Солнечный пруд. Принцип получения тепловой и электрической энергии. Привести схему получения электроэнергии.
В случаях, требующих нагрева больших объемов жидкости до температур ниже 100 0 С, применение стандартных нагревателей, часто оказывается слишком дорогостоящим. Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода. Достаточно большой водоем может быть вырыт просто в Земле, что относительно недорого. Если учесть, что солнечные пруды содержат в себе и накопители тепла, то область их использования может быть довольно широкой.
В солнечный пруд заливается несколько слоев воды различной степени солености, причем наиболее соленый слой толщиной около 0,5 м располагается на дне (рис. 8.1). Солнечное излучение поглощается дном водоема, и придонный слой воды нагревается. В обычных однородных водоемах нагретая вода легче, чем окружающая ее, поднимается вверх и в процессе свободной конвекции передает тепло воздуху над водоемом.
В неоднородном водоеме придонный слой воды обычно берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его ходя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция подавляется и придонный слой нагревается все сильнее. Существуют некоторые растворы, плотность которых возрастает при повышении температуры. Использование таких растворов позволяет иметь стабильные солнечные пруды.
Рис. 8.1. В солнечном пруду конвекция подавлена, и придонные слои жидкости сохраняют тепло, полученное от Солнца.
Повышение температуры в придонном слое ограничивается тепловыми потерями при прохождении солнечного излучения через неподвижные верхние слои воды. Расчеты показывают, что сопротивление теплопотерям в данном случае сравнимо с термическим сопротивлением стандартного плоского нагревателя. В солнечных прудах достигается равновесная температура до 90 0 С и выше, в некоторых наиболее эффективных системах наблюдалось кипение воды. Следует отметить, что для заполнения солнечного пруда требуется несколько месяцев, поскольку если верхние слои заливать слишком быстро, то в результате турбулентности взболтаются нижние слои и разрушится созданная стратификация.
Теплоемкость и термическое сопротивление большого солнечного пруда могут быть достаточными для того, чтобы сохранить тепло в придонном слое до зимы. Это тепло можно использовать для отопления зданий зимой. Солнечные пруды имеют, кроме того, множество возможных применений в промышленности как стационарные источники тепла умеренно высокой температуры, а также как источники электроэнергии.
Солнечный пруд в Эйн-Бореке, Израиль, производит 150 кВт электроэнергии с площади 0,74 га при стоимости 10 центов за 1 кВт ч.
Дата добавления: 2016-07-22 ; просмотров: 3062 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Солнечный пруд
Солнечный пруд — водоём, поглощающий и аккумулирующий тепло солнечной радиации круглый год. Таким образом, он служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными солнечными коллекторами. Требуемый размер зависит от: климата; типа здания; конструкции системы.
Схема солнечного пруда (а) и изменение температуры (б) жидкости по высоте пруда:
1 — пресная вода; 2 — изолирующий слой с увеличивающейся книзу концентрацией; 3 — слой горячего раствора; 4 — теплообменник.
В солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70°С. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в тёмный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура её может достигать 90-100°С, в то время, как температура поверхностного слоя остаётся на уровне 20°С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.
Обычно глубина пруда составляет 1-3 м. На 1 м² площади пруда требуется 500-1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.
Вышеописанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на 3 зоны, концентрация соли в которых возрастает от поверхности к дну. Верхний тонкий слой (10-20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет ⅔ общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объёме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, а второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.
Солнечный пруд может быть использован в солнечных установках отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.
При сопоставлении с проточными солнечными коллекторами стоимость систем с плавающими солнечными коллекторами и солнечных прудов оказывается в 2 раза ниже.
Источник
Соляной пруд. Солнечный коллектор и тепловой аккумулятор одновременно
В природе миллионы лет существуют соляные озера, которые являются тепловыми аккумуляторами. Озеро Ванда (Антарктида) прогревается за счет лучистой энергии Солнца до самого дна на глубину 70 м через прозрачный лед толщиной 4 м. Температура воды в озере 27 градусов по Цельсию, снаружи минус 50. Электрическая мощность, которую можно «снять» с искусственного соляного пруда примерно 8 Вт/кв. м. В то же время с площади водохранилища Красноярской ГЭС, снимаемая мощность с 1 кв.м. составляет 3 Ватта. В районе Мертвого моря в Израиле удалось снять 20 Ватт с 1 квадратного метра соляного озера. Об особенностях и преимуществах соляных прудов в изложении статьи инженера Осадчего Геннадия Борисовича, г. Омск.
На Земле 2 основных источника энергии, доступных пока человеку – излучение Солнца и тепло от Земли. В последнее время много разговоров о возможности использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей в электричестве и тепле. Детальное обследование территории России показали, что более 60 % территории России, включая многие северные районы, характеризуются существенными среднегодовым поступлением солнечной энергии 3,5 – 4,5 кВт∙ч/м2 день. Наиболее «солнечные» районы Дальнего Востока, Якутии, Прибайкалья и Алтай, Северного Кавказа. В целом технический (доступный технологически) потенциал использования солнечной энергии вдвое превышает общее энергопотребление страны. Способов трансформации энергии солнечной радиации в необходимые виды энергии довольно много. Один из них так называемый «Соляной пруд».
Солнечный соляной пруд — это неглубокий (2 – 4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней его части. В качестве рассола, например, используется с насыщенный раствор, состоящий из 95 % хлорида магния и 5 % хлорида кальция. Во избежание растекания жидкости обеспечивается гидроизоляция бассейна. Для сокращения тепловых потерь через грунт рекомендуется обеспечивать теплоизоляцию дна и стенок бассейна.
Как работает Солнечный соляной пруд?
