Ветроагрегат с вертикальной осью. Современный ветроагрегат с вертикальной осью представляет собой сочетание двух изобретен­ных ранее устройств: ветроагрегата Дарье [20], в котором тонкие изогнутые дугообразные лопасти своими концами крепятся к нижней и верхней точкам вертикальной оси вращения, перпендикулярной направлению ветра, и ветроколеса Савониуса [21, 22] или S-образ­ного ротора, в котором две дуги разделены и перекрывают друг друга, образуя канал для прохода воздуха. Простейшие ветроколеса Савониуса изготовлялись из двух половинок разрезанной пополам обычной бочки, которые сваривались друг с другом, образуя лопасти [23]. На рис. 7.2 показано ветроколесо из стекловолокна. Ветроагре­гат Дарье является простым энергоустройством, но подобно другим системам с постоянным углом установки лопастей и высоким КПД он не может самостоятельно запускаться под нагрузкой. Ветроко­лесо приводится во вращение подъемной силой, действующей на про­филированные участки лопастей, причем S-образный ротор исполь­зуется в основном для разгона колеса Дарье. Коэффициент исполь­зования энергии ветра колеса Дарье приблизительно равен коэффи­циенту использования любой хорошей системы с горизонтальной осью вращения [24], но считается, что потенциальными преимущест­вами ветроколес первого топа являются меньшие затраты на изго­товление и простота обслуживания [25]. Важные исследования этой системы проводятся лабораторией «Сандиа» [1].

Модель ветроагрегата мощностью 100 кВт (проект ЭРДА).

Данный проект является основным в программе работ, проводимых США в области ветроэнергетики [2, 26—28] Ветроагрегат имеет двухлопастный пропеллер диаметром 38,10 м с переменным углом поворота лопастей. Пропеллер приводит во вращение синхронный генератор переменного тока через редуктор, установленный на сталь­ной башне высотой 30,48 м. Разработана программа испытаний

с целью получения данных по изготовлению, эксплуатации, рабочим характеристикам и экономическим показателям ветроэнергетических систем винтового типа, предназначенных для выдачи электроэнергии в сеть. Ветроколесо расположено за башней, а вместо традиционно­го хвостового стабилизатора, использовавшегося в более ранних конструкциях для ориентации ветроколеса, применяется система управления с силовым приводом. Выработка энергии начинается при скорости ветра 3,58 м/с, а номинальная мощность 100 кВт дости­гается при скорости 8,05 м/с, т. е. Нном/уп=2,25. Максимальная ско­рость вращения ветроколеса составляет 40 об/мин и поддерживается

при более высоких скоростях ветра путем изменения угла поворота лопастей, осуществляемого с ‘помощью сложной гидравлической си­стемы управления.

Ветроустановка в Твинде (Дания). Крупнейший в мире строя­щейся установкой в 1976 г. [29] был ветроагрегат в Твинде непода­леку от западного побережья п-ва Ютландии. В декабре 1975 г.

было закончено сооружение железобетонной башни с расчетной вы­сотой оси ветроколеса над уровнем земли 54 м. Двухлопастное ко­лесо радиусом 27 м начинает вращаться при скорости ветра 3 м/с. тогда как номинальная скорость ветра составляет 14 м/с. При ско­ростях ветра от 14 до 20 м/с изменяется угол поворота лопастей, а при скоростях выше 20 м/с ветроколесо останавливается и лопа­сти фиксируются в нерабочем положении. Проект не финансируется датским правительством, а реализуется совместными усилиями жите­лей институтского городка, которые проводят все работы и выде­ляют средства на проект стоимостью свыше 350 000 долл.

Новая ветроустановка Ветроэнергетической компании Велико­британии. Новый подход к конструкции ветроагрегата принят Вет­роэнергетической компанией, которая разработала простую и надеж­ную. конструкцию ветроколеса пропеллерного типа с автоматической системой регулирования частоты вращения; ветроколесо не нуждает­ся в каких-либо дополнительных устройствах управления, может самозапускаться и защищено от превышения скорости. Поэтому оно не испытывает вибраций и надежно защищено от ураганных поры­вов ветра. В отличие от более ранних конструкций ветроагрегатов в данной конструкции нет электрогенератора в верхней части мачты. Вместо генератора установлена масляная гидравлическая система высокого давления, непосредственно соединенная с ветроколесом, энергия которого передается потребителю в виде энергии рабочей жидкости. На рис. 7.3 показана установка с ветроколесом диамет­ром 5 м. Модульная конструкция дает возможность использовать серийно выпускаемые узлы, обеспечивает высокую маневренность системы и позволяет приспосабливать ее к конкретным режимам путем соответствующего выбора и компоновки стандартных модулей. Возможности использования этой системы весьма широки — от непо­средственной выдачи электроэнергии в национальную энергосистему до применения в сельском хозяйстве, тепличном садоводстве, систе­мах центрального отопления, опреснительных установках, а также домашних системах отопления и освещения. Ветроагрегаты могут дополняться автоматическими системами аккумулирования энергии и резервными установками. Прототип модуля с ветроколесом диа­метром 18,3 м должен быть пущен в эксплуатацию в конце 1976 г. Этот агрегат сооружается на юге Англии и предназначен для отоп­ления крупной теплицы. Проведены также предварительные разра­ботки модуля с ветроколесом диаметром 46 м.

Программы крупномасштабного использования энергии ветра. Кроме США и Дании в Швеции, Голландии, Канаде, Израиле, ФРГ н Японии также приняты планы создания ветроэлектрических гене­раторов, которые могли бы выдавать электроэнергию непосредствен­но в сеть. В марте 1976 г. английская Ассоциация электротехниче­ских исследований сообщила Энергетическому комитету палаты общин, что крупные ветроагрегаты через 10 лет могут обеспечить до 10% всех потребностей Великобритании в электроэнергии, и реко­мендовала создать примерно 1500 ветроагрегатов. Отличительной особенностью таких программ является то, что они опираются на су­ществующую технологию и освоенную технику.

Комплексное использование энергии ветра и солнца. Рису­нок 7.4, где представлено распределение приходов солнечной радиа­ции [30] и ветровых ресурсов [17] на Британских островах, иллю — ; стрирует взаимодополняемость этих энергоисточников. Видно, что хотя среднегодовые дневные приходы суммарной радиации в север­ных районах ниже, зато ресурсы ветровой энергии в них значительно выше. Установлено, что во многих странах повторяемость сильных ветров наиболее значительна в зимние месяцы, когда потребность в энергии достигает максимума. С другой стороны, в этот период при­ход солнечной радиации, которую можно использовать для отопления и нагрева воды, наиболее низок. Решение этой проблемы может заключаться в комплексном использовании энергии — ветра и солнеч­ной энергии для отоплении с помощью применения туннельных, т. е.

снабженных диффузором, ветроколес. Теоретически туннельные ко-1 леса, которые могут свободно вращаться для ориентации в направ­лении ветра, способны вырабатывать значительно больше энергии, чем открытые ветроколеса того же диаметра. Например, Льюис ГЗ1 ] показал, что туннельное колесо диаметром 3,5 м вырабатывает на 46% больше энергии, чем обычное ветроколесо, а согласно работе Лилли и Рейнберда [32] это значение составляет 65%. Если тун­нельные колеса устанавливать не на башне, а монтировать в виде неподвижного комплекса, образующего «ветровую стену», ориенти-

рованную в направлении преобладающих ветров, то получается удовлетворительная с эстетической точки зрения конструкция, кото­рая не нарушает городской пейзаж так, как отдельно стоящий круп­ный ветроагрегат. Одна установка такого типа была предложена для жилого комплекса в Суссексе [33]; для долгосрочного аккуму­лирования тепловой энергии предполагалось использовать подземные водяные баки-аккумуляторы, а склоны выемок под баки для разме­щения солнечных коллекторов. Как показано на рис. 7.5, «ветровая стена» расположена наверху такого склона. Расчетный КПД тун­нельного колеса при фиксированном направлении и высоте располо­жения составляет 77% КПД обычного ветроагрегата такого же размера.

По годовому распределению энергии ветра имеются надежные статистические данные, однако исчерпывающий анализ ветроэнерге­тических ресурсов в каждом конкретном месте весьма сложен. Эти ресурсы зависят, например, от рельефа местности, высоты располо­жения ветроагрегата — относительно поверхности земли и климатиче­

ских условий. Как это не удивительно, но ветроэнергетический ка­дастр Британских островов изучен более основательно, чем, пожа­луй, любой другой страны мира [10, 14]. Западное побережье Ирландии наряду с некоторыми западными островами. Шотландии отличаются наилучшим ветровым режимом. Средняя скорость ветра достигает здесь примерно 9 м/с.

