Начало термоэлектрической гелиоэнергетике, рассматривающей вопросы непосредственного преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью термоэлектрических установок, в нашей стране положили работы
В. К. Цераского. С первых лет существования Советской власти большое внимание уделялось исследованиям в области гелиотехники, поискам путей эффективного использования солнечной энергии для нужд народного хозяйства. Энергия излучения Солнца рассматривалась как один из видов естественных производительных сил.
Согласно В. А. Бауму все солнечные энергоустановки можно разделить на две группы: с непосредственным использованием падающей солнечной энергии и с ее концентрацией [12].
К первому типу относится одна из первых разработок солнечных термогенераторов, выполненная советскими исследователями. В 1955 г. в ЭНИНе В. А. Баумом и А. С. Охотиным создан солнечный термогенератор, получивший маркировку СТГ-1. Установка испытывалась на экспериментальной базе института в Ташкенте. Генератор был смонтирован из стандартных термоэлементов, представляющих бруски из сурьмянистого цинка сечением 5 мм2, длиной 24 мм, в верхние и нижние концы которых запрессовывались проволоки сечением 1,8 мм. Мощность солнечного термогенератора составляла около 0,2 Вт, КПД термоэлементов был равен 0,1, суммарный КПД установки — 0,03 %. Конструкция генератора не позволяла получить КПД больше 0,5 % вследствие малого перепада температур, достигаемого между горячими и холодными спаями. При разработке следующей модели солнечного термогенератора для получения приемлемых характеристик использовались концентрированные солнечные лучи. Для этого в солнечном термогенераторе СТГ-2 вместо зачерненной медной плиты для нагрева горячих спаев использовалось параболоидное зеркало с площадью поверхности 3,14 м2. Термогенератор можно было передвигать вдоль главной оптической оси зеркала, изменяя таким образом плотность лучистого потока, падающего на горячие спаи. Разность температур при такой конструкции с увеличенным расходом охлаждающей воды достигала 400 °С, во внешней цепи генератора вырабатывалась мощность около 19 Вт при силе тока 0,9 А и напряжении 21 В, что соответствовало КПД термоэлементов 3,45 %, а КПД всей установки составлял 0,8 % [14].
В 1959 г. в Ташкенте испытывался 10-ваттный термогенератор Г. А. Алатырцева с фацетным концентратором и водяным охлаждением, состоящий из 108 термоэлементов, отрицательная ветвь которых выполнялась из теллурида висмута, положительная — из теллурида висмута с добавкой теллурида сурьмы. Горячие спаи термоэлементов представляли открытую плоскую поверхность площадью 0,016 см2, размеры концентратора 1,12 м2. Недостатком этой конструкции являлся неравномерный нагрев спаев (250—370 °С) [5].
В этот же период велись работы по созданию термоэлектрических гелиоустановок в Институте полупроводников АН СССР. Солнечный термогенератор Воронина (рис. 4.31) содержал несколько алюминиевых рефлекторов, каждый размером с автомобильную фару.
Рис. 4.31. Солнечный термогенератор Воронина [20]:
1 — параболический рефлектор; 2 — приемник солнечного тепла; 3 - термоэлемент; 4 — теплоотвод.
В фокусе рефлектора помещался один термоэлемент, установленный на металлической ножке, служащей тепло- и токопроводом и имеющий хороший тепловой контакт с рефлектором. В данной конструкции рефлектор выполнял две функции — концентратора солнечных лучей и рассеивателя тепла в окружающую среду. КПД этой установки составлял 4%, ее мощность — несколько десятков ватт [20].
В середине 60-х годов в ЭНИНе была разработана и построена опытная водоподъемная установка СВ-1 с полупроводниковым термогенератором для подъема воды из колодцев. Термогенератор вырабатывал электрический ток напряжением 20 В и силой 25 А и служил источником питания двигателя постоянного тока, приводящего в движение насос. Установка испытывалась на опытной базе Физико-технического института АН ТССР [59].
Устройство, имитирующее часть однокиловаттного солнечного термогенератора и предназначенное для испытания конструкции термоэлементов (рис. 4.32), было создано в 1968 г. Г. А. Алатырцевым, В. А. Баумом, Ю. Н. Малевским и Н. Г. Милевской. Ветви р- и n-типа каждого термоэлемента жестко крепились по холодной стороне на торце цилиндра из алюминия. Такое конструктивное выполнение термоэлементов обеспечивало минимальное тепловое сопротивление при передаче тепла от холодных спаев к теплоносителю. Мощность экспериментального образца из сплавов на основе свинца и селена при рабочем перепаде температур 350° составляла 5,4 Вт, КПД достигал 2,5 % [4].
В Узбекистане разрабатывались солнечные термоэлектрические установки с цилиндрическими гелиоприемниками и водяным охлаждением. Здесь концентраторы представляли собой прожекторные стеклянные зеркала диаметром 1,5 м. Один из термогенераторов мощностью 35 Вт был снабжен алюминиевым гелиоприемником в виде двадцатигранной призмы с цилиндрической полостью [10, 59].
Исследования А. И. Воронина, В. А. Баума, А. С. Охотина, Г. А. Алтырцева, ΙΟ. Н. Малевского и др. показали, что КПД и выходная мощность термогенератора, обогреваемого концентрированными солнечными лучами, уменьшаются вследствие неравномерного распределения лучистых потоков на поверхности горячих спаев термогенератора. Кроме того, неравномерный нагрев горячих спаев приводит к появлению трещин в термоэлементах, что снижает надежность термоэлектрической цепи. Методы выравнивания лучистых потоков на поверхности горячих спаев включали, в частности, оптимизацию геометрии приемника, разработанную в 1960 г. Д. И. Тепляковым и Р. Р. Апариси. В 1965 г. X. Т. Акрамов провел аналитический анализ ухудшения технико-экономических характеристик, вызываемого неравномерностью нагрева, без учета, однако, температурной зависимости термоэлектрических свойств материалов [2]. Ю. Н. Малевский и Н. Г. Милевская в 1968 г. рассмотрели вопрос влияния на КПД солнечного термогенератора линейного распределения теплового потока, принимая во внимание температурную зависимость свойств термоэлектрических материалов [49]. Оптимальный режим работы солнечного термогенератора с учетом влияния тепловых контактов был изучен в начале 60-х годов Б. Аразмедовым [9]. Он также исследовал вопросы влияния режимов охлаждения на энергетические характеристики солнечного термоэлектрогенератора и изучал работу солнечных термоэлектрических установок при различных плотностях лучистого потока [7, 81.
Рис. 4.32. Конструкция солнечного термогенератора с концентратором [4]:
- — уплотняющее кольцо из вакуумной резины;
- — цилиндры из алюминия; 3 — электроизолирующая прокладка; 4 — отражающий экран; 5 — коммутационные пластины; 6 — компенсатор расширения; 7 — ветви термоэлемента; 8 — пластмассовый корпус; 9 — уплотняющая гайка из электроизоляционного материала; 10 — коммутационная шина.
Разработка инженерных методов расчета режима работы и оптимизации весовых и энергетических характеристик солнечного термогенератора с естественным охлаждением была проведена в 1966 г. X. Т. Акрамовым и Ю. Н. Малевским [3].
В 1966 г. А. И. Кулагиным, Н. В. Маковым и Н. И. Эрзиным (Институт электроники АН УзССР) был предложен новый способ достижения равномерного нагрева горячих спаев термогенератора, который обеспечивал меньшие потери энергии и более полное выравнивание, чем другие применявшиеся в то время методы. Ими было показано, что более эффективно температуры можно выравнивать путем перераспределения тепловых потоков в самом гелиоприемнике, заполнив его полость газом и выполнив стенки в виде водяных прослоек.
Кроме того, для выравнивания температуры на горячей стороне солнечного термогенератора, как показали исследования, можно применять двухслойную стенку, слои которой имеют разную толщину и изготавливаются из материала с разной теплопроводностью. Такой метод выравнивания температур был испытан на термогенераторе мощностью 10 Вт, в котором гелиоприемник выполнен в виде двенадцатигранной призмы с цилиндрической полостью. Высота приемника составляла 50 мм, диаметр 60 мм и толщина стенки 15 мм. Термоэлементы изготавливались из тройных сплавов на основе теллурида висмута. Термогенератор был рассчитан на работу с длиннофокусным пленочным концентратом, разработанным Физико-техническим институтом АН УзССР [45].
Как показали исследования, проведенные в 1965—1968 гг. Г. Б. Абдуллаевым, А. З. Кулиевым, Π. Р. Файзиевым и А. С. Охотиным, неравномерность обогрева горячих спаев термоэлементов с точностью, приемлемой для практических Целей, можно устранить использованием разновысоких термоэлементов, работающих при больших концентрациях теплового потока [1].
Практически достигнутый к концу 60-х годов советскими специалистами КПД солнечных термогенераторов, изготовленных из известных среднетемпературных термоэлектрических материалов, как сообщалось на 7-й Мировой энергетической конференции
В. А. Баумом и другими, составлял 5 %. При изготовлении каскадного солнечного термогенератора из материалов, разработанных в ЭНИНе, КПД экспериментальных образцов достигал 10 % [13].
За рубежом к исследованиям в области солнечной термоэнергетики приступили к середине 50-х годов. Одними из первых солнечных термогенераторов в США являлись установки, разработанные в 1954 г. М. Телкес. В своих разработках она использовала полупроводниковые материалы различных составов. Наилучшие результаты были получены с термоэлементами из сурьмянистого цинка с примесями олова, серебра и висмута для положительных ветвей и сплава висмут — сурьма для отрицательных ветвей. Мощность устройства составляла 0,156 Вт [68].
В 1959 г. сотрудники фирм «Вестингхауз» и «Боунинг» Н. Шу и Р. Таллент разработали термогенератор в качестве концентратора солнечной энергии, в котором использовалось цилиндрическое зеркало. Термоэлементы помещались в оболочку, наполненную инертным газом. Однако ресурсные испытания этого термогенератора показали непригодность такой конструкции для энергообеспечения космических аппаратов [129].
Другим конструктивным подходом для создания солнечных космических термогенераторов явилась разработка плоских панельных термогенераторов. Начало этому положили исследования сотрудника фирмы «Дженерал атомик» М. Стерна в 1959 г. Годом позже на конференции по источникам энергии для космических установок (Санта-Моника, США, 1960) Р. Кампайна и Дж. Роусс сообщили о разработке солнечного термогенератора такого типа, предназначенного для энергоснабжения космических установок на орбитах Венеры и Марса [98].
Несмотря на относительно низкий КПД солнечных плоских термогенераторов (2—2,5 % при КПД термоэлементов 3,5—5,5 %), они имели ряд преимуществ, а термоэлектрические панели характеризовались более подходящими показателями массы на единицу мощности, чем такие же по мощности фотоэлектрические преобразователи. Кроме того, разработанные термогенераторы имели более высокую надежность по сравнению с фотопреобразователями при повышенных температурах и радиационном воздействии на материалы.
Проблеме минимизации массы термогенератора, предназначенного для работы в космических условиях, были посвящены исследования сотрудников фирмы «Дженерал электрик» Д. Керра и Р. Гесснера в конце 50-х годов [127].
Дальнейшее развитие плоские солнечные термогенераторы для космических целей получили в начатых в 1965 г. разработках сотрудников фирмы «Мелпар» и Годдаровского исследовательского центра военно-воздушных сил США Н. Фушилло, Р. Гибсона, Ф. Эгглестона, Дж. Эпстейна и др. Были исследованы методы оптимизации конструкции и материалов для применения термогенераторов в качестве вспомогательной энергетической системы в космических установках как на околоземных орбитах, так и при исследовании космического пространства на орбитах Венеры и Меркурия.
Для военно-воздушных сил США в этот же период фирмой «Дженерал инструмент» были изготовлены панели термоэлектрических генераторов космического назначения. Панель представляла многослойную структуру из теллурида висмута, слои которого чередовались со слоями алюминиевой фольги. Общая вырабатываемая электрическая мощность, по оценкам специалистов, могла доходить до 10 кВт. Для накопления энергии при орбитальных полетах предполагалось использовать теплоотдачу жидкого лития, расплавленного в солнечных лучах и охлаждающегося в теневой части полета. Применение теплового аккумулятора в конструкции солнечного термогенератора было осуществлено также в разработках фирмы «Райт» сотрудниками Р. Лэнгом и Б. Любиным и фирмы «Вестинг- хауз» сотрудниками П. Кьюзером, Дж. Мак-Кабрия и Д. Номером [59, 76, 129, 133].
Плоские солнечные термогенераторы получили развитие в разработках фирмы РКА. В 1968 г. сотрудниками этой фирмы В. Раагом, Р. Берлином, В. Бифано были разработаны математическая модель и методика расчетного анализа конструкционных характеристик (удельная мощность, вес, рабочие температуры) солнечного плоскопараллельного термоэлектрического генератора. На 3-й Межотраслевой конференции по преобразованию энергии (Боулдер, США, 1968) эти исследователи сообщили о разработке термогенераторов такого типа, предназначенных для приближения к Солнцу на расстоянии 0,25 астрономических единиц. При расчетной мощности 150 Вт масса генератора из сплава германий — кремний составляла 5,4 кг [155].
Фирма «Юнайтед эйркрафт» изготовила для военно-воздушных сил США солнечный термогенератор мощностью 100 Вт, аналогичный по конструкции термогенератору Воронина. Создание этой установ-, ки явилось первым этапом в дальнейшем изготовлении солнечного преобразователя мощностью 1500 Вт, для разработки которого потребовалось 7000 рефлекторов, занимающих площадь 1750 см2 [79].
Существенные успехи в развитии солнечной термоэнергетики были достигнуты во Франции. В 1960 г. вблизи Тулона вступил в строй солнечный термогенератор площадью 17 м2, разработанный и изготовленный ЦСФ. Термогенератор был выполнен из сплава теллур — висмут, его горячие спаи приваривались к зачерненной металлической пластинке и нагревались до 140 °С, холодные спаи были приварены к другой, теплоотводящей металлической пластинке с ребристой поверхностью, находящейся при температуре на 20—25 °С выше температуры окружающей среды. Предполагалось, что солнечные термогенераторы такого типа найдут широкое применение в электронно-передаточных системах, телесвязи в пустынных и полупустынных районах, в воздушной и морской навигации [131].
Исследователями всего мира ведется большая работа по рациональному конструированию солнечных термогенераторов как плоского типа, так и с применением различных концентраторов. Пути повышения эффективности солнечных термопреобразователей за счет оптимизации расхода термоэлектрического материала были изучены в 1978—1982 гг. румынскими физиками X. Минти, Д. Морару и М. Фауром [144]. Влияние скорости ветра, искусственного обдува холодных спаев, ячеистых тепловых ловушек, различной высоты термоэлементов, применения различных типов остекленения и других факторов на работу плоских солнечных термогенераторов было проанализировано советскими исследователями, сотрудниками ЭНИНа И. И. Коховой, А. И. Цветковым, Ч. Агабаевым [43] и др. Полный КПД солнечного термогенератора с линзой Френеля в качестве концентрирующей оптической системы был рассчитан и экспериментально проверен сотрудниками университета штата Нью- Мехико М. Кобблом, Н. Смитом, Э. Сэсером. Они показали, что КПД термоэлектрической солнечной энергоустановки в идеальном случае должен приблизиться к 15 % [102].
Большое количество исследовательских работ посвящено совершенствованию конструкций солнечных термогенераторов. Так, в 1978 г. итальянский специалист II. Каннели разработал конструкцию солнечного термогенератора с абсорбционным холодильником для отвода тепла от холодных спаев [99].
Для выработки тока высокого напряжения X. Трибель и Н. Пиккель разработали солнечный термогенератор, использовав термопары из тонких металлических полосок Константина и никеля. В этом случае при перепаде температуры 150° с 1 м2 поверхности устройства можно получить напряжение до 7000 В при токе 0,007 А [171].
Австралийский физик К. Ландекер изготовил эффективный солнечный термоэлектрический преобразователь с термоэлементами в виде дисков [132[. Термобатареи с коммутационными электродами клиновидного сечения для солнечных термогенераторов разработали
А. Брандстеттер и Г. Екутели. Такой подход к коммутации позволяет повысить плотность теплового потока на термоэлементах. Расчетный КПД для установки мощностью 35 Вт составлял 5,8 % [95].
Максимальный КПД современных солнечных термогенераторов, как сообщалось на Международном симпозиуме по преобразованию солнечной энергии (Каир, Египет, 1978), достигает 20 %, причем это значение получено на новом термоэлектрическом материале — бориде кремния [80]. Улучшение конструкций термобатарей, усовершенствование концентраторов солнечного излучения, использование новых эффективных материалов позволяет удешевить производство электроэнергии посредством термоэлектрических солнечных установок и расширить область их применения. В Институте по исследованию солнечной энергии (США) разработан проект солнечного термогенератора мощностью 400 МВт, собранного из модулей мощностью 30 кВт, работающих при перепаде температур между горячими и холодными спаями 20° с КПД, составляющим 20 % предельного КПД цикла Карно. Такой термогенератор, для которого должен быть сооружен специальный солнечный пруд, целесообразно использовать для питания ирригационных насосов, большая часть которых в настоящее время приводится в действие дизельными моторами [90].
В Японии проектируются солнечные термоэлектрические промышленные системы для получения водорода путем электролиза морской воды. Водород образуется в зоне катода электролизера, контактируемого с холодными спаями генератора, охлаждаемыми морской водой. Установка размерами 2x2 км, размещенная на поверхности океана в зоне экватора, будет производить около 350 млн. м3 водорода в год [73].
Следует отметить, что в конце 60-х годов солнечные термогенераторы по своим технико-экономическим характеристикам уступали солнечным фотопреобразователям. Спустя десять лет на Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1977) большой интерес вызвал доклад советских ученых Н. В. Коломойца, М. А. Маркмана, Ю. Н. Малевского и В. М. Ржевского о создании солнечного генератора удельной мощностью 35 Вт/м2 с термобатареей трубчатого типа и параболическим концентратором, который более экономичен, чем солнечные батареи [39].
