Гелиотехника

Гелиотехника

ГЕЛИОТЕХНИКА, отрасль техники, занимающаяся использованием мощности лучистой энергии солнца для практических надобностей. По подсчетам X. П. Штейнметца, солнечная энергия дает летом при безоблачном небе на 1 км2 в час 840 млн. Cal. Принимая во внимание, что 1 kWh эквивалентен 864 Cal, теоретически на 1 км2 приходится 972000 kWh. Американский физик Ланглей высчитал, что полное использование всего попадающего на землю излучения солнца дало бы 350 биллионов л. с. = 62,5 биллионов Cal (1 Cal = 427 кгм = 5,6 л. с.). Ганс Фишер вычислил, что на 20° с. ш. на каждые 4 м2 горизонтальной поверхности земли приходится эквивалент 1 л. с. в год. При КПД = 10% каждый км2 площади дал бы 25000 л. с. в год. Современная паровая машина требует для производства 1 л. с. в год 4 тонны угля. Т. о. можно было бы сэкономить за год 100000 т угля. Добытые в 1920 г. 1300 млн. т угля, превращенные целиком в механическую энергию, отвечали бы приблизительно 325 млн. л. с. в год. Следовательно, для получения 325 млн. л. с. в год потребовалось бы только 13000 км2, т. е. приблизительно 1/3 площади Швейцарии.

Гелиотехника находится пока в стадии проектов и пробных установок, но может иметь значение для будущего, когда начнут иссякать имеющиеся на земле запасы энергии (каменный уголь, нефть, горючие природные газы). Гелиотехника, однако, может уже теперь играть большую роль в местностях, где имеются сезонные потребители солнечной энергии, где достаточно велика солнечная радиация и где недостаточны или дороги другие источники энергии. В зависимости от того, в какой вид энергии превращается лучистая энергия солнца, гелиотехнические, или так называемые солнечные, установки можно разделить на: фотохимические, фотоэлектрические, тепловые и силовые. Фотохимические солнечные установки не вышли пока из стадии лабораторных опытов, если не считать всего растениеводства и таких применений лучистой энергии солнца, как беление тканей, солнцелечение и т. п. В той же стадии находятся и фотоэлектрические солнечные установки. Наоборот, тепловые и силовые солнечные установки находят практическое применение уже теперь.

Так как теплота, полученная за счет поглощенной лучистой энергии солнца, сравнительно редко может потребляться в месте поглощения, то основным элементом тепловой солнечной установки является солнечный котел, в котором солнечная радиация Q (выраженная в cal/м. на 1 см2 поперечного сечения q пучка лучей, падающих на освещаемую поверхность q' котла) дает поток тепла Q' (выраженный в тех же единицах), передаваемый рабочему веществу, которое идет самотеком или прогоняется особым насосом через котел. Разберем случай параллельного пучка солнечных лучей, падающего под углом α (между направлением лучей и нормалью к поверхности) на плоскую поверхность котла. Если обозначить через βα и γα коэффициенты отражения и рассеяния поверхностью котла при угле падения α, через δ', ε' и ζ' - коэффициенты потери через 1 см2 этой поверхности по теплопроводности, конвекции и лучеиспусканию, отнесенные к 1° приведенной разности температур поверхности котла и окружающей среды θ'δ, θ'ε, θ'ζ, то для стационарной стадии процесса освещения котла солнечными лучами получим:

Geliotechnika 1

Если для повышения температуры рабочего вещества прибегают к концентрации солнечных лучей при помощи собирательных зеркал или чечевиц и к защите котла от потерь при помощи оболочек из материалов, сравнительно прозрачных для солнечной радиации и сравнительно непрозрачных для более длинноволнового излучения котла (обычно, стеклянных), то уравнение (1) надо заменить более сложным, типа:

Geliotechnika 2

в котором df есть сечение того элементарного пучка падающей солнечной радиации, который после отражения и рассеяния n промежуточными поверхностями попадает на элемент df' поверхности котла; символ ∏ означает произведение ряда множителей, стоящих в круглых скобках и относящихся к каждой из этих поверхностей, а знак ∑ относится к каждому из участков обратного пути тепла от котла через защищающие его m однородных слоев вплоть до последней наружной оболочки; при этом коэффициенты δ'k, ε'k, ζ'k по-прежнему рассчитаны на 1 см2 поверхности котла, a θ'δk, θ'εk, θ'ζk представляют собой разности температур на границах k-го слоя.

