Гелиоэнергетика: состояние и перспективы - Физика - Скачать бесплатно
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
| |500 |1000 |1500 |2000 |2500 |
|Температура,0 К | | | | | |
|Материал | | | | | |
|Вольфрам без | | |0.1 |25 |6.5*103 |
|цезиевого | | | | | |
|покрытия,W | |100 |5*106 |4*107 | |
|Вольфрам с цезиевым| | | | | |
|покрытием, CsW |25 |1*107 | | | |
|Окись серебра, | | | | | |
|Cs-Ag | | | | | |
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. Заблуждение Зеебека сыграло положительную роль: чтобы опровергнуть
электрическое происхождение термоэлектрических токов, он на самых различных
материалах сопоставлял явление электризации (контактный потенциал) или ряд
Вольта с воздействием разности температур на магнитную стрелку и показывал
различие между ними.
Составленный Зеебеком обширный термоэлектрический ряд (табл. 5)
представляет интерес и поныне. В современных обозначениях (? —
термоэлектродвижущая сила на 1° С и ? — удельная электропроводность) ряд
Зеебека определяется произведением ?? вместо величины ?2?/? (где ? —
удельная теплопроводность), которая характеризует термоэлектрические
свойства материала.
На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы. На рис.9
показана типичная конструкция термоэлектрического генератора на основе
проводников. Обычно проводники соединяются последовательно, так как
разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных
устройствах имеет величину порядка 300—400 мкВ на единицу, разности
температур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на
каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.
[pic]
Рис. 9. Термоэлектрический генератор.
Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления.
Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через
элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется
джоулево тепло.
Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через
проводимость пропорциональна разности температур на их концах (при условии
отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение
Qт=K (T1-T2), (3)
где К зависит от теплопроводности материалов, площади поверхности и длины
элементов.
Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно
Qдж=I2R, (4)
Где К — общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность)
от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если
опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина
энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из
соединений.
Таблица 5
Термоэлектрические ряды
|Ряд Зеебека |Ряд Юсти |Ряд Мейснера (1955) |
|(1822г.) |(1948) | |
|Металлы и их соединения |Металлы |Полупроводник|
| | |и |
|PbS |Bi-80 |Bi-70 |MnS-770 |
|Bi |Co-21 |Mi-18.0 |ZnO-714 |
|Ni |Ni-20 |Co-18.5 |CuO-696 |
|Co |K-14 |K-12 |Fe3О4-500 |
|Pd
|
