Download pdf - KORENI EKOLOŠKE GRADNJE – OD PRAISTORIJE DO

ISTORIJAT PRIMENE KONCENTRISANE SUNČEVE

ENERGIJE (CSP)

NENAD MILORADOVIĆ JKP BEOGRADSKE ELEKTRANE

[email protected]

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

TZ – Solar radiation incident wall’s temperature

Receiver's (a – radiative b - total heat losses)

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.


• 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”


• 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


• 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

[email protected]