Характеристика солнечной радиации. Термодинамическое преобразование солнечного излучения

Количество лучистой энергии Солнца во всем диапазоне длин волн, получаемой в единицу времени единичной площадкой, перпендикулярной солнечным лучам, вне земной атмосферы на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца, называется солнечной постоянной. Значение солнечной постоянной, полученное в результате прямых измерений с космических аппаратов и рекомендованное NASA в качестве стандартной

1о= 1353 Вт/м2▒ 1,5%.

аЭто значение используется до настоящего времени в гелиотехнике. В последние годы появились работы, в которых предлагается уточненное значение солнечной постоянной, равное 1373 Вт/мг+1,2%. Поскольку расстояние между Землей и Солнцем претерпевает сезонные изменения, интенсивность солнечной радиации, падающей на единичную площадку, также не остается постоянной.

Доля энергии солнечного излучения, приходящаяся на интервал длин волн от 0 до X (fo-X), приведена в таблице 1, из которой видно, что почти вся энергия, излучаемая Солнцем, приходится на узкий диапазон длин волн в видимой и ближней ИК-области (в диапазоне 0,24-4 мкм заключено 98% энергии излучения).

При прохождении через атмосферу солнечное излучение ослабляется за счет процессов поглощения и рассеяния. Это ослабление зависит от длины пути солнечных лучей в атмосфере, которая называется массой атмосферы. Масса атмосферы т=1, когда длина пути отсчитана от уровня моря по вертикали (положение Солнца в зените). При зенитном угле 0z (угол между вертикалью и направлением на Солнце) масса атмосферы m=sec9z.

Поглощение солнечной радиации атмосферой обусловлено в основном присутствием в ней озона, водяных паров и ССЬ. Озон почти полностью поглощает излучение в ультрафиолетовой части спектра до 0,29 мкм, - поглощает до 0,35 мкм и не поглощает в остальной части спектра за исключением узкой зоны длин волн вблизи 0,6 мкм. Водяные пары и СОг вызывают появление достаточно широких зон поглощения в ближней ИК-области.

Полученные при прямых измерениях данные по солнечной радиации обрабатываются и представляются в табличной или графической форме.

Угол падения солнечных лучей в на рассматриваемую плоскость в заданный момент времени может быть вычислен с помощью следующего соотношения:

cos9 = sin5 Х siny ■ cosp - sin5 Х coscp Х sinp Х cosy+cosS ■ coscp Х cosp Х cosco +

cosS; sincp Х sinp Х cosy - cosco + cos5 ■ sinp ■ siny ■ sinй,ааааааааааа (2)

где (р - широта местности;

5 - склонение (угловое положение Солнца в солнечный полдень относительно плоскости экватора);

Р - угол между рассматриваемой плоскостью и горизонтальной плоскостью;

у - азимутальный угол (угол между проекцией нормали к рассматриваемой плоскости и местным меридианом);

со - часовой угол (отсчитанный от солнечного полдня, угловое смещение Солнца относительно местного меридиана, обусловленное вращением Земли и соответствующее 15░ в час).

При отсчете углов соблюдаются следующие правила:

значения <р и б положительны для северного полушария и отрицательны для южного; у отсчитывается от южного направления и имеет положительный знак при отклонении к востоку и отрицательный - при от-клонении к западу; ш равняется нулю в солнечный полдень до полудня имеет отрицательные значения, после полудня - положительные. Склонение б определяется по формуле:

6 = 23,45-sin (360хaft*) ,аааааа (з)

где п - порядковый номер дня года.

Часто из литературных источников известны данные по солнечной радиации, приходящейся на горизонтальную поверхность, а при расчете гелиотехнического оборудования обычно нужны данные по солнечной радиации, приходящейся на наклонную поверхность.

Если известной величиной является среднемесячный дневной приход

суммарнойааа радиацииааа наааа горизонтальнуюааа поверхностьааа Н,ааа то среднемесячный дневной приход суммарной радиации на наклонную

поверхность Нт может быть рассчитан по формуле:

где R - коэффициент зависящий от широты местности q>, угла наклона к горизонту р и показателя облачности Кт. Показатель облачности Кт определяется через среднемесячный дневной приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы Но.

з2. Термодинамическое преобразование солнечного излучения

Компоненты термодинамического преобразования солнечного излучения.

Преобразование солнечного излучения в механическую или электроэнергию не является современным изобретением. Первая машина, качавшая воду под давлением расширяющегося воздуха,, нагретого солнцем, была разработана в 1615 г. во Франции. Аналогичная установка, приводившая в действие печатный станок, демонстрировалась на выставке в Париже в 1879 г. До 1950 г, действовало довольно много машин, работавших на солнечной энергии, мощностью от нескольких ватт до 50 кВт. В большинстве моделей концентрирующие коллекторы использовались для нагрева воды или воздуха до температур порядка нескольких сот градусов. Полученный пар или нагретый воздух применялись затем для совершения механической работы по термодинамическому циклу.

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получать электричество практически так же, как и из других источников. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы изменения тепловых режимов не вносили серьезных ограничений в работу системы и не возникало затруднений, связанных с ее использованием. Желательно также, чтобы система допускала изменение производства электроэнергии во времени в соответствии с необходимостью потребления. Следовательно, подобная система должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций важно правильно оценивать метеорологические факторы. Часто место постройки выбирается исходя лишь из одного критерия: годового числа часов солнечного сияния, при этом нередко пренебрегают другим фактором - облачностью.

Термодинамический преобразователь солнечной энергии должен содержать следующие компоненты:

а)аааааааа систему улавливания падающей радиации;

б)аааааааа приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю;

в)аааааааа систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее тело;

г)аааааааа тепловой аккумулятор;

д)аааааааа теплообменники, образующие горячий и холодный источники тепловой машины.

Конструкции термопреобразователей

Возможны две принципиальные схемы. В первой (рис.10,а) в приемнике нагревается теплоноситель, в связи с чем обеспечивается тепловая загрузка аккумулятора. При этом рабочее тело нагревается от аккумулятора, который сглаживает изменения в поступлении солнечной радиации. Таким образом4-, аккумулятор постоянно играет роль буфера, а связь системы "приемник -аккумулятор" с тепловой машиной осуществляется с помощью по меньшей мере одного теплообменника.

Во-второй схеме в приемнике непосредсвенно нагревается рабочее тело. Зарядка аккумулятора осуществляется путем отвода части нагретого тела, а связь с тепловой машиной происходит без промежуточных устройств. В первой схеме по сравнению со второй имеет место в среднем большее снижение температурного напора, т.е. разность температур между нагревателем и холодильником тепловой машины. Во второй схеме тепло теряется лишь при аккумулировании и возврате. Однако в первом случае тепловая машина и ее вспомогательные устройства не подвержены случайным колебаниям температуры даже при отсутствии системыаа регулирования.аа Кроме

того, во многих случаях теплоноситель сам играет роль теплового аккумулятора.

Системы улавливания солнечной радиации

Системы улавливания солнечной радиации обеспечивают разные степени концентрации (рис.9).

Малая степень концентрации (порядка 100) получается при использовании отражающих поверхностей, концентрирующих энергию при любом направлении прихода солнечных лучей. Наблюдение за Солнцем осуществляется в этом случае с помощью упрощенной системы управления. К устройствам такого типа относятся пораболоцилиндрические отражатели, ось которых либо горизонтальна, либо перпендикулярна плоскости движения Солнца. Управляется такая установка только в соответствии с изменением положения Солнца на небосводе в течение дня. Изменение положения Солнца в течение года при этбм не учитывается, и принимаются меры лишь к тому, чтобы фокальное изображение не выходило за пределы поверхности приемника концентрированного излучения.

Средняя степень концентрации (порядка 1000) получается при использовании фокусирующих гелиостатов, управляемых по двум вращательным степеням свободы. Таким гелиостатом может быть зеркало в форме пораболоида вращения, ось которого ориентируется на Солнце.

Высокая степень концентрации осуществляется единичной оптической системой (плоские гелиостаты и пораболоидный отражатель). Она позволяет достичь весьма высоких температур.

Сконцентрированное солнечное излучение поглощается поверхностью приемника и преобразуется в тепло. Чтобы снизить потери тепла, связанные с излучением нагретым приемником в тепловой области спектра, поверхность приемника покрывают тонкой пленкой из селективно поглощающих материалов. Это позволяет значительно повысить КПД системы.

Аккумуляторы энергии

Поскольку сопнечнад радиация поступает на поверхность Земли периодически и достаточно случайно, солнечная энергетическая станция с термодинамическим циклом должна иметь устройство для аккумулирования энергии. При разработке таких устройств необходимо выяснить, как появление дополнительных установок повлияет на общую стоимость вырабатываемой энергии и т.п. Аккумулирование может быть кратковременным, на 1-2 ч. в период облачности, для предотвращения колебаний тепловой нагрузки станции и сглаживания резких изменений выходной мощности. Необходимо также аккумулировать энергию в течение дня для выработки ее в темное время суток, а также в часы пиковых нагрузок. В случае увеличения стоимости энергии в часы пик аккумулирование может снизить затраты на создание аккумулирующей системы. Кроме того, необходимо также сезонное аккумулирование для обеспечения энергией потребителей в периоды длительного и неблагоприятного сезона за счет энергии, запасенной во время поступления солнечной радиации.

Аккумуляторы тепла

В настоящее время накопление энергии осуществляется за счет аккумулирования тепла.

Тепловой аккумулятор - дорогостоящий элемент. В зависимости от температуры системы аккумулирования энергии обычно подразделяют на низкотемпературные (до 100░С), среднетемпературные (от 100 до 550░С) и высокотемпературные (> 550░С).

Низкотемпературные аккумуляторы, в частности водяные, нашли широкое применение в гелиотехнике для отопления зданий и горячего водоснабжения. Для низкотемпературного аккумулирования используют также обратимые реакции гидратации и сольватации солей и кислот, а также процессы фазового перехода. Для этих целей в качестве теплоакку-мулирующих веществ используют парафины и эмульсии, состоящие из парафина и воды. Скрытая теплота плавления парафина порядка 44 кал/г, а температура плавления 35-50░С.

Новый тип систем термохимического аккумулирования "Тегаадус" разрабатывается в Швеции. В этой установке используется процесс выделения тепла при гидротации сульфида натрии.

Для среднетемпературного' аккумулирования, а также в качестве теплоносителя используют соли и их эвтектики, характеризующиеся температурой плавления в несколько сот градусов и большой величиной скрытой теплоты фазового перехода.

Весьма перспективны для среднетемпературного аккумулирования гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Использование процессов аккумулирования реакций гидратации оксидов отличается целым рядом достоинств.Это высокая плотность запасаемой энергии, простое долгосрочное аккумулирование при температуре окружающей среды, компактность твердого энергоаккумулирующего вещества, низкая его стоимость, получение достаточно высокопотенциального тепла на стадии гидратации.

Высокотемпературное аккумулирование осуществляется с помощью обратимых экзоэндотермических реакций. При этом реакции можно разделить на две группы: реакции каталитического разложения, продукты которых можно не разделять и хранить вместе, и реакции, протекающие без катализаторов, продукты которьа должны быть разделены при'температуре солнечного приемника, чтобы предотвратить обратную реакцию.

Выбор типа термодинамического цикла и природы рабочего тела определяется областью рабочих температур теплового двигателя, т.е. характеристики системы концентрации, аккумулятора и параметров цикла тесно взаимосвязаны. В солнечных установках с концентрацией предпочтение отдается пароводяным циклам.

Два типа солнечных установок

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу. Первый - использование небольших централизованных станций для отдаленных, районов. Второй - создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков МВт, рассчитанных на работу в центральной электросети (рис. 11-14). В установках на несколько десятков МВт использовать устройство для промежуточного прогрева пара невыгодно, поскольку его стоимость не окупается приростом мощности. Здесь предлагается использовать два типа двигателей. Дла солнечных станций, включенных в энергосеть, наиболее подходящими являются турбины, хотя их диапазон рабочих режимов довольно узок и сложны конструкции.

аДля автоматических станций с переменной нагрузкой могут оказаться более эффективными поршневые двигатели, область рабочих режимов которых более широка.

Тип цикла и природа рабочего тела определяются областью рабочих температур теплового двигателя. Это предполагает в первую очередь взаимосвязь между характеристиками системы концентрации, аккумулятора и параметрами цикла. Идеальным рабочим телом с этой точки зрения является вода, но для работы с ней температура горячего источника должна быть 200-500░ С.

