Горячие ванны

Солнечный соляной пруд как концентратор и накопитель энергии
29.11.2019
Геннадий Осадчий

Солнечный соляной пруд представляет собой одновременно коллектор и аккумулятор тепловой энергии, притом относительно недорогой и эффективный. Исследовательские работы по изучению солнечных соляных прудов начались с середины 1950-х годов в Чили и Израиле, затем были развёрнуты в США, Индии, Саудовской Аравии, Австралии, Египте.

Солнечный соляной пруд (см. рис.) - это неглубокий (2-4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней части, где накапливается тепло солнечной радиации. Температура у дна может достигать 100 и даже 110˚C.

Столь высокие температуры вблизи дна можно получить благодаря подавлению гравитационной конвекции, перемешивающей слои воды в обычных водоёмах. В солнечном пруду такой конвекции нет, поскольку у крутосолёного рассола большой плотности, находящегося у дна, по мере нагрева плотность повышается из-за роста растворимости соли в воде (этот эффект пересиливает эффект уменьшения плотности жидкости по мере её расширения). В горячей воде соль растворяется быстрее, чем в холодной. Следовательно, при нагреве придонного слоя кристаллы соли переходят в рассол, увеличивая его плотность.

Основную часть энергии в солнечном спектре несут коротковолновые (видимые и ультрафиолетовые) лучи. Инфракрасная часть солнечного излучения полностью поглощается верхним слоем пресной воды, коротковолновые лучи поглощаются более низкими слоями воды, а непоглощённая часть излучения, прошедшего сквозь воду, - тёмным дном. Энергия, отражённая от дна, частично поглотится водой на обратном пути.

При отсутствии конвекции и низкой теплопроводности рассола вблизи дна рассол способен нагреваться до высоких температур. В прессе сообщают о получении температур 102 и 109˚С и дают расчётные предположения о возможности достичь температуры 150˚С в насыщенных рассолах. Разумеется, конкретные результаты зависят от географической широты местности, прозрачности атмосферы, чистоты верхнего пресного слоя воды, типа рассола пруда, вида теплоизоляции дна и боковых стенок, наличия концентраторов (отражателей солнечного излучения в акваторию пруда) и ветра.

Утечка тепла от нагреваемого дна и придонного слоя происходит сквозь грунт вниз (при отсутствии теплоизоляции), через боковые откосы и слой неподвижной воды вверх.

Верхний слой пруда из пресной воды (называется верхней конвективной зоной) обычно имеет толщину 0,1-0,3 м. В нём подавить перемешивание жидкости не удается из-за действия ветра, неравномерного загрязнения поверхности и других причин. Этот слой должен быть как можно тоньше и чище, иметь поверхность без ряби, чтобы снизить потери излучения при входе в воду. Потому, что поглощённое в верхней конвективной зоне солнечное излучение превращается в тепло, которое легко уносится с поверхности ветром и тратится на испарение воды.

Ниже находится средний, изолирующий градиентный слой (с увеличивающейся книзу концентрацией рассола). Именно в нём создаются «термоклин» и «галоклин» - резко неравномерные распределения температуры и солёности при полном отсутствии перемешивания, если накопитель энергии работает устойчиво. От толщины этого слоя зависят многие характеристики пруда.

Наконец, третий, придонный слой горячего рассола выполняет задачу накопления энергии. Здесь существует конвективная зона, где допустимо перемешивание. Её толщина определяет тепловую инерцию системы и теплоёмкость аккумулятора. Пропуская рассол из этого слоя через теплообменники, можно использовать пруд для целей как теплоснабжения, так и выработки электроэнергии. КПД пруда (отношение отводимой теплоты к падающей на поверхность солнечной энергии), в зависимости от его параметров, колеблется от 15 до 27%.

Для создания солнечных соляных прудов в настоящее время используют отходы соляных производств, содержащие большую долю хлорида магния, непригодную для употребления в пищу. Чтобы предотвратить утечки рассола, дно покрывают пластмассовой плёнкой или слоем фурановой смолы. Иногда достаточно выстлать дно водонепроницаемой глиной.

Судя по сведениям из литературы, наибольший по площади (250 тыс. кв. м) соляной солнечный пруд создан ещё в 1980-е годы в Израиле вблизи Мёртвого моря. На нём построена и испытана паротурбинная фреоновая энергетическая установка мощностью 5 МВт. Там же создан экспериментальный солнечный пруд размерами 4x4,5 м глубиной 0,9 м с насыщенным раствором 95-процентного хлорида магния и 5-процентного хлорида кальция. Летом 1984 г. в нём была получена температура 98˚С. Утверждается, что пруд такого типа может давать температуру в интервале 120-150˚С. В 1978 г. с соляного пруда площадью 7500 кв. м получена электрическая мощность 150 кВт.

В Австралии возле Мельбурна (38 градусов южной широты) на грунте из водонепроницаемой глины построены два пруда глубиной 3 м и площадью по 1000 кв. м. Один из прудов оставлен без теплоизоляции, другой имеет изоляцию из пенополистирола с плёнкой из бутинола. Рассол образуют отходы от опреснения морской воды - смесь хлоридов магния и натрия.

Результаты испытаний энергетической установки с паровой фреоновой турбиной вблизи Мёртвого моря внушают оптимизм (см. таблицу). Пруд собирает солнечную энергию на площади 0,25 кв. км, а горячий рассол из нижней конвективной зоны пруда подаётся в теплообменник-испаритель (аналог котла на обычной ТЭС), где нагревается фреон. В турбине фреон передаёт мощность электрогенератору, затем конденсируется, отдавая сбросную теплоту циркуляционной воде, после чего закачивается насосом в испаритель. Это обычный цикл Ренкина для низкотемпературных энергетических установок - геотермальных, океанических, утилизирующих энергию влажного пара.

Эти испытания показали, что солнечный соляной пруд действительно может быть одним из лучших устройств энергетики ВИЭ. Удельная электрическая мощность, получаемая с 1 кв. м поверхности пруда, составила 20 Вт. Среднегодовой коэффициент использования установленной мощности превысил 73%. Удельные капитальные затраты на создание энергогенерирующей установки на тот момент оказались равны 4500 долл./кВт.

В последнее время для северных широт 50-60˚ предложены новые технологии ВИЭ на базе солнечных соляных прудов. Эти технологии предполагают задействовать не только солнечное излучение, но и его производные (в частности, неиспользованную теплоту термодинамического цикла), что позволяет вырабатывать энергию круглый год или запасать её, например, летом в виде биогаза.

Об авторе: Геннадий Борисович Осадчий - изобретатель из Омска.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы