Энергия в пресноводных системах
Температура и циркуляция в водоеме определяются характерными для него энергетическими соотношениями. При температуре 4°С плотность воды максимальная, и это в значительной степени обусловливает циркуляцию пресноводных систем. На рис. 3.9 схематически представлены энергетические соотношения для пресного озера или пруда. Солнечное излучение — это всегда поступающая в систему энергия. Величина ее зависит от времени суток, сезона, облачности, географической широты, высоты над уровнем моря, площади поверхности водоема. Испарение и направленное вверх излучение воды приводят к энергетическим потерям, зависящим от сезона, температуры воды и воздуха, скорости ветра, относительной влажности воздуха, площади поверхности пруда или озера, высоты его над уровнем моря, географической широты и времени суток.
Направление теплового потока, возникающего в результате разности теплосодержания воды и воздуха, определяется соотношением их температур. В результате энергетического обмена со слоем придонного ила может происходить либо отвод, либо подвод энергии в зависимости от значений средней температуры воды в озере. Если озеро или пруд настолько глубоки, что в них существует термоклин, придонный водный слой обычно получает небольшие количества энергии от дна. Летом в мелководных прудах поток тепла может быть направлен от воды к почве. Вода, втекающая в систему, всегда вносит в нее энергию, поскольку температура воды постоянно выше абсолютного нуля. При вытекании воды из системы происходит отвод энергии. Результирующее влияние втока и вытока воды на среднюю температуру водоема определяется соотношением объемов потоков и их температур. Положение точки стока также оказывает существенное влияние на энергетический баланс, поскольку сток из верхних слоев приводит к отводу более теплой воды (по крайней мере, в течение большей части года), чем сток придонной воды.
Средняя температура воды озера или пруда определяется алгебраической суммой энергетических потоков. Циркуляция возникает из-за стремления системы к стабильному распределению энергии, т. е. относительно постоянному горизонтальному и вертикальному распределению температур, при котором воды с большей плотностью находятся ниже, чем менее плотные воды. Однако величина поступающей и теряемой энергии непрерывно изменяется. Особенно непостоянны величина излучения Солнца и скорость испарения, которые играют наиболее важную роль в энергетическом балансе, поэтому в водных системах всегда существует ‘некоторая циркуляция.
Чтобы лучше представить себе циркуляцию в пресноводных системах, рассмотрим детально изменения, происходящие в озере или пруду в течение годового температурного цикла. Поскольку существует несколько типов годовой циркуляции для различных озер и прудов (см. ниже), рассмотрим сначала димиктическое озеро. Для озера такого типа характерны два круговорота воды в год, обычная стратификация летом и возможность обратной стратификации зимой. Такой тип стратификации характерен для озер умеренных климатических зон. В конце зимы, когда вода покрыта льдом, температура воды непосредственно подо льдом равна 0°С. Глубже подо льдом температура быстро повышается до 1—2°С и остается относительно постоянной с увеличением глубины, незначительно повышаясь вблизи дна. Эта относительная однородность распределения температур является результатом перемешивания во всем объеме озера. Такое перемешивание происходит осенью до формирования льда.
Весной после таяния льда температура поверхностного слоя повышается до 4°С. Плотность поверхностных вод увеличивается, и они опускаются на дно. Процессу перемешивания способствует также ветер. В этот период весеннего круговорота вод происходит перемешивание всего объема озера до самого дна, обусловливающее установление однородного вертикального распределения температур.
С увеличением продолжительности дня температура поверхностного слоя повышается, а плотность вод в нем уменьшается. Скорость приводного ветра в летние месяцы снижается и соответственно уменьшается ветровое перемешивание. Менее плотная вода остается на поверхности. Поскольку ветровое перемешивание определяет циркуляцию воды только в поверхностном слое толщиной в несколько метров, в озерах такого типа отчетливо выделяются три зоны. Неглубокий поверхностный слой, или эпилимнион, имеет относительно высокую температуру. Вторая зона, так называемый термоклин, или металимнион, характеризуется быстрым снижением температуры с увеличением глубины. Эта зона разделяет теплый поверхностный слой и холодные глубинные воды озера. Уменьшение температуры воды с глубиной сопровождается увеличением ее плотности. Большая плотность нижних слоев определяет стабильность водного столба и препятствует ветровому перемешиванию. Толщина слоя термоклина может составлять от десятых долей метра до 15 м. В начале лета толщина термоклина больше, чем в конце лета, т. е. к концу лета температурные градиенты значительно возрастают. Третий слой — гиполимнион расположен между слоем термоклина и дном озера; здесь с увеличением глубины температура медленно возрастает.
С наступлением осени дни становятся короче и тепловые потери на направленное вверх излучение с поверхности и испарение уже превышают приток тепла в результате солнечного излучения. Охлаждение озера начинается с поверхности. Медленное охлаждение поверхности приводит к увеличению плотности воды в поверхностном слое. Увеличение плотности вызывает усиление циркуляции в эпилимнионе, чему также способствует характерное для осени увеличение скорости ветра. При дальнейшем охлаждении уменьшается сопротивление возникновению циркуляции, связанное с уменьшением температурного градиента термоклина. При нарушении термоклина процесс циркуляции, происходящий в поверхностном слое воды, захватывает все более глубокие слои воды до тех пор, пока в него не включится вся водная масса озера или пруда. Этот процесс называется осенним перемешиванием или круговоротом воды и приводит к более или менее однородному распределению температур по всей глубине озера.
Зимой под слоем льда может наблюдаться обратное распределение температур. Непосредственно под слоем льда температура быстро повышается до 4°С или другой температуры, характерной для данного водоема. Таким образом, более холодная и наименее плотная в данном случае вода находится наверху, причем температура повышается с увеличением глубины пока не достигнет 4°С. Однако подобная обратная стратификация возникает далеко не всегда и существует недолго.
Процесс нагревания и температурных изменений воды подо льдом интенсивно изучался. Основными источниками тепла являются проникающее сквозь лед солнечное излучение и тепловое излучение, идущее от дна озера. Перенос тепла в воде подо льдом происходит либо в результате плотностных течений, возникающих при проникновении солнечных лучей через лед, либо при существовании градиентов плотностей, вызванных химическими силами обусловленными переходом вещества из донных отложений в воду.
Тепловые характеристики озер значительно различаются. Однако по некоторым характеристикам может быть проведена классификация. Одну из таких классификаций разработал Рейд (Reid,. 1961) для озер, достаточно глубоких для осуществления в них стратификации, перемешивания и образования гиполимниона. В классификации учитывается также высота над уровнем моря, географическая широта, глубина водоема.
Амиктические озера — озера, изолированные от внешней среды постоянным ледовым покровом. К ним относятся слабо изученные озера Антарктиды и высокогорные озера.
Холодные мономиктические озера — озера полярных районов с постоянной температурой воды 4°С или ниже, покрытые льдом, для зимы характерно обратное распределение температур. Перемешивание происходит только летом; при этом температура не превышает 4°С.
Димиктические озера характеризуются наличием весеннего и осеннего круговорота; летом наблюдается обычная температурная стратификация, зимой — температурная инверсия; такие озера характерны для умеренных климатических зон и высокогорных областей субтропиков.
Теплые мономиктические озера — озера с температурой воды, постоянно превышающей 4°С, циркуляция происходит редко и нерегулярно; такие озера типичны для тропических областей и обычно расположены на небольшой высоте над уровнем моря.
Полимиктические озера характеризуются непрерывной циркуляцией при температурах, несколько превышающих 4°С. Такие озера типичны для высокогорных районов тропических областей; стратификация отсутствует, поскольку тепло передается окружающей среде с относительно постоянной температурой.
Озера, в которых циркуляция охватывает всю водную массу до самого дна, называются голомиктическими. В голомиктических озерах температура гиполимниона обычно равномерно снижается с увеличением глубины. Однако в некоторых озерах циркуляция не распространяется на всю глубину озера, даже если верхние слои холоднее нижних. В этих озерах придонный, не охваченный процессом циркуляции слой, так называемый монимолимнион, содержит значительное количество солей, образующихся в результате растворения донных осадков. Растворенные соли настолько увеличивают плотность воды, что более теплая соленая вода становится плотнее более холодной пресной воды над ней. Градиент плотности в монимолимнионе называется хемоклин, поскольку основной причиной увеличения плотности является повышение содержания солей в воде. В слое воды над хемоклином, называемом миксолим-нионом, возможно распределение температур, аналогичное распределению в голомиктических озерах.
