Реферат: Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

При среднем качестве зеркал и использовании приемников, доста­точно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная темпера­тура составляет для такого коллектора около 1930К  (1660° С).

Кроме обычных плоских коллекторов и коллекторов с концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредст­венного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода рас­ширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. Было обна­ружено, что в некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. Как предполагают, это явление обу­словлено высоким содержанием соли в таких во­доемах и температура изменяется с глубиной бас­сейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности воды оказывается ниже, чем у дна. Ре­зультаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

Процесс поглощения солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными сло­ями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Для простоты можно считать, что такой бассейн подо­бен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов. Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии, и, несмотря на различные тех­нические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

В этой главе было рассказано о поглощении солнеч­ной радиации молекулами материальных тел, связан­ном с ним процессе изменения температуры изолиро­ванного тела, а также способах повышения равновесной температуры изолированного тела. В следующей главе будет рассказано о том, как реализуются на практике все эти явления и процессы.

Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов

Отопление и горячее водоснабжение

Использование солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения  школ, фабрик, больниц, жилых домов и т.д. является одним из наиболее привлекательных способов ее при­менения. Системы горячего водоснабжения на основе плоского солнечного коллектора уже сейчас получили широкое распространение в Израиле и Японии, а на юге США и даже в Европе действуют довольно боль­шие экспериментальные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах. Рис. 4 поможет понять принцип действия солнеч­ного водонагревателя. Находясь в контакте с погло­тителем коллектора, вода нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности, или в теплообмен­ник, через который энергия передается теплоносителю.

Рис. 4. Простой солнечный водонагреватель с естественной циркуляцией.

В устройстве, изображенном на рис. 4, основным теплообменником является поглотитель. Жидкость здесь либо непосредственно омывает тыльную часть - пластины поглотителя, либо проходит через систему труб, являющихся по существу частью этой пластины. В воздухонагревательных коллекторах пластины поглотителей имеют множество отверстий, при прохожде­нии через которые воздух нагревается. В условиях хорошего теплообмена между окружающей средой и пластинами (это характерно для нагревания жид­кости) температуры поглотителя и жидкости одина­ковы. Поскольку жидкость нагревается при прохожде­нии через коллектор, очевидно, что на входе жидкости поглотитель холоднее, нежели на выходе. Перепад температуры зависит как от удельной теплоемкости жидкости, так и ее скорости.

Полезная мощность такого нагревателя зависит от мощности поступающего на него солнечного излучения, поэтому необходимо, прежде всего, выбрать наилучшую ориентацию  коллектора. В принципе любой коллектор  с помощью специального механизма можно было бы все время ориентировать на солнце, но это довольно дорогой способ. Поэтому в настоящее время используются неподвижные коллекторы, у которых меняется только угол наклона. Оптимальный угол наклона для наибольшего выхода энергии зависит от широты, например для средних широт  составляет ≈50-650.

Практически все солнечные коллекторы указанной конструкции имеют близкие показатели, важные для оценки их теплотехнического совершенства.

 В типичной СВУ солнечный коллектор считается ориентированным на юг. Угол наклона коллектора к горизонту выбирался близким по значению широте местности и округлялся в меньшую сторону до целого значения градусов, кратного 5, например, для Москвы с широтой около 560, угол наклона коллектора принимался равным 550. КПД большинства СВУ не превосходят 1%.

Помимо характеристик солнечного коллектора, другими важными показателями типичной СВУ являются ее расчетная производительность по нагреваемой воде (расчетный объем потребляемой нагретой воды в сутки Vсут), объем бака-аккумулятора Vак, режимные показатели (расход воды в контуре СВУ, график разбора воды к потребителю) и некоторые другие.
  Типичная установка предусматривает суточную производительность Vсут = 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.

Опреснительные установки

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

Страницы: 1, 2, 3, 4