Измерения, проведенные Хейвудом [19], показали, что в Великобритании на широте 51°31′ ориентированная на юг поверхность, установленная под углом 40° к гори­зонту, будет в среднем получать в день 9,2 МДж/м2, или примерно 2,56 кВт-ч/м2 солнечной энергии. (Подробные данные для других углов наклона в разное время года приведены в гл. 2.) Изменение на несколько градусов наклона или ориентации коллектора оказывает очень малое влияние, и это значение может быть положено в основу оценок среднего количества полезного тепла, ко­торое может быть получено системой нагрева воды для бытовых целей. Лабораторные испытания дают значения 178

КПД коллектора, намного превышающие 60% при уме­ренной разности температур; однако с учетом большей протяженности соединительных трубопроводов в практи­ческих установках, прерывистого характера поступления солнечной радиации в течение дня и графика потребле­ния горячей воды реальными в условиях Великобрита­нии являются значения в диапазоне от 30 до 40%. Это означает, что в целом за год на 1 м2 коллектора может быть получено 280—376 кВт-ч энергии. Значение 280 кВт-ч было подтверждено серией опытов, проведен­ных с сентября 1973 г. по август 1974 г. [20], хотя эта цифра и была признана заниженной в связи с неблаго­приятными погодными условиями и плохой теплоизоля­цией бака-аккумулятора. Совершенно независимо науч­но-исследовательская строительная организация предло­жила принять значения 324 и 350 кВт-ч/м2 для устано­вок с площадью коллекторов соответственно 6 и 4 м2 [21, 22]. Имеется одна важная особенность, которую не­обходимо учитывать, принимая реальные значения обще­го КПД в диапазоне от 30 до 40% • Любое увеличение площади коллектора выше 6 м2 не приведет к пропор­циональному увеличению общего количества используе­мого тепла. Если бы такая пропорциональность имела место, то коллектор с площадью около 12 м2 обеспечи­вал бы горячей водой среднюю семью на протяжении всего года. Но это невозможно из-за очень низкого уровня солнечного излучения в зимнее время. По дан­ным Хейвуда средний дневной приход солнечной радиа­ции в период с 16 октября по 26 февраля составляет

1,5 кВт-ч/м2, а для большинства дней декабря и янва­ря эта величина в лучшем случае достигает половины указанного значения. Таким образом, чтобы попытаться удовлетворить в середине зимы среднесуточную потреб­ность в энергии (около 10 кВт-ч), необходим коллектор с площадью примерно 50 м2, но даже такая площадь бу­дет, вероятно, недостаточна, поскольку на практике име­ется еще один лимитирующий фактор. Он заключается в том, что для всех плоских коллекторов существует не­который предельный уровень солнечной радиации, ниже которого они вообще не могут работать. Поэтому лучше всего принять значение между 280 и 375 кВт-ч/м2, хотя конкретные установки в определенных районах страны могут иметь значительно более высокую теплопроизво — Дительность. Приняв цифру в 3£4 кВт-ч/м2, получим

значения годовой экономии для коллекторов площадью 4, 5 и 6 м2, приведенные в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Для практических установок затраты на материалы (в ценах 1976 г.) без учета трудозатрат не должны пре­вышать 30 фунт. ст. на 1 м2 площади коллектора; при этом период окупаемости составит около 5 лет за счет сэкономленной энергии при ее стоимости 0,02 фунт. ст. за 1 кВт-ч.

Исключением из правила, что площадь коллектора должна составлять 4—6 м2, явилась установка с пло­щадью 8 м2, получившая приз на конкурсе Ассоциации развития медной промышленности в 1975 г. [23]. Впоследствии автор этой конструкции отметил, что, по его мнению, совершенно неправильно разрабатывать си­стему заниженной мощности [24].

Для абсолютного большинства солнечных водона­гревательных установок бытового назначения емкость ак­кумулятора составляет приблизительно 50 л на каждый квадратный метр площади коллектора. Впервые это стандартное значение было предложено Хейвудом.

Рифленая панель из оцинкованной стали. Первый сол­нечный коллектор Хейвуда для бытовых целей был установлен в его доме близ Лондона в 1948 г. и со­стоял цз двух листов оцинкованной стали с рифления­ми, расположенными зеркально друг относительно дру-

U)

га и образовавшими в продольном направлении восемь каналов для воды. Листы по краям были склепаны и спаяны, а вдоль верхней и нижней кромок были уста­новлены гидравлические коллекторы квадратного попе­речного сечения, соединенные с панелью. Верхняя по­верхность панели площадью немного меньше 1 м2 была покрыта черной матовой краской; панель установлена в деревянной раме, имеющей двойное остекление и теп­лоизоляцию днища. Несмотря на то что коллектор про­работал в обычной термосифонной системе в течение ря­да лет, Хейвуд отметил, что срок его службы оказался не велик [7].

Тем не менее Брейсовский научно-исследователь­ский институт успешно разработал модифицированный вариант первого коллектора Хейвуда [14]. Новый кол­лектор был сконструирован на основе дешевых мате­риалов, которые нетрудно найти даже в сравнительно отдаленных районах мира; он состоит из двух оцинкован­ных стальных листов толщиной 0,795 мм, один из которых имеет рифления и образует поглощающую поверхность. Эти два листа соединяются при помощи заклепок и пайки; рифленая поверхность окрашивается черной краской и панель укладывается в простой ящик из оцинкованной стали на слой теплоизоляции, в качестве которой было предложено использовать кокосовое волокно. Ящик на­крывается одним листом оконного стекла толщиной 3 мм; при этом между стеклом и боковыми стенками ящика по всему периметру остается трехмиллиметро­вый зазор для компенсации теплового расширения стекла. Этот зазор уплотняется с помощью кремниевой замазки. В качестве бака-аккумулятора используется бочка из-под нефти емкостью 204,6 л. При минимальном техническом обслуживании коллектор может прослу­жить около 5 лет, но, как сообщалось, несколько кол­лекторов в Барбадосе удовлетворительно проработали более 7 лет.

Панель из труб, присоединенных к металлическому листу. Австралийская научно-техническая организация по промышленным и исследовательским работам в 1964 г. опубликовала руководство по основам проекти­рования, изготовления и монтажа солнечных водонагре­вателей [12], краткое содержание которого было из­ложено в 1967 г. в работе [15]. В этом руководстве описана конструкция поглощающей пластины, состоя — 174

щей из труб, имеющих тепловой контакт с металличе­ским листом. В качестве предпочтительного металла на­зывается медь; каркас из медных труб диаметром 28 и 15 мм припаивается к медному листу толщиной около 0,45 мм. При этом вертикальные 15-миллиметровые тру­бы припаиваются твердым припоем к 28-миллиметро­вым горизонтальным трубам, представляющим собой гидравлические коллекторы. В руководстве рекоменду­ется изготавливать корпус коллектора из оцинкован­ной стали или асбоцемента. В Великобритании в на­стоящее время рекомендуется использовать несколько более толстые медные листы толщиной приблизительно 0,56 и 0,91 мм. Типичный каркас из труб показан на рис. 8.4. Этот каркас может присоединяться к плоскому

или рифленому листу. Расстояние между осями сосед­них труб рекомендуется принимать равным примерно 150 мм.

Хотя предпочтительным материалом является медь, можно использовать и оцинкованные стальные или алю­миниевые трубы и листы. Любой способ соединения, не обеспечивающий хорошего теплового контакта, как в случае пайки медных элементов, будет менее эффекти­вен. Наихудшим вариантом является простое крепление труб к листу проволочными стяжками, расположенны­ми на большом расстоянии друг от друга. Однако кол­лектор Мэтью [16], показанный на рис. 8.5, имел хоро­шие характеристики, хотя теоретически его конструкция

считается плохой, поскольку расстояние между прово­лочными стяжками составляет около 750 мм. В этом кол­лекторе оцинкованные трубы расположены горизонталь­но, но расстояние между ними меньше рекомендованно­го значения 150 мм.

Более частая установка стяжек позволит улучшить тепловой контакт, а укладка труб в полуцилиндрических выемках плоского листа дополнительно повысит КПД, особенно если зазоры между трубами и листом (при не­возможности пайки) заполнить каким-либо связующим материалом или наполнителем.

Как показано на рис. 8.6, вместо многотрубной си­стемы можно использовать змеевик. Такие змеевики при­меняются в некоторых серийно выпус­каемых панелях, но их использование ограничивается системами с принуди­тельной циркуляцией.

Промышленные стальные панель­ные радиаторы. Для использования в качестве поглощающей пластины солнечного коллектора легко приспо­собить стандартный серийно выпус­каемый стальной панельный радиатор. Если возможно, панель следует полу­чать до ее окончательной отделки, т. е. окрашивания в глянцевитый белый цвет, поскольку поглощающая поверх­ность должна быть покрыта обычной черной матовой краской. Подобная краска на поверхности панельного радиатора, накрыто­го одним прозрачным покрытием из майлара и впервые испытанного автором в 1968 г., не разрушилась за 8-лет эксплуатации [17]. Обратная сторона панели может быть оставлена белой. Обычно радиатор имеет четыре присоединительных патрубка, расположенных по углам панели. Входной патрубок холодной воды должен быть в нижней части панели, а нагретая солнечным теплом вода должна покидать панель через диагонально рас­положенный верхний патрубок, т. е. вода должна проте­кать от нижнего левого угла панели к верхнему право­му или от нижнего правого к верхнему левому. Не сле­дует подводить воду к обоим входным патрубкам пане­ли или отбирать нагретую воду из обоих верхних выход­ных патрубков, поскольку это может привести к сниже — 176

нию общего КПД коллектора. Например, в панели, включенной в термосифонную систему и имеющей два входных и два выходных патрубка, может установиться режим внутренней циркуляции потока. Окрашенный ра­диатор с присоединенными патрубками нужно устано — ! вить в корпусе, причем оребрение радиатора должно располагаться обычным образом, т. е. вертикально по отношению к горизонтальному гидравлическому коллек­тору, как показано на рис. 8.7. Панель будет работать и при повороте ее на 90°, но КПД при этом сильно умень­шится.

Простой лотковый коллектор-аккумулятор. Эффектив­но работающий коллектор можно изготовить из водоне — | проницаемого ящика с покатым днищем, как показа — I но на рис. 8.8. Это устройство является одновременно солнечным коллектором и баком-аккумулятором. Его ис­пользование особенно целесообразно в тех местах, где осуществляется снабжение только холодной водой. Этот коллектор не годится при низком уровне радиации или температурах окружающей среды, при которых возмож­но замерзание. При открывании регулирующего вентиля I поступающая холодная вода вытесняет нагретую воду I к более мелкому участку устройства. Покатое днище | ящика позволяет получить после кратковременного пе- I 12—1240 177

риоДа с высоким уровнем радиаций слой нагретой воды. В ящике коллектора под остеклением необходимо про­сверлить несколько небольших вентиляционных отвер­стий, чтобы свести к минимуму влияние запотевания стекла. Ящик рекомендуется изготавливать из армиро­ванной стекловолокном пластмассы, окрашенной черной матовой краской или накрытой листом бутила. В 1967 г.

Национальным научно-исследовательским строительным институтом в Претории был разработан и испытан уп­рощенный вариант коллектора с корпусом из оцинкован­ной стали, имеющим постоянную глубину и прямоуголь­ное поперечное сечение [18].

Селективная поверхность. Получение селективной (по­верхности невозможно в условиях большинства домаш­них мастерских. Вероятно, проще всего изготовить се­лективное покрытие на меди, используя теплый раствор гидроокиси натрия и хлорита натрия, температуру и концентрацию которого следует тщательно контролиро-

вать [12]. Даже в отношении промышленно изготовлен­ных селективных покрытий имеются противоречивые мнения о том, как долго они будут эффективны. Из гра­фиков эффективности, приведенных в гл. 3, видно, что селективные поверхности имеют преимущества только при относительно высоких температурах коллектора.

Защита от замерзания. Проблема замерзания кол­лектора в зимнее время может быть решена нескольки­ми способами. Простейшим решением является отказ от использования системы солнечного нагрева в течение всего зимнего периода и слив воды из коллекторов. Ко­личество тепла, которое не будет получено за время с середины октября до середины марта, соответствует 20% полной годовой выработки энергии. Если исполь­зуется раствор антифриза, то система должна быть полностью автономна, а на ее эксплуатацию необходи­мо получить разрешение местной водохозяйственной ин­спекции. В таких системах предусматривается бак горя­чей воды с встроенным теплообменником, соединенным непосредственно с солнечными коллекторами; эти си­стемы рассматриваются ниже.

