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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ментов будет обеспечиваться заметная часть мирового энергопотребления.

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

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

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

видов современных крем-

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

Основную конкуренцию кремниевым фотоэлементам

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Солнечные кухни. Приготовление пищи при помощи солнечной энергии привлекает внимание многих исследо­вателей с тех пор, как в XVIII и XIX вв. были достигну­ты определенные успехи в этом направлении. Солнечные кухни можно разделить на три группы. Самые первые варианты конструкции представляли собой так называе­мый «горячий ящик» или простую солнечную печь, т. е. хорошо изолированный прямоугольный приемник с зачер­ненной внутренней поверхностью, накрытый прозрачной изоляцией. Более поздние модификации имели зеркаль­ную заднюю стенку. В таких устройствах при интенсив­ной радиации в течение нескольких часов может поддер­живаться температура более 100°С. К второй группе от­носятся конструкции, в которых используются концент­рирующие устройства. В 20-е годы Аббот применил си­стему с параболоцилиндрическим зеркалом, в которой в качестве теплоносителя использовалось масло, что позво­ляло приготовлять пищу также и в вечерние часы благо­даря более высокой рабочей температуре и лучшей теп­лоаккумулирующей способности теплоносителя. В ре­зультате исследований, проведенных в Индии в Нацио­нальной физической лаборатории под руководством Гхайя [23], была сконструирована солнечная кухня с алюминиевым параболическим отражателем. Подробно­сти технологии ее изготовления изложены в работе [24]. В некоторых типах солнечных кухонь, разработанных Висконсинским университетом, успешно использовалась металлизированная пленка [25], причем один из вари­антов представляет собой складную переносную конст­рукцию, смонтированную на каркасе обычного зонта. В сообщениях Флоридского университета [5] освещены разработки солнечных кухонь типа «горячего ящика», а также устройств со сферическими и цилиндрическими зеркалами-концентраторами.

К третьей группе относятся солнечные паровые кух­ни, основными элементами которых являются плоский коллектор и теплоизолированная камера, представляю-

щая собой в сущности паровую баню, в которую поме­щается емкость для приготовления пищи. Коллектор со­стоит из металлического листа с припаянными к нему продольными трубками и двух или трех слоев прозрач­ной изоляции. Трубки непосредственно соединены в верх­ней части коллектора с рабочей камерой. В Гаити раз­работан плоский коллектор размерами 0,8X1,55 м, со­единенный с камерой, в которую помещена цилиндриче­ская алюминиевая емкость диаметром 200 мм и высо­той 125 мм для приготовления пищи [26]. Образец тако­го же коллектора меньшего размера разработан Брей — совским исследовательским институтом [27]. В продаже имеются солнечные кухни с алюминиевым параболиче­ским отражателем, одна из которых, изображенная на рис. 5.6, была продемонстрирована на Мировом конгрес­се по использованию солнечной энергии в Лос-Анджеле­се в 1975 г. В процессе дальнейших разработок будет рассмотрен вопрос об использовании тепловых труб для передачи тепла от коллектора к аккумулирующим уст­ройствам длительного действия, чтобы можно было при­готовлять пищу в утренние и вечерние часы.

Солнечные печи. Параболический концентратор явля­ется наиболее эффективной оптической системой для солнечной печи. Обеспечение слежения за солнцем для больших параболических зеркал вызывает значительные ‘і практические трудности. Поэтому существует другой спо­соб их применения, при котором параболическое зеркало устанавливается неподвижно и ориентируется на север (в северном полушарии). Напротив него размещается ге­лиостат с системой слежения. Этот метод был использо­ван Тромбом [28] в лаборатории по использованию сол­нечной энергии для первой большой солнечной печи с диаметром зеркала около 10,7 м, построенной в Мон — Луи в Пиренеях в 1950 г. В Одейо Французским Нацио­нальным центром научных исследований была построена печь мощностью 1000 кВт [29], являющаяся, несомнен­но, самой выдающейся из всех известных солнечных пе — І чей, существовавших в 70-е годы. Параболическое зерка­ло размерами 39,6×53,3 м состоит из 9500 отдельных зеркал суммарной площадью отражающей поверхности j 2839 м2. Исследования солнечных печей проводятся так — j же в СССР [30], в США и в Японии.

Экспериментальные работы показали, что с помощью солнечных печей можно получать тугоплавкие окислы при температуре более 3000° С. Солнечные печи исполь­зуются для получения химических соединений, таких как ‘ бориды вольфрама и молибдена, методом осаждения из і парообразного состояния [31], а также’для проведения | исследований процессов фазовых переходов при высокой температуре [32, 33]. Поскольку в солнечных печах j можно обеспечить очень быстрый подъем температуры, их используют при испытаниях различных материалов >| на тепловой удар.

Для большинства процессов в химической промыш­ленности требуется нагрев, который обеспечивается за счет органического топлива, и было бы весьма ценно, если бы благодаря исследованию солнечных печей уда­лось заменить это топливо сконцентрированной солнеч­ной радиацией. Однако нет никаких оснований считать, і что где-нибудь налажено производство солнечных печей, хотя в Одейо было продемонстрировано, что солнечная Печь является важным инструментом для изучения свойств материалов при высоких температурах. Воз­можно, что в южных странах, где ощущается недостаток органического топлива, солнечные печи найдут промыш-

ленное применение для относительно низкотемператур. ных процессов, например при обжиге кирпича.

Линзы Френеля. Степень концентрации линзы про — порциональна отношению ее диаметра к фокусному рас — стоянию, поэтому достижение высокой степени концент­рации с помощью единич­ной линзы ограничивается трудностью точного изготов­ления обычных короткофо­кусных линз. В линзе Фре­неля в единичном модуле реализуются возможности •многолинзовой системы, по­скольку каждый сегмент по­строен таким образом, что­бы фокусировать падаю­щую радиацию на цент­ральный приемник. Другим преимуществом линз Френе­ля является их небольшая толщина в направлении, пер­пендикулярном потоку ра­диации. На рис. 5.7 дано поперечное сечение ли­нейной линзы Френеля, которая может быть установ­лена в системе коллекторов со слежением за Солнцем в одном направлении [34]. Рабочие характеристики та­кой системы приведены в работах Нортрупа [35] и Нельсона [36], где показано, что линзы Френеля лучше всего применять в сочетании с вакуумным трубчатым коллектором, если требуемая температура не превышает 250° С. Долгосрочные экономические прогнозы показы­вают, что системы с линзами Френеля смогут конкури­ровать с органическим топливом и будут давать энергию в 3 раза более дешевую, чем электрическая, в neH8N 1975 г. [35]. Считается, что круглые линзы Френеля пригодны для небольшой концентрации в системах с ф0′ тоэлектрическими батареями [37].

Любой из пяти рассмотренных ниже способов ис­пользования солнечной и тепловой энергии в больших : масштабах может быть реализован к 1990 г. На науч-1 но-исследовательские работы и разработку некоторых проектов были затрачены большие усилия, благодаря этому на стадии моделирования были проведены под-j робные конструкторские проработки некоторых элемен­тов, например, при изучении поля гелиостатов.

Солнечная энергетическая станция башенного типа. Система с центральным коллектором состоит из больС шого числа управляемых зеркал-гелиостатов, которые отражают солнечную радиацию и направляют ее на центральный приемник, помещенный на высокой баш­не. При высокой степени концентрации солнечной ра­диации в приемнике может быть получен пар высокой температуры. Рассматриваются также возможности ис4 пользования других теплоносителей. Опытная солнеч­ная станция мощностью 50 кВт, построенная в Сайт Илларио-Нерви в Италии, может генерировать 150 кг/ч перегретого пара при температуре 500°С, при­чем поле гелиостатов этой станции состоит из 270 зер-: 118

