Применение солнечной энергии для охлаждения

Утверждение, что солнечную энергию можно применять для охлаждения, на первый взгляд кажется странным. Но именно благодаря использованию солнечной энергии для приведения в действие холодильных установок удается получать охлаждение там, где это особенно необходимо. В странах с жарким климатом охлаждение не только обеспечивает соответствующие условия работы и жизни людей, но и помогает продолжительное время сохранять скоропортящиеся продукты питания. Подсчитано, что около четверти получаемых на земном шаре продуктов портится при хранении. Обычное охлаждение, скажем, до температуры 5-10° С, позволяет значительно продлить срок хранения определенных продуктов, особенно фруктов и овощей. При благоприятных условиях их можно сохранить до следующего урожая.

В гл. 5 мы уже говорили, что в условиях сухого климата процесс радиационного охлаждения ночью протекает с интенсивностью около 100-200 ^Вт/_м². Там, где позволяют метеорологические условия, этот способ охлаждения оказывается самым эффективным и экономичным. Однако мы рассмотрим и другие методы охлаждения, пригодные для применения в менее благоприятных климатических условиях.

В простейшем случае холодильник можно представить в виде тепловой машины, работающей в обратном цикле. Этим мы и воспользуемся.

Рис. 51. Потоки энергии в холодильнике

Обратный цикл машины - это прямой цикл (см. рис. 44-47), но пройденный в противоположном направлении, то есть против часовой стрелки. Здесь по-прежнему существенным моментом является наличие источника и охладителя, но передача энергии между ними происходит в обратном направлении. Представим себе некоторый обобщенный холодильник в виде схемы, показанной на рис. 51; его принцип действия заключается в том, что тепловая энергия Q₁ отбирается от холодного пространства, при этом затрачивается механическая энергия W. Одним из существенных моментов работы такого холодильника является рассеивание тепловой энергии в более теплое пространство. (В бытовых холодильниках тепловая энергия, рассеиваемая змеевиками, расположенными с задней стороны холодильника, передается в помещение.) Эффективность холодильной машины обычно характеризуется холодильным коэффициентом, который равен отношению энергии, отобранной от холодного пространства, к затраченной механической работе:

Согласно первому началу термодинамики, Q₁ + W = Q₂, тогда

Основываясь на аргументах, близких к тем, которые мы использовали при анализе работы тепловых машин, можно показать, что величина холодильного коэффициента не может превышать его значения для машины, использующей обратный цикл Карно. Установлено, что и в этом случае

тогда холодильный коэффициент запишется в виде

Наиболее типичными для работы холодильника являются условия, когда температура холодного пространства T₁ равна 273 K (0°С), а роль горячего пространства выполняет либо окружающий воздух, либо вода при температуре T₂, значение которой не превышает 300 K (27°С). Тогда максимальная величина коэффициента K_x может достигать 10, то есть отобранная от холодного пространства тепловая энергия в 10 раз превышает затраты механической энергии.

На практике этот коэффициент обычно значительно ниже. На рис. 52, а схематически показана одна из разновидностей подобного класса машин, в которой сжатие газа осуществляется компрессором, а его расширение - детандером. Необратимость процессов, обусловленная трением и рассеиванием тепла в различных частях системы, существенно снижает ее качество. Важнейшим условием нормальной работы подобной системы является поддержание требуемой скорости теплообмена, а это возможно только в том случае, если разность температур горячего и холодного пространств не меньше 5-10 K. Вследствие этих ограничений холодильный коэффициент, как правило, редко бывает выше 4. Уравнение (6.19) показывает, что холодильный коэффициент увеличивается по мере сближения температур горячего и холодного пространств, однако при определенных условиях преобладающее значение приобретает указанная выше разность температур, в результате возможность дальнейшего повышения холодильного коэффициента исчезает.

Рис. 52. Простые холодильники: а - газовый цикл; б - паровой цикл

Работа идеального холодильника существенно отличается от простого цикла машины, где в качестве рабочего вещества используется газ. Во многих случаях эту роль выполняет какая-либо рабочая жидкость, которая на одних стадиях цикла проявляет свойства жидкости, а на других - пара. Обычно применяется аммиак NH₃ или соединения фтора, например CCl₂F₂. Типичное устройство такого рода показано на рис. 52, б. В конденсаторе, выполняющем функции горячего пространства, рабочее вещество находится в жидком состоянии, поэтому вместо прежнего детандера для уменьшения давления в жидкости ее просто пропускают через клапан дросселя. Хотя наличие этого устройства еще более усугубляет необратимость системы, но ее конструкция упрощается. Однако при всех преимуществах парового цикла или любой другой системы действие второго начала термодинамики не исключается, поэтому в дальнейшем мы будем считать, что для любого холодильника при соответствующих условиях холодильный коэффициент равен 4.

Отсюда следует, что применение машины на основе высокотемпературного цикла Стирлинга в сочетании с параболическим отражателем для приведения в действие хорошего холодильника, вероятно, позволило бы отбирать от холодного пространства энергию 700÷800 Вт на 1 м² поверхности коллектора. При использовании же низкотемпературных плоских коллекторов в тропических районах аналогичная величина не превысит 100 Вт с 1 м² поверхности коллектора.

Иногда путем усложнения системы можно достигнуть лучших результатов, чем при радиационном охлаждении. Целесообразно также создание других систем, в которых удастся совместить функции тепловой машины и холодильника, что позволит избежать определенных недостатков, присущих их раздельной работе. Примером подобного устройства является абсорбционный холодильник, изображенный на рис. 53, который обеспечивается тепловой энергией от солнечной установки. В абсорбционной машине нет компрессора. Его заменяет насос, перекачивающий жидкость с растворенным в ней хладагентом (например, раствор аммиака в воде). Этот раствор попадает на вход солнечного нагревателя. Известно, что растворимость газообразного вещества значительно снижается с повышением температуры. Благодаря этому в солнечном коллекторе из раствора выделяется газообразный хладагент, а растворитель через дроссельный клапан удаляется из коллектора в абсорбер.

Рис. 53. Абсорбционный холодильник

Газообразный хладагент, находящийся под повышенным давлением, попадает в охлаждаемый конденсатор, где сжижается за счет теплоотвода в окружающее пространство. Далее сжиженный хладагент через дроссельный клапан проходит в испаритель и, испаряясь, производит охлаждающее действие. Пары хладагента вновь соединяются с растворителем в абсорбере при отводе тепла, и указанный цикл непрерывно повторяется.

Поскольку жидкость практически несжимаема, работа, затрачиваемая на привод насоса, невелика, и система работает главным образом за счет энергии, поглощенной в солнечном коллекторе, выполняющем функцию генератора хладагента. Термодинамический анализ такой системы довольно сложен, и нет надобности им заниматься. Заметим только, что холодильный коэффициент этой системы близок к таковому у компрессионных холодильных машин.

В заключение этого раздела оценим емкость аккумулятора холода для кондиционирования воздуха в помещении, которое производится системой плоских коллекторов, смонтированных на крыше здания. Рас-смотрим прямоугольное здание, длина которого L, ширина ¹/₃ L и высота ¹/₅L. Таким образом, площадь наружной поверхности стен составляет около ¹/₂L². Предположим, что вся крыша занята коллекторами, которые так затеняют здание, что обогревом его через крышу можно пренебречь.

Для начала оценим приблизительно равновесную температуру наружной поверхности стен. Она определяется тепловой энергией длинноволнового излучения, частично прямой и рассеянной составляющими солнечной радиации (которые значительно уменьшаются при белой окраске стен), а также теплообменом с окружающей средой, обусловленным лучеиспусканием и конвекцией. Очевидно, что с точки зрения процессов энергообмена стены можно рассматривать наравне с окружающими предметами, если не считать, что через них тепловая энергия проходит внутрь здания, где температура ниже, чем снаружи. При грубой оценке можно предположить, что температура наружной поверхности стен все время равна температуре окружающего воздуха. Тогда мы вправе пренебречь всеми видами энергообмена, за исключением проводимости тепла через стены. Скорость теплопередачи через стены здания зависит от разности температур наружного и внутреннего воздуха, проводимости стен и характера конвекции воздуха с той и другой стороны стен. Обычно вводят некий коэффициент U, который учитывает суммарное влияние перечисленных факторов. Тогда скорость q передачи энергии через единицу поверхности стены определяется из уравнения

где ΔT - разность температур воздуха снаружи и внутри здания. Значения коэффициента U для различных конструкций стен с теплоизоляцией изменяются в широких пределах. Разумно принять низкое значение коэффициента U = 1,0 ^Вт/_м²*K. Тогда результирующая ежедневная теплопередача через стены здания оценивается величиной 12L²ΔT, где L измеряется в метрах, а ΔT - в Кельвинах.

Основываясь на ранее принятой методике расчета, находим, что в отсутствие облачности в тропических районах подобная охлаждающая система позволяет ежедневно отбирать до 500 Вт*ч энергии с каждого квадратного метра поверхности коллектора. При условии, что температура холодного пространства остается неизменной, для ориентировочной оценки мы можем воспользоваться этой величиной. Если площадь крыши равна ¹/₃L², то уравнение дневного баланса энергии запишется в виде

отсюда находим ΔT = 14 K. Следовательно, в охлаждаемом пространстве температура поддерживается на 14 K ниже средней температуры снаружи здания.

Теперь сопоставим эти результаты с данными, полученными для радиационного охлаждения ночью. Для оценки возможностей такой гипотетической системы ночного радиационного охлаждения воспользуемся рис. 31, согласно которому средненочная температура в тропических районах составляет около 300 K. Тогда при температуре холодного пространства T K мощность отбираемой от него тепловой энергии P_р^Вт/_м² определяется соотношением

Если принять среднюю наружную температуру равной 305 K и предположить, что система ежедневно по 6 ч в сутки обеспечивает указанную мощность отбора тепловой энергии, то с использованием уравнения (6.21) получаем

Отсюда T = 289 K, что при радиационном охлаждении соответствует разности температур ΔT = 16 K. Хотя этот расчет носит довольно ориентировочный характер, тем не менее он показывает, что при прочих равных условиях простота системы радиационного охлаждения делает ее предпочтительной перед холодильными системами, основанными на термодинамических циклах.

На этом мы закончим обсуждение чисто механических систем. Они получили широкое распространение для привода машин и станков на заводах, насосов для водораспределения и т. п. Однако во многих случаях нужны источники не механической, а электрической энергии. Поэтому в следующих двух главах мы исследуем возможности получения электроэнергии на базе солнечных энергетических установок, которые принципиально отличаются от рассмотренных систем с использованием генераторов и тепловых машин.