Коррозия. Проблемы коррозии также были рассмотре­ны в гл. 3. Одной из причин возникновения коррозии может являться использование в системе разнородных металлов, например меди и алюминия, находящихся в непосредственном контакте во влажной среде, или же по­дача в алюминиевую панель коллектора обычной водо­проводной воды, содержащей некоторые растворенные вещества. Этой проблеме придавалось большое значе­ние на конгрессе Международного общества по солнеч­ной энергии (ISES) в 1975 г. в Лос-Анджелесе, участни­ки которого пришли почти к единодушному мнению [13], что вопросы, связанные с возможной коррозией и утеч­ками в системах с алюминиевыми коллекторами, столь серьезны, что алюминий нельзя более считать подходя­щим материалом для изготовления коллекторов. Хотя в солнечной водонагревательной установке непосредствен­ный контакт разнородных материалов может отсутство­вать, коррозия может возникать в тех случаях, когда в системе имеются элементы, изготовленные из меди и простой или оцинкованной стали, особенно если в воде может растворяться медь. На ранней стадии эксплуата­ции медь пластины коллектора или соединительных трубопроводов может раствориться в воде и затем осесть 172 на поверхности оцинкованного бака-аккумулятора. Ана­логично может произойти коррозия поглощающей пла­стины из оцинкованной стали, если она соединена с мед­ным баком-аккумулятором.

С точки зрения коррозии столь же важным факто­ром является присутствие в системе растворенного кис­лорода, однако его влияние может быть полностью ис­ключено в результате изготовления всей установки из меди. Медь, которая весьма широко используется в во­допроводных системах, не корродирует в кислородсодер­жащей воде или в соответствующим образом обработан­ном растворе антифриза.

Трубопроводы. В обычных установках, работающих на принципе термосифона, для соединения коллектора с баком-аккумулятором рекомендуется использовать тру­бы диаметром 28 мм. Все соединительные трубопроводы следует монтировать в соответствии с обычными прави­лами сборки водопроводов, избегая установки прямо­угольных колен, что особенно важно для термосифонных систем. Наиболее серьезной проблемой, вероятно, явля­ется образование в системе воздушных пробок. При на­гревании обычной водопроводной воды из нее выделя­ется растворенный воздух, который, постепенно скапли­ваясь в какой-либо точке системы, образует воздушную пробку, вызывающую либо прекращение циркуляции, либо уменьшение расхода. Важно, чтобы трубопроводы, соединяющие коллектор с баком-аккумулятором, плавно поднимались в направлении потока. Целесообразно уста­навливать солнечный коллектор с небольшим наклоном, так чтобы горизонтальные участки гидравлических кол­лекторов панели постепенно поднимались в направлении к выходу из коллектора. В системе должны быть пре­дусмотрены воздушные краны. Трубопроводы, соединяю­щие различные элементы системы, должны быть возмож­но более короткими. Все трубопроводы горячей воды следует теплоизолировать.

Существуют, наверное, сотни различных конструкций солнечных водонагревателей; все они частично удов­летворяют потребности в горячей воде. Большая часть конструкций имеет некоторые общие для всех элементы, к которым относятся:

пластина коллектора;

теплоизоляция днища и боковых стенок пластины;

одно или два покрытия из стекла или прозрачной пластмассы с фронтальной стороны коллектора;

корпус;

система аккумулирования горячей воды, которая мо­жет представлять собой отдельный бак-аккумулятор.

В Англии важные работы в этой области были про­ведены Хейвудом в период с 1947 по 1955 г.; разработан­ные им конструктивные решения легли в основу созда­ния в последующие годы многочисленных типов систем солнечного нагрева [7, 8].

Корпус, покрытия и теплоизоляция. Корпус и стек­лянные или пластмассовые покрытия защищают пласти­ну коллектора от непогоды. Для размещения пластины коллектора и покрытий можно приспособить любую ко­робку, по форме похожую на обычный плоский ящик. Довольно часто корпус изготавливают из армированной стекловолокном пластмассы, но можно использовать де­рево или листовой металл. Поперечные сечения корпусов различного типа показаны на рис. 8.3.

Одинарное остекление пропускает около 90% падаю­щей солнечной радиации, но задерживает почти всю лу­чистую энергию, испускаемую поглощающей поверхио-

стью, поскольку стекло непрозрачно для длинноволново­го излучения. Применение двойного остекления еще больше снижает количество радиации, достигающей по­глощающей пластины, но если температура ‘пластины более чем на 35°С превышает температуру окружающе­го воздуха, то второе покрытие повышает эффективность работы коллектора, поскольку снижает тепловые потери or наружного покрытия в окружающую среду. Кроме того, второй слой прозрачной изоляции защищает в зим­нее время пластину от промерзания, когда температура ночыо падает ниже нуля. В связи с ростом затрат и трудностей установки второго покрытия в простых кол­лекторных системах рекомендуется использовать оди-

нарное остекление, тем более что в условиях Великобри­тании второе покрытие дает сравнительно небольшое улучшение работы коллектора.

