SOLÁRNÍ SYSTÉM S PARABOLICKÝM REFLEKTOREM (SOLAR DISH SYSTEM)

1. Popis systému

Parabolické solární systémy přeměňují tepelnou energii slunečního záření na mechanickou

a následně na energii elektrickou. Jak je naznačeno na obr. 1, systémy využívají zrcadla

uspořádaná tak, aby na ně dopadající přímé slunečního záření bylo zkoncentrováno na

absorber jednotky vyrábějící elektrickou energii (skládající se ze Stirlingova motoru, či

plynové turbíny a generátoru el. energie), za účelem dosáhnout požadovaných teplot účinných

k přeměně tepla na práci. To vyžaduje, aby parabolický reflektor byl schopen sledovat slunce

ve dvou osách. Zkoncentrované sluneční záření je pohlcováno absorberem a předáváno

Stirlingovu motoru.

Obr. 1 Schéma solárního systému s parabolickým koncentrátorem. Na obrázku je prezentovaná kombinace čtyř

25kW sytému představující jednu jednotku pro výrobu elektrické energie..

Charakteristikou systémů s parabolickým reflektorem je vysoká účinnost, modularita,

samostatné řízení a vlastní způsobilost (schopnost využívat jak solární energii, tak fosilní

paliva, či obojí). Ze všech solárních technologií, systém s parabolickým koncentrátorem

demonstroval nejvyšší účinnost přeměny solární energie na elektrickou (29,4 %) a tudíž má

možnost se stát jedním z nejméně nákladných zdrojů obnovitelné energie. Modularita těchto

systémům je dovoluje samostatně rozmístit pro vzdálené aplikace, nebo je seskupovat

dohromady do malých sítí. Tato technologie je ve stadiu technického vývoje a zůstává být

výzvou týkající se solárních komponentů a komerčního využití. Následně jsou popsány

jednotlivé komponenty solárního systému s parabolickým koncentrátorem.

Koncentrátor Solární systém s parabolickým koncentrátorem využívá solárních kolektorů ke sledování

slunce ve dvou osách. Odrazivá plocha, pokovované sklo nebo plast, odráží dopadající

sluneční radiaci do malé oblasti nazývané ohnisko. Velikost solárního koncentrátoru je dána

motorem. Při maximálním přímém slunečním záření 1000 W/m2 má zmíněný systém, o

výkonu motoru 25kWe, koncentrátor s průměrem přibližně 10 m.

Pro odrazivou plochu koncentrátorů se používá hliník nebo stříbro, navrstvený na skle

nebo plastu. Nejvíce odolné povrchy jsou stříbro/skelná zrcadla, podobném těm, která se

užívají v domácnostech. Pokusy o vývoj nízkonákladových odrazivých vrstev z polymeru

měly omezený úspěch. Jelikož parabolické koncentrátory mají krátkou ohniskovou

vzdálenost, jsou vyžadována relativně tenkoskelná zrcadla (tloušťka přibližně 1 mm)

kvůli přizpůsobení se potřebným zakřivení. Kromě toho, skla s nízkým obsahem železa jsou

vhodná pro vylepšení odrazivosti. V závislosti na tloušťce a obsahu železa mají postříbřená

zrcadla poměry odrazivosti v rozmezí 90 až 94 %.

Tvar ideálního koncentrátoru je rotující paraboloid. Některé solární koncentrátory se

k tomuto tvaru téměř přibližují svým kruhovým zakřivením podepíraným nosným systémem

prutů. Novinkou v úpravě solárních koncentrátorů je použití napjatých membrán s tenkými

odrazivými membránami, které se napínají přes hranu či ohyb. Druhá membrána tak slouží

jako uzavření prostoru za odrazivou, ve kterém je částečně vyčerpán vzduch za účelem

přizpůsobit odrazivou membránu kulovitému tvaru (obr. 2).

Obr. 2 Schéma solárního systému s napnutým zrcadlovými membránami.

Poměrná koncentrace, definovaná jako poměr průměrného slunečního toku záření

procházející štěrbinou absorberu ku oslunění odrazivé plochy kolmo dopadajícími slunečními

paprsky, je přes 2000. Poměr zachycené frakce odráženého slunečního toku, které prochází

štěrbinou absorberu, obvykle činí přes 95 %.