Кинетическая энергия единицы массы воздушного потока равна 1 /2у2, а массовый расход потока через данное поперечное сечение площадью А составляет pAv. Теоретическая располагаемая мощ­ность воздушного потока есть произведение этих двух величин:

где v — скорость движения воздуха, а р — его плотность.

Если А является площадью круга, описываемого лопатками вет — гс

роколеса диаметром D, то D2=A и располагаемая мощность

составляет:

P = -|-pDV.

Фактически располагаемую мощность удобно представить в виде P=KrD2v3,

где Кг — коэффициент использования энергии ветра, учитывающий динамику ветра и эффективность роторной системы [14].

Максимальное количество энергии, которое может быть получено от движущегося воздушного потока, как впервые показал немец­кий инженер Бец в 1927 г., составляет 0,59259 теоретически распола­гаемой энергии. Это количество энергии может быть получено толь­ко при совершенной конструкции лопастей, причем скорость движе­ния концов лопастей должна в шесть раз превышать скорость вет­ра. Любой аэрогенератор может работать только в определенном | диапазоне скоростей ветра, начи — I/! ная с минимальной (пусковой) скорости оп и кончая номинальной рабочей скоростью иНом. Обычно отношение Уном/Уп находится в пределах от 2 до 3. Если при скоро­стях ветра, превышающих оВом> можно изменять угол установки лопастей, система может продол­жать работу при номинальной ге­нерируемой мощности, причем предельное значение скорости зависит только от конструкции. В некоторых системах во избежание поломки ветроколеса при больших скоростях ветра оно целиком выводится из-под ветра. На рис. 7.1 приведены в качестве примера интеграль­ные кривые распределения скорости ветра и мощности регулируемо­го ветроагрегата в годовом цикле (так называемые кривые обеспе*

ценности). У многих современных ветроагрегатов КПД при передаче
мощности с вала ветроколеса на выводы генератора достигает 75%.

Принимая во внимание, что яри нормальном атмосферном дав­лении (1000 ГПа) и температуре 290 К плотность воздуха р= = 1,201 кг/м3, и полагая, что КПД при передаче мощности с вала ветроколеса до выводов генератора составляет 75%, получаем:

:0,0002.

Влияние высоты мачты ветроагрегата на его характеристики. мо­жет быть значительным; в работе [15] получены значения показателя степени в эмпирическом соотношении v=Ha, связывающем среднюю скорость ветра v с высотой Н. В Великобритании для открытой местности на уровне земли а=0,17; для небольших городов это зна­чение следует увеличить до 0,25, а для крупных городов до 0,33. Идеальным местом установки ветроагрегата является длинный, поло­гий склон холма. Кэйтон [16] и Рэнмент [17] рассмотрели методы определения вероятной средней скорости ветра и коэффициентов мощности.

Располагаемая мощность на валу ротора для ветроколеса
различного диаметра

В табл. 7.1 приведены значения располагаемой мощности на валу ротора для различных скоростей ветра и диаметров ветроколе­са, полученные по уравнению 0,0002Д2о3 с учетом поправочного ко­эффициента на высоту мачты. Фактически вырабатываемая механи­ческая или электрическая энергия будет меньше из-за потерь, опре­деляемых эффективностью преобразования энергии для каждой кон­кретной системы.

Годовое количество энергии, вырабатываемой ветроагрегатом, определяется уравнением

Wa=KrD2V3KsH,

где Н — среднее число часов в год (8766); Ks — полуэмпирический коэффициент, учитывающий статистический характер выработки энергии ветроагрегатом.

Для описания ветрового режима любого конкретного пункта обычно используется средняя годовая скорость ветра, однако мощ­ность ветроагрегата пропорциональна кубу скорости. Поскольку при кратковременном повышении скорости ветра мощность ветроагрегата увеличивается значительно сильнее, чем она уменьшается при ариф­метически эквивалентном снижении скорости ветра, в расчетах сле­дует использовать среднее значение у3, которое всегда существенно больше куба средней годовой скорости ветра. В 1956 г. Юул [3] предложил использовать значение Ks= 1,20. При этом он принимал среднюю расчетную скорость ветра равной 8 м/с и считал, что наи­более часто скорость ветра изменяется от 6 до 10 м/с через по­стоянные короткие промежутки времени, причем 83=512, в то время как 1/2(63- 103)=608. Проведенный в 1975 г. Понтином [18] анализ с применением ЭВМ показал, что этот коэффициент можно принять равным 2,06, при этом /CrK*^0,QQ04, a KrKsH=3,5064. Это значение очень близко к цифре, полученной Рэйментом на основе данных [19], и хорошо согласуется с результатами исследования Кэйтона [16], в котором годовая выработка энергии, когда вал ветроколеса соединен с электрогенератором, определяется уравнением

Wa=3,2289£>2у350,

где у so представляет собой значение скорости ветра, превышаемое в течение 50% времени года и весьма близкое к средней годовой скорости ветра. Если принять цифру 3,5064, то для ветроколеса диа­метром 18,3 м годовая выработка энергии составит:

Средняя скорость ветра,

м/с . ………………………. 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Годовая выработка энергии,

МВт-ч…………………….. 75 146 253 402 691 856 1174 1562 202

Дания. К концу прошлого века ветряные мельницы были основ­ным источником энергии в сельскохозяйственных районах Дании. Их называли «рабочими лошадками» и часто устанавливали на кры­шах амбаров; согласно оценкам мощность этих установок вместе с промышленными общим числом более 30 тыс. составляла примерно 200 МВт [3]. В 1890 г. профессор Лякур начал работы по йегро — энергетике. Получив значительную поддержку датского правитель­ства, он не только построил ветроагрегат в Асхове, но и создал лабораторию, полностью оснащенную научными приборами, и аэро­динамическую трубу. В период с 1890 до 1908 г. проф. Лякур раз­работал более эффективный и быстроходный ветроагрегат с упро­щенной системой регулирования частоты вращения и впервые начал производство с его помощью электрической энергии. Ветроколесо в Асхове диаметром 22,85 м имело четыре лопасти и было установ­лено на стальной мачте высотой 24,38 м. С помощью конической передачи крутящий момент передавался на вертикальный вал, со­единенный с системой конических передач, расположенных в основа­нии мачты; этот приводной механизм был соединен с двумя генера­торами постоянного тока мощностью по 9 кВт каждый. Установка явилась первым достоверным примерам преобразования энергии ветра в электрическую. К 1910 г. несколько сотен ветроагрегатов мощностью до 25 кВт обеспечивали электроэнергией сельские насе­ленные пункты.

Использование ветроэнергетических установок продолжало рас­ти и в период второй мировой войны. Пик был достигнут в январе 1944 г., когда 88 ветроагрегатов выработали 481 785 кВт-ч электро­энергии'[4]. В число этих 88 установок входил агрегат Шмидта, построенный в Гедзере в 1942 г. Колесо диаметром 24,38 м имело три деревянные лопасти. Первоначально мощность агрегата, выраба­тывавшего постоянный ток, составляла 70 кВт, а в 1955 г. он был реконструирован для получения переменного тока. В течение первых пяти лет эксплуатации агрегат выработал приблизительно 700 тыс. кВт-ч, или 2 тыс. кВт-ч в год в расчете на 1 кВт установленной мощности.

США. В 1922 г. Ежегодник электрификации и энергетики фер­мерского хозяйства перечислил 54 фирмы, занятые производством ветровых насосных и электрогенерирующих установок. К концу 20-х годов была образована одна из крупнейших фирм по производству ветроагрегатов — компания «Джэкобс винд электрик» (штат Минне­сота) [5]. Фирма была основана Джэкобсом, который ввел в кон­струкции своих ветроагрегатов два важных усовершенствования: трехлоластный винт, который позволил практически устранить виб­рации, возникающие у двухлопастных винтов вследствие колебаний суммарных усилий, воздействующих на лопасти при их перемещении из горизонтального в вертикальное положение, и центробежный ша­риковый регулятор угла поворота лопастей, обеспечивающий переход их во флюгерное положение при скорости ветра выше 8,05 м/с и поддерживающий постоянную частоту вращения привода генерато­ра. Ветроколесо диаметром около 4,27 м было непосредственно со­единено с генератором без зубчатой передачи. Возможно, наиболее известным явилось применение ветроагрегатов этой фирмы в Антарк­тике во время одной из научных экспедиций адмирала Бэрда в 30-х годах. Когда Бэрд в 1946 г. вернулся обратно в Антарктику, ветро­агрегат продолжал работать. Компания Джэкобса перестала су­ществовать в 1957 г. после проведения электрификации сельских районов.