Вместо стекла возможно использование и полупро­зрачной пластмассы, если она подвергнута специальной обработке и способна выдерживать погодные воздейст­вия. В США в некоторых серийно выпускаемых коллек­торах применяется тедлар типа 400 BG 20 TR, который заменил устойчивый к атмосферным воздействиям май — лар фирмы «Дюпон». Этот тонкий пленочный материал поддается тепловой сварке или склеивается. Как в Ве­ликобритании [9], так и в. США [10] успешно применя­лись полупрозрачные пластмассовые листы, армирован­ные стекловолокном. С таким материалом легче обра — 170

щаться, чем со стеклом, особенно при работе на открытой крыше, где нужно быть очень осторожным, чтобы не разбить стекло. Расстояние между двумя покрытиями или, при одинарном остеклении, между покрытием и по­глощающей пластиной должно составлять 15—25 мм. Точное значение этой величины не имеет существенного значения [11]. С целью удешевления прозрачное покры­тие можно изготавливать из несколько более худшего стекла толщиной 4 мм, которое применяется в теплич­ном садоводстве, хотя это и приводит к относительно не­большому уменьшению общей эффективности работы системы. Недостатком применения пластмассовых ма­териалов, даже специально приспособленных к работе в атмосферных условиях, является их ограниченный срок службы. При установке покрытия в корпусе и гермети­зации стыков следует избегать таких решений, при кото­рых по краям корпуса будет скапливаться вода. В неко­торых конструкциях это не учитывалось, в результате чего у нижней кромки покрытия почти всегда застаива­лась грязная вода. Для теплоизоляции днища и боковых стенок коллектора можно использовать различные выпу­скаемые промышленностью материалы, которые могут выдерживать максимальные температуры, превышающие 100°С — такие температуры весьма вероятны в нерабо­тающем коллекторе в жаркий солнечный день. Вполне удовлетворительной теплоизоляцией является стеклово­локно или минеральная вата. Следует избегать примене­ния полистирола, поскольку он плавится, находясь в кон­такте с горячей пластиной коллектора. Минимальную толщину теплоизоляции рекомендуется принимать рав­ной 50 мм на теневой стороне и 25 мм на боковых стен­ках, хотя во втором случае теплоизоляция не столь важ­на и может не предусматриваться совсем.

Закрытый коллектор. Хотя в странах, расположенных на высоких широтах, как, например, в Великобритании, простой, обеспечивающий небольшое повышение темпе­ратуры, закрытый коллектор обычно может использо­ваться только в летние месяцы, он работает в этот пери­

од с высокой эффективностью и экономически весьма выгоден. Капитальные затраты на такие установки, включая трудозатраты, окупаются менее чем за три года, в чем можно убедиться, сопоставив эти затраты с ожидаемой экономией энергии от обычных энергоисточ­ников. Конструкция закрытого коллектора, который ис­пытывался более 8 лет, показана на рис. 8.1. Коллектор не нуждается в остеклении или других прозрачных по­крытиях, поскольку повышение температуры в нем под­держивается на возможно более низком уровне. Если па­нели такого коллектора установлены в достаточно хоро­шо защищенном месте, то они будут работать по край­ней мере не хуже остекленных панелей, потому что при прохождении через любое прозрачное покрытие всегда теряется около 10% падающей солнечной радиации. Не требуется также теплоизоляция днища и боковых стенок, поскольку температура панели обычно близка к темпера­туре окружающего воздуха и тепловые потери пренебре­жимо малы. Такие коллекторы называются закрытыми, так как нагреваемая вода течет под теплопоглощающим материалом и не испаряется.

Конструкция. Основным конструктивным элементом панели является опорный лист с плоской поверхностью, например лист фанеры, желательно водостойкой, стан — I дартные размеры которого 2,44×1,22 м. Наиболее важ­ной особенностью, свойственной всем низкотемператур­ным коллекторам, является наличие тонкой матово-чер — ‘ ной тепловоспринимающей поверхности, которая способ­на поглощать почти всю падающую солнечную радиа­цию. Весьма подходящим для этой цели материалом оказался бутил, который был применен автором в 1968 г. [1, 2] на первых низкотемпературных панелях и в 1978 г. не обнаружил признаков разрушения. Этот лист с чер­ной поверхностью помещается над вторым, распределяю­щим поток воды листом, так что нагреваемая вода под действием силы тяжести может течь в виде тонкого слоя между двумя листами.

