастов в этой области исследований, и это обеспечит новый метод полезного преобразования энергии из возобновляемого источника.

Особенности проектирования устройства

Проектирование и моделирование приемника, накопителя и турбины производилось в компьютерной программе. Такие материалы, как алюминий для параболической тарелки, стекло в качестве отражающего материала, листовой материал для лопастей, алюминиевые стержни для подставок, двигатели, генераторы постоянного тока, провода, ленты, медные трубки и так далее были куплены. Затем было произведено изготовление приемника и турбины с точными размерами. После изготовления была осуществлена сборка устройства.

Приемник получает тепло от концентрированного солнечного излучения, таким образом, что пар генерируется в приемнике, который запускает турбину, которая, в свою очередь, производит электричество.

Далее проверялась герметичность приемника, проводились испытания на долговечность всех деталей, и самое главное, производилась проверка всей конструкции, способна ли она достичь заданных целей или нет.

Накопитель и приемник

Был разработан такой тип приемной системы, которая, в том числе, действует как резервуар для хранения. Конструкция была смоделирована в компьютерной программе и была изготовлена с использованием профилированных листов из нержавеющей стали. Диаметр ствольной коробки составляет 18 см. Общая высота - 5,5 см, которая делится на три сегмента.

Вода удерживается из верхнего отверстия и переносится в нижний слой, где она нагревается и превращается в пар. Поскольку вода превращается в пар и пропускается через сопло, то она из верхнего слоя автоматически перетекает в нижний слой. Средний слой действует как изоляционная камера. Листовая пластина и гофрированная трубка используются для разделения нижнего и верхнего слоев.

Это помогает в изоляции и уменьшении теплопотерь. Теплопотери, в связи с этим, снижаются более чем на 60 процентов. Труба длиной 20,5 см соединена с приемником для выхода пара, который отогнут на расстояние 9,5 см для удобства размещения турбины.

Паровая турбина

Была использована специально разработанная многоступенчатая реакционная турбина с четырьмя движущимися лопастями.  Использование фиксированных лопастей было исключено из-за связанной с этим сложности.

Для корпуса турбины использовали банки из-под краски, листовой металл для лопаток и медную трубку в качестве сопла.  Сопло расположено под углом 55 градусов к центральной оси. Угол наклона лезвия составляет 25 градусов. Диаметр наружного корпуса составляет 11 см и простирается до длины 13 см, а задний корпус, поддерживающий генератор, имеет диаметр 6 см и длину 5,2 см.

Он состоит из 4 лопастей. Первая ступень турбины состоит из 24 лопаток, вторая-из 16 лопаток, третья-из 12 лопаток, четвертая-из 8 лопаток. Они выкладываются в диаметре 10 см. Используется медная трубка внутреннего диаметра 6 мм и длиной 9,2 см. Генератор постоянного тока также установлен на турбине.

Генератор постоянного тока 12В используется для преобразования механической энергии в электрическую энергию.

Результаты

Максимальная полученная температура составила 960 градусов Цельсия. Результат был получен 31 января 2019 года и далее 1 февраля.

Экспериментальное давление на выходе измеряли с помощью манометра, а скорость - с помощью расходомера дифференциального давления. Аналогичным образом, выходной ток от турбины измеряли с помощью амперметра и обнаружили, что он имеет выход 210-220 мА, и может работать с вентилятором, работающим от двигателя 5В. Таким образом, суммарная выходная мощность составила 1,2-1,6 Вт.

Это может показаться дорогостоящим проектом небольшого масштаба, но если устройство масштабировать, то оно может оказаться экономически эффективным и выгодным. Пока это всего лишь инициатива по использованию пара, полученного с помощью солнечного излучения, для производства электроэнергии, которая будет стимулировать промышленность и заводы использовать его в ближайшие годы.

Заключение

Параболическая технология, на самом, деле может быть более эффективна, чем фотоэлектрическая, и эта область требует дополнительных исследований. В проекте используется только лишь цикл Стирлинга, но в дальнейшем может использоваться и паровой цикл, например, открытый цикл Ренкина для производства электроэнергии.

Было получено всего 1,2-1,6 Вт мощности, что относительно очень мало по сравнению с количеством полученной солнечной энергии. Но на промышленном уровне с высокой точностью конструкции турбины и точного проектирования котельной системы, эффективность может быть значительно увеличена.

Таким образом, при правильном и эффективном проектировании мощность может измеряться в киловаттах и мегаваттах, что будет экономически эффективным.

Источник: AIP Conference Proceedings 2204, 040023 (2020); https://doi.org/10.1063/1.5141596, 040023©2020 Author(s). Power generation using parabolic dish CSP technology