ISTORIJAT PRIMENE KONCENTRISANE SUNČEVE ENERGIJE (CSP) NENAD MILORADOVIĆ JKP BEOGRADSKE ELEKTRANE nesoni2@mts.rs
UVOD Direktno sunčevo zračenje je ono koje može biti koncentrisano, Koncentrisanje se vrši pomoću sočiva (samo nadole) i ogledala (može i nagore), Uređaji za primenu CSP-a sadrže optički sistem, apsorber, sistem za praćenje Sunca i skladišnik toplotne energije,
UVOD Gruba podela savremenih uređaja za CSP: Parabolična korita (T 400 C), Linearni Frenelov koncentrator (T 300-750 C), Tanjirasti sistemi (T 150-180 C), Solarne kule (T 500 C). U zavisnosti od primenjenih sistema razlikuju se i ostvarene temperature u fokusu.
PODELA CSP UREĐAJA
TEORIJSKE OSNOVE Važan podatak: godišnji broj sati sijanja Sunca, Za Beograd između 2000 i 2100 sati godišnje. Koncentrator je optički sistem koji ulaznu energiju direktnog sunčevog zračenja koji prolazi kroz otvor površine A transformiše u izlaznu energiju koja prolazi kroz otvor A.
TEORIJSKE OSNOVE Koncentracioni faktor: C=A/A Korisna toplota: Q = A [α C E ε σ TAexp4 U ( TA Ta )] Stepen korisnosti apsorbera: η=q/(a CE)
Advanced Materials And Higher Temperature Operation R&D improvements to increase CR & η Receiver's (a radiative b - total heat losses) T Z Solar radiation incident wall s temperature
ISTORIJAT CSP-a Antička vremena: Engleski arheolog Ser Ostin Lejard je tokom iskopavanja u Nimrudu (današnji Irak) pronašao kristalno sočivo iz asirskog perioda staro oko 2700 godina, Nimrudsko ili Lejardovo sočivo danas se čuva u Britanskom muzeju, Moglo se koristiti za potpaljivanje vatre pomoću koncentrisanih sunčevih zraka.
NIMRUDSKO SOČIVO
NIMRUDSKO SOČIVO Predstavlja ovalni uglačani kameni kristal, Prečnik: 1,25 cm Debljina: 0,25 cm Fokalna daljina: 12 cm.
ANTIČKA VREMENA U 7. veku pre nove ere u Kini se ovladalo tehnikom izrade bronzanih zakrivljenih ogledala za potpaljivanje drveta (Daniel Boorstin, Discoverers, 1983); U kineskoj dokumentaciji iz 20. god. nove ere pominje se detalj da su baklje paljene korišćenjem ogledala, U antičkoj Grčkoj na planini Ida na Kritu pronađeno je sočivo iz 5. veka pre nove ere boljeg kvaliteta nego Nimrudsko.
ANTIČKA GRČKA Aristofan u komediji Oblaci napisane oko 420. pre nove ere pominje kristalna sočiva i to kako kamen i Sunce mogu da stvore vatru, Olimpijski plamen tokom drevnih igara u Olimpiji paljen je pomoću ogledala, Plutarh (oko 46-127) u delu Život Pompilejev tvrdi da je vatra u Dijaninom hramu paljena pomoću stakala.
ARHIMED Arhimed (287 pre n.e. 212 pre n.e.) iz Sirakuze na Siciliji koristi koncentrisano sunčevo zračenje u vojne svrhe: koristio je ogledala kako bi zapalio i uništio rimsku flotu. Iako ne možemo sa sigurnošću tvrditi da ju je stvarno zapalio, kasniji eksperimenti su pokazali da je on to i mogao da učini. Grčki inženjer Joanis Sakas je 1973. godine pomoću 60 pravougaonih ogledala prekrivenih bakarnom folijom zapalio posle tri minuta drveni čamac prekriven smolom na udaljenosti od 55 m.
ARHIMED Sakasu su pomagali mornari grčke mornarice u manipulisanju brojnim ogledalima, Ovime je dokazano da je Arhimed mogao da zapali usidrenu rimsku flotu pomoću velikog broja uglačanih bakarnih ili bronzanih štitova usmerenih prema rimskim brodovima.
ARHIMED I SAKAS
POSLE ARHIMEDA Grčki matematičar Diokle (oko 240 pre n.e. oko 180 pre n.e.) napisao je knjigu O staklima koja pale i prvi dokazao fokalna svojstva parabole, y=x2/4f, O ovome ponovo piše Antemije Tralski (474-558) koji je bio jedan od arhitekata crkve Svete Sofije u Konstantinopolju.
SREDNJI VEK Ibn Al Hajtam (965-1038) ili poznatiji kao Alhazen razumeo je razliku između sfernog i paraboličnog konkavnog ogledala i dao metod konstrukcije za oba (Knjiga optike, Kitab al Manazir, 1011-1021). Vizantijski istoričar Zonaras u svojoj Istoriji iz 1118. godine pominje da je podvig Arhimeda u jednoj bici kod Konstantinopolja ponovio i zapalio neprijateljsku flotu grčki matematičar i filozof Proklo (412-485) u V veku.
Alhazenovo parabolično ogledalo
DOBA RENESANSE Leonardo da Vinči (1452-1519) piše da koncentrovani sunčevi zraci stvaraju veliku toplotu, Zajedno sa svojim učiteljem Andreom del Verokiom (1435-1488) primenjuje ogledala prilikom lemljenja i spajanja velike bakarne lopte prečnika 2,5 m na vrhu kupole Santa Marija dela Fiore u Firenci oko 1470. godine, O tome je kasnije ostala zabeleska u kojoj Leonardo kaže Setite se lemljenja koje je korišćeno prilikom lemljenja lopte na Santa Marija dela Fiore dok je razmatrao upotrebu paraboličnih ogledala u druge svrhe, Prema nekim istoričarima i poznavaocima Leonardovog rada ova rečenica se može odnositi na solarno lemljenje,
SANTA MARIJA DELA FIORE 1470. G
RENESANSA Ovo je verovatno prvo praktično korišćenje CSP-a. Leonardo je ostvio nacrte za primenu CSP-a za zagrevanje vode, Konceptualizovao je korišćenje paraboličnih ogledala za koncentrovanje sunčevog zračenja, Razmatrao je potrebu pripreme tople vode za radionice za farbanje odeće, Do realizacije nije došlo, Leonardo je dao rešenje usled zabrinutosti zbog destrukcije Zemlje i prekomernog krčenja šuma.
DOBA RENESANSE Đambatista dela Porta (1535-1615), italijanski naučnik iz Napulja tvrdi da neko u centru konkavnog ogledala može istopiti zlato ili srebro, - sporije u zimu, ali brže tokom leta, Taj neko je najverovatnije bio Đovani Mađini (1555-1617), italijanski astrolog i kartograf iz Bolonje.
RAZVOJ OPTIKE Dok koncentrisanje sunčevog zračenja dovodi do povišenja temperature, koncentrisanje svetlosti od zvezda dovodi do njihovog prividnog uveličavanja: Prvi teleskopi su napravili revoluciju u astronomiji: Galileo Galilej je 1609. konstruisao refraktor, a Isak Njutn 1668. prvi reflektor, Prva lupa: Antoni van Levenhuk (1632-1723), Holandija iz 1648, a potom i mikroskop (posle 1665), Nemački jezuita Atanas Kircher (1601-1680) pomoću refleksije lampe projektuje slike na zidu 1646. godine.
PERIOD FRANCUSKE REVOLUCIJE Francuski grof Bifon (1707-1788) je 1747. je u seriji eksperimenata ispitivao primenu CSP-a na daljinu. Pomoću ogledala zapalio je predmete na udaljenostima od 60 do 450 m. Koristio je staklena ogledala (od 40 do 120) dimenzija 20x25 cm, Rastopio je limenu čuturicu težine 2,5 kg i zapalio bukovu dasku i mešavinu borovih iglica i uglja.
PERIOD FRANCUSKE REVOLUCIJE Švajcarski naučnik Horas de Sosir (1740-1799) iz Ženeve konstruisao je 1767. godine vruću kutiju preteču ravnih pločastih PSE. To je dobro izolovana crna kutija čija je gornja strana bila prekrivena troslojnim staklom, U njoj se ostvarivala temperatura nešto preko 100 C, U takvoj sličnoj kutiji na svom putovanju u Južnu Afriku engleski astronom Ser Džon Heršel pripremao je hranu 1830. godine.
SOSIROVA VRUĆA KUTIJA
PERIOD FRANCUSKE REVOLUCIJE Antoan Lavoazje (1743-1794) tokom 1772. konstruiše pokretnu solarnu peć, Nalazila se na točkovima, tako da se mogla upravljati prema Suncu, Imala je dva sočiva: prvo veće bilo je ispunjeno alkoholom, a drugo manje od čvrstog stakla, Primena za procese sagorevanja, Pomoću ove peći Lavoazje je dokazao da se dijamant sastoji od ugljenika, Peć je mogla da istopi platinu (1773 C).
ANTOAN LAVOAZJE SOLARNA PEĆ
FRENELOVA SOČIVA Francuski inženjer Ogist Žan Frenel (1788-1827) konstruiše specijalni vid sočiva napravljenog izbacivanjem nerefraktivnih delova konvencionalnog sočiva, Ovakvo sočivo se lakše izrađuje i jeftinije je od običnog sočiva, Slično se mogu izrađivati i ogledala, Imalo je primenu početkom 19. veka na svetionicima.
FRENELOVO SOČIVO
PERIOD FRANCUSKE REVOLUCIJE Francuski fizičar Klod Puile (1791-1868) 1838. je razvio pirheliometar i približno odredio solarnu konstantu (njegova vrednost je 1228 W/m2 umesto današnje 1355 W/m2), Heliostat sa satnim mehanizmom uređaj koji prati kretanje Sunca po nebeskoj sferi konstruiše fizičar iz Alzasa Žan Tibo Silberman (1806-1865) 1843. godine.
Silbermanov heliostat
RAZLIKA Razlika između uređaja za praćenje Sunca i heliostata je ta da se prvi upravlja prema Suncu, a heliostat uvek reflektuje sunčevo zračenje u istom pravcu.
PRVE SOLARNE MAŠINE Francuski pronalazač Ogisten Mušo (1821-1912) na Svetskoj izložbi u Parizu 1878. godine izlaže mašinu za pravljenje leda pomoću solarne energije, Knjiga Solarna toplota i njene industrijske primene 1869. godine, Solarna energija stvarala je u zacrnjenom cilindru vodenu paru koja je pokretala parnu mašinu, Prečnik ogledala 4 metra i apsorber od 80 litara.
MUŠOOVA SOLARNA MAŠINA
SOLARNA ŠTAMPARIJA Mušoov asistent Abel Pifr (1852-1928) je potom na izložbi u Parizu 1882. godine prezentovao prvu solarnu štamparsku presu, Konkavno ogledalo 3,5 m u prečniku u čijem je centru bio cilindrični parni apsorber, Uprkos oblačnom vremenu, presa je otštampala 500 primeraka Solarnog žurnala koji je bio deljen za tu priliku.
SOLARNA ŠTAMPARSKA PRESA
DŽON ERIKSON Džon Erikson (1803-1889); švedsko-američki pronalazač, poznat po pronalsku elise, izumeo je solarni motor oko 1872. godine, Koristio je parabolični reflektor, a radni medijum je bio vruć vazduh, Nameravo je da motor koristi za navodnjavanje u sunčanoj Kaliforniji, ali je više uspeha imao sa mašinama pogonjenim na ugalj ili gas.
ALESANDRO BATALJA (1842-?) Inspirisan Mušoovim i Pifrovim uspehom i uvidevši izvesna ograničenja njihovih prvih solarnih mašina, 1886. godine patentira linearni apsorber, To je cilindrični apsorber sa vodom dužine 30 m i prečnika 1 m kojeg zagrevaju 1260 malih ravnih reflektora površine 1 m2 i koji su smešteni u polje 42x30.
LINEARNI APSORBER Ovaj sistem je pogodan za velike sisteme, jer primenjuje linearni apsorber i sistem mnogobrojnih ogledala koji se nezavisno upravljaju prema Suncu, Batalja je prvi razdvojio apsorber i sistem ogledala
LINEARNI APSORBER
LINEARNI APSORBER
PREDNOSTI Batalja je primetio ograničenja Mušoovih i Pifrovih prvih solarnih mašina: 1. Ako je apsorber montiran na pokretno ogledalo, to ograničava njegovu veličinu i onemogućuje industrijske primene, 2. Apsorber ne može biti dobro izolovan, što povećava njegove termalne gubitke u okolinu, 3. Sistem za praćenje Sunca takođe limitira dimenzije.
PRVI KOMERCIJALNI SISTEM ZA ZAGREVANJE VODE Amerikanac Klarens Kemp (?-1911) patentirao je 1891. godine prvi komercijalni solarni uređaj za zagrevanje vode, Ugradio je tri rezervoara u stakleni okvir na južnoj strani kuće, To je preteča današnjih solarnih sistema za pripremu potrošne tople vode.
XX VEK Portugalski sveštenik i pionir u primeni solarne energije Otac Himalaja (1868-1933) za svetsku izložbu u Sent Luisu 1904. godine konstruisao je pirheliofor veliku solarnu peć, Imala je veliki koncentrator veličine 80 m2, Postignuta je temperatura od 3.500 C, Ipak, nije našao konkretnu primenu.
PIRHELIOFOR
PARABOLIČNO KORITO Dva Nemca, Vilhelm Majer i Adolf Remšart, patentirali su 1907. godine u Štutgartu parabolično korito, ali ga nikad nisu implementirali, Prvi koji ga je primenio bio je Amerikanac Frank Šuman (1862-1918), inženjer i pronalazač iz Filadelfije koji je u Egiptu 1912. godine napravio solarnu pumpnu stanicu za navodnjavanje polja pamuka na Nilu.
