Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Рациональное использование земель сельскохозяйственного назначения Челябинской области. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2710 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

чтобы определить более точные критерии оценки и на их основе разработать методы прогнозирования вероятности выращивания сидеральных культур в лесостепной зоне были проанализированы данные многолетних метеорологических наблюдений по агрозонам Челябинской области и на их основе разработаны условия для выращивания сидеральных культур , показатели которых представлены в табл. 3.6.

Таблица 3.6. Условия для

возделывания сидеральных культур за

период 1990–2010 гг.

Агрозона

<0.8 >0.9-1,0 1,1-1,3 >1,4

Горно-лесная 0334 Северная лесостепная 1243 Южная лесостепная 3223 Степная 3232

Число лет из 10 с ГТК

Из приведенных данных анализа видно, что в горно-лесной зоне 6 лет были удовлетворительными, а 4 года – хорошими, в северной лесостепной зоне эти показатели были равны соответственно 5 и 3 и только 1 засушливый год. Совсем иное состояние было в южной лесостепной и степной зонах: в этих зонах из 10 лет по 3 года были

засушливыми, 4 и 5 – удовлетворительными и только 3 и 2 года хорошими. Таким образом, приведенные данные показывают, что, несмотря на колебание урожайности сидеральных культур по годам, условия позволяют более эффективно использовать биоклиматические ресурсы области, повышать плодородия почв, являющихся одним из факторов экологической устойчивости агроценозов и агроэкосистем Южного Урала.

Одним из

перспективных методов повышения эффективности сельскохозяйственного производства в связи с высоким количеством солнечных дней в южной части Челябинской области может быть перспективным преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.

3.5.2. Особенности преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую в Челябинской области

1. Эффективность солнечного излучения и фотоэлек-

трические

свойства p–n перехода

Как известно, основным источником всех процессов на Земле является солнечная энергия, образуемая в результате термоядерной реакции на Солнце и поступающая на поверхность со средней плотностью 1,36 кВт/м

, которая используется пока толь-

ко 0,01%. Основной причиной низкого использования солнечной энергии является сложности в создании эффективных локальных установок, представляющих собой плоский солнечный коллектор, а также высокая рассеянность энергии и необходимость сооружений больших по площади и расходу конструкционного материала фокусирующих отражателей.

Солнечную энергию возможно также преобразовать в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей, из которых комплектуются солнечные батареи. В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяются фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия. Однако КПД таких элементов составляет только 13–15%, что неэкономично в промышленных условиях

Так, например, в солнечном фотоэл виде пл с

p- и n-типами проводимости путем изменения типа вв полупрово ди

ческ

ешетку кремния

прово

той структуры) о

бра соедине дифф n-тип

ас

тин из полупроводникового кремния, создаются области

дник

ой сист

при

месе

й. Так, например, атомы III группы Перио-

емы

Д.И. Менделеева, вв

, придают последнему дырочную (положительную)

димос

зготавливаемые нижний (сплошной) и верхний (гребенча-

зованию

ть, а при

контак

межд

мес

и V группы – электронную (отрицательную).

ты p-или n-полупроводников приводит к

у ними контактного электри

нии в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа

узионный поток электронов переходят из полупроводника

в полупроводник p-типа и, наоборот, поток

еме

еденные

[5].

нте, изготавлив

еденны

в кристалли

ческ

ого поля. При

дырок

аемом

х в

ческ

ую

из p- в n-полупрово p-n п

риц n-тип

ереходу час

ате

льно, а прилегающая к p-n переходу

, наоборот, приобретет положительный заряд.

дник. В ре

зультате такого проц

ть полупроводника p-типа будет зар

час

есса

прилегающая к

яжаться

от-

ть полупроводника

Таким образом

яженный с

эл

ек

тронов и дырок. Действительно, ди

лой, который противодействует проц

, вблизи p-n перехода образуется двойной з

ессу дифф

фф

узия стремится создать

а-

узии

пото эл де т хода возни эл должны затра

пот хо p-n п и

электронов из n-области в p-область и наоборот, – вернуть

ек

троны в n-область. Аналогичн

противодействует ди

ате устана

ек

троны из n-полупроводника и

вливается равновесное состояние: в области p-n пер

кае

т потенциальный барьер, для преодоления которого

тить опр

нциалов – фотоЭДС, или напр

да

. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому»

способс

ежд

у n- и p-областями фотоэл

ерехода, к

твует ин

оторое пони

жек

фф

узии дырок из p- в n-область. В резуль-

еделе

нную энергию.