кал диаметром 1 м каждое [10]. В более поздних аме­риканских работах [11—13] рассматриваются отдель­ные солнечные станции мощностью 100 МВт с высотой башни от 300 до 450 м для обеспечения дополнитель­ной и пиковой нагрузки. К 1981 г. запланировано стро­ительство станции мощностью 2 МВт во Франции. На рис. 5.4 показана система, состоящая из поля гелиоста­тов, образующих четыре группы, каждая из которых имеет свою башню, и центральной станции в центре поля. Для реализации такой системы потребовались бы многие тысячи гелиостатов, а расстояние между от­дельными башнями должно быть более 1 км. Эконо­мические преимущества такой системы заключаются в том, что можно осуществлять массовое производство гелиостатов. В таких системах нежелательно примене­ние относительно мелких зеркал, поскольку есть опас­ность их повреждения при сильном ветре. Стоимость 1 кВт, подсчитанная в 1975 г. для станции мощностью 300 МВт, состоящей из трех башен, составляла 930 долл.

Система с рассредоточенными коллекторами. Систе­ма, характерной особенностью которой является нали­чие большого числа индивидуальных коллекторов, на­зывается «солнечной фермой». Для сбора энергии на центральной станции необходима разветвленная систе-

ма изолированных трубопроводов. В этой системе мож­но с успехом использовать коллектор типа НОСТ, рас­смотренный в гл. 4. Общий вид системы с рассредото­ченными индивидуальными коллекторами представлен на рис. 5.5. Вместо отдельных коллекторов в такой си­стеме можно применять длинные параболоцилиндры. Обе. системы должны размещаться в пустынных обла­стях, и их использование ограничивается районами с высоким уровнем прямой солнечной радиации.

Машины, использующие тепловую энергию океана. Разработки тепловых машин, использующих разность между температурой поверхности океана и температу­рой более холодных глубоких слоев воды, начали про — 120

водиться в конце XIX в. Океаны — это естественные приемники солнечной энергии, которые не требуют спе­циальных аккумулирующих устройств и коллекторов и благодаря своим огромным размерам являются потен­циальными конкурентами других источников при про­изводстве энергии. Первая энергетическая установка такого типа мощностью 22 кВт, расположенная у по­бережья Кубы, была разработана в конце 20-х годов Клодом [14]. Общий КПД системы составлял менее 1%; работа системы основывалась на открытом цикле Ренкина, причем морская вода с более высокой темпе­ратурой пропускалась непосредственно в испаритель низкого давления, где получался пар для турбины. Эта установка в то время оказалась неэкономичной, так же как и более крупная установка, проект которой был разработан во Франции 20 лет спустя. Поэтому дальнейшая работа в этом направлении была прекра­щена.

В 60-е годы в США вновь возник интерес к этой проблеме в связи с предложением использовать замк­нутый цикл Ренкина [15]. Эта работа послужила ос­новой для широких теоретических исследований, кото­рые были обобщены Мак Коном [16]. Пять исследова­тельских групп из промышленных организаций и уни­верситетов рассмотрели различные системы для раз­личных районов. Мощность этих систем находится в пределах от 100 до 400 МВт в зависимости от перепа­да температуры — в океане, который составляет 17,8°С в водах течения Гольфстрим у берегов Майами и 22,2°С в экваториальной зоне (до 22° с. ш. и ю. ш.). В качестве рабочего тела были предложены три различ­ных вещества—фреон R-12/41, пропан и аммиак. Зна­чения общего КПД всех пяти предлагаемых систем близки между собой и лежат в пределах от 2,1 до 2,4%. Проведены также исследования взаимодействия рассмотренных систем с окружающей средой, однако они в основном касаются вопроса о влиянии окружаю­щей среды на энергоустановки, а не наоборот. Рассле­дования в этом направлении необходимо продолжить в дальнейшем.

Основополагающей идеей в этих исследованиях яв­ляется представление о возможности осуществления преобразования солнечной энергии с наибольшей эф­фективностью, причем предполагается, что к 1986 г.

термальные энергоустановки, использующие тепло оке­анов, займут в США господствующее положение [5].

Солнечные энергетические установки на спутниках. Использование спутников, вращающихся вокруг Земли, для производства электроэнергии с передачей ее на Землю при помощи микроволновых генераторов впер­вые было предложено Глезером в 1968 г. [17]. Затем в США были проведены более детальные разработки этого проекта, основанные на использовании фото­электрического преобразования сконцентрированного солнечного излучения. Микроволновый генератор и его излучающая антенна расположены между двумя сим­метричными фотобатареями. Антенна направляет мик­роволновое излучение на приемную антенну, установ­ленную на Земле. Вращаясь на синхронной орбите, спутник будет находиться в стационарном положении относительно любой выбранной точки Земли, и благо­даря практически непрерывному поступлению радиа­ции следует ожидать наиболее полного использования солнечной энергии. По количеству получаемой энергии возможности такой системы в 15 раз превышают воз­можности наземных установок, которые ограни­чены погодными условиями и сменой дня и ночи. Систему можно проектировать на мощность от 3 до 15 ГВт [18].

Гидроэлектрическое преобразование солнечной энер­гии. Идея гидроэлектрического способа преобразова­ния солнечной энергии состоит в том, что солнечная энергия сначала превращается в гидравлическую энер­гию, а затем в электрическую. Если закрытый резер­вуар полностью изолирован от моря, то уровень воды в нем в результате испарения будет понижаться. Гид­роэлектрогенератор может быть размещен на трубо­проводе, соединяющем резервуар с морем. Падение уровня воды в резервуаре вызовет приток ее из моря. При этом потенциальную энергию, обусловленную раз­ностью уровней воды, можно превращать в электриче­скую. При соответствующем подборе уровней и расхо­да воды можно добиться непрерывности процесса. Эта проблема исследовалась Кеттани (Саудовская Ара­вия), который измерял скорость испарения и сравни­

вал экспериментальные данные с теоретическими [19, 20]. Изучаются также возможности постройки дамбы через залив Бахрейн, чтобы реализовать подобный проект [21].

СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ

Первый закон термодинамики чаще всего выражает­ся следующим образом: в замкнутой системе измене­ние внутренней энергии равно разности суммарного количества тепла, поступающего в систему Q, и сум­марного количества работы, произведенной системой W.

Если Еч и ЕJ представляют собой начальную и ко­нечную внутреннюю энергию системы, то

Q-W=E2-El. (5.1)

Для непрерывного получения полезной работы не­обходимо привести систему обратно в ее начальное со — 112

стояние, т. е. завершить цикл. В уравнении (5.1) об­щее количество тепла Q, переданного системе, состо­ит из двух частей. Ql представляет собой тепло, полу­ченное системой при более высокой температуре, а q2 — тепло, отданное системой при более низкой тем — ; пературе. Это является следствием второго закона тер­модинамики, утверждающего, что невозможно скон­струировать тепловую машину, которая будет превра­щать теплоту в работу, если в цикле имеется только | один тепловой резервуар. Резервуар с более высокой температурой часто называют источником, а с более низкой — стоком. Выраженный в другой форме второй 1 закон термодинамики утверждает, что передача тепла I может осуществляться только от более горячего тела к I более холодному. КПД цикла представляет собой от — I ношение суммарной полезной работы W к поглощен- I ному теплу Qi:

W

^1= ОТ — (5.2)

Поскольку рассматривается цикл, то №=Qi — Q2 и КПД может быть представлен как

^ = или (5.3)

Если абсолютная температура источника равна Ти а стока — Т2, то

<5-4>

Это выражение, как известно, определяет КПД иде­ального цикла Карно, названного так в честь француз­ского ученого Сади Карно, который первым сформули­ровал этот закон в 1824 г. Более детальное обсужде­ние этого вопроса в связи с использованием солнечной энергии излагается Бринквортом [1].

Никакая реальная тепловая машина не может иметь ^ПД больше, чем КПД цикла Карно. Это объясняет — Ся различными причинами, главными из которых яв — I Ляются наличие трения между движущимися частями I ^ащин, а также необходимость существования разно — I Сти температур между источником и машиной и меж — I машиной и стоком, обеспечивающей передачу тел-

I 1^1240 из

ла. В практике удобно пользоваться понятием КПД цикла Карно для сравнительных оценок, имея в виду, что в лучшем случае КПД реальной машины будет составлять две трети КПД цикла Карно.

