> Техника, страница 36 > 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 па 1 км² приходится 972 000 kWh. Американский физик Ланглей высчитал, что полное использование всего попадающего на землю излучения солнца дало бы 350 биллионов ЕР=62,5 билл. Cal (1 Cal=427 килограммм=5,6 TP). Ганс Фишер вычислил, что на 20° с. ш. на каждые 4 м² горизонтальной поверхности земли приходится эквивалент 1 ЕР в год. При кпд=10% каждый км² площади дал бы 25 000 1-Р в год. Современная паровая машина требует для производства 1ЕР в год 4 тонн угля. Т. о. можно было бы сэкономить за год 100 000 тонн угля. Добытые в 1920 году 1 300 млн. т угля, превращенные целиком в механическую энергию, отвечали бы приблизительно 325 млн. ЕР в год. Следовательно, для получения 325 млн. ЕР в год потребовалось бы только 13 000 км², то есть приблизительно Vo площади Швейцарии.

Г. находится пока в стадии проектов и пробных установок, но может иметь значение для будущего, когда начнут иссякать имеющиеся па земле запасы энергии (каменный уголь, нефть, горючие природные газы). Г., 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, гелиотехнич., или так называемым солнечные, установки можно разделить на: фотохимические, фотоэлектрическ., тепловые и силовые. Фотохимич. солнечные установки не вышли пока из стадии лабораторных опытов (смотрите Фотохимии), если не считать всего растениеводства и таких применений лучистой энергии солнца, как беление тканей, солнцелечение и тому подобное. В той же стадии находятся и фотоэлектрическ. солнечные установки. Наоборот, тепловые и силовые солнечные установки находят практическ. 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 к (между направлением лучей и нормалью к поверхности) на плоскую поверхность котла. Если обозначить через β_α и γ_α коэффиценты отражения и рассеяния поверхностью котла при угле падения «, через <У, е и ζ—коэфф-ты потери через 1 cat² этой поверхности по теплопроводности, конвекции и лучеиспусканию, отнесенные к 1° приведенной (смотрите далее) разности температур поверхности котла и окружающей среды Θ:, 0, Of то для стационарной стадии процесса освещения котла солнечными лучами получим:

Q=[(?(1 -β_α.-7α)-⁰ °δ-^{£ θ}ε-ζ О;] COS C£. (1) Если для повышения i° 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:

Qdf=Q ( -p_H-y_ax)df-

k=*m

- Σ dr, (2)

fc=l

в к-ром df есть сечение того элементарного пучка падающей солнечной радиации, который после отражения и рассеяния п промежуточными поверхностями попадает на элемент df поверхности котла; символ н означает произведение ряда множителей, стоящих в круглых скобках и относящихся к каждой из этих поверхностей, а знак 2 относится к каждому из участков обратного пути тепла от котла через защищающие его т однородных слоев вплоть до последней наружной оболочки; при этом коэффициенты *“, Н-> U попрежпему рассчитаны на 1 см² поверхности котла, а Of, представля ют собой разности температур па границах А-го слоя. Нестационарные стадии процесса освещения можно в первом приближении не принимать в расчет, так как добавочные члены к уравнениям (1) и (2),к-рыми выразится энергия, идущая па повышение 1° стенок котла и рабочего вещества, пойдут со знаком (—) при стадии увеличения 0~, 0_г и 01 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 со-

оружения. Для просвещаемых частей поверхности котла теплопотеря иа 1 см- выразится уравнением:

- Q"=- δ"θγ— ε"θ"~ ζ"θ{, (3)

где буквенные обозначения имеют аналогич. значения, причем в случае наличия защитной оболочки первая часть должна быть заменена суммой по отдельным прослойкам аналогично различию вторых членов правых частей ур-ий (1) и (2). Что касается величин 0 и 0", то, если за 0- и 07 можно со значительным приближением к действительности принимать непосредственные разности 1° котла и окружающего воздуха (если, например, считать излучение освещаемой поверхности происходящим по закону Стефана), будет правильнее принимать:

ο;=(/_κ.-ί V)

(4)

где Тк. и Т_в.—температуры котла и воздуха при тех опытах, из которых было получено значение ζ. Ур-ия (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

КПД_к.

Q’f -Q’T Q

(5)

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

КПД,;, =

JdQ — fdQ"

JdQ

(6)

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

α= 0 (7); βα=min (8); γ_α — min (9); (Г=mini <i"=minl

e= min > (10); ε"=min > (11); £=minj 5”=minj

а также, при прочих равных условиях,

С-=min. (12)

Первой попыткой такого подхода к теории солнечного котла можно считать обсуждение условий максимальности кпд солнечной кухни Аббота. Условия (7)—(12) ничего не говорят о t° котла и рабочего вещества (t° которого м. б. при достаточно большом тепловом напоре сделана практически равной 1° котла), но из ур-ий (1)—(3) следует, что нужно стремиться к возможно низким ее значениям, достаточным лишь для тех-пич. применения данной установки,—обстоятельство, представляющее одно из преимуществ солнечных котлов перед паровыми и тому подобное. Это вполне осуществимо во всякой среднетемпературной (1° котла 110—120°) и низкотемпературно и (1° котла 70—80°) установке (считая высокотемпературными установки, для которых /° котла >150°). Примером работающих среднетемпературных установок являются сол нечные 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 металлургическ. процессах и тому подобное. 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 тому подобное. В Салинас (Чили) есть опреснительная установка, дающая до 23 000 л чистой воды в день (с площади в 4 800 м²); в Долине смерти (Калифорния) вода, нагреваемая до высокой t° 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 1° в нем доходит до 115—135°. Технич. 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 нар, или когда они механизированы при помощи белого угля), вплоть до отопления зимою зданий теплом, поглощенным летом тепловыми аккумуляторами за счет лучистой энергии солнца.

Исключениями из требования минимальности темп-ры солнечного котла являются: 1) силовые солнечные установки, так как для них кпд должны быть максимальными: КПДсил. солн. уст. — КИДсолн. котла×КИДЭвиг. (13) и при повышении t⁰ котла и рабочего вещества возрастание кпд двигателя происходит сначала быстрее, чем уменьшение кпд котла; 2) тепловые солнечные установки для получения возможно более высоких 1°, 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 Верньера (в конце 18 века) и Марселя Моро (современная): первый применял две большие чечевицы (установленные одна за другою), 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 t°, какую можно получить т. о., не может превышать t° поверхности солнца. К концентрации солнечных лучей прибегали даже для среднетемпературных установок, при чом коэффициент концентрации, отношение f к f, в построенных до настоящего времени солнечных силовых установках варьирует от 13,4 (Эиеас, 1901 год, фигура 1) до 3 (Шуман, 1911 г., фигура 2).

Последние две установки весьма типичны с точки зрения условий (7)—(12) максимальности кпд солнечного котла. Для приближения к выполнению условия (7) Эиеас сделал свое параболическое зеркало подвижным,

так что его оптич. ось могла вращаться вокруг линии, параллельной оси мира, а Шуман первоначально (фигура 2) располагал своп «тепловые ящики» (hot box), то есть длинные плоские котлы, защищенные сверху двойным слоем стекла и снабженные двумя плоскими боковыми зеркалами, в направлении В.—3., причем наклон плоскости котла к горизонту периодически (раз в 2—3 недели) изменялся в соответствии с величиною склонения солнца. Во второй своей установке, где по совету английск. физика Бойса применен ряд параболо-цилиндрических зеркал (фигура 3), Шуман располагал фокальную линию каждого из зеркал горизонтально в направлении С.—Ю. 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. Аббот в своей солнечной кухне пошел дальше и расположил фокальную линию ее параболо-цилиндрич. 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 параболо-цилиндрических зеркал в одной плоскости (Шуман) либо бесполезно бездействует значительная часть площади, приходящаяся между зеркалами (у Шумана в 1912—13 г. ²/з), либо в вечерние и утренние часы одно зеркало затеняет значительную долю поверхности другого,понижая т. о. кпд котла. По избежание этого Б. Войнберг 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, так. обр., наибольший для данного момента кпд котла, а остальные целиком оставались в тени (фигура 4).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 (Г. II. 1926 г., фигура 5) и Б. II. и В. Б. Вейнбергами (Сов. П. 4771, фигура 6). 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;, то есть поверхностям, имеющим практически ту же t°, что и освещаемая часть. Хотя в схемах фигура 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), то есть к практически ничтожным значениям 4", в” 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 пустотою между стенками, получал t° рабочего вещества в 175°, то есть 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» (фигура 0). Кпд котла с ячейковыми поглотителями будет при температуре котла 120° порядка 0,05—0,4 для зимнего дня (<3=0,5—1,0) и порядка 0,2—0,6 для летнего ((>=0,7—1,3), а при температуре кот ла 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 k V в дневные летние часы (14 м² у Энеаса, 37 м² у Шумана в 1910 г., 31 м² в 1911 году и 23 м² в 1912—13 гг.), и о наивысшем достигнутом кпд (~ 0,05 у Энеаса и 0,045 у Шумана в 1913 году). Экономическая сторона гелиотехни-ческ. установок выяснена значительно меньше техническ. Относительно наиболее подробно изученной силовой станции (Шумана, 1912—13 гг.) Аккерман говорит, что она может конкурировать с работающей на угле при цене последнего в З¹/» £ за 1 т; Аррениус определяет себестоимость 1 kWh в 5 к. довоенного времени; Гибсон указывает стоимость установленного kW в 390 р. и считает солнечную энергию стбящей одинаково с энергией от паровой машины на угле при цене его в 6 р. за 1 т, а Ремшарт—при цене в 10 мар. за 1 т, что сильно отличается от указаний Аккермана. Из данных Аккермана следует, что установленный kW обошелся у Энеаса в 3 000 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 экономическ. выгодности тепловых солнечных установок, то, например, для Туркестана, при цене саксаула в 3 коп. за кг, 1 000 Cal от последнего обходятся в 1,3 коп., а от ячейковых поглотителей, при условии 8-летней амортизации затраченного капитала,—в 0,4 коп. при f°=120° и 0,3 коп. при t°=80°. Этих примеров достаточно, чтобы показать значение Г. не только для отдаленного будущего, но и для социалистического строительства настоящей эпохи.

Лит.: Вейиберг Б. И., Перспективы гелиотехники, «Вести, знания», h, 19-28, ·“; его ж е, Предпосылки к использованию солнечной анергии в СССР, «Плановое хозяйство», М1927, в,· его же, Уголь черный, красный, желтый, белый. Источники энергии п нх использование, стр. 71, Л., 1925; Бухман В., Самодельная солнечная кухня, «Климат и погода», Л., 1927, ί—6(14—14),стр. 159—160; Михельсон В. А., О динамич. отоплении, «Журн. прпкл. физ.», М.—Л., 1926,т.З, вып. 3—4; Аррениус С., Великая проблема энергии,«Паука и техника», М., 1922, 1; Гибсон А. Г., Природные источники энергии, пер,-под с апгл., стр. 45, Одесса. 1922; Пернет В., Мироздание в свете новых исследований, М.—Л., 1923; ВейнбергВ. Б., Исследование и возможное применение ячейкового поглотителя солнечной энергии в «Журя, прикл.фнз»., Москва—Ленинград, 1928; Abbot С. О., К о w 1 e F. E. а. А 1 d г i с h L. В., Utilization of Solar Energy, «Annals of 1he Astrophy-sical Observatory of the Smithsonian Institution», Wsh. 1922, v. 4, p. 306—318; Ackermann A. S. K., The Utilization of Solar Energy, ibidem, 1916, p. 141—146; A b b о t C. ft. Distribution of Energy over the Suns Disk, Washington, 1926; R e mschardt A., Son-nenkraftmaschinen, Zeitschrift d. VDI», 1926, B. 70, p 162; M onri n C h., Snr 1utilisation de la cha-leur solaire, «Recherches et Inventions», Paris. 1926, 7, p. 137, 286—293. Б. Вейнберг.