нок кремния или других полупроводниковых материалов, Преимущество фотоэлектрических преобразователе (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, и высокой надежностью и стабильностью. При этом cpoi^ их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффектов ным использованием как прямой, так и рассеянной сол нечной радиации. Модульный тип конструкции позволяет создавать установки практически любой мощности и далает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10—12 %),

Рис. 5. Солнечный элемент (о) и модуль (б) солнечной батарен:

а: / — кремний п-типа; J —кремний р-типа; 3 — пленка из дпоксида кремния 4 —электрод; б: / — пластинка из акриловой смолы; г —корпус; 3 —солиеч ный элемент; 4 — электрод; 5 — воздушный зазор

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством р — п соединения (рис. 5).

Стоимость кремниевых элементов в США снизилась с 1970 г. по 1985 г. с 60 до 8 тыс. долл/кВт пиковой мощности. Успешно ведутся работы в США, Японии, ФРГ и Франции по созданию, тонкопленочных солнечных элементов с удельной стоимостью 1000 долл/кВт. Ежегодный прирост сбыта солнечных батарей в мире составляет 35 % и в 1990 г. он должен достичь 500 МВт при стоимости 3000 долл/кВт. В настоящее время 25 % мирового лроизводства солнечных батарей приходится на Японию.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной ра-

диации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. Суммарная мощность солнечных ФЭП на основе аморфного кремния в 1985 г. составила 19 МВт. В США намечено строительство фотоэлектрической электростанции мощностью 100 МВт, причем для размещения солнечных батарей потребуется участок площадью 110 га. Ожидается, что КПД станции составит 23 %, а годовая выработка электроэнергии — 216 ГВт-ч. Для обеспечения конкурентоспособности фотоэлектрических станций по сравнению с ТЭС и АЭС их стоимость должна снизиться в 5—10 раз и достичь 300— 500 долл/кВт.

Есть все основания полагать, что для достижения" этой цели потребуется не так уж много времени. Наш оптимизм базируется на новейших достижениях в области разработки высокоэффективных солнечных элементов. Так, в 1989 г. фирмой «Боинг» (г. Сиэтл, США) создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антнмонида галлия — с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходя через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимонид галлия),в итоге КПД составляет 28%+9% =37%, что вполне сопоставимое КПД современных тепловых и атомных электростанций. По прогнозу через 3 года эти солнечные элементы найдут применение в космосе, а в течение 10 лет их стоимость снизится настолько, что станет вполне экономически обоснованным их применение в наземных системах, при этом себестоимость вырабатываемой энергии составит 0,1 долл/(кВт-ч).

Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснаб-

жения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, я также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

^-^ По прогнозам к 2010 г. суммарная мощность СЭС в мире должна достичь 128,5 млн. кВт, в том числе СЭС с термодинамическим преобразованием — 115 млн. кВт, с солнечными прудами — 3,5 млн. кВт и фотоэлектрическими установками — 10 млн. кВт. В дополнение к это-\ му предусматривается доведение мощностн ВЭУ до

\2,8 млн. кВт.

Себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии в 1987 г. составляла 0,68—1,37 долл. (солнечные батареи), 0,22— 0,57долл. (ВЭУ), по прогнозу в 1992 г. она снизится до 0,28—0,57 долл. (солнечные батареи), 0,07—0,12 долл. (СЭС и ВЭУ). Эти последние цифры не намного отличаются от аналогичных показателей для ТЭС и АЭС.

3. ПОЛУЧЕНИЕ ХОЛОДА С ПОМОЩЬЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

. Для этой цели используются парокомпрессионные и абсорбционные холодильные установки. Рассмотрим вкратце принцип их работы, а также принцип работы теплового насоса, который может применяться для охлаждения и отопления здания.

Парокомпрессионная холодильная установка, схема которой показана на рис. 6, состоит из испарителя, компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и соединительных трубопроводов. В качестве рабочего тела — хладагента — в основном используются фреоны И, 12, 22, 113, 114 и др.

I Он

О-

у ■

и

-А

Рис. 6. Схема парокомпресси-ониой холодильной установки:

1 — испаритель; 2 — компрессор: 3 — конденсатор; 4 — дроссельный вентиль

Цикл холодильной установки осуществляется следующим образом. В результате подвода теплоты в испарителе хладагент испаряется при низкой температуре и соответствующем низком давлении. Образующиеся пары хладагента сжимаются в компрессоре, для чего затрачивается работа L^. При отводе теплоты Qk в конденсаторе пары охлаждаются н коидепсируются при более высоких (по сравнению с испарителем) температуре и давлении. При прохождении Хладагента через дроссельный вентиль его давление и температура понижаются до уровня давления и температуры в испарителе и часть хладагента испаряется без подвода теплоты извне. Эффективность цикла холодильной установки определяется отношением хо-лодопроизводптельности к работе in, затраченной на сжатие пара хладагента в Ko.vfnpeccope: e = Q„/LK.

Цикл осуществляется в диапазоне температур в испарителе Тя и конденсаторе 7"„, а максимально возможный холодильный коэффициент, соответствующий идеальному циклу Карно, равен е= = Г„/(7,Л-„).

Холодильный коэффициент £ = 2-^-4 п увеличивается прн уменьшении разности температур в конденсаторе и испарителе.

