RU39688U1

RU39688U1 - Солнечная электростанция (варианты)

Info

Publication number: RU39688U1
Application number: RU2004110561/22U
Authority: RU
Inventors: Петр Вохмин; И.И. Климовский
Original assignee: Петр Вохмин; Климовский Иван Иванович
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2004-08-10

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области солнечной энергетики и может быть использована в производстве электрической энергии в стационарных и мобильных условиях на Земле и на космических аппаратах. Технический результат -улучшение технологических характеристик солнечной электростанции и увеличения ее мощности и к.п.д., достигаемые за счет выполнения зеркальной камеры в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемого устройства, совмещенного с преобразователем тепловой энергии в электрическую, - в виде слоистой структуры. Солнечная электростанция по первому варианту содержит концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода сконцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера, в которой вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемый солнечным излуче

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области солнечной энергетики и может быть использована в производстве электрической энергии в стационарных и мобильных условиях на Земле и на космических аппаратах.

Известны солнечные электростанции, содержащие концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую и преобразователь тепловой энергии в электрическую. В одних солнечных электростанциях солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию путем непосредственного нагрева этим излучением одного из элементов генератора электрической энергии. Такой метод преобразования солнечного излучения в тепловую энергию используется в термоэлектрических (Бринкворт Б. Дж. Солнечная энергия для человека/Пер. с англ. под ред. и с предисл. Б.В.Тарнижевского. М.: «Мир», 1976) и термоэмиссионных солнечных электростанциях (Бринкворт Б. Дж. Солнечная энергия для человека/Пер. с англ. под ред. и с предисл. Б.В. Тарнижевского. М.: «Мир», 1976; Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974). Основными недостатками таких солнечных электростанций является их низкая эффективность. Согласно данным, приведенным в первой из указанных книг, предельный к.п.д. термоэлектрической солнечной электростанции, использующей существующие термоэлементы, при температурах нагреваемой и охлаждаемой частей термоэлементов соответственно 1000 и 300 К составляет около 7%. Предельный к.п.д. термоэмиссионной солнечной электростанции значительно выше. Согласно данным, приведенным в той же книге, предельный к.п.д. термоэмиссионной солнечной электростанции, рассчитанный для значений работ выхода коллектора и эмиттера, равных соответственно 1 и 2 эВ, и температур коллектора и эмиттера - соответственно 1500 и 750 К, равен примерно 29%. Реальный к.п.д., достигаемый в термоэмиссионных солнечных электростанциях лежит в диапазоне 7-7,5% (Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974)

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является солнечная электростанция, содержащая концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера (Васильева Н.Н., Вохмин П.А., Климовский И.И., Конев Ю.Б. Свидетельство на полезную модель № 22989 «Солнечная электростанция (варианты)». RU 22989 U1 7 F 24 J 2/42, прототип).

В этой солнечной электростанции преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной зеркальной камеры и сферического нагреваемого устройства, центр которого совмещен с центром зеркальной камеры. Нагреваемое устройство содержит нагреваемую солнечным излучением сферическую оболочку, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с внутренней стороной сферической оболочки нагреваемого устройства, сферический эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с внутренней стороной аккумулятора тепловой энергии, и сферический коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный по внутренней стороне эмиттера. Нагреваемая оболочка, аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор снабжены технологическими узлами, обеспечивающими взаимное расположение этих элементов солнечной электростанции и электрическое соединение эмиттера и коллектора с электрической нагрузкой. При этом предлагаются различные варианты построения эмиттера, который может выполнять одновременно функции нагреваемой вакуумной оболочки, аккумулятора тепловой энергии и собственно эмиттера. Достижимый к.п.д. солнечной электростанции оценивается на уровне 50%.

Такой солнечной электростанции присущи следующие недостатки. Наличие технологических узлов, обеспечивающих взаимное расположение элементов солнечной электростанции и электрическое соединение эмиттера и коллектора с электрической нагрузкой, приводит к частичной экранировке теплового излучения, циркулирующего

между зеркальной камерой и нагреваемым устройством и, как следствие, к снижению мощности и к.п.д. солнечной электростанции по отношению к их максимально достижимым значениям. Кроме того, производство термоэмиссионного преобразователя в виде сферической концентричной структуры с микронными расстояниями между элементами является сложным технологическим процессом, что с неизбежностью приведет к росту стоимости солнечной электростанции и, как следствие, к росту стоимости произведенной электроэнергии.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу улучшения технологических характеристик солнечной электростанции и увеличения ее мощности и к.п.д. за счет выполнения зеркальной камеры в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемого устройства, совмещенного с преобразователем тепловой энергии в электрическую, - в виде слоистой плоско-параллельной структуры цилиндрической формы.

