Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

КПД термоэмиссионного преобразователя как правило,

значительно меньше КПД соответствующего идеального цикла

Карно. Для оценки КПД может быть использована формула

/( )

e r

JU q q q





  

где q

= е  * +2kТ

— теплота, переносимая электронами;

— теплота, переносимая потоком энергии излучения;



— теплота, переносимая теплопроводностью (через цезий)

и через соединительные провода.

Две последние составляющие вычисляют по обычным

соотношениям теплообмена потока энергии излучения и

теплопроводности.

Расчеты реальных термоэмиссионных преобразователей и их

систем выполняются с использованием достаточно сложных

компьютерных программ.

Технические проблемы ТЭП. Основное направление

использования ТЭП — источники энергии для космической

техники. Однако не исключаются и другие специальные

применения ТЭП. При этом ТЭП могут быть встроены в ядерные

реакторы (реакторы «Топаз» и «Топаз-2»), где источником теплоты

служит реакция деления ядер урана, или использоваться в

сочетании с высокоточными концентраторами солнечной энергии.

При разработке реальных ТЭП важнейшими проблемами

являются:

 создание электродов с определенной работой выхода,

минимальной испаряемостью и малым сопротивлением;

 регулирование и поддержание необходимого вакуума и

давления паров наполнителя. В настоящее время созданы

удовлетворительно работающие источники пара цезия, пригодные

для работы в условиях космоса на основе капиллярных структур,

заполненных жидким цезием, и на основе соединений цезия с

графитом;

 разработка коррозионно-стойкой оболочки корпуса ТЭП

и надежного соединения различных частей преобразователя.

Здесь основная роль при надлежит различным приемам

соединения материалов с различающимися температурными

коэффициентами (ниобий, электроизоляционная керамика

(А1

, Y

), нержавеющая сталь);

 подвод к эмиттеру теплового потока 10÷40 Вт/см и отвод

его с коллектора ТЭП. В ядерном реакторе основной проблемой

является совместимость эмиттера с ядерным топливом, в сол-

нечных установках — создание ловушек-приемников энергии

излучения Солнца, характеризуемых малыми потерями на обратное

излучение. При отводе теплоты с коллектора — главная проблема

ТЭП с ядерным нагревом — радиационная и термоциклическая

стойкость многослойной металлокерамической конструкции,

отделяющей объем преобразователя от охладителя, в качестве

которого обычно используют расплавленные щелочные металлы.

3 СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Источником энергии солнечного излучения служит

термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии

испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне

0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет

ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного

излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном

и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в

воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром,

отражающим влияние атмосферы на интенсивность и

спектральный состав солнечного излучения, доходящего до

земной поверхности, является атмосферная (или воздушная)

масса. При нулевой воздушной массе интенсивность излучения

равна Е

= 1360 Вт/м

. Величина АМ =1 соответствует

прохождению солнечного излучения через безоблачную

атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении

Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной

поверхности в любой момент дня определяется по формуле:



sin

)(



xAM

(3.1)

где

– атмосферное давление, Па;

– нормальное атмосферное давление (1,013·10

Па);



– угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характерной в земных условиях является

величина АМ 1,5 (



=42º). Она принята за стандартную при

интегральной поверхностной плотности солнечного излучения

= 835 Вт/м

, что необходимо при обеспечении сравнимости

результатов исследований различных солнечных элементов. На

рисунке 3.1 приведено спектральное распределение потока

фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного

стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при

перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.

Энергия фотонов, (эВ) в излучении с длиной волны λ

определяется из соотношения



24,1



hhv

(3.2)

где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10

-34

Дж·с;

c – скорость света, 2,9979250(10)·10

м/с;

λ – длина волны, мкм.

1 – внеатмосферное излучение (АМ

0); 2 – наземное стандартизованное

излучение (АМ 1,5); 3 – спектр

излучения абсолютно черного тела

при Т

= 5800 К. Заштрихована

доля полезно используемых

фотонов.

Рисунок 3.1 – Спектральное распределение потока фотонов

солнечного излучения

Считается, что до 15% солнечной энергии, поступающей на

поверхность Земли, может быть использовано для обеспечения

жизнедеятельности человечества. Эта доля равна 63 000

миллиардов МВтч в год или 7700 миллиардов тонн условного

топлива

Существует два основных способа использования

солнечной энергии:

 непосредственное преобразование в электрическую

энергию .

 непосредственное преобразование солнечной энергии в

низко потенциальную тепловую энергию.

3.1 Гелиоэнергетический потенциал Украины

Уровень поступления солнечной радиации на Украине

достаточно высокий, составляет 3.46 миллиардов мегаватт-часов

в год. Наибольшее число часов солнечного сияния 2300÷2400

часов в год наблюдается в Крыму и на побережье Черного и

Азовского морей. В степной зоне Украины длительность

солнечного сияния составляет 2000÷2200 часов. В направлении

полесья и на востоке страны длительность солнечного сияния

уменьшается до 1740÷1840 часов, в низинах закарпатской

области число часов солнечного сияния достигает 2025 часов в

год. Наиболее солнечные месяцы - с мая по август, наименее

солнечные - с ноября по февраль.

Среднегодовое количество суммарной солнечной

радиации, которая поступает на 1 м

поверхности, на территории

Украины находится в границах: от 1070 квтч/м

в северной

части Украины до 1400 квтч/м

и выше в АР Крым. Потенциал

солнечной энергии в Украине есть достаточно высоким для

широкого внедрения как теплоэнергетического, так и

фотоэнергетического оснащения практически во всех областях

(рис. 3.2). Время эффективной эксплуатации гелиоэнергетичес-

кого оборудования в южных областях Украины - 7 месяцев (из

апреля по октябрь), в северных областях 5 месяцев (из мая по

сентябрь). Фотоэнергетическое оборудование может достаточно

эффективно эксплуатироваться на протяжении всего года.

