太陽エネルギーの熱力学的変換器。スキーム、説明

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太陽熱温水器の設置。熱力学的太陽エネルギーコンバーター。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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電気と熱の価格と料金の急激な上昇、信頼性を高めて独自の自律的なエネルギー供給源を使用したいという消費者の願望、および環境に優しい再生可能エネルギー源の使用への関心の高まりが、エネルギーの急速な発展につながっています。太陽熱温水器（SWH）の国内市場は、独自の方法で発展しており、技術的、経済的指標と技術の高度化は、ロシア南部地域だけでなく、中部地域、さらにはロシアでも幅広い商業利用に向けて最も準備が整っている。北部地域。

同時に、ロシアにおけるこの市場の発展は多くの要因によって妨げられており、その中で最も重要なのはIEDのコストの高さ、信頼性と耐久性の不足です。太陽熱集熱器の動作信頼性を長期的に観察したところ、ほとんどの設計がロシアの基準で定められた最低耐用年数（10年）を満たしていないことが判明しました。

現在、ロシアのメーカーが提供する太陽光集熱器のコストは、受熱面100平方メートル当たり200ドルから1ドルの範囲にある。設置コストと必要な追加の機器やコンポーネントを考慮すると、太陽熱温水システムの消費者には月額2〜200ドルの費用がかかります。ロシア市場で販売されている外国製の IED はさらに高価であることが判明した。

したがって、太陽熱集熱器の設計を改善し、コストを削減し、同時に信頼性の高い動作期間を延ばすという課題は非常に重要です。

熱力学的太陽エネルギーコンバーターには、次のコンポーネントが含まれている必要があります。

a) 入射放射線を捕捉するシステム。
b) 太陽放射のエネルギーを熱に変換し、冷却剤に伝達する受信システム。
c) 冷却剤をレシーバーからバッテリー、または作動流体が加熱される XNUMX つ以上の熱交換器に移送するシステム。
d）蓄熱器;
e) 熱機関の熱源と冷熱源を形成する熱交換器。

日射を捉えるシステムと熱変換器の設計

日射捕捉システムは、さまざまな程度の集中を提供します (図 3.1)。

太陽熱温水設備。熱力学的太陽エネルギー変換器

太陽熱温水設備。熱力学的太陽エネルギー変換器
図3.1。太陽エネルギー捕獲システム

太陽光が到来するあらゆる方向にエネルギーを集中させる反射面を使用することで、低い集中度 (約 100) が得られます。この場合、太陽の観測は簡素化された制御システムを使用して実行されます。このタイプの装置には放物線状の円筒形の反射鏡が含まれており、その軸は太陽の運動面に対して水平または垂直です。このような設備は、日中の空の太陽の位置の変化に従ってのみ制御されます。年間を通した太陽の位置の変化は考慮されておらず、焦点像が集中放射線受光器の表面を超えないようにするための措置のみが講じられています。

平均集中度 (約 1000) は、回転 XNUMX 自由度で制御される集束ヘリオスタットを使用して得られます。このようなヘリオスタットは、回転放物面の形状をした鏡であり、その軸は太陽の方向を向いている。

単一の光学系 (平面ヘリオスタットと放物面反射鏡) によって高度な集中力が達成されます。非常に高い温度に達することができます。

集中した日射はレシーバーの表面に吸収され、熱に変換されます。スペクトルの熱領域で加熱されたレシーバーからの放射に伴う熱損失を減らすために、レシーバーの表面は選択的吸収材料の薄膜で覆われています。これにより、システムの効率が大幅に向上します。

サーマルコンバーターの設計。考えられる概略図は 3.2 つあります。 XNUMX つ目 (図 XNUMXA) では、冷却剤がレシーバー内で加熱されるため、バッテリーの熱負荷が確保されます。この場合、作動流体はバッテリーによって加熱され、日射の流れの変化が平滑化されます。したがって、バッテリーは常にバッファーの役割を果たし、受電蓄電池システムと熱機関の間の接続は少なくともXNUMXつの熱交換器を使用して実行されます。

3.2 番目のスキーム (図 XNUMXB) では、作動流体はレシーバー内で直接加熱されます。バッテリーは加熱された本体の一部を取り外すことで充電され、中間装置なしで熱機関との通信が行われます。

最初のスキームでは、XNUMX 番目のスキームと比較して、平均して温度圧力の大幅な低下が見られます。熱機関のヒーターとクーラーの間の温度差。 XNUMX 番目のスキームでは、熱は蓄積と戻りの際にのみ失われます。ただし、最初のケースでは、制御システムがない場合でも、熱機関とその補助装置はランダムな温度変動の影響を受けません。また、多くの場合、冷媒自体が蓄熱体の役割を果たします。

太陽熱温水設備。熱力学的太陽エネルギー変換器

太陽熱温水設備。熱力学的太陽エネルギー変換器
図3.2。太陽エネルギーの熱力学的変換スキーム：A - 熱交換器を備えた図。 B - 熱交換器なしの図

蓄熱器

現在、エネルギー貯蔵は蓄熱によって行われています。

蓄熱器は高価な要素です。システム温度に基づいて、エネルギー貯蔵は通常、低温 (最大 100°C)、中温 (100 ～ 550°C)、および高温 (>550°C) に分類されます。

低温電池、特に水電池は、建物の暖房や給湯用の太陽光発電技術に広く使用されています。低温蓄積の場合、塩や酸の水和と溶媒和の可逆反応、および相転移プロセスも使用されます。これらの目的には、蓄熱物質としてパラフィンやパラフィンと水からなるエマルジョンが使用されます。パラフィンの融解潜熱は約44cal/g、融点は35～50℃です。

新しいタイプの熱化学貯蔵システム Tepidus がスウェーデンで開発されています。このプラントは、硫化ナトリウムの水和による熱の放出プロセスを利用しています。

中温での蓄積や冷却剤には、数百度の融点と大きな相転移潜熱を特徴とする塩とその共融物が使用されます。

アルカリ土類金属酸化物水和物は、中温蓄積に非常に有望です。酸化物水和反応に蓄積プロセスを使用すると、多くの利点があります。これらは、高密度の貯蔵エネルギー、周囲温度での簡単な長期蓄積、固体エネルギー貯蔵物質のコンパクトさ、低コスト、および水和段階での十分に高い潜在的な熱の生成である。

高温蓄積は、可逆的な発熱反応を利用して実行されます。この場合、反応は XNUMX つのグループに分類できます。XNUMX つは生成物を分離して一緒に保存できない触媒分解反応、もう XNUMX つは触媒なしで起こる反応で、生成物は太陽受光器の温度で分離する必要があります。逆反応。

熱力学サイクルのタイプと作動流体の性質の選択は、熱機関の動作温度範囲によって決まります。つまり、濃縮システムの特性、バッテリー、サイクルパラメータは密接に相互関係しています。集中型太陽光発電設備では、蒸気と水のサイクルが好まれます。

著者：マゴメドフA.M.

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