СОНЯЧНИЙ СТАВОК

Сонячний ставок є оригінальний нагрівач, у якомутеплозащитной кришкою є вода.

Досить солідний водойму то, можливо просто виритий (можна використовувати і природні водойми, наприклад, Ізраїлі використано Мертве море як сонячного ставка), що стосовно недорого.

У сонячний ставок заливається кілька шарів води з різноманітною ступенем солоності, причому найбільш солоний шар ( 0,5 м) розташований дні. Сонячне випромінювання поглинається забарвленими в темний колір дном водойми і придонний шар води нагрівається.

>Придонний шар води береться настільки більш солоним, ніж шар з нього, що щільність його хоч і зменшується при нагріванні, та все ж залишається вище щільності вищого шару. Тому конвекція (підйом вгору більш теплою - легшим- води) придушується і придонний шар нагрівається дедалі більше до 90° З, іноді - до кипіння, у своїй температура поверхневого шару залишається лише на рівні температури довкілля. Ставок глибиною до2-х м здатний забезпечити безперервну роботу СЕС при припинення інсоляції терміном до тижня, ставки більшої глибини можуть забезпечити сезонний цикл акумуляції. Щоправда, тих СЕС потрібні великі площі земельних угідь, решта - екологічно прийнятні споруди, тим паче, що солоні ставки мови у природничих умовах існують століттями.

Сонячний ставок є оригінальний нагрівач, у якому теплозахисною кришкою є вода.

Досить солідна водойма або, можливо просто виритий (можна використовувати і природні водойми, наприклад, Ізраїлі використано Мертве море як сонячного ставка), що стосовно недорого.

Сонячний ставки містять і нагромаджувачі тепла, тому область їх використання можна досить широкої. Сонячні ставки можна використовувати вгелиосистемах опалення й гарячого водопостачання житлових і громадських споруд, щоб одержати технологічної теплоти, в системах кондиціонування повітряабсорбционного типу, для електроенергії, тобто., сонячний ставок служить одночасно колектором і акумулятором теплоти.У сонячний ставок заливається кілька шарів води з різноманітною ступенем солоності, причому найбільш солоний шар ( 0,5 м) розташований дні. Сонячне випромінювання поглинається забарвленими в темний колір дном водойми і придонний шар води нагрівається.

Придонний шар води береться настільки більш солоним, ніж шар з нього, що щільність його хоч і зменшується при нагріванні, та все ж залишається вище щільності вищого шару. Тому конвекція (підйом вгору більш теплою - легшим- води) придушується і придонний шар нагрівається дедалі більше до 90° З, іноді - до кипіння, у своїй температура поверхневого шару залишається лише на рівні температури довкілля. Ставок глибиною до2-х м здатний забезпечити безперервну роботу СЕС при припинення інсоляції терміном до тижня, ставки більшої глибини можуть забезпечити сезонний цикл акумуляції. Щоправда, тих СЕС потрібні великі площі земельних угідь, решта - екологічно прийнятні споруди, тим паче, що солоні ставки мови у природничих умовах існують століттями.

Наприклад в Україні В.Дубковський,А.Денисова-співробітники Одеського державного політехнічного університету - пропонують акумулювати і використовувати сонячну енергію за допомогою так званих сонячних ставків.

