Особенностью оптических печей является создание регулируемых лучистых потоков большой плотности-(1000 Вт/см и выше) при относительно небольшой, направляемой в фокальное пятно, энергии, чем обеспечивается высокотемпературный нагрев практически любых материалов независимо от их электрических, магнитных и других свойств.

В табл. 4.,6 приведены основные характеристики и области применения оптических печей отечественного производства.

5. ГЕЛИОПРИБОРЫ И ГЕЛИОУСТАНОВКИ

Устройства для преобразования энергии солнечной радиации в другие, удобные для использования виды энергии (например, тепловую или электрическую), называют гелиоприборами или гелиоустановками.

Гелиоприборы (гелиоустановки) делят на две группы: без концентраторов и с ними, В приборах первой группы солнечная радиация используется, без предварительного повышения ее плотности; в приборах второй группы естественная плотность солнечной радиа^ции повышается с помощью гелио-концентраторов.

Кроме указанного деления гелиоприборы различают по назначению, типу используемого концентратора, характеру преобразовательного процесса и по другим признакам. Например, гелиоприборы делят по температурным признакам на низкотемпературные (до 100° С)-типа горячий ящик , сред-нетемпературные (до 150° С) и высокотемпературные (выше 150° С) - с концентраторами энергии.

Гелиоприборы без концентраторов (низко- и среднетемпературные) используют для подогрева воды или воздуха, сушки фруктов, овощей и материа- лов, опреснения воды и растворов, получения электроэнергии и для других целей. Большинство этих гелиоприборов работает по принципу горячего-ящика , основанному на свойстве стекла пропускать коротковолновую энергию солнечного спектра (с длинами волн от 0,4 до2,5 мкм) и не пропускать сравнительно длинноволновую энергию, излучаемую дном горячего ящика после поглощения им солнечного света.

Горячий ящик состоит из рамы (ящика), по средине высоты которой располагается рабочая поверхность (металлический лист с канавками и трубами в них) или котел, покрытый снизу теплоизоляцией. Со стороны, освещаемой солнцем, ящик покрыт одним или несколькими слоями стекла с воздушной 1рослойкой между ними. Солнечные лучи, проходя сквозь стекло, падают на зачерненную поверхность котла, поглощаются ею, превращаются в тепло и нагревают рабочее вещество (воду, раствор, материал и т. д.) в котле. На этом принципе работают такие, гелиоприборы, как водонагреватели, солнечные аппараты для сушки фруктов, овощей, коконов, солнечные теплицы, солнечные нагреватели для холодильных машин, солнечные отопители зданий, солнечные опреснители соленой воды и другие установки [6, 8].

Гелиоприборы с концентраторами применяют для получения высоких температур с обеспечением стерильных технологических условий. Значения КПД таких гелиоприборов находятся в пределах от 0,4 до 0,6. Концентраторы, представляющие собой одно иди несколько зеркал или линз, собирающих солнечные лучи, позволяют достичь высокой плотности энергии. Для концентрации солнечных лучей используют параболоидные, приближенно параболоидные и параболо-цилиндрические зеркала (линзы и конические зеркала ввиду сложности*их изготовления не применяют).

Гелиоприборы с точными параболоидными концентраторами позволяют получать температуру до 3600° С. При такой температуре плавятся практически все металлы и огнеупорные материалы. Максимальная плотность - энергии, достигнутая на высокоточных параболоидных гелиоконцентраторах, 35 10 кВт/м^ (3500 Вт/см) - немного меньше половины плотности лучистой энергии на поверхности Солнца (74 10 кВт/м^).

Гелиоустановки с параболоидными концентраторами с высокой эффективностью применяют в сочетании с различными приемниками солнечной радиации: высокотемпературной (солнечной) печью, термоэлектрогенератором, термоионным преобразователем, паровым котлом и другими [73, 100].

Гелиоустановки с приближенно параболоидными концентраторами используют для получения пара промышленных параметров для теплофикации, выработки'электроэнергии, опреснения воды, охлаждения и т. п. Гелиоустановки с параболо-цилиндрическими концентраторами применяют для опреснения воды, приготовления пищи в автоклавах, получения пара давлением 0,2-0,4 МПа [6, 8].

Гелиоустановки типа горячий ящик , а также небольшие установки с концентраторами, применяемые для кипячения воды и приготовления пищи, уже достаточно хорошо изучены и подготовлены к внедрению. Однако в промышленном производстве пока находятся лишь отдельные опытные образцы.

Рис. 4.9. Схема солнечной печи с гелиостатом:

/ - навес; 2 - прожекторный па-оаболоидный отражатель; S - нагреваемый образец в фокусе отражателя; 4 - гелиостат (подвижное Плоское зеркало, управляемое прн помощи электронной системы); 5 - неподвижное плоское зеркало; 6 стенка

. Гелиоустановки с концентраторами энергии получили более широкое распространение, чем гелиоустановки без концентраторов, так как в ряде отраслей промышленности, науки и техники без них практически обойтись невозможно. Несмотря на большое разнообразие установок с концентраторами, конструктивно они однотипны и состоят из отражателя, приемника лучистой энергии и механизмов, обеспечивающих изменение положения отражателя в соответствии с видимым движением Солнца.

В связи с задачами новой техники особое внимание привлекают солнечные печи - установки для получения высоких и сверхвысоких температур. С помощью солнечных печей достигнуты температуры до 3700° С. Промышленное внедрение солнечных печей позволяет применять их для прерываю- щихся процессов без тиглей, особенно в окислительных средах. Их можно использовать для спекания, плавления и очистки жароупорных окислов, изготовления специальных жаропрочных материалов, обработки минералов, для получения материалов высокой чистоты и т. д.

Условно солнечные печи делят на две группы: печи непосредственного слежения за Солнцем и печи с гелиостатом (плоским зеркалом, поворачиваемым таким образом, что отраженные от него лучи Солнца всегда параллельны главной оси параболоида). Все солнечные печи имеют параболоидный сплошной или составной (фацетный) зеркальный отражатель,концентрирующий излучение Солнца в фокальной плоскости [100].

На рис. 4.9 показана принципиальная схема одного Из вариантов солнечной печи - с гелиостатом. Солнечные лучи отражаются от гелиостата 4 площадью 2,1 X 2,1 м^ на неподвижный плоский отражатель 5 площадью 1,5 X 2,1 м^, а затем на установленный горизонтально параболоидный'отражатель 2 диаметром 1,5 м. В установке использованы детали прожектора, послужившего ее основой. Как показала практика, в целом такие прожектор-.ные отражатели вполне приемлемы для использования в малых солнечных печах.

Основные характеристики отечественных солнечных печей приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Основные характеристики и области применения солнечных печей, разработанных в отечественных институтах

Оптическая система

Диаметр, м

Максимальная плотность лучистого потока, Вт/см=

Температура,

Диаметр пятна, см

Область применения

Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского (Москва)

Всесоюзный научно-исследовательский институт автоматизированных систем метрологии (Тбилиси)

Два стеклянных параболоида

0,9 и 0,9

3000 0,8

Теплофизическне исследования сравнительными методами