В 30-х годах американский инженер Путнам разработал, а фир­ма «Смит энд Путнам» изготовила двухлопастный ветроагрегат с диаметром ветроколеса 53,34 м; агрегат был установлен в местеч­ке Грандпаз-Ноб в центральном районе штата Вермонт в 1941 г.

Синхронный электрогенератор И лопасти ротора были смонтированы на башне высотой 33,54 м, а электроэнергия выдавалась непосредст­венно в сеть центрального района Вермонта. .Ветроагрегат номиналь­ной мощностью 1,25 МВт хорошо проработал около 18 мес. до по­ломки основного подшипника генератора, которая, очевидно, не связана с конструктивными особенностями ветровой установки. В последующие два года из-за военной обстановки замена подшип­ника оказалась невозможной. В течение этого времени лопасти оста­вались неподвижными и испытывали полную ветровую нагрузку. При первоначальной сборке лопастей и опорных лонжеронов, изготовлен­ных в основном из нержавеющей стали, в них были пробиты за­клепочные отверстия; в 1942 г. в металле вокруг этих отверстии были обнаружены трещины. Было решено провести ремонт не в за­водских условиях, а на месте. 26 марта 1945 г. через месяц после замены подшипника трещины внезапно расширились, а один из лон­жеронов сломался, в результате чего обрушилась лопасть. Прово­дившая работы фирмы «С. Морган Смит» решила, что дальнейшие затраты на ремонт ветроагрегата нецелесообразны, и сделала анализ рентабельности сооружения других ветроагрегатов в штате Вермонт. Экономические исследования показали, что удельные капитальные затраты на 1 кВт установленной мощности будут приблизительно на 60% выше, чем соответствующие затраты на традиционные энерго­установки.

Хотя скептики были склонны считать этот эксперимент дорого­стоящей неудачей, в истории развития ветроэнергетики он имел огромное значение. Впервые была осуществлена выработка электро­энергии с помощью синхронного генератора и выдача ее в энергоси­стему. Обе механические аварии были вызваны недостаточными ^зна­ниями механических свойств материалов. С тех пор были глубоко изучены конструкции подшипников и проблемы усталостной прочно­сти металлов, так что в современных ветроагрегатах возникновение таких аварий маловероятно. Программа исследований этих агрегатов включала систематические измерения в условиях эксплуатации, ко­торые показали, что на данной площадке в Грандпаз-Ноб средняя скорость ветра составляла всего 70% первоначального расчетного значения и что желателен выбор каких-либо других площадок для размещения агрегата. На сегодняшний день в основном решены тех­нические проблемы преобразования ветровой энергии в электриче­скую и доказана возможность развития ветроэнергетики как важно­го источника энергии в любой стране с подходящими ветровыми ре­сурсами.

СССР. В 1931 г. в СССР был построен первый ветроагрегат для получения электроэнергии, отдаваемой непосредственно в сеть пе­ременного тока Ялты на побережье Черного моря [7]. Ветроагрегат использовался как дополнительный источник энергии и был включен в сеть тепловой электростанции Севастополя, расположенного на расстоянии около 30 км.

Трехлопастное ветроколесо диаметром 30,48 м с помощью зуб­чатой передачи приводило во вращение ротор асинхронного генера­тора мощностью 100 кВт. Мачта высотой 30,48 м была снабжена подкосом, передающим давление ветра от верхушки мачты на землю. Основание подкоса перемещалось по круговому рельсовому пути с помощью электродвигателя, управляемого ^ крыльчаткой, чувстви­тельной к направлению ветра и установленной наверху мачты. Обли­цованные металлом лопасти могли устанавливаться в нерабочее

положение с помощью автоматической системы регулирования в ре­зультате воздействия центробежной силы на компенсационные за­крылки, так что агрегат и при сильном ветре мог работать примерно с постоянной скоростью. Сообщалось, что годовая выработка энер­гии достигала 279 тыс. кВт-ч при среднегодовой скорости ветра 6,7 м/с; однако удовлетворительное управление работой ветроагрега — та было затруднительно. В течение следующих двух десятилетий развитие ветроэнергетики в СССР ограничивалось созданием агре­гатов мощностью до 3 кВт і[5].

Великобритания. К 20-м годам текущего столетия в стране по­явился интерес к ветроэлектрическим установкам небольшой мощ­ности. Были опубликованы [8] результаты сравнительных испытаний семи различных ветроагрегатов серийного производства мощностью от 250 Вт до 10 кВт, а также практическое руководство для инже­неров, желающих построить собственный ветроагрегат [9]. В 30-е годы фирмой «Лукас» был создан ветроагрегат «Фрилайт» [10], обеспечивающий работу шести электрических ламп — трех по 40 Вт и трех по 25 Вт при напряжении 25 В. Ветроколесо агрегата «Фри­лайт» можно было вывести из-под сильного ветра с помощью спе­циальной рукоятки, установленной у основания. мачты.

Вскоре после войны были созданы две установки мощностью по 100 кВт. Первая из них была построена в Оркнейсе в 1950 г. фир­мой «Джон Браун» [11]. Она имела трехлопастное ветроколесо диа­метром 15,24 м, которое было установлено на мачте высотой 23,77 м и приводило во вращение асинхронный генератор переменного тока мощностью 100 кВт. Вторая установка была построена для фирмы «Энфилд кэйблз» фирмами «Дэхавилланд пропеллерз» и «Рэдхоф айрон энд стил» и имела пневматическую передачу, предложенную французским инженером Андро [12]. Две полые лопасти ветроколе — са диаметром 24,38 м имели на концах отверстия и при вращении действовали как центробежный насос. Создаваемый поток воздуха поступал в турбину у основания мачты; турбина была непосредст­венно связана с синхронным электрогенератором. Установка была построена в 1953 г. в Сент-Ольбансе, но из-за плохих ветровых условий ее не удалось испытать и в 1957 г. она была перенесена в Алжир, где эксплуатировалась компанией «Электрисите э газ д’Алжир». Номинальная мощность 100 кВт была достигнута вскоре после сооружения ее на новой площадке. Были ‘также проведены исследования с целью оценки работы установки, и в 1960 г. Ассо­циация электротехнических исследований разработала графический метод определения параметров ветровых электрогенераторов [13]. Этот метод основан на результатах испытаний двух ветроагрегатов, один из которых мощностью 25 кВт построен на о. Мэн и имеет трехлопастное ветроколесо диаметром 12,19 м, а другой мощностью 7,5 кВт с диаметром трехлопастного ветроколеса 10 м — в Шотлан­дии. В обоих случаях было получено прекрасное соответствие между расчетными и экспериментальными данными.

Проблема преобразования солнечной энергии в удоб­ную для аккумулирования свободную химическую энер­гию давно привлекает внимание исследователей. Обзор первых работ на эту тему был опубликован Аркчером [33], который также определил, какие фундаментальные исследования еще предстоит провести [34]. Примерно половина солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, приходит в форме видимого света и может быть использована в различных фотохимических реакциях. Другая половина, поступающая в виде инфракрасного излучения, является бесполезной из-за слишком малой энергии квантов этого излучения. Однако общая эффек­тивность любого процесса фотохимического превращения энергии не может превышать 30%, поскольку во время реакции часть высокопотенциальной энергии фотонов коротковолнового излучения вырождается в теплоту. В основном фотохимические реакции являются экзотер­мическими, протекающими с выделением тепла, и поэто­му не подходят для превращения солнечной энергии в 148

аккумулируемую химическую энергию. Известные эндо­термические— накапливающие тепло реакции, протекаю­щие на свету, теоретически можно использовать для производства ценного химического топлива, однако глав­ная проблема здесь состоит в том, что эти реакции, как правило, слишком быстро обращаются и поглощенная энергия не сохраняется. К числу проблем относятся так­же такие, как наличие нежелательных побочных реакций и высокая стоимость сравнительно редких исходных ве­ществ. Последнее не очень существенно, поскольку исходное вещество можно регенерировать при обра­щении реакции, когда запасенная энергия освобож­дается.

Особое внимание уже давно привлекает возможность осуществления процесса соединения углекислого газа и воды для получения различных углеводородов, напри­мер мётана. Возможно также разложение воды на водо­род и кислород под воздействием света. Сообщается, что этот процесс уже осуществлен, хотя и с очень низкой эффективностью, благодаря применению металлических катионов, таких как церий и европий, и при использова­нии в качестве электродов двуокиси титана [35]. Можно проводить фотовосстановление некоторых органических веществ в воде также при очень низкой эффективности процесса.

Очень привлекательной представляется идея объеди­нить фото — и электрохимические процессы в аккумуля­торной батарее, которая могла бы заряжаться непосред­ственно от солнца. Некоторые такие системы хорошо из­вестны, например железо — тионин, однако их КПД составляет порядка 0,1 %• В этом процессе в массе рас­твора происходят фотохимические превращения, приво­дящие к изменениям в окислительно-восстановительной системе, которые в свою очередь вызывают появление разности потенциалов. Другой метод состоит в том, что один из электродов элемента покрывают красящим или неорганическим веществом, например двуокисью титана. При облучении электродов направление потока электро­нов меняется на противоположное.

С возможностью использования фотохимических ме­тодов преобразования энергии связываются большие на­дежды, поскольку в этом направлении существует ши­рокий выбор вариантов и имеется солидная теоретиче­ская основа.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

ВВЕДЕНИЕ

Источником энергии ветра является солнечная энергия. Неболь­шая часть всего солнечного излучения, достигающего земли, вызы­вает движение воздуха в атмосфере, которое мы воспринимаем на земной поверхности как ветер. Энергия ветра уже тысячелетиями используется как на суше, так и на море. Первые сведения о древних египетских парусных судах уходят к третьему тысячелетию до н. э., а расцвет парусного мореходства приходится на середину прошлого века, когда в международной торговле стали широко применяться быстроходные клипперы. Однако во второй половине XIX в. в прак­тику мореплавания прочно вошли суда с паровыми двигателями, и хотя деревянные парусники в начале этого периода ни в чем не уступали пароходам, парусный флот непрерывно уменьшался по мере совершенствования судов из металла с силовыми двигателями, так что к 30-м годам XX в. на плаву оставалось лишь несколько крупных парусников.

На суше ветряные двигатели впервые появились в Персии, где археологи обнаружили признаки того, что примерно в V в. за счет энергии ветра приводились в действие водяные насосы для полива земли. В этих первых персидских ветряных двигателях использова­лись полотняные паруса на вертикальной оси, причем вертикально расположенные лопасти с одной стороны колеса улавливали ветер, а на противоположной стороне как бы разрезали воздушный поток своей плоскостью. При вертикальной установке оси нетрудно изме­нять положение парусов или лопаток по отношению к ветру. В не­скольких районах Европы к началу XIV столетия появились ветря­ные мельницы для размола зерна, у которых ветровые колеса уста­навливались на горизонтальной оси, поддерживающейся уже не одним столбом, а высокой башней. Применение таких мельниц про­должало расширяться вплоть до середины прошлого столетия, когда их стали вытеснять более дешевые мельницы с паровыми двигателя­ми. В сельских районах США в начале нынешнего столетия наблю­далась аналогичная ситуация. Тысячи фермерских хозяйств имели ветродвигатели, установленные на стальных башнях; в то время они использовались для подачи воды, а иногда и для получения электри­ческой энергии, но в последующие ’50 лет сельское хозяйство было в значительной степени электрифицировано и подавляющее большин­ство ветроустановок было заброшено. О масштабах использования ветроагрегатов говорит тот факт, что тогда было построено 50 тыс. ветроэлектрических установок, или аэрогенераторов [1, 2].

Все растения используют солнечную энергию для синтеза органических соединений из неорганического сырья. Происходит процесс фотосинтеза. В этом процес­се углекислый газ из воздуха соединяется с водой в

хлоропласте растений, и образуются углеводороды й кислород. Хлоропласт содержит хлорофилл, который при­дает растениям зеленую окраску. Углеводороды могут существовать в виде сахаров С12Н22О11, как, например, в сахарном тростнике или свекле, или в виде более сложных крахмалов или целлюлозы (СбНю05)х. При обращении этой реакции івсє растения, животные и бак­терии вырабатывают энергию в удобной для использо­вания форме. Фотосинтез является очень важным прак­тическим способом собирания и аккумулирования сол- нечной энергии, которому обязаны своим существовав нием все современные формы жизни. Историю развития человека можно непосредственно проследить по биоло­гическим системам преобразования энергии, начиная от обеспечения пищей и кончая получением кормов для жи­вотных, а также строительных материалов, энергии для приготовления пищи и обогрева. Особенностью биоло — гическимх систем преобразования энергии является то, что солнечная энергия в этом случае превращается не­посредственно в топливо (водоросли, древесина и т. д.), которое удобно хранить, в то время как при других методах ее использования требуются специальные ак­кумулирующие устройства. Углеводороды можно прев­ратить в такие удобные виды топлива, как спирт, во­дород или метан, причем этот процесс может быть при­менен также непосредственно к органическим отходам, получающимся при производстве пищи или древесины. Эффективность биологического преобразования энергии по сравнению с другими методами очень низка, однако этот метод является потенциально гораздо более де-, шевым.

Эффективность процесса фотосинтеза. Теоретически максимальная эффективность процесса фотосинтеза со­ставляет около 27%, однако в сельскохозяйственной практике ее значения обычно не превышают 1%. Заре­гистрирована эффективность преобразования энергии в пределах 2—5%, полученная в сельском хозяйстве в очень благоприятных условиях. Например, в 1965 г. в Австралии при строгой дозировке удобрений урожай проса был выращен за 14 дней, эффективность преобра­зования энергии при этом составила 4,2%. Известны также примеры выращивания урожая в предельно корот­кие сроки в условиях мягкого климата, например сахар­ной свеклы в Великобритании и кукурузы в штате Кен-

тукки, США, при эффективности преобразования энер­гии, достигающей соответственно 4,3 и 3,4%. При более длительных периодах созревания эффективность преоб­разования энергии существенно ниже. Ирландские луга или леса канадской ели могут давать более 16 тонн су­хого материала с гектара, что соответствует эффектив­ности преобразования энергии около 0,7%. Для кентук­кской кукурузы эффективность преобразования энергии, вычисленная по отношению к годовой сумме радиации, составляет всего 0,8%.

В анализе, проведенном Холлом [20] для Велико­британии, где среднее потребление энергии эквивалентно мощности примерно в 5 кВт на человека, подчеркивается важность повышения эффективности преобразования энергии в процессе фотосинтеза при обеспечении энергией за счет выращивания растений. При среднем уровне солнечной радиации около ПО Вт/м2 и эффек­тивности ее преобразования 10% площадь, необходимая для обеспечения энергией одного человека, составила бы около 400 м2. Следовательно, для полного удовлетворе­ния потребностей в энергии населения Великобритании численностью 55 млн. чел. было бы достаточно всего 9% общей территории страны.

Получение энергии в процессе фотосинтеза. Химиче­скую энергию, запасенную «энергетическими» культура­ми в процессе созревания, можно преобразовать в ис­пользуемую энергию путем их сжигания или превраще­ния в топливо, удобное для хранения. Эти растения должны иметь возможно более высокую эффективность преобразования энергии и быть непригодными в качест­ве пищи для животных или людей. Можно использовать целиком всю биомассу, включая листву, стебли и корни. При тщательном генетическом отборе и интенсивной обработке эффективность преобразования энергии мо­жет достигать в обычных условиях 3%. В Великобри­тании проведен интересный опыт по высаживанию спе­циального сорта дерна на заливных илистых речных от­мелях. Сообщается, что значение максимальной эффек­тивности преобразования энергии примерно на 50% вы­ше, чем для других пород [21].

В Ирландии [19] и Австралии [22] предлагается ис­пользовать в качестве «энергетических» культур деревья. Около 6% территории Ирландии занято болотами, при­чем менее чем с 1 /5 части этой территории добывают 144

торф, который используется непосредственно как ТОЙЛЙ — во в домах и для получения электроэнергии. В 1974 г, таким образом обеспечивалось 24% общего производст­ва электроэнергии. До недавних пор болотистые почвы считались неплодородными, однако на них успешно про­израстают трава, кустарник, деревья. Если на терри­тории болот, занятой в настоящее время дерном, выра­щивать канадскую сосну, то сжигая ее, можно будет обеспечить половину необходимой стране электроэнергий даже при эффективности преобразования энергии, со­ставляющей только 0,5%. Следовательно, на территории, примерно вдвое превосходящей площадь ирландских бо­лот, можно выращивать урожай древесных пород, кото­рый был бы достаточным для полного удовлетворения потребностей страны в электроэнергии за счет непрерыв­но возобновляемого топлива.

