Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Электрические солнечные энергетические установки различаются по принципу преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотоэлектрическая установка – это солнечная батарея, термоэлектрическая установка – это солнечный термоэлектрогенератор, термоэмиссионная установка – это термоэмиссионный преобразователь энергии (солнечная энергетическая станция). Низкотемпературные солнечные энергетические установки, преобразуя солнечную радиацию естественной плотности, вырабатывают горячую воду с температурой не более 70 °С. Также вырабатывают пары таких жидкостей, как фреон, хлорэтил, которые работают в холодильных машинах. Высокотемпературные солнечные энергетические установки преобразуют солнечную радиацию с искусственно повышенной плотностью (в 100 000 раз). Плотность увеличивается при помощи гелиоконцентраторов. Электрические солнечные энергетические установки в космосе снабжают электроэнергией искусственные спутники и космические корабли. Но на Земле они еще имеют не такое широкое распространение, так как обладают высокой стоимостью. Но со временем, при нехватке минерального топлива и с возникающими экологическими проблемами, их применение имеет перспективу.

Солнечный термоэлектрический генератор

Солнечный термоэлектрический генератор – модификация солнечной энергетической установки, преобразующая солнечную энергию в электрическую. Конструкция состоит из термоэлектрического генератора, системы, концентрирующей энергию солнечной радиации, системы, наблюдающей за движением Солнца, механической опоры. Гелиоконцентратор увеличивает плотность теплового солнечного потока, который проходит через термоэлемент. Плотность увеличивается и с помощью теплопроводных пластин с площадью большей, чем поперечное сечение термоэлемента. Свойства полупроводников термоэлемента определяют КПД солнечного термоэлектрогенератора. По способу концентрации плотности солнечные термоэлектрогенераторы бывают оптические и панельные. Солнечные термоэлектрогенераторы используются для обеспечения энергией устройств, имеющих небольшую мощность, не более нескольких сотен ватт (например, космические аппараты, некоторые сельскохозяйственные устройства).

Сопло

Сопло – канал, определяющий необходимое направление и разгон потока газа или жидкости, способный также вырабатывать струи жидкостей или газов. Имеет специальную форму поперечного сечения – произвольную, прямоугольную, плоскую, круглую, пространственную, симметричную. Сопло – это часть очень многих технических устройств – газодинамических установок и стендов, аэродинамических труб, воздушно-реактивных двигателей, струйных аппаратов, расходометров. Оно обеспечивает дутьевые процессии и образование пучков молекул в химических реакциях и приборах. Конструкция сопла зависит от его технического назначения, способа образования газового или жидкостного потока. Сопла двигателей ракет дают большой импульс потока газа на выходе при определенных габаритах сопла; сопло аэродинамических труб дает равномерный газовый поток. Принцип действия сопла состоит в непрерывном увеличении скорости газа или жидкости по течению. Но с увеличением скорости непрерывно понижаются давление и температура газа или жидкости до минимальных значений при выходе из сопла. Поэтому сопло имеет сужающуюся форму.

Площадь его поперечного сечения уменьшается с увеличением скорости. В дозвуковом сопле площадь поперечного сечения уменьшается для получения необходимого разгона жидкости или газа. В сверхзвуковом сопле площадь поперечного сечения сначала уменьшается, но потом на выходе расширяется. В дозвуковом сопле давление на выходе равняется давлению окружающей среды. Скорость сначала возрастает на выходе, но с достижением давлением определенной величины стабилизируется и остается постоянной. Средняя скорость течения в дозвуковом сопле равняется скорости звука, и дозвуковое сопло становится звуковым – такая скорость называется критической. Сверхзвуковое сопло имеет такую же форму, что и критическое, у него самое узкое поперечное сечение. Скорость на выходе определяется отношениями площадей критического сечения и выходного сечения, изменения давления не оказывают влияния на скорость. Скорость на выходе можно менять при постоянной площади выходного сечения, изменяя площадь критического сечения специальными механическими устройствами. Такие регулируемые сопла имеют переменную скорость в выходном сечении и широко применяются в различных технических устройствах. В сверхзвуковом сопле давление на выходе может равняться давлению в окружающей среде – это ракетный режим течения. Но если оба эти давления не равны, то это уже не расчетный режим течения, это может образовать волны разрежения. Чтобы не допускать значительного снижения давления и температуры газа, проводят специальный расчет, учитывающий неравномерные термодинамические переходы и наличие в потоке газа примесей. Такие расчеты осуществляются с помощью ЭВМ. Дальнейшее развитие использования сопла направлено на расширение научных, экспериментальных разработок, связанных с его устройством и работой.

Стирлинга двигатель

Стирлинга двигатель – двигатель внешнего сгорания. Был изобретен в 1816 г. в Англии изобретателем Р. Стирлингом, затем внедрен в 1840 г. Свое название двигатель получил по его имени. Двигатель имел внешний подвод и преобразовывал тепловую энергию в механическую работу, незамкнутый цикл и работал на подогреваемом воздухе. У него были несовершенный теплообменник, большие габариты и масса. Этот двигатель не получил дальнейшего распространения. Но впоследствии были созданы двигатели внешнего сгорания, использующие в своей работе так называемый цикл Стирлинга. Это замкнутый регенеративный цикл последовательно чередующихся процессов – двух изохорических и двух изотермических. Конструкция двигателя внешнего сгорания включает нагреватель, охладитель, поршни (вытеснитель и рабочий), регенератор, горячую и холодную полости, зубчатые колеса для регулировки работы поршней, ромбический механизм. Двигатель внешнего сгорания отводит воду от нижней холодной полости. Вода циркулирует в охладителе. Каналы, проходящие через охладитель, нагреватель и регенератор, соединяют между собой холодную и горячую полости. Два поршня (один рабочий, другой вытеснитель) находятся в цилиндре двигателя. Работа двигателя внешнего сгорания состоит в цикле из четырех тактов. Первый такт: рабочий поршень движется вверх и в нижней полости сжимает рабочее тело, вытеснитель пока неподвижен. Когда рабочий поршень выполнит сжатие газа, он останавливается. Второй такт: вытеснитель движется вниз, при этом из нижней полости в верхнюю перемещается сжатый газ, регенератор и нагреватель нагревают газ. Третий такт: газ расширяется в верхней полости, совершая полезную работу, и оба поршня направляются вниз. Четвертый такт: вытеснитель движется вверх, рабочий поршень не движется, газ направляется в нижнюю полость из верхней и отдает регенератору часть тепла. Охлаждается газ в охладителе. Ромбический механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное.

Модификация двигателя внешнего сгорания – это многоцилиндровый двигатель с одним только поршнем в каждом цилиндре. Этот поршень выполняет расширение, сжатие, вытеснение газа. Рабочий цикл этого двигателя выполняется за один оборот кривошипа. Этот двигатель имеет меньшую массу и габариты. Двигатели внешнего сгорания способны работать на различном топливе, даже ядерном, его сжигание происходит в форсунках, и пламя идет в трубы нагревателя. Продукты сгорания топлива двигателей внешнего сгорания содержат намного меньше токсичных примесей, чем продукты сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поэтому «двигатели Стирлинга» очень экологически выгодны, а также надежны в эксплуатации и экономичны по расходу топлива. Но их существенные недостатки – это большая стоимость, масса, размеры, трудность в управлении и регулировке, сложность конструкции. Современные двигатели внешнего сгорания используются на грузовых автомобилях и судах. Дальнейшее использование таких двигателей перспективно и направлено на снижение габаритов, массы, стоимости, использование рациональных способов их изготовления из жаростойких материалов, увеличение их мощности и производительности.

Тепловая труба

Тепловая труба – устройство, передающее большие мощности тепла. Труба герметизирована, ее наполняет жидкий теплоноситель. Нагреваемая часть трубы – это зона нагрева и испарения жидкого теплоносителя. Охлаждаемая часть трубы – это зона охлаждения и конденсации пара, который приходит из зоны испарения и конденсируется. В зонах испарения и конденсации разная температура, она определяет и разное давление в зонах, что способствует движению пара из зоны испарения в зону конденсации. Внутри тепловой трубы находится капиллярная структура, по ней жидкость возвращается в зону испарения, чему способствует капиллярная разница давлений. Также жидкость может вернуться с помощью силы тяжести или других наружных воздействий. Тепловые трубы, имеющие капиллярную структуру, не зависят от ориентации в поле тяжести, и их используют в условиях невесомости. Отношение плотности тепла, проходящего через тепловую трубу, к снижению температуры на единицу длины тепловой трубы – это эффективная теплопроводность. Она очень высока и доходит до 100 000 000 вт/(м × К), что в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность многих теплопроводящих элементов. Такая высокая теплопроводность тепловых труб и большая надежность в эксплуатации, небольшой вес способствуют очень широкому распространению тепловых труб в различных областях техники и производства – электроники, космической техники, химической промышленности, энергетики.