ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОТУ, РАБОТУ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализованной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

Рассмотрим физическую сущность процессов преобразования солнечной энергии в теплоту и работу, а также состояние работ по производству электрической энергии, поскольку это наиболее полно характеризует современный уровень развития гелиотехники.

Преобразование солнечной энергии в механическую осуществляется в две стадии. Первая стадия включает фототермическое преобразование, в результате которого солнечная энергия, поглощаемая в коллекторе, нагревает теплоноситель или рабочее тело. Этот нагрев может происходить непосредственно в солнечном коллекторе - приемнике солнечного излучения - или в теплообменнике. При этом помимо нагрева как такового для таких рабочих тел, как водяной пар и пары органических веществ (фреонов), происходит также процесс образования и перегрева пара. Вторая стадия осуществляется в тепловом двигателе, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в работу. В цикле теплового двигателя рабочее тело (водяной пар или пары фреонов, воздух и т.п.) получает теплоту Q1 от источника теплоты, в результате чего оно расширяется и выполняет работу, отдает теплоту Q2 окружающей среде и при этом сжимается с затратой работы. Полезная работа цикла равна разности количеств подведенной и отведенной теплоты L=Q1 - Q2, а эффективность преобразования теплоты в работу характеризуется термическим КПД цикла ηt = L/Q1 = 1 – Q2/Q1.