Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ





На поверхность Земли в течение года поступает солнечная энергия (СЭ), эквивалентная энергии, заключенной в 1,2 • 1014 т у. т., что значительно превышает запасы органического топлива (6- 1012ту.т.).

Ежедневно на Землю поступает около 4,2 • 1014 кВт-ч, а всем населением Земли в 2007 г. было израсходовано (за год) — 94 • 1012 • кВт-ч.

Таким образом, поступающая к нам СЭ в принципе много­кратно превосходит энергетические потребности человечества. Однако использование СЭ связано с определенными трудностя­ми, что ограничивает широкомасштабную реализацию техноло­гий. К ним относятся: малая плотность солнечного потока, непо­стоянство и прерывистость поступления СЭ во времени; зависи­мость этого потока от географического расположения приемника излучения и др.

Основное направление использования СЭ — преобразование ее в электрическую энергию и получение теплоты для отопления зданий, горячего водоснабжения, опреснения вод, сушки и дру­гих технологических целей.

Преобразование СЭ в электрическую может быть осуществ­лено по следующим двум принципиальным схемам:

· термодинамическим способом на обычных тепловых электро­станциях (ТЭС); эта схема ориентирована на сооружение крупных гелиоэнергетических объектов и получение электро­энергии в больших масштабах;

· -ф- на фото- или термодинамических элементах.

Фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энер­гии в электрическую, основанное на особенностях электронной проводимости диэлектриков, в настоящее время является одним из приоритетных направлений ее использования.



Глава



ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА



 


           
   
 
   
 
 

Рис. 3.4. Схема дырочной проводимости: • — связанные электроны; О — ва­кантные места (дырки)

Остановимся подробнее на процессе образования электронов проводимости в полупроводниках, например в кремнии, являю­щимся типичным полупроводником.

Атом кремния имеет поряд­ковый номер в периодической системе Менделеева Z = 14. Поэтому заряд ядра атома кремния равен +14е и в состав его атома входит 14 электронов. Однако из них только четыре являются сла­бо связанными. Именно эти сла­бо связанные электроны участ­вуют в химических реакциях и обусловливают четыре валентности кремния, отчего они и полу­чили название валентных электронов. Остальные десять элект­ронов вместе с ядром составляют остов атома, имеющий заряд +14е - 10е = +4е. Он окружен четырьмя валентными электрона­ми, которые движутся вокруг остова и образуют облако отрица­тельного заряда (рис. 3.1).

Расположение атомов в решетке кремния таково, что каждый атом окружен четырьмя ближайшими со­седями (рис. 3.2). Связь двух сосед­них атомов обусловлена парой элект­ронов, образующих так называемую парно-электронную или валентную связь.

Рис. 3.2. Парно-электрон­ные связи в кристалле кремния

Изображенная на рис. 3.2 кар­тина, соответствует чистому крем­нию (о влиянии примесей будет ска­зано ниже) и очень низкой темпера­туре. Все валентные электроны в этом случае участвуют в образова­нии связей между атомами, являют­ся структурными элементами и не участвуют в электропроводности.

При повышении температуры кристалла (например, за счет нагре­вания солнечной энергией) тепло­вые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валент­ных связей. В результате этого часть электронов, ранее участ­вовавших в образовании валентных связей, отщепляется и ста-


новится электронами проводимости. При наличии электриче­ского поля они перемещаются против поля и образуют электри­ческий ток.

Рис. 3.3. Возникновение электрона проводимости и дырки в решетке кремния

Однако, кроме процесса пе­реноса заряда с помощью элект­ронов проводимости, возможен еще и другой механизм электро­проводности. Он обусловлен тем, что всякий разрыв валентной свя­зи приводит к появлению вакант­ного места с отсутствующей свя­зью. Такие «пустые» места с от­сутствующими электронами свя­зи получили название «дырок» (рис. 3.3).

Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действитель­но, при наличии дырки какой-либо из электронов связи может перейти на место дырки. В результате на этом месте будет вос­становлена нормальная связь, но зато появится дырка в другом месте. В эту новую дырку в свою очередь сможет перейти какой-либо из других электронов связи и т. д. Такой процесс будет про­исходить многократно, в результате чего в образовании тока бу­дут принимать участие не только электроны проводимости, но и электроны связи, которые будут постепенно перемещаться, так же как и электроны проводимости, против электрического поля.

Сами же дырки будут дви-

гаться противоположно, в направлении электрического поля, т. е. так, как двигались бы положительно заряжен­ные частицы (рис. 3.4). Этот процесс получил название дырочной проводимости. Сле­довательно, в полупроводни­ках возможны два различных процесса электропроводнос­ти: электронный, осуществ­ляемый движением электро­нов проводимости, и дыроч­ный, обусловленный движе­нием дырок.



Глава



Использование энергии солнца



 


На первый взгляд может показаться, что представление об электропроводности с помощью дырок является весьма искусст­венным и даже неоправданным, так как дырки, т. е. «пустые» места, естественно, не могут переносить электрический заряд, а в действительности, как мы видели, перенос заряда осуществ­ляется перемещением электронов связи. Дело, однако, заключа­ется в том, что движение электронов подчиняется законам не классической, а квантовой механики. А законы квантовой меха­ники показывают, что если только концентрация дырок мала по сравнению с концентрацией электронов связи, то простые законы движения получаются лишь для дырок, но не для электронов свя­зи. А именно, оказывается, что дырки в электрических и магнит­ных полях движутся так же, как двигались бы положительно за­ряженные частицы, обладающие зарядом и некоторой опреде­ленной массой (вообще не равной массе электрона). Поэтому и все электрические процессы при наличии дырок происходят так, как если бы наряду с отрицательными электронами проводимо­сти имелись еще и положительно заряженные частицы — дырки. Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых элект­рон проводимости улавливается на одно из вакантных мест элект­ронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая кон­центрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при ко­торой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в совершенно чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и дру­гих дефектов решетки, получил название собственной проводи­мости.

При наличии примесей электропроводность полупроводни­ков сильно изменяется. Так кремний с добавкой фосфора в коли­честве всего около 0,001 атомного процента имеет удельное сопротивление при комнатной температуре около 0,6 Ом*см, т. е. почти в 100 000 раз меньше, чем сопротивление совершенно чистого кремния.

Такое влияние примесей вполне объясняется изложенными выше представлениями о строении полупроводников. Вернемся опять к конкретному примеру кремния и предположим, что в нем имеются атомы химической примеси, замещающие некоторые атомы кремния. В качестве примеси рассмотрим сначала какой-либо элемент пятой группы, например мышьяк. Атом мышьяка


как элемент пятой группы имеет пять валентных электронов. Но для осуществления парно-электронных связей в решетке крем­ния, как мы видели, необходимы всего четыре электрона. Поэто­му пятый электрон атома мышьяка оказывается связанным осо­бенно слабо и может быть легко отщеплен при тепловых колеба­ниях решетки. При этом возникает один электрон проводимости,;i атом мышьяка превращается в положительно заряженный ион. Образование же дырки не происходит. Подобный процесс схема­тически изображен на рис. 3.5,а.

А) б)

Рис. 3.5. Атомы мышьяка (а) и бора (б) в решетке кремния

Посмотрим теперь, как будет вести себя атом примеси како­го-либо элемента, стоящего левее в периодической системе, не­жели кремний; пусть это будет бор, стоящий в третьей группе. Атом бора имеет всего три валентных электрона, в то время как для нормальной валентной связи в решетке кремния необходимы четыре электрона. Недостающий четвертый электрон будет за­хвачен из соседних мест кристалла, в соответствующем месте образуется дырка, а атом бора превратится в отрицательный ион (рис. 3.5,6). Таким образом, и при наличии бора в кристалле крем­ния окажется возможным возникновение тока, но, в отличие от случая мышьяка, электрический ток здесь будет обусловлен дви­жением дырок, а не электронов.

Следовательно, электропроводность полупроводников может быть обусловлена также примесями (примесная проводимость). Примеси, вызывающие появление электронов проводимости (на­пример, мышьяк в кремнии), получили название донорных при­месей, а примеси, вызывающие появление дырок (например, бор | кремнии), названы акцепторными.

Резюмируя сказанное, мы видим, что полупроводники обла­дают той особенностью, что электропроводность в них может быть обусловлена как подвижными электронами, так и дырками. Вели концентрация электронов в полупроводнике значительно



Глава 3


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА



 


больше концентрации дырок, то мы говорим, что полупроводник имеет электронную проводимость, или проводимость «-типа (от negativ — отрицательный). Если же значительно преобла­дают положительные дырки, то электропроводность называется дырочной, или p -типа (от positiv — положительный). Носители заряда, представленные в большинстве (электроны в полупровод­нике p -типа и дырки в полупроводнике n -типа), получили назва­ние основных носителей заряда, а представленные в меньшин­стве — неосновных. Если же концентрации электронов и дырок сравнимы между собой, то мы имеем смешанную проводимость. Так, например, кремний с примесью мышьяка при низких температурах имеет только примесную проводимость и является полупроводником n -типа. Основные носители заряда в нем — электроны, а неосновные — дырки. Последние возникают лишь в результате разрыва валентных связей и их количество при низ­ких температурах мало. Но при увеличении температуры количе­ство таких процессов увеличивается и появляется заметная соб­ственная проводимость. При этом увеличивается и количество дырок, и электропроводность по типу делается смешанной. При достаточно высоких температурах примесная проводимость, на­против, делается гораздо меньше, нежели собственная, и концент­рация дырок становится практически равной концентрации элект­ронов.

В полупроводниках n -типа основными подвижными носите­лями заряда являются отрицательные электроны, а в полупровод­никах р- типа— положительные дырки. В случае контакта двух полупроводников электроны и дырки получают возможность пе­реходить из одного полупроводника в другой, и поэтому между полупроводниками, так же как и между металлами, возникает контактная разность потенциалов, а в тонком пограничном слое появляется контактное электрическое поле.

Если в контакте находятся два полупроводника одного и того же типа (оба электронные или оба дырочные), то оба полупровод­ника обмениваются одинаковыми частицами: либо электронами, либо дырками, и явления в этом случае имеют большое сходство с явлениями в двух соприкасающихся металлах. Поэтому мы ос­тановимся только на том случае, когда один из полупроводников имеет электронную проводимость (n-тип), а другой — дырочную (р-тип).

Отметим, что такой контакт в чистом виде нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, так как вследствие шероховатости поверхности соприкосновение будет происходить


лишь в немногих точках; между ними будут воздушные зазоры, 1 которых образуются пленки оксидов, и контакт будет иметь Сложное строение. Поэтому для получения р-п контакта обычно В пластинку чистого полупроводника (например, германия или кремния) вводят две примеси — одну донарную (т. е. сообщаю­щую электронную проводимость), а другую акцепторную (со­общающую дырочную проводимость), и распределяют их таким образом, чтобы в одном конце имелся избыток одной из приме­сей, а в другом конце — избыток другой. Тогда в одной половине пластинки возникает электронная проводимость, а в другой — дырочная, причем между обеими областями будет расположен тонкий переходный слой, в котором обе примеси компенсируют друг друга {электронно-дырочный переход, или р-п переход).


Рис. 3.6. Электрический ток в контакте двух полупроводников

Рассмотрим сначала р-п контакт в отсутствии тока. Вслед­ствие теплового движения электроны из п -области будут перехо­дить в р -область (и там рекомбинировать с дырками), а дырки из р -области — в п -область (и рекомбинировать с электронами). По­лому в п -области, вблизи границы раздела, появится положи­тельный объемный заряд, а в р -области — отрицательный объем­ный заряд; п -область приобретет положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал р -области сделается отрицательным и энергия электрона в ней увеличится. Кривая распределения по­тенциальной энергии электронов W3 будет иметь вид, показан­ный на рис. 3.6,а сплошной кривой. Напротив, энергия положи­тельных дырок WR будет больше в п «-области и меньше в р -облас-ти (пунктирная кривая).



