Реферат: Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Помимо характеристик солнечного коллектора, другими важными показателями типичной СВУ являются ее расчетная производительность по нагреваемой воде (расчетный объем потребляемой нагретой воды в сутки V_сут ), объем бака-аккумулятора V_ак , режимные показатели (расход воды в контуре СВУ, график разбора воды к потребителю) и некоторые другие.
Типичная установка предусматривает суточную производительность V_сут = 100 л/сут. В соответствии с имеющимся опытом этого достаточно для обеспечения умеренных суточных бытовых потребностей 2–3 человек в теплой воде. Увеличение расчетного суточного потребления воды может быть удовлетворено путем пропорционального увеличения площади солнечных коллекторов и объема бака-аккумулятора (масштабный фактор). С помощью масштабного фактора полученные в данной работе для типичной СВУ результаты могут быть использованы для более крупных установок.
Площадь солнечных коллекторов. Для рассматриваемой СВУ – это параметр, изменяющийся в диапазоне 1–3 м² . Как правило, в характерных для большинства районов России климатических условиях для нагрева в сутки 100 л большей, чем 3 м² площади солнечного коллектора не требуется и экономически не обосновано.

Режимные параметры. Для типичной СВУ предполагается, что расход воды через солнечный коллектор равен 50 л/(м² •ч). Он может быть обеспечен как с помощью циркуляционного насоса, так и в хорошо спроектированных установках за счет естественной циркуляции воды. Выбор данного (оптимального для СВУ) значения удельного расхода обусловлен следующими соображениями. Увеличение удельного расхода более 50 л/(м² •ч), не приводит к заметному увеличению КПД солнечного коллектора, но сопряжено с увеличением мощности и соответственно стоимости насоса или с необходимостью неоправданного подъема бака-аккумулятора над солнечным коллектором для обеспечения соответствующей интенсивности естественной циркуляции воды в контуре.

Во многих богатых солнцем районах земного шара люди испытывают недостаток пресной воды. И неуди­вительно, что издавна солнечную энергию здесь ис­пользовали для получения питьевой воды из загряз­ненных или соленых источников. Для этой цели применяли разнообразные устройства различной сте­пени сложности. На рис. 5 показана одна из простей­ших систем подобного назначения. Предназначенная для очистки вода набирается в поддон, расположенный в нижней части устройства, где она нагревается за счет поглощения солнечной энергии. Поверхность под­дона обычно чернят, так как вода почти беспрепятственно пропускает коротковолновую часть солнечного излучения (иногда воду подкрашивают в черный цвет, и она становится поглотителем). С повышением температуры движение молекул воды становится бо­лее интенсивным и часть из них покидает поверхность воды. Насыщенный водяными парами воздушный поток поднимается вверх, охлаждается; соприкасаясь с поверхностью прозрачного покрытия, пары частично конденсируют­ся, а образовавшиеся капли стекают по ней вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

Рис. 5. Простой солнечный опреснитель

Для повышения эффективности системы необхо­димо, чтобы при конденсации на поверхности покрытия образовывалась водная пленка, так как при конденса­ции воды в виде капель значительная часть падающей на поверхность покрытия солнечной радиации отражается ими; даже при сравнительно больших, углах наклона поверхности, когда вода довольно быстро стекает, примерно половина всей поверхности покрытия занята каплями воды. На тщательно очищенной от следов жира стеклянной поверхности обычно образуется пленка воды, тогда как почти на всех, даже более чистых пластмассовых поверхностях сконденсированная вода выпадает в виде капель. На некоторых новых пластических материалах возможна пленочная конденсация воды, но такие материалы вследствие высокой стоимости (приближающейся к стоимости стекла) для рассматриваемых целей непригодны.

Очевидно, что производительность такой солнечной опреснительной установки меняется в течение дня в соответствии с изменением интенсивности солнечной радиации Р. При очень мелком поддоне скорость получения питьевой воды в любой момент времени зависит только от величины Р. При глубоком поддоне температура воды устанавливается лишь через несколько дней, и в дальнейшем питьевую воду можно полу­чать непрерывно на протяжении суток. Для этого необходимо, чтобы количество воды в таком резер­вуаре во много раз превышало дневную производи­тельность установки, например 100 кг/м² при глубине около 10 см.

Одним из недостатков подобного рода опреснительных установок является сезонное изменение их производительности. Предпринимались различные по­пытки преодолеть эту трудность. Например, была предложена установка, в которой вода испарялась с листа темного поглотителя, впитывавшего воду по­добно фитилю. Положение такого поглотителя можно регулировать; его можно наклонить так, чтобы интенсивность падающего излучения была максимальна и, как следствие этого, обеспечивалась максимальная производительность установки на протяжении года. Другим хорошо известным типом опреснителя является плавающая пластмассовая установка, включаемая в снаряжение летчиков и моряков многих государств.

Другие применения солнечного тепла

На протяжении столетий человек использовал теп­ловое действие солнечных лучей в различных областях своей деятельности, многие из которых имеют важ­ное экономическое и социальное значение в развитии общества. Например, для получения соли путем вы­паривания ее из морской воды или сушки таких пи­щевых продуктов, как фрукты и рыба. Обычно подоб­ные заготовки носят сезонный характер. Удаление воды из пищевых продуктов предотвращает размно­жение в них бактерий и позволяет сохранить их в те­чение года.

Сушка на солнце происходит медленно, и это ограничивает производительность таких процессов, как получение соли, заготовка дров, каучука и т.п. Ускорение сушки позволяет повысить эффективность перечисленных процессов. Проводятся поиски возможных путей повышения эффективности сушки за счет более рационального размещения обезвоживаемых предме­тов на солнце и лучшего использования солнечной энергии. Примером подобного исследования может служить работа, проведенная в Национальной физи­ческой лаборатории Индии. Было показано, что с по­мощью простейших солнечных концентраторов можно существенно ускорить процесс сушки пальмовых листьев и сахарного тростника, которые используются сельскими жителями в качестве топлива и для полу­чения сахара.

Солнечное излучение также используется и для приготовления пищи. Один из вариантов конструкции солнечной печи по­казан на рис. 6 . Такая простая печь быстро нагре­вается и позволяет приготовить пищу за несколько часов. Затраты энергии на приготовление пищи (около 300 Вт-ч/кг) обычно не превышают количества энер­гии идущей на нагревание самой печи. Если печь за­щищена от ветра, равновесная температура устанав­ливается в ней в течение часа. Для более быстрого приготовления пищи и осуще­ствления таких требующих высокой температуры про­цессов, как, например, жарение, солнечные печи снаб­жаются параболическими рефлекторами. Конструк­ции, подобные изображенным на рис. 7 , с диаметром зеркала около 1,5 м испытывали в различных частях земного шара. Эффективный коэффициент концентра­ции таких систем с краевым углом 30° (даже при плохо обработанной поверхности зеркала) достигает 500—1000. В тропических условиях мощность, полу­чаемая в фокусе такого устройства, составляет 0,5— 11,0 кВт. Тень, отбрасываемая на зеркало сосудом для приготовления пищи диаметром около 15 см, весьма незначительна, но, тем не менее, несколько раз в тече­ние часа необходимо регулировать положение зеркала относительно солнца.

Рис. 6. Солнечная кухня типа «горячий ящик»

Рис. 7. Солнечная кухня с параболическим зеркалом

Перспективы применения теплового действия солнечного излучения связаны с многочисленными иссле­дованиями, проводимыми в различных частях земного шара. Более того, в отдаленных и слаборазвитых рай­онах возможно появление новых видов производства, связанных с использованием солнечной энергии для нагревания и сушки при изготовлении картона, бу­маги, кровельных материалов и т. п. Однако широкое внедрение таких процессов требует источников меха­нической и электрической энергии. В следующих гла­вах рассмотрены возможности использования сол­нечной радиации для получения этих более удобных видов энергии.

