В) Основные направления использования солнечной энергии

Человечество с древнейших времен использует энергию Солнца. Вначале это был источник для приготовления пищи и обогрева жилища. Позже начали применяться простейшие технологические процессы для сушки сельскохозяйственной продукции.

С развитием техники усложнялись процессы и установки, для которых Солнце поставляло свою энергию. Эта энергия может использоваться как с естественной плотностью теплового потока, так и с колоссальной концентрацией. Например, при выпаривании морской воды в бассейне и получении соли достаточно естественной солнечной радиации. В солнечных печах с высокой температурой до 4000-4500°С для плавки различных веществ концентрация потока достигает десятков тысяч раз. В сельском хозяйстве разных стран широко применяется выращивание растений в закрытом фунте с использованием парникового эффекта. Эта технология удлиняет период вегетации, продвигает в северные широты куль­тивирование теплолюбивых растений. Солнечная энергия дает возможность снабжать население теплой водой и отапливать помещения, а в жаркое время охлаждать их, поддерживая комфортную температуру, и даже вырабатывать лед.

Солнечная энергия может быть преобразована в другие виды энергии. Так, если нагреть воду в приемнике солнечной радиации, превратить ее в пар и пропустить через турбину, соединенную с электрогенератором, получим электроэнергию.

Эта трансформация упрощается с использованием фотоэлектрический преобразователей. Солнце участвует также в получении топлива будущего — водорода при разложении воды. Здесь перечислены только несколько приме- ров из широкого спектра солнечных технологий.

Рассмотрим подробнее методы преобразования солнечной энергии.

Термодинамический принцип

Концентрация солнечного излучения на каком-то приемнике позволяет нагреть его до температуры в 100-1000 Кельвинов. Так соз­дается высокотемпературный источник. Низкотемпературным источником может служить охлаждаемое устройство или окружающая атмосфера. Таким образом, если рабочее тело (газ или вода) со­прикасается с горячим источником и нагревается, а затем контактирует с хо­лодным источником и передает ему часть аккумулированной теплоты, то можно создать тепловой двигатель, конечной целью которого будет превращение энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Гелиостаты и концентраторы. Первое поколение оптических систем из плоских гелиостатов и профилированных концентраторов отличалось относительно небольшими размерами 16-25 м² и большой массой. Они изготавливались из толстостенных зеркал. Наметилась тенденция к увеличению единичной площади элементов до 100-150 м². Резко снижается их масса. Разработаны тонкостекольные отражатели на металлической основе, созданы оптические элементы из стальной фольги со слоем серебра на фронтально поверхности, применены полимерные материалы с напыленным слоем серебра. В параболических концентраторах используются быстросменные натягивающиеся мембраны.

Рис. Концентрирующая солнечная система с шаровыми линзами

В модуле вместо отражающих поверхностей применены преломляющие устройства в виде множества неподвижных шаровых линз 1 небольшого диа­метра — 30 мм. Линзы отливаются из пластмассы либо из стекла. Оптические фокусы этих линз располагаются на сферических поверхностях. Механизм ориентации с гидроприводом отслеживает перемещение фокальных пятен и совмещает с ними гибкие концы волоконных световодов 2. Противоположные неподвижные концы световодов собраны в жгуты 3. С их помощью концен­трированное излучение передается в теплоприемник 4 типа «труба в трубе». Пространство между трубами вакуумировано. Концы жгутов вставляются в отверстия внешних труб. Нагретый теплоноситель поступает в сборник.

Теплоприемники. Эти элементы СЭС работают в тяжелых условиях. Они должны хорошо поглощать падающую на них лучистую энергию, выдер­живать высокие температуры и характеризоваться относительно небольшими тепловыми потерями из-за собственного излучения и конвекции в атмосферу. Для повышения поглощающей способности на поверхность теплоприемников наносятся селективные покрытия.

Теплоносители. Рабочими телами в СЭС служат либо газы, либо вода, превращаемая в пар. В качестве промежуточных теплоносителей в зависимости от уровня температур применяются: минеральное масло (Т= 300°С), синтетические и силиконовые масла, расплавленные соли типа «хайтек» (539И KNO₃ + 40% NaNO₂ + 7% NaNO₃), смесь Na + К. Температурный диапазон использования подобных теплоносителей 300-570°С.

Тепловые аккумуляторы. Тепловые аккумуляторы помогают регулировать выработку электроэнергии на СЭС. Они продлевают работу СЭС после захода солнца на 4—7 часов, поддерживают в рабочем состоянии термостойкие масла, расплавы солей, парогенераторы, стабилизируют режим работы в солнечную погоду. Коэффициент полезного действия зависит от типа СЭС. Обычно башенные СЭС имеют КПД 15-18%, а при использовании парогазового цикла — лее 30%. Модульные СЭС характеризуются КПД в пределах 30-35%.

Солнечные пруды. В системах с термодинамическим преобразованием солнечной энергии в электрическую иногда применяются необычные пapoгенераторы. Это солнечные пруды [15].

Подготовленный котлован 1, боковые стенки и дно которого герметизированы полимерной пленкой или слоем глины, заливается послойно раствором солей MgCl₂ или KNO₃. Пруд разделен по высоте на 3-4 слоя. Верхний слой имеет наименьшую концентрацию соли — 0-5%, концентрация растворов в придонном слое — 20-25%. Толщина слоев 0,5-1,0 м.

В придонном слое размещается теплоприемник 2, по которому прокачивается теплоноситель.

Солнечное излучение, прямое и рассеянное, проникает через верхние прозрачные слои в придонный слой и нагревает его. Одновременно в теплоприемнике нагревается теплоноситель. Более плотный нижний слой даже при нагревании не перемешивается с верхними, что устраняет конвективные потери.

Температура раствора в солнечном пруде не превышает 90-95°С, поэтому в качестве рабочего тела выбираются низкокипящие жидкости — аммиак, хладон. Образовавшийся в теплоприемнике пар поступает в турбину, a конденсат перекачивается в теплоприемник.

Подобные солнечные пруды успешно работают в США и Израиле. В Японии экспериментальный солнечный пруд функционировал с ноября по апрель месяц при замерзании верхнего слоя воды. Температура в донной части достигала 70°С.

Исследователи предлагают новую систему предотвращения конвекционного перемешивания слоев воды — использовать прозрачный пористый наполнитель с сообщающимися порами. При этом не потребуется создавать слои раствора с различной концентрацией.