Концентраторы солнечного излучения и высокотемпературные источники тепла

Применение концентраторов излучения в системах преобразования энергии СКЭС облегчает решение ряда проблем, связанных с созданием этих систем, а в некоторых случаях является необходимым условием их технической реализации. Объясняется это прежде всего тем, что низкий уровень плотности солнечного излучения в околоземном космосе либо не позволяет достичь высокой энергетической эффективности преобразователей, либо делает принципиально невозможным осуществление в них тех или иных физических процессов. Так, например, без концентрации солнечного излучения нельзя получить температуры, необходимые для реализации рабочих процессов в газотурбинных и термоэмиссионных преобразователях энергии, невозможно обеспечить инверсную населенность и генерацию излучения в лазерах с прямой солнечной накачкой и т. п. С другой стороны, использование концентраторов позволяет значительно улучшить удельные энергомассовые и стоимостные показатели систем преобразования энергии, сйизить расход дефицитных материалов при их создании, увеличить ресурс работы, облегчить восстановление в процессе эксплуатации. Эти обстоятельства в совокупности и определяют перспективность и целесообразность применения систем концентрации солнечного излучения на СКЭС.

В общем случае система концентрации может быть определена как специальная оптическая система, предназначенная для улавливания и перераспределения в пространстве потока солнечного излучения с целью повышения его плотности до уровня, необходимого для дальнейшего эффективного использования.

Заметим, что данное определение указывает на качественное отличие целевого назначения гелиоконцентраторов от фокусирующих оптических систем, предназначаемых для получения изображения объектов.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов — зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения, характерных для СКЭС, практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели.

Свойства систем концентрации солнечного излучения описывают геометрическими и оптическими характеристиками их отражающих поверхностей, а также массо габаритными, стоимостными и другими показателями. К системам концентрации предъявляются следующие основные требования:

Некоторые из перечисленных требований противоречивы, а потому при разработке систем концентрации приходится изыскивать компромиссные решения.

Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент (степень) концентрации, или концентрирующая способность К, которая определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучистого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации последней на Солнце.

Принципиально важным является вопрос о предельно возможной степени концентрации солнечного излучения. Согласно законам термодинамики и фотометрии [31], максимальная энергетическая освещенность приемной поверхности любой концентрирующей системы с углом раскрытия ик не может превысить величину

Средняя яркость солнечного излучения в пределах телесного угла, соответствующего видимому угловому радиусу Солнца определяется как

из которого видно, что он зависит лишь от апертуры (угла раскрытия) концентрирующей системы и углового размера источника излучения — Солнца.

Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже Япред, но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенное влияние на нее оказывает и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений, но эти факторы можно разделить и говорить о геометрическом (Кт) и энергетическом (Ка) коэффициентах концентрации.

Выбор требуемой величины К3 и соответствующих ей типа и параметров концентрирующей системы определяется особенностями устройств, преобразующих солнечное излучение. Так, например, для фотоэлектрических преобразователей могут оказаться целесобразными низкие уровни концентрации излучения (К3*10), хотя для достижения предельных значений их КПД необходима значительно более высокая концентрация, характеризуемая значениями ? = (1.5—2.0)103. Лазеры с солнечной накачкой и паротурбинные преобразователи требуют значений ?=102—103. Наиболее высокие требуемые уровни концентрации излучения характерны для газотурбинных и термоэмиссионных преобразователей. Таким образом, на СКЭС могут найти применение системы концентрации различных типов, которые с определенной условностью могут быть разделены на низкопотенциальные и высокоиотенциалыше).

Низкопотенциалъние концентраторы солнечного излучения могут быть двух основных видов с криволинейной или прямолинейной образующей отражающей поверхности. Традиционными концентраторами первого вида являются параболоцилийдры, которые успешно используются в наземных солнечных установках, обеспечивая получение коэффициентов концентрации К3 20—40. Однако для применения на СКЭС (более привлекательны концентраторы конической и клиновидной конфигурации, которые могут быть конструктивно объединены с приемно преобразующими устройствами и позволяют использовать как прямое, так и отраженное солнечное излучение. Такие отражатели с параболической образующей, получившие название фоконов (фокусирующий конус) и фоклинов (фокусирующий клин), были впервые предложены в йашей стране и успешно применяются в настоящее время в гелиоэнергетике [9].