Цим терміном називають обмеженого обсягу водойму, в якому або відсутня, або сильно зменшена конвекція, тобто перемішування шарів. Її відсутність різко знижує втрати тепла в навколишнє середовище, і в результаті нижні шари води можуть значно прогріватися - іноді до 90-100оС.Такого роду водойми зустрічаються в природі: в них конвекція пригнічена різним вмістом солі в шарах води. Прикладом природних сонячних ставків може служити ряд озер в Угорщині і в Румунії, а також східне узбережжя Червоного моря. На цьому узбережжі температура поверхневого шару може становити 16 градусів, а на глибині 1,5 м - 48 градусів. Мається природний сонячний ставок навіть в Антарктиді: це - озеро Ванда глибиною 6 км, в якому при температурі повітря 20оС температура води досягає + 25оС.Ще в 50-х роках поблизу Мертвого моря був побудований перший штучний сонячний ставок, і температура його придонних (насичених солями) шарів виявилася близько 96оС. Дослідження показали, що цю гарячу воду можна з водойми витягувати, пропускати через теплообмінник і повертати назад, не порушуючи при цьому загального режиму ставка. А в якості розчиняються у водоймі солей використовувати, наприклад, NaCl у кількості 300 кг / мз, а також MgCl2 і NaHCO3.Можна, однак, обійтися і без солі, застосувавши замість цього для придушення конвекції між шарами прозорі мембрани з поліетиленової плівки. А можна - і без того, і без іншого, і тоді сонячний ставок виявиться конвекційним, тобто вода в ньому буде перемішуватися. Шар її в цьому випадку повинен бути тонким - не більше 10 см, а відгороджене пеноізоляціей від грунту днище - пофарбованим у чорний колір. Від повітря вода теж повинна бути ізольована, наприклад склом.Але все ж неконвекціонние природні сонячні ставки обходяться дешевше, а найбільш економічними виявляються ті з них, акваторія яких не менше декількох квадратних кілометрів (тобто мілководні озера або лимани). На території СНД перспективні з цієї точки зору Аральське море і затока Кара-Богаз -Гол.

Сонячний соляної ставок (малюнок 1) [1] - це неглибокий (2 - 4 м) басейн з крутим розсолом в нижній його частині, у якого в нижньому придонному шарі температура під дією сонячної радіації досягає 100 ⁰С і навіть вище.

Рисунок 1 - Схема сонячного соляного ставка і зміна температури рідини по глибині ставка

Фізичною основою можливості отримання таких високих температур поблизу дна ставка (рис. 1) є придушення гравітаційної конвекції - спливання нагрітої Сонцем поблизу дна рідини вгору під дією сили Архімеда, якщо щільність рідини падає з ростом температури. Чистий і слабосолона (у тому числі морська) вода підкоряється цьому закону: у міру нагрівання через термічного розширення щільність зменшується і нагріта вода спливає вгору, віддаючи тепло повітрю, а її місце заміщає холодна. Встановлюється безперервний процес конвекції з перенесенням теплоти від нагрітого сонцем дна вгору і віддача її повітрю. Саме тому вода в морі не нагрівається вище 25 - 30 ⁰С.

У сонячному ставку такий конвекції немає, тому що у крутосоленого розсолу великої щільності, що знаходиться у дна, у міру нагрівання щільність підвищується через зростання розчинності солі у воді і цей ефект пересилює дію розширення рідини.

Сіль в гарячій воді розчиняється швидше, ніж у холодній, в основному завдяки дифузії. Отже, при нагріванні придонного шару кристали солі швидше переходять в розсіл, збільшуючи його щільність. Механізм віддачі тепла від нагрівається дна і придонного шару - це тільки теплопровідність через грунт вниз, через бічні укоси і шар нерухомої води вгору. Основну частину енергії в сонячному спектрі несуть короткохвильові - видимі - і ультрафіолетові промені, які слабо поглинаються в товщі води і досягають дна. Отже, в такому ставку частину сонячного випромінювання - інфрачервоного спектра повністю поглинається верхнім шаром прісної води, короткохвильового почне поглинатися більш низькими шарами води, а не поглинена частина випромінювання, що пройшов крізь воду, - темним дном. Енергія, відбита від дна, частково поглине водою на зворотному шляху.

Теплопровідність значно слабше конвекції, так що поблизу дна розсіл буде нагріватися до згаданих величин. Є відомості про отримання температури 102 і 109 ⁰С та розрахункові припущення про можливість досягти 150 ⁰С в насичених розсолах. Зрозуміло, ці температури залежать від географічної широти, прозорості атмосфери, прісної води, ізолюючого шару і розсолу ставка, теплоізоляції дна і бічних стінок наявності концентраторів (відбивачів сонячного випромінювання в акваторію ставка) і вітру.