жае

ции дырок из p-области в n-область и эл

ым образом

дырк

яжение

и из p-полупроводника

емента

возни

в режиме холостого

т высоту потенциального барьера

поле в p-n перехо-

е-

кае

т разность

смеще

нию

ектронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противополо дейс

твием света и их оттока из-за понижения высот

льного барьера разной интенсивности света образуется различ-

ная в

еличина ф

жных меха

отоЭДС.

низмов – накопления носителей тока под

ы поте

нци-

При в

еличина ческое с ме

нта выбирают таким, чтобы получить

ую этой нагрузке электри

ключе

тока в цепи н

нии в электри

еск

олько уменьшится. О

ческ

ую цепь полезной нагрузки

быч

но электри-

опротивление полезной нагрузки в цепи солнечного эл

ческ

ую мощность.

максима

льную отдав

2. Конструкционные материалы, применяемые для изготовления

Для солнечных элементов применяются технологи

ложных и дорогостоящие конструкции, в связи с этим необходимо для их изготовления применять недорогие м например, да г

ллия и поликристалли

сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсени-

Аморфный кремний

лом, чем моно а

морфного кремния в 20 раз выше, чем кристалли му дл

я значительного

криста

лли

ческ

поглощения света достаточно пленки а-Si:Н

солнечных элементов

ческ

ческих

атериа

полупроводников [11].

лы,

как,

является более дешевым материа-

ий, так как опти

ческое

ческ

поглощение

ого. Поэто-

е-

ае-

толщиной 0,5–1 мкм вместо дорогостоящих кремневых 300-мкм

подложек. Кроме того, для получения солнечных электродов(СЭ) не нужно большой площ ров

и, необходимых в случае применения монокристалли

кре

мния. По сравнению с поликристалли

эл

емента

низ

подлож

а ос

кре

мниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием

хнологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теорети-

ческ

ого потолка – 16 %.

ми изделия на основе a-Si:Н изготавливают при более

их температурах (300 °С), применяя дешевые стеклянные

и, что сокра

По

ка

аксима

льный КПД экспериментальных элементов

нове а-Si:Н – 12% – н

Арсенид галлия

лов для создания высокоэффективных солнечных батарей, что объ

ясняется е

почти идеальная для однопереходных

го особенностями:

ди и операций резки, шлифовки и поли-

ческ

ого

ческ

ими кремниевыми

щает рас

ход кремния в 20 раз.

еск

олько ниже КПД кристалли

ческ

– один из наиболее перспективных матери-

СЭ

ширина запр

щенной зоны, равная 1,43 эВ;

повышенная способность к поглощению солнечного излу-

их

е-

чения

ф ным дл

галлия

е с

олнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs. О мо с

лои GaAs на подложках многократного использования.

п спос

: требуется слой толщиной всего в н

высо

ек

тивностью делает этот материал чрезвычайно привл

относительно низкая чувствительность к нагреву батарей

а ос

нове GaAs;

– а

кая радиа

я ис

пользования в косми

ционная стойкость совместно с высокой эф-

ческ

их аппаратах;

люминий, мышьяк, фосфор или инди

еск

олько микрон;

й в сплаве арсенида

екате

ль-

дополнительно повышают его качество.

Гл

вное достоинство арсенида галлия и сплавов на его осно-

– широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Типичный

новной недостаток арсенида галлия – высо

ть. Для удешевления производства предлагается выращивать

Поликристаллические тонкие пленки

ерспек

тивны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высо

такж

е могут

кая с

тои-

быть

кая

обность к поглощению солнечного излучения у диселени-

меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом

ми

роне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ)

[2, 15]. Н

иболее распространенным материалом для изготовл

е-

ния окна солнечной батареи на основе CuInSe гд

для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добав-

ют цинк. Немного галлия в слое CuInSe

апреще

ход

нной зоны, что приводит к росту напряжения холостого

и, следовательно, повышению эффективности устройства.

является

еличивае

ув

CdS. Ино-

т ширину

Один из о ческое осаждение зов

нной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se

новных способов получения CuInSe

из растворов CuSO4, In2(SO4)

– эл

и SeO

ек

трохими-

иони-

в д

как

1:5:3

и pH>>1,2–2,0.

Теллурид кадмия

л для солнцеэнергетики. У него почти идеальная ширина запр щенной зоны (1,44 эВ) и очень высо

(CdTe) – еще один перспективный матери-

е-

кая спос

обность к поглощ

ению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кром спла с зада

в олов к с ним пот

того, технологи

ческ

и несложно получать разнообразные

вы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев

нными свойствами.

Подобно CuInSe

ключа

ют гетеро-переход с CdS в

а ис

пользуется

, наилучшие элементы на основе CdTe

качестве ок

как

прозрачный контакт и просветляющее по-

онного слоя. Оксид

рытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое

опротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутрен-

еря

м. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пл сителе зн

й заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими

ачения

ми КПД, от 10 до 16%.

Ср

ди солнечных элементов особое место занимают бат реи, использующие л

зного действия солнечных элементов на основе диоксида ти-

ана

, покрытого органи

нова солнечных элементов данного типа – широкозонный полупроводни красителя

. Принцип работы элемента основан на фотовозбужд

енк

и CdTe обладают высокой подвижностью но-

органические материалы

ческ

им красителем, весьма высок~11 %.

, обычно TiO2, покрытый монослоем органи

. Коэффициент по-

ческ

а-

ого

ении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимос

ти TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент

ид

т электри

во

сста

новление трииодида до иодида. Затем иодид проходит

ческ

ий ток и на платиновом электроде происходит

через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный

красите

ль.

3. Классификация и основные элементы гелиосистем

Системам

вая

энергия. По способу использования солнечной радиации

солнечного теплоснабжения характерна тепло-

системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют стемы

на

пассивные и активные. Пассивными

солнечного отопления, в которых

явля

ются си-

качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту,

является

само здание или его отдельные ограждения

(здание-коллектор, стена-коллектор и т. п. (рис. 3.1)) [13].

Активными

ратурного

отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным нию.

пления,

Активные гелиосистемы подразделяются:

– по

назначению (системы горячего водоснабжения, ото-

комбинированные системы для целей теплохолодос-

являются системы солнечного низкотемпе-

отдельным устройством, не относящимся к зда-

набжения);

– по

виду используемого теплоносителя (жидкостные –

вода, антифриз и воздушные);

– по

продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

– по

техническому решению схем (одно-, двух-, многокон-

турные).

Простейшая конструкция активного

гелиоприемника при-

ведена на рис. 3.2.

В активных системах

мерзающим

во

всем диапазоне рабочих параметров теплоно-

сителем является воздух

, при

широко распространенным неза-

применении которого возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако применение воздуха

приво

дит к повышению расхода металла на устройство систем такого отопления по сравнению с водяными

сителем,

системами.

Вода

является теплоемким и широкодоступным теплоно-

однако при температурах ниже 0 °С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют

летние и переходные месяцы. Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные,

причем для разных контуров могут быть применены раз-

личные

теплоносители.

Рис. 3.1. Пассивная низкотемператур-

Рис. 3.2. Концентрирующий

ная система солнечного отопления

«стена-коллектор»: 1 – солнечные

лучи; 2 –лучепрозрачный экран;

3 – воздушная заслонка;

4 – нагретый воздух;

5– охлажденный воздух;

6 –собственное волновое тепловое

излучение массива стены; 7 – черная

лучевоспринимающая поверхность

стены; 8– жалюзи

Комбинированные пользуются для полнительный плогенератора,

теплохолодоснабжения зданий, включая до-

источник теплоты в виде традиционного те-

работающего на органическом топливе, или

гелиосистемы

2 – тепловоспринимающий

гелиоприемник:

1 – солнечные лучи;

элемент (солнечный

коллектор); 3 – зеркало;

4 – механизм привода

системы слежения;

5 – трубопроводы,

подводящие и отводящие

теплоноситель

круглогодично ис-

трансформатора теплоты. Принципиальная схема системы солнечного

теплоснабжения включает три контура циркуляции:

–

первый контур, состоящий из солнечных коллекторов,

циркуляционного насоса и жидкостного теплообменника;

–

второй контур, состоящий из бака-аккумулятора, цирку-

ляционного

–

третий контур, состоящий из бака-аккумулятора, цир-

куляционного

асоса и теплообменника;

асоса, водовоздушного теплообменника (ка-

лорифера).

4. Конструкции применяемых гелиоприемников

Гелиоприемники могут быть различной конструкции: концентрипующие, плоские и т.д. ники кала,

представляют собой сферические или параболические зервыполненные из полированного металла, в фокус которых

Концентрирующие гелиоприем-

помещают тепловоспринимающий элемент (солечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя

емниками тельно достаткам

используют воду или незамерзающие жидкости [10].

