По страницам старых публикаций

Известно, что Солнце за миллиард лет расходует примерно 1% запасенной в нем энергии. Земля получает от Солнца всего одну полумиллионную долю излучаемого им тепла, причем 40% этого тепла отражается атмосферой.

Тем не менее на поверхность Земли от Солнца поступает огромная энергия — около 10¹⁸/ват•ч в год. Плотность потока солнечной энергии за пределами земной атмосферы у Земли составляет q = 1,4 квт/м², а вблизи земной поверхности на экваторе достигает примерно 1квт/м². Средняя годовая плотность солнечной энергии q на горизонтальной поверхности Земли в зависимости от широты местности равна 0,1 ―0,2 квт/м². В этих цифрах 80% составляет прямое сол печное излучение, а 20% —рассеянный ноток от атмосферы. Величина потока тепла q меняется в зависимости от географической широты, облачности, времени суток и угла наклона воспринимающей поверхности к горизонту. Изменение максимальной величины теплового потока q для 45^о северной широты в течение суток приведено на рис. 1.9. На рис. 1.10 показан закон необходимого изменения угла наклона к горизонту системы приемников, следящих за Солнцем в течение года в наших широтах.

Простейшим приемником солнечного тепла является плоская поверхность (плоский солнечный коллектор). Большую плотность теплового потока и поэтому большую температуру стенок приемника дают концентраторы (устройства со специально спрофилированными стенками-зеркалами), направляющие собираемые лучи на солнечный коллектор (см. рис. 1.11). Коэффициент концентрации солнечных лучей п, равный отношению полученного на коллекторе теплового потока к солнечному потоку q, падающему из пространства, достигает 80 для простейших двухмерных (в форме корыта — рис. 1.11) концентраторов. У трехмерных параболических зеркал (параболический солнечный коллектор) коэффициент концентрации п доходит до 2000. Достижению больших значений коэффициента концентрации п препятствует, с одной стороны, предельно возможная точность изготовления больших зеркал, а с другой — тот факт, что солнечные лучи идут не из одной точки.

 

 

 

 

 

Мы видим Солнце с Земли под углом приблизительно 30', а это дает размытие фокального пятна на приемнике тем больше, чем при том же приемнике больше площадь концентратора. Поэтому в зависимости коэффициента концентрации п от отношения диаметров приемника d и зеркала D наступает своего рода насыщение (рис. 1.12).

Сам приемник солнечного тепла часто делают в виде полого шара с отверстием. Подобная конструкция, как известно, является моделью абсолютно черного тела, даже если при этом внутренняя поверхность шара имеет степень черноты, заметно отличную от единицы. Из рис. 1.13 можно, например, установить, что при степени черноты поверхности шара ε_пов =0,4―0,5 приемник обеспечивает поглощение луча света со степенью черноты ε_отв =0,95. Заметим, что для наиболее «черных» тел, например для сажи, коэффициент черноты равен ε = 0,96. Для металлов же при высоких температурах (около 1000° С) реальная степень черноты составляет ε=0,4―0,6. Качество устройств для концентрации и приемки солнечной энергии определяют величиной коэффициента полезного действия, который можно представить в виде произведения к. п. д. зеркала и к. п. д. концентратора: η_с.к=η_зη_п, где в свою очередь к. п д. зеркала η_з равен отношению энергии, падающей на приемник, к энергии, падающей на зеркало. А к. п. д. приемника η_п равен отношению энергии, отводимой от приемника, к энергии, падающей на него. К. п. д. зеркала определяется, как уже говорилось, его качеством и потребным коэффициентом концентрации п. В к. п. д. приемника определяющим фактором является главным образом температура стенок приемника Т. Поскольку отраженное от приемника тепло возрастает с ростом температуры в четвертой степени, то для каждой температуры приемника существует свой предельный к. п. д. и своя как бы предельная степень «усвоения» солнечной энергии. При этом, конечно, чем выше степень концентрации, тем ниже полный к. п. д. На рис. 1.14 показаны типичные кривые зависимости к. п. д. коллектора от температуры приемника и коэффициента концентрации п в условиях космоса. На рис. 1.15 приведены результаты (кривая 1) оптимизации кривых, изображенных на рис. 1.14, в зависимости от температуры приемника. Кривая 2 — то же в земных условиях.

Для больших концентраций, кроме того, особенно важное значение имеет правильность ориентации поверхности зеркал к Солнцу. Даже малые отклонения сильно снижают полный к. п. д. коллектора. Так, на рис. 1.6 даны графики изменения относительного к. п. д. приемника η_п (по отношению к идеальному к. п. д. η_п в зависимости от угловой ошибки в направлении к Солнцу при двух углах раскрытия зеркал (обозначение Угла φ см. на рис. 1.11).