Глава 3


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА



 


В состоянии равновесия полный ток через контакт равен нулю. Этот ток в отличие от металлов, где носителями заряда являются только электроны, складывается как из движения элект­ронов, так и из движения дырок. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Прежде всего напомним, что в любом полупроводнике, поми­мо основных носителей заряда (представленных в большинстве), всегда имеется еще и некоторое количество неосновных носите­лей заряда. Поэтому в электронном полупроводнике наряду с электронами проводимости (основные носители заряда) имеет­ся еще небольшое количество дырок (неосновные носители заря­да), а в дырочном полупроводнике, кроме дырок, еще и некото­рое количество электронов. Количество неосновных носителей обычно мало по сравнению с количеством основных.

Обратимся теперь опять к рис. 3.6. Мы видим, что контакт­ное поле способствует движению неосновных носителей, кото­рые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все не­основные носители, генерируемые в приконтактной области, дви­жутся через р-п переход и образуют некоторый ток силы г'н на­правленный от п к р. Сила этого тока практически не зависит от разности потенциалов между п- и р -полупроводниками и опреде­ляется только количеством неосновных носителей, образующих­ся в приконтактной области в единицу времени. Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, дви­жущиеся слева направо) образуют ток i0 направленный противо­положно, т. е. от р к п. Из рис. 3.6,а видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолевать потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера (контакт­ная разность), при которой полный ток

i = i0 – iH = 0 (3-D

Посмотрим теперь, что будет происходить при наличии тока через контакт. Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что на п -области имеется отрицатель­ный потенциал и на р -области — положительный (рис. 3.6,6). Тогда энергия электронов в n-области увеличится, а в p-области уменьшится, а следовательно, высота потенциального барьера станет меньше. При этом ток неосновных носителей iH, как гово­рилось выше, не изменится. Ток же основных носителей i0 уве­личится. В результате через контакт будет идти ток i = iQ - in, направленный от р к n; сила тока будет быстро нарастать с уве­личением приложенного напряжения. Иное будет происходить,


если к n-области присоединен положительный полюс источника тока, а к p-области — отрицательный (рис. 3.6,в). В этом случае высота потенциального барьера увеличится и ток основных но­сителей i0 уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практически будет равен нулю, и поэтому через контакт будет течь только ток неосновных носителей in, величина которого весьма мала.

В силу изложенного зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперная характеристика) для кон­такта двух полупроводников (р-п пе­рехода) имеет вид, изображенный на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Вольт-амперная характеристика контакта двух полупроводников

Когда ток направлен от р- к n-области, сила тока велика и быстро увеличивается с напряжением, а сле­довательно, контакт для этого на­правления тока (проходное направле­ние тока) имеет малое сопротивле­ние. Если же ток направлен от n- к p-области, сила тока весьма мала и почти не зависит от напряже­ния. Для этого направления тока (запорное направление) контакт имеет большое сопротивление. Таким образом, контакт двух полупроводников обладает односторонней проводимостью или вентильным свойством и имеет вследствие этого нелинейную вольт-амперную характеристику. При включении в цепь пере­менного тока такие контакты действуют как выпрямители.

Рассмотрим опять контакт двух полупроводников р- и n-типа и пред­положим что через него идет ток в проходном направлении (рис. 3.8).

Дырки в p-области движутся к
р-п переходу и, проходя через него,
вступают в n-область в качестве не­
основных носителей заряда, где и ре-
комбинируют с электронами. То же
относится и к электронам в n-облас­
ти, которые, переходя границу раз­
дела, попадают в р-область и реком-
бинируют с дырками. Однако эта ре

Рис. 3.8. Инжекция - комбинация происходит не мгновен

электронов и дырок - но, и поэтому в «-области окажется

в полупроводниках


 

Глава 3

избыточная концентрация дырок пд, а в p -области — избыточная концентрация электронов пэ. При этом избыточные дырки в n-области будут притягивать к себе электроны, так что увеличит­ся и концентрация электронов; объемный заряд, как и в отсут­ствии тока, не образуется. То же будет происходить и в p-области, где увеличение концентрации электронов повлечет за собой увеличение концентрации дырок.

Таким образом, при наличии электрического тока через р-п переход состояние электронов и дырок в полупроводнике ста­новится неравновесным. Их концентрация делается больше ее равновесного значения, происходит как бы «впрыскивание» дырок в n-область и электронов в p-область. Описанное явление полу­чило, название инжекции электронов и дырок.

Отметим, что нарушение равновесного состояния электронов и дырок можно также получить под действием освещения полу­проводника, даже если последний и однороден. В этом случае изменение концентрации электронов и дырок приводит к изме­нению электропроводности полупроводника под действием света (явление фотопроводимости).

По мере движения избыточные дырки и электроны будут ре-комбинировать и их концентрация будет уменьшаться. Уменьше­ние концентрации электронов или дырок — dn за время dt про­порционально избыточной их концентрации п и времени:

-dn = 1/τ ndt. (3.2)

Здесь 1/τ — коэффициент пропорциональности, определяющий

вероятность рекомбинации, а величина т получила название вре­мени жизни неосновных носителей заряда. Она зависит от рода и качества материала, от его состояния и от содержащихся в нем примесей.

Интегрируя написанное уравнение, находим:

п = п0е-t / τ, (3.3)

где п0 — начальная концентрация избыточных носителей у гра­ницы раздела. Отсюда видно, что т есть такое время, через кото­рое концентрация неосновных носителей вследствие рекомбина­ции уменьшается в е = 2,71 раза. Расстояние, на которое переме­щаются вследствие диффузии инжектированные носители за вре­мя жизни т, называется длиной диффузионного смещения (LD). Укажем для примера, что в очень чистом германии т имеет поря­док 1000 мкс (10 3 с), a LD превышает 1 мм. При наличии приме­сей (или иных несовершенств решетки) τ и LD уменьшаются.


ИСПОЛЬЗОВАН ИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА __________________________ 91

3.2. ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ПРИНЦИПЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ

Использование солнечной энергии в России в соответствии с программой «Экологически чистая энергетика» предусматри­вается в 13 регионах: Алтайском, Краснодарском, Приморском, Ставропольском и Хабаровском краях, Кабардино-Балкарии, Кал­мыкии, Северной Осетии, Чечне и Ингушетии, Астраханской, Волгоградской и Ростовской областях.

Однако осуществляется программа пока только в четырех ре­гионах: в Краснодарском крае (города Краснодар, Новороссийск, Тимошевск, Усть-Лабинск), Ростовской обл. (г. Азов), Кабарди­но-Балкарии (г. Нальчик) и в Дагестане (села Гимры, Рубас, Хун-зах и др.).

Солнечное теплоснабжение (СТС) как направление исполь­зования СЭ является наиболее освоенным. В основе таких си­стем лежит использование устройств, преобразующих солнечную радиацию в теплоту. Главным элементом этих устройств являет­ся плоский солнечный коллектор, поглощающий солнечные лучи с преобразованием их в тепловую энергию. В большинстве слу­чаев применяется окраска поверхностей коллектора черной мато­вой краской или покрытие металлических поверхностей гальва­ническим способом.

Установки СТС используются для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в жилых, обществен­ных, санаторно-курортных зданиях, подогрева воды в плаватель­ных бассейнах и в различных процессах промышленного и сель­скохозяйственного производства. Различают:

· «активные» установки СТС, в которых используют коллек­торы с циркуляцией теплоносителя;

· «пассивные» системы отопления зданий, в которых строи­тельные конструкции используют как тепловоспринимающие элементы.

Опыт эксплуатации этих установок показывает следующее:

· в системах солнечного горячего водоснабжения (СГВС) заме­щается около 40...60% годового расхода топлива в зависи­мости от района расположения установок;

· в системах солнечного отопления и СГВС замещается 20...50%

топлива;

«пассивные» системы отопления зданий позволяют снижать энергопотребление домов до 40%, а в отдельных случаях — до 70%.



Глава 3


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА



 


В настоящее время в мире работает более 2 млн гелиоустано­вок горячего водоснабжения (СГВС) и 250 тыс — систем солнечно­го отопления (ССО). В ССО широко используются тепловые на­сосы. В США и Японии работают более 5 млн тепловых насосов.

За рубежом строительство СГВС началось в 1973-74 гг. и до­стигло пика в 1981-82 гг., далее несколько сократилось.

Наибольшей суммарной площадью установленных солнеч­ных коллекторов располагают США — 10 млн м2, далее следуют: Япония — 8 млн м2, Израиль — 1,7 млн м2, Австралия — 1,2 млн м2.

Годовая производительность СГВС с температурой воды 30...40°С оценивается в 300...650 кВт-ч/м2, для получения 200...300 л/день такой воды необходима общая площадь коллек­тора 5...8 м2. Производительность установок для отопления плавательных бассейнов с температурой 20...27°С составляет 250...270 кВт-ч/м2, для отопительных установок с температурой (35...70 °С) 4- (150...300) кВт-ч/м2. Стоимость 1 м2 солнечного кол­лектора составляет (долл. США):

США........................................... 250...300

Германия..................................... 400

Австрия и Швейцария................. 800

Великобритания.......................... 300

Австралия.................................... 200

Испания....................................... 73

В США большое распространение получили солнечные уста­новки горячего водоснабжеия, отопления и кондиционирования воздуха (1,1 млн штук). Перспективным считается использование «пассивных» систем для отопления зданий (200 тыс жилых зда­ний и 15 тыс промышленных зданий).

В Японии работает около 310 тыс солнечных бытовых и про­мышленных установок тепло- и хладоснабжения.

Во Франции более 30 тыс жилых домов используют солнеч­ные коллекторы для отопления.

В Нидерландах предусматривается широкое строительство низкотемпературных солнечных установок, с помощью которых к 2010 г. планируется заменить примерно 1% расходуемого при­родного газа.

В Испании общая площадь солнечных коллекторов состави­ла около 220 тыс м2.

В КНР имеется 100 тыс м2 площади солнечных коллекторов мощностью от 300 до 1200 Вт (90% — более 1000 Вт), использу­емые в основном для «солнечных кухонь».


В РФ программа «Экологически чистая энергетика» преду­сматривает развитие систем солнечного отопления и горячего водоснабжения для индивидуальных жилых домов, сельскохозяй­ственных, курортных и некоторых производственных объектов (направление — солнечное теплоснабжение). При этом будут раз­работаны прогрессивные конструкции и высокомеханизирован­ные технологические процессы для серийного производства дол­говечных и надежных солнечных коллекторов нового поколения (специальное стекло, свето- и термостойкие полимерные матери­алы, новые типы теплоизоляции и др.).

Общая потребность РФ в солнечных коллекторах оценивает­ся миллионами квадратных метров, а 1 м2 коллектора обеспечи­вает замещение до 0,15 т у. т. в год. Предполагается также разра­ботать и построить к 2010 г. серию солнечно-топливных автоном­ных комплексов (СТАК) для водо- и теплоснабжения вахтовых и коттеджных поселков (производительность в сутки по воде (хо­лодная) 100...400 м3; по тепловой мощности 1...3 МВт).

Простейшая и наиболее дешевая система солнечного горяче­го водоснабжения основана на термосифонном принципе. Си­стема состоит из солнечного коллектора и расположенного выше него бака-аккумулятора горячей воды. Плотность воды, нагретой в коллекторе, меньше, чем плотность более холодной воды в ниж­ней части бака-аккумулятора, в результате чего в контуре возни­кает циркуляция. Когда бак-аккумулятор не может быть располо­жен выше коллектора (например, в больших системах), тогда цир­куляция воды осуществляется насосом.

Помимо небольших солнечных систем теплоснабжения, рассчитанных на односемейный дом, все большее распростране­ние получают системы, способные удовлетворить потребности многоквартирного дома или даже жилого района. Такие системы состоят из центрального блока теплоснабжения, распределитель­ной сети и тепловых аккумуляторов.

В Краснодарском крае эксплуатируется шесть солнечно-топ­ливных котельных в городах Краснодаре, Анапе, Новороссийске, Тимашевске, Усть-Лабинске общей площадью солнечных кол­лекторов 1000 м2. В установках применены солнечные коллекто­ры (СК) Братского, Тбилисского и Киевского заводов. Анализ опыта работы солнечно-топливных котельных показал низкую надежность СК Братского завода, высокую стоимость СК других заводов и незаинтересованность эксплуатационного персонала в обслуживании гелиоустановок (техническое обслуживание систем горячего водоснабжения с применением солнечных коллекторов



Глава



ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА



 


 

не всегда соответствует техническим условиям заводов-изгото­вителей).

Солнечные приставки могут выполняться ко всем котельным, работающим по открытой схеме (т. е. на нужды горячего водо­снабжения) при наличии территории для размещения СК (пусты­ри, эстакады и пр.). Гелиоприставки можно сооружать к су­ществующим котельным и вновь проектируемым. Мощность сол­нечных приставок может составлять 5...30% от мощности котель­ных, в среднем порядке 15%.

Конструктивные и технические характеристики некоторых гелеоустройств повышенной эффективности приведены ниже.

Концентрирующий солнечный водонагреватель КСВ-3

на основе двугранного фоклина предназначен для нагревания

воды или других жидко­стей за счет использования солнечной энергии.

Рис. 3.9. Схема концентрирующего солнечного водонагревателя КСВ-3: 1 — корпус; 2 — теплоприемник; 3 — фоклин; 4 — теплоизоляция; 5 — днище; б — оконное стекло

Солнечный водонагре­ватель КСВ-3 (рис. 3.9), в отличие от применяемых в настоящее время у нас в стране и за рубежом плос­ких солнечных водонагре­вателей, обеспечивает на­грев воды до более высокой температуры и может рабо­тать не только в летнее вре­мя, но и зимой. Трубчатая конструкция теплоприемника КСВ-3 повышает его долговечность (по сравнению с плоским водонагревателем) бо­лее чем в 2 раза.

Концентрирующие солнечные водонагреватели устанавлива­ют на кровлях зданий или на специальных опорах на открытых площадках, облучаемых солнцем и ориентированных на юг. Основными элементами их являются: трубчатый теплоприемник и набор зеркальных концентрирующих элементов в виде двугран­ных фоклинов. Теплоприемник и фоклины помещены в алюми­ниевый теплоизолированный корпус, закрытый сверху оконным стеклом. В качестве теплоизоляции применяется пенополистирол. Для лучшего восприятия солнечной радиации поверхность труб имеет черное гальваническое покрытие.


Принцип действия водонагревателя заключается в концентра­ции солнечной энергии на поверхности труб и передаче его теплоносителю, который под давлением 1...6 атмосфер поступа­ет через подающий штуцер в теплоприемник, где воспринимает тепло от горячих стенок и подается через сливной штуцер потре­бителю.

Техническая характеристика

(при интенсивности солнечной радиации 600 Вт/м2 и температуре окружающей среды не ниже 0°С)

Суточная производительность:

по теплоте, кДж....................... 15 000

по воде (80 °С), кг....................... 50

КПД, %.................................................. 50

Площадь нагрева, м2..................... 1,0

Габаритные размеры, мм............. 1200x880x160

Вес (сухой), кг........................... 40

Емкость теплоприемника, л... 0,7

Использование водонагревателей площадью 100 м2 позволя­ют экономить 15 т у. т. в год.

Водонагреватель рекомендуется использовать для систем ото­пления и горячего водоснабжения гражданских зданий, а также для технологических целей, где требуется горячая вода с темпе­ратурой до 80 °С.

Гелиополигон круглогодичного действия мощностью 9 тыс м3 /год с механизированной технологической линией

размещен на действующем заводе железобетонных изделий.

В технологическую линию изготовления сборных железо­бетонных изделий с использованием солнечной энергии для термовлажностной обработки входят гелиокамеры, накрытые несъемными гелиопокрытиями типа СВИТАП (рис. 3.10).

Форма-вагонетка (типовая форма, оснащенная колесами) по сигналу с пульта управления системой цепной передачи выкаты­вается на линию формовки, козловой кран укладывает арматуру, бетоноукладчик с вибротележкой укладывает бетон, вибрирует и переходит на следующий заданный пост. Форма-вагонетка за­катывается в гелиокамеру.

Оборот форм суточный. В осенне-зимне-весенний период в качестве дополнительного источника тепловой энергии для тер­мовлажностной обработки применены инфракрасные излучатели с напряжением 36 В.



Глава 3


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА



 


Рис. ЗЛО. Состав технологической линии:

1 — бетоновозная эстакада; 2 — бетоноукладчик с виброустановкой; 3 — козловый кран; 4 — гелиокамеры; 5 — щитовые и пультовые; 6 — склад арматуры и готовой продукции

Система термовлажностной обработки автоматизирована. Применение этой системы позволяет экономить около 80% теп­ловой энергии на термовлажностную обработку сборных железо­бетонных изделий.

Используется при изготовлении сборных железобетонных изделий для мелиоративного строительства.

Плоский солнечный коллектор повышенной эффектив­ности предназначен для преобразования энергии излучения Солнца в тепловую. Он позволяет без использования концент­ратора солнечного излучения нагревать в ясный летний день 60...70 л воды (в расчете на 1 м2 площади тепловоспринимающей поверхности) до температуры 55...60 °С.

Плоский солнечный коллектор (рис. 3.11) работает в комп­лекте с баком-аккумулятором. Основными его элементами явля­ются: поглощающая панель с каналами для теплоносителя; про­зрачная изоляция, состоящая обычно из одного или двух слоев стекла; тыльная и боковая изоляция и корпус, в котором разме­щаются все перечисленные выше элементы. Прозрачная изоля­ция фронтальной поверхности и тыльная (и боковая) изоляция предназначены для снижения тепловых потерь от нагреваемой лучами Солнца панели в окружающую среду.

В коллекторе теплопоглощающая панель выполнена в виде листотрубной конструкции из латуни. Трубки уложены в цилинд­рические продольные пазы и равномерно припаяны к листу.


Рис. 3.11. Схема солнечной установки

с коллектором повышенной эффективности:

1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — вентиль

Для повышения КПД коллектора на поглощающую панель наносится покрытие с селективными оптическими свойствами, обеспечивающее снижение тепловых потерь от излучения в не­сколько раз по сравнению с обычным коллектором.

Применение селективного покрытия в солнечных коллекто­рах повышает их эффективность и обеспечивает более высокий уровень рабочих температур. Так, например, эффективность плоского солнечного коллектора с селективным покрытием при температуре теплоносителя 60...80°С в 1,5-2 раза выше, чем у неселективных коллекторов. Без использования концентрато­ра солнечного излучения можно нагревать в солнечный день 80... 100 л воды.

Мобильный автономный комплекс для водо- и теплоснаб­жения с гелиоустановкой

Описание конструктивных решений и технологии. Суточная производительность комплекса 100...400 м3 холодной воды и 1...3 МВт тепловой мощности в зависимости от конкретных ус­ловий его применения.

Комплекс включает в себя мобильную блок-модульную уста­новку по очистке природных вод, мобильную блок-модульную котельную и солнечную установку. Все части комплекса не­разрывно связаны в ед







Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.