Рыбоводные пруды редко бывают достаточно глубокими для существования мощного термоклина в течение длительных периодов, поэтому циркуляция в них определяется перемешиванием, вызванным сезонными температурными изменениями и приповерхностными ветрами. При строительстве таких прудов предусматривается возможность хотя бы частичного регулирования циркуляции в соответствии с рыбоводными требованиями.
Циркуляция и тепловые характеристики систем с проточной водой (каналы для выращивания и ручьи) определяются в основном не градиентами плотностей, а гравитационными силами. Однако циркуляция плесов может быть аналогична циркуляции в прудах. Уровень воды постоянно стремится понизиться, что приводит к возникновению турбулентности, нарушающей стратификацию. При проектировании рыбоводных каналов колебания температуры обычно стремятся свести до минимума.
Температура системы с проточной водой в значительной степени определяется различными параметрами, действующими на нее выше по течению. Температура воды в системе определяется температурой источника, зависит от мутности воды, облачного покрова, времени суток, сезона, географической широты, объема и геометрии русла. Системы, питаемые подземными источниками, имеют, по крайней мере вблизи источника, круглый год относительно стабильную температуру. Температура системы, источником которой служит поверхностный сток, в значительной степени зависит от температуры воздуха и почвы. Вдоль русла реки температура воды изменяется главным образом под влиянием поглощения энергии излучения и потери тепла на испарение: если преобладает поглощение энергии, температура воды повышается; высокая скорость испарения может привести к охлаждению воды. В искусственных рыбоводных каналах заданную температуру можно поддерживать с высокой точностью, однако это требует больших затрат. Обычно осуществляется более экономичный режим, при котором для нагревания воды используется солнечная энергия, а для охлаждения — понижение температуры при испарении воды.
Источник
СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
В. ДУБКОВСКИЙ, А. ДЕНИСОВА
В своей статье авторы — сотрудники Одесского государственного политехнического университета — предлагают аккумулировать и использовать солнечную энергию при помощи так называемых солнечных прудов.
Этим термином именуют ограниченного объема водоем, в котором либо отсутствует, либо сильно уменьшена конвекция, то есть перемешивание слоев. Ее отсутствие резко снижает потери тепла в окружающую среду, и в результате нижние слои воды могут значительно прогреваться — иногда до 90-100 о С.
Такого рода водоемы встречаются в природе: в них конвекция подавлена разным содержанием соли в слоях воды. Примером природных солнечных прудов может служить ряд озер в Венгрии и в Румынии, а также восточное побережье Красного моря. На этом побережье температура поверхностного слоя может составлять 16 градусов, а на глубине 1,5 м — 48 градусов. Имеется природный солнечный пруд даже в Антарктиде: это — озеро Ванда глубиною 6 км, в котором при температуре воздуха -20 о С температура воды достигает +25 о С.
Еще в 50-х годах вблизи Мертвого моря был построен первый искусственный солнечный пруд, и температура его придонных (насыщенных солями) слоев оказалась около 96 о С. Исследования показали, что эту горячую воду можно из водоема извлекать, пропускать через теплообменник и возвращать обратно, не нарушая при этом общего режима пруда. А в качестве растворяемых в водоеме солей использовать, например, NaCl в количестве 300 кг/м з , а также MgCl 2 и NaHCO 3 .
Можно, однако, обойтись и без соли, применив вместо этого для подавления конвекции между слоями прозрачные мембраны из полиэтиленовой пленки. А можно — и без того, и без другого, и тогда солнечный пруд окажется конвекционным, то есть вода в нем будет перемешиваться. Слой ее в этом случае должен быть тонким — не более 10 см, а отгороженное пеноизоляцией от грунта днище — выкрашенным в черный цвет. От воздуха вода тоже должна быть изолирована, например стеклом.
Но все же неконвекционные природные солнечные пруды обходятся дешевле, а наиболее экономичными оказываются те из них, акватория которых не менее нескольких квадратных километров (то есть мелководные озера или лиманы). На территории СНГ перспективны с этой точки зрения Аральское море и залив Кара-Богаз -Гол.
В. ДУБКОВСКИЙ, А. ДЕНИСОВА. Использование солнечных прудов в комбинированных энергоустановках. «Экотехнологии и ресурсосбережение» № 2, 2000, стр. 11-13.
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