Чтобы добиться таких температур, необходимо на приемнике получить 500-кратную концентрацию солнечной радиации, а с учетом потерь на излучение и конвекцию требуется концентрация вдвое больше. Такие значения практически невозможно обеспечить с помощью линейных концентраторов, поэтому разрабатываются концентрирующие устройства, фокусирующие радиацию в точку приемника.

аУказанные выше трудности разрешаются, если вместо 10-20 тыс. приемников сделать один, аналогичный по своим параметрам и размерам паровому котлу обычного типа, и поднять его над поверхностью Земли.

В случае гелиостанции башенного типа (рис. 15-17) все параболоиды заменяются практически плоскими отражателями тех же размеров. Каждый гелиостат отражает" солнце " на элемент поверхности центрального приемника, т.е. энергия передается к приемнику оптическим способом вместо транспортной сети паропроводов, требуемой в случае применения системы с рассредоточеннымиаааа коллекторами.

Стоимость гелиостатов составляет около 80% стоимости станции, поэтому в настоящее

время основное внимание обращается на конструктивную разработку гелиостатов для облегчения их изготовления при массовом производстве.

аУправлять гелиостатами можно двумя способами: с помощью оптической системы и с использованием вычисленных координат. Требуемая точность фокусировки на приемник составляет 10"3 рад. При использовании координат управление осуществляется с помощью вычислительной машины. Скорость видимого движения Солнца составляет 207с. За 6 с оно перемещается более чем на 2

и гелиостат должен повернуться на Г, чтобы сохранить постоянным направление отраженных лучей. Каждые 6 с требуется определить новое положение каждого гелиостата. Это можно эффективно осуществить лишь централизованным путем для всех гелиостатов. Такой способ управления позволяет следить за Солнцем даже при пасмурной погоде.

Поскольку стоимость гелиостатов составляет до. 80% всей стоимости подсистемы сбора солнечной энергии, то основные усилия при их разработке направлены на снижение затрат при сохранении требуемых эксплуатационных качеств. Основная задача состоит в создании максимально экономичных гелиостатов и последующим размещении их в поле отражения таким образом, чтобы свести к минимуму стоимость энергии, обеспечиваемой системой сбора.

Примером рассматриваемой установки может служить станция мощностью 10 МВт, построенная в северо-западной части Мексики, вблизи города Эрмосильо. Это засушливый район, где Солнце регулярно светит в течение 95% светлого времени года. Здесь также наблюдается высокая плотность солнечной радиации, достигающая 0,8 - 0,95 кВт/м2 в среднем за солнечный день, который длится 10-13 ч. В районе постоянная нехватка воды, и следовательно, вода стоит дорого, поэтому в качестве рабочего тела для станции был выбран воздух как наиболее дешевый и доступный теплоноситель.

Стоимость 1 кВт установленной мощности для такой станции составляет 1800 долл., тогда как для обычных топливных станций 200-300 долл.

Преимущество станций башенного типа заключается в том, что не нужно осуществлять транспортировку рабочей жидкости на большие расстояния от приемника до турбины, однако в них система сбора солнечной радиации оказывается дорогой и недостаточно эффективной. Из-за погрешностей в слежении, возможных при наличии большого количества гелиостатов, действительный коэффициент концентрации у термоэлектрогенератора часто составляет 1/3 расчетного.

Как показывает опыт, более перспективными оказываются станции с распределенным приемником энергии. В этих станциях концентраторы, представляющие собой параболоцилиндрические отражатели, вращаются вокруг одной оси и имеют трубчатые приемники, совмещенные с фокальной линией (рис. 17). Вращение по одной оси позволяет существенно уменьшить стоимость концентратора при уменьшении количества получаемой энергии всего на 5% по сравнению с системой слежения, использующей вращение вокруг двух осей.

Первой станцией данного типа, стоимость электроэнергии которой сравнима со стоимостью тепловых станций, стала станция, построенная американской фирмой "Луз", основанной в 1979 г. В 1985 г. этой фирмой построена солнечная электростанция в калифорнийской пустыне Мохаве, которая занимает 340 га. Еще на рассвете компьютерная система начинает ориентировать 540 тысяч параболоцилиндрических зеркал, чтобы они могли улавливать свет. Расположенные рядом зеркала поворачиваются за солнцем с восхода до заката. Они фокусируют солнечные лучи и направляют их на тонкую трубу из нержавеющей стали с черным покрытием. По трубе протекает синтетическое масло, которое нагревается до 390░ С. Перегретое масло поступает в теплообменники, где отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, который приводит в действие турбогенератор, обычного типа, вырабатывающий электроэнергию.

Система сбора солнечной радиации

Система сбора солнечной радиации станции "Луз" высокоэффективна.

Слежение производится по одной координате вдоль оси, направленной с севера на юг с помощью простой гидродинамической системы. Приемником является нержавеющая труба с селективным покрытием. Приемник заключен в стеклянную трубку, в которой создается вакуум, что обеспечивает уменьшение конвекционных потерь.

Солнечныеааа электрические

станции, сооружаемые компанией "Луз", имеют важную особенность: они используют в работе природный газ для компенсации изменения поступления солнечной радиации, т.е. являются гибридными станциями.

Режимы работы станции в летний и зимний день приведены на рис.18. Годичное распределение электроэнергии, производимой с помощью солнечной радиации и газа для станции мощностью 80 МВт, представлено на рис.19. Как видно из рисунка, 2/3 элекроэнергии станции производится с использованием солнечной радиации.

Первая из пяти новых установок мощностью 80 МВт начала работать в 1989 году и 1 кВт-ч электроэнергии стоил 24 цента. Новые установки стоят около 1 млрд. долл. и вырабатывают электроэнергию стоимостью меньше 8 центов за кВат/ч.

Солнечные станции "Луз" обеспечивают дополнительную электроэнергию при пиковых нагрузках, особенно летом, когда потребность в элекричестве большая.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллекор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет солнечной энергии. Область применения плоских солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом. Основными элементами плоского солнечного коллектора (рис.20) являются:

поверхность, нагревающаяся заааааа

счет поглощения солнечной радиации и передающая теплоту рабочему телу; стекло, подавляющее потери теплоты за счет излучения; тепловая изоляция и корпус.

В том случае, если угол падения лучей отличается от прямого╗ вводится поправочный коэффициент К, учитывающий увеличение потерь на отражение от стекла и поверхности, поглощающей солнечную радиацию:

К = та /(та)п ,

где та относится к произвольному углу падения лучей.

