Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

 

ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ. СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВА

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-

ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ. СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВАРис. 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.

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

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

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Рис. 7.2. Общий вид ветроколеса из стеклово­локна.

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.

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Рис. 7.3. Ветроколесо диаметром 5 м с масляной гидравлической системой передачи энергии по­требителю.

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-

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Рис. 7.5. Общий вид «ветровой» стены.

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.

РЕСУРСЫ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

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.

Подпись: Р = Подпись: р Av3

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:

Подпись: 1,201 0,593-0,75 1000РЕСУРСЫ ЭНЕРГИИ ВЕТРА: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

Таблица 7.1

Скорость ветра, м/с

Располагаемая мощность, кВг при диаметре ветроколеса, м

3,65

5,0

7,0

12,0

18,8

4,0

0,1

0,3

0,5

1,8

5,0

5,0

0,2

0,5

1,0

3,6

9,8

6,0

0,4

0,8

1,8

6,2

17,0

7,0

0,7

1,3

2,9

9,9

27,0

8,0

1,0

2,0

4,3

14,7

40,3

9,0

1,4

2,9

6,1

21,0

57,3

10,0

2,0

3,9

8,3

28,8

78,6

11,0

2,6

5,2

11,1

38,3

104,6

12,0

3,4

6,8

14,4

49,7

135,9

13,0

. 4,3

8,6

18,3

63,2

172,7

14,0

5,4

10,8

22,8

79,0

215,7

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

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

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.

ФОТОХИМИЯ

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].

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПРЕрБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

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-

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПРЕрБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИРис. 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].

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ФОТОХИМИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

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-

Подпись: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.

Подпись: для наземного применения составляют солнечные элементы из сульфида кадмия, поскольку считается, что технология массового производства дешевых солнечных батарей из сульфида кадмия уже разработана [7]- В Институте преобразования энергии при Делаверском университете производятся элементы из сульфида кадмия/ сульфида меди с КПД более 7%, и, как показывают проводимые та^і работы, КПД их может быть увеличен до 15%. По результатам ускоренных ресурсных испытаний ожидается, что срок их службы превысит 20 лет [8]. Совершенно одинаковыми качествами обладают элементы из арсенида галлия и фосфида индия. Согласно сообщениям компании «Плесси» (Ве-ликобритания) и ассоциации «Вариап» (США) элементы из арсенида галлия способны выдерживать тысяче-

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.

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ФОТОХИМИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Рис. 6.2. Портативная солнечная батарея «Ферранти».

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].

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

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.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ

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].

СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ

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.