10493

51

В теплообменнике используются только биметаллические секции, чтобы повысить сопротивление коррозии от выделяющейся при конденсации угольной кислоты. Как следует из названия, в данных теплообменниках есть возможность понизить температуру уходящих газов ниже температуры точки росы (для уходящих газов температура точки росы находится в диапазоне от 55-65ºС), т.е. вызвать конденсацию водяных паров в уходящих газах, высвободив скрытую теплоту парообразования. Однако, чтобы конденсация происходила только в теплообменнике, а не в боровах (газоходах) или дымовой трубе, рекомендуется устанавливать обводную линию (байпас) и часть дымовых газов пропускать через нее, чтобы суммарная температура двух потоков уходящих газов была не ниже 70ºС. Конденсационные теплообменники могут устанавливаться и за водогрейными котлами (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Схема подключения теплообменника к водогрейным котлам КВГМ-20-150

Ввиду конструктивных особенностей секций КСк и их коррозионной

стойкости рекомендуется использовать данные теплообменники только за котлами, работающими на природном газе.

52

В качестве контактных теплообменников, которые также могут применяться в котельных, рассмотрим насадочный контактный утилизатор (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Контактный насадочный утилизатор. 1 – влагоуловитель; 2 – рабочий слой насадки из керамических колец; 3 – газоотводящие трубы; 4 – каскадный дегазатор; 5 – переливная труба с гидравлическим затвором; 6 – корпус экономайзера.

Холодная вода через водораспределитель равномерно распространяется по сечению контактной камеры. В качестве насадки в этом теплообменнике используются керамические кольца Рашига, которые были описаны выше. Стекая по кольцам в виде тонкой пленки, вода подогревается восходящим потоком продуктов сгорания и затем собирается в нижней части экономайзера. Для предотвращения выноса капель из контактной камеры, охлажденные уходящие газы проходят нерабочий слой колец, который служит влагоуловителем.

53

Контактный утилизатор обладает достаточно большими габаритами, однако, в отличие от конденсационного, он может быть установлен вместо хвостовой поверхности нагрева. Насадочные утилизаторы проходили испытания не только в котельных, но и в цехах, где температура уходящих газов от печей достигала 550 ºС и выше.

Насадка контактного экономайзера высотой 0,84 м (такой высота получается для теплоутилизатора, который нагревает воду до 65 ºС) создает аэродинамическое сопротивление 21 мм вод. ст., т.е. даже если первоначальное сопротивление дымососа составляет 50 мм вод. ст., 10 % запаса мощности будет недостаточно для преодоления аэродинамического сопротивления, следовательно необходимо произвести переподбор дымососа, в то время как конденсационный теплообменник (в большинстве случаев) создает меньшее аэродинамическое сопротивление и не требует переподбора дымососа.

Отдельным вопросом остается качество воды, полученное при непосредственном соприкосновении с продуктами сгорания природного газа, состоящими при полном сгорании из углекислого газа, водяных паров, азота и кислорода, а при наличии химического недожога также из окиси углерода, водорода и метана. В целом качество воды подогретой продуктами сгорания природного газа в контактных газовых экономайзерах, при обеспечении сгорания газа в топках подключенных к ним тепловых агрегатов без образования сажи и отсутствия технологического уноса вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к воде в системах производственного и бытового горячего водоснабжения. С другой стороны, качество воды, нагретой контактным способом, уступает качеству воды, нагретой поверхностным способом. Для устранения возможных коррозионных свойств воды рекомендуется производить ее деаэрацию в вакуумных или атмосферных деаэраторах.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Прежде чем перейти непосредственно к рассмотрению установок, нашедших широкое применение в области солнечной энергетики, следуют дать более под

54

робную характеристику этой звезде. Солнце это гигантский газовый шар, относящийся к классу звезд желтый карлик по спектральной классификации, с температурой поверхности 5778 К и радиусом 696000 км (рис. 5.16), состоящий по объему на 92% из водорода и гелия 7% (оставшийся 1% объема заполняют кислород, углерод, железо, неон, азот, кремний, магний, сера). Центральная часть Солнца (примерно 25% от радиуса) имеет температуру по различным данным порядка 15000000 К и называется ядром. Именно в ядре происходят реакции термоядерного синтеза (протон-протонный цикл) водорода в гелий-4 и полученные теплота и энергия, последовательно проходит через слои звезды до фотосферы (видимая поверхность солнца), где происходит излучение в виде солнечного света и кинетической энергии.

Рис. 5.16. Строение Солнца

С позиции возобновляемых источников энергии, Солнце является первоисточником большинства из рассматриваемых видов: непосредственно солнечная радиация, ветер (ветряная энергетика), теплота грунта (геотермальная

55

энергетика), энергия движения воды и т.д. Поэтому во избежание путаницы в дальнейшем под солнечной энергетикой будем понимать только энергию солнечного света, которая основана на преобразовании электромагнитного излучения в электрическую или тепловую энергию.

Облучение параллельным пучком лучей поверхностей, поступающих с направления солнечного диска, называют инсоляцией (от лат. in — « внутрь» + sōl — « солнце»). Инсоляция значительно изменяется при переходе от одной точки земной поверхности к другой.

Среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную площадку, составляет:

в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт× ч/м2;

вСредиземноморье - приблизительно 1700 кВт× ч/м2;

вбольшинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт× ч/м2.

Вращение Земли вокруг Солнца не имело бы столь большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. При этом в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и были бы лишь незначительные сезонные изменения инсоляции, обусловленные изменением расстояния до Солнца при движении нашей планеты по орбите. В реальности земная ось отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23°, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

В основе преобразования энергии солнечного излучения в электрическую лежит фотоэффект - процесс испускания электронов металлами под действием света. Этот процесс связан с физическим явлением электронно-дырочного перехода (p-n-перехо́д) — области соприкосновения двух полупроводников p-типа

электронный), в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Схема преобразования солнечной энергии в электрическую энергию

Конструктивно фотоэлемент состоит из двух пластин полупроводникового материала - кремния. Одна из используемых пластин содержит атомы бора, а вторая атомы мышьяка. При этом верхний слой характеризуется переизбытком электронов (область электронов), а нижняя – их нехваткой (так называемая дырочная область). Таким образом, на границе пластин поддерживается электронно-дырочный переход. В результате попадания на фотоэлемент солнечных лучей (фотонов) происходит освещение пластин и оба слоя взаимодействуют как электроды обыкновенной батареи – возникает Электродвижущая сила. Солнечный луч возбуждает электроны, которые начинают перемещаться из одной пластины в другую. Для снятия электрической энергии на обе поверхности напаивают тонкие слои проводника и подключают к нагрузке.

Кремний для производства солнечных электростанций может быть монокристаллическим или поликристаллическим. Внешне монокристаллический кремний можно отличить по равномерному чёрно-серому цвету поверхности

57

фотоэлемента. Этот вид материала выращивают в промышленных условиях, после чего специальной нитью разрезают на тонкие пластины. Второй тип представляет собой более современное поколение элементов, сделанных из более доступного поликристаллического кремния. Изготовление проходит методом литья. Выглядит материал как поверхность с неравномерным синим переливом (рис. 5.18, рис. 5.19).

Рис. 5.18. Пластины кремния: справа поликристаллический, слева монокристаллический.

Рис. 5.19. Собранная фотоэлектрическая установка на кровле здания.

58

Рис. 5.20. Поэлементный разбор солнечной панели.

Рис. 5.21. Схема преобразования энергии электромагнитного излучения солнечных лучей в электрическую.

Солнечные панели (рис. 5.20) являются источниками постоянного тока, а бытовые приборы в доме работают на переменном. Прежде чем осуществить это преобразование в инверт оре ток проходит через контроллер заряда (рис. 5.21),

59

который отключает нагрузку от аккумуляторных батарей, если они недопустимо разряжены, а также солнечную панель, если аккумуляторы полностью заряжены. В случае, если же аккумулятор заряжен, но через него продолжает протекать зарядный ток, то это может привести к закипанию электролита и бурному газовыделению (в случае с заливными батареями) или к вспучиванию и даже взрыву герметичных аккумуляторных батарей. В остальных случаях излишки полученного постоянного тока накапливаются в аккумуляторных батареях и расходуются по мере необходимости. Далее, постоянный ток преобразуется в переменный в инверторе, работающем при напряжении от 150 до 1000 Вольт. Затем полученный переменный ток с напряжением, как правило, 220 Вольт распределяется по бытовым приборам.

Конструкции солнечных панелей постоянно подвергаются модернизации, поскольку в среднем они имеют невысокий КПД в 23%, эффективность их работы зависит от погодных факторов (количества солнечных дней, выпадения осадков), они имеют достаточно высокую стоимость и длительный срок окупаемости.

Альтернативой кремниевым солнечным панелям, могут служить высокоэффективные солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ), работа которых организована на основе наногетероструктурных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и концентраторов солнечного излучения (линзы Френеля) (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Концентраторный фотоэлектрический модуль (0,5 м х 0,5 м) на основе 144 каскадных ФЭП и линз Френеля (разработка Физико-технического института им. А.И. Йоффе СанктПетербург)

60

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ

Тепловая энергия солнечного излучения может быть использована для нагрева теплоносителя (воды или воды с добавлением незамерзающих жидкостей, например этиленгликоля), который впоследствии используется для нужд горячего водоснабжения, отопления и.т.д.

Устройство для сбора теплоты от видимого солнечного света и его инфракрасного излучения называют солнечным коллектором (рис. 5.23).

Различают коллекторы плоского типа и вакуумного типа.

Плоский коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемый в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя.

Рис. 5.23. Схема плоского коллектора.

Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного