НИИ кристаллогидратов возможно разделение смеси и ее переохлаждение, вызывающие нестабильность этих недорогих веществ и снижающие число рабочих циклов. Для устранения этих недостатков к теплоаккумулирую-щему материалу добавляют специальные вещества, которые обеспечивают равномерную кристаллизацию расплава и способствуют длительному использованию материала в многократных циклах плавления — затвердевания. Для организации эффективного теплообмена используются оребренные поверхности, капсулы, заполненные теплоаккумулнрующим материалом, а также теплопроводные матрицы (ячеистые структуры). Это необходимо в первую очередь при использовании органических веществ, имеющих очень низкий коэффициент теплопроводности [0,15 Вт/(м-°С)].

7. СОЛНЕЧНЫЙ ПРУД

в солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в Некоторых естественных соленых озерах температура во/шГ^ Дна может достигать 70°С. Это обусловлено высокой^кбнцентраци-ей соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90—100 °С, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 °С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечны" пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота^ к потребителю отводится из нижней зоны пруда.

Схема солнечного пруда и график изменения темпе ратуры по его глубине даны на рис. 23. Обычно глубина пруда составляет 1—3 м. На 1 м^ площади пруда тре

буется 500—1000 кг ттртшой соли, ее можяо заменить хлоридом магния.

Наиболее крупный из существующи,х солнечных прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 250 000 м. Он используется для производства электроэнергии. Электрическая мощность энергетической установки, работающей по циклу Ренкина, равна 5 МВт. Себестоимость 1 кВт.ч электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов. Удельная стоимость самого пруда составляет 24 руб/м^ а при площади в 1 млн. м — всего 6 руб/м2.

а)

б)

t;c

Рие; 23. Схема солнечного пруда (а) и изменение температуры (б)

жидкости по высоте пруда:

/—пресная вода; 2 —изолирующий слой с увеличивающейся князу концентрацией; 3 —слой горячего раствора; 4 — теплообменник

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т. е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концент-

зация соли в которых возрастает от поверхости к дну.

Зерхний тонкий слой (10—20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет % общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами сол-

нечной энергии. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых н общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

Глава третья СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

8. СОЛНЕЧНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

На отопление, горячее водосиабжение и кондиционирование воздуха в жилых, общественных и промышленных зданиях расходуется 30—35 % общего годового энергопотребления.

Наиболее крупная солнечная система теплоснабжения в СССР построена в пансионате в г. Кастрополе (Крым), там суммарная площадь 1850 солнечных коллекторов равна 1600 м^. В целом по стране введено в действие более 50 демонстрационных и опытных солнечных установок теплохолодоснабжения с суммарной площадью поверхности коллекторов более 10 000 м^. Стоимость плоских солнечных коллекторов 50—75 руб. в расчете на 1 площади лучевоспринимающей поверхности, а стоимость всей системы теплоснабжения в 3—5 раз выше.

Максимальная суточная производительность плоского солнечного коллектора Братского завода равна 70— 100 л горячей воды на 1 м^ площади КСЭ в летний солнечный день, а годовая экономия топлива от применения солнечных систем теплоснабжения составляет 100 — 170 кг условного топлива на 1 площади КСЭ в зависимости от района страны, в котором установлены коллекторы.

Масштабы исйользования солнечной энергии завися

прежде всего от метеорологических условий —количества солнечных дней в году, годового количества поступающей солнечной радиации и его распределения по сезонам, температуры наружного воздуха и т. п. В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год, целесообразно использовать солнечную энергию для теплохолодоснабжения зданий. Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быстрой окупаемости.

Сейчас во всем мире в эксплуатации находится более 5 млн. солнечных водонагревательных установок, используемых в индивидуальных жилых домах, централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, включая гостиницы, больницы, спортивно-оздоровительные учреждения и т. п. Налажено промышленное производство солнечных водонагревателей в таких странах, как Япония, Израиль, Кипр, США, Австралия, Индия, Франция, ЮАР и др.

По принципу работы солнечные водонагревательные установки можно разделить на два типа: установки с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя. В последние годы все больше производится пассивных водонагревателей, которые работают без насоса, а следовательно, не потребляют электроэнергию. Они проще в конструктивном отношении, надежнее в эксплуатации, почти не требуют ухода, а по своей эффективности практически не уступают солнечным водонагрева-тельным установкам с принудительной циркуляцией. Более половины пассивных водонагревателей составляют установки термосифонного типа с естественной циркуляцией, а остальные — это компактные водонагреватели, в которых бак-аккумулятор горячей воды и коллектор солнечной энергии объединены (интегрированы) в единое компактное устройство.

Водонагреватели с естественной циркуляцией воды. Принцип работы солнечной водонагревательной установки термосифонного типа с естественной циркуляцией теплоносителя иллюстрируется схемой, показанной на рис. 24, а. Установка содержит коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятор горячей воды, подъемную трубу и опускную трубу. В нижнюю часть бака-аккумулятора подводится холодная вода (ХВ), и из его верхней части отводится к потребителям горячая вода (ГВ). Пере-

Рис 24. Схема (а) vi конструкция (б) солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией:

а: / — солнечный коллектор; 2—бак-аккумулятор горячей воды; б: 1 — термостат; 2 — горячая вода; 3 — бак горячей воды; 4 — расширитель-j ный бак; 5 — горячий теплоноситель? 1 6 — теплообменник; 7 — подвод холодной воды; 8 — обратная труба; 9 — коллектор; 10 — электронагреватель

численные элементы образуют контур естественной циркуляции воды. По подъемной трубе горячая вода из коллектора солнечной энергии поступает в бак-аккумулятор, а по опускной трубе из бака в коллектор поступает более холодная вода для нагрева за счет поглощенной солнечной энергии. Поскольку средняя температура воды в подъемной трубе выше, чем в опускной, плотность воды, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие этого возникает разность давлений (Па), вызывающая движе-3 ние воды в контуре циркуляции:

где^ —ускорение свободного падения, равное для равнинных районов 9,81 м/с^; Н — разность отметок низа солнечного коллектора (нулевой уровень) и места подвода горячей воды в бак-аккумулятор, м; pi — плотность воды в опускной трубе при температуре Ti, кг/м^; рг — плотность воды в подъемной трубе при температуре Гг, кг/м».

Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность давлений и интенсивнее движение воды. Аналогичное влияние оказывает увеличение разности отметок Н.

Непременным условием эффективной работы солнечной водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей — прежде всего бака-аккумулятора, подъемной и опускной труб, патрубка для отвода горячей воды к водоразборным кранам или душу и воздушника. Толщина тепловой изоляции бака должна быть 50—75 мм при использовании минеральной ваты или другого материала с коэффициентом теплопроводности 0,04—0,045 Вт/(м-К), а для трубопроводов — от 25 мм для опускной трубы до 50 мм для подъемного и соединительных трубопроводов. Точка присоединения подъемной трубы к баку-аккумулятору должна находиться в верхней части бака на расстоянии не менее ^/з высоты бака от его днища, а патрубок для подпитки холодной воды следует присоединять к нижней части бака. При необходимости использования электронагревателя для догрева воды внутри бака-аккумулятора его необходимо располагать горизонтально и размещать в верхней части бака. При соблюдении указанных условий обеспечивается температурное расслоение (стратификация) жидкости по высоте бака, при этом температура воды в нижней части бака ниже, чем в верхней. Благодаря этому в коллектор поступает вода с невысокой температурой, КПД коллектора возрастает п солнечная энергия используется более эффективно.

Более высокое положение бака-аккумулятора относительно коллектора солнечной энергии в водонагреватель-пых установках термосифонного типа имеет важное значение не только для обеспечения циркуляции теплоносителя в дневное время (на схеме направление движения— по часовой стрелке), но также и для предотвращения циркуляции воды в обратном направлении—против часовой стрелки — в ночное время. Это возможно при низ-