Концентраторна сонячна система теплопостачання населених пунктів (Concentrator solar system of heat supply for populated areas) — теплоелектростанція, в якій зосереджена енергія сонячного випромінювання використовується як джерело тепла в термодинамічному циклі перетворення теплової енергії в механічну за допомогою парогенератора, а потім в електричну енергію, частина тепла з сонячної теплоелектростанції йде на обігрів будівель та споруд.
Енергетичні параметри концентраторної сонячної теплоелектростанції визначаються через параметри і характеристики опалюваних будівель. Важливу частину сонячних теплоелектростанцій складають оптичні концентратори, призначені для збирання енергії широкого спектрального потоку сонячних випромінювань, каналізації та транспортування їх на невеликий за площею але високоефективний приймач сонячної енергії. Найбільш вживаними та доопрацьованими на сьогодні є відбиваючі (дзеркальні) однокомпонентні та багатокомпонентні сонячні концентратори. Важливою особливістю цих пристроїв є відсутність хроматичних аберацій. Корекція інших викривлень хвильового фронту, що відносяться до аберацій 3-го та вищих порядків, досягається використанням асферичних (параболічних, гіперболічних та інших) поверхонь. Потрібно відзначити, що тільки параболічне дзеркало створює стигматичне зображення безкінечно віддаленої точки, що знаходиться на його оптичній вісі. Тому на практиці в сонячних теплоелектростанціях переважно використовуються параболічні тарілкоподібні дзеркальні концентратори, здовжені (циліндричні, параболо-циліндричні, гіперболо-циліндричні) концентратори та багатоелементні концентратори на основі плоских дзеркал (геліостатів), характерних для сонячних електростанцій баштового типу. Менш поширеними є конструкції двокаскадних дзеркальних концентраторів — оптичних систем, які складаються з двох дзеркал, розташованих одне за одним по ходу оптичного променя, кожне з них відповідає за сходження променів. Типовим прикладом двокаскадної конструкції є схема Кассегрена.
Фізичні основи побудови концентраторних сонячних теплоелектростанцій розглянуто у багатьох публікаціях.
Зокрема, друге видання книги «Концентраторні сонячні енергетичні технології» під редакцією К. Лавгроува і В. Стайна представляє комплексний огляд новітніх технологій і знань, від фундаментальної науки до проектування, розробки та застосування концентраторних сонячних систем. Розглядаються, зокрема, питання вибору місця розташування теплоелектростанції, проводиться також соціально-економічна та екологічна оцінка проекту. Головна ж увага зосереджена на концентраторних технологіях та системах виробництва тепла та електричного струму, включаючи, зокрема, концентраторні системи енергопостачання на основі лінійних рефлекторів Френеля (LFR), сонячні термальні електростанції з параболо-циліндричними концентраторами кюветного типу, сонячні термальні електростанції баштового типу, сонячні термальні електростанції з тарілкоподібними параболічними концентраторами та концентраторні фотоелектричні системи. Досліджуються також технології накопичення теплової енергії, гібридизації з електростанціями, які працюють на викопному паливі, і довгостроковий ринковий потенціал технології CSP. Робиться висновок, що термальні сонячні концентраторні системи кюветного та баштового типу з накопичувачами теплової енергії мають велику перевагу перед іншими сонячними технологіями, оскільки вони пропонують стабільне постачання електроенергії, пом'якшуючи проблеми перебоїв. Проте, висока енергетична ефективність цих систем досягається лише в місцевостях з великим рівнем сонячної радіації, що обмежує їх географічне застосування.
Автори довідника з концентраторних фотоелектричних технологій під редакцією К. Альгора та І. Рей-Столле, який вийшов друком у видавництві John Wiley & Sons, Ltd. у 2016 році, зосереджені на огляді фотоелектричних концентраторних модулів а також складових елементів конструкцій: рефракційних концентраторів та багатоперехідних напівпровідникових сонячних елементів, що працюють на рівнях концентрації від кількох сотень до понад тисячі «сонць». Збірник статей під загальною редакцією Д. Ляна, і К. Чжао розкриває сучасні підходи до проектування та впровадження параболічних та люмінесцентних концентраторів, які використовуються для накачування лазерів сонячним випромінюванням. Книга Дж. Чавеса висвітлює питання розрахунку, проектування та виготовлення концентраторів сонячної енергії.