Поставленная техническая задача по первому варианту полезной модели решается за счет того, что в солнечной электростанции, содержащей концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода сконцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера, вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор выполнены в виде плоских круглых слоев, центры которых расположены вдоль оси эллипсоида вращения, а диаметр нагреваемого элемента выполнен равным межфокусному расстоянию эллипса, образующего эллипсоид вращения, незеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде основания, снабженного конструктивными элементами, обеспечивающими взаимное расположение различных элементов солнечной электростанции относительно друг друга.

Поставленная техническая задача по второму варианту полезной модели решается за счет того, что в солнечной электростанции, содержащей концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода сконцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера, вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор выполнены в виде круглых полых цилиндров, снабженных дном со стороны, противоположной отверстию связи, и расположенных таким образом, что их оси совпадают с осью эллипсоида вращения, а внутренний диаметр нагреваемого элемента равен межфокусному расстоянию эллипса, образующего эллипсоид вращения, незеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде основания, снабженного конструктивными элементами, обеспечивающими взаимное расположение различных элементов солнечной электростанции относительно друг друга.

Поставленная техническая задача по третьему варианту полезной модели решается за счет того, что в солнечной электростанции, содержащей концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода скоцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый, солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной

к нему стороны эмиттера, вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, нагреваемый элемент выполнен в виде полого цилиндра, снабженного со стороны отверстия связи дном и содержащего в себе аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор выполнены в виде плоских круглых слоев, оси нагреваемого элемента, аккумулятора тепловой энергии, эмиттера и коллектора совпадают с осью эллипсоида вращения, нагреваемый элемент снабжен коническим или параболическим зеркальным отражателем, имеющим ось, совпадающую с осью эллипсоида вращения, и расположенным между плоскостью, в которой лежит обращенная к зеркальной части камеры поверхность нагреваемого элемента, и плоскостью в которой лежит, граница раздела аккумулятора тепловой энергии и эмиттера, диаметр зеркального отражателя в плоскости границы раздела аккумулятора тепловой энергии и эмиттера превышает наружный диаметр нагреваемого элемента настолько, чтобы исключить возможность касания зеркального отражателя и нагреваемого элемента, а в плоскости, совпадающей с обращенной к зеркальной части камеры поверхностью нагреваемого элемента диаметр зеркального отражателя d_omp, удовлетворяет условию d<d_оmp=F_e, где d - диаметр нагреваемого элемента, F_e - межфокусное расстояние эллипса, образующего эллипсоид вращения, незеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде основания, снабженного конструктивными элементами, обеспечивающими взаимное расположение различных элементов солнечной электростанции относительно друг друга.

Схема солнечной электростанции по первому варианту представлена на фиг.1.

Солнечная электростанция содержит в себя концентратор солнечного излучения 1, зеркальную часть вакуумной оболочки 2, отверстие связи 3 для ввода в вакуумную камеру сконцентрированного солнечного излучения, нагреваемое устройство, содержащее нагреваемый элемент 4, аккумулятор тепловой энергии 5, эмиттер термоэмиссионного преобразователя 6, коллектор термоэмиссионного преобразователя 7, теплообменник системы охлаждения коллектора 8, условно показанный в виде радиатора воздушного охлаждения, основание 9, обеспечивающее относительное расположение различных частей солнечной электростанции и герметизацию вакуумной камеры, конструктивный элемент термоэмиссионного преобразователя 10, обеспечивающий относительное расположение эмиттера 6 и коллектора 7, и токоподводы 11, 12 к эмиттеру 6 и коллектору 7 соответственно.

Схема солнечной электростанции по второму варианту представлена на фиг.2.

Солнечная электростанция содержит концентратор солнечного излучения 1, зеркальную часть вакуумной оболочки 2, отверстие связи 3 для ввода в вакуумную камеру сконцентрированного солнечного излучения, нагреваемое устройство, содержащее нагреваемый элемент 4, аккумулятор тепловой энергии 5, эмиттер термоэмиссионного преобразователя 6, коллектор термоэмиссионного преобразователя 7, теплообменник системы охлаждения коллектора 8, условно показанный в виде радиатора воздушного охлаждения, основание 9, обеспечивающее относительное расположение различных частей солнечной электростанции и герметизацию вакуумной камеры, конструктивный элемент термоэмиссионного преобразователя 10, обеспечивающий относительное расположение эмиттера 6 и коллектора 7, и токоподводы 11, 12 к эмиттеру 6 и коллектору 7 соответственно.

Схема солнечной электростанции по третьему варианту представлена на фиг.3.

Солнечная электростанция включает в себя концентратор солнечного излучения 1, зеркальную часть вакуумной оболочки 2, отверстие связи 3 для ввода в вакуумную камеру сконцентрированного солнечного излучения, нагреваемое устройство, содержащее нагреваемый элемент 4, аккумулятор тепловой энергии 5, эмиттер термоэмиссионного преобразователя 6, коллектор термоэмиссионного преобразователя 7, теплообменник системы охлаждения коллектора 8, условно показанный в виде радиатора воздушного охлаждения, основание 9, обеспечивающее относительное расположение различных частей солнечной электростанции и герметизацию вакуумной камеры, конструктивный элемент термоэмиссионного преобразователя 10, обеспечивающий относительное расположение эмиттера 6 и коллектора 7, и токоподводы 11, 12 к эмиттеру 6 и коллектору 7 соответственно, конический или параболический концентратор 13.

В качестве концентраторов солнечного излучения могут использоваться все известные концентраторы, в том числе зеркальные, линзовые, многоэлементные, обеспечивающие эффективную концентрацию излучения в фокальное пятно, представляющее собой изображение солнечного диска, искаженное в той или иной мере аберрациями и определяющее форму и размеры отверстия связи. Форма концентратора будет определяться помимо прочего тем, используется ли солнечная электростанция в единичном экземпляре или в качестве отдельного модуля модульной

солнечной электростанции, включающей в себя большее или меньшее число отдельных модулей.

Зеркальная часть вакуумной оболочки солнечной электростанции должна выполняться в виде половины эллипсоида вращения вокруг малой оси, разрезанного по экватору. Такая поверхность в декартовой системе координат X, Y, Z описывается уравнением:

Здесь А - малая полуось образующего эллипса (высота зеркальной камеры), В - большая полуось образующего эллипса (радиус зеркальной камеры). При этом должно выполняться соотношение: здесь R_y - радиус нагреваемой мишени 4 (фиг.1).

В том случае, если поверхность нагреваемого элемента является серой с излучательной способностью заметно меньше единицы, с целью достижения высокой эффективности солнечной электростанции зеркальная часть вакуумной оболочки 2 должна выполняться из материала, имеющего в широком диапазоне длин волн от ближнего ультрафиолетового излучения до дальнего инфракрасного отражательную способность k≥0,85, или иметь соответствующее отражающее покрытие. В том случае, если поверхность нагреваемого элемента имеет в диапазоне длин волн солнечного излучения излучательную способность, близкую к единице, для достижения высокой эффективности солнечной электростанции зеркальная часть вакуумной оболочки 2 может выполняться из материала, имеющего высокую отражательную способность k в диапазоне длин волн излучения абсолютно черного тела с температурой, равной температуре поверхности нагреваемого элемента. Как будет видно из дальнейшего, размеры зеркальной оболочки невелики, что позволяет использовать для покрытия ее внутренней отражающей поверхности не только металлы, обладающие отражательной способностью k≥0,85, но и интерференционные отражающие покрытия.

Вакуумирование зеркальной камеры необходимо для исключения конвективного теплообмена между нагреваемым устройством и зеркальной камерой. Техническое исполнение отверстия связи 3 зависит от условий работы солнечной электростанции. При работе солнечной электростанции в открытом космосе зеркальная камера не нуждается в специальном вакуумировании. В этом случае ввод сконцентрированного солнечного излучения в зеркальную камеру осуществляется

непосредственно через отверстие связи. При работе солнечной электростанции в атмосфере Земли отверстие связи выполняется в виде оптического окна, вакуумноплотно соединенного с зеркальной камерой. С целью достижения эффективности солнечной электростанции, близкой к предельной, оптическое окно желательно исполнить в виде положительной линзы, обеспечивающей проецирование изображения концентратора солнечного излучения на поверхность нагреваемой мишени. Это условие определяет фокусное расстояние ƒ окна-линзы:

здесь L - расстояние от окна до концентратора солнечного излучения, равное (в оптимизированной схеме) фокусному расстоянию концентратора. Форма и размеры отверстия связи выполняются в соответствии с формой и размером фокального пятна, площадь которого много меньше площади поверхности зеркальной камеры.

В солнечной электростанции по первому варианту нагреваемый элемент должен выполняться в виде диска с нагреваемой поверхностью, лежащей в экваториальной плоскости эллипсоидальной зеркальной оболочки, и имеющей диаметр, равный фокусному расстоянию образующего эллипса, С целью достижения эффективности солнечной электростанции, близкой к предельной, в качестве материала нагреваемого элемента желательно использовать материалы с излучательной способностью ε≥0,8. Для достижения максимального значения к.п.д. нагреваемого элемента η_к, характеризующего эффективность преобразования энергии падающего на концентратор солнечного излучения, в тепловую энергию, затрачиваемую на работу термоэмиссионного преобразователя, радиус нагреваемого элемента 4 R_yo (R_y) должен быть минимальным, но настолько большим, чтобы все сконцентрированное солнечное излучение, введенное через отверстие связи, падало на этот элемент,

R_yo=d/2=A×tg_кр+R_св, (1)

для отверстия связи без фокусировки, или

R_y=d/2=A×tgθ_кp, (1a)

для окна связи в виде фокусирующей линзы. Здесь, кроме известных обозначений, R_св - радиус отверстия связи 3 круглой формы, θ_кр - краевой угол концентратора солнечного излучения.

Для круглого концентратора выражения (1), (1а) имеют вид:

где D - диаметр концентратора, а для коэффициента концентрации солнечного излучения ξ справедливо следующеее выражение

В случае идеального концентратора, не имеющего аберраций до значений ξ≅10⁴, соотношение (2) можно представить в виде

где, кроме известных обозначений, γ=32'=0,0093 радиана - угловой размер солнца.

Используя подход, развитый в работе (Батенин В.М., Климовский И.И., Пащенко В.В. Новый подход к созданию солнечных технологических и энергетических устройств // Теплофизика высоких температур, 1997, т. 35, №5, с.807-814), для вычисления эффективности передачи энергии теплоносителю в солнечной электростанции, и полагая, что d = 2R_y = F, можно записать соотношение для эффективныхных поглощательной ε_n и излучательной ε_u способностей устройства

и к.п.д. нагрева мишени η_y

где, кроме известных обозначений. W_C - солнечная постоянная, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т_у - рабочая температура нагреваемого элемента, К_n -коэффициент потерь, учитывающий потери солнечной энергии на концентраторе и

отверстии связи. Соотношение (4) справедливо при условии А²≫R² _cв. Второй член в этом соотношении при прочих равных условиях примерно в четыре раза меньше, чем в случае сферической геометрии, описанной в прототипе (Васильева Н.Н., Вохмин П.А., Климовский И.И., Конев Ю.Б. Свидетельство РФ на полезную модель №22989 «Солнечная электростанция (варианты)». RU 22989 U1 7 F 24 J 2/42).

Если исключить из рассмотрения механические повреждения зеркальной оболочки 2, то ресурс ее работы будет определяться временем, за которое материал нагреваемого элемента 4, испаряющийся при нагреве и переносимый на внутреннюю поверхность зеркальной камеры 2, уменьшит ее коэффициент отражения настолько, что температура поверхности нагреваемого элемента упадет ниже предельно допустимого значения. В целях увеличения ресурса работы солнечной электростанции нагреваемый элемент 4 должен быть изготовлен из материала, имеющего либо очень низкое давление насыщенных паров, либо из такого материала, осаждение которого на внутренней поверхности зеркальной камеры в течение длительного времени не должно сопровождаться недопустимым уменьшением ее отражательной способности. Возможен вариант изготовления отражающей поверхности зеркальной камеры 2 и обращенную к зеркальной части камеры поверхности нагреваемого элемента 4 из одного и того же материала.

В качестве аккумулятора тепловой энергии 5 могут использоваться конденсированные вещества, аккумулирующие тепловую энергию за счет их теплоемкости, либо конденсированные вещества, в том числе и композитные с фазовым переходом (см., например, Маринбах М.А., Пелецкий В.Э., Фокин Л.Р. Преимущества использования высокотемпературных композитных теплоаккумулирующих систем с фазовым переходом // Международный семинар по солнечным энергетическим установкам. Алушта (СССР), 22-26 апреля 1991 г.) при рабочей температуре эмиттера.

Функции различных элементов нагреваемого устройства могут быть совмещены. Например, аккумулятор тепловой энергии может выполнять функцию нагреваемого элемента, а эмиттер термоэмиссионного преобразователя - функцию аккумулятора тепловой энергии.

Конструкция солнечной электростанции по второму варианту, представленная на фиг.2, позволяет увеличить площадь термоэмиссионного преобразователя при сохранении величины эффективности нагрева нагреваемого элемента.

Конструкция солнечной электростанции по третьему варианту, представленная на фиг.3, позволяет не только увеличить объем аккумулятора тепловой энергии, но и оптимизировать площадь термоэмиссионного преобразователя при сохранении величины эффективности нагрева нагреваемого элемента.

Солнечная электростанция по первому варианту работает следующим образом. Солнечное излучение, сконцентрированное концентратором 1, через отверстие связи 3 в зеркальной части вакуумной оболочки 2 попадает на поверхность нагреваемого элемента 4 и частично поглощается им, а частично отражается или рассеивается. Большая часть этого отраженного излучения попадает на отражающую поверхность зеркальной части вакуумной оболочки 2 и возвращается на нагреваемый элемент 4. Большая часть теплового излучения нагреваемого элемента 4 также возвращается к ней зеркальной частью вакуумной камеры 2. В результате названных процессов температура нагреваемого элемента 4 достигает рабочих значений. Вместе с нагреваемым элементом нагреваются до рабочей температуры аккумулятор тепловой энергии 5 и эмиттер 6 термоэмиссионного преобразователя и осуществляется генерирование электроэнергии, которая отводится от эмиттера 6 и коллектора 7 в нагрузку с помощью токоподводов 11, 12 соответственно. Тепло, выделяющееся в коллекторе 7, отводится от него с помощью теплообменника системы охлаждения коллектора 8, выполненной, например, в виде радиатора воздушного охлаждения.

Солнечная электростанция по второму варианту работает следующим образом. Солнечное излучение, сконцентрированное концентратором 1, через отверстие связи 3 в зеркальной части вакуумной оболочки 2 попадает в полость, образованную нагреваемым элементом 4, и частично поглощается им, а частично отражается, попадает на отражающую поверхность зеркальной части вакуумной оболочки 2 и возвращается в полость, образованную нагреваемым элементом 4. Большая часть теплового излучения нагреваемого элемента 4, выходящего из полости, образованной нагреваемым элементом, также возвращается в нее зеркальной частью вакуумной камеры 2. В результате названных процессов температура нагреваемого элемента 4 достигает рабочих значений. Вместе с нагреваемым элементом нагреваются до рабочей температуры аккумулятор тепловой энергии 5 и эмиттер 6 термоэмиссионного

преобразователя и осуществляется генерирование электроэнергии, которая отводится от эмиттера 6 и коллектора 7 в нагрузку с помощью токоподводов 11, 12 соответственно. Тепло, выделяющееся в коллекторе 7, отводится от него с помощью теплообменника системы охлаждения коллектора 8, выполненной, например, в виде радиатора воздушного охлаждения.

Солнечная электростанция по третьему варианту работает следующим образом. Одна часть солнечного излучения, сконцентрированного концентратором 1, через отверстие связи 3 в зеркальной части вакуумной оболочки 2 попадает на нагреваемый элемент 4 и частично поглощается им, а частично отражается, попадает на отражающую поверхность зеркальной части вакуумной оболочки 2 и возвращается на нагреваемый элемент 4. Большая часть теплового излучения нагреваемого элемента 4 также возвращается к ней зеркальной частью вакуумной камеры 2. Другая часть солнечного излучения, сконцентрированного концентратором 1, через отверстие связи 3 в зеркальной части вакуумной оболочки 2 попадает на зеркальный отражатель 13 и от него на боковые поверхности нагреваемого элемента 4 и аккумулятора тепловой энергии 5 и частично поглощается ими, а частично отражается, попадает на на зеркальный отражатель 13, а затем - на отражающую поверхность зеркальной части вакуумной оболочки 2 и также за счет последовательного отражения от зеркальной части вакуумной камеры 2 и зеркального отражателя 13 возвращается на боковые поверхности нагреваемого элемента 4 и аккумулятора тепловой энергии 5. Большая часть теплового излучения боковых поверхностей нагреваемого элемента 4 и аккумулятора тепловой энергии 5 также возвращается на поверхность нагреваемого элемента за счет отражения от зеркальной части вакуумной камеры 2. В результате названных процессов температуры нагреваемого элемента 4 и аккумулятора тепловой энергии 5 достигают рабочего значения. Вместе с нагреваемым элементом и аккумулятором тепловой энергии нагревается до рабочей температуры эмиттер 6 термоэмиссионного преобразователя и осуществляется генерирование электроэнергии, которая отводится от эмиттера 6 и коллектора 7 в нагрузку с помощью токоподводов 11, 12 соответственно. Тепло, выделяющееся в коллекторе 7, отводится от него с помощью теплообменника системы охлаждения коллектора 8, выполненной, например, в виде радиатора воздушного охлаждения.

К.п.д. термоэмиссионного преобразователя определяется соотношением (Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974)

где, кроме известных обозначений, φ_э и φ_к - работы выхода в В эмиттера и коллектора, J_э, и J_к, - плотности токов, эмиттируемых эмиттером и коллектором; γ_э и γ_к -коэффициенты отражения электронов от потенциальных барьеров эмиттера и коллектора; А₀ - постоянная Ричардсона; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; ε_эфф - эффективная излучательная способность эмиттера в направлении коллектора (Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974); Т_э - рабочая температура коллектора, определяемая балансом энергии, выделяющейся в нем при работе ТЭП и энергии, отводимой от него системой охлаждения.

С целью обеспечения значения к. п.д. термоэмиссионного преобразователя, близкого к предельному, должно выполняться соотношение

Левая часть неравенства (6) характеризует плотность мощности, вырабатываемой термоэмиссионным преобразователем, правая - плотность мощности излучения эмиттера в направлении коллектора.

Предполагая, что для обеспечения к.п.д. термоэмиссионного преобразователя, близкого к предельному, левая часть неравенства (6) должна быть в десять раз больше правой, пренебрегая, кроме того, потоком электронов с коллектора и полагая (φ_э-φ_к)=1 В, γ_к=0, ε_эфф=0,2, получаем из (6), что при изменении температуры эмиттера Т_э от 700 до 1700 К работа выхода эмиттера φ_э, обеспечивающая к.п.д. термоэмиссионного преобразователя, близкий к предельному, изменяется в пределах от 1 до 2,2 В. В

указанном диапазоне находятся работы выхода окиси серебра с цезиевым покрытием (φ=1,0-1,2 В), цезия (φ=1,81 В) и гексаборида иттрия (φ=2,2-3,58 В). Эффективную работу выхода примерно от 1,6 до 2,2 В имеют тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден и др.) в атмосфере паров цезия в диапазоне отношений температур эмиттера к температуре резервуара с цезием T_Сs примерно от 1,7 до 2,8 (Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974);

Для обеспечения значений к.п.д. ТЭП, близких к предельным, работа выхода коллектора в зависимости от его температуры должна лежать в пределах от 0,4 до 0,7 В. Возможно, что в будущем в качестве материала коллектора можно будет использовать металлические субстраты с выращееными на них алмазоподобными пленками, имеющими, в зависимости от технологии производсвта, очень низкие и даже отрицательные работы выхода (Himpsel F.J., Knapp J.A., VanVechten J.A., Eastman D.E. Quantum photoyield ofdiamond(111)-A stable negative-affinity emitter // Phys. Rev. B, 1979. Vol. 20, №2. P.624-627. Pate B.B. The diamond surface: atomic and electronic structure // Surf. Sci., 1986. Vol. 165. P.83-142.). В настоящее время такие пленки характеризуются достаточно низким удельным сопротивлением до 10^-3 Ом**см (J.C. Angus, H.B. Martin, U. Landau, Y.E. Evstefeeva, B. Miller, N. Vinokur, Conducting diamond electrodes: applications in electrochemistry. New Diamond Front // Carbon TechnoL, 1999. Vol. 9, P.175-187). Увеличение плотности тока эмиссии такими поверхностями до 10 А/см² позволит использовать их в солнечной электростанции также в качестве эмиттера термоэмиссионного преобразователя.

Конкретное исполнение системы охлаждения коллектора определяется температурой коллектора и уровнем мощности, которую необходимо отвести от коллектора, и габаритами зеркальной камеры и нагреваемого устройства. На фигурах 1, 2, 3 представлена система охлаждения, выполненная в виде воздушного радиатора. Однако тепло от коллектора может отводиться с помощью тепловой трубы и далее либо рассеиваться с помощью радиаторов, либо утилизироваться каким-либо иным способом.

Назначение окна, закрывющего отверстие связи 3 и основания 9, герметично соединенных с зеркальной оболочкой 2 и термоэмиссионным преобразователем, заключается в обеспечении возможности вакуумирования образовавшейся полости, что позволяет устранить конвективное охлаждение нагреваемого элемента 4 и других

элементов термоэмиссионного преобразователя. Исполнение окна в виде положительной линзы проецирующей изображение концентратора на поверхность нагреваемого элемента позволяет также уменьшить размеры последнего, обеспечить его однородный нагрев и, как следствие, повысить эффективность солнечной электростанции. Кроме того, назначение основания 9 и конструктивных элементов 10 заключается в обеспечении взаимного расположения нагреваемого элемента 4, аккумулятора тепловой энергии 5, эмиттера 6, коллектора 7 и системы охлаждения 8, а также в предотвращении потерь тепловой энергии с перечисленных частей на систему охлаждения коллектора 7 и токоподводы 11 и 12 соответственно к коллектору 7 и эмиттеру 6. Токоподводы 11, 12 предназначены для электрического соединения эмиттера и коллектора с электрической нагрузкой.

Оценим к.п.д. солнечной электростанции с окном 3 в виде фокусирующей линзы, достижимый с существующими в настоящее время материалами. Предположим, что в качестве эмиттера 6 используется тугоплавкий металл с эффективной работой выхода φ_э=1,8 эВ, а в качестве коллектора 7 окись серебра с цезиевым покрытием с работой выхода φ_к=1 В. Поскольку рабочая температура коллектора 7 должна быть близка к температуре резервуара с цезием, предположим, что Т_к=Т_э/2,2. Остальные параметры, используемые в расчетах будем полагать следующими: k=0,85, К_п=0,2, γ_э=γ_к=0, ε_эфф=0,1, R_y/F=0,015, F=100 см, R_С=γ×F/2=0,5 см. ξ=10⁴, W_С=1 кВт/м². Согласно расчету по соотношениям (1)-(5) солнечная электростанция имеет следующие параметры: D/2=32 см, R_y=1,5 см, А=4,7 см, В=4,9 см, η_y=0,96, Т_э=1300 К, J_э=21,3 А/см², Т_к=590 К, η_np=0,38, к.п.д. солнечной электростанции η_сэс=η_зη_пр=0,36, мощность солнечной электростанции W_cэс=93 Вт.

Учитывая, что

где S_э и К_э - соответственно площадь рабочей поверхности и радиус эмиттера 6, можно получить из (7), что К_э=1,25 см.

Полагая, что мощность, рассеиваемая радиатором системы охлаждения, равна мощности, отводимой от коллектора, а температура равна температуре коллектора, можно получить потребную площадь излучения радиационного радиатора S_p.

Подстановка численных значений дает S_p=237 см², что легко реализуемо. Так суммарная площадь наружных поверхностей основания с диаметром равеным экваториольному диаметру 2В эллиптического зеркала 2 и самого зеркала превышает 220 см². Это означает, что базовая плата совместно с зеркальной камерой и прочими конструктивными элементами может выполнять роль радационной системы охлаждения.

В предположении, что в качестве материалов эмиттера 6 и коллектора 7, используются материалы с работами выхода, лежащими в ранее приведенных оптимальных интервалах значений, а также, что k=0,85, К_п=0,2, φ_к=0,5 В, γ_э=γ_к=0, Т_к=300 К, ε_эфф=0,2, R_ylF=0,015, F=100 см, R_С=γ×F/2=0,5 см, ξ=10⁴, W_С=1 кВт/м², с помощью соотношений (1) - (5), (7) были оценены габариты и энергетические характеристики солнечной электростанции. Из оценок следует, что при сформулированных условиях солнечная электростанция имеет следующие параметры: радиус концентратора D=64 см, R_y=1,5 см, А=4.7cm, В=4,9 см, η_з=0,96, Т_э=1300 К, φ_э=1,75 В, J_э=32,4 А/см², R_э=0,78 см, η_np=0,6, к.п.д. солнечной электростанции η_СЭС=η_зη_пр=0,58, мощность солнечной электростанции W_СЭС=148 Вт.

