Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы, 1
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.
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 (Тзатраченное) и испускают тепло низкой температуры (Тполуч). В наилучшем случае максимальная эффективность, которой можно достичь, составляет:
Максимальная эффективность = 1 - Тполученное / Тзатраченное
где Тполученное и Тзатраченное 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 темпертурой 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.
Продолжение следует
.