[科普中国]-太阳能动力装置

原理及组成

常规方式的太阳能动力装置如图所示,一次系统的集热器通过换热器和二次系统联结起来。二次系统中的低沸点工质蒸汽流经膨胀机作功而带动发电机(或水泵、热泵等)的运转，为系统的机械部分提供能量。1

系统熵分析如图计算过程可以看出，此时二次系统的热效率恰等于太阳能动力装置的热效率。集热器热效率计算应为 6.42%，二次系统热效率为53.07%，而且二次系统的热损失主要是由换热器和冷凝器中的不可逆传热温差引起的，特别是换热器热损失占了首位，达16.69%，这表明减少换热器热损失是提高热效率的重要途径。2

分段式装置右图示出逆流换热器中工质的温度变化。横坐标为低沸点工质从进口段开始沿途所吸收的热量Q二占全程吸热总量Q的比例数。过程线12代表热水在换热器中的定压放热过程;过程线40代表低沸点工质的定压预热段;过程线03代表低沸点工质的定压蒸发段。P为节点△tP是节点温差，表示热水和低沸点工质之间的最小温差，它由换热器的传热条件所决定。由右图可知，换热器中热水和低沸点工质间的平均传热温差△tcP通常要比△tP大得多，因
而导致换热器热损失很大。
由于集热器出口的热水温度可以人为地采用不同类型的集热器、改变集热器面积或改变热水流量而加以控制，因此建议采用右图中表示的“分段匹配”方式。它的特征是以并联的高温集热器和低温集热器分别与串联的蒸发器和预热器相匹配。这时，高温集热器热水出口温度为tI，返回温度为tP，热水流量为G高。低温集热器热水出口温度为tP，返回温度为tII,热水流量为G低。这样，图中的过程线12就变为Ip和Pii两部分。由于节点P未变，亦即在维持最小节点温差△tP，不变的情况下，分别降低了蒸发器和预热器中的传热温差△tcP,蒸和△tcP,予，从而减少了整个换热器的不可逆热损失。
这种分段匹配方案，在提高二次系统热效率的同时，由于高、低温集热器的工作温度范围已分别和未分段匹配前原集热器的有所不同势必引起集热器热效率的变化。因此下面进一步分析分段匹配方式的加效率。2

代表性应用俄罗斯研制出以水代氢太阳能动力装置

俄罗斯“能源”火箭宇航公司成功研制出一种新型太阳能动力装置。这种装置可为空间设备在轨道变换过程中 提供动力,其发动机燃料不是常用的氢,而是水和电。这种新型发动机的工作机理是:太阳光通过半导体转换成电能,然后在电解池里进行电解水,电解释放出的氧和氢再通过相互作用产生推动力。在设计过程中,研究人员考虑到了包括液气分离器、泵等组件在失重条件下的工作性能,使得发电机能够在失重的情况下正常工作。研究人员指出,这种发动机的牵引力不大,并且是不连续的,像“后浪推前浪”一样是脉冲式的。它主要用于空间轨道之间不要求快速的从近地轨道发射到更高轨道的设备的转移。开发用水做燃料的这种发动机,主要是因为在万有引力作用下,在轨道站上使用和长期储存液态氢既不方便,也不现实。但在空间站上使用和贮存水就没有这些问题。3