Преимуществом

является способность выработки теплоты с относи-

высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К не-

следует отнести высокую стоимость конструкции;

систем с концентрирующими гелиопри-

необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты измеримые живают

на

привод системы слежения за ходом Солнца, со-

вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдер-

широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими или плоскиими

зовать ми

гелиоприемниками.

качестве тепловоспринимающей панели можно исполь-

любой металлический или пластмассовый лист с канала-

для теплоносителя. Пластмассовые панели из-за быстрого старения под действием солнечных лучей разогреваются до температур 70–80 °С, превышающих температуру окружающей

среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи

панели.

Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой

части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», оксида меди на алюминии, оксида меди на меди и другие дорогостоящи.

Другим способом улучшения характеристик плоских кол-

лекторов

является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью пловых

потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

прозрачной изоляцией для уменьшения те-

Существенным

их

недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение

коллектора в промышленных районах.

Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов

включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах

высокой средней интенсивностью солнечной радиации, как например, на юге Челябинской области, где наиболее высокое количество солнечных дней.

5. Тепловое

лаждения

ипичная сх

анием

помещений

энергии для получения гор ный контур на антифризе, теплоо м

улирующего

Так как эффек

аккумулирование солнечного обогрева и ох-

ема активной системы с те

яче

й воды вклю

бме

нник в нижней

бака

и дополнительный нагреватель (рис. 3.3) [10 ].

тивность солнечного коллектора сни

плов

ым аккум

чае

т перви

час

ти

жается с

улиро-

ч-

акк

у-

ув

еличением разности температур первичного контура и окружающей среды воз шой п ме

аккум площ е

тся градиент концентрации соли (концентрация увеличивается

глубиной)

етра л пов к

90 °

климатом

, температуру первичного контура следует по

мож

но более низком уровне. Для этого следует о

ерепад темпера

шиванию в

де

баке

льные

улирования о

ади к

оллектора. В теплоносителе соз

межд

) и нижним конвективн

). Благодаря этому конвекция и связанный с ней теплоотвод к

рхности подавляются, и слой толщиной ~ 1 м, в котором нет

тур в теплоо

и о

беспеч

емкос

ти

быч

ить подвод тепла в холодную

аккумуля

но составляют 50–100 кг воды на 1

бме

ннике, воспрепятствовать пер

торов для кратковр

у верхним конвективн

ым слоем

дается

ым слоем

(в результате отвода теп-

ддержива

беспеч

и по

ить неболь-

час

ддержива-

ть

еме

ть на

бака

нного

(под действием

онвекции, служит тепловой изоляцией.

Таким способом мож

С является обычным расчетным

но достичь температуры воды 100 °С, а

зн

ачением

в зонах с жарким

ли предложены и разработаны сист

емы аккум

улиров

е-

а-

ния на основе использования

теплоты фазового перехода для

зар

ядк

и и разр

ыми каналами с разде

ядк

и воздухом или водой с оребренн

льн

ыми к

ольц

е-

онтурами зарядной и разрядной сред. Таким образом вр

еме

нно зар

сос

тоит из внутренней и наружной трубок, тепловой контакт

между к

отор

ядк

ым

и о

, теплоо

у и разр

ядк

беспечивается

бме

нник позволяет проводить одно-

у.

Кажды

продольн

й теплоо

ым

бменны

й эл

и ребрами из

еме

нт

материала с хорошей теплопроводностью (например, алюминия). К

ольцевое пространство

аккум

улирующим тепло. Он работает

межд

у ребрами заполнено материалом,

как

гибридный

аккумулятор, в котором используется теплота фазового перехода и теплота н

агрева рабоче

го тел

а (рис. 3.4)

Рис. 3.3. Схема получения

горячей воды для бытовых нужд

с использованием солнечной

энергии:

1 – солнечные коллекторы;

2 –первичный цикл (антифриз);

3 – циркуляционный насос;

4 – аккумулирующий бак;

5 – солнечный теплообменник;

6 – подача холодной воды;

7 – дополнительный нагреватель

Рис. 3.4. Теплообменник с

оребренными кольцевыми

каналами для аккумулирования

энергии с использованием теплоты

фазового перехода: 1 – элемент

теплообменного блока:

2 – термоаккумулирующее

вещество; 3 –

4 – горячий теплоноситель;

5 – резервуар (кожух); 6 – холодный

теплоноситель для разрядки

продольное ребро;

Более эффективными энергоаккумуляторами являются агрегат CALMAC и блок солнечных энергоакуумулирующих стержней

для аккум

зового перехо

улирования энергии с использованием теплоты

фа-

да, схемы которых представлены на рис. 3.5 и 3.6.

100

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2710 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]