Фоконы и фоклины с параболической образующей обладают двумя основными положительными свойствами: они не требуют высокой точности изготовления зеркальной поверхности отражателя и, что особенно важно, срхраняют исходный уровень концентрации излучения при невысокой точности ориентации оси отражателя на Солнце. В стационарных условиях они могут эффективно работать, оставаясь в течение длительного времени неподвижными по отношению к светилу. Последнее обстоятельство предопределяет, в частности, целесообразность применения фоклинов на стационарных СКЭС, располагаемых на Луне, где мало наклонение экваториальной плоскости к плоскости эклиптики. Так, фоклин с большим отношением длины к глубине и а=2° может работать на Луне в неподвижном состоянии дочти весь световой день, обеспечивая коэффициент концентрации.

Основным недостатком фоконов и фоклинов с параболической образующей является значительная неравномерность распределения плотности сконцентрированного излучения, усиливающаяся при неточной ориентации отражателя на Солнце. Эта неравномерность относительно слабо влияет на работу систем с тепловыми преобразователями солнечной энергии, где фоконы, например, могут успешно применяться в качестве вторичных концентраторов излучения, но препятствует эффективному применению таких фоклинов и фоконов в системах с фотоэлектрическими преобразователями, которые требуют равномерной освещенности.

Указанный, недостаток существенно в меньшей степени проявляется в отражателях с прямолинейными образующими или так называемых плоских фоклинах, однако такие концентраторы при однократном отражении солнечного излучения (рис. 2.3, а) не позволяют получать степени концентрации > 3, что в некоторых случаях не •обеспечивает требуемых характеристик системы преобразования энергии СКЭС.

Более высокой концентрирующей способностью обладают Плоские фоклины с многократным отражением солйечного излучения (рис. 2.3, 6). Анализ показал, что при коэффициентах концентрации порядка 2—5, характерных для систем с пассивно охлаждаемыми фотопреобразователями, плоские фоклины вполне конкурентоспособны по отношению к параболоцилиндрическим с точки зрения массогабаритных показателей и имеют очевидные преимущества в отношении равномерности распределения сконцентрированного излучения по лучевоспринимающей поверхности. Последнее обстоятельство имеет очень важное значение для обеспечения высоких энергоэкономических показателей системы преобразования солнечной, энергии.

Снижение интегрального коэффициента концентрации при неточной ориентации на Солнце в системах с плоскими фоклинами проявляется сильнее, чем в системах с параболоцилиндрическими, однако и в этом случае плоские отражатели обеспечивают значительно более высокую равномерность облучения приемной поверхности. Кроме того, за счет увеличения ширины отражающих плоскостей фоклина можно добиться практически равно мерного распределения облученности при неточной ориентации.

Высокопотенциалъные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка — параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную. Для каждой из названных поверхностей вращения существуют оптимальные параметры идеального зеркала, обеспечивающие максимальное значение геометрического коэффициента концентрации.

Максимальная степень концентрации, которую может обеспечить идеальный параболоидный отражатель в околоземном космосе при оптимальном значении угла раскрытия, равном 45°, составляет приблизительно И 300. Реальные концентраторы не обеспечивают таких высоких значений коэффициента концентрации изза различных неточностей отражающей поверхности. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, определенный с учетом локальных угловых отклонений отдельных элементов зеркальной поверхности от точной конфигурации, близок к 60°.

При характерных для тепловых СКЭС диаметрах параболоидных концентраторов, составляющих сотни метров или километры, они в большинстве случаев должны состоять из множества отдельных элементов — фацет. Фацеты могут иметь различную форму отражающей поверхности — параболоидную, сферическую или плоскую, однако с учетом специфики создания и эксплуатации СКЭС плоская конфигурация будет, вероятно, наиболее предпочтительной. Общее количество фацет в одном концентраторе может составлять десятки тысяч. В этих условиях особенно сложной является проблема юстировки фацет И согласованного управления ими в процессе эксплуатации СКЭС. Решить эту проблему можно будет, видимо, лишь на основе методов, разрабатываемых для адаптивных оптических систем, с использованием мощных ЭВМ.

В качестве материала отражателей систем концентрации солнечного излучения СКЭС предполагается использовать металлизированные полимерные пленки различного химического состава. Свойства некоторых из них приведены в табл. 2.1. Наиболее перспективными для применения на СКЭС являются пленки марок майлар и кантон.

