Автор: Бытует мнение, что в России солнечного излучения недостаточно, и использовать его нецелесообразно. Однако детальные исследования специалистов Института высоких температур РАН (в том числе с использованием спутниковых данных NASA) показали, что более 60 % территории России, включая многие северные районы, характеризуются существенными среднегодовым поступлением солнечной энергии 3,5 -4,5 кВтч/м2 день.
Наиболее «солнечными» являются регионы Дальнего Востока, кроме Камчатки, и юг Сибири (от 4,5 до 5,0 кВтч/м2 день). А большая часть Сибири, включая Якутию, (до 62 — 65° северной широты) по среднегодовому поступлению солнечной радиации относятся к той же зоне, что и районы Северного Кавказа и Сочи (4,0 — 4,5 кВтч/м2 день)
В целом, технический потенциал солнечной энергии в России примерно в два раза превышает сегодняшнее, суммарное энергопотребление по стране [1].
При рассмотрении технического потенциала использования солнечной энергии на юге Западной Сибири в конце XX века исходили из тех технологических решений, которые применялись на 35-40° широтах территории СССР. Где отличительным признаком был и остается более продолжительный (по количеству дней) период повышенной инсоляции, при практически одинаковых значениях в летние месяцы. Однако, в настоящее время, на базе солнечных соляных прудов, для 50-60° северной широты разработаны новые технологии. Эти технологии, используют не одну только солнечную энергии, но и её производные (в частности неиспользованную теплоту термодинамического цикла), что позволяет вырабатывать энергию круглый год или запасать, например, посредством биогаза, вырабатываемого для зимнего периода летом с использованием солнечной энергии. Да и сам солнечный соляной пруд зимой можно использовать как источник (аккумулятор) низкопотенциальной теплоты для повышения температуры пара хладагента теплового насоса непосредственно перед компрессором.
Солнечный соляной пруд (рис. 1) [1] — это неглубокий (2 — 4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней его части, у которого в нижнем придонном слое температура под действием солнечной радиации достигает 100°С и даже выше. На 1 м2 площади пруда требуется 500 -1000 кг поваренной соли, её можно заменить хлоридом магния.
и изменение температуры жидкости по глубине пруда
Физической основой возможности получения таких высоких температур вблизи дна пруда (рис. 1) является подавление гравитационной конвекции — всплытия нагретой Солнцем вблизи дна жидкости вверх под действием архимедовой силы, если плотность жидкости падает с ростом температуры. Чистая и слабосоленая (в том числе морская) вода подчиняется этому закону: по мере нагрева из-за термического расширения плотность уменьшается, и нагретая вода всплывает вверх, отдавая тепло воздуху, а её место замещает холодная. Устанавливается непрерывный процесс конвекции с переносом теплоты от нагретого солнцем дна вверх и отдача ее воздуху. Именно поэтому вода в море не нагревается выше 25 — 30 °С.
В солнечном пруду такой конвекции нет, потому что у крутосоленого рассола большой плотности, находящегося у дна, по мере нагрева плотность повышается из-за роста растворимости соли в воде и этот эффект пересиливает действие расширения жидкости. Соль в горячей воде растворяется быстрее, чем в холодной, в основном благодаря диффузии. Следовательно, при нагреве придонного слоя кристаллы соли быстрее переходят в рассол, увеличивая его плотность.
Механизм отдачи тепла от нагреваемого дна и придонного слоя — это только теплопроводность через грунт вниз, через боковые откосы и слой неподвижной воды вверх. Основную часть энергии в солнечном спектре несут коротковолновые — видимые — и ультрафиолетовые лучи, которые слабо поглощаются в толще воды и достигают дна. Итак, в таком пруду часть солнечного излучения — инфракрасного спектра полностью поглощается верхним слоем пресной воды, коротковолнового начнет поглощаться более низкими слоями воды, а не поглощенная часть излучения, прошедшего сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от дна, частично поглотится водой на обратном пути.