Из приведенных общих соображений ясно, что осуществление эффективной концентрации и приемки солнечной энергии — достаточно сложная задача, связанная к тому же с рядом ограничений.

 

 

В качестве примеров конструктивного выполнения концентратора приведем концентратор отечественной наземной установки Энергетического института Академии наук СССР (ЭНИН) и Физико-технического института (ФТИ) Туркменской ССР

 

 

(рис. 1.17), а также схему концентратора американской космической установки типа «Санфлауер» (рис. 1.18,а, б) и шаблон для изготовления одного из крупных американских концентраторов (рис 1.18,в). Если в первой установке не требуется особо высокого коэффициента концентрации л и форма концентратора корытообразная, то во второй величина п имеет большое значение.

В этом случае параболическое зеркало изготовляется складным из 30 секций и при диаметре 3 м обеспечивает высокий к. п. д. η_с.к (около 75%) на коллекторе размером 90 мм.

Отдельные секции зеркала изготовлены из полированного алюминия, отражающего около 90% солнечного тепла. Кроме того, в наземных концентраторах положение облегчается, так как можно использовать более простые по конструкции зеркала и вес их менее ограничен. В космических установках, кроме весовых ограничений, существенным является условие обеспечения минимальных габаритов концентратора.

Такое условие вызвано необходимостью малого аэродинамического сопротивления при выводе энергетических установок с Земли на орбиту и требует, как правило, применения складывающихся конструкций. При жестких требованиях к к. п. д. и высокой степени концентрации создание складных конструкций является большой проблемой.

Рис 1.18. Параболоидный коллектор а) в сложенном состоянии; б) в развернутом состоянии;1- кольцевые тросы; 2 — раскрывающееся кольцо; в) шаблон для сборки большого коллектора

В этом направлении прорабатываются не только жесткие конструкции (типа показанного на Рис. 1.18), но и разного рода надувные конструкции с использованием в качестве отражающей поверхности тонких и гибких пленок (типа майлар).

На рис. 1.19 представлены схемы вариантов концентраторов, разработанных в США в NASA. В табл. 1.3 приведены основные данные этих концентраторов в сравнимых условиях.

Рис. 1. 19 Типы солнечных космических концентраторов

Из таблицы видно, что жесткие концентраторы типа Френеля (изломы, видные на рис. 1.19,а, показывают линии складывания) и единичные тяжелее, чем пленочные. Однако надувной концентратор с заполнителем, твердеющим после отрезания и отбрасывания верхней части сферы (рис. l,19,д), все же имеет большую массу.

На рис. 1.20 и 1.21 приведены экспериментальные зависимости от температуры приемника, величины полного к.п.д. (концентратора и приемника) и удельной мощности для указанных выше конструкций концентраторов (обозначения те же, что и на рис. 1.19). Эти зависимости показывают, что высокие температуры можно получать лишь в жестких конструкциях.

 

Таблица 1.3 Сравнение концентраторов разных типов

Тип концентратора Материал Угол охвата, град Диаметр, м Удельная масса, кг/м2 Френеля (рис. 1 19, а) Никель 40 1,2 2,23 Единичный (рис 1.19, б) Никель 61,5 1,66 4,65 Надувной (рис. 1.19, в) Майлар 53,1 1,3 0,4* Складной (60 листов) типа "Санфлауер" (рис. 1.19, г) Алюминий 52 9.8 0,9** Надувной с заполнителем рис. 1.19, д) Майлар 60 3 18,5 Зонтичный (рис. 1,19, е) Майлар 90 3 0,53***

*Масса только майлара. **Масса только алюминия. ***Масса только майлара и спиц.

Из всего изложенного можно сделать вывод, что роль приемно-собирающих устройств в установках, использующих солнечную энергию, весьма значительна. При этом можно заключить, что получение очень высоких температур (порядка 2000°К и выше), вообще говоря, возможно только для весьма небольших мощностей. В связи с этим вряд ли следует говорить

Рис. 1.21. Зависимость удельной мощности концентраторов от температуры приемника (обозначения см. на рис. 1.19)

о реальности солнечных МГДГ установок на газах. Кроме того, можно сделать и другие важные выводы. Так, например, в термоэлектронных устройствах, требующих сравнительно более высоких температур, полный к. п. д. установки больше ограничивается солнечным коллектором, чем в термоэлектрических; фотоэлектрические установки с концентратором ограничены по точности ориентации к Солнцу больше, чем при отсутствии концентратора; солнечные энергетические установки с концентраторами требуют достаточно больших зеркал, тем больших, чем больше их мощность и температура в цикле, и т. д.

Смотрите также : Воздушный солнечный коллектор