III . Преобразование солнечного излучения в электроэнергию

Солнечное излучение (СИ) можно преобразовывать в электричество через преобразование его сначала в тепло, а затем с помощью обычных паровых турбин и соединенных с ними генераторов в электроэнергию - такие установки не имеют принципиальных отличий от ТЭС, ГЭС и АЭС - а можно и непосредственно, минуя тепловую стадию. Преимущества второго способа очевидны - мало того, что такие устройства значительно проще, компактнее и дешевле, кроме того, в них существенно меньше и энергетические потери, неизбежные при каждом преобразовании энергии из одного вида в другой, а это означает более высокий КПД и экономическую рентабельность установок с непосредственным преобразованием лучистой энергии. Тем не менее, некоторые способы преобразования СИ через тепловую фазу будут рассмотрены из-за их более перспективной основы - термоэлектронной эмиссии и эффекта Зеебека. Установки, основанные на этих явлениях (термоэлектрические генераторы) существенно отличаются от традиционных - так, в них отсутствует теплоноситель и какие-либо движущиеся части. Но все же основное внимание будет уделено непосредственному преобразованию СИ в электроэнергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

Глава 1. Термоэлектрические генераторы

Термоэлектронный генератор

Первый тип устройств для прямого генерирования электрической энергии — тер­моэлектронный или как его еще называют термоионный генератор . Этот прибор разработан в по­следние десятилетия, и возможно ему принадлежит исключи­тельно важная роль при производстве электроэнергии в будущем.

Принцип действия термоионного генератора пояс­няет рис. 8 . В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и назван­ный термоионной (термоэлектронной) эмиссией . При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом , до достаточно высокой тем­пературы значительная часть его электронов приобре­тает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность. Правда, этот процесс протекает небеспрепятственно, о чем будет сказано ниже

Рис. 8. Термоионный генератор.

Если побли­зости находится другой электрод — анод , то испущен­ные электроны можно направить к нему и там собрать. Это возможно лишь в том случае, если оба электрода соединить внешней цепью, поскольку в противном слу­чае рост отрицательного заряда на аноде препятствует движению к нему эмиттируемых электронов, и при определенных условиях они не смогут его достигнуть. Но в термоионном генераторе катод и анод со­единены внешней цепью. Поэтому поток электронов, то есть электрический ток, проходит через эту цепь, совершая в ней работу. На рис. 8 внешняя нагрузка представлена сопротивлением R , но практически это может быть какое-либо устройство, например электродвигатель. Таким образом, в термоионном генераторе используется часть энергии (в интересующем нас слу­чае это энергия солнечной радиации), израсходован­ной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа. В таблице 4 плотности эмиссионного тока при различных температурах для некоторых, используемых сейчас материалов.

Таблица 4

Плотность тока термоэмиссии (А/м² ) при различных температурах

Такое преобразование солнечной энергии в работу происходит не без потерь, и, естественно, встает вопрос о КПД подобного устройства. Электроны поки­дают катод лишь при его нагревании, поэтому возни­кают потери энергии через теплоизлучение. Часть тепловой энергии попадает на анод, который при сильном разогреве также испускает электроны. Если хотя бы часть из них достигла катода, это привело бы к умень­шению тока в нагрузке. Поэтому на охлаждение ано­да также необходима энергия. Итак, возможности этого способа преобразования энергии, также небеспредельны, ограничена, и величина его КПД находится на уровне 10-15%.

Термоэлектрический генератор (термопары)

Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, откры­тое Вольта в последнем десятилетии XVIII века, при­влекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундамен­тальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнит­ной поляризации некоторых металлов и руд, возникаю­щей в условиях разности температур», опублико­ванная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего впоследствии в физику под терми­ном «эффект Зеебека» ), состояла в том, что при замыка­нии концов цепи, состоящей из двух разнородных ме­таллических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присут­ствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях ис­следуемой цепи.

Объективный анализ опытов Зеебека (даже при тогдашнем уровне физических знаний) мог бы дать однозначное объяснение эффекту, обусловив его воз­никновением в подобной цепи электрического тока, тем более, что воздействие на стрелку прекращалось при размыкании цепи. Однако Зеебек предложил собственную интерпретацию эффекта, объясняющую его намагничиванием материалов под действием температуры и разработал в качестве ее следствия смелую гипотезу происхождения земного магнетизма, суть которой сводится к тому, что земное магнитное поле образовалось в результате разности температур между полюсами и экваториальным поясом Земли. ?