Нестационарные стадии процесса освещения можно в первом приближении не принимать в расчет, так как добавочные члены к уравнениям (1) и (2), которыми выразится энергия, идущая на повышение температуры стенок котла и рабочего вещества, войдут со знаком (–) при стадии увеличения θ'δ, θ'ε и θ'ζ и со знаком (+) при стадии их уменьшения, и влияние нестационарных стадий скажется лишь в сдвиге на некоторый интервал времени начала и конца стационарной стадии. Этот сдвиг фазы даже без применения каких-либо специальных аккумуляторов достигал в некоторых гелиотехнических установках нескольких часов, что существенно при проектировании солнечных установок, например, для осветительных целей, так как постройка аккумуляторов сильно увеличила бы стоимость сооружения. Для неосвещаемых частей поверхности котла теплопотеря на 1 см2 выразится уравнением:

Geliotechnika 3

где буквенные обозначения имеют аналогичные значения, причем в случае наличия защитной оболочки первая часть должна быть заменена суммой по отдельным прослойкам аналогично различию вторых членов правых частей уравнений (1) и (2). Что касается величин θ' и θ", то, если за θ'δ и θ"δ можно со значительным приближением к действительности принимать непосредственные разности температур котла и окружающего воздуха (если, например, считать излучение освещаемой поверхности происходящим по закону Стефана), будет правильнее принимать:

Geliotechnika 4

где Тк. и Тв. - температуры котла и воздуха при тех опытах, из которых было получено значение ζ'. Уравнения (1)—(3) предопределяют весь путь усовершенствования тепловых солнечных установок при заданной наперед температуре рабочего вещества, так как они дают определенные указания на условия, при которых

Geliotechnika 5

будет наибольшим. Уравнение (5) относится к случаю плоского котла, освещенного параллельным пучком; в общем же случае

Geliotechnika 6

где первый интеграл распространен по всей освещаемой поверхности котла, второй - по неосвещаемой поверхности котла, а третий - по всему сечению освещающего пучка перед его падением на котел или на собирательную систему. Условия максимальности КПД котла будут очевидно:

Geliotechnika 7

а также, при прочих равных условиях,

Geliotechnika 8

Первой попыткой такого подхода к теории солнечного котла можно считать обсуждение условий максимальности КПД солнечной кухни Аббота. Условия (7)—(12) ничего не говорят о температуре котла и рабочего вещества (температура которого м. б. при достаточно большом тепловом напоре сделана практически равной температуре котла), но из уравнений (1)—(3) следует, что нужно стремиться к возможно низким ее значениям, достаточным лишь для технического применения данной установки, - обстоятельство, представляющее одно из преимуществ солнечных котлов перед паровыми и т. п. Это вполне осуществимо во всякой среднетемпературной (температура котла 110—120°) и низкотемпературной (температура котла 70—80°) установке (считая высокотемпературными установки, для которых температура котла >150°). Примером работающих среднетемпературных установок являются солнечные кухни Аббота и Бухмана, а также те солнечные опреснители, которые тунисские солдаты во время похода носят на спине (продукция - 9 л перегнанной воды в сутки, что достаточно для четверых). Такие установки применимы в различного рода кипятильниках, в консервном деле, при выплавке руды, предварительном обогреве руды при некоторых металлургических процессах и т. п. Типичным примером простейшей низкотемпературной установки, в которой нагреваемые солнечными лучами предметы защищаются от потерь лучеиспусканием при помощи стекол, являются парники и оранжереи. На юге Калифорнии существуют специальные крышевые установки для получения горячей воды, распределяемой затем по кухням, прачечным, ваннам и т. п. В Салинас (Чили) есть опреснительная установка, дающая до 23000 л чистой воды в день (с площади в 4800 м2); в Долине смерти (Калифорния) вода, нагреваемая до высокой температуры солнечными лучами в медных змеевиках, покрытых стеклом, применяется для очистки магнезиальных солей. В Индии, Африке и Египте распространены солнечные кухни типа деревянного ящика, защищенного с боков и снизу, вычерненного внутри и покрытого двойным слоем стекла, благодаря чему температура в нем доходит до 115—135°. Технические применения низкотемпературных установок м. б. крайне разнообразны: сушение сахарной свеклы, фруктов и овощей; предварительное обогревание воды для паровых котлов, получение горячей воды в текстильном, красильном и других производствах (в случаях, когда они не настолько механизированы, что выгоднее для этого применять отработавший пар, или когда они механизированы при помощи белого угля), вплоть до отопления зимой зданий теплом, поглощенным летом тепловыми аккумуляторами за счет лучистой энергии солнца.

Исключениями из требования минимальности температуры солнечного котла являются: 1) силовые солнечные установки, так как для них КПД должны быть максимальными:

Geliotechnika 9

и при повышении температуры котла и рабочего вещества возрастание КПД двигателя происходит сначала быстрее, чем уменьшение КПД котла; 2) тепловые солнечные установки для получения возможно более высоких температур, недостижимых в данную эпоху на б. или м. продолжительное время другими способами, и преследующие не столько технические, сколько показательные или исследовательские цели. Таковы, например, установки Берньера (в конце 18 века) и Марселя Моро (современная): первый применял две большие чечевицы (установленные одна за другой), последний - ряд плоских зеркал, расположенных приблизительно по параболоиду вращения, и ряд чечевиц, собиравших отраженные от зеркал лучи на тело, помещенное в месте, куда вращением зеркал и чечевиц направлялись фокусы отраженных пучков. Теоретически наибольшая температура, какую можно получить т. о., не может превышать температуру поверхности солнца. К концентрации солнечных лучей прибегали даже для среднетемпературных установок, причем коэффициент концентрации, отношение f к f', в построенных до настоящего времени солнечных силовых установках варьирует от 13,4 (Энеас, 1901 год, фиг. 1) до 3 (Шуман, 1911 г., фиг. 2).

Гелиотехника

Последние две установки весьма типичны с точки зрения условий (7)—(12) максимальности КПД солнечного котла. Для приближения к выполнению условия (7) Энеас сделал свое параболическое зеркало подвижным, так что его оптическая ось могла вращаться вокруг линии, параллельной оси мира, а Шуман первоначально (фиг. 2) располагал свои «тепловые ящики» (hot box), т. е. длинные плоские котлы, защищенные сверху двойным слоем стекла и снабженные двумя плоскими боковыми зеркалами, в направлении восток–запад, причем наклон плоскости котла к горизонту периодически (раз в 2—3 недели) изменялся в соответствии с величиной склонения солнца. Во второй своей установке, где по совету английского физика Бойса применен ряд параболоцилиндрических зеркал (фиг. 3), Шуман располагал фокальную линию каждого из зеркал горизонтально в направлении север–юг и в течение дня от времени до времени поворачивал каждое зеркало вокруг этой линии так, чтобы солнце вскоре подошло к плоскости осей зеркала и не успело заметно отойти от нее.

Гелиотехника

Аббот в своей солнечной кухне пошел дальше и расположил фокальную линию ее параболоцилиндрического зеркала (поворачиваемого так же, как во второй установке Шумана) параллельно оси мира. Если же устроить наклон этой линии переменным и изменять его раз в несколько дней в зависимости от склонения солнца, то условие (7) будет удовлетворено практически полностью. При расположении ряда параболоцилиндрических зеркал в одной плоскости (Шуман) либо бесполезно бездействует значительная часть площади, приходящаяся между зеркалами (у Шумана в 1912—13 г. 2/3), либо в вечерние и утренние часы одно зеркало затеняет значительную долю поверхности другого, понижая т. о. КПД котла. Во избежание этого Б. Вейнберг предложил устраивать зеркала меньших размеров, но соединять их в группы, поворачиваемые вокруг общей оси, для того чтобы по мере возрастания высоты солнца над горизонтом увеличивалось число введенных в общую цепь отдельных зеркал, из которых каждое было бы освещено полностью, давая, таким образом, наибольший для данного момента КПД котла, а остальные целиком оставались в тени (фиг. 4).

Гелиотехника

Условие (8) удовлетворяется при применении достаточно шероховатой, а условие (9) - достаточно черной поверхности. В этом отношении является предельным достижением использование принципа абсолютно черного тела, предложенное Маркузе (фиг. 5) и В. П. и В. Б. Вейнбергами (Сов. П. 4771, фиг. 6).

