Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

16 January 2018

Раньше было:

Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив

Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3.
Природа и пригодность солнечного излучения
4.
Солнечная радиация и времена года
5.
Удивительные свойства стекла
6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии -
1, 2
7.
Активное солнечное нагревание
8. Пассивное солнечное нагревание -
1, 2, 3, 4

9. Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

Пока что мы рассмотрели только низкотемпературные приборы на солнечной энергии. Если же солнечный свет концентрировать с помощью зеркал, можно достичь достаточно высоких температур, чтобы кипятить воду и двигать поршни для управления паровозами. В настоящее время водяной пар выполняет механическую работу по движению электрического генератора.

Используемые системы имеют долгую историю и многие современные заводы мало отличаются от прототипов, построенных 100 лет тому назад. Действительно, если бы дешевая нефть и газ не появились в 1920-х, солнечные двигатели, возможно, развились бы быстрее, и были широко распространенными в солнечных странах.

Легенда гласит, что в 212 до н.э. Архимед отражающую силу отполированных бронзовых щитов греческих воинов, чтобы поджечь римские суда, осаждающие крепость Сиракуз. Хотя многие давно высмеяли эту историю как миф, греческие морские эксперименты в 1973 году показали, что если 60 мужчин вооружить зеркальными щитами каждый площадью 1-1,5 м3, то действительно можно зажечь деревянную лодку длиной 50 м.

Если каждое зеркало точно отразит солнечный свет на один и тот же квадрат, то концентрационное соотношение составит 60. При случайной прямой лучевой интенсивности 800 Вт*м-2 цель получила бы 48 кВт*м-2, что приблизительно эквивалентно плотности энергии кипящей воды в электрической кастрюле.

Самый употребимый метод концентрации солнечной энергии - использовать параболическое зеркало. Все лучи света, который идут параллельно к оси зеркала, формируются в пучки и отражаются к центру. Однако, если лучи идут под углом к оси, то они не пройдут через центр. Поэтому для такой зеркальной системы существенно отслеживает положение солнца.

Хочу снова вспомнит вот эти рисунки:

Переводы надписей:

Низкотемпературные солнцесборники (слева).

Неостекленная система, нагревающая на 0-10°С.
Черная поглощающая пластина.
Каналы для тока воды.

Плоская пластина (с водой), нагревающая на 0-50°С.
Прозрачное покрытие.
Оправа, обшивка, кожух (или-или).
Черная поглощающая пластина.
Ток воды.
Изоляция.

Плоская пластина (с воздухом), нагревающая на 0-50°С.
Воздушный канал.
Ток воздуха.
--------------------

Средне- и высокотемпературные солнцесборники (справа).
Фокусирующая линия, нагревающая на 50-150°С. Фокус. Ток воды.
Эвакуирующая труба. Evacuated tube
Нагревательный трубчатый конденсатор. Heat pipe condenser
Водный поток. Water flow
Нагревательный трубчатый испаритель. Heat pipe evaporator
Эвакуирующая стеклянная труба. Evacuated glass tube
Частично покрытая абсорбирующая пластина. Selectively coated absorber plate

Точечная фокусирующая система
Зеркало
Фокус
Входящий ток воды
Исходящий ток воды
--------------------

Как видите, эти зеркала могут быть сделаны с фокусными центрами в виде линии или в виде центральной точки. Для концентрации солнечного света в точку или на линию светоотражающие зеркала должны быть большую часть времени повернуты на юг, и необходимо отслеживать положение солнца на небе и поворачивать зеркала навстречу свету – и стороны в сторону, вверх и вниз. При фокусе в точку свет можно сконцентрировать на паровом котле. Для оптимальной работы системы ось зеркальной системы должна быть направлена непосредственно на солнце все время, поэтому требуется отслеживать солнце как в поднятии, так и в азимуте.

Большинство зеркал собрано из листов искривленного или плоского стекла, приспособленного к структуре. При создании таких концентрирующих систем приходится балансировать между сложностью проекта концентрирующей системы и его концентрационным соотношением (концентрирующей способностью). Хорошо спроектированный параболический солнцесборник может достичь концентрационного соотношения выше 1000. При фокусировке света на линии в каждой отдельной точке фокусам можно достичь концентрационного соотношения 50, но этого вполне достаточно для такой энергетической установки. Требуемое соотношение зависит от искомой, целевой температуры.


Параболическое зеркало облегчает фокусировку солнечных лучей в его центре.

Если бы вся доступная солнечная энергия использовалась оборудованием, будь то лодка или паровой котел, требовалось бы более тщательно поддерживать температурное равновесие между поступлением тепла и его отдаче окружающему воздуху. Эта теплоотдача большей частью осуществляется конвекцией и повторным излучением инфракрасной энергии, и ее размер будет зависеть от поверхности контакта с окружающей средой. При фокусировке света на линию в параболическом солнцесборнике создается температура 200-400°C. Система в виде блюда (или перевернутого зонта) может давать температуру выше 1500°C.

Что важно, никакой концентратор не может собрать больше энергии, чем будет потеряно, но ее можно сконцентрировать в одной маленькой области.

Обсудить в моем Живом журнале

Каталог 3-х первых разделов учебника