Верхній шар ставка складається з прісної води, з товщиною зазвичай 0,1 - 0,3 м, де придушити перемішування рідини не вдається. Позначається дію вітру, нерівномірного забруднення поверхні та інших причин. Цей

шар називається верхньою конвективной зоною, і його товщина повинна бути якомога менше і чистіше, і поверхня без брижів, щоб знизити втрати випромінювання, що входить у воду. Те, сонячне випромінювання, що поглинулося у верхній конвективной зоні, - втрати енергії, бо вона легко несеться з поверхні вітром і за рахунок випаровування води. Нижче знаходиться градієнтний шар (ізолюючий шар з збільшується донизу концентрацією розсолу), саме тут створюється «термоклин» і «галокліна» - різко нерівномірний розподіл і температури, і солоності при повній відсутності перемішування, якщо ставок працює стійко. Від товщини цього шару - НЕ конвективной зони - сильно залежать всі характеристики ставка. Термічний опір ізолюючого шару води складає приблизно 1,7 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1, в той час як опір сучасного типового плоского пластинчастого сонячного приймача 0,4 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1. У раніше побудованих будинках середньої смуги Росії опір теплопередачі стін становить 0,9 - 1,1 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1, вікон - 0,39 - 0,42 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1, покриттів - близько 1,5 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1. Прийняті нові нормативні вимоги збільшили необхідні значення опору теплопередачі: для стін до 3,0 -3,5 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1, для вікон - до 0,55 - 0,60 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1, для покриттів - до 4,5 - 5,0 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1. А найістотніше в цій «конструкції» ставка, це те, що термічний опір градиентного шару в 1000 разів вище опору прісної води при наявності вільної конвекції (0,0018 м2 ∙ ⁰С ∙ Вт-1).

Малюнок 2 - Залежність ККД сонячного соляного ставка, що не має теплоізоляції дна і бічних стінок, від температури розсолу (⁰С) і глибини не конвективной зони [Янтовскій].

Нарешті, в придонному шарі знаходиться зона накопичення енергії, що складається з шару гарячого розсолу, або конвективная зона, де допустимо перемішування. Її товщина також впливає на показники ставка - в основному на його теплову інерцію. Корисною енергією ставка є теплота, акумульована в цим шаром. Її можна використовувати як для цілей теплопостачання, так і для вироблення електроенергії шляхом пропускання розсолу з цієї зони через які-небудь теплообмінники. На малюнку 2 показана величина ККД ставка - відношення відводиться теплоти до падаючої на поверхню сонячної енергії.

Для сонячних соляних ставків в даний час використовують відходи соляних виробництв, що містять велику частку хлориду магнію, що не придатну для живлення. А щоб запобігти витоку поверхню дна покривають пластмасовою плівкою або шаром фуранові смоли. Іноді достатньо того, що дно «вбивається» водонепроникною глиною.

Істотною перевагою сонячних соляних ставків є те, що поряд із прямим сонячним випромінюванням вони сприймають (акумулюють) розсіяне випромінювання, відбите від хмар, предметів і т.п.

Сонячний соляної ставок являє собою одночасно колектор і акумулятор теплоти, причому в порівнянні зі звичайними колектора і акумуляторами він є більш дешевою системою.

Дослідні роботи з вивчення сонячних соляних ставків почалися з середини 50-х років XX століття в Чилі і Ізраїлі, потім у США, Індії, Саудівської Аравії, Австралії, Єгипті.

У країнах розташованих в низьких широтах застосовуються СЕС, що використовують теплоту, акумульовану і сконцентровану в сонячному соляному ставку.

Дані про фактичний стан справ у даному секторі сонячної енергетики автору недоступні, але про нього можна судити за відомими йому відомостями з літератури. Станом на 80-ті роки найбільший за площею ставок створений в Ізраїлі поблизу Мертвого моря. Його площа 250 тис. М2. На ньому побудована і випробувана паротурбінна фреонова енергетична установка потужністю 5 МВт. Там же створено експериментальний сонячний ставок з насиченим розчином 95% хлориду магнію і 5% хлориду кальцію площею 4 4,5 м, глибиною 0,9 м. Влітку 1984 отримана температура 98 ⁰С. Стверджується, що ставок такого типу може давати температуру в інтервалі 120 - 150 ⁰С. У 1978 р з ставка площею 7500 м2 отримана електрична потужність 150 кВт.

