2891

1.1.4. Солнечные отопительные системы

Пассивные солнечные системы

Идея пассивной отопительной солнечной системы состоит в выборе приемлемой площадки с обращенной к Солнцу поверхностью так, чтобы получить оптимальное количество солнечного тепла для данной строительной конструкции. Первый шаг состоит в обеспечении качественной изоляции зданий, включающей предупреждение сквозняков и устройство контролируемой вентиляции с регенерацией тепла.

Недостатком простых систем прямого нагрева является то, что в таком доме может быть слишком жарко в течение дня, особенно летом. Это неудобство может быть уменьшено, если сделать достаточно большим козырек крыши.

Активные солнечные системы

В активных солнечных системах используются внешние нагреватели воздуха или воды (рис. 1.8). Такие системы контролировать легче, чем чисто пассивные, кроме того, их можно устанавливать на существующие здания. На практике так называемые пассивные дома обогреваются намного лучше, если в них имеются вентиляторы, благодаря которым воздух циркулирует между комнатами, поэтому термин «пассивные» используется в тех случаях, когда солнечная энергия аккумулируется непосредственно в комнате, на стенах или вблизи окон, даже если в здании используется вентиляция. Термин «активные» означает, что тепло накапливается в нагревателях, расположенных вне отапливаемого помещения.

Рис. 1.8. Активные солнечные системы

21

Стрелками указано, где использованы массивные, окрашенные в черный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией для поглощения и накопления солнечного тепла.

Одним из примеров активных солнечных систем является «солнечная» архитектура (рис. 1.9) – использование специальных архитектурных приемов, учитывающих особенности поступления солнечной радиации на поверхности здания. Южная бетонная стена толщиной около 25 см снаружи на расстоянии около 5 см имеет прозрачное стеклянное ограждение (двухслойный стеклопакет), а пространство между стеклом и бетоном заполнено воздухом.

Находящийся в пространстве между стеной и стеклом воздух нагревается и подается в помещение через верхнее отверстие в стене, а его место занимает холодный воздух, поступающий из помещения через нижнее отверстие.

Рис. 1.9. Теплоаккумулирующая стена

22

1.1.5. Опреснение воды

Солнечный дистиллятор-бассейн

Самым простым устройством является солнечный дистилля- тор-бассейн (рис. 1.10). Он состоит из неглубокого бассейна с черными стенками и дном, заполненного водой и накрытого прозрачной паронепроницаемой крышкой, которая полностью закрывает пространство над бассейном. Во время работы дистиллятора поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой при этом испаряется. Водяной пар вследствие тепловой конвекции поднимается вверх с нагретой поверхности и конденсируется на холодной крышке. Затем капли сконденсированной влаги скатываются по крышке в приемные желоба.

Рис. 1.10. Солнечный дистиллятор-бассейн

Солнечные пруды

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды различной степени солености, причем наиболее соленый слой толщиной около 0,5 м располагается на дне. Солнечное излучение поглощается дном водоема, и придонный слой воды нагревается. В обычных однородных водоемах нагретая вода, более мягкая, чем окружающая ее, поднимается вверх и в процессе свободной конвекции передает тепло воздуху над водоемом. В неоднородном водоеме при-

23

донный слой воды обычно берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя, поэтому конвекция подавляется и придонный слой нагревается всё сильнее. Искусственный солнечный пруд сооружен в Майамисбурге (штат Огайо, США) (рис. 1.11). Он используется для обогрева городского плавательного бассейна и дома отдыха.

Рис. 1.11. Солнечный пруд в Майамисбурге: 1 – пресная вода; 2 – изолирующий слой; 3 – слой горячего раствора;

4 – теплообменник

1.2. Использование солнечной энергии для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей

Устройства, преобразующие солнечную радиацию в электрический ток, называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Солнечные элементы генерируют электрический ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облученности. Эффективность преобразования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи. Солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет, падающий на верхнюю пластинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю

24

пластинку, так создается ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную батарею (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Солнечная батарея

Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучение. Солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок.

Физика фотоэлектрической ячейки очень похожа на классический р–n-переход. Когда свет поглощен соединением, энергия поглощенных фотонов передается электронной системе материала, что приводит к появлению носителей заряда, которые разделены переходом. Носителем заряда могут быть пары электрон – ион в жидком электролите или пары электрон – дырка в полупроводнике. Носители заряда создают потенциальный градиент в области перехода, получают ускорение под действием электрического поля и начинают циркулировать в виде тока через внешнюю часть схемы. Ток, протекающий через сопротивление схемы, характеризует энергию фотонов, преобразованную в электричество. Оставшаяся часть энергии фотонов идет на потери, связанные с нагревом ячейки.