Теплопроводность существенно слабее конвекции, так что вблизи дна рассол будет нагреваться до упомянутых величин. Имеются сведения о получении температуры 102 и 109°С и расчетные предположения о возможности достичь 150°С в насыщенных рассолах. Разумеется, эти температуры зависят от географической широты, прозрачности атмосферы, пресной воды, изолирующего слоя и рассола пруда, теплоизоляции дна и боковых стенок наличия концентраторов (отражателей солнечного излучения в акваторию пруда) и ветра.
Верхний слой пруда состоит из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 — 0,3 м, где подавить перемешивание жидкости не удается [2].
Термическое сопротивление изолирующего слоя воды составляет примерно 1,7 м2°СВт-1, в то время как сопротивление современного типичного плоского пластинчатого солнечного приемника 0,4 м2°СВт-1. В ранее построенных зданиях средней полосы России сопротивление теплопередаче стен составляет 0,9 — 1,1 м2°СВт-1, окон — 0,39 — 0,42 м2°СВт-1, покрытий — около 1,5 м2°СВт-1. Принятые новые нормативные требования увеличили требуемые значения сопротивления теплопередаче: для стен до 3,0 -3,5 м2°СВт-1, для окон — до 0,55 — 0,60 м2°СВт-1, для покрытий — до 4,5 — 5,0 м2°СВт-1. А самое существенное в этой «конструкции» пруда, это то, что термическое сопротивление градиентного слоя в 1000 раз выше сопротивления пресной воды при наличии свободной конвекции (0,0018 м2°СВт-1).
Полезной энергией пруда является теплота, аккумулированная солёным слоем. Её можно использовать как для целей теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии путем пропускания рассола из этой зоны через какие-либо теплообменники.
Для солнечных соляных прудов в настоящее время используют отходы соляных производств, содержащие большую долю хлорида магния, не пригодную для питания. А чтобы предотвратить утечки поверхность дна покрывают пластмассовой пленкой или слоем фурановой смолы (при покрытии дна пресноводного пруда плёнкой воду надо регулярно сливать, иначе она будет портиться).
Существенным преимуществом солнечных соляных прудов является то, что наряду с прямым солнечным излучением они воспринимают (аккумулируют) рассеянное излучение, отраженное от облаков, предметов и т.п.
Солнечный соляной пруд представляет собой одновременно коллектор и аккумулятор теплоты, причем по сравнению с обычными коллектора и аккумуляторами он является более дешевой системой
Исследовательские работы по изучению солнечных соляных прудов начались с середины 50-х годов XX века в Чили и Израиле, затем в США, Индии, Саудовской Аравии, Австралии, Египте [3].
По состоянию на 80-е годы наибольший по площади пруд создан в Израиле вблизи Мертвого моря. Его площадь 250 тыс. м2. На нем построена и испытана паротурбинная фреоновая энергетическая установка мощностью 5 МВт. Там же создан экспериментальный солнечный пруд с насыщенным раствором 95 % хлорида магния и 5 % хлорида кальция площадью 4 х 4,5 м, глубиной 0,9 м. Летом 1984 г. получена температура 98 °С. Утверждается, что пруд такого типа может давать температуру в интервале 120 — 150 °С. В 1978 г. с пруда площадью 7500 м2 получена электрическая мощность 150 кВт.
В Австралии возле Мельбурна (38° южной широты) построены два пруда глубиной 3 м, площадью по 1000 м2 на грунте из водонепроницаемой глины. Один из прудов оставлен без теплоизоляции, другой имеет изоляцию из пенополистирола с пленкой из бутинола. Рассол представляет отходы от опреснения морской воды — смесь хлоридов магния и натрия.
Приведем описание упомянутой выше энергетической установки с паровой фреоновой турбиной, созданной вблизи Мертвого моря. Пруд собирает солнечную энергию на площади 0,25 км2, а горячий рассол из нижней конвективной зоны пруда подается в теплообменник-испаритель — аналог котла на обычной ТЭС, где нагревается фреон. В турбине фреон передает мощность электрогенератору, затем конденсируется, отдавая сбросную теплоту циркуляционной воде, и насосом закаивается в испаритель. Это обычный цикл Ренкина всех низкотемпературных энергетических установок — геотермальных, океанских, утилизационных на влажном паре.
Такие солнечные соляные пруды действительно могут стать одним из лучших устройств энергетики ВИЭ. Удельная электрическая мощность, полученная с 1 м2 поверхности пруда может составлять 20 Вт. Среднегодовой коэффициент использования установленной мощности (Киум) 73 — 90 %.
В те же годы в СССР рассматривалось проектирование подобной энергетической установки на заливе Сиваш, т.к. хозяйственной деятельности в заливе нет из-за значительного засоления. А циркуляционная вода в изобилии имеется вблизи — в Феодосийском заливе.
Площадка возле Сиваша представлялась наилучшей для реализации, в первую очередь для решения задач энергоснабжения Крыма [4].
Следует отметить, что во многих проектах рекомендуется применять не фреон, а изобутан — легкодоступную фракцию нефти или природного газа. Тогда возможно использование контактного теплообменника, в котором струи горячего рассола непосредственно контактируют с жидким изобутаном и испаряют его.
В сравнении с обычными ТЭС по металлоемкости оборудования прудовая солнечная электростанция проигрывает немного, ибо удельная масса пылеугольных энергетических котлов составляет 30 кг/кВт. Если же учесть все затраты металла, а значит, и энергии на топливный цикл и транспорт топлива, то преимущество прудовой электростанции по этому критерию налицо.
Интересные данные по естественным Антарктическим солнечным соляным озерам, которые могут лечь в основу разработки технологии вывода (прогрева) солнечного пруда после зимней «спячки» в России.
По результатам исследований новозеландских ученых К. Уэллмана и А. Уилсона озеро Ванда (Антарктида) прогревается за счет лучистой энергии Солнца до самого дна на глубину 70 м через прозрачный лед толщиной 4 м. Температура воды у дна составляет 27°С или на 47°С больше среднегодовой температуры воздуха. Объяснить то, что называют феноменом Антарктиды, можно так. Известно, что коротковолновая солнечная радиация сравнительно хорошо проходит через атмосферу, содержащую водяные пары. Достигнув земной поверхности, она преобразуется в длинноволновую, которая на обратном пути уже поглощается, хотя и не полностью атмосферой. Атмосфера служит как бы ловушкой для солнечной энергии. Это явление хорошо известно под названием парникового эффекта. Благодаря ему фактическая средняя температура поверхности Земли на 18°С выше, чем она была бы без атмосферы [4].
Учитывая все вышесказанное логично утверждать, что строительство и использование соляных солнечных прудов может рассматриваться как ещё один способ использования ВИЭ, а именно, для выработки тепловой энергии, которая может направляться напрямую потребителю, либо использоваться для выработки электрической энергии в генераторах.
Список литературы
- Ильина С.А., Ильин А.К. Моделирование процесса охлаждения солнечного пруда// Вестник Астраханского государственного технического университета. — 2008. —№ 6 (47). — С. 51-55.
- Богачев В.В., Буслов С.В. Перспективы применения солнечных соляных прудов для получения тепловой и электрической энергии в Ставропольском крае// Вестник Северо-Кавказского федерального университета. — 2013. — № 3 (36). — С. 93-97.
- Зубов Д.И., Лоншаков А.С., Суворов Д.М. Варианты использования солнечного соляного пруда для автономного теплоснабжения// Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. —2014. — Т. 2. № 1. — С. 118-122.
- Белоглазова Т.Н., Романова Т.Н. Обоснование внедрения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для жилых домов с учетом региональных факторов // Современные проблемы науки и образования.— 2015.— № 1-1.— С.133.
Автор: Ахтямова Р.Ф. (студ. гр. УЖКХбд-31), руковод. Кузьмин А.В. (к.т.н., доцент)
Источник: Новые технологии в теплоснабжении и строительстве: сборник работ студентов — сотрудников научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки». Выпуск 20 [Электронный ресурс]. — Электронные данные. Ульяновск : УлГТУ, 2022. — 131 с.