В Австралії біля Мельбурна (38 ⁰ південної широти) побудовані два ставки глибиною 3 м, площею по 1000 м2 на грунті з водонепроникної глини. Один із ставків залишений без теплоізоляції, інший має ізоляцію з пінополістиролу з плівкою з бутінола. Розсіл являє відходи від опріснення морської води - суміш хлоридів магнію і натрію.

Наведемо результати випробувань згаданої вище енергетичної установки з паровою фреонової турбіною, створеної поблизу Мертвого моря. Ставок збирає сонячну енергію на площі 0,25 км2, а гарячий розсіл з нижньої конвективной зони ставка подається в теплообмінник-випарник - аналог котла на звичайній ТЕС, де нагрівається фреон. У турбіні фреон передає потужність електрогенератори, потім конденсується, віддаючи скидну теплоту циркуляційної воді, і насосом закаівается у випарник. Це звичайний цикл Ренкіна всіх низькотемпературних енергетичних установок - геотермальних, океанських, утилізаційних на вологому пар.

Температура розсолу, ⁰С - 85

Витрата розсолу, м3 / с - 3,66

Температура охолоджуючої води, ⁰С - 28

Витрата охолоджуючої води, м3 / с - 3,66

Температура фреону перед турбіною, ⁰С - 75

Тиск перед турбіною, атм. - 8,2

Температура конденсації, ⁰С - 34

Теплова потужність випарника, МВт - 60

Теплова потужність конденсатора, МВт - 55

ККД турбінної ступені,% - 93

Потужність генератора, МВт - 5,07

Загальний ККД,% - 7,12

Потужність насоса для фреону, кВт - 350

Потужність насоса розсолу, кВт - 370

Потужність водяного насоса, кВт - 320

Потужність інших пристроїв, кВт - 30

Розрахункові значення:

ККД циклу Карно 41/348 = 0,17

Ексергетичний ККД 0,0712 / 0,117 = 0,60

Ці випробування показали, що сонячне соляної ставок дійсно може стати одним з кращих пристроїв енергетики ВДЕ. Питома електрична потужність, отримана з 1 м2 поверхні ставка склала 20 Вт. Середньорічний коефіцієнт використання встановленої потужності (КВВП) 73 - 90%. Питомі капітальні витрати на створення енергогенеруючої установки склали 4500 $ / кВт, що в середньому в 2 рази вище ніж відповідні показники по ТЕС на органічному паливі.У ті ж роки в СРСР розглядалося проектування подібної енергетичної установки на затоці Сиваш, т. К. Господарської діяльності в затоці немає через значне засолення. А циркуляційна вода удосталь є поблизу - в затоці Феодосії. Оцінка масштабу максимальної річної потужності, при припущеннях:

Температура розсолу, ⁰С – 100

Температура води, ⁰С - 8

Температура кипіння, ⁰С - 94

Температура конденсації, ⁰С - 16

ККД циклу Карно +273 = 0,21

Ексергетичний ККД - 0,5

Загальний ККД - 0,117

Середня річна інсоляція, Вт / м2 – 250

ККД ставка - 0,3

Щільність потоку теплоти, Вт / м2 - 75

Питома електрична потужність, Вт / м2 - 75 ∙ 0,117 = 8

Максимальну потужність отримуємо, приймаючи можливість використання 50% площі затоки Сиваш. Повна площа 2560 км2, отже, можлива площа ставка 1250 км2 і максимальна електрична потужність 10 ГВт.

Для довідки: площа водосховища Красноярської ГЕС - 2000 км2, при потужності ГЕС в 6 ГВт, а значить питома електрична потужність дорівнює всього 3 Вт / м2. За рік на ГЕС виробляється близько 20 млрд кВт ∙ г електроенергії, отже середньорічний Кввп становить близько 38%.

При реалізації проекту в затоці Сиваш, можливо, нарощувати потужність поступово, починаючи з невеликих південних ділянок затоки.

Зіставлення цифр з отриманими при випробуванні енергоустановки поблизу Мертвого моря показує, що ці оцінки реалістичні, а прийнятий ексергетичний ККД 0,5 істотно нижче, ніж досягнутий в експерименті - 0,6. Сезонність видачі електроенергії в літньо-осінній півріччя не позбавляє цей проект інтересу, оскільки ГЕС фактично також сезонні - влітку, восени і взимку води набагато менше, ніж навесні.

Якщо для наближеної оцінки прийняти, що річна вироблення в затоці компенсує зимовий споживання електроенергії по витраті палива, в підсумку виявиться, що всі теплопостачання регіону здійснено без витрат палива - тільки за рахунок сонячної енергії.Наявність діючих теплових електростанцій, які повинні працювати тільки в базовому постійному режимі, не суперечить застосуванню розглянутої схеми, оскільки і прямий і зворотний цикли вельми маневрені. Температура їх невисока, і відсутні масивні деталі, що вимагають тривалого прогріву. Майданчик біля Сиваша представлялася найкращою для реалізації, в першу чергу для вирішення завдань енергопостачання Криму.З екологічної точки зору проект представляв одним з найкращих способів енергопостачання, бо повністю виключає горіння органічного палива влітку, знижує його до мінімуму взимку. Проект вільний від ризику аварій, оскільки температура і тиск робочого тіла не перевищують 100 ⁰С і 30 кгс / см2. Як показали подібні розрахунки шведських і фінських авторів, сонячний ставок з ТН здатний ефективно акумулювати і видавати тепло при мінімальній температурі 20 ⁰С навіть на 60-й паралелі при замерзанні його поверхні взимку (або покритті її шаром полістиролу).

На відміну від звичайної сонячної електростанції з геліостатами, де концентрація енергії досягається оптичними методами, сонячний ставок забезпечує гидродинамическую концентрацію енергії. При середній щільності припливу сонячної теплоти в відводиться нагріте розсіл 75 Вт / м2 щільність потоку використовуваної ентальпії (твір щільності розсолу - 1500 кг / м3, його швидкість в трубі 1 м / с, теплоємності - 2,3 кДж / кг ∙ ⁰С і перепаду температури 10 ⁰С) становить 3,5 ∙ 107 Вт / м2.

Звідси видно, що гідродинамічна концентрація підвищує щільність потоку енергії більш ніж на п'ять порядків, т. Е. В сотні тисяч разів. Здатність до здійснення роботи характеризується не потоком енергії, а потоком ексергії і тому слід звернути увагу на концентрацію ексергії сонячним ставком.

Щільність потоку ексергії сонячного випромінювання не набагато нижче щільності енергії (приблизно вдвічі), так що його можна оцінити середньою величиною δо = 100 Вт / м2. Це подводимая до ставка ексергія. Відводиться є ексергія гарячого розсолу, оцінювана тільки по його температурі, т. Е. Термічна а не хімічна ексергія.

При відведенні гарячого розсолу ми отримуємо гидродинамическую концентрацію потоку ексергії в сто тисяч разів. Щільність потоку ексергії в гарячому розсолі багато вище, ніж при передачі енергії від гарячих газів в хвостових частинах котельного агрегату, і вище, ніж в океанських теплових електростанціях. Тому сонячний ставок і представляється ефективним ВДЕ завдяки високій концентрації ексергії і йому приділяється так багато уваги Є. І. Янтовскім.

Критичним перетином для потоку енергії залишаються теплообмінники, в яких питома тепловий потік складає близько 104 Вт / м2.Питома маса великих теплообмінників вода - фреон становить 45 кг / м2 для високого тиску і 20 кг / м2 - для низького. Отже, для ККД = 0,1 їхня маса на 1 кВт електричної потужності складе (45 + 20) / (0,1 ∙ 10) = 65 кг / кВт. Маса компресорів, турбіни, насосів, паропроводів відносно невелика, і в сумі можна прийняти питому масу обладнання m = M / Nе = 100 кг / кВт = 0,1 кг / Вт.

Для оцінки терміну енергетичної окупності (tок) прирівняємо кількість зекономленого за рахунок роботи сонячної електростанції палива (Nе / η) tок і витрати палива на виробництво устаткування масою М: М ∙ Е. Тут η - ККД замещаемой ТЕС, Е - питома енергоємність обладнання (для стали 80 МДж / кг). Звідси tок = η ∙ m ∙ Е = 0,4 ∙ 0,1 ∙ 80 ∙ 106 = 3,2 ∙ 106 з 0,1 року. Термін цей істотно менше терміну служби, отже відшкодує витрати енергії на її устаткування; але витрати енергії на трубопроводи можуть бути дуже великі, тому віддається перевага керамічних трубах, звичайно застосовуваним в системах зрошення. Слід зазначити, що в багатьох проектах рекомендується застосовувати не фреон, а ізобутан - легкодоступну фракцію нафти або природного газу. Тоді можливе використання контактного теплообмінника, в якому струменя гарячого розсолу безпосередньо контактують з рідким ізобутаном і випаровують його.