Лучшим материалом отражающего покрытия является алюминий, который имеет наиболее высокий интегральный коэффициент отражения в диапазоне длин волн солнечного спектра в космосе! Для защиты алюминия от внешних воздействий на него должно быть нанесено специальное защитное покрытие, роль которого может выполнять тонкая полимерная пленка, например из каптона, либо пленки окиси кремния, двуокиси алюминия и др. Такие покрытия способны обеспечить низкий уровень деградации коэффициента отражения в условиях длительной космической эксплуатации (не более 10 % за 5—10 лет).

Для придания отражающей пленке плоской формы она должна быть натянута на силовой каркас, изготовленный из легкого материала — алюминия или угле пласта. В процессе эксплуатации натяжение пленки может регулироваться.

Параболоидная форма пленочного отражателя может быть обеспечена путем наддува замкнутого объема с последующим отверждением пленки или без вего.

В целом можно заключить, что применение пленочных концентраторов в системах преобразования энергии СКЭС будет способствовать улучшению удельных энергоэкономических показателей последних, но одновременно потребует решения ряда достаточно сложных проблем, связанных с созданием таких гигантских отражателей и управлением, ими.

Сконцентрированное солнечное излучение может быть использовано для высокотемпературного нагрева рабочих тел в тепловых системах преобразования энергии СКЭС. Нагрев осуществляется в специальных устройствах — приемниках лучистой энергии, которые в сочетании с концентратором образуют систему, получившую название «солнечный высокотемпературный источник тепла» (СВИТ) [24].

Наиболее распространенным типом приемников СВИТ являются так называемые приемники с поверхностным поглощением. В таких приемниках излучение поглощается поверхностью твердого тела, что приводит к повышению температуры последнего. Дальнейшие процессы переноса энергии зависят от схемы приемника и условий теплоотвода. Во всех случаях, однако, имеют место процессы теплопроводности через лучепоглощающую стенку, а также отражения и теплового излучения с поверхности, воспринимающей солнечную радиацию.

Тепло в приемниках с поверхностным поглощением может отводиться однофазным теплоносителем (приемники с конвективным теплоотводом), кипящим теплоносителем (приемникипарогенераторы) или испаряющимся теплоносителем (приемники типа тепловой трубы). Кроме того, тепло может непосредственно подводиться к термоэмиссионному или другому преобразователю тепловой энергии, если последний конструктивно объединен с приемником.

По организации взаимодействия излучения с луче воспринимающей поверхностью приемники можно подразделить на приемники открытого и закрытого (полостного) типов. В приемниках открытого типа (рис. 2.5, а—в) плотность падающего на поверхность теплопередающей стенки лучистого потока однозначно определяется характеристиками распределения сконцентрированного излучения, в то время как в приемниках закрытого типа (рис. 2.5, г, д) она зависит также от переогражения солнечного излучения и от собственного излучения нагретых стенок.

Основкые потери энергии с отражением и собственным излучением их лучевоспринимающих поверхностей, вследствие чего общая энергетическая эффективность (КПД) приемника в знaчительной степени зависит от организации процессов лучистого обмена. Именно этим обусловлена целесообразность использования в СВИТ полостных приемников, обладающих значительно более высокой эффективной поглощательной способностью aR по сравнению с приемниками открытого типа. У полостных приемников выше и эффективная излучательная способность ёп, что несколько снижает их преимущества. Тем не менее потери, связанные с отражением, обычно преобладают над потерями изза теплового излучения, вследствие чего полостные конструкции в целом оказываются предпочтительнее.

Рабочая температура приемника СВИТ определяется степенью концентрации солнечного излучения, эффективными значениями поглощательной и излучательной способности приемника и его КПД

На рис. 2.6 представлены кривые, характеризующие изменение рабочей температуры в зависимости от коэффициента концентрации при различных значениях т для приемника со свойствами абсолютно черного тела. Из рисунка видно, что для получения температур порядка 1000—2000 К при КПД приемника, равном 0.8, требуемая степень концентрации солнечного излучения составляет от нескольких сот до нескольких тысяч. Такие уровни концентрации на СКЭС можно обеспечить лишь с помощью отражателей квазипараболоидной конфигурации.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.