Солнечный бассейн

Доктор Табор с сотрудниками из Национальной физической лаборатории Израиля разработал и исследовал весьма остроумную разновидность плоского коллектора - солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. В таком виде солнечный бассейн, казалось бы, не имеет никаких преимуществ перед обычным поглотителем на основе твердого тела. Однако было обнаружено, что в некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. Как предполагают, это явление обусловлено высоким содержанием соли в таких водоемах.

Еще из школьных опытов мы помним, что с повышением температуры воды растворимость солей увеличивается, Это нетрудно объяснить. Переход частиц твердокристаллических тел в раствор осуществляется благодаря тому, что силы их взаимодействия с молекулами растворителя оказываются больше сил, удерживающих эти частицы в структуре твердого тела. Проанализировать эти силы взаимодействия теоретически довольно трудно, но мы можем пронаблюдать их экспериментально. При повышении температуры колебания помогают частицам преодолеть силы, удерживающие их в кристаллической решетке, связь между ними ослабевает и они легче переходят в раствор.

Однако повышенное содержание в воде некоторых определенных солей препятствует уменьшению плотности растворителя, обусловленному расширением последнего. Таким образом достигается устойчивое состояние, при котором более нагретые слои жидкости уплотняются и остаются на дне бассейна. Следовательно, температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности воды оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

Мы не будем рассматривать подробно принцип действия солнечного бассейна, поскольку анализ протекающих в нем процессов тепло- и массообмена довольно сложен. Процесс поглощения солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Для наших целей можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов. Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии. В бассейнах малого размера теплообмен между водой и окружающей атмосферой, а также близлежащими слоями почвы протекает интенсивнее, чем в больших бассейнах, поэтому наиболее эффективны бассейны площадью выше 50 м². В бассейнах подобных размеров волнение воды под действием ветра вызывает нарушение устойчивости в распределении температуры и концентрации соли, поэтому в них приходится устанавливать специальные защитные приспособления. Однако, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

В этой главе мы рассказали о поглощении солнечной радиации молекулами материальных тел, связанном с ним процессе изменения температуры изолированного тела, а также способах повышения равновесной температуры изолированного тела. В дальнейшем мы расскажем о том, как реализуются на практике все эти явления и процессы.

В гл. 5 мы увидим, как повышение температуры тел под действием солнечной радиации непосредственно используется, например, для отопления зданий и сушки пищевых продуктов. Такие приложения гелиотехники уже освоены человеком. В главах 6 и 7 мы остановимся на процессах преобразования солнечной энергии в механическую и электрическую. В обоих случаях разогретое на первой стадии процесса тело используется как промежуточный источник для получения энергии. Цикличность процесса преобразования энергии накладывает на его к. п. д. ряд принципиальных ограничений. Так, при интенсивности солнечной радиации 800 ^Вт/_м² мы не можем получить в виде работы более 200 ^Вт/_м². В главах 8 и 9 рассмотрим естественные процессы преобразования энергии, которые протекают в природе и в которых промежуточная тепловая стадия отсутствует. Даже в этих случаях высокий к. п. д. труднодостижим, хотя здесь имеют место ограничения совершенно иного рода.

Чтобы полнее представить механизм таких процессов, мы проанализируем их с позиций термодинамики и квантовой механики. В первых главах книги мы уже познакомили читателя с основными положениями этих фундаментальных научных дисциплин, в дальнейшем с их помощью мы попытаемся оценить принципиальные возможности тех или иных систем преобразования энергии. Особенно серьезные ограничения связаны со вторым началом термодинамики, вот почему этому закону и его приложениям уделено особое внимание. Прежде всего мы остановимся на нескольких простейших применениях солнечной энергии в системах, работа которых основана лишь на эффекте повышения температуры.