При рассмотрении проблемы преобразования энергии растениями важным фактором является вопрос об энер­гетических затратах на уборку урожая и внесение удоб­рений для повышения урожайности. Показателен подроб­ный анализ, проведенный для изолированной общины в Австралии, насчитывающей 6000 чел., поскольку в его основу заложен существующий уровень технологии. От­сутствует загрязнение окружающей среды, так как связы­ваемый в процессе фотосинтеза СОг освобождается при сгорании. Исследованы две различные системы —пря­мое сжигание древесной стружки в энергетической уста­новке с парогенератором и паровой турбиной и произ­водство генераторного газа из древесной стружки с по­следующим его сжиганием в энергетической установке с поршневой газовой машиной. Обе системы были при­знаны осуществимыми с технологической точки зрения, причем основное количество минеральных удобрений, необходимых, чтобы непрерывно выращивать лес, мож­но обеспечить, возвращая в почву полученную при сго­рании золу. Требуемая площадь составляет менее 6 км2, включая дополнительную площадь, необходимую для покрытия энергетических затрат по уборке урожая. До­вод в пользу деревьев как «энергетической» культуры был очень кратко сформулирован Ридом [23], который заявил: «Я бы охотнее прогулялся на акре земли, заса­женной лесом, чем на акре земли, засаженной солнечны­ми элементами».

При подходящем климате Можно исйользОвать сол­нечную энергию для сушки «энергетических» культур. Опыты с солнечными печами для сушки древесины на­гретым воздухом были проведены в Австралии [24] на установках в Гриффитсе и Таунсвилле. Обе установки представляют собой переоборудованные изолированные печи с каменными аккумулирующими устройствами. Бы­ло установлено, что сушка в солнечных печах продолжа­ется почти вдвое дольше, чем в обычных паровых печах, однако только половина этого времени требуется для сушки воздуха. Имеются сообщения о многочисленных применениях солнечной энергии для сушки пищевых про­дуктов, таких как фрукты, овощи, зерно [25, 26].

В океане производство органических веществ с по­мощью фотосинтеза обычно ограничено из-за отсутствия сырья. Однако есть несколько районов, где природные течения поднимают сырье со дна океана на поверхность, так что фотосинтез может происходить. Проводились предварительные исследования по выращиванию гигант­ских водорослей, содержащих йод, macrocystis pyrifera, крупных морских водорослей коричневого цвета на пло­щади примерно 600 000 км2 у западного побережья США.

По предварительным оценкам ожидаемый урожай со­ставляет 0,5 т/га, что эквивалентно 2% выработки энергии в США в 1970 г. [25].

Новым направлением поисков в области фотобиоло — гического превращения энергии является использование природных продуктов из фотосинтетических морских микроорганизмов [26]. Большинство этих организмов способно к фотосинтезу водорода и связыванию азота, но эффективность преобразования при этом чрезвычайно низка. Предлагаются некоторые методы ее повыше­ния, однако требуется еще большой объем иссле­дований.

Машина для переработки травы и листвы в пригод­ный для пищи протеин разработана на сельскохозяй­ственной исследовательской станции «Ротаметед» [27]. |

С помощью этой машины можно путем разделения во­локна и протеина получить из одной тонны листвы, про­теин в количестве, достаточном для удовлетворения днев­ной потребности в белке 300 чел. В съедобном протеине содержится в 6 раз больше белка, чем в эквивалентном количестве мяса. Другая британская разработка касает­ся техники получения питательных пленок [28], при

которой растения выращиваются в пластмассовых жело­бах, закрытых сверху, за исключением тех мест, где всходят растения. На дне желоба имеется тонкая плен­ка воды, содержащей питательные вещества. Использо­вание этого метода дает широкие возможности примене­ния плоских коллекторов для подогрева воды и ветро­энергетических установок для. подогрева и прокачки во­ды. Одно из преимуществ этого метода состоит в том, что отпадает необходимость в обработке и стерилизации почвы в теплицах.

Полное использование поступающей солнечной энер­гии предусмотрено в теплице, проект которой разрабо­тан Брейсовским исследовательским институтом для бо­лее холодных районов [29]. Продольная ось теплицы ориентирована в направлении восток—запад, а обшир-

Рис. 6.3. Поперечное сечение сол-
нечной теплицы со специальной
изоляцией.

1 — изолированная стена; 2—отражаю-
щая поверхность; 3 — прозрачная кры-
ша; 4 — прозрачная стена.

ная прозрачная крыша обращена к югу. Задняя сторона представляет собой наклонную повернутую на север сте­ну, изоляция которой на внутренней стороне имеет от­ражающее покрытие. Сообщается, что по сравнению со стандартными теплицами, имеющими двухслойное пласт­массовое покрытие, потребности в тепле снижены на 40% и получен более высокий урожай томатов и салата. Поперечное сечение этой теплицы представлено на рис. 6.3.

Превращение твердых органических веществ в топли­во. Хорошо известно несколько процессов, подходящих для производства топлива из «энергетических» культур. Из веществ, содержащих простые крахмалы и сахар, можно получить этиловый спирт или этанол при аэроб­ной ферментации. Необходима существенная доработка этого процесса, прежде чем будет достигнута конкурен­тоспособность по сравнению с традиционными топлива- 10* 147

ми. Анаэробная ферментация, т. е. ферментация орга­нических веществ в отсутствие кислорода, давно приме — • няется для очистки бытовых сточных вод, и при этом вырабатывается значительное количество метана. Не­сколько крупных очистных станций используют для удов­летворения своих энергетических потребностей свой соб­ственный метан. Представляется привлекательной воз­можность использования органических отходов, получа­ющихся при выращивании урожая, обработке пищи, а также «энергетических» культур. Согласно оценкам, при­веденным в опубликованной в 1972 г. статье [32], от 10 до 20% потребляемого в США газа можно обеспечить за счет органических отходов, подвергнутых анаэробной ферментации. В процессе пиролиза при нагревании ор­ганического вещества в отсутствие кислорода до темпе­ратуры 500—900° С при обычном давлении получается метанол, который в прошлом столетии являлся побоч­ным продуктом производства древесного угля. Метанол широко используется как топливо для высокоскоростных гоночных машин, и в энергетической лаборатории МТИ изучаются возможности применения его в качестве при­садки в горючее [23].

Изучение прямого преобразования солнечной энер­гии в электрическую началось с конца XIX в. Первые работы относились к термоэлементам, составленным из пар разных сплавов, причем КПД их был очень низ­ким, обычно менее 1%. Обзор этих работ был выполнен Телкес в статье, написанной в 1953 г. [1] [6]. К этому времени сложилось мнение, что возможности для до­стижения более высокой эффективности прямого преоб­разования энергии весьма ограничены и поэтому такой метод получения электричества не является перспектив­ным. Таким же пессимистическим было отношение к этому вопросу в Великобритании [2]. Однако в 1954 г. в США в лабораториях фирмы «Белл телефон» было обнаружено, что, если вместо обычных светочувстви­тельных материалов, которые использовались для изго­товления первых фотоэлементов, ‘применять тонкие пла­стины из кремния с ничтожно малыми количествами со­ответствующих примесей, то можно повысить эффектив­ность преобразования солнечного излучения в электри­чество более чем в десять раз. С этого момента начал­ся период постоянных успехов в этой области, и появи­лись сообщения о значительно более высоких значениях КПД преобразования, полученных в лабораторных ус­ловиях— до 16% для кремниевых элементов и выше 20% для некоторых новых типов элементов из арсенида галия. Широко известно использование солнечных эле­ментов в космических условиях, ускоряются темпы раз­вития их наземного применения, так что предполага­лось, что в ближайшие годы, с помощью солнечных эле-

ментов будет обеспечиваться заметная часть мирового энергопотребления.

Современные солнечные элементы имеют следую­щие преимущества: в них отсутствуют движущиеся из­нашивающиеся части, они имеют неограниченный срок службы, требуют минимального обслуживания (или вообще не требуют такового), не загрязняют окружаю­щую среду [3]. В отличие от электрогенераторов дру­гих типов они могут применяться в широких пределах мощности — от одного ватта и менее до нескольких ты­сяч мегаватт. Однако согласно проведенным в Японии оценочным расчетам для создания солнечной станции мощностью 10 МВт при технологическом уровне, до­стигнутом к 1974 г., потребовалось бы израсходовать целиком все количество кремния, производимого в ми­ре,— около 1 тыс. т [4]. Солнечные энергетические ус­тановки на фотоэлементах, введенные в эксплуатацию в Японии в 1974 г., мощность которых оценивалась всего лишь в 20 кВт, были, по-видимому, самыми большими в мире. Японский проект «Солнечный свет», осуществле­ние которого было начато в 1974 г., включает проекты строительства солнечных фотоэлектрических установок мощностью 1 МВт к 1980 г.[7], мощностью 10 МВт к 1986 г., мощностью 100 МВт к 1991 г. и еще более мощ­ных установок к 2000 г. По оценкам национального на­учного фонда в США [5] пиковая мощность выпускае­мых ежегодно солнечных батарей будет составлять 5000 МВт к 1990 г. и 20 000 МВт к 2000 г., что обеспе — I чит покрытие около 2% предполагаемой суммарной потребности в электроэнергии.