Sledování slunce je provedeno dvojím způsobem, (1) natáčením dle azimutového úhlu, a

polárním natáčením (2). Během natáčení dle azimutového úhlu se paraboloid natáčí v rovině

paralelní se zemí (azimut) a v rovině k ní kolmé (náklon). Tomu odpovídá rotace zleva

doprava a odspodu nahoru. Rychlosti otáčení se mění během dne, avšak to může být

jednoduše spočítáno. Většina solárních systému s parabolickým koncentrátorem používají

tuto metodu ke sledování slunce.

Polárním sledováním slunce se kolektor otáčí okolo osy rovnoběžné s osou rotace země.

Kolektor se otáčí konstantní rychlostí totožnou s úhlovou rychlostí země, tedy 15°/hod.

Druhou osou otáčení je osa sluneční deklinace, jenž je kolmá na osu poláry. Pohyb kolem této

osy se vykonává velmi pomalu, neboť během roku se mění od + 23° do – 23°. Tento způsob

sledování slunce využívají spíše menší solární systémy.

Absorber Absorber pohlcuje energii odraženou z koncentrátoru a předává ji pracovnímu plynu

motoru. Plocha absorberu je obvykle umístěna za ohniskem koncentrátoru za účelem přivést

na ní dopadající hustotu proudu záření. Aby byly sníženy ztráty radiací a konvekcí je ohnisko

soustředěno do otvoru. Pro každý z motorů je problémem rozhraní styčných ploch. Absorbery

Stirlingova motoru musí účinně přenést koncentrovanou solární energii k vysokotlakému

oscilujícímu pracovnímu plynu, obvykle heliu, či vodíku.

Jsou dva základní typy Stirlingových absorberů – přímo osvícený (DIR – Direct-

illumination receivers ) a nepřímo osvíceny absorber, který využívá jako prostředníka pro

přestup tepla další teplonosnou tekutinu. Absorbery osvícené přímo mají teplosměnné trubky

motoru (žárnice) přizpůsobeny k absorbci koncentrovaného solární záření. Kvůli schopnosti

vysokotlakého helia a vodíku rychle přenést velké množství tepla, absorbery osvícené přímo

mohou pohlcovat vysoké úrovně slunečního záření (přibližně až 750 kW/m2). Vyrovnávání

teplot a přírůstku tepla mezi válci Stirlingova motoru je však problémovou záležitostí.

Tento problém pomáhají řešit tepelná trubice s tekutým kovem. Její popis a princip je

následující: tepelná trubice představuje uzavřenou trubici z mědi, hliníku, bronzu, oceli aj.,

která je vakuována a potom zčásti naplněna vhodným teplonosným médiem (obr. 3). Náplň

trubice se řídí podle teplotního rozsahu, ve kterém bude pracovat. Část trubice, na kterou jsou

tepelně vázány elementy předávající ztrátové teplo se nazývá výparná část. Díky podtlaku,

který je v trubici, dochází k vypařování a k varu teplonosného média ve výparné části při

nižších teplotách, než při atmosférickém tlaku.

Obr.3: Schéma kapilární tepelné trubice

Vzniklé páry proudí vnitřním prostorem trubice do kondenzační části, kde kondenzují a

předávají teplo vnějšímu prostředí. Návrat kondenzátu se uskutečňuje stékáním působením

zemské gravitace nebo kapilárními silami. Kapilární soustava na vnitřním povrchu tepelné

trubice je tvořena jemnými pravoúhlými nebo trojúhelníkovými drážkami, jemným sítem,

sintrováním atp. Hladké gravitační trubice se, bez významnějšího nárůstu tepelného odporu,

užívají pro sklon 15° až 90° od horizontální roviny. Kapilární soustavy se používají i pro

obvod tepla shora dolů (antigravitační poloha) tedy úhel až -90°.