FRANK ŠUMAN Parabolična korita bila su širine 4m i dužine 70 m i bilo ih je pet, Postojao je mehanički uređaj za praćenje Sunca, Ukupna snaga 40 kw, a toplota iz njih stvarala je paru koja je pokretala pumpe za navodnjavanje, Ovo postrojenje je prvo solarno polje u svetu.
FRANK ŠUMAN
MODERNA SOLARNA PEĆ Solarna peć sa staklenim paraboličnim ogledalima koja je mogla da ostvari 3000 C sagradio je Rudolf Štrobl (1864-1943) 1921. godine u Cajsovim laboratorijama u Nemačkoj, Slične solarne peći pravljene su potom i u SAD, ali sa ogledalima od aluminijumskih legura, Feliks Tromb (1906-1985), francuski hemijski inženjer 1949. godine pravi slične peći na Pirinejima u Francuskoj snage do 1 MW.
DIŠ (TANJIRASTI) - SISTEMI Prvi koji je sagradio tanjirasta ogledala bio je Amerikanac Robert Godard (1882-1945) 1929. godine, Prilikom razmatranja nove vrste motora koji bi koristio rastopljeni kvarc i isparavao mešavinu vode i žive koristio je mala parabolična tanjirasta ogledala, Godard je poznat kao tvorac američkog svemirskog programa i razmatrao je i primenu solarne energije u kosmosu.
SOLARNI BOJLER I SOLARNI ŠTEDNJAK Američki astrofizičar Čarls Abot (1872-1973) je 1936. patentirao solarni bojler koji koristi akumulator toplote, Takođe je primenjivao sunčevu energiju za pripremanje hrane tzv. solar cooker, Svoje inovacije u primeni solarne energije konstruisao je u opservatoriji u kojoj je radio.
FRENELOV LINEARNI KONCENTRATOR Italijanski naučnik Đovani Frankija (1911-1980) je 1962. godine patentirao linearni Frenelov koncentrator (LFC), Njegovo rešenje ima 7 aluminijumskih reflektora dužine 8 m i širine 1 m, Oni su međusobno paralelni i orijentisani u pravcu istok-zapad, Svako ogledalo se okretalo duž svoje uzdužne ose, a apsorber je bio na visini 6 m.
FRENELOV LINEARNI KONCENTRATOR Rotacija reflektora postiže se elektronskim komandama, Apsorber je dužine 8 m i širine svega 25 cm, Tako je 1965. sagradio prvu solarnu elektranu u Đenovi, Produkcija pare ove elektrane bila je 21 kg/h, na 150 bar i 500 C, Dalje koristi turbine i generatore.
SOLARNI TORANJ Prvi nacrt i koncepciju solarnog tornja možemo naći u radovima sovjetskog naučnika Valentina Bauma iz 1956. godine, Polje solarnih prijemnika koncentriše sunčevo zračenje prema gore, gde se na određenoj visini u žiži nalazi apsorber koji pretvara solarnu energiju u toplotu, gde se posle para vodi u turbinu povezanu sa generatorom.
SOLARNI TORANJ VALENTIN BAUM
ŠEFLEROV REFLEKTOR Volfgang Šefler, rođen 1956. godine, austrijski pronalazač iz Insbruka konstruisao je Šeflerov reflektor velike fleksibilne parabolične posude koje mogu da menjaju krivinu prema sezonskom kretanju Sunca, Primena: priprema hrane u zajedničkim pekarama i kuhinjama u Indiji, solarni krematorijum, Izum nije patentiran.
ŠEFLEROV REFLEKTOR
ZAKLJUČAK Savremeni uređaji za primenu CSP zasnovani su na principima koje su utemeljili Batalja, Frankija, Godard i Baum, Do šire primene primene i komercijalnih upotreba došlo je tek krajem XX i početkom XXI veka zahvaljujući razvoju novih materijala i primeni feed-in tarifa.
PUSTINJA MOHAVE - KALIFORNIJA
PRIMENA Električna energija: solarne elektrane (već koriste SAD, Španija), Toplotna energija: Daljinsko grejanje, Daljinsko hlađenje, Dogrevanje geotermalnih voda, Produkcija vrele vode visokih temperatura i pritisaka, Produkcija pare, Desalinizacija morske vode (Saudijska Arabija, Maroko, Južna Afrika).
HVALA NA PAŽNJI
ISTORIJAT PRIMENE KONCENTRISANE SUNČEVE ENERGIJE (CSP) NENAD MILORADOVIĆ JKP BEOGRADSKE ELEKTRANE nesoni2@mts.rs