Абсорбционная холодильная установка. Для производства холода в абсорбционной установке используется теплота, а рабочим телом служит бинарная смесь хладагента и абсорбента. Абсорбент — эта такая жидкость, которая химически связывается хладагентом при низких температурах и отделяется от него при высоких температурах. Обычно используются такие смеси: вода (хладагент) — бромистый литий (абсорбент) и аммиак (хладагент) — вода (абсорбент).

Принцип работы бромисто-литиевой абсорбционной холодильнай установки поясняется с помощью рис. 7. Устаиовка состоит яз геие-

Рис. 7. Схема абсорбционной холодильной установки:

1 — генератор; 2 — конденсатор; 3 —испаритель; 4 —абсорбер: S — насос; 6 — теплообменник; 7, 8 — дроссельные вентили

Or

ратора, конденсатора, испарителя, абсорбера,насоса, теплообменника, дроссельных вентилей. Как видим, компрессор отсутствует, а давление повышается вначале при растворении хладагента в слабом растворе в абсорбере, а затем насосом. Цикл начинается с выпаривания воды из крепкого раствора и перегрева образующегося водяного пара в генераторе, куда подводится теплота от солнечного коллектора. Температура в генераторе равна 77—99 С, Пар из генератора поступает в конденсатор, где он охлаждается приблизительно

до 37---40°С водой из градирни и превращается в жидкость, которая затем вновь частично испаряется при расширении в дроссельном вентиле 7. Полное испарение воды происходит в испарителе при низком давлении и температуре 4 °С, при этом от воздуха в помещении (плн воды) отводится теплота, необходимая для испарения хладагента. Пар низкого давления поступает в абсорбер, где он поглощается слабым раствором, давая крепкий раствор, который насосом подается через теплообменник в генератор. В цикле теплота от рабочего тела отводится в конденсаторе (Qk) и абсорбере (Qa), а подводится в генераторе (Qr) и испарителе (Си).

Коэффициент преобразования энергии дли абсорбционной холодильной установки равен отношению холодопроизводительности Qa к количеству теплоты, подведенной в генераторе, Qr: (f = QJQr. Типичные значения этого коэффициента для бромнсто-литиевой установки 0,6—0,8, а для водоаммиачной — 0,4—0,6. Эти цифры в 5— 7 раз ниже, чем для парокомпрессионной установки с электроприводом, но если учесть КПД преобразования тепловой энегии в электрическую, который составляет 0,33, а также потерн энергии в сети, то разница становится значительно меньше.

Тепловой насос — это как бы холодильная установка наоборот. Он состит из тех же элементов, что и холодильная установка, только работает в другом температурном режиме и предназначен для отопления зданий за счет использования теплоты окружающей среды (воздуха, воды, грунта, солнечной энергии) и тепловых отходов. Тепловой насос может использоваться для отопления зданий зимой и их охлаждения летом. Существуют парокомпрессионпые и абсорбционные тепловые насосы. Аналогично холодильной установке парокомпрессионный тепловой насос включает испаритель, компрессор, конденсатор и дроссельный вентиль. Цикл работы теплового насоса осуществляется в диапазоне температур рабочего тела в испарителе и конденсаторе. Баланс энергип паро-компрессионного теплового насоса записывается, в виде уравнения 9к = 9п+4!, где — количество теплоты, отводимой в конденсаторе, кДж/кг; — количество теплоты, подводимой в испарителе, кДж/кг; /« — работа сжатия хладагента в компрессоре. Эффективность установки в случае, когда тепловой насос используется для отопления здания, характеризуется тепловым (отопительным) коэффициентом или коэффициентом преобразования энергии ф = ^/к.

Максимальную эффективность имеют теплонасосная и холодильная установки, работающие по обратному циклу Карно в диапазоне температур в испарителе Ги и конденсаторе Т^. При этом щ=т{Т^—Т^) и е„=7и/

Нч—7и). 24

В парокомпрессионном тепловом насосе в качестве источника теплоты, подводимой к рабочему телу испарителя, может использоваться грунтовая вода или вода нз реки, моря, озера, влажная почва, наружный возду.х, солнечная радиация. Подвод и отвод теплоты осущестн-ляются посредством циркулирующего теплоносителя — воды или воздуха.

В зависимости от источника теплоты и теплоотво-дящей среды различают тепловые насосы типа вода — вода, грунт — вода, воздух — вода, вода — воздух, грунт — воздух и воздух — воздух. Наиболее пригодны для систем отопления первые три типа, а для охлаждения — остальные.

Для работы теплового насоса в режимах отопления и охлаждения необходимо иметь специальный дроссельный вентиль и четырехходовой клапан, обеспечивающий изменение направления движения хладагента па противоположное. Тот теплообменник, который был испарителем в релсиме отопления, становится конденсатором в режиме охлаждения и наоборот.

Бакинский завод «Кондиционер» выпускает тепловые насосы типа воздух — воздух, пригодные для отопления жилых и общественных зданий.

Глававторая

СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ И АККУМУЛЯТОРЫ^ ТЕПЛОТЫ

4. ТИПЫ КОЛЛЕКТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии,ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теп-лоносителя. Различают два типа солнечных коллекторов — плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принци-