V absorberu Stirlingova solárního motoru se na ploše tepelné trubice odpařuje tekutý

sodík a následně kondenzuje na žárnicích Stirlingova motoru (obr. 4). Z toho vyplývá rovno-

Obr. 4 Schéma přijímače Stirlingova solárního motoru s aplikací tepelné trubice

měrná teplota na žárnicích, umožňující tak vyšší pracovní teplotu pro daný materiál a tudíž

vyšší účinnost motoru (díky vyvarování se pnutí v materiálu způsobené prudkými změnami

teplot-nerovnoměrnost slunečního záření). Tepelná trubice v absorberu izotermicky přenáší

teplo odpařováním sodíku a následnou jeho kondenzací na žárnicích motoru. Sodík se pasivně

vrací do absorberu díky gravitaci a je distribuován přes absorber pomocí kapilárních sil do

kapilárního soustavy. Technologie přijímačů Stirlingových motorů je dále diskutována

v publikaci od Divera a spol.: Trends in Dish-Stirling Solar Receiver Design, proceedings of

the IECEC, Reno, NV (1990). Absorbery s tepelnou trubicí tak ukázaly výrazné vylepšení

výkonnosti už tak efektivních parabolických Stirlingových jednotek měnící sluneční energii

na energii elektrickou. Jejich účinnost přenosu energie z koncentrátoru do motoru

(pracovnímu plynu) je okolo 90 %.

Plášť přijímače musí zajistit neprodyšný obal pro všechny provozní teploty tak, aby

systém řádně fungoval. Pokud jsou přítomny nezkapalnitelné plyny, tak budou během

obvyklých pracovních teplot zasahovat do toku par sodíku a způsobovat velké poklesy teplot

v kondenzační zóně. Velké teplotní rozdíly mezi výparníkem a kondenzátorem jsou často

příčinou netěsností v systému. To může také poukazovat na to, že plyny, jakými je třeba právě

vodík, difunduje skrz stěny přijímače. Difůze vodíku byla trvalým problémem u dřívějších

tepelných trubic s plynovým spalováním, ale tomu může být zabráněno použitím zředěné

směsi plynu (s 50 % přebytkem spalovacího vzduchu). Pokud vzduch vnikne do tepelné

trubice, pak přítomný kyslík se bude prudce slučovat se sodíkem za vzniku extrémně

korozivní sloučeniny působících při zvýšených teplotách.

V dřívějších prototypech přijímačů byla pro jejich plášť požívána nerezavějící ocel třídy

316L (s vysokým obsahem Molybdenu: Fe, <0.03% C, 16-18.5% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo,

<2% Mn, <1% Si, <0.045% P, <0.03% S). Bylo celkově vypozorováno, že pevnost

v namáhání překračuje doporučitelné meze. Pro pozdější návrhy bylo tedy použito

superslitiny Niklu (Haynes 230), která má v porovnání s nerezavějící ocelí vyšší meze

pevnosti a při zvýšených teplotách větší odolnost vůči korozi. Vlákna nerezavějící ocel třídy

316L, či slinutého Niklu, byly použity v mnoha testovaných zařízeních jako materiál pro

kapilární soustavu tepelné trubice. V současné době se ukazuje, že „kovová plsť“ vyrobená

z drátků o průměru 8µm použita při plošné hustotě 900 g/m2 a slisována do tloušťky 4 mm

poskytuje tu nejlepší strukturu pro kapilární soustavu tepelné trubice. Plsť je připevněna do

klenby přijímače (viz. Obr. 3) spečením ve vakuu za teploty 1150 °C po dobu jedné hodiny.

Bylo zjištěn, že spečené spojení se zlepší tryskáním. Sestavení tepelné trubice je provedeno

pomocí obloukového svařování, ale také i pomocí pájení v oblasti výskytu sodíku. Byly

vypozorováno několik poruch, jak ve svarech, tak v oblastech výparníku tepelné trubice

soustřeďujícího vysoký tok záření. Avšak od doby, kdy byla provedena výměna za materiál

typu Haynes 230, nebyly na plášti zjištěny žádné závady. Koroze vznikající ve struktuře

kapilární soustavy a jeho mechanické vady jsou nejčastějšími problémy s kterými se potýkají

tepelné trubice.

Jednotka na přeměnu sluneční energie

Jednotka pro přeměnu sluneční energie v solárním systému s parabolickým reflektorem

přeměňuje teplo (sluneční energii) na mechanickou energii stejným způsobem, který je

typický u konvekčních motorů. Tedy stlačováním studeného pracovního média, jeho

ohříváním a následnou expanzí skrz turbínu či válec konající práci. Mechanická práce je

přeměněna na elektrickou energii pomocí elektrického generátoru, tedy alternátoru. Bylo

uvažováno několik termodynamických oběhů. Mezi ně patří oběh Rankinův, používající

vodu, nebo ekologickou pracovní tekutinu; otevřený, či uzavřený Braytonův oběh; a oběh

Stirlingův. Byly též uvažovány další neobvyklé termodynamické oběhy. Použití tradičních

oběhů Ottova a Dieselova motoru není vhodné z důvodu jejich velmi náročného sjednocení s

koncentrovanou sluneční energií. Během oblačných dní, či noci, může být teplo dodáváno

pomocí dodatečného zdroje, např. plynovým hořákem. Elektrický výkon současných

prototypů solárních systémů s parabolickým koncentrátorem je kolem 25 kWe u Stirlingova

a kolem 30 kWe u Braytonova motoru.

Stirlingův motor

Stirlingův motor používaný v solárním systému s parabolickým koncentrátorem je

vysokoteplotní a extrémně vysokotlaký motor využívající vodík, či helium jako pracovní plyn

(teplota pracovního plynu přesahuje 700 °C (1292 °F) a jeho tlak dosahuje 20 Mpa). Ve

Stirlingově oběhu je pracovní plyn střídavě ohříván a chlazen během izotermických a

izochorických dějů. Ke zvýšení účinnosti je do Stirlingova motoru začleněn regenerátor, který

v sobě při izochorickém chlazení pracovního plynu teplo uchovává, a vrací zpět, když je plyn

izochoricky ohříván. Existuje několik mechanických konfigurací, které vykonávají zmíněné

izotermické a izochorické děje. Nejvíce se používá pístů ve válcích. Některé využívají tzv.

přemisťovací píst, který je ve válci umístěn s velkou vůlí tak, aby mezi pístem a stěnou válce

vznikal prostor a pracovní plyn tak mohl podél stěn přetékat z ohřívaného konce válce do

ochlazovaného a zpět. U většiny zkonstruovaných motorů je z kinematiky otáčení klikové

hřídele odvozen výkon. Výjimkou je uspořádání s volným pístem, kde písty nejsou nijak

poháněny klikovou hřídelí či jiným mechanismem, ale kmitají pomocí pružin a výkon je tak

dán přímo alternátorem (doposud nebyl žádný ze Stirlingových motorů s volným pístem

použit pro solární systémy s parabolickým koncentrátorem). Nejlepší účinnosti přeměny

tepelné energie na mechanickou pomocí Stirlingova motoru bylo dosaženo kolem 40 %.

Stirlingovy motory jsou tak hlavními kandidáty pro využití v solárních systémech

s parabolickým koncentrátorem, neboť jsou přizpůsobivé koncentrovanému slunečnímu

záření a mají vysokou účinnost.

Alternátor

Zařízení použité v solárních systémech s parabolickým koncentrátorem pro přeměnu

mechanické energie na elektrickou závisí na použitém motoru a jeho využití. Na rozvodnou

elektrickou síť je Stirlingův motor napojen přes asynchronní generátor. Asynchronní

generátor tak dodává do sítě, s kterou je synchronizován, třífázové napětí 230 nebo 460 V.

Alternátory ve kterých je elektrický výkon podmíněn usměrněním střídavého proudu na

stejnosměrný a pak obráceně na střídavý způsobuje neshodu mezi otáčkami motoru a

elektrickou sítí. Např. výkon vysokootáčkové plynové turbíny je převeden na

vysokofrekvenční střídavý proud ve vysokootáčkovém alternátoru, po té na stejnosměrný

proud pomocí usměrňovače a nakonec měničem na střídavý proud o frekvenci 50 Hz.

Chladič

Tepelným motorů je potřeba odvádět odpadní teplo do okolí. Ve Stirlingově motoru je

pro tento účel použit chladič. Požadovaný potřebný příkon pro provoz chladících zařízení,

řídících členů koncentrátorů a regulace se pohybuje kolem 1 kWe.

Historie

Technologie s parabolickým koncentrátorem je jednou z nejstarších slunečních

technologií vůbec, datující od roku 1800, kdy několik společností demonstrovalo Rankinův

parní systém a systém založený na Stirlingově oběhu poháněný sluneční energií. Koncem 70.

a na počátku 80. let 20. stol začala být vyvíjena moderní technologie následujícími

společnostmi: United Stirling AB, Advanco Corporation, McDonenell Douglas Aerospace

Corporation (MDA), NASA’s Jet Propulsion Laboratory, a DOE. Tato technologie využívala

přímo osluněný trubicový absorber, kinematický Stirlingův motor s označením United

Stirling 4-95 vyvinutý pro využití v automobilové technice, a zrcadlové parabolické

koncentrátory. Skica Stirlingova jednotky pro přeměnu energie (PCU), včetně přímo

osvětleného absorberu, je zobrazena na obr. 5

Obr. 5 Skica kinematického Stirlingova motoru – United Stirling 4-95.

Prototyp PCU od společnosti Advanco, o nominálním výkonu 25 kWe, zaznamenal rekord

v účinnosti přeměny sluneční energie na elektrickou 29,4 %. Tato účinnost je definována jako

poměr čisté elektrické energie dodávaná do sítě, beroucí v úvahu ztrátové výkony na provoz

doprovodných zařízení, ku slunečnímu záření dopadajícího kolmo na zrcadla. Společnost

MDA se následně pokusila vlastně navržený systém, obsahující tuto jednotku s parabolickými

koncentrátory, komercializovat. Celkem 8 prototypů systému bylo společností MDA

vyrobeno předtím, než byl program v roce 1986 zrušen a práva týkající se technického

vybavení a technologie byla prodána společnosti Southern Kalifornia Edison (SCE).

Navzdory vynikajícím technickým úspěchům se solárním systémem s parabolickým

koncentrátorem a Stirlingovým motorem, se společnost MDA rozhodla zrušit nejen tento

program, ale i všechny aktivity týkající se energie. Přitom zmíněné systémy od MDA běžně

dosahovaly čisté účinnosti přeměny dopadajícího slunečního záření na zrcadla koncentrátorů

na elektrickou energii kolem 30 %. Společnosti Southern Kalifornia Edison pokračovala

v denním testování tohoto systému od roku 1986 do 1988. Během posledního roku provozu

byla dosáhnuta průměrná roční účinnost kolem 12 %., zahrnující nejen výpadky provozu, ale i

další vlivy, jakými třeba je znečištěné zrcadel apod. Tato hodnota je opět rekordem pro

solární energetické systémy. Bez výpadků provozu, byla průměrná roční účinnost stanovena

přes 23 % jako dosažitelná.

Na počátku 90. let se společnost Cummins Engine Copany pokusila komercializovat

Stirlingův solární systém s parabolickým koncentrátorem založený na volném pístu

Stirlingova motoru. Vývoj byl podporován „virtuální“ laboratoří SunLab zabývající se

programy solární energetiky. V roce 1991 tak začal program Dish/Stirling Joint Venture

Program (DSJVP) mající za cíl vyvinout 5 a 10 kW solární systémy s parabolickým

koncentrátorem a Stirlingovým motorem. Druhý program, The Utility Scale Joint Ventura

Programe (USJVP), začal v roce 1993 s cílem vyvinout 25 kW sytém pro užitkové aplikace.

Jelikož se však společnost Cummins rozhodla spíše zaměřit na obchodování s dieselovými

motory, zrušila v roce 1996 svůj vývoj v solární energetice. Technické obtíže se Stirlingovým

motorem, pracujícím na bázi volného pístu, tak nebyly nikdy vyřešeny.

Současné aktivity

V roce 1993 však byla zahájen další kontrakt mezi společnostmi Science Applications

International Corporation (SAIC) a Stirling Thermal Motors (STM) na vývoj Solárního

systému s parabolickým koncentrátorem a Stirlingovým motorem. V první etapě tým

SAIC/STM úspěšně předvedl jednotku o výkonu 20 kWe. V prosinci roku 1996, společnost

Arizona Public Compny (APS) společně se SAIC a STM postavila a demonstrovala dalších

pět prototypů Solárního systému s parabolickým koncentrátorem v časovém rámci 1997-

1998. SAIC a STM nyní pracují na technickém vybavení nové generace zahrnující verzi

motoru STM 4-120 třetí generace, koncentrátoru s napnutými fasetovanými membránami a

přímo osvětlovaném hybridním absorberu. Celkovým cílem je snížit náklady při stejných

vykazovaných výkonech.

2. Aplikace, výhody a vlivy systému

Vlastnosti solárních systémů s parabolickým koncentrátorem jsou vysoká účinnost,

univerzálnost a možnost hybridního provozu. V porovnání s jinými solárními technologiemi

přispívá vysoká účinnost k vysoké hutnosti výkonu a nízkým nákladům. Vyžadují přibližně

1,2 až 1,6 ha plochy na MWe v závislosti na systému a síti. I když současné náklady na

instalaci prototypů systému překračují 12 000 $/kWe, tak při zavedení sériové výroby by se

náklady mohly přiblížit 1400 $/kWe. Tyto relativně nízké náklady jsou do jisté míry

výsledkem vlastní vysoké účinnost systému.

Užitkové aplikace

Díky univerzálnosti a hybridní schopnosti mají solární systémy s parabolickým

koncentrátorem široký potenciál využití. V principu jsou schopny zajistit výkon v rozsahu od

kilowatů po gigawaty. Nicméně se očekává, že jejich největší působení v elektrické síti se

bude pohybovat v rozmezí od 1 do 50 MWe. Jejich největší tržní potenciál tvoří velké

elektrárny napojené na rozvodnou síť. Schopnost rychlé instalace, vlastní modularita, a

minimální dopad na životní prostředí, je staví do role hodnotného kandidáta pro nová

špičková silnoproudá zařízení. Výkony z mnoha modulů mohou být spřaženy do tzv. farem

za účelem produkce prakticky jakéhokoli požadovaného výkonu. Navíc, další systémy mohou

být přidávány dle zvyšujících se požadavků. Doba špičkového výkonu se často shoduje

s dobou špičkového odběru. Ačkoliv solární systémy s parabolickým koncentrátorem

v současné době nemají efektivní systém pro akumulaci energie, jejich schopnost provozu

s fosilními či bio palivy tento problém zatím dostatečně řeší.

DALŠÍ APLIKACE

…..

Hybridizace

Jelikož solární systémy s parabolickým koncentrátorem využívají tepelné motory, mají

možnost být provozovány s použitím fosilních paliv. Využití stejných zařízení pro přeměnu

energie zahrnujících motor, generátor, elektrické instalace, spínací zařízení atd., znamená, že

stačí pouze přidání spalovací komory na fosilní paliva, aby bylo dosaženo hybridizace

systému. Názornou ukázkou takového hybridního systému je solární systém s parabolickým

koncentrátorem a spalovací turbínou. Hybridní spalovací komora je za abosrberem slunečního

záření (obr. 6),

Obr. 6 Schéma hybridního solárního systému s parabolickým koncentrátorem a spalovací turbínou.

prakticky nemající žádný nepříznivý vliv na výkonnost zařízení. Jelikož ve skutečnosti

plynová turbína může nepřetržitě pracovat v navrženém pracovním bodě, v němž účinnost je

optimální, je celková účinnost systému vyšší. Předpokládaná účinnost systému, založená na

vyšší ohřívací teplotě spalovacího vzduchu, je tak kolem 30 %. Na druhou stranu, u solárních

systémů s parabolickým koncentrátorem a Stirlingovým motorem je přidání spalovací komory

problematické. Požadované vysokoteplotní izotermického dodávání tepla z vnějšku je u

Stirlingových motorů jednodušší integrovat se solárním teplem než teplem ze spalování.

Simultánní integrace je dokonce obtížnější kvůli geometrickým omezením. Následkem toho

se náklady na tento hybridní solární systémy s parabolickým koncentrátorem a Stirlingovým

motorem navýší o 250 $/kWe (při sériové výrobě). Tyto náklady jsou však při použití u

malých vesnic menší než náklady na přídavný samostatný dieselový generátor nebo na

přídavnou plynovou turbínu pro větší aplikace. Za účelem zjednodušení integrace dvou zdrojů

tepla budou první hybridní systémy se Stirlingovým motorem pracovat buď se solární energií,

nebo s plynem (ne současně). I když se předpokládá, že náklady na tyto systémy budou nižší

než na kontinuálně se měnící hybridní systémy, jejich pracovní přizpůsobivost bude značně

omezena. Předpokládaná účinnost hybridního systému se Stirlingovým motorem je kolem

33%.

Vliv na životní prostředí

Vlivy solárního systému na životní prostředí jsou minimální. Stirlingovy motory a

dokonce i spalovací turbíny jsou známy jako tiché ve srovnání s benzinovými a dieselovými

motory. Největším zdrojem hluku u Stirlingových motorů je chladící ventilátor chladiče.

Z důvodu malého počtu rozmístění nelze zatím realisticky posoudit jejich vliv na pohledový

ráz krajiny. Obrysy systémů mohou sahat až 15 m nad úroveň krajiny. Avšak z estetického

hlediska by neměly být příliš rušivé. Solární parabolický systém se navíc podobá satelitním

parabolám, které jsou obecně uznávané. Produkované emise jsou též dost nízké. Během

provozu nejsou produkovány žádné jiné tekuté odpady, kromě úniků zanedbatelného

množství motorového oleje, či maziva z převodovky. Dokonce i při provozu spalovacího

procesu s fosilními palivy, používaného jak u Stirlingova motoru, tak u spalovací turbíny,

jsou hodnoty emisí extrémně nízké. Což je právě požadavek na hybridní vozidla a

kogenerační jednotky, pro které byly tyto motory původně vyvinuty.

3. Technologické předpoklady a otázky

Kromě zkušebních prototypů, nejsou v současnosti solární systémy s parabolickým

koncentrátorem komerčně dostupné. Výchozí technologický rok 1997 představuje 25 kWe

Stirlingův systém vyvinutý firmou McDonnell Douglas Aerospace (MDA), v polovině 80 let

vylepšený o Kockums 4-95 nebo STM 4-120 kinematický Stirlingův stroj.

Za předpokladu úspěchu současných společností zabývající těmito systémy, může být

možná jejich dostupnost na trhu v horizontu 2 až 4 let. Původní systémy z r. 1997 obsahují

parabolický koncentrátor skládající se zrcadlových panelů. Absorberem je přímo osvícená

trubice. V důsledku extenzivního vývoje motorů STM 4-120 a Kockum se očekává, že nynější

technologie (pro rok 2000 až 2005) dosáhnou výrazných zlepšení motorů, a tudíž

zdvojnásobení průměrné roční účinnosti oproti r. 1997 (z 12 na 23 %). Na rok 2010 a dále se

předpokládá, že systémy budou moci těžit z vylepšení týkajících se parabolických

koncentrátorů a technologie motorů. Tato analýza, uvažující i zavedení absorberů s tepelnými

trubicemi, předpokládá zlepšení účinnosti o dalších 10 % oproti technologickému roku 1991.

Zavedením zdokonalených materiálů a/nebo začlenění keramiky či nové koncepce objemové

absorpce by mohlo být dosaženo významných vylepšení výkonu systému v porovnání s r.

1997. Příznivý vývoj pokročilých konceptů by mohl mít z následek větší navýšení účinnosti,

než zmiňovaných 10 %. Jelikož však v těchto oblastech neprobíhají žádné významné aktivity,

nejsou tyto koncepty v této analýze zahrnuty.

Popisovaný systém je umístěn v oblasti vysokého přímého slunečního záření (2,7

MWh/m2.rok), v oblasti Mojavské poušti v Jižní Kalifornii.

Požadavky výzkumu a vývoje

Primární potřebou výzkumu a vývoje pro technologie s parabolickým koncentrátorem je

zavedení komercializace solárního motoru. Druhou potřebou zmiňovaného výzkumu a vývoje

je komerčně využitelný absorber Stirlingova motoru s tepelnou trubicí, hybridní konstrukce

absorberu se spalovací komorou opět pro Stirlingův motor, a ověřený absorber pro spalovací

turbínu. Se všemi třemi problematikami se v současnosti vypořádává společnost SunLab a její

partneři, jako součást programu DOE Solar Thermal Electric Program. Kromě toho je navíc

potřeba vylepšit komponenty koncentrátoru, konkrétně pohony, prvky optiky, a konstrukce,

třebaže s malým úsilím.

