Тепловые машины с концентраторами

В гл. 4 мы видели, что при фокусировке солнечных лучей с помощью параболического концентратора можно получить очень высокие температуры. Хотя при одних и тех же размерах плоского и параболического отражателей принимаемая ими энергия солнечной радиации одинакова, но во втором случае благодаря ее концентрации машина получает возможность работать при более высокой температуре и, следовательно, с более высоким к. п. д. Соответственно на выходе установки мы получаем большее количество механической энергии, и даже простейший концентратор позволяет значительно повысить выходную мощность системы.

Предположим, что фокусирующее солнечное излучение устройство, которое является источником энергии для тепловой машины, работает при такой температуре, когда тепловые потери в окружающую среду обусловлены теплоизлучением. Для начала будем считать также, что благодаря изоляции этот источник излучает энергию лишь через открытую поверхность. Поскольку излучающая поверхность практически почти всегда оказывается несколько большей, то при определении эффективного значения коэффициента концентрации мы введем соответствующую поправку* Тогда уравнение теплового баланса для единицы поверхности источника принимает следующий вид;

где K - эффективное значение коэффициента концентрации отражателя (см. гл. 4). Следовательно, тепловая мощность, которая может быть получена с единицы поверхности источника равна

Если этот источник используется для приведения в действие тепловой машины с к. п. д., равным половине к. п. д. цикла Карно, охладителем в которой служит атмосфера при температуре около 290 K (17°С), то мощность на единицу поверхности источника находится из уравнения

а в пересчете на единицу поверхности коллектора мощность приблизительно должна быть равна

Как и в случае системы, состоящей из плоского коллектора и тепловой машины, здесь существует некая температура источника, при которой мощность P₂ максимальна. Однако с помощью уравнения (6.15) можно показать, что в большинстве случаев эта оптимальная температура значительно превосходит предельные возможности металлов. Нельзя рассчитывать, чтобы такие системы, работали при температурах источника выше 1000 K (около 700°С). На рис. 50 представлена зависимость выхода системы от величины падающей солнечной энергии для этой предельной температуры источника. Из рис. 50 видно, что при наличии такого ограничения ни увеличение K до 1000, ни применение селективного поглотителя не обеспечивают существенного повышения выходной мощности системы. Но, сравнивая эти кривые с теми, что представлены на рис. 49, можно заметить значительное повышение выходной мощности при максимальном к. п. д., близком к 30%. Практически же выходная мощность значительно ниже, поскольку мы не учли некоторые виды потерь, а потери на излучение могут оказаться выше, чем мы полагали. Тем не менее в условиях тропического климата подобная система позволяет получить выходные мощности до 200 Вт на 1 м² площади коллектора, что соответствует ежедневной производительности около 1 кВт*ч.

Рис. 50. Максимальная выходная мощность машины с параболическим концентратором

Для реализации такой системы параболические зеркала должны иметь соответствующие размеры, а их конструкция обеспечивать слежение за движением Солнца. К обсуждению всех этих проблем мы еще вернемся.