В климатометеорологических условиях Украины для

солнечного теплоснабжения эффективным есть применения

плоских солнечных коллекторов, которые используют как

прямую, так и рассеянную солнечную радиацию.

Концентрирующие солнечные коллекторы могут быть

достаточно эффективными только в южных регионах Украины.

Преобразования солнечной энергии в электрическую

энергию в условиях Украины следует ориентировать в первую

очередь на использование фотоэлектрических устройств.

Рисунок 3.2 – Потенциал солнечной энергии в Украине

Наличие значительных запасов сырья, промышленной и

научно-технической базы для изготовления фотоэлектрических

устройств может обеспечить сполна не только потребности

отечественного потребителя, но и представлять для экспортных

поставок больше двух третей выработанной продукции.

3.2 Солнечное теплоснабжение

В Украине реализовано более 50 экспериментальных

проектов в разных областях народного хозяйства. Годовая

выработка тепловой энергии достигает 500÷600 кВт-час/м

, срок

окупаемости - от 3 до 10 лет.

Системами солнечного отопления называются системы,

использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной

радиации. Их характерным отличием от других систем

низкотемпературного отопления является применение

специального элемента – гелиоприемника, предназначенного

для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в

тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы

солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на

пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в

которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную

радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание

или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-

коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 3.3)).

1 – солнечные лучи; 2 –

лучепрозрачный экран; 3 –

воздушная заслонка; 4 –

нагретый воздух; 5 –

охлажденный воздух из

помещения; 6 – собственное

длинноволновое тепловое

излучение массива стены; 7 –

черная лучевоспринимающая

поверхность стены; 8 –

жалюзи.

Рисунок 3.3 – Пассивная низкотемпературная система

солнечного отопления «стена-коллектор»

Активными называются системы солнечного

низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник

является самостоятельным отдельным устройством, не

относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть

подразделены:

 по назначению (системы горячего водоснабжения,

отопления, комбинированные системы для целей

теплохолодоснабжения);

 по виду используемого теплоносителя (жидкостные –

вода, антифриз и воздушные);

 по продолжительности работы (круглогодичные,

сезонные);

 по техническому решению схем (одно-, двух-,

многоконтурные).

Воздух является широко распространенным

незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров

теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя

возможно совмещение систем отопления с системой

вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель,

что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем

воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным

теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее

необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того,

нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает

коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в

водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой

степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно

одноконтурные и функционируют в летние и переходные

месяцы, в периоды с положительной температурой наружного

воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты

или обходиться без него в зависимости от назначения

обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные

или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров

могут быть применены различные теплоносители (например, в

гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в

промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя –

воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного

действия для целей теплохолодоснабжения зданий

многоконтурные и включают дополнительный источник

теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего

на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Основными элементами активной солнечной системы

является гелиоприемник, аккумулятор теплоты,

дополнительный источник или трансформатор теплоты

(тепловой насос), ее потребитель (системы отопления и горячего

водоснабжения зданий). Выбор и компоновка элементов в

каждом конкретном случае определяются климатическими

факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления,

экономическими показателями.

3.2 Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующие гелиоприемники представляют собой

сферические или параболические зеркала, параболоцилиндры

(рис. 3.4), выполненные из полированного металла, в фокус

которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный

котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве

теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости.

При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные

часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для

предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса

улавливания и преобразования солнечной радиации

концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно

направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник

снабжают системой слежения, включающей датчик направления

на Солнце, электронный блок преобразования сигналов,

электродвигатель с редуктором для поворота конструкции

гелиоприемника в двух плоскостях.

а – параболический концентратор; б –

параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные

лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный

коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы

слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие

теплоноситель.

Рисунок 3.4 – Концентрирующие гелиоприемники

1 – параболоцилиндрический концентратор; 2 – жидкостный

теплоаккумулятор; 3 – дополнительный теплоисточник; 4 – термометр; 5 –

контур системы отопления; 6 – регулирующий вентиль; 7 – циркуляционный

насос.

Рисунок 3.5 – Жидкостная комбинированная

двухконтурная низкотемпературная система солнечного

отопления с параболоцилиндрическим концентратором и

жидкостным теплоаккумулятором

На рис. 3.5 представлена принципиальная схема

жидкостной комбинированной двухконтурной низкотемпе-

ратурной системы солнечного отопления с параболо-

цилиндрическим концентратором и жидкостным теплоакку-

мулятором. В контуре гелиоприемника в качестве

теплоносителя применен антифриз, а в контуре системы

отопления – вода.

Преимуществом систем с концентрирующими

гелиоприемниками является способность выработки теплоты с

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

недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции;

необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей

от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно,

потребность в аккумуляторах большого объема; большие

энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца,

соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки

сдерживают широкое применение активных

низкотемпературных систем солнечного отопления с

концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время

наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем

отопления применяют плоские гелиоприемники.

1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая

поверхность; 5 – теплоизоляция;6 – собственное длинноволновое излучение

тепловоспринимающей пластины.

Рисунок 3.6 – Плоский солнечный коллектор

Плоские солнечные коллекторы (рис. 3.6) состоят из

стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного,