История и эффективность солнечных двигателей

17 January 2018

Раньше было:

Энергетика устойчивого будущего
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Сценарии развития энергетики до 2030 года
Сила, энергия и мощность
Солнечная тепловая энергия. Солнечный водонагреватель на крыше
Солнечная тепловая энергия для получения бытовой тепловой энергии
Солнечная радиация и времена года
Солнечная тепловая энергия и удивительные свойства стекла
Механизмы тепловых потерь стекла и U–показатель
Солнечная тепловая энергия и низкотемпературное оборудование в домах
Обогрев пространства жилого дома солнечным светом
Прямое использование солнечной энергии в доме. Зимний сад, нагрев бассейна, стена Тромбе
Активное солнечное нагревание. История вопроса и компоненты солнцесборников
Активное солнечное нагревание дома и воды для дома

Пассивное солнечное нагревание. Баланс энергии окна
Общие методы пассивного солнечного нагрева
Солнечная тепловая энергия и затемнение. Зимние сады, теплицы и атриумы
Солнечная энергетика. Дневной свет для освещения - как использовать максимально
Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

Первое поколение солнечных двигателей

Процесс превращения сконцентрированной солнечной энергии в полезную механическую работу начался в девятнадцатом столетии. Когда в 1860-х Франция ощутила недостаток поставки дешевого угля, Огюст Мушо (Augustin Mouchot), профессор математики из города Тур (Tours), предложил использовать солнечную энергию для движения паровозов. В 1870-х и 1880-х Муксо и его помощник, Авель Пифте (Abel Pifte), изготовили серию машин, использующих энергию солнечного света для работы печатных прессов (см. следующий рисунок), винных дистилляторов, кухонных печей и даже передвижных холодильных установок.


Печатная машина Авеля Пифте на солнечной энергии

Их базовый проект солнцесборника был параболическим концентратором с паровым нагревательным котлом, расположенным в центре. Паровые трубы шли к поршневой машине внизу. Система работала подобно железнодорожному паровозу.

Хотя эти системы широко внедрялись, их слабым местом был низкий КПД из-за низкой энергетической плотности солнечной энергии. Для того, чтобы понять некоторые особенности работы таких двигателей, использующих солнечную энергию, необходимо вспомнить второй закон термодинамики и его использование в двигателе Карно:

Тепловой двигатель, эффективность Карно ORC-циклы

Паровоз для движения использует кипяток, производящий пар высокого давления. Пар поступает к «расширителю», в котором из него извлекается энергия, пар истощается и становится низко эффективным. Расширитель может быть поршневой машиной или турбиной. Такие системы известны как тепловые двигатели.

Все тепловые двигатели работают с учетом второго закона термодинамики. Они все выполняют работу, получая тепло высокой температуры (Т затраченное) и испускают тепло низкой температуры (Т полученное). В наилучшем случае максимальная эффективность, которой можно достичь, составляет:

где Т полученное и Т затраченное выражены в градусах Келвина (или градусы Цельсия плюс 273). Эта идеальная эффективность известна как эффективность Карно, по имени французского ученого 19 столетия Сади Карно (Sadi Carnot).

Например, турбина, питаемая энергией от параболических солнцесборников, может получить пар с температурой 350°C и отдать пар охлаждающим колоннам до 30°C. Его теоретическая эффективность составляет:

1 - (30 + 273) / (350 + 273) = 0,51, т.е. 51%.

Его практическая эффективность около 25% - из-за различных потерь.

Системы, которые используют турбины, часто называют циклами Ренкина, по имени другого пионера термодинамики Уильяма Ренкина (William Rankine).

Естественно, что для кипячения воды ее нужно нагреть как минимум до 100°C. Этого трудно достичь с простыми солнцесборниками. Было бы удобнее работать с жидкостью с более низкой точкой кипения. Для того, чтобы это сделать, применяется система «замкнутого цикла» - с конденсатором, который возвращает генерируемый пар обратно в жидкость, а она снова поступает к паровому котлу.

Системы также развивались за счет использования устойчивых органических химикатов, снижающих точки кипения жидкостей. Подобные охладители используются в теплонасосах. Вариант работы тепловой турбины с охладителями известен как органический цикл или ORC-цикл (organic Rankine cycle). Эти циклы обычно используются в солнечных водоемах, OTEC-системах и некоторых видах геотермальных фабрик.

Вероятно, эти низкотемпературные системы имеют маленькую эффективность. Например, теоретическая эффективность Карно теплового двигателя, который вращается относительно низкотемпературным паром в 85°C, нагреваемым солнцесборником с плоской нагреваемой пластиной, составляет только 14%. При этом в результате его использования снижении температуры носителя составляет 35°C.

Первые французские солнечные паровозы не были способны создавать пар действительно высоких температур. В результате их тепловая эффективность была крайне низкой. Для их работы требовалась машина, которая занимала 40 м2 площади, а ее мощность была только пол лошадиной силы. (Это меньше, чем мощность современного домашнего пылесоса!)

В 1890-х стало ясно, что они не смогут конкурировать с возобновившимися поставками угля во ранции. А ситуация улучшилась в результате новых инвестиций в шахты и железные дороги.

В начале двадцатого столетия в США предприниматель Фрэнк Шуман (Frank Shumаn) снова использовал принцип нагрева солнцем снова, но использовал большие параболические солнцесборниками. Он понимал, что лучший результат можно получить в странах с солнечным климатом. После создания целого ряда прототипов он получил достаточно финансирования для большого проекта в Миди (Meаdi) в Египте. Он использовал пять параболических солнцесборников, каждый длиной 80 м и шириной 4 м. В центре стояли чугунные трубы, по которым пар поступал к двигателю.

В 1913 году его система выдавала 55 лошадиных сил, и была продемонстрирована целому ряду высокопоставленных лиц, в том числе лорду Китченеру, члену британского правительства. Если экономить уголь, который в Египет завозили из Великобритании, время окупаемости было только четыре года.

К 1914 году Шуман вел переговоры о строительстве солнцесборников на площади 20 000 квадратных миль в Сахаре, которые на постоянной основе производили бы 270 миллионов лошадиных сил, что соответствует энергоемкости всего добываемого ископаемого топлива в 1909 году (чтобы изучить вопрос подробнее, см. Butti и Perlin, 1980). Но началась Первая Мировая Война, а за ней последовала эра дешевого масла. Интерес к солнечным паровозам угас до второй половины 20-го столетия.

Обсудить в моем Живом журнале

Каталог 3-х первых разделов Оксфордского учебника

Также рекомендую:

Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной