Гелиоэнергетика: состояние и перспективы
ствует множество способов его использования.
Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии,
например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую
(солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой
турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза,
как это и происходит в природе.
|Применение солнечного излучения в |Преобразование солнечного излучения в|
|виде тепла |электрическую и механическую энергию |
|Гелиоустановки (солнечные |Термоэлектрические генераторы: |
|коллекторы): |Термоэлектронная эмиссия |
|Нагрев воды с целью теплоснабжения и |Термоэлементы (термопары) |
|горячего водоснабжения жилья |Фотоэлектрические генераторы: |
|Опреснение воды |Фотоэлектронная эмиссия |
|Различные сушилки и выпариватели |Полупроводниковые элементы |
| |Фотохимия и фотобиология: |
| |Фотолиз (фотодиссоциация) |
| |Фотосинтез |
Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии,
на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и
преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических
генераторов.
II. Преобразование солнечного излучения в тепло
Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения
Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно
использовать либо 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 в свое время предлагалось множество механизмов, но
только появившаяся в этом столетии квантовая теория оказалась в состоянии
справиться с подобной проблемой.
Во многих устройствах для теплового преобразования используются так
называемые коллекторы - приемники солнечного излучения (рис. 1). Получая
энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь
излучением с окружающей средой.
Рис. 1. Плоские солнечные коллекторы.
Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную
способность пластины для этого вида радиации через ?с. Под действием
солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет
равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и
испускаемого излучения равны, что позволяет записать равенство
?с Р = ??Т4, (1)
где ? — излучательная способность пластины при низких температурах.
Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения
[pic]
(2)
Очевидно, равновесная температура тем выше, чем больше отношение ?с/?. А
согласно табл. 3 [Бринкворт], это отношение иногда, в частности для
полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше.
Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности
непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных
целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для
которых отношение ?с/? близко к 1. Такие материалы называются нейтральными
поглотителями. Полагая Р = 800 Вт/м2 (типичная интенсивность солнечного
излучения в тропиках в летнее время), из уравнения (2) мы находим значение
равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно
близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное
время под тропическим солнцем.
Таблица 3
Радиационные характеристики веществ
| |Температура тела или |
| |источника |
|Вещество |излучения |
| | |
| |20-100° С |5000° С |
| |? |? |? |? |? |
|Полированные металлы |0.9 |0.1 |0.1 |0.7 |0.3 |
|Оксидированные металлы |0.2 |0.8 |0.8 |0.8 |0.2 |
|Белое глянцевое покрытие |0.1 |0.9 |0.9 |0.8 |0.2 |
|Черное матовое покрытие |0.05|0.95|0.95|0.1 |0.9 |
|Алюминиевое покрытие | | | |0.8 |0.2 |
|Бетон |0.5 |0.5 |0.5 |0.4 |0.6 |
|Черепичная крыша |0.1 |0.9 |0.9 |0.2 |0.8 |
|Стекло |0.1 |0.9 |0.9 |0.1 |0.0 |
| |0.1 |0.9 |0.9 | | |
Важным фактором, влияющим на собирание солнечной энергии, является
длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается главным
образом молекулами углекислого газа и водяного пара при поглощении ими
прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от земли и
обусловленного конвекцией. Спектры поглощения этих молекул, связанные с их
колебательными и вращательными движениями, лежат в видимой и инфракрасной
областях. Общая интенсивность Ра этого излучения существенно зависит от
содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности.
При повышенной влажности и сплошной облачности атмосфера ведет себя
примерно так же, как черное тело с температурой около 280 К (10° С);
соответствующая интенсивность излучения на горизонтальной поверхности
составляет около 300 Вт/м2. Общая же интенсивность атмосферного излучения
редко падает ниже 100 Вт/м2. Для собирания этого излучения применяют так
называемые селективные поглотители. 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. Тогда его излучательная способность в
длинноволновой части спектра должна быть не выше, чем у металла, то есть
около 0,1. Равновесная температура такого селективного поглотителя с
величиной отношения ?с/?, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях
должна повыситься до 427 К, или 1540С (если интенсивность длинноволнового
атмосферного излучения составляет 200 Вт/м2, а поглощательная способность к
этому виду излучения равна 0,1). Однако добиться такого существенного
улучшения практически очень сложно. Основная трудность заключается в том,
что большинство селективных покрытий очень чувствительно к пылевому
загрязнению, и в естественных условиях их характеристики со временем быстро
ухудшаются.
Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться,
если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения.
На рис. 2 схематически показано одно из таких простейших устройств с
плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей
зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается
пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности
поглотителя. Этот показатель называется коэффициентом концентрации К.
Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на
поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен, как
показано на рис. 2, четырьмя зеркалами того же размера (что облегчает
компоновку и сборку устройства), установленными под углом ? = 60°, то в
этом случае коэффициент концентрации равен 3. На практике реализовать все
достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку
отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения
поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К,
как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура
плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного
типа достигает 180° С (для нейтрального поглотителя) и 332° С (для
селективного
Рис. 2. Концентрация солнечного
излучения с помощью плоских зеркал.
Рис.3. Концентрация солнечного
излучения с помощью параболического зеркала.
поглотителя). Следует заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов
усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как
сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным.
Наиболее совершенной конструкцией обладает параболический концентратор,
который фокусирует солнечные лучи так, как это показано на рис. 3. 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. Если для плоского зеркального отражателя
подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае
параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента
концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не
точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 3
показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного
диска и попадающих в точки А и Б. Поэтому для получения максимально
| |  скачать работу |
Гелиоэнергетика: состояние и перспективы |