По своей сути соляной пруд является солнечным коллектором – тепловой ловушкой. В пруду часть солнечного излучения — инфракрасного спектра полностью поглощается верхним слоем пресной воды, коротковолнового поглощается более низкими слоями воды, а не поглощенная часть излучения, прошедшего сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от дна, частично поглотится водой на обратном пути. В обычном бассейне теплая и холодная вода перемешиваются благодаря естественной конвекции. Теплая вода имеет меньшую плотность и она поднимается к поверхности.
Насыщенный соляной раствор имеет большую плотность (примерно 1,5) и поэтому при нагревании не может подниматься наверх. Физические свойства промежуточного «градиентного» слоя с резким изменением плотности сродни составляет примерно 1,7 м2∙⁰С∙Вт-1, что соответствует значениям теплового сопротивления стен большинства эксплуатируемых зданий. При этом тепловое сопротивление поверхностного слоя воды в 1000 раз ниже теплового сопротивления градиентного слоя. Что касается поверхностного слоя – это зона наиболее интенсивного теплообмена с окружающей средой. Поэтому для повышения эффективности соляного пруда необходимо предпринимать меры по ограничению непосредственного теплового контакта с атмосферой, поскольку даже небольшой ветер способствует резкому выхолаживанию поверхности.
Таким образом, энергия солнечного излучения пройдя через толщу раствора практически полностью задерживается в нижнем слое пруда и не имеет выхода наружу. Такое свойство сродни парниковому эффекту и приводит к резкому повышению температуры соляного раствора, которая может достигать 100 градусов. В отличие от обычных солнечных коллекторов, в которых роль тепловой ловушки играют имеющие незначительный объем колбы, объем и теплоемкость соляного пруда очень велики. Это позволяет использовать соляной пруд не только в качестве солнечного коллектора, но и в качестве аккумулятора тепловой энергии. Если перевести на привычные энергетикам термины коэффициента использования установленной мощности, то он для соляных прудов составляет примерно 0,73. Этому способствует так же свойство соляного пруда запасать энергию не только от солнечных лучей, но и от рассеянного излучения от облаков.
Все познается в сравнении. Электрическая мощность, которую можно «снять» с соляного пруда примерно 8 Вт/кв. м. В то же время, с учетом площади водохранилища Красноярской ГЭС, снимаемая мощность с 1 кв.м. составляет 3 Ватта при коэффициенте использования установленной мощности 0,38 (отражает сезонность выработки энергии ГЭС). В районе Мертвого моря в Израиле удалось снять 20 Ватт с 1 квадратного метра соляного озера.
В природе миллионы лет существуют соляные озера, которые работают в качестве тепловых аккумуляторов. Озеро Ванда (Антарктида) прогревается за счет лучистой энергии Солнца до самого дна на глубину 70 м через прозрачный лед толщиной 4 м. На поверхности озера снега нет из-за сильного ветра и высокого испарения. Коротковолновая солнечная радиация поэтому практически беспрепятственно проникает через очень прозрачный лед и воду и нагревает дно почти так же как и окружающее озеро скалы. От дна отражается уже длинноволновая радиация, которая почти вся поглощается водой, нагревая её. А поскольку озеро не вскрывается ото льда, то ветер не перемешивает воду. Не перемешивается она и под влиянием тепловой конвекции, т.к. нагретая у дна вода очень соленая и оказывается все же тяжелей верхней холодной, но пресной воды.
Использование соляных прудов
Площадь одного из демонстрационных бассейнов в Бет-ха-Араве составляет 250000 м2 . Фирма «Ормат», которой принадлежит приоритет в создании таких бассейнов, разработала специальную низкотемпературную турбину, которая позволяет горячей воде бассейна преобразовывать органическую жидкость в пар и таким образом вырабатывать электричество. В основе проекта лежит идея бассейна с соленой водой, около 2 метров глубиной, где искусственно поддерживается более высокий уровень засоленности придонного слоя по сравнению с поверхностным (что соответственно увеличивает и плотность ее нижнего слоя). Благодаря этому температура воды на дне бассейна достигает практически 100° С. Таким образом, благодаря своим размерам удается уверенно обеспечивать мощность генерации 750 кВт электрической энергии.
Имеются российские разработки, позволяющие достигнуть аналогичных показателей. В то же время, благодаря климатическим условиям, в энергетической установке можно накапливать не только тепло, но и холод, который в свою очередь можно использовать для повышения эффективности работы теплообменников и для иных хозяйственных нужд.
Использование солнечного пруда для непосредственного получения тепла еще более эффективно.
Так например:
• В бальнеологии для подогрева грязевых и минеральных ванн с температурой теплоносителя 25-50 градусовС;
• Для отопления при подогреве теплоносителя или поступающего в помещение воздуха с температурой теплоноститея от 45 до 95 градусовС;
• В сельском хозяйстве при выращивании овощей и фруктов в теплицах, обогреве грунта, разведении рыб, в пищевой промышленности;
• В малой энергетике при сбраживании в биогазовых установках и при работе теплонасосных станций;
• В промышленности там, где требуется недорогое тепло. Изготовление бетонных блоков, сушка пиломатериалов, обогрев помещений, работа различного вида химических реакторов и т.д.
• На дачных участках для отопления теплиц, дома, получения горячей воды для дома и бани.
• Или, например, гелиобаня со 100% готовностью воспользоваться ею в любое время.
1 – солнечное излучение, 2– концентратор солнечного излучения, 3 – солнечный соляной пруд, 4 – парная, 5 – банное отделение, 6 – комната отдыха
Имеются соответствующие проекты и примеры исполнения.
Источник
Горячие ванны
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 4×4,5 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