Гелиотехника

С этою целью освещаемая часть поверхности котла располагается не перед местом схода лучей, а за ним - там, где пучок становится расходящимся. Этим удовлетворяются полностью условия (10), т. к. при таком расположении освещаемая поверхность котла может, кроме отдачи энергии рабочему веществу, отдавать ее лишь неосвещаемым частям внутренней поверхности котла (Маркузе) или внутренней поверхности защитной оболочки (Б. П. и В. Б. Вейнберги), т. е. поверхностям, имеющим практически ту же температуру, что и освещаемая часть. Хотя в схемах фиг. 5 и 6 условие (12) выполняется значительно хуже, чем в предыдущих схемах, но благодаря расположению котла за местом схода лучей можно при этом как угодно близко подойти к выполнению условий (11), т. е. к практически ничтожным значениям δ", ε" и ζ", путем увеличения толщины и уменьшения теплопроводности стенок защитной оболочки. Аббот, например, окружив в 1923 году трубку, представляющую собой котел его солнечной кухни, кольцеобразной стеклянной трубкой с пустотой между стенками, получал температуру рабочего вещества в 175°, т. е. на 20° больше, чем при защите простой стеклянной трубкой, и на 55° больше, чем без всякой защиты. Без сравнительно дорогой концентрации солнечных лучей можно обойтись в низко- и среднетемпературных установках, если защитить освещаемую поверхность котла от потерь по теплопроводности, конвекции и лучеиспусканию. Как на опыты в этом направлении можно указать на «тепловые ящики» и на «ячейковые поглотители» (фиг. 6). КПД котла с ячейковыми поглотителями будет при температуре котла 120° порядка 0,05—0,4 для зимнего дня (Q = 0,5—1,0) и порядка 0,2—0,6 для летнего (Q = 0,7—1,3), а при температуре котла 80° порядка 0,1—0,6 для зимнего дня и 0,6—0,8 для летнего. В виду того, что для построенных до сих пор солнечных котлов не было сколько-нибудь обстоятельных исследований их теплового баланса, а о произведенных исследованиях опубликованы лишь весьма скудные сведения, нельзя дать даже приближенной оценки характеризующих их коэффициентов.

Еще меньше, чем о тепловых солнечных установках, известно о силовых, могущих служить для ирригации, мелиорации солончаков, приготовления искусственного льда и т. д. Наиболее существенными являются имеющиеся в литературе сведения о площади зеркал, нужной для получения 1 kW в дневные летние часы (14 м2 у Энеаса, 37 м2 у Шумана в 1910 г., 31 м2 в 1911 г. и 23 м2 в 1912—13 гг.), и о наивысшем достигнутом КПД (~ 0,05 у Энеаса и 0,045 у Шумана в 1913 г.). Экономическая сторона гелиотехнических установок выяснена значительно меньше технической. Относительно наиболее подробно изученной силовой станции (Шумана, 1912—13 гг.) Аккерман говорит, что она может конкурировать с работающей на угле при цене последнего в З,5 фунта за 1 тонну; Аррениус определяет себестоимость 1 kWh в 5 коп. довоенного времени; Гибсон указывает стоимость установленного kW в 390 р. и считает солнечную энергию стоящей одинаково с энергией от паровой машины на угле при цене его в 6 р. за 1 тонну, а Ремшарт - при цене в 10 марок за 1 тонну, что сильно отличается от указаний Аккермана. Из данных Аккермана следует, что установленный kW обошелся у Энеаса в 3000 р., а у Уильси (Калифорния, 1903 г., котел типа теплового ящика, машина - с сернистым газом, работавшая между t° = 62° и t° = 18°) - в 440 р. Что же касается экономической выгодности тепловых солнечных установок, то, например, для Туркестана, при цене саксаула в 3 коп. за кг, 1000 Cal от последнего обходятся в 1,3 коп., а от ячейковых поглотителей, при условии 8-летней амортизации затраченного капитала, - в 0,4 коп. при t° = 120° и 0,3 коп. при t° = 80°. Этих примеров достаточно, чтобы показать значение гелиотехники не только для отдаленного будущего, но и для социалистического строительства настоящей эпохи.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.