25

Возникновение фотогальванического потенциала основано на различии химических потенциалов (называемых уровнем Ферми) электронов в двух изолированных материалах. При соединении они стремятся к новому термодинамическому равновесию. Такое равновесие может быть достигнуто только при равенстве уровней Ферми в этих двух материалах. Оно получается за счет перетока электронов от одного материала к другому, который происходит до тех пор, пока разность электрических потенциалов между двумя материалами не будет обусловлена химическим потенциалом, равным начальному различиюуровнейФерми. Этотпотенциал контролируетфотопоток.

Параметры и характеристики фотоэлементов:

1.Нагрузочные вольт-амперные характеристики выражают зависимость тока нагрузки от напряжения на фотоэлементе при включении его в различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности.

2.Световые характеристики выражают зависимость фотоЭДС, тока короткого замыкания и тока нагрузки от освещенности или светового потока.

3.Частотные характеристики выражают зависимость тока в цепи фотоэлемента от частоты модуляции светового потока при постоянной освещенности и сопротивлении нагрузки. Когда на поверхность фотоэлемента падает переменный световой поток с частотой модуляции, то сила возникающего при этом тока фотоэлемента зависит от светового потока. С увеличением светового потока сила тока фотоэлемента уменьшается из-заинерционности фотоэлементов.

4.Спектральные характеристики выражают зависимость фо-

тотока на единицу падающего светового потока от длины волны падающего света.

5.Спектральная чувствительность – это отношение тока ко-

роткого замыкания в цепи фотоэлемента к падающему на него потоку монохроматического излучения.

6.Коэффициент полезного действия – это отношение мощно-

сти, выделяемой фотоэлементом на нагрузке, к падающему световому потоку.

26

Значения КПД фотоэлемента определяется потерями энергии, которые зависят:

–от применяемых материалов;

–конструкции фотоэлемента;

–режима работы фотоэлемента (сопротивления нагрузки, освещенности и температуры).

Условия эффективной работы фотоэлементов:

1. Оптический коэффициент поглощения активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя.

2. Генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя.

3. Солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе.

4. Полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы.

5. Структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

1.3.Использование солнечной энергии для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла

1.3.1. Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующий коллектор включает в себя приемник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой-либо другой вид энергии, и концентратор, который представляет собой оптическую систему, направляющую поток излучения на приемник. Обычно концентратор требуется непрерывно поворачивать, чтобы

27

он во время работы был обращен к Солнцу. Выделяют два типа концентрирующих гелиоприемников: параболический вогнутый (рис. 1.13) и параболический объемный (рис. 1.14).

Рис. 1.13. Параболический вогнутый концентратор

Рис. 1.14. Параболический объемный концентратор

Параболический объемный концентратор

Если использовать объемный концентратор, концентрация энергии может осуществляться в двух направлениях. Это требует проектирования более сложной системы слежения за Солнцем, чем для одномерного случая. Наилучшая фокусировка обеспечивается, если зеркало имеет форму параболоида вращения, а форма приемника – сферическая. При всех трудностях конструирования приемника на практике возможно достижение температуры 3000 К.

28

1.3.2. Солнечные системы для получения электроэнергии

Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры (700 °С), достаточно высокие для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Изготовление параболических концентраторов с диаметром, превышающим 30 м, довольно сложно, тем не менее мощность одного такого устройства составляет 700 кВт, что позволяет получить до 200 кВт электроэнергии. Для этого существуют два варианта: рассредоточенные коллекторы и системы с центральной солнечной башней.

Рассредоточенные коллекторы

Для концентраторов предпочтительнее форма параболоидов. Каждый коллектор передает солнечную энергию жидкости теплоносителю, горячая жидкость от всех коллекторов собирается в центральной энергостанции. Теплонесущая жидкость может быть водяным паром, если она будет прямо использована в паровой турбине, или какой-либо термохимической средой – такой как диссоциированный аммиак (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Рассредоточенные коллекторы: 1 – электроэнергия; 2 – трубы под землей, по которым протекает аммиак или пар; 3 – солнечные лучи

Преимуществом таких коллекторов является то, что в случае использования химического реагента отсутствуют потери между коллектором и тепловым двигателем, так что тепло может передаваться на большие расстояния или в течение длительного времени (например, с вечера в течение всей ночи, что позволяет осуществить непрерывную генерациюэлектроэнергии).

29

Электростанция «Солнечная башня»

Альтернативный вариант состоит в использовании расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник, помещенный на вершине башни (рис. 1.16 и 1.17).

Рис. 1.16. Общий вид «Солнечной башни»

Рис. 1.17. Функциональнаяблок-схемасолнечнойэлектростанции«Солар-2»: 1 – резервуар для хранения горячей расплавленной соли; 2 – резервуар для хранения «холодной» расплавленной соли; 3 – парогенератор; 4 – приемник солнечного излучения; 5 – гелиостаты; 6 – конденсатор; 7 – блок турбина – генератор; 8 – электростанция

30