Збіжними по темі є книги інших авторів, зокрема: М. Маккея, яку можна розглядати як введення до сонячних енергетичних технологій, що висвітлює такі аспекти як термоядерні реакції у Сонці, сонячні випромінювання, проходження випромінювань через атмосферу Землі, термодинаміка закритих й відкритих систем, поглинання світла, фотоелектричний ефект, фотоелектричні пристрої і поширює поняття сонячної енергії на енергію вітру, гідроенергію, хвилі, припливи, біомасу тощо; С. К. Педдапеллі та П. Віртіка, в якій розглядаються останні досягнення в галузі сонячної та вітрової енергетики, матеріал книги охоплює, зокрема, сонячне енергетичне обладнання, вітрові енергетичні системи, системи накопичення енергії, біоенергетичні технології, гібридні системи відновлюваної енергії а також методи вимірювання параметрів цих систем; Б. Нортона, яка охоплює широкий спектр технологій перетворення сонячної енергії для отримання тепла або для виробництва електроенергії чи охолодження; В. Сіварама про те, як системні інновації можуть додати гнучкості світовим електромережам та іншим енергетичним системам, щоб вони могли надійно спрямовувати ненадійну енергію Сонця; Е. В. Дікінсона; Ш. Уайта, що висвітлює теорію та практику сонячних фотоелектричних систем у розрізі навчальної програми NABCEP; М. Каноглу, Ю. Ченгеля та Дж. М. Цимбала, що розглядає основні види відновлюваної енергії (сонячну, вітрову, гідроенергію, біомасу, припливи та хвилі, а також водень і паливні елементи) у рамках термодинаміки та механіки рідин; Х. Біскерта, котра вивчає широкий спектр потенційних матеріалів і пристроїв для перетворення та зберігання сонячної енергії, зокрема, аналізує властивості органічних сонячних панелей, літій-йонних батарей, світловипромінювальних діодів і напівпровідникових матеріалів для виробництва водню шляхом розщеплення води, наноструктурованих і перовскітних сонячних елементів на основі галогенідів свинцю тощо.
Частина авторів бачить майбутнє концентраторних технологій у побудові складних систем, у яких виробництво електричної енергії комбінується з виробництвом водню та/або тепла з наступною адресацією енергії на конкретні проекти. М Ф. Калісе та ін. аналізують процеси, технології та системи виробництво водню за допомогою енергії сонячного випромінювання, починаючи від електролізу води за допомогою енергії сонячних панелей. С. А. Кале пов'язує сталий розвиток людства з прискореним впровадженням передових сонячних та вітроенергетичних технологій по всьому світу і відмічає зростаючу тенденцію застосування сонячної теплової енергії наряду з фотоелектричною енергію. Книга Ш. Горджяна та А. Шукли містить вичерпні та сучасні знання про фотоелектричні технології перетворення сонячної енергії в контексті останніх науково-технічних досягнень та охоплює застосування PV систем у містах, промисловості та сільському господарстві. Підручник С. Калогіру містить знання з усіх областей інженерії сонячної енергії, від фундаментальних основ до аналізу практичних сонячних технологій гарячого водопостачання, обігріву та охолодження приміщень, теплопостачання технологічних промислових процесів, сонячного опріснення води, у тому числі, з використанням фотоелектричних та вітроенергетичних систем. Л. Шиллер та М. Плінке у своїй роботі досліджують можливість створення цілорічної сонячної теплиці з нульовим енергоспоживанням у будь-якому кліматі без використання викопного палива. Книга Р. Пателя та О. Бейка висвітлює технологічні та соціально-економічні аспекти відновлюваної енергії і обговорює вітроенергетичні технології, сонячні фотоелектричні технології та великомасштабні технології зберігання енергії.
Базова схема
На основі аналізу переваг та недоліків існуючих термальних сонячних систем енергозабезпечення, вивчення існуючих систем теплопостачання та гарячого водопостачання можна сформулювати наступні вимоги до конструкції концентраторної сонячної системи теплопостачання:
збирання сонячного випромінювання широкого діапазону оптичного спектра з великої площі поперечного перетину сонячного пучка та спрямування його на приймач сонячної енергії; максимальне поглинання енергії сонячних випромінювань широкого діапазону оптичного спектра приймачем; накопичення та збереження теплової енергії в теплових акумуляторах з високим коефіцієнтом теплозбереження; висока енергетична ефективність, високий коефіцієнт корисної дії (ккд); віддача енергії, накопиченої в теплових акумуляторах, для обігріву приміщень, гарячого водопостачання і таке інше; сумісність з іншими системами енергопостачання, зокрема, заснованими на спалюванні органічного палива; можливість агрегатування і нарощування потужності теплопостачання міста чи регіону шляхом автономного теплопостачання потужністю до 1 Гкал/год, децентралізованого теплопостачання потужністю 1–3 Гкал/год, помірно-централізованого теплопостачання потужністю 3–20 Гкал/год, централізованого теплопостачання потужністю понад 20 Гкал/год; безпека експлуатації для споживачів та довкілля.
Зміщення напряму застосування сонячних термальних технологій у бік переважного виробництва тепла потребує зміни архітектури побудови термальних сонячних систем. Значною мірою змінюються також конструкції окремих складових частин, а деякі базові елементи мають бути створені заново, що зветься, «з нуля».
Виконання проектів створення концентраторних термальних сонячних станцій має обов'язково відбуватись з урахуванням їх районування, одні підходи мають застосовуватись при інтеграції термальних станцій з існуючими будівлями та спорудами, і зовсім інші підходи мають використовуватись при зведенні термальних станцій, які призначені для енергозабезпечення новобудов. Але як у першому так і в другому випадках має зберігатись бережне відношення до місцевої флори та фауни, а техніко-експлуатаційні заходи мають спрямовуватись на попередження тяжких екологічних наслідків.
Принцип дії системи заснований на концентрації сонячних випромінювань, акумуляції їх тепла шляхом нагріву теплоносія в денні сонячні часи з наступним використанням акумульованого тепла для обігріву приміщень протягом доби.
Базова схема концентраторної сонячної системи теплопостачання будівель та споруд включає сонячний концентратор SC, систему слідкування за Сонцем TK, тепловий приймач (HR) TR та акумулятор тепла TS. В окремих випадках термальна сонячна система може включати допоміжний фотоелектричний перетворювач PVC.
Сонячний концентратор SC зібрано по схемі Кассегрена і складається з двох дзеркал — головного параболічного дзеркала M1, першого по ходу оптичних променів SR, та допоміжного дзеркала M2, другого по ходу оптичних променів. Головне параболічне дзеркало сонячного концентратора представляє собою тарілкоподібний параболічний концентратор, форма якого утворена обертанням параболи відносно своєї осі. Виготовлення тарілкоподібного концентратора великих розмірів пов'язано з труднощами, тому на практиці використовують дзеркальний фацетний концентратор (Mirror faceted concentrator), що складається з окремих дзеркал плоскої або криволінійної форми, які формують загальну відбиваючу поверхню. Підкладкою дзеркалам слугують скляні або металеві пластини. Як відбиваюче покриття використовується срібло або алюміній. Дзеркальний концентратор збирає сонячні випромінювання у фокальній площині у вигляді точкової плями.
Сонячний концентратор встановлюється на системі слідкування за Сонцем TK, що є електромеханічним пристроєм, який спрямовує оптичну на Сонце з метою максимального збирання на поверхні приймача сонячних випромінювань.