Увеличение отражательной способности зеркальной камеры не приведет к заметному росту мощности и к.п.д. солнечной электростанции. К увеличению к.п.д. солнечной электростанции будут приводить увеличение температуры эмиттера и уменьшение радиуса нагреваемого устройства R_y.

Снижение оптического качества коцентратора приводит к уменьшению коэффициента концентрации солнечного излучения ξ, что в соответствии с соотношением (4) должно приводить к снижению мощности и к.п.д. солнечной электростанции. Это снижение к.п.д. можно компенсировать уменьшением радиуса нагреваемого устройства.

Claims

1. Солнечная электростанция, содержащая концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода сконцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера, отличающаяся тем, что вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор выполнены в виде плоских круглых слоев, центры которых расположены вдоль оси эллипсоида вращения, а диаметр нагреваемого элемента выполнен равным межфокусному расстоянию эллипса, образующего эллипсоид вращения, незеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде основания, снабженного конструктивными элементами, обеспечивающими взаимное расположение различных элементов солнечной электростанции относительно друг друга.

2. Солнечная электростанция, содержащая концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода сконцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера, отличающаяся тем, что вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, а нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор выполнены в виде круглых полых цилиндров, снабженных дном со стороны, противоположной отверстию связи, и расположенных таким образом, что их оси совпадают с осью эллипсоида вращения, а внутренний диаметр нагреваемого элемента равен межфокусному расстоянию эллипса, образующего эллипсоид вращения, незеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде основания, снабженного конструктивными элементами, обеспечивающими взаимное расположение различных элементов солнечной электростанции относительно друг друга.

3. Солнечная электростанция, содержащая концентратор солнечного излучения, преобразователь солнечной энергии в тепловую, аккумулятор тепловой энергии и преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом преобразователь солнечной энергии в тепловую выполнен в виде вакуумной камеры с отверстием связи для ввода скоцентрированного солнечного излучения и нагреваемого устройства, содержащего нагреваемый солнечным излучением элемент, аккумулятор тепловой энергии, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной нагреваемого элемента, эмиттер термоэмиссионного преобразователя, находящийся в тепловом контакте с обращенной к нему стороной аккумулятора тепловой энергии, и коллектор термоэмиссионного преобразователя, расположенный напротив обращенной к нему стороны эмиттера, отличающаяся тем, что вакуумная камера состоит из зеркальной и незеркальной частей, зеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде половины, от полюса до экватора, эллипсоида вращения вокруг малой оси, нагреваемый элемент выполнен в виде полого цилиндра, снабженного со стороны отверстия связи дном и содержащего в себе аккумулятор тепловой энергии, эмиттер и коллектор выполнены в виде плоских круглых слоев, оси нагреваемого элемента, аккумулятора тепловой энергии, эмиттера и коллектора совпадают с осью эллипсоида вращения, нагреваемый элемент снабжен коническим или параболическим зеркальным отражателем, имеющим ось, совпадающую с осью эллипсоида вращения, и расположенным между плоскостью, в которой лежит обращенная к зеркальной части камеры поверхность нагреваемого элемента, и плоскостью, в которой лежит граница раздела аккумулятора тепловой энергии и эмиттера, диаметр зеркального отражателя в плоскости границы раздела аккумулятора тепловой энергии и эмиттера превышает наружный диаметр нагреваемого элемента настолько, чтобы исключить возможность касания зеркального отражателя и нагреваемого элемента, а в плоскости, совпадающей с обращенной к зеркальной части камеры поверхностью нагреваемого элемента, диаметр зеркального отражателя d_отр удовлетворяет условию d<d_отр=F_e, где d - диаметр нагреваемого элемента, F_e - межфокусное расстояние эллипса, образующего эллипсоид вращения, незеркальная часть вакуумной камеры выполнена в виде основания, снабженного конструктивными элементами, обеспечивающими взаимное расположение различных элементов солнечной электростанции относительно друг друга.