Применение солнечной энергии

ЗАМОРАЖИВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ

Главным преимуществом использования солнечной энергии для замораживания и охлаждения является то» что максимум ее поступления совпадает в этом случ# с максимумом потребления. Охлаждение зданий и замо*
раживание продуктов питания,' предназначенных для длительного хранения, являются совершенно различными задачами.

Частично системы, использующие солнечную энергию для охлаждения зданий, могли бы быть использованы для выработки тепла во время, н, е совпадающее с жар­ким летним периодом. Теоретический анализ таких си­стем, проведенный Лефом и Тибо для восьми городов США [38], показал, что комбинированные системы ока­зались более экономичными для шести из этих восьми городов. Максимум нагрузки на охлаждение приходится на послеполуденный период, продолжительность которо­го зависит от ориентации и теплоемкости здания, поэто­му в системах охлаждения энергоемкость аккумулятора должна обеспечивать охлаждение в течение нескольких і часов, в то время как для отопительных систем требу­ется запасать тепло на значительно более продолжитель­ный период.

В солнечных отопительных системах нагретый тепло­носитель из коллектора часто можно непосредственно использовать для обогрева внутреннего объема здания, а в охлаждающих системах в большинстве случаев необ­ходимо применять солнечные холодильные машины с замкнутым циклом. Использование солнечной энергии для охлаждения может быть реализовано с помощью следующих способов и устройств:

компрессионный холодильный цикл, в котором охлаж­дение осуществляется солнечной холодильной машиной; абсорбционные системы; испарительное охлаждение; радиационное охлаждение.

Для наиболее простой реализации первого способа компрессионном холодильнике, который является обычным бытовым прибором, электрический двигатель заменяется солнечным. Было испытано и предложено не­сколько сложных компрессионных холодильных систем, в частности проект четырехцилиндрового возвратно-по­ступательного двигателя, в котором два цилиндра с теп­лоносителем R-114, приводимые в действие за счет сол­еной энергии, в свою очередь приводят в действие два Цилиндра компрессора с теплоносителем R-22 [39]. Пе­редвижная исследовательская лаборатория по использо - 8анию солнечной энергии была оснащена обычной испа­рительной холодильной установкой с рабочей жидко-

стью R-12, которая приводилась в действие высокоско­ростной турбиной с рабочей жидкостью R-113, исполь­зующей солнечную энергию. Предварительные испыта­ния показали, что при температуре на входе в турбину выше 100°С суммарный КПД составляет 50% [40]. От­носительная стоимость системы должна уменьшаться с увеличением ее размеров, причем подсчитано, что 33- кратное увеличение размеров сопровождается 10-крат-

ным увеличением стоимости. Применение концентриру­ющего коллектора также увеличило бы общую эффек­тивность системы, поскольку увеличилась бы темпера­тура на входе в турбину.

На рис. 5.8 схематически изображены основные узлы абсорбционной холодильной системы. Рабочая жидкость представляет собой раствор хладоагента и абсорбента. Когда солнечное тепло поступает в генератор, некоторая часть хладоагента испаряется, в результате чего раствор обедняется, т. е. становится менее концентрированным - Пары хладоагента конденсируются при отводе тепла Жидкий хладоагент проходит через клапан, понижаю - щий давление, и испаряется, охлаждая внешний теплоно­ситель, например воздух для систем кондиционирования - Цикл завершается в абсорбере, где хладоагент соединя­ется с обедненным раствором и перекачивается обратю в генератор. В Университетах штата Флорида [5, 41]i; 128

Вест-Индии [42] успешно разрабатываются водоамми­ачные системы. Поскольку в этих системах требуется сравнительно низкая температура, они являются самы­ми подходящими для сочетания с обычными широко рас­пространенными в настоящее время плоскими коллекто­рами. В 1974 и 1975 гг. были рассмотрены различные модификации абсорбционных систем, в частности с ра­бочим телом бромид лития — вода [43—45]. Совершенно другой метод применяется в испарительной системе кон­диционирования воздуха, которая была введена в дей­ствие в 1975 г. недалеко от Лос-Анджелеса [46].

В испарительных системах охлаждение осуществля­ется за счет испарения воды. Простой метод, использо­ванный Томасоном [47], состоит в том, что воду из ак­кумуляторного бака пускают в виде тонких струй по не­застекленному северному скату крыши дома. В Австра­лии хорошие результаты получены при использовании метода, состоящего в том, что в выведенном из здания воздухе испаряют воду, а затем этот отработанный воз­дух охлаждает камни в рекуператоре с каменной насад­кой, где каждые десять минут происходит переключение потоков воздуха, так что свежие порции поступающего в здание воздуха предварительно охлаждаются, проходя через рекуператор [48, 49].

Радиационное охлаждение или охлаждение за счет излучения целесообразно производить ночью при ясной погоде. Яанигимачи [50] и Блисс [51] использовали этот способ и производили охлаждение прокачиванием воды через коллекторы, размещенные на крыше. Хэй [52] также рассматривал этот метод. В Институте экспери­ментальной физики университета Неаполя показано, что радиационное охлаждение происходит также в дневные часы при отсутствии прямой солнечной радиации [53]. В этом случае используется селективная поверхность с оптическими свойствами, подобранными в соответствии с атмосферным излучением. Это излучение имеет минимум интенсивности в интервале от 8 до 13 мкм, образуя «атмосферное окно». Теоретически показано, что таким образом можно получить температуру на 10—15° С ниже температуры окружающей среды. При испытаниях на не­большой экспериментальной модели результаты получи­лись несколько хуже, однако теоретические положения были в целом подтверждены.

Принцип действия теплового насоса был разработан еще 100 лет назад. Снабжая энергией тепловой насос, можно добиться передачи тепла с более низкого уровня температуры на более высокий. Впервые этот принцип был применен в холодильнике, где продукты питания на­ходятся при более низкой температуре, чем температура окружающей среды, и при этом тепло из холодильника в окружающую среду сбрасывается при помощи наруж­ного теплообменника. Тепловой коэффициент теплового насоса (ТКН) определяется как отношение выработан­ной энергии к подведенной. Выработанная энергия пред­ставляет собой полезное тепло при более высокой темпе­ратуре, чем температура окружающей среды, а подве­денной является энергия, полученная от электросети или при непосредственном использовании органического топ­лива. Суммарная энергия, подведенная к системе, вклю­чает тепло из окружающей среды, поэтому у большинст­ва установок с тепловыми насосами ТКН больше 1,0. Другими словами, система обеспечивает больше полез­ной энергии на уровне более высокой температуры, чем она получает от электросети или топливных источников. Теоретйчески значения ТКН могут достигать 20, однако на практике их можно получить в пределах от 2 до 3 [53], хотя имеются сообщения о более высоких значе­ниях ТКН [54]. На Британских островах для отопле­ния зданий часто требуется тепло при температуре, зна­чительно более высокой, чем температура окружающей среды, при этом можно экономить энергию, если вместо обычных отопительных систем использовать системы с тепловым насосом. За последние 25 лет несколько экспе­риментальных установок, которые использовали в каче­стве низкопотенциального источника тепло почвы, воды или воздуха, находились в действии в течение длительно­го периода, и результаты этих исследований отражены в работе [55]. Использование солнечной энергии вместе с этими низкотемпературными источниками оказывается выгодным, поскольку, чем выше температура на входе в систему с тепловым насосом, тем меньше количество энергии, подводимой от электросети или за счет сжига­ния топлива при том же суммарном'количестве выраба­тываемой энергии. При изучении возможности исполь­зования системы с тепловым насосом для солнечного 130

водонагрева в демонстрационном павильоне в Нотии - гемшире [37], было показано, что старый водяной бак, размещенный в оранжерее под землей, можно снова ис­пользовать в качестве теплоаккумулирующей системы.

В солнечном доме университета штата Небраска вместо обычного солнечного коллектора используется южный скат крыши, покрытый одним слоем стекла, ко­торое пропускает солнечную энергию прямо в мансарду. Тепловой насос отбирает тепло из этого «объемного кол­лектора» и передает полученную энергию через тепло­обменник водяному аккумулятору. Отопление осущест­вляется за счет циркуляции нагретой воды через тепло­обменник системы воздушного отопления дома. Главным преимуществом такой системы является снижение капи­тальных затрат на коллекторы и увеличение эффективно­сти. поглощения энергии за счет сравнительно более низкой температуры в коллекторном пространстве. Дру­гая особенность состоит в том, что для обычной системы с тепловым насосом в непрерывном рабочем цикле пе­риод максимальной потребности в энергии совпадает с периодом наименьшей эффективности преобразования, осуществляемого при низкой температуре окружающей среды. При наличии аккумулирования установка может быть меньше и обладать способностью запасать доста­точное количество энергии во время светового дня для использования ее в ночные часы. Расчетное значение ТКН для такой системы равно 2,72, в то время как для обычной системы с тепловым насосом, установленной в том же районе, оно составляет всего лишь 1,7. В работе [59] отмечаются также экономические преимущества ис­пользования теплового насоса с комбинированными си­стемами отопления и охлаждения.