Vývoj produktu a jeho začlenění do systému jsou základními problematikami jakéhokoliv

nového produktu. Například, i když společnost MDA úspěšně vyřešila mnoho problémů u

vlastního navrženého solárního systému, jejich metody možná nebudou mít vůbec žádné

uplatnění pro jiné návrhy. Problematiky, jakými jsou například zajištění přepravy a

zásobování, vypracování algoritmů řízení, problematika vlastní výroby včetně zrcadel a

problematika dalších navazujících metod jsou sice relativně schůdné, nicméně pro jakýkoli

každý návrh vyžadují vlastní řešení. Kromě toho, pokud nejsou správně formulovány, mohou

nepříznivě ovlivnit náklady.

Perspektivní možnosti vývoje

Kromě výzkumu a vývoje, který usnadňuje komercializaci průmyslově vyráběných

motorů zmíněných výše, se nabízejí vysoce výnosné příležitosti pro motory, navržené

výhradně jen pro solární aplikace.

Z termodynamického hlediska je pro Stirlingovy motory nejvhodnější solární tepelná

energie, neboť může za vysokých teplot poskytovat energii izotermicky nejúčinněji. Dalšími

možnostmi, z nichž se dá těžit, jsou použití žáruvzdorné keramiky nebo vývoj „objemových“

absorberů, které využívají jedinečné vlastnosti koncentrovaného slunečního záření. Objemové

absorbery využívají sluneční energii bez toho, že by zahrnovaly problematiku přenosu tepla,

která souvisí s vedením tepla tlakovou nádobou. Této problematice se vyvarovávají tím, že

solární záření přenášejí skrz tavenou křemennou desku jako světlo, takže mohou pracovat za

značně vyšších teplot, se značně širší plochou přenosu tepla, s omezením veličin

poškozujících stroj a při použití zlomku nákladných vysoceteplotních slitin, požadovaných

v současných stirlingových strojích. Podrobné studie ukazují, že by tak průměrná roční

účinnost solárně-elektrické přeměny mohla prakticky přesáhnout 30%. Podobné navýšení

účinnosti může být dosaženo použitím žáruvzdorných keramických materiálů.

4. Provoz a náklady

V následujícím období 5 až 10 let lze očekávat pouze pokroky ve vývoji. Ekonomická

průchodnost solárních systémů s parabolickými koncentrátory lze zvýšit, pokud bude možno

pro „solarizovaný“ motor (tj. motor napojený na sluneční energii) nalézt další využití.

Nejlepšími uchazeči jsou kinematické Stirlingovy motory STM 4-120 a Kockum 4-95 pro

hybridní vozidla a průmyslové generátory a plynové turbíny. Za předpokladu, že právě tento

typ motoru prorazí na trh, usnadní to snadnější komercializaci solárních systémů

s parabolickým koncentrátorem a Stirlingovým motorem. S významně sníženými náklady a

riziky spojené s přeměnu energie, by zbývaly k vyřešení otázky týkající se koncentrátoru,

absorberu a řízení. Některým projektantům a investorům se provozní zkušenosti, předvedená

odolnost a spolehlivost zbylých komponentů systému, stejně tak i schopnosti nákladů a

provozu solární techniky s parabolickým koncentrátorem, můžou jevit jako velmi atraktivní.

Modularita celého systému pak pomůže usnadnit jeho zavedení. Projektanti mohou ocenit

prototypy systémů bez rizik spojených s mnohamegawattovými instalacemi.

Komercializace věžových solárních elektráren, a tudíž i heliostatů, spolu se zavedením

„solarizovaného“ motoru, by v podstatě zaručovalo masivní odvětví solárních systémů

s tepelnými motory. Navýšení výrobních objemů za předpokladu možnosti zahrnující pohon

koncentrátorů, jejich zrcadel, konstrukcí a řídících komponentů, by podstatně snížilo výrobní

náklady a poskytlo levný solární výrobek, který by konkuroval na trhu s elektrickou energií o

výkonech 25 až 50 MWe.