Типы солнечных элементов. Если в полупроводнико­вый материал высокой чистоты вносить ничтожно ма­лые количества соответствующих примесей, то можно из­менять его электрические свойства и получать полупро­водниковые материалы с электропроводностью двух ос­новных типов: p-типа со связанными носителями о’три — j дательного заряда и свободными носителями положи­тельного заряда и я-типа со связанными положительно заряженными и свободными отрицательно заряженны­ми носителями. Если в одном кристалле полупроводни­ка создать слои двух указанных типов и осветить по-

верхность кристалла солнечными лучами, то носители будут диффундировать через р-п переход навстречу друг другу, вызывая во внешней цепи электрический ток, как это показано на рис. 6.1. Первые солнечные элементы изготавливались из кремния. Для получения одного из

видов современных крем-

ниевых фотоэлементов в тонкую пластину из моно­криста л л ического кремния высокой чистоты, легиро­ванного фосфором, мышья­ком или сурьмой, вводится бор путем диффузии через верхнюю поверхность, в ре­зультате чего образуется элемент типа р-п. Перед­нюю сторону элемента за­щищают тонким стеклян­ным или кварцевым покры­тием. Процесс коммерче­ского производства крем­ниевых солнечных эле­ментов является сложным, он включает стадию выра­щивания кристалла из расплава, где требуется контроль температуры с точностью ±0,1° С на уровне 1420° С [6]. Поэтому такие фотоэлементы дороги, и в 1976 году стоимость одного ватта пиковой мощности составляла около двадцати фунтов стерлингов.

Основную конкуренцию кремниевым фотоэлементам

кратную концентрацию потока солнечных лучей. Прово­дятся также работы [9] по исследованию органических полупроводников и барьеров Шоттки (граница ме­талл — полупроводник).

Применение. Дорогостоящие солнечные элементы, вы­пускаемые в настоящее время, нецелесообразно исполь­зовать при наличии традиционного источника энергии Однако уже сейчас в ряде случаев применение таких устройств является экономически выгодным. Быстрое развитие получили разработки по обеспечению энерги­ей автоматических морских бакенов. Солнечные эле­менты находят все более широкое применение для энер­госнабжения сигнальных огней на буях, в маяках и на морских нефтяных вышках, особенно в Мексиканском заливе и на Японских островах [10]. В Великобритании кремниевые фотобатареи были применены впервые в 1968 г. в установке для снабжения энергией навигаци­онных огней на Темзе у Кросснисса [11]. В первых опы­тах проблема «агрессивности» морской атмосферы была основной, причем оказалось, что соль, имеющаяся в атмосфере, разрушает некоторые смолы и пластмассо­вые материалы, скрепляющие внешнюю оболочку эле­ментов.

В настоящее время считается, что подходящими по­требителями солнечных энергоисточников являются ав­томатические метеостанции и другие удаленные и труд­нодоступные приборы. На первый взгляд может пока­заться, что эксплуатационные расходы при использова­нии обычных видов топлива достаточно низки, однако стоимость топлива составляет лишь небольшую часть затрат, связанных с эксплуатацией установки и достав­кой топлива. В США одним из первых применений фо­тоэлементов было их использование для питания отда­ленных радиопередатчиков Службы леса США, распо­ложенных на вершинах гор. В Нигерии школьные теле­визионные программы предназначаются для школ, рас­положенных в районах, не обеспеченных энергоснабже­нием, и с 1968 г. для энергопитания телевизионных приемников используются солнечные батареи [12]. Потребляемая от источника постоянного тока мощ­ность составляет около 32 Вт при напряжении от 30 до 36 В. Стоимость солнечных элементов составляет 3100 долл., а химических батарей 976 долл., однако солнечные батареи, срок службы которых оценивается

примерно в 10 лет, обеспечили бы свыше 25 000 ч рабо­ты, в то время как химические батареи работают 2000 ч. Может также найти применение легкий перенос­ный компактный энергоисточник, изображенный на рис. 6.2, представляющий собой батарею «Ферранти», кото­рая использовалась во время недавнего восхождения британской экспедиции на Эверест. Солнечные батареи можно применять для зарядки аккумуляторов на про­гулочных яхтах и спасательных лодках.

Торговая фирма «Митр корпорейшн» в США уста­новила солнечную батарею пиковой мощностью 1 кВт. которая являлась самой крупной наземной фотоэлект­рической установкой, пущенной в действие к 1975 г. [13]. Система аккумулирования энергии в этой установ­ке состояла из аккумуляторной батареи для кратковре­менного и пикового потребления в комбинации с топ­ливной батареей на электролизном водороде для покры­тия базовой нагрузки и для работы в ночное время — Сообщается о других применениях солнечных батарей­но

в том числе для энергоснабжения первой в мире дорож­ной системы связи в Калифорнии, миниатюрных радио­передатчиков, закрепленных на теле диких животных, отдаленных снего — и дождемеров, сигнальных противо­пожарных устройств и сейсмографов [10].

Аккумулирование электроэнергии. Совершенствование аккумуляторных батарей происходит сравнительно мед­ленно, так что традиционные свинцовые кислотные ба­тареи очень громоздки и имеют низкое отношение мощ­ности к массе. В будущем альтернативой могут явиться сернистонатриевые батареи [14]. Существенное улучше­ние отношения мощности к массе можно получить на установках с инерционным маховиком. Была предложе­на идея использовать для аккумулирования энергии до 70 кДж (около 20 000 кВт-ч) маховик диаметром 5 м из прочного и легкого материала, например из вдавле­ного кварца [15]. Аккумулирование энергии в большом масштабе можно осуществить также, запасая высоко­температурное тепло с помощью эвтектических смесей фторидов металлов, например NaF/MgF2. Высокотемпе­ратурный аккумулятор может быть затем использован как источник тепла в обычной термогенерирующей си­стеме, однако общая эффективность при этом будет сравнительно низкой. Процесс получения небольшого ко­личества водорода при электролизе воды, упомянутый выше, содержит большие возможности для сшцествен — ного увеличения масштабов производства водорода, од­нако существует еще много технических трудностей, которые необходимо преодолеть [16].

Перспективы развития. Совершенно новая технология производства кремниевых элементов в настоящее время разрабатывается в США [17]. Благодаря тому, что кри­сталлы кремния выращиваются непосредственно в виде ленты, удается исключить из технологии дорогостоящий процесс нарезки тонких кремниевых пластин из боль — шогЪ монокристалла цилиндрической формы. Техноло­гия, известная как выращивание пленок с определенны­ми границами, была применена для получения лент из кремния в 1971 г., причем первой задачей являлось вы­ращивание кремниевых лент, подходящих для использо­вания в солнечных элементах. Вторая задача состояла в получении кремниевой ленты высокого качества, обеспечивающей КПД солнечных элементов, равный при­мерно 10%, а третья задача заключалась в том, чтобы

выращивать непрерывную длинную ленту и доказать принципиальную возможность применения этой техно­логии для производства достаточно длинных лент. Эти задачи были решены, и в 1974 г. началось производство лент длиной около 2 м. Конечной целью является увели­чение длины лент до 30 м и более при сохранении КПД на уровне 10%, а затем непрерывное выращивание большого числа лент одновременно в одном производст­венном агрегате. Производство этих дешевых и эффек­тивных элементов в широких масштабах предвидится не раньше, чем в 1985 г. Одна из основных трудностей получения солнечных элементов состоит в том, что для их производства требуются большие затраты энергии, особенно когда речь идет о кремниевых элементах. Эту трудность можно преодолеть, используя солнечную печь для получения кремния из исходного сырья [18].

Дальнейшее развитие наземного использования сол­нечных элементов в тех районах, где их можно приме­нять для выработки электроэнергии в широких масшта­бах, связано с существенным уменьшением их стоимо­сти. Разговоры о снижении стоимости в 100 раз и более звучат слишком оптимистически, однако в настоящее время широко используются устройства, стоимость кото­рых в 1950 г. была в 100 раз выше, чем сейчас. Прек­расным примером в этом отношении являются шарико­вые ручки и транзисторы [3]. Пока имеются средства для выполнения необходимых исследований и разрабо­ток, нет оснований сомневаться, что проектируемая на 80-е годы стоимость около 2 фунт. ст. и на 2000 г. около 0,1 фунт. ст. за 1 Вт пиковой мощности может быть достигнута [3, 5] [8].

Технологический нагрев. Увеличение температуры на выходе из — плоского солнечного коллектора всегда пони­жает его суммарный КПД и экономичность любой систе­мы солнечного теплоснабжения. Потенциальные возмож­ности применения солнечной энергии в широких масш­табах для промышленных целей в большой мере зависят от рабочей температуры процесса. В Австралии, где су­ществуют давние традиции в области изучения и приме­нения солнечной энергии, исследование технологических процессов на обычном заводе по переработке пищевых продуктов показало, что применение солнечных нагре­вательных систем в существующих процессах технически вполне осуществимо. Более 50% годовой потребности в тепле можно обеспечить с помощью солнечных коллекто­ров при использовании известных методов, поскольку свыше 70% тепла требуется при температуре ниже 100°С, и практически не существует процессов, в кото-‘ рых требуется температура выше 150° С. В пищевой npo-v мышленности тепло обычно вырабатывается в централь­ной котельной при температуре, более высокой, чем тре­буется для любого из производственных процессов, и за­тем в виде воды с температурой 99° С или пара низкого давления с температурой 120—170° С распределяется между отдельными технологическими потребителями, большая часть которых работает при гораздо более низь­ких температурах. Для успешного сочетания солнечном установки с такой системой необходимо, чтобы солнеч­ные коллекторы работали при самой низкой допустимої; температуре и чтобы коллекторы с присоединенными к ним, когда это необходимо, аккумуляторами непосредст­венно использовались индивидуальными технологически­ми потребителями. Необходимо, чтобы промышленные системы солнечного теплоснабжения во всех случая^ обеспечивали производственные процессы теплом, поэта! му они должны обладать достаточной аккумулирующем
и поглощающей способностью, чтобы обеспечивать про­изводство в самых тяжелых условиях. В противном слу­чае на период времени с низкой радиацией требуется источник дополнительной энергии. Пока не будет разра­ботана система межсезонного аккумулирования, едва ли удастся создать выгодную с экономической точки зре­ния систему солнечного теплоснабжения без вспомога­тельного нагревателя. В 1975 г. в продаже имелись бы­товые солнечные нагревательные установки, средняя ра­бочая температура которых обычно составляла 30—40° С при среднегодовом КПД порядка 40 %. Когда эти цифры были использованы при расчетах, выполненных для обычного завода, то получилось, что за счет солнечной энергии можно обеспечить 82% годовой потребности в тепле, при этом отношение ежегодной экономии топлива к капитальным затратам составило 0,05.

Из проведенного исследования можно сделать вывод, что если бы только 25% энергии, необходимой для всей пищевой промышленности Австралии в 1975 г., обеспе­чивалось за счет солнечной энергии, то австралийской промышленности, выпускающей солнечные коллекторы, потребовалось бы 12 лет, чтобы удовлетворить потреб­ности в коллекторах.

Транспорт. Солнечный электрический автомобиль Флоридского университета [5] был первым солнечным автомобилем, который работал в обычных. условиях уличного движения. Этот автомобиль приводится в дви­жение электрическим двигателем мощностью 27 л. с., берущим энергию от кадмиево-никелевых и свинцово­кислотных аккумуляторных батарей. Батареи могут за­ряжаться от фотоэлементов или от системы с солнечным генератором. Максимальная скорость автомобиля около 100 км/ч на горизонтальном участке дороги длиной 160 км. Целью далекого будущего является установка солнечных зарядных станций, на которых разрядившиеся батареи могли бы вновь подзаряжаться, обеспечивая энергетически автономную и не загрязняющую окружаю­щую среду транспортную систему.

Одной из главных проблем во многих странах мира является нехватка пресной воды, поэтому разработка крупных дешевых солнечных опреснцтелей, удобных для эксплуатации и транспортировки, приобретает для этих 132

стран большое значение. Солнечное опреснение являет­ся одним из направлений использования солнечной энер­гии, разработка которого была начата еще в XIX в., и простейшие образцы современных опреснителей в основ­ном мало отличаются от ранних конструкций, состояв­ших из неглубоких лотков, заполненных соленой или солоноватой водой и покрытых наклонной стеклянной пластиной. Солнечное излучение нагревает воду в лотке и она испаряется. Когда пары воды соприкасаются с хо­лодної! внутренней поверхностью стекла, они конденси­руются, образующаяся пресная вода стекает вниз по внутренней поверхности стекла в виде капель и собира­ется у нижнего края лотка. При высоком уровне солнеч­ной радиации производительность установки по опресне­нию воды может составить 4 кг/м2 в день. В 1970 г. было опубликовано два превосходных обзора работ по сол­нечному опреснению, один из которых посвящен истории вопроса, теории, проблемам практического применения и экономике [66], а во втором — рассматриваются потен­циальные возможности применения солнечного опресне­ния в развивающихся странах [67].

Одной из стран, где накоплен многолетний практиче­ский опыт в этой области, является Австралия. В 1965 г. было выпущено руководство по проектированию, строи­тельству и монтажу солнечных опреснителей [68], раз­работанное Научно-исследовательской и промышленной организацией Британского содружества, а дальнейшие усовершенствования в этой области были освещены де­вять лет спустя Купером и Ридом [69]. Крупная уста­новка с площадью поверхности испарения 8667 м2 была пущена в действие в 1967 г. на о-ве Патмос в Греции [70]. Средняя дневная производительность установки со­ставляла 3,0 кг/м2, а максимальная производительность полученная в середине лета, равнялась 6,2 кг/м2. Пер­вой крупной установкой, спроектированной и построен­ной в Великобритании в 1970 г., была установка пло­щадью 185 м2, предназначенная для о-ва Альдабра в Индийском океане [71]. Известно, что по крайней мере одна небольшая фирма в Великобритании, начиная с 50-х годов, производит солнечные опреснители для быто­вых нужд [72], а среди научно-исследовательских работ, проводимых в широком масштабе в университетах, выде­ляются работы Калифорнийского университета в Беркли, где этим вопросом занимаются более 20 лет. Этой проб-

леме посвящен обзор Хоу и Тлеймата [73], в котором описан проект опреснительной установки производитель­ностью 37,85 м3, генерирующей пар при температуре 65,5°С. Фундаментальные исследования продолжаются и в других странах, например в Индии [74].

В ряде стран, где сезонные колебания в поступлении солнечной радиации незначительны, в течение ряда лет наблюдается интерес к солнечным прудам. В естествен­ных водоемах, когда солнечная радиация нагревает слой, лежащий на некоторой глубине, нагретая вода под действием конвективных потоков поднимается на по­верхность и в пруду обычно устанавливается температу­ра, равная средней температуре окружающей среды. 9* 131

Вода солнечных прудов содержит растворенную соль, концентрация которой возрастает с увеличением глуби­ны, и за счет этого плотность воды увеличивается по на­правлению к дну пруда, обычно зачерненному. Солнечное излучение проникает на дно, нагревает воду нижних слоев, а любые конвективные потери подавляются бла­годаря наличию градиента плотности. Тепловые потери с поверхности пруда меньше, чем в естественном водо­еме, и температура воды вблизи дна повышается. Не­смотря на наличие суточных колебаний температуры как в окружающей среде, так и в верхних слоях воды, темпе­ратура нижних слоев остается постоянной даже при от­боре тепла [61]. Солнечный пруд представляет собой од­новременно коллектор и аккумулятор тепла, причем по сравнению с обычными коллекторами и аккумулятора­ми он является более дешевой системой; Теоретический анализ режимов работы солнечных прудов довольно сложен, однако основные уравнения уже определены [62].

Область возможного применения солнечных прудов продолжает расширяться, особенно при использовании прозрачных мембран, которые размещают вблизи по­верхности пруда, чтобы в его верхней части создать слой соленой воды, в котором отсутствует конвекция, и отде­лить его от расположенной под ним зоны перемешива­ния, что облегчает аккумулирование и извлечение тепла. Отопление’ [63] и технологический нагрев [64] представ­ляют собой две особенно перспективные области приме­нения прудов. В работе [65] рассматривается возмож­ность получения электроэнергии при мощности порядка мегаватта в случае использования мелкого, глубиной 50 мм, солнечного пруда с прозрачным пластиковым по­крытием, из которого на ночь воду можно переливать в в подземный закрытый резервуар-аккумулятор. Хотя сум­марный КПД таких систем не превышает 25%, они ока­зываются конкурентоспособными при сравнении с кон­центрирующими или фотоэлектрическими системами.

Главным преимуществом использования солнечной энергии для замораживания и охлаждения является то» что максимум ее поступления совпадает в этом случ# с максимумом потребления. Охлаждение зданий и замо*
раживание продуктов питания,’ предназначенных для длительного хранения, являются совершенно различными задачами.

Частично системы, использующие солнечную энергию для охлаждения зданий, могли бы быть использованы для выработки тепла во время, н, е совпадающее с жар­ким летним периодом. Теоретический анализ таких си­стем, проведенный Лефом и Тибо для восьми городов США [38], показал, что комбинированные системы ока­зались более экономичными для шести из этих восьми городов. Максимум нагрузки на охлаждение приходится на послеполуденный период, продолжительность которо­го зависит от ориентации и теплоемкости здания, поэто­му в системах охлаждения энергоемкость аккумулятора должна обеспечивать охлаждение в течение нескольких і часов, в то время как для отопительных систем требу­ется запасать тепло на значительно более продолжитель­ный период.

В солнечных отопительных системах нагретый тепло­носитель из коллектора часто можно непосредственно использовать для обогрева внутреннего объема здания, а в охлаждающих системах в большинстве случаев необ­ходимо применять солнечные холодильные машины с замкнутым циклом. Использование солнечной энергии для охлаждения может быть реализовано с помощью следующих способов и устройств:

компрессионный холодильный цикл, в котором охлаж­дение осуществляется солнечной холодильной машиной; абсорбционные системы; испарительное охлаждение; радиационное охлаждение.

Для наиболее простой реализации первого способа компрессионном холодильнике, который является обычным бытовым прибором, электрический двигатель заменяется солнечным. Было испытано и предложено не­сколько сложных компрессионных холодильных систем, в частности проект четырехцилиндрового возвратно-по­ступательного двигателя, в котором два цилиндра с теп­лоносителем R-114, приводимые в действие за счет сол­еной энергии, в свою очередь приводят в действие два Цилиндра компрессора с теплоносителем R-22 [39]. Пе­редвижная исследовательская лаборатория по использо — 8анию солнечной энергии была оснащена обычной испа­рительной холодильной установкой с рабочей жидко-

стью R-12, которая приводилась в действие высокоско­ростной турбиной с рабочей жидкостью R-113, исполь­зующей солнечную энергию. Предварительные испыта­ния показали, что при температуре на входе в турбину выше 100°С суммарный КПД составляет 50% [40]. От­носительная стоимость системы должна уменьшаться с увеличением ее размеров, причем подсчитано, что 33- кратное увеличение размеров сопровождается 10-крат-

ным увеличением стоимости. Применение концентриру­ющего коллектора также увеличило бы общую эффек­тивность системы, поскольку увеличилась бы темпера­тура на входе в турбину.

На рис. 5.8 схематически изображены основные узлы абсорбционной холодильной системы. Рабочая жидкость представляет собой раствор хладоагента и абсорбента. Когда солнечное тепло поступает в генератор, некоторая часть хладоагента испаряется, в результате чего раствор обедняется, т. е. становится менее концентрированным — Пары хладоагента конденсируются при отводе тепла Жидкий хладоагент проходит через клапан, понижаю — щий давление, и испаряется, охлаждая внешний теплоно­ситель, например воздух для систем кондиционирования — Цикл завершается в абсорбере, где хладоагент соединя­ется с обедненным раствором и перекачивается обратю в генератор. В Университетах штата Флорида [5, 41]i; 128

Вест-Индии [42] успешно разрабатываются водоамми­ачные системы. Поскольку в этих системах требуется сравнительно низкая температура, они являются самы­ми подходящими для сочетания с обычными широко рас­пространенными в настоящее время плоскими коллекто­рами. В 1974 и 1975 гг. были рассмотрены различные модификации абсорбционных систем, в частности с ра­бочим телом бромид лития — вода [43—45]. Совершенно другой метод применяется в испарительной системе кон­диционирования воздуха, которая была введена в дей­ствие в 1975 г. недалеко от Лос-Анджелеса [46].

В испарительных системах охлаждение осуществля­ется за счет испарения воды. Простой метод, использо­ванный Томасоном [47], состоит в том, что воду из ак­кумуляторного бака пускают в виде тонких струй по не­застекленному северному скату крыши дома. В Австра­лии хорошие результаты получены при использовании метода, состоящего в том, что в выведенном из здания воздухе испаряют воду, а затем этот отработанный воз­дух охлаждает камни в рекуператоре с каменной насад­кой, где каждые десять минут происходит переключение потоков воздуха, так что свежие порции поступающего в здание воздуха предварительно охлаждаются, проходя через рекуператор [48, 49].

Радиационное охлаждение или охлаждение за счет излучения целесообразно производить ночью при ясной погоде. Яанигимачи [50] и Блисс [51] использовали этот способ и производили охлаждение прокачиванием воды через коллекторы, размещенные на крыше. Хэй [52] также рассматривал этот метод. В Институте экспери­ментальной физики университета Неаполя показано, что радиационное охлаждение происходит также в дневные часы при отсутствии прямой солнечной радиации [53]. В этом случае используется селективная поверхность с оптическими свойствами, подобранными в соответствии с атмосферным излучением. Это излучение имеет минимум интенсивности в интервале от 8 до 13 мкм, образуя «атмосферное окно». Теоретически показано, что таким образом можно получить температуру на 10—15° С ниже температуры окружающей среды. При испытаниях на не­большой экспериментальной модели результаты получи­лись несколько хуже, однако теоретические положения были в целом подтверждены.

Принцип действия теплового насоса был разработан еще 100 лет назад. Снабжая энергией тепловой насос, можно добиться передачи тепла с более низкого уровня температуры на более высокий. Впервые этот принцип был применен в холодильнике, где продукты питания на­ходятся при более низкой температуре, чем температура окружающей среды, и при этом тепло из холодильника в окружающую среду сбрасывается при помощи наруж­ного теплообменника. Тепловой коэффициент теплового насоса (ТКН) определяется как отношение выработан­ной энергии к подведенной. Выработанная энергия пред­ставляет собой полезное тепло при более высокой темпе­ратуре, чем температура окружающей среды, а подве­денной является энергия, полученная от электросети или при непосредственном использовании органического топ­лива. Суммарная энергия, подведенная к системе, вклю­чает тепло из окружающей среды, поэтому у большинст­ва установок с тепловыми насосами ТКН больше 1,0. Другими словами, система обеспечивает больше полез­ной энергии на уровне более высокой температуры, чем она получает от электросети или топливных источников. Теоретйчески значения ТКН могут достигать 20, однако на практике их можно получить в пределах от 2 до 3 [53], хотя имеются сообщения о более высоких значе­ниях ТКН [54]. На Британских островах для отопле­ния зданий часто требуется тепло при температуре, зна­чительно более высокой, чем температура окружающей среды, при этом можно экономить энергию, если вместо обычных отопительных систем использовать системы с тепловым насосом. За последние 25 лет несколько экспе­риментальных установок, которые использовали в каче­стве низкопотенциального источника тепло почвы, воды или воздуха, находились в действии в течение длительно­го периода, и результаты этих исследований отражены в работе [55]. Использование солнечной энергии вместе с этими низкотемпературными источниками оказывается выгодным, поскольку, чем выше температура на входе в систему с тепловым насосом, тем меньше количество энергии, подводимой от электросети или за счет сжига­ния топлива при том же суммарном’количестве выраба­тываемой энергии. При изучении возможности исполь­зования системы с тепловым насосом для солнечного 130

водонагрева в демонстрационном павильоне в Нотии — гемшире [37], было показано, что старый водяной бак, размещенный в оранжерее под землей, можно снова ис­пользовать в качестве теплоаккумулирующей системы.

В солнечном доме университета штата Небраска вместо обычного солнечного коллектора используется южный скат крыши, покрытый одним слоем стекла, ко­торое пропускает солнечную энергию прямо в мансарду. Тепловой насос отбирает тепло из этого «объемного кол­лектора» и передает полученную энергию через тепло­обменник водяному аккумулятору. Отопление осущест­вляется за счет циркуляции нагретой воды через тепло­обменник системы воздушного отопления дома. Главным преимуществом такой системы является снижение капи­тальных затрат на коллекторы и увеличение эффективно­сти. поглощения энергии за счет сравнительно более низкой температуры в коллекторном пространстве. Дру­гая особенность состоит в том, что для обычной системы с тепловым насосом в непрерывном рабочем цикле пе­риод максимальной потребности в энергии совпадает с периодом наименьшей эффективности преобразования, осуществляемого при низкой температуре окружающей среды. При наличии аккумулирования установка может быть меньше и обладать способностью запасать доста­точное количество энергии во время светового дня для использования ее в ночные часы. Расчетное значение ТКН для такой системы равно 2,72, в то время как для обычной системы с тепловым насосом, установленной в том же районе, оно составляет всего лишь 1,7. В работе [59] отмечаются также экономические преимущества ис­пользования теплового насоса с комбинированными си­стемами отопления и охлаждения.