Активные солнечные системы

В активных солнечных системах используются внешние нагреватели воздуха или воды. Такие системы легче контролировать, чем чисто пассивные, кроме того, их можно устанавливать на существующие здания. Активные солнечные системы, так же как и пассивные, хорошо работают только при минимальных потерях тепла. На практике,״пассивные» дома обогреваются лучше, если есть вентиляторы, т.к. воздух циркулирует между комнатами. Термин «пассивные» используется тогда, когда солнечная энергия аккумулируется непосредственно в комнате. Термин «активные» означает, что тепло накапливается в нагревателях, расположенных вне отапливаемого помещения.

6.4. Охлаждение воздуха

Солнечную энергию можно использовать для охлаждения воздуха, например, в абсорбционных холодильниках. В компрессионных холодильниках рабочая жидкость испаряется в процессе теплообмена при повышенном давлении. В абсорбционном холодильнике необходимое повышение давления, обеспечивается разностью давления паров хладагента в генераторе и поглотителе, содержащем пары хладагента над разбавленным раствором.

В абсорбционном холодильнике требуется подвод тепла для повышения температуры в генераторе. Тепло, необходимое для работы абсорбционных холодильников, может быть получено от солнечных нагревательных систем. Однако этот процесс имеет низкую эффективность. В настоящее время это экономически выгодно только в районах, удалённых от стандартных энергосетей.

6.5. Опреснение воды

В пустынных районах необходимо снабжение питьевой водой, пресной водой для полива и т.д. Многие пустынные районы имеют подземные запасы солёной воды и обычно, дешевле опреснять воду, чем её привозить. Так как в пустынях облучённость поверхности Земли высокая, можно использовать солнечную энергию для опреснения воды. Самым простым устройством является солнечный дистиллятор – бассейн (рис. 6.5). Он состоит из неглубокого бассейна с чёрными стенками и дном, заполненного водой и накрытого прозрачной паронепроницаемой крышкой. Крышка наклонена по направлению к потоку излучения. Поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой испаряется. Водяной пар поднимается вверх и конденсируется на холодной крышке. Затем капли сконденсированной влаги скатываются в приёмный жёлоб.

Рис.6.5. Потоки тепла в солнечном дистилляторе. Обозначения: д - основание; и - испарение; к - конвекция; из - излучение; в - вода; с - окружающая среда; 1- нагретая поверхность; 2- холодная стенка; 3- жёлоб.

Чтобы определить производительность реального солнечного дистиллятора, необходимо вычислить, какая часть приходящей солнечной энергии расходуется на испарение. Тепловой баланс для единицы поверхности воды определится:

Тв

q_ис

q_к

q_и

m*c*dT_в /dt= α_в*τ*G- q_в –q_и– q_к – q_ис , (6.6)

где q_ис – теплоперенос при испарении.

Удельный радиационный поток определится:

q_и = 4σ_в [(Т_в + Т_д)/2]³*(Т_в – Т_д), (6.7)

где Т_д – температура крышки.

Конвективный тепловой поток запишем в виде:

q_к = h_к*(Т_в – Т_д), (6.8)

где h_к – коэффициент теплопередачи.

Результирующий тепловой поток на единицу площади:

q_к= 2*ρ*С*(Q/A)*ΔТ (6.9)

Множитель 2 появляется вследствие того, что происходит движение нагретого пара вверх и охлаждённого вниз. Результирующую массу пара на единицу площади в единицу времени представим в виде:

W= m′/A= 2*(Q/A)Δχ = h_к*ρ^-1*c^-1*Δχ, (6.10)

где χ – концентрация пара.

Тепловой поток через единицу площади, возникающий вследствие испарения воды, равен:

q_т = WM, (6.11)

где M – удельная теплота парообразования воды.

Для дистиллятора, показанного на рис. 6.5:

q_т = h_k*М*ρ^-1 c^-1*[χ*(Т_в) –χ(Т_д)]. (6.12)

Для размера х:

h_к = Nuℓ/x (6.13)

ℓ – теплопроводность воздуха (≈ 0,03 Вт/м.к.)

h_к = 0,062 (x/ℓ) Ra ^1/3, (6.14)

где число Рэлея

Ra = g β x³ (Tв – Tg)ℓ^-1 υ^-1 (6.15)

Здесь (ρ, ℓ и т.д.)можно пользоваться данными для сухого воздуха.

Доля тепла, идущего на испарение, быстро возрастает при увеличении температуры воды.