Существуют различные способы создания тонкой рав­номерно распределенной пленки воды на наклонной по­верхности. Удачным оказалось изготовление второго ли­ста из выпускаемого промышленностью полиэтиленового упаковочного материала, получившего название «эррэп». Он представляет собой однородную структуру, в которой равномерно распределены цилиндрические воздушные no­li* IF’ ,

лости. Главным недостатком этого материала является его плохая стойкость под действием ультрафиолетового излучения, вследствие чего срок его службы весьма не­велик, если он не защищен от прямого воздействия сол­нечной радиации. Однако закрытый бутиловым листом этот материал также прослужил более восьми лет. В этой схеме вода поступает в верхнюю часть коллектора из перфорированной трубы малого диаметра. Наименьший диаметр трубы должен составлять 15 мм, а диаметр от­верстий по крайней мере 2 мм при расстоянии между от­верстиями 10—15 мм. Эти размеры являются ориентиро­вочными; перед окончательной сборкой панели нетрудно испытать трубу и проверить, создает ли она равномер­ный поток воды. Последовательное соединение несколь­ких панелей может оказаться не вполне удовлетворитель­ным, поскольку давления и расход в системе могут при­вести к тому, что в последующие панели будет посту­пать постепенно уменьшающееся количество воды. Этого можно избежать либо с помощью разветвленной систе­мы, обеспечивающей подвод воды с обоих концов пер­форированной трубы каждой панели, либо увеличением сечения потока в панелях с недостаточным количеством воды путем увеличения числа отверстий или их диамет­ра. Нагретая вода возвращается в бассейн под действи­ем гравитационных сил; поэтому выход из панелей должен быть выше поверхности бассейна. Пластмассо­вые водосточные желоба прекрасно обеспечивают воз­врат воды в бассейн, а потери на испарение пренебрежи­мо малы. Легко также проверить, достаточен ли наклон сточных желобов от нижней части панелей к бассейну для пропуска потока.

Перечень материалов для изготовления коллектора:

плоская опорная панель — для работы в атмосферных условиях достаточна толщина 9,52 мм (длина L, шири­на W);

лист бутила;

лист упаковочного материала «эррэп»;

питающая труба — пригодна пластмассовая труба диаметром 15 мм, длина которой должна быть достаточ­на для соединения с трубами соседних панелей;

пластмассовый водосточный желоб для обратного стока воды в бассейн. Его длина должна быть достаточ­на для соединения с желобами соседних панелей и от­вода воды в бассейн;

два опорных конструктивных элемента длиной L и три или четыре длиной W. Поперечное сечение этих эле­ментов может быть практически любым, но достаточным для обеспечения жесткости конструкции;

прижимные планки длиной L в основном для уплот­нения краев панели;

опорная конструкция для всей панели; запорный вентиль и соответствующие гибкие трубы для соединения с входными патрубками панелей.

В качестве длины L и ширины W можно выбрать номинальные размеры стандартного фанерного листа 2,44X1,22 м.

Краткое описание конструкции. Полиэтиленовый ма­териал «эррэп» натягивается на фанеру, причем его ци­линдрические полости располагаются в продольном на­правлении; отогнутые вниз концы листа закрепляются

/ — прижимная планка; 2 — лист бутила;
3 —лист материала эррэп; 4 — водонепро-
ницаемый лист толщиной 9,52 мм; 5 —
опорный конструктивный элемент.

несколькими кнопками. Сверху укладывается лист бути­ла, который прижимается планками к опорным эле­ментам, как показано на рис. 8.2. После сборки основ­ных элементов конструкции устанавливается перфориро­ванная труба. На этом этапе монтажа полезно испытать трубу, прежде чем закрыть ее бутиловым листом. Тру­ба. должна равномерно распределять поток воды. Воз­вратный желоб устанавливается в последнюю очередь, после монтажа панели на месте, поскольку необходимо обеспечить небольшой его уклон в сторону бассейна.

Расход теплоносителя. Для снижения тепловых потерь повышение температуры в коллекторе должно быть воз­можно более низким. Один литр воды нагретой от 15 до 55°С, получает лишь 1/10 часть ю"*’ /щства тепла, кото­рое передается 400 л воды, на. ж — ёмой с 15 до 16°С, хотя в первом случае легче убедиться, что вода нагрета. Поэтому расход должен составлять по меньшей мере 150 л/(м2-ч). Важно, чтобы панель коллектора не

была перекошена, а питающая труба была горизон­тальна.

Если эти условия не выполнены, вода будет стекать по одной стороне панели, что значительно ухудшит об­щий КПД системы, поскольку поглощенное солнечное излучение может эффективно передаваться воде только в том случае, когда она непосредственно соприкасается с поверхностью бутилового листа. Специальный насос обычно не нужен, поскольку коллекторы могут быть при­соединены с помощью тройника к обратному трубопро­воду существующей системы очистки.

Расположение и ориентация. Угол наклона и ориента­ция панели не имеют решающего значения. Для север­ного полушария идеальной является южная ориента­ция, но отклонение от этого направления на несколько градусов в ту или другую сторону окажет очень малое влияние. Непосредственно для летнего периода опти­мальный наклон панели к горизонту составляет вероятно 40° или меньше. Можно осуществить полное математи­ческое моделирование с целью определения оптимально­го угла наклона в различное время года; однако неред­ко более важную роль играют местные факторы, напри­мер наличие высоких деревьев или зданий, затеняющих коллектор. Во многих случаях предпочтительно устанав­ливать коллекторы на крышах существующих зданий; такое расположение, кроме того, является наиболее удач­ным в эстетическом отношении. Здравый смысл не по­зволит расположить коллекторы в неподходящих и, прежде всего, затененных местах; тем не менее целесо­образно все площадки для установки коллекторов про­верять с точки зрения затенения в течение всего дня в начале рабочего сезона.

Размеры, характеристики и экономические показате­ли. Сначала целесообразно рассмотреть отношение пло­щади коллекторов к площади .поверхности бассейна. Это отношение использовалось в работах [3, 4] для оценки вероятного повышения температуры в бассейне в тече­ние дня при различных метеорологических условиях. Для повышения температуры примерно на 5°С в хоро­ший летний день в умеренном климате отношение пло­щади коллектора к площади бассейна предлагалось при­нимать равным приблизительно 1,5:1. Однако устойчи­вое повышение температуры воды в бассейне в течение нискольких недель в начале сезона может быть достиг — 166

нуто даже при таком низком отношении, как 0,25:1. Это связано с тем, что почва вокруг бассейна нагревается за счет теплопритока от воды, имеющей более высокую температуру, и это способствует поддержанию в бассей­не благоприятной температуры в течение нескольких облачных дней подряд. Даже если площадь солнечного коллектора составляет всего 1/10 части площади поверх­ности бассейна, количество тепла, полученного за один хороший день, может быть достаточно для дополнитель­ного повышения температуры воды примерно на 0,5°С. Испытания, проведенные в течение плавательного сезо­на 1975 г. в одной из школ графства Суссекс, где были установлены панели конструкции автора, показали весьма значительную экономию по сравнению с преды­дущим сезоном. В 1974 г. при электрообогреве бассейна плавательный сезон продолжался с конца мая до начала сентября, причем было израсходовано 48 885 кВт-ч электроэнергии [5]. В 1975 г. при комбинированном ис­пользовании электрообогрева и солнечного тепла плава­тельный сезон продолжался с середины мая по октябрь, а потребление электроэнергии снизилось до 14 232 кВт-ч. Средняя температура воды в бассейне составляла 23— 29°С. Эти цифры следовало бы сопоставить с приходом солнечного излучения за рассматриваемый период вре­мени. Однако разумно предположить, что за сезон

1975 г. выработка тепла коллекторами составила около 500 кВт-ч/м2, а остальное тепло подводилось за счет излучения, падающего непосредственно на поверхность бассейна.

Затраты на материалы, включая бутиловый лист,

! упаковочный материал «эррэп» и деревянную раму кол­лектора, составляют менее 10 фунт. ст. (по курсу

1976 г.) и могут окупиться в течение двух лет за счет снижения затрат на обогрев бассейна традиционными методами.

Открытая система. При обращенной на юг (в север­ном полушарии) рифленой кровле, например, из оцин­кованного железа перфорированную трубу можно распо­ложить вдоль конька крыши и подавать в нее насосом воду из бассейна, с тем чтобы она стекала вниз по же­лобкам. Поскольку в таких системах поток воды не изолирован от атмосферы, то неизбежны тепловые поте­ри на испарение, в результате чего полная эффектив­ность будет составлять, вероятно, всего лишь 2/3 эффек­

тивности закрытой системы. Отверстия в перфорирован­ной трубе должны быть расположены напротив кана­вок рифленого листа, а их минимальный диаметр дол­жен составлять примерно 5 мм при расстоянии между отверстиями по меньшей мере 75 мм. Расход воды, как и в случае закрытой системы, должен обеспечивать не­значительное повышение температуры. Можно повысить эффективность такой системы, натянув над рифленой по­верхностью прозрачный пластик, например пленку «тедлар» (фтористый поливинил) типа 400 BG20TR, вы­пускаемую фирмой «Дюпон»; в этом случае система превращается в коллектор типа Томасона. Можно ис­пользовать и обычные рифленые прозрачные пластмас­совые листы, устанавливаемые на открытом воздухе.

В графстве Суссекс была успешно испытана другая система открытого типа, представляющая собой боль­шую плоскую черную бетонную поверхность ступенча­той формы. Вода из бассейна подается насосом на верх­нюю ступень, откуда медленно стекает по черным бетон­ным уступам в бассейн. Эта весьма простая конструк­ция, которую легко реализовать на практике, позволяет получить довольно высокое отношение площади коллек­тора к площади бассейна. Единственная трудность при сооружении системы связана с получением равномерной тонкой пленки воды по всей поверхности. Решению этой задачи способствует укладка на верхней ступени кас­када длинной гибкой перфорированной трубы.

Регулирование. Для таких низкотемпературных си­стем по существу не нужны чувствительные двухпози­ционные дифференциальные терморегуляторы. Практи­ка показала, что вполне достаточно управлять систе­мой вручную, подавая воду в панели примерно с 8 до 18 ч ежедневно, за исключением очень облачных или ненастных дней. Если используется дифференциальный терморегулятор, то должно предусматриваться некото­рое запаздывание во времени, чтобы избежать постоян­ного включения и выключения системы в условиях пе­ременной облачности.

Бассейны с плавающим покрытием. Прежде чем при­ступить к сооружению системы солнечного нагрева, значительно проще и гораздо более экономично закры­вать бассейн сверху, чтобы снизить влияние основного источника тепловых потерь — испарения. Проще всего воспользоваться каким-либо плавающим покрытием. Эф — 168

фєктивной будет тонкая черная полиэтиленовая пленка. Ее нетрудно закрепить по краям бассейна и нужно лишь предусмотреть небольшие отверстия для стока дождевой воды, расположенные с интервалом около 0,3 м. Выпу­скаемые промышленностью плавающие покрытия бас­сейнов часто делают из двух синих поливинилхлоридных кленок, разделенных пенополиуретановыми планками. При накрывании бассейна вода в нем охлаждается за ночь примерно на 1°С, в то время как в открытых бас­сейнах температура падает более чем на 2°С. Разница в один градус кажется очень малой, но даже для неболь­шого бассейна объемом (90 м3) она эквивалентна более 100 кВт-ч электроэнергии.

ВВЕДЕНИЕ

В предыдущих главах было показано, что во многих районах мира солнечную энергию можно использовать Для частичного удовлетворения потребностей в тепле. П—1240 161

Однако необходимо учитывать, что на высоких широтах в течение mhofhx дней зимнего периода интенсивность солнечного излучения слишком низка, чтобы обеспечить сколько-нибудь заметное участие в покрытии тепловой нагрузки. Существуют два основных типа солнечных установок, которые может изготовить любой человек, имеющий некоторый опыт плотницких работ, а еще луч­ше навыки монтажа обычных водопроводных труб. Про­ще всего изготовить солнечное устройство для неболь-

Рис. 8.1. Закрытый коллектор.

1 — перфорированная труба под листом из бутила; 2 — прижимная планка; 3 — бутиловый лист, который может пере­крывать желоб; 4 — опорная конструк­ция; 5 — желоб возврата воды в бас­сейн.

шого повышения температуры, например для нагрева воды плавательного бассейна. В этом случае требуется большой по площади и простой по конструкции коллек­тор без остекления и теплоизоляции. Установки такого типа, к которым относятся системы горячего водоснаб­жения, более сложны. Панели коллектора, площадь поверхности которых обычно составляет 4—6 м2, должны быть остеклены и теплоизолированы; кроме того, необ­ходимо учитывать еще несколько факторов, в том числе относительное расположение различных элементов систе­мы и длину соединительных трубопроводов.

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].