Гелиоэнергетика

   В типичной конструкции термоэлектрогенератора 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. 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.

   Несмотря  на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности 0,005 на 1К в диапазоне температур от до , то КПД генератора увеличится с 7 до 31%.

   При этом,  температурные изменения  могут благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского коллектора и термоэлектрического генератора.

   Эффективность систем, в которых солнечная энергия используется для нагревания соответствующих устройств, ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь доля падающей солнечной энергии. По самым оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.

   Таким образом, дальнейшее исследование устройств  для преобразования энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным. 

   2.3  С о л н е ч н ы е   к о л л е к т о р  ы     Солнечную энергию можно использовать  непосредственно — для обогрева домов или приготовления пищи, либо косвенно — для генерирования электричества. На солнце предметы нагреваются в результате поглощения ими энергии солнечного излучения. Для объяснения этого явления предлагалось множество механизмов, и только квантовая теория оказалась в состоянии справиться с подобной проблемой.

   Во  многих  устройствах  для  теплового  преобразования используются  так  называемые коллекторы - приемники солнечного излучения. Получая энергию от солнца,  такое  устройство  вновь  излучает  ее,  не  обмениваясь излучением с окружающей средой.

   Фактором, влияющим на собирание солнечной  энергии, является длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается  молекулами углекислого газа и водяного пара при поглощении ими прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от земли и обусловленного конвекцией.  Общая интенсивность этого излучения зависит от содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности. Для собирания этого излучения применяют называемые селективные поглотители (рис.1в). Обычно такой поглотитель представляет собой полированную металлическую поверхность, покрытую тонкой темного цвета защитной пленкой окисей никеля или меди. Его поглощательная способность в коротковолновой области довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны, превышающей его толщину. Равновесная температура такого селективного поглотителя должна повыситься до К  или С. Добиться такого улучшения практически очень сложно. Трудность заключается в том, что большинство селективных покрытий очень чувствительно к пылевому загрязнению, и в естественных условиях их характеристики со временем быстро ухудшаются.

      Повышения равновесной температуры поглотителя  можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. При использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя. Зеркала монтируют так, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен четырьмя зеркалами того же размера - в этом случае коэффициент концентрации равен 3. Реализовать все достоинства конструкции невозможно, т.к. отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается.

   Наиболее  совершенной конструкцией обладает параболический концентратор (рис.1б), который фокусирует солнечные лучи, в результате коэффициент концентрации значительно увеличивается. На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует непараллельность солнечных лучей. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. Поэтому, для получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть большим, чтобы принять все лучи, отраженные от концентратора.  

Рисунок 1: Формы концентраторов солнечной  энергии 

   Кроме обычных плоских коллекторов  и коллекторов с концентраторами  существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит 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. В некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. 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 и в толще воды, и у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает 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,  несмотря на  технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

   Использование солнечной энергии для отопления  и горячего водоснабжения школ, больниц, жилых домов и т.д. является одним  из привлекательных способов ее применения. Системы горячего водоснабжения на основе плоского солнечного коллектора  получили распространение во многих странах мира и  действуют довольно большие экспериментальные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах.  

Рисунок 2: Солнечный водонагреватель 

   Принцип действия простого солнечного водонагревателя  довольно таки прост. Находясь в контакте с поглотителем коллектора, вода нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем  поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности,  или  в  теплообменник,   через   который  энергия  передается теплоносителю.

   Основным теплообменником является поглотитель. Жидкость либо омывает тыльную часть пластины поглотителя, либо проходит через систему труб, являющихся частью этой пластины. В воздухонагревательных коллекторах пластины поглотителей имеют отверстия, 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, то на входе жидкости поглотитель холоднее, чем на выходе. Перепад температуры зависит как от удельной теплоемкости жидкости, так и ее скорости.

   Полезная  мощность нагревателя зависит от мощности поступающего солнечного излучения, поэтому необходимо выбрать наилучшую ориентацию коллектора. Коллектор можно было бы все время ориентировать на солнце, но это дорогой способ. Чаще  используются неподвижные коллекторы, у которых меняется только угол наклона.

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

   Важными показателями СВУ являются ее расчетная производительность по нагреваемой воде в сутки, объем бака-аккумулятора, режимные показатели (расход воды, график разбора воды к потребителю).

   Типичная  установка предусматривает суточную производительность  100 литров. Этого достаточно для обеспечения умеренных суточных бытовых потребностей 2-3 человек в теплой воде. Увеличение суточного потребления воды может быть удовлетворено путем увеличения площади солнечных коллекторов и объема бака-аккумулятора.

   Площадь солнечных коллекторов - это параметр, изменяющийся в диапазоне 1-3 м².  В климатических условиях большинства районов России для нагрева в сутки 100 литров воды  большей  площади солнечного коллектора не требуется и экономически не обосновано.

   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. 

   Одна  из простейших систем - простой солнечный опреснитель. 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 пропускает коротковолновую часть солнечного излучения. 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 вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

   Производительность опреснительной установки меняется в течение дня в соответствии с интенсивностью солнечной радиации. При мелком поддоне скорость получения питьевой воды в любое  время зависит только от величины радиации. При глубоком поддоне температура воды устанавливается через несколько дней, и  далее питьевую воду можно получать непрерывно на протяжении суток. Необходимо, чтобы количество воды в  резервуаре во много раз превышало дневную производительность установки.

   Недостатком опреснительных установок является сезонное изменение их производительности. Предпринимались попытки преодолеть эту трудность: была предложена установка, в которой вода испарялась с листа темного поглотителя подобно фитилю. Положение 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3  ПРОБЛЕМЫ  И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ  ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКИ

   В настоящее время  основными  способами  прямой утилизации солнечной энергии  являются преобразование  ее    в электрическую и тепловую.

   Все  большее  распространение  получают  так  называемые    гибридные или комбинированные системы,  сочетающие в    себе функции фотовольтаических  и  термических  устройств.  Отличительной особенностью гибридных систем является возможность их функционирования  в автономном режиме, без подключения к централизованным  энергосистемам.

   Одним из препятствий к широкому  использованию  солнечной энергии является низкая интенсивность солнечной радиации даже при лучших атмосферных условиях.

   Другое  серьезное препятствие к практическому использованию солнечной энергии заключается  в сезонных и суточных колебаниях интенсивности солнечной радиации и отсутствие ее в течение большей части суток.

   Прямое  использование солнечной энергии  для выработки электроэнергии требует  капитальных вложений и дополнительных технических разработок.

   Минус в использовании гелиоэнергоустановок  заключается и в  низком КПД - для  электростанций он составляет  около 18%. Следовательно, для полного электроснабжения дома придется строить достаточно большие по площади солнечные батареи, а это не дешево - стоимость фотоэлектрических преобразователей сейчас колеблется от 1,5 долларов США (фотоэлементы отечественного производства) до 5 долларов США (зарубежный производитель) за 1 ватт мощности. Однако, во-первых, стоимость кремниевых фотоэлементов каждый год снижается и, во-вторых, повышается КПД вновь разрабатываемых установок из-за развития технологий.

   В перспективе,  использование солнечной  энергии может быть полезно. Во-первых, при замене  ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, заменяя атомное топливо, снижается  угроза распространения  атомного оружия.  И, наконец, солнечные источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость от бесперебойного снабжения топливом.

   Очередным шагом в развитии гелиоэнергетики,  возможно, станет реальностью самая многообещающая идея в области возобновляемых источников - идея разместить солнечные батареи на Луне или на околоземной орбите и подавать с них энергию на Землю.