2 (731757), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

На протяжении столетий человек использовал теп­ловое действие солнечных лучей в различных областях своей деятельности, многие из которых имеют важ­ное экономическое и социальное значение в развитии общества. Например, для получения соли путем вы­паривания ее из морской воды или сушки таких пи­щевых продуктов, как фрукты и рыба. Обычно подоб­ные заготовки носят сезонный характер. Удаление воды из пищевых продуктов предотвращает размно­жение в них бактерий и позволяет сохранить их в те­чение года.

Сушка на солнце происходит медленно, и это ограничивает производительность таких процессов, как получение соли, заготовка дров, каучука и т.п. Ускорение сушки позволяет повысить эффективность перечисленных процессов. Проводятся поиски возможных путей повышения эффективности сушки за счет более рационального размещения обезвоживаемых предме­тов на солнце и лучшего использования солнечной энергии. Примером подобного исследования может служить работа, проведенная в Национальной физи­ческой лаборатории Индии. Было показано, что с по­мощью простейших солнечных концентраторов можно существенно ускорить процесс сушки пальмовых листьев и сахарного тростника, которые используются сельскими жителями в качестве топлива и для полу­чения сахара.

Солнечное излучение также используется и для приготовления пищи. Один из вариантов конструкции солнечной печи по­казан на рис. 6. Такая простая печь быстро нагре­вается и позволяет приготовить пищу за несколько часов. Затраты энергии на приготовление пищи (около 300 Вт-ч/кг) обычно не превышают количества энер­гии идущей на нагревание самой печи. Если печь за­щищена от ветра, равновесная температура устанав­ливается в ней в течение часа. Для более быстрого приготовления пищи и осуще­ствления таких требующих высокой температуры про­цессов, как, например, жарение, солнечные печи снаб­жаются параболическими рефлекторами. Конструк­ции, подобные изображенным на рис. 7, с диаметром зеркала около 1,5 м испытывали в различных частях земного шара. Эффективный коэффициент концентра­ции таких систем с краевым углом 30° (даже при плохо обработанной поверхности зеркала) достигает 500—1000. В тропических условиях мощность, полу­чаемая в фокусе такого устройства, составляет 0,5— 11,0 кВт. Тень, отбрасываемая на зеркало сосудом для приготовления пищи диаметром около 15 см, весьма незначительна, но, тем не менее, несколько раз в тече­ние часа необходимо регулировать положение зеркала относительно солнца.

Рис. 6. Солнечная кухня типа «горячий ящик»

Рис. 7. Солнечная кухня с параболическим зеркалом

Перспективы применения теплового действия солнечного излучения связаны с многочисленными иссле­дованиями, проводимыми в различных частях земного шара. Более того, в отдаленных и слаборазвитых рай­онах возможно появление новых видов производства, связанных с использованием солнечной энергии для нагревания и сушки при изготовлении картона, бу­маги, кровельных материалов и т. п. Однако широкое внедрение таких процессов требует источников меха­нической и электрической энергии. В следующих гла­вах рассмотрены возможности использования сол­нечной радиации для получения этих более удобных видов энергии.

III. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию

Солнечное излучение (СИ) можно преобразовывать в электричество через преобразование его сначала в тепло, а затем с помощью обычных паровых турбин и соединенных с ними генераторов в электроэнергию - такие установки не имеют принципиальных отличий от ТЭС, ГЭС и АЭС - а можно и непосредственно, минуя тепловую стадию. Преимущества второго способа очевидны - мало того, что такие устройства значительно проще, компактнее и дешевле, кроме того, в них существенно меньше и энергетические потери, неизбежные при каждом преобразовании энергии из одного вида в другой, а это означает более высокий КПД и экономическую рентабельность установок с непосредственным преобразованием лучистой энергии. Тем не менее, некоторые способы преобразования СИ через тепловую фазу будут рассмотрены из-за их более перспективной основы - термоэлектронной эмиссии и эффекта Зеебека. Установки, основанные на этих явлениях (термоэлектрические генераторы) существенно отличаются от традиционных - так, в них отсутствует теплоноситель и какие-либо движущиеся части. Но все же основное внимание будет уделено непосредственному преобразованию СИ в электроэнергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

Глава 1. Термоэлектрические генераторы

Термоэлектронный генератор

Первый тип устройств для прямого генерирования электрической энергии — тер­моэлектронный или как его еще называют термоионный генератор. Этот прибор разработан в по­следние десятилетия, и возможно ему принадлежит исключи­тельно важная роль при производстве электроэнергии в будущем.

П ринцип действия термоионного генератора пояс­няет рис. 8. В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и назван­ный термоионной (термоэлектронной) эмиссией. При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом, до достаточно высокой тем­пературы значительная часть его электронов приобре­тает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность. Правда, этот процесс протекает небеспрепятственно, о чем будет сказано ниже

Рис. 8. Термоионный генератор.

Если побли­зости находится другой электрод — анод, то испущен­ные электроны можно направить к нему и там собрать. Это возможно лишь в том случае, если оба электрода соединить внешней цепью, поскольку в противном слу­чае рост отрицательного заряда на аноде препятствует движению к нему эмиттируемых электронов, и при определенных условиях они не смогут его достигнуть. Но в термоионном генераторе катод и анод со­единены внешней цепью. Поэтому поток электронов, то есть электрический ток, проходит через эту цепь, совершая в ней работу. На рис. 8 внешняя нагрузка представлена сопротивлением R, но практически это может быть какое-либо устройство, например электродвигатель. Таким образом, в термоионном генераторе используется часть энергии (в интересующем нас слу­чае это энергия солнечной радиации), израсходован­ной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа. В таблице 4 плотности эмиссионного тока при различных температурах для некоторых, используемых сейчас материалов.

Таблица 4

Плотность тока термоэмиссии (А/м²) при различных температурах

Такое преобразование солнечной энергии в работу происходит не без потерь, и, естественно, встает вопрос о КПД подобного устройства. Электроны поки­дают катод лишь при его нагревании, поэтому возни­кают потери энергии через теплоизлучение. Часть тепловой энергии попадает на анод, который при сильном разогреве также испускает электроны. Если хотя бы часть из них достигла катода, это привело бы к умень­шению тока в нагрузке. Поэтому на охлаждение ано­да также необходима энергия. Итак, возможности этого способа преобразования энергии, также небеспредельны, ограничена, и величина его КПД находится на уровне 10-15%.

Термоэлектрический генератор (термопары)

Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, откры­тое Вольта в последнем десятилетии XVIII века, при­влекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундамен­тальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнит­ной поляризации некоторых металлов и руд, возникаю­щей в условиях разности температур», опублико­ванная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего впоследствии в физику под терми­ном «эффект Зеебека» ), состояла в том, что при замыка­нии концов цепи, состоящей из двух разнородных ме­таллических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присут­ствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях ис­следуемой цепи.

Объективный анализ опытов Зеебека (даже при тогдашнем уровне физических знаний) мог бы дать однозначное объяснение эффекту, обусловив его воз­никновением в подобной цепи электрического тока, тем более, что воздействие на стрелку прекращалось при размыкании цепи. Однако Зеебек предложил собственную интерпретацию эффекта, объясняющую его намагничиванием материалов под действием температуры и разработал в качестве ее следствия смелую гипотезу происхождения земного магнетизма, суть которой сводится к тому, что земное магнитное поле образовалось в результате разности температур между полюсами и экваториальным поясом Земли. Заблуждение Зеебека сыграло положи­тельную роль: чтобы опровергнуть электрическое про­исхождение термоэлектрических токов, он на самых раз­личных материалах сопоставлял явление электризации (контактный потенциал) или ряд Вольта с воздействием разности температур на магнитную стрелку и показывал различие между ними.

Составленный Зеебеком обширный термоэлектрический ряд (табл. 5) представляет интерес и поныне. В современных обо­значениях (α — термоэлектродвижущая сила на 1° С и σ — удельная электропроводность) ряд Зеебека определяется произведением ασ вместо величины α²σ/χ (где χ — удельная теплопроводность), которая харак­теризует термоэлектрические свойства материала.

На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы. На рис.9 показана типичная конструкция термо­электрического генератора на основе проводников. Обычно проводники соединяются последовательно, так как разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300—400 мкВ на единицу, разности темпера­тур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.

Рис. 9. Термоэлектрический генератор.

Работу реальных устройств сопровождают опреде­ленные необратимые явления. Возможна теплопере­дача от источника к охладителю непосредственно через элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется джоулево тепло.

Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через проводимость пропорци­ональна разности температур на их концах (при усло­вии отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение

Q_т=K (T₁-T₂), (3)

где К зависит от теплопроводности материалов, пло­щади поверхности и длины элементов.

Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно

Q_дж=I²R, (4)

Где К — общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность) от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из соединений.

Характеристики

Список файлов реферата