7 стекла '

Оптический КПД с учетом угла падения лучей, отличного от прямого,

(2)

о= К(та)п

9,9ааа т,а

Кроме этих потерь, в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду QHOT, которые учитываются его тепловым КПД. Тепловой КПД равен отношению количества полезной теплоты <3пол, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии, поступающей к нему от Солнца за то же время

Тепловой КПД коллектора может быть записан также через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:

где Тт = (Тих + Твих)/2 - средняя температура теплоносителя; F' - параметр, обычно называемый " эффективностью коллектора" и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечное излучение, к теплоносителю; зависит от конструкции коллектора и имеет значение, слабо зависящее от других факторов; типичные значения параметра F'; 0,8 - 0,9 - для плоских воздушных коллекторов; 0,9 - 0,95 -для плоских жидкостных коллекторов; 0,95 - 1,0 - для вакуумных коллекторов.

Плоские солнечные коллекторы имеют при повышенных температурах сравнительно большой полный коэффициент потерь и низкий тепловой КПД. В силу этого обычно их используют в системах, где уровень нагрева теплоносителя не превышает 50 - 80░С. В том случае, если необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет практически полностью устранить потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции.

Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до более высоких температур (120 - 150 ░С), чем в плоском коллекторе. На рис.23 показаны примеры конструктивного выполнения вакуумных коллекторов.

Селективные покрытия

Эффективность работы гелиоэнергетических установок во многом зависит от оптических свойств поверхности, поглощающей солнечное излучение. Для сведения к минимуму потерь энергии необходимо, чтобы в видимой и ближней инфракрасных областях солнечного спектра коэффициент поглощения этой поверхности был как можно ближе к единице, а в области длин волн собственного теплового излучения поверхности к единице должен, стремиться коэффициент отражения.

Наибольшее распространение 40(6) и юо░С(в). получили двухслойныеа селективные покрытия. На поверхность, которой необходимо придать селективные свойства, наносится слой с большим коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например медь, никель, молибден, серебро, алюминий. Поверх этого слоя наносится слой прозрачной длинноволновой области, но имеющий высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней ИК-областях спектра. Такими свойствами обладают многие окислы. Простейший пример получения двухслойной селективной поверхности - окисление поверхности металла. Двухслойная селективная поверхность возможна также в "обратном" варианте, когда названные выше слои располагаются в обратном порядке: слой, отражающий длинноволновое излучение, - сверху, а слой, поглощающий видимую и ближнюю ИК-области спектра, - снизу. В этом случае верхний слой для видимой части спектра должен быть прозрачен (например SnCh, 1пгОз).

Селективность поверхности может быть обеспечена за счет чисто геометрических факторов: неровности поверхности должны быть больше длины волны света в видимой и ближней ИК- областях спектра и меньше длины волны, соответствующей собственному излучению поверхности. Такая поверхность для первой из указанных областей спектра будет черной, а для второй - зеркальной.

Селективными свойствами обладают поверхности с дендритной или пористой структурой при соответствующих размерах дендритных игл или пор.

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое - свободно отражается.

Системы солнечного теплоснабжения.

Нагретый в коллекторе теплоноситель может быть использован в системах отопления, горячего водоснабжения и для технических нужд. На рис.25 показаны примеры систем солнечного горячего водоснабжения.

Схема рис. 25, а работает по принципу термосифона. Бак с водой в этом случае располагается выще коллектора. Нагретая вода поступает в верхнюю часть бака, а ее место занимает холодная вода из его нижней части. Системы горячего водоснабжения с использованием термосифонного эффекта являются простыми (нет насоса и системы регулирования) и потому получили наиболее широкое распространение.

В схеме рис. 25,6 предусмотрена принудительная циркуляция воды в контуре с помощью насоса. Насос включается автоматически, как только разность температур в верхней части коллектора и в нижней части бака достигает заданного значения. Бак в этой схеме может располагаться ниже коллекторов.

Если система рассчитана на работу в условиях отрицательных температур, используют двухконтурную схему с антифризом в первом контуре.

Передача теплоты от антифриза к воде может Осуществляться либо в аккумуляторном баке (рис. 25,в), либо в отдельном промежуточном теплообменнике (рис. 25,г).

Как правило, в системах горячего водоснабжения предусматривается вспомогательный источник теплоты (электрический или топливный), который либо встраивается в аккумуляторный бак, либо устанавливается на линии, идущей к нагрузке.

В принципе система теплоснабжения может быть спроектирована таким образом, чтобы полностью удовлетворять потребности в теплоте за счет Солнца, Однако экономически такой вариант, как правило, оказывается неоправданным, так как в летний период дорогостоящее гелио-оборудование оказывается сильно недогруженным.

На основе детального математического моделирования установлена корреляция между долгосрочными характеристиками системы и безразмерными параметрами. Эта корреляция положена в основу так называемого f- метода расчета, позволяющего оценить долю f общей тепловой нагрузки, которую целесообразно возложить на солнечную систему теплоснабжения.

Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения (ФЭП)

Принцип действия и характеристики ФЭП

Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 20-25%.

Механизм преобразования солнечного света в электричество отличается от других способов получения электричества. Особенности этого метода определяют возможности и перспективы его использования в широких масштабах.

При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения. В индукционном методе для получения электричества используют свободные заряды металлических проводников, а их разделение осуществляется в результате перемещения проводников в магнитном поле.

В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника ср светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. До недавнего времени практически все фотоэлементы изготовлялись из кристаллического кремния, однако сейчас все более широкое применение находят и другие материалы.

Явление фотоэффекта основано на преобразовании световой энергии (энергии электромагнитного излучения) в электрическую. Различают три вида фотоэффекта:

1)аааааааа внешний Ц вырывание электронов из поверхности тел под действием света;

2)аааааааа внутренний Ц изменение электропроводимостиа полупроводников иааааааа диэлектриков под действием света;

3)аааааааа запирающегося слоя - возбуждение элекродвижущей силы на границе между проводником и светбчувствительным полупроводником.

Для целей преобразования энергии электромагнитного излучения практически может быть применен только фотоэффект запирающегося слоя (фотоэффект на р-n переходе).

аЭлекронно-дырочньш переход или р-n переход представляет собой некоторую область между двумя частями вещества с разным типом проводимости. В изолированном от внешних воздействий (света и теплоты) образце в этой переходной зоне возникает взаимная диффузия избыточных носителей тока, приводящая к образованию двойного электрического слоя объемных зарядов - контактного электрического поля, напряженность которого направлена от области n-типа к области р-типа.

Поток основных носителей заряда через р-n переход представляет собой диффузионный ток 1д , поток неосновных носителей - дрейфовый ток L. При равновесии токи 1Д и I* по абсолютной величине равны и результирующий ток через р-n переход равен нулю.

Приложение к р-n переходу положительного потенциала (U>0, прямое смещение) приводит к изменению взаимного расположения уровней Ферми (рис.27,6), уменьшению потенциального барьера, росту диффузионного тока (дрейфрвый ток остается неизменным). Результирующий ток через р-n переход носит название прямого тока. Если U<0 (обратное смещение), то барьер увеличивается (рис.27,в), диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток остается неизменным. Результирующий ток называется обратным током. Уравнение вольт-амперной характеристики (ВАХ) р-n перехода в этом случае имеет вид:

I = Is(2eлu/kT-l),аааааааа (2)

где U - внешнее напряжение, приложенное к р-n переходу, с учетом знака; Ь - значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.

Когда монохроматическое излучение с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны, падает на полупроводник вблизи р-п перехода, в нем образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к возникновению дополнительной разности потенциалов (рис. 27,г), что в свою очередь вызывает эффект прямого смещения и увеличения тока основных носителей.

Если внешняя цепь разомкнута, то устанавливается динамическое равновесие первичного светового тока избыточных неосновных носителей La, созданных квантами света, и тока, обратного ему по направлению, обусловленного накоплением пространственных зарядов. Результирующая разность потенциалов представляет собой фото-ЭДС. При подключении внешней нагрузки происходит ответвление тока во внешнюю цепь. Суммарный ток по-прежнему будет равен световому. Поскольку направление фото-ЭДС и контактной разности потенциалов противоположно, ток 1н во внешней цепи будет равен;

Материалы фотоэлементов

Оптимальными материалами для солнечных ФЭП являются соединения AmBv и в первую очередь арсенид галлия (GaAS). Разработка высокоэффективных ФЭП на основе материалов с широким диапазоном изменения АЕ0 позволит на практике перейти к использованию сочетаний различных типов ФЭП и реализации идей сложных, например гетерогенных и каскадных, фотоэлектрических устройств, позволяющих использовать весь спектр солнечного излучения.

Рис. 29. Зависимость эффективности ФЭП от ширины запрещенной зоны полупроводника при различных значениях температуры

Предельный КПД солнечного элемента логарифмически растет при увеличении интенсивности освещения, что определяется соответствующим ростом фотоэдс Это определяет интерес к использованию для ФЭП солнечного излучения, концентрированного более чем в 1000 раз. Однако при этом возникает проблема, обусловленная резким возрастанием токов в ФЭП и соответствующим возрастанием потерь мощности на внутреннем сопротивлении.

Внедрение солнечных ФЭП с концентраторами в практику во многом зависит от разработки дешевых и простых систем слежения за Солнцем, а также от разработки недорогих концентраторов, стабильных при длительной эксплуатации в неблагоприятных климатических условиях, что является сложной технической задачей.

В качестве отражающего покрытия солнечных концентратов используется, как правило, алюминий, который имеет наиболее высокий интегральный коэффициент отражения в диапазоне волн солнечного спектра, хотя в некоторых случаях применяется и серебро.

Для защиты отражающего покрытия от внешних воздействий на него наносят пленки SiO, SiO?, S12O3, AI2O3 и др. При выборе защитного покрытия должны учитываться спектральные характеристики преобразователя солнечной энергии, так как, например, пленки из SiO и SJ2O3 значительно снижают отражательную способность зеркал в коротковолновой области спектральной чувствительности солнечных элементов.

Для пленочных космических концентраторов используются металлизированные полимерные пленки различного химического состава. По совокупности свойств наиболее подходящим и в космических конструкциях являются пленки из майлара и каптона.

Возможности эффективного применения на космических аппаратах (КА) концентраторов в значительной степени определяются их способностью длительное время работать в условиях космической среды, сохраняя высокие оптико-энергетические характеристики.

За двадцать лет промышленного использования в основном в качестве бортовых источников для космических аппаратов ФЭП получили достаточно широкое развитие. Для наиболее освоенного типа кремниевых ФЭП достигнутые в эксплуатации значения КПД составляют около 15%. ФЭП на базе GaAS в лабораторных условиях показали КПД до 20%. Однако сегодня ФЭП все еще очень дороги.

В последнее время для изготовления фотоэлементов стало возможным использование ряда новых материалов. Один из наиболее перспективных - аморфный кремний, который в отличие от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Таким образом, по поглощательной способности этот материал значительно превосходит кристаллический кремний. Для нужд полупроводниковой энергетики его можно использовать в виде тонких, толщиной около 0,5 мкм, пленок. Поскольку на элементы из аморфного кремния расходуется меньше материала и технология их изготовления проще, они дешевле.

Другим достижением в технологий тонкопленочных солнечных элементов стало получение многослойных элементов, позволяющих охватить большую часть спектра солнечного излучения. Так, например, верхний слой такого материала может собирать свет из синей части спектра, позволяя красному свету проходить к тому слою, который более эффективен именно в этой области спектра.

Герметический блок из элементов, соединенных между собой в промышленных условиях, называется фотоэлектрическим модулем. Несколько модулей образуют батарею. Высокая стоимость солнечных элементов - это именно то, что задерживает развитие крупных фотоэнергетических установок. В 1974 г. стоимость модуля солнечных элементов составляла 50 долл. на 1Вт пиковой мощности. Стоимость электроэнергии, получаемой от такого модуля, была исключительно высока: ,3 долл. за 1кВт/ч. Стоимость электроэнергии, производимой электростанциями, работающими на ископаемом и ядерном топливе составляет от 5 до 10 центов за 1 кВт/ч. Такая разница побудила приложить огромные усилия к снижению стоимости энергии, вырабатываемой солнечными установками. Исследования охватили материалы, из которых изготавливаются солнечные элементы, структуру элементов и процессы массового производства.

Движение на пути к этой цели не замедляется: постоянно рождаются новые идеи и разработки, не за горами и производство крупных блоков. Ожидать снижения стоимости элементов можно тогда, когда начнется массовое производство новых материалов.