У порівнянні зі звичайними ТЕС по металоємності обладнання ставкова сонячна електростанція програє небагато, бо питома маса пиловугільних енергетичних котлів становить 30 кг / кВт. Якщо ж врахувати всі витрати металу, а значить, і енергії на паливний цикл і транспорт палива, то перевага ставкової електростанції за цим критерієм наявності.

Цікаві дані з природничих Антарктичним сонячним соляним озерам, які можуть лягти в основу розробки технології виводу (прогріву) сонячного ставка після зимової «сплячки» в Росії.

За результатами досліджень новозеландських учених К. Уеллмана і А. Уїлсона озеро Ванда (Антарктида) прогрівається за рахунок променевої енергії Сонця до самого дна на глибину 70 м через прозорий лід товщиною 4 м. Температура води у дна становить 27 ⁰С або на 47 ⁰С більше середньорічної температури повітря. Пояснити те, що називають феноменом Антарктиди, можна так. Відомо, що короткохвильова сонячна радіація порівняно добре проходить через атмосферу, яка містить водяні пари. Досягнувши земної поверхні, вона перетворюється в довгохвильову, яка на зворотному шляху вже поглинається, хоча і не повністю атмосферою.

Атмосфера служить як би пасткою для сонячної енергії. Це явище добре відоме під назвою парникового ефекту. Завдяки йому фактична середня температура поверхні Землі на 18 ⁰С вище, ніж вона була б без атмосфери.А тепер подивимося, що відбувається з сонячною енергією на озері Ванда. На поверхні озера снігу немає через сильний вітер і високого випаровування. Короткохвильова сонячна радіація тому практично безперешкодно проникає через дуже прозорий лід і воду і нагріває дно майже так само як і навколишній озеро скелі. Від дна відбивається вже довгохвильова радіація, яка майже вся поглинається водою, нагріваючи її. А оскільки озеро без розкриття від льоду, то вітер не перемішує воду.

Не перемішується вона і під впливом теплової конвекції, тому нагріта у дна вода дуже солона і виявляється все ж важче верхньої холодною, але прісної води.

На прикладі озер Антарктиди підтверджується колосальна роль вимушеної конвекції в енерго-і масообмінних. Дійсно, в районах сезонного промерзання верхніх шарів гірських порід в неглибоких поверхневих водоймах не спостерігається подібної стратифікації ні в температурі, у хімічному складі води. Її немає тому, що в періоди відсутності крижаного покриву вся вода перемішується конвективним шляхом під впливом вітру. При наявності цілий рік крижаного покриву умов для вимушеної конвекції немає. Перемішування відбувається тільки під впливом вільної (теплової) конвекції, але лише на перших порах, поки через розшарування вод по мінералізації (гравітаційного, наприклад) вода нижніх шарів не виявиться настільки важкою, що не зможе підніматися вгору навіть при нагріванні на десятки градусів вище , ніж верхні прісні шари води. Примітно, що незважаючи, на колосальні градієнти концентрації і температури, що виникають в таких умовах, роль молекулярної і теплової дифузії разом узятих залишається настільки незначною, що вони не можуть привести до міграції хімічних інгредієнтів з донних шарів води в верхні і до вирівнювання мінералізації в товщі озерної води .

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Харченко Н.В. Індивідуальні сонячні установки / Н.В. Харченко М .: Вища школа, 1991. 208 с.

2. Янтовскій Є.І. Потоки енергії та ексергії / Є.І. Янтовскій М .: Наука, 1988. 144 с.

3. Фролов Н.М. Основи гідрогеотерміі / Н.М. Фролов. М .: Недра, 191. 335 с.

4. В.Дубковський,А.Денисова/Сонячний ставок

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/.ua