Из уравнения (5.4) следует, что чем выше темпе­ратура горячего источника, тем больше КПД при по­стоянной температуре стока. Если применить такой подход к характеристикам солнечных коллекторов, по­казанных на рис. 3.22, то возникает противоречие, за­ключающееся в том, что некоторому увеличению тем­пературы коллектора соответствует уменьшение сум-

Рис. 5.1. Зависимость КПД идеаль-
ной солнечной машины от темпера-
туры.

/ — вакуумированный трубчатый коллектор фирмы «Оуэнс-Иллинойс»; 2 —коллектор

с двойным остеклением и селективным по-
глощающим покрытием фирмы PPG; 3 —
коллектор Хейвуда с одинарным остекле-
нием.:

марной эффективности его работы. Для некоторых за­данных значений плотности потока прямой солнечной радиации и температуры стока можно построить кри­вую КПД идеальной солнечной машины, который яв­ляется произведением суммарного КПД коллектора, приведенного на рис. 3.22, и КПД цикла Карно. Такие зависимости изображены на рис. 5.1 для трех различ­ных типов коллекторов при плотности потока радиации 900 Вт/м2 и температуре стока 300 К.

Из приведенных на рис. 5.1 данных видно, что до тех пор, пока разность температур источника и стока не превосходит 35°, КПД идеальной солнечной маши­ны, основанной на применении всех трех типов коллек­торов, примерно равны. Очевидно, что использование коллекторов простейших конструкций может обеспе­чить КПД солнечных тепловых машин лишь на уровне нескольких процентов, практически не более 2%. Для достижения КПД порядка 10% требуется значительное 114
усовершенствование конструкции коллекторов или при­менение фокусирующих систем.

Некоторые типы действующих машин. В обзоре ра­бот, проведенных в период до 1960 г., Джордан [2J отмечает большое число предложенных и реализован­ных изобретений, касающихся солнечных энергетиче­ских установок, в которых энергия расширения, сжа­тия или испарения твердых, жидких или газообразных тел преобразуется в механическую энергию. Большая часть этих устройств использовалась для перекачки воды при обводнении пустынных засушливых районов, обычно характеризующихся высоким уровнем поступ­ления солнечной радиации в течение всего года и ост­ро нуждающихся в дешевых источниках энергии. Из более ранних работ в настоящее время в связи с раз­работкой высокоэффективных коллекторов вновь рас­сматривается возможность использования системы про­стого пароструйного инжектора в сочетании с плоским солнечным коллектором. Водяной пар пропускался че­рез высокоскоростное сопло, в результате чего проис­ходило всасывание перекачиваемой воды. Суммарный КПД системы был ниже 1%.

Университет штата Флорида является главным цент­ром работ по преобразованию солнечной энергии в не­больших масштабах, причем его разработки касаются в основном машин небольшой мощности [3]. Изучают­ся машины трех основных типов:

воздушные двигатели с замкнутым циклом, в кото­рых ограниченный объем воздуха перемещается с по­мощью поршня между горячей и холодной поверхно­стями. Рабочий поршень приводится в действие за счет периодического повышения давления «в цилиндре;

воздушные двигатели с разомкнутым циклом, в ко­торых поступающий из атмосферы воздух сжимается и нагревается за счет солнечной энергии. Затем этот воздух, находящийся при высоком давлении и температуре, расширяется и цикл завершается выхлопом.

Паровые двигатели, которые используют плоские солнечные коллекторы в сочетании с обычным хладо — агентом R-11 (трихлормонофторметан).

Как в двигателях с горячим воздухом, в которых высокоэффективный нагрев обеспечивается благодаря использованию фокусирующих коллекторов, так и в 5* 115

двигателях с замкнутым циклом получаемая мощность достигала 250 Вт при диаметре параболического зер­кала 1,5 м, а суммарный КПД превышал 20%.

