|
|
Аккумулирование тепла в любой
водонагревательной системе позволяет приспособить ее к условиям изменяющегося
на протяжении суток спроса на горячую воду. Применение различных средств для
накопления энергии при использовании солнечных энергетических установок
позволяет также преодолеть и другую трудность, связанную с непостоянством
интенсивности солнечной энергии в течение суток. Как мы уже видели, даже в
условиях безоблачного неба приемлемое количество энергии при подходящей
температуре жидкости можно получать лишь в течение нескольких часов до и после
полудня. Более высокие температуры требуются лишь на короткие промежутки
времени. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для
отопления зданий, поддерживают температуру теплоносителя на уровне 60° С лишь
около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и
получения энергии не совпадают, то очевидно, что ее нужно накапливать в
течение суток, чтобы затем отбирать при подходящей температуре.
В развитых странах с похожим на английский климатом в
зимнее время средний ежесуточный расход энергии на горячее водоснабжение и
отопление жилых домов оценивается в 15 и 150 кВт-ч соответственно. Ежедневные
затраты энергии на горячее водоснабжение крупных больниц в странах
тропического пояса составляют несколько МВт-ч. Если для накопления энергии
используется вода, подогретая, скажем, на 10 К, то при ее удельной
теплоемкости 1,2 Вт-ч/(кг-К), малой скорости расхода в ждлом здании и без
учета потерь для получения в течение суток необходимого количества энергии
требуется около 14 тыс. л воды, а занимаемый ею объем составляет 14 м2. Эта цифра выглядит более или менее реальной, но применительно к больнице она достигает 200
тыс. л; а соответствующее сооружение технически осуществить чрезвычайно
трудно.
С подобной трудностью сталкиваются при разработке бытовых
ночных электронагревателей, получивших сейчас в Англии широкое
распространение. В таких нагревателях, потребляющих сравнительно малую
мощность, электрические элементы разогревают специальный материал, который
хорошо удерживает тепло. Запасенная таким образом энергия затем постепенно
расходуется, поддерживая температуру помещения в определенных пределах. При
этом материал настолько перегревается, что обычно для теплоизоляции в
нагревательных элементах используют огнеупорный кирпич. В результате подобные
нагреватели оказываются весьма громоздкими.
При использовании солнечных коллекторов энергия
накапливается либо в подземных резервуарах с водой, либо в заполненных
камнями отсеках. Второй вариант предпочтительнее для воздухонагревательных
систем, где воздух нагревается, проходя между камнями. Если предположить, что
камни имеют одинаковый размер и сферическую форму, то пустоты между ними
составляют около трети общего объема отсека. Это обеспечивает большую
поверхность контакта нагреваемого воздуха и хорошие условия для теплообмена.
Основным недостатком подобных систем является их низкая теплоемкость (в
четыре раза .меньше теплоемкости воды).
В рассмотренных устройствах тепловая энергия накапливается
за счет повышения кинетической и потенциальной энергии молекул среды.
Значительно большая энергия расходуется при фазовых переходах, то есть в
процессе разрушения упорядоченной структуры, например при плавлении или
парообразовании. В таком случае входная энергия преимущественно тратится на повышение
потенциальной энергии молекул, обусловленное увеличением расстояния между
ними. В одной из разновидностей солнечного нагревателя в качестве такого
накапливающего тепло вещества используется парафин, температура плавления
которого равна примерно 55° С, а скрытая теплота плавления составляет около
40 Вт-ч/кг. При охлаждении парафина мы вновь получаем эту энергию, но при
более удобной температуре. В подобном устройстве для накопления 150 кВт-ч
тепловой энергии объем резервуара не превышает 4 м3. В качестве теплоносителей применяются также гидраты некоторых солей. Например, глауберова соль
Na2S04-10H20 плавится при температуре около 32 °С, при этом на разрушение
кристаллической структуры затрачивается приблизительно 67 Вт-ч/кг. При
охлаждении ее до той же температуры накопленная энергия высвобождается.
Процесс 'плавления - затвердевания соли можно повторить многократно, однако
установлено, что если расплав соли не перемешивать, то возникает
перераспределение концентрации, затрудняющее рекристаллизацию соли. Благодаря
постояным поискам и исследованиям удалось найти и другие вещества с большой
скрытой теплотой плавления, в которых обратимые фазовые переходы
осуществляются при температуре 40—60° С. К сожалению, многие из них
непригодны из-за высокой стоимости, взрывоопасно- сти, токсичности,
коррозионной активности и т. д.
|