Аккумулирование тепловой энергии

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 K, то при ее удельной теплоемкости 1,2 ^Вт*ч/_(кг*K), малой скорости расхода в жилом 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 Na₂SO₄*10H₂O 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 постоянным 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, взрывоопасности, токсичности, коррозионной активности и т. д.