В солнечном паровом двухцилиндровом двигателе

[4] использовалось тепло, полученное в трех плоских коллекторах площадью 2,8 м2 каждый, средний КПД которых составлял более 50%. Максимальная выход­ная мощность достигала 150 Вт, что соответствует сум­марному КПД около 3,5% и хорошо согласуется с ре­зультатами, приведенными в предыдущем разделе.

Во Флоридском университете разрабатывается так­же солнечный насос очень простой конструкции, не имеющий движущихся частей кроме двух обратных

Рис. 5.2. Насос «Флюидин 3».

1 — змеевик; 2 —резервуар с водой; 3- «горячее» колено; 4 — «холодное» ко­лено» ; 5 — U-образная трубка с возду­хом; 6 — выпускное отверстие; 7 —вы­пускной клапан; в —впускной клапан; 9 — всасывающее отверстие.

клапанов [5]% В этой конструкции бойлер при помощи U-образной трубки соединен с сосудом, имеющим об­ратные клапаны на входе и выходе. Всасывающее от­верстие впускного клапана находится в контакте с пе­рекачиваемой водой. Вода в бойлере нагревается, пре­вращается в пар, который вытесняет воду из сосуда через выпускной клапан. Достигнув дна U1-об раз ной трубки, пар быстро проходит в сосуд и конденсирует­ся, в результате чего создается вакуум и впускной клапан открыовается. Описанная система является со­временной модификацией солнечного насоса Белидора (см. рис. 1.1). В другой, очень простой модификации этой конструкции, разработанной в Англии фирмой «АЕРЕ Харуэлл» [6], бойлер заменен цилиндром с го* і 16

рячим воздухом, в котором осуществляется замкнутый цикл. Один из вариантов такой системы, насос «Флюи — дин 3», показан на рис. 5.2. Один конец U-образной трубки нагревается, и вода в выходной колонке начи­нает колебаться под действием создаваемой разности давлений, вызывающей выталкивание воды через вы­пускной клапан и всасывание новых порций через впускной клапан. Эта система будет работать до тех пор, пока поступает тепло, причем колебания будут происходить со своей собственной частотой. В кон­струкции солнечного насоса, разработанной в Индии [7], в качестве рабочего тела используется пентан, на­греваемый под давлением в плоском солнечном коллек­торе. Изучены модификации насоса с водяным и воз­душным охлаждением.

Обычно в качестве рабочего тела в тепловых дви­гателях используется воздух или пар, однако сущест­вуют некоторые металлические сплавы, которые обла­дают таким свойством, что, будучи деформированы под действием внешней силы, они при нагреве возвра­щаются в прежнее состояние. Этим свойством обла­дает, например, сплав никеля с титаном «нитинол», у которого оно проявляется уже при температуре 65°С, легко достижимой в солнечных нагревателях. Изящной формы и простой водяной насос, действие которого ос­новано на этом эффекте, был продемонстрирован в Лондоне Френком и Эшби [8], причем эта разработка явилась результатом их более ранних работ по свой­ствам стеклокерамик. Водяной насос представляет со-

бой не что иное, как многоковшовую раму, приводи­мую в действие основным двигателем, который изобра­жен на рис. 5.3. Двигатель опирается на обод сосуда с водой и состоит из двух вертикальных стержней, же­стко закрепленных да горизонтальной оси, причем эти стержни соединены с расположенным ниже горизон­тальным жестким прутом с помощью изогнутых в про — ] тивоположные стороны листовых пружин и нитиноло — вых проволок. Когда любая из нитиноловых проволок на­гревается до 65°С, она стремится выпрямиться, сме­щая при этом центр тяжести к противоположной по отношению к оси стороне, в результате чего устройст — .j во поворачивается вокруг оси. Если, как показано на рис. 5.3, ось опирается на обрд открытого сосуда, на — ! полненного теплой водой, то устройство колеблется во — > круг оси, причем колебания обусловлены поочередным і выпрямлением нитиноловых проволок и смещением центра тяжести по мере того, как они приближаются к ■воде или погружаются в нее. Более совершенная систе — ] ма была разработана в. США Бенксом [9].

I