Применение солнечной энергии

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ. В ТЕПЛОВУЮ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

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