Концентраторы солнечной энергии

Одним из препятствий на пути использования солнечного излучения в энергетике является его низкая плотность. Преодолеть это препятствие можно путем концентрирования излучения. Применение концентраторов позволяет не только поднять энергетическую эффективность солнечных фотоэлектрических установок, но и улучшить их экономические показатели за счет уменьшения расхода дефицитных полупроводниковых материалов, снижения стоимости и массы, повышения устойчивости к действию внешних факторов. При использовании концентрированного излучения для освещения модулей солнечных элементов одним из важных требований является равномерность плотности лучистого потока на приемнике. Для создания такого потока используются концентраторы с плоскими отражающими поверхностями - плоские фоклины. Если образующая концентратора является прямой линией, их называют односекцион-ными (рис.9,а), если ломаной - многосекционными (рис.9,6). Концентрация солнечного излучения в них достигается в результате многократного отражения от зеркальных поверхностей. Односекционные плоские системы позволяют увеличить в 2-10 раз концентрацию .солнечного излучения и во столько же раз снизить площадь полупроводниковых элементов для получения той же энергии.

Для этой цели применяются также фокусирующие коллекторные системы, в которых используются отражатели и линзы, фокусирующие лучи на солнечных элементах. Характер работы устройств двух типов различен, так как плоская система эффективна даже в облачную погоду, в то время как фокусирующие системы оправдывают себя только при прямом солнечном свете. Однако степень концентрации у них на много выше. Недостатки фокусирующей системы можно частично компенсировать, если снабдить ее высокоэффективными солнечными элементами, включая элементы на монокристаллическом кремнии и арсениде галлия, КПД которых в настоящее время достигает 20-26%.

Использование концентрирующих систем позволяет снизить стоимость солнечных электростанций, так как они дешевле солнечных элементов, поэтому их применение на солнечных станциях даст возможность сэкономить на фотоэнергетических устройствах.

Перспективы развития солнечных фотоэнергетических установок

По мере того как за последние 10 лет снижались цены на солнечные элементы, появилась возможность постройки крупных фотоэлектрических установок. В США в 70-е годы были выделены средства на строительство 9 электростанций средней мощности от 10 до 100 кВт. К 1984 г, было построено 14 относительно крупных солнечных электростанций мощностью от 200 кВт до 7 МВт в США, Японии, Италии, Саудовской Аравии и ФРГ.

Европейское сообщество и ряд отдельных стран разрабатывают 20 демонстрационных установок мощностью от 15 до 300 кВт. В Японии работает свыше 10 электростанций такого типа, имеющих мощность от 3 до 200 кВт, а в 1985 г. вошла в строй станция мощностью 1МВт, построенная организацией разработки новых источников энергии. Японский проект "Солнечное сияние", который начал осуществляться в 1974 году, объединяет работы по изучению возобновляемых источников энергии, с тем чтобы к 2000 г. в значительной мере удовлетворить за счет них энергетические потребности страны.

Крупнейшая из существующих солнечная электростанция находится в Кариса - Плейнз в Калифорнии. Она была построена менее чем за год и имеет пиковую мощность, равную 7,2 Мвт. Учитывая возможные усовершенствования в производстве новых материалов и создании новых устройств, следует ожидать, что к 2000 г. электроэнергия, вырабатываемая фотоэнергетическими установками, сможет конкурировать по цене с энергией, вырабатываемой обычными электростанциями. Последние будут производить электроэнергию по цене от 3 центов за 1 кВт/ч (гидроэлектростанция) до 35 центов за 1 кВт/ч, (тепловые станции, работающие на угле).

К тому времени фотоэнергетические установки будут вырабатывать электроэнергию по цене 15 центов за 1кВт/ч. Прогнозируемое дальнейшее усовершенствование в этой области должно привести к снижению стоимости энергии до 8 центов за 1кВт ч.

Солнечная фотоэнергетическая установка обладает рядом достоинств, помимо того что использует чистый и неистощимый источник энергии. Она не имеет движущихся частей и поэтому не требует постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Солнечные элементы легко производить массовыми партиями, подобно тому как сейчас производятся транзисторы и интегральные схемы. Это должно привести к снижению их стоимости за счет снижения затрат, достигаемого при массовом производстве.

Электростанция, мощность которой измеряется мегаваттами, может быть построена менее чем за год - значительно быстрее, чем обычная электростанция, и тем более - атомная. По этой причине есть возможность гибко учитывать изменения, обусловленные требованиями потребителей.

Быстрое снижение стоимости фотоэлектричества (от 60 долл. за 1кВт/ч. до 1 долл. в 80-е годы и 20-30 центов сегодня^ и образование в этой области рынка повысили потребность в такого рода энергии, причем она возрастает на 25% в год. Сегодняшняя стоимость фотоэлектричества все еще примерно в 5 раз выше стоимости электричества от традиционных источников, но прогресс в этой области обгоняет прогнозы.

КПД преобразования энергии в фотоячейке в лабораторных условиях повысился с 16-18% в середине 70-х годов до 28% в настоящее время для ячейки с кристаллическим кремнем и до 35% для ячейки с полупроводником на основе арсенида галлия (ячейка с двумя слоями, которые поглощают различные части солнечного спектра).

Появился новый класс перспективных фотоматериалов на базе тонких пленок полупроводниковых материалов. Хотя эти ячейки в общем случае менее эффективны (КПД 16%), потенциально они будут иметь очень низкую стоимость, возможно, в 10 раз меньше стоимости в массовом производстве существующих фотоэлектрических модулей. Тонкопленочная технология особенно ценна для снижения себестоимости в массовом производстве и для нее достаточно очень малые количества активного материала. Фотоэлектрические системы требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде и поэтому хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Диапазон их мощностей очень широк -от сравнительно небольших портативных установок в несколько ватт до многомегаваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади. Малые фотоэлектрические системы являются потенциально экономически выгодными даже в относительно облачные дни или на высоких широтах, где использование солнечной энергии представляется неэффективным.

В частности в ФРГ была доказана экономичность использования солнечной энергии для энергоснабжения потребителей в тех местах, где не проложены еще распределительные сети. Например, для обеспечения электропитанием отдельных горных приютов или автоматических радиостанций, малых телепередающих устройств, линейных телефонов на автострадах или для гальванической противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов.

Поскольку поступление солнечной энергии периодично, фотоэлекриче-ские системы наиболее рационально включают в гибридные станции, использующие и солнечную энергию, и природный газ. Гибридные маломощные станции, состоящие из фотоэлектрических панелей и дизельных генераторов, уже являются надежными поставщиками энергии

Биоконверсия солнечной энергии

Способы получения энергии из биомассы

Биомасса, если иметь в виду древесину, Солому, является одним из самых древних возобновляемых энергоресурсов, используемых человеком.

В биомассе - зеленой массе растений, создаваемой в процессе фотосинтеза, - солнечная энергия запасается в виде химической энергии, которая может быть высвобождена различными путями.

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно 3-1022 Дж. Эта цифра соответствует известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - 8%. В целом на Земле при помощи фотосинтеза ежегодно производится 173 млрд.т сухого вещества, что более чем в 20 раз повышает используемую в мире энергию и в 200 раз - энергию, содержащуюся в пище всех более 4 млрд, обитателей планеты.

Запасенная в биомассе энергия органических соединений может быть использована непосредственно в виде пищевых продуктов человеком или животными или же для получения энергии в промышленных целях.

Сжигание

Древнейший способ прямого получения энергии из биомассы Ц это ее сжигание. Даже в настоящее время он является самым распространенным в сельской местности, где свыше 85% энергии получают именно этим путем

Биомасса как топливо имеет ряд достоинств. В отличие от ископаемого топлива при ее сжигании выделяется менее 0,1% серы и от 3 до 5% золы в сравнении 2-3 и 10-15% соответственно для угля. Количество углекислого газа, высвобождающегося при сжигании биомассы, компенсируется количеством углекислого газа, потребляемого при фотосинтезе. В результате содержание СОг в атмосфере остается неизменным.

Этиловый спирт (этанол)

Энергию можно получить из сельскохозяйственных культур, специально выращиваемых для этой цели. Это могут быть особые виды быстрорастущих деревьев, растения, богатые углеводами, из которых получают этиловый спирт (этанол). Для производства этилового спирта из такой растительной биомассы необходимо экстрагировать и подвергнуть гидролизу запасенные углеводы с последующим их сбраживанием в спирт.

Из растений, продуцирующих этиловый спирт, наиболее широко используется сахарный тростник. Этанол из сахарного тростника в больших количествах производится в Бразилии. В связи с растущим дефицитом торгового баланса, вызванного резким увеличением цен на нефть в последние годы, в Бразилии было решено использовать в качестве автомобильного топлива не бензин, а чистый этанол и смесь этанола с бензином. По сравнению с бензином этанол обладает не только экономическими, но и техническими преимуществами, например более высоким октановым числом. Производство этанола путем ферментации сока сахарного тростника возросло с 900 млн.л в 1973 г. до 6 млрдл в 1992 г., из них 2,2 млрд.л пошли на получение смеси безводного этанола с бензином. Благодаря использованию эта-нолового топлива воздух в таких загрязненных городах, как Сан-Паоло и Рио-де-Жанейро, стал значительно чище.

Стоимость этанола, производимого на юге Бразилии, составляет в

среднем 18,5 цента за 1 л. При такой стоимости он мог бы легко конкури

ровать с импортной нефтью, если бы цена на мировом рынке оставалась

равной 24 долл. за баррель. Эффективная стоимость этанола может сни

зиться еще более, если пар, полученный при сжигании выжимок сахарно

го тростника, использовать для выработки электроэнергии. В настоящее

время паровые турбины низкого давления способны производить около

20 кВт/ч, электроэнергии при сжигании выжимок, полученных из 1 т са

харного тростника. С помощью паровых турбин высокого давления

можно было бы производить в 3 раза, а с помощью газовых - в 10 раз

больше электроэнергии. Комбинации подобных технологий представля

ются весьма перспективными, и благодаря им сахарные заводы могут

стать экспортерами энергии.

В США небольшое количество этанола, получаемого из зерновых, используется в качестве добавки к бензину. Этот этанол относительно дорог, однако в настоящее время разрабатывается технология получения сырья с использованием ферментов. Специалисты из научно-исследова-тельскрго института солнечной энергии считают, что к 2000 г. этанол, получаемый из дешевых источников, будет конкурентоспособен по отношению к бензину.

Биогаз

Другой способ производства энергии из биомассы состоит в получении биогаза.путем анаэробного перебраживания. Такой газ представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительного количества азота и водорода. Метановое "брожение", или биометаногенез, -давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он бьш открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Бездымное горение болотного газа причиняет людям гораздо меньше неудобств по сравнению со сгоранием дров и навоза. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.

Биогаз дает возможность использовать самые современные средства теплоэнергетики - газовые турбины, В этих установках газ сгорает, приводя в движение турбину, которая вращает генератор, производящий электроэнергию. В свою очередь газообразные продукты сгорания затем направляются в котел для нагревания воды и получения пара, который может быть использован в промышленности или для дополнительного производства энергии.

Газовые турбины проще и дешевле традиционных паровых. В то время как у последних эффективность не улучшалась с конца 50-х годов, газовые турбины непрерывно совершенствуются.

Наиболее многообещающим вариантом использования биомассы в газовых турбинах является ее газификация при взаимодействии с воздухом и паром при высоких давлениях и очистке газа от примесей, которые могут повредить лопасти турбин. Для повышения эффективности процесс газификации и производство электроэнергии следует смещать в одной установке. Такая технология разрабатывается сейчас для угля. Однако эта технология может даже быстрее найти коммерческое применение с использованием биомассы, нежели угля, так как биомассу легче газифицировать и она обычно содержит малое количество серы. Предварительные оценки показывают, что энергия, полученная на установке с газофи-цированием биомассы и газовбй турбиной, по стоимости может быть сравнима с электроэнергией, производимой на обычных угольных или ядерных электростанциях в большинстве промышленных и развивающихся стран.

Одним из направлений при получении биогаза является использова

ние органических отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и

промышленности. Производство биогаза в процессе метанового броже

ния - одно из возможных решений энергетической проблемы сельскохо

зяйственных районов. Перспективы этого направления весьма многообе

щающие. Действительно, если 300 млн.т сухого вещества, содержащегося

в навозе, превратить в биогаз, то выход энергии составит 33 млн.т нефтя

ного эквивалента. Производство можно также увеличить за счет таких

сельскохозяйственных отходов, как солома, жом сахарного тростника и

др. В Индии с 1980 по 1984 гг. был построен 1 млн. небольших установок

для производства биогаза, удовлетворяющих потребности в энергии от

дельных семей.

Производство биогаза из сельскохозяйсвенных отходов во все более возрастающих масштабах осуществляется также в Китае. Так, уже в конце 1978 г. здесь работало 7,15 млн. установок для получения биогаза - в 15 раз больше, чем в 1975 г. К 1980 г. было построено еще 20 млн., а к 1985-70 млн, что позволяет 70% крестьянских семей использовать биогаз для приготовления пищи.

Преимущество производства биогаза из сельскохозяйственных отходов заключается в том, что они являются средством получения энергии, доступным даже на семейном уровне. Отходы процесса служат высококачественным удобрением, а сам процесс способствует поддержанию чистоты в окружающей среде. Однако количество биомассы данного вида ограничено земельной площадью, на которой осуществляется сельскохозяйственная деятельность. Существенное увеличение пригодных для культивирования площадей вряд ли реально. Вместе с тем имеется возможность использовать для получения биомассы водную среду, а именно - осуществлять культивирование водорослей, в частности микроводорослей.

Итак, достоинством биогаза можно считать следующее: возможность получения его из бросового сырья (сельскохозяйственных, промышленных и городских углеродосодержащих отходов), попутное получение при этом высокоэффективных удобрений и кормовых добавок, очистка сточных вод. Недостатками получения и потребления биогаза являются расход кислорода и выброс углекислого газа при сжигании биогаза, неуправляемость и длительность процесса брожения, необходимость иметь емкости значительного объема для осуществления процесса брожения.

Микроводоросли

Первые сообщения о возможности использования микроводорослей для производства пищевых продуктов относятся к XVI в. В 1521 г. Бер-нол Диас упомянул о галетах, которые продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев микроводоросли спирулины. Дальнейший тщательный анализ образцов спирулины показал, что она содержит до 70% белка, 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 4% нуклеиновых кислот. Возник интерес к массовому культивированию микроводорослей. Сначала основное внимание было сконцентрировано на получении продуктов питания, но затем выявили другие области применения микроводорослей, включая биоконверсию солнечной энергии. Эксперименты по массовому культивированию микроводорослей проводятся все более интенсивно с начала 50-х годов.

За период с 1950 по 1970 г. был достигнут значительный прогресс в технологии массового культивирования микроводорослей в таких странах, как Япония, ФРГ, Израиль, Франция, США и Мексика. Культивирование производилось как в специально построенных для этой цели установках, так и в естественных водоемах. В этих странах была получена следующая средняя продуктивность: в США 30 г/м2 в день, Японии - 12 г/м2 в день, Израиле - от 10 до 40 г/м2 для зимних и летних условий соответственно.

В зависимости от целей использования культивируются различные микроводоросли. Некоторые из низ в процессе метаболизма продуцируют углеводы, которые можно использовать для получения газообраз,но-го, жидкого или твердого топлива.

Идея использования углеводородов, вырабатываемых растениями, не нова. В США из молочая чиновидного, распространенного в Калифорнии, получают 3000 л масла с 1 га. Такое же количество дает молочай, культивируемый в Японии. Из нефтяного ореха, растущего на Филиппинах, получают 300 л масла, содержащего 75-80 долей октана.

Появились сообщения о способности некоторых водорослей вырабатывать углеводороды, об успешном их использовании для производства нефти. Так, в Израиле в 1976 г. была получена высокосортная нефть из водорослей, обильно разрастающихся в соленых водоемах при ярком солнечном свете. Обнаружили быстро растущую зеленую водоросль ду-налиеллу, которая в естественных условиях при минимальных затратах дает значительный "урожай". Было показано, что из биомассы дуналиел-лы, получаемой с 1м2, в день можно выделить 11 г протеина, 8 г глицерина, 0,4 бета-каротина.

Исследование возможности применения различных видов водорослей в промышленных целях проводились в Институте исследований солнечной энергии (США). Изучив несколько тысяч видов водорослей выделили 10-12 наиболее перспективных. Однако исследования показали, что в большинстве случаев количество углеводородов составляет лишь примерно 0,1% сухого веса биомассы. Единственным исключением является ботриококкус браунии, которая имеет две разновидности: зеленая - до 36% углеводородов и коричневая - до 86% сухой массы клеток водоросли.

Углеводороды, вырабатываемые ботриококкусом браунии, в основном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены простыми механическими методами. Остающуюся биомассу можно либо возвратить в культиватор, либо подвергнуть гидрокрекингу, в процессе которого из нее получают 65% газолина, 15% авиационного топлива, 3% остаточных масел. Таким образом, задача культивирования микроводорослей для производства энергии принципиально решена: созданы соответствующие установки, найдены подходящие виды водорослей. Вместе при получении таким способом энергии, сравнимой по стоимости с энергией от традиционных источников, возникает ряд проблем. Одна из них - повышение эффективности и производительности установок. Для интенсификации процесса образования биомассы надо одновременно добиться необходимой освещенности клеток, обеспечить их нужным количеством СОг и максимально увеличить количество клеток, подвергающихся действию света и способных поглотить его.

Рассмотрим устройство для культивирования микроводорослей, содержащих фотоблок с профилированным дном и барботажные трубки, расположенные на дне фотоблока (рис. 30). Дно фотоблока выполнено в виде волнистой поверхности, вдоль которой расположены барботажные трубки, снабженные патрубками, направленными вниз по касательной к поверхности дна.

Устройство работает следующим образом. В фотоблок наливают суспензию, содержащую питательный раствор и рассаду микроводорослей, и пропускают по барботаж-ным трубкам газовоздушную смесь, содержащую 0,5-1% СО2. Необходимый для фотосинтеза свет поступает к водорослям через верхнюю открытую часть фотоблока от внешнего источника освещения (Солнца или искусственного источника). Струя газовоздушной смеси, обогощающая суспензию СС% одновременно используется для вертикального перемешивания жидкости: расположение барботажных трубок и форма дна позволяют создать потоки жидкости во всем рабочем объеме среды культивации.

Низкая эффективность установок пока не дает возможности приступить к промышленному культивированию микроводорослей для производства энергии. Существенным препятствием на этом пути является необходимость отторжения под размещение установок больших площадей земли, что практически нереально.