Солнечный соляной пруд как базовый элемент использования энергии Солнца в установках и системах малой энергетики

энергетика возобновляемый солнце энергия Возможность самого широкого использования солнечной энергии (радиации) летом в средней полосе России, в том числе в Омской области, не вызывает сомнения, исходя из её значений.

Детальные исследования последнего времени 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 кВт•ч/м² день.

Наиболее «солнечными» являются регионы Дальнего Востока, кроме Камчатки, и юг Сибири (от 4,5 до 5,0 кВт•ч/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 кВт•ч/м² день).

В целом, технический потенциал солнечной энергии в России примерно в два раза превышает сегодняшнее, суммарное энергопотребление по стране. 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 в году) 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, с существенным снижением зимой, 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.

Что такое солнечный соляной пруд и каковы его характеристики.

Солнечный соляной пруд (рисунок 2) — 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 90 — 100? С и даже выше. На 1 м² площади пруда требуется 500 — 1000 кг поваренной соли, её можно заменить хлоридом магния.

Рисунок 2 Схема солнечного соляного пруда и изменение температуры жидкости по глубине пруда.

Физической основой возможности получения температур до 100? С вблизи дна пруда (рис. 2) 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 понижается незначительно, недостаточно для подъема рассола вверх. Если же на дне есть соль, то её в горячем рассоле растворяется больше, чем в «холодных» верхних слоях, 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. В таком пруду часть солнечного излучения — инфракрасного спектра полностью поглощается верхним слоем пресной воды, в то время как часть коротковолнового начнет поглощаться более низкими слоями воды, а не поглощенная часть излучения, прошедшего сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от темного дна, частично поглощается водой.

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 черноты и теплоизоляции дна и боковых стенок, наличия концентраторов 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. Сказывается действие ветра, неравномерного загрязнения поверхности и других причин. Этот слой называется верхней конвективной зоной, и его толщина должна быть как можно меньше и чище, и поверхность без ряби, чтобы снизить потери излучения, входящего в воду. То, солнечное излучение, что поглотилось в верхней конвективной зоне, — потери энергии, ибо она легко уносится с поверхности ветром и за счет испарения воды. Ниже находится градиентный слой (изолирующий слой с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), именно здесь создается «термоклин» и «галоклин» — резко неравномерное распределение и температуры, и солености при полном отсутствии перемешивания, если пруд работает устойчиво. От толщины этого слоя — не конвективной зоны — сильно зависят все характеристики пруда. Термическое сопротивление изолирующего слоя воды составляет примерно 1,7 м²•?С•Вт^-1, в то время как у плоского пластинчатого солнечного приемника сопротивление стенок 0,4 м²•?С•Вт^-1. В ранее построенных зданиях средней полосы России сопротивление теплопередаче стен составляет 0,9 — 1,1 м²•?С•Вт^-1, окон — 0,39 — 0,42 м²•?С•Вт^-1, покрытий — около 1,5 м²•?С•Вт^-1. Принятые новые нормативные требования увеличили требуемые значения сопротивления теплопередаче: для стен до 3,0 -3,5 м²•?С•Вт^-1, для окон — до 0,55 — 0,60 м²•?С•Вт^-1, для покрытий — до 4,5 — 5,0 м²•?С•Вт^-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•?С•Вт^-1).

Наконец, в придонном слое находится зона накопления энергии, состоящая из слоя горячего рассола, или конвективная зона, где допустимо перемешивание. Её толщина также влияет на показатели пруда — в основном на его тепловую инерцию.

Полезной энергией пруда является теплота, аккумулированная в этим слоем. Её можно использовать как для целей теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии путем пропускания рассола из этой зоны через какие-либо теплообменники. На рисунке 3 показана величина КПД пруда — отношение отводимой теплоты к падающей на поверхность солнечной энергии [Янтовский Е. И. Потоки энергии и эксергии М.: Наука, 1988. 144 с].

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). Иногда достаточно того, что дно «убивается» водонепроницаемой глиной.

Рисунок 3 Зависимость КПД солнечного соляного пруда, не имеющего теплоизоляции дна и боковых стенок, от температуры рассола (?С) и глубины не конвективной зоны.

Солнечный пруд представляет собой одновременно коллектор и аккумулятор теплоты, причем по сравнению с обычными коллектора и аккумуляторами он является более дешевой системой.

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.

Поскольку раствор солей солнечного соляного пруда может содержать различные концентрации хлористых натрия и магния и их отношения, то однозначно говорить о спектрах поглощения нет смысла. Хотя данных по этому вопросу предостаточно.

Так, например, исследованиями, проведенными в СССР (Ю. Усмановым) по выявлению коэффициента пропускания излучения различных длин волн для воды и раствора хлористого магния различной концентрации получены следующие результаты (рис. 4). А Б. Дж. Бринквортом показана графическая зависимость поглощения солнечной радиации и монохроматическая плотность потока солнечной радиации (излучения) в зависимости от длин волн (рисунок 5).

Следовательно, количественное поступление прямого солнечного излучения к горячему рассолу пруда, после вступления в воду, будет зависеть: от монохроматической плотности потока солнечной радиации (излучения); от высоты Солнца. А также от альбедо поверхности пруда, от чистоты верхнего слоя солнечного соляного пруда, состоящего из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 — 0,3 м, где подавить перемешивание не удается, состава, концентрации и толщины раствора в градиентном слое (изолирующем слое с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), от чистоты воды и рассола.

Рисунок 4 Зависимость пропускной способности раствора хлористого магния от концентрации.

Рисунок 5 Поглощение солнечной радиации в воде.

Из рисунков 4 и 5 следует, что вода обладает наибольшей пропускной способностью в видимой области солнечного спектра. Это является очень благоприятным фактором для прохождения солнечной радиации через верхний пресный слой солнечного соляного пруда.

Эффективность работы любой энергогенерирующей системы использующей солнечную энергию напрямую зависит от того применяется ли в её составе концентратор солнечной энергии и каков он. Меняющий свою ориентацию в пространстве, отслеживающий перемещение Солнца по небосводу или неподвижный, его форма и материал из которого изготовлены отражающие поверхности и многое другое.

Для оценки эффективности концентраторов прямого солнечного излучения в РФ (высоких широтах), для систем и сооружений с солнечным соляным прудом в качестве сравнительных данных, ниже будем использовать в основном данные по солнечному сиянию и прямой радиации и радиации на вертикальные поверхности в г. Омске. Хотя до последнего времени Омская область, как и вся средняя полоса России не рассматривались, как место потенциального использования солнечной энергии для энергоснабжения хозяйственной и производственной деятельности человека, и исследований в этом направлении практически не проводилось.

Для средней полосы России характерным является то, что Солнце как бы движется вокруг объекта, набирая значительную высоту к началу облучения южных стен ранним утром (в летний период) и остается на ней (высоте) к окончанию их облучения (вечером). Причем, например, для Омска время облучения южных стен в июне-июле — менее 10 часов (таблица 7), в то время как продолжительность дня в период летнего солнцестояния превышает 17 часов.

Таблица 7

Время (часы, минуты) начала и конца облучения прямой солнечной радиацией южных стен на 15-е число каждого месяца и время восхода и захода Солнца для Омска [Осадчий Г. Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е. А., 2010. 572 с].

Примечания: 1. Время указано истинно солнечное.

• 2. В зимний период года начало, и конец облучения солнечной радиацией южных стен совпадает с восходом и заходом Солнца.
• 3. В летний период года время начала облучения солнечной радиацией южных стен совпадает с концом облучения северных стен и наоборот.
• 4. Время начала облучения восточных стен совпадает с восходом Солнца, конец облучения в 12 ч. Время конца облучения западных стен совпадает с заходом Солнца.

Изменение продолжительности дня в течение года, и соответственно возможная продолжительность солнечного сияния в Омске в графическом виде представлена на рисунке 6. А на рисунке 7 приведены строго повторяющиеся данные по суточному ходу Солнца и склонение Солнца ().

Рисунок 6 Продолжительность (ч) дня и ночи в городе Омске.

1 — д = 23? (10 июня и 3 июля), 2 — д = 12? (22 апреля и 22 августа), 3 — д = 0 (21 марта и 23 сентября), 4 — д = - 12? (25 октября и 17 февраля), 5 — д = - 23? (11 декабря и 1 января), 6 — график закрытости горизонта.

Рисунок 7 Суточный ход высоты Солнца и график закрытости горизонта в Омске

Широта месторасположения Омска определяет продолжительность дня и соответственно возможную продолжительность солнечного сияния. В день зимнего солнцестояния — 22 декабря (рисунок 6) продолжительность дня в Омске 6 ч 48 мин, а 22 июня — 17 ч 08 мин. Средняя продолжительность солнечного сияния в Омске равна 2223 ч/год (в Батуми — лишь 1890 ч, в Харькове — 1748 ч, в Париже — 1800 ч, в Страсбурге — 1650 ч/год. Несколько выше в Риме — 2363 ч, в Ницце — 2800 ч.). В Омске среднее число дней в году без Солнца всего 57, при 42 днях без Солнца зимой.

Инвентаризация гелиопотенциала Амурской области: Гелиоэнергетические ресурсы области в целом составляют: на юге 1300 — 1400 кВт•ч/м², на севере 1100 — 1200 кВт•ч/м². Максимальная годовая продолжительность солнечного сияния (2300 — 2500 ч) наблюдается в южных районах. Фактическая продолжительность солнечного сияния по отношению к астрономически возможной за год составляет на севере области 45%, а на юге 60%, что сопоставимо с аналогичными параметрами для наиболее солнечной страны СНГ — Туркмении.

Если сопоставить, данные таблицы 7 с кривой 1 рисунка 7 то следует, что летом к началу облучения южной стены высота Солнца будет около 30?.

Следовательно, в это время, солнечные лучи, обладающие значительной плотностью энергии, будут только скользить по южной ограждающей конструкции здания, не обеспечивая надлежащую концентрацию (отражение солнечных лучей) от южной стены.

Из рисунка 7 следует, что особенности суточного хода Солнца в Омске таковы, что положение Солнца на небосводе во время восхода и после него (во время заката и до него) строго на востоке (на западе) наблюдается с 21 марта по 23 сентября. При этом около месяца после 21 марта и до 23 сентября оно находится для Омска, в зоне возможной закрытости горизонта.

Характерной чертой движения Солнца по небосводу в средних широтах, в частности в Омске является то, что летом продолжительность освещения Солнцем стен восточной и западной ориентации составляет для каждой из них? ? от продолжительности освещения стены южной ориентации (таблица 8).

Таблица 8

Месячная продолжительность (ч) солнечного сияния для стен разной ориентации.

Величины суточного хода прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности ориентированные по сторонам света зависят от продолжительности солнечного сияния, скорости «подъема/опускания» Солнца и максимальной высоты Солнца (рисунки 8 и 9).

Рисунок 8 Годовой ход прямой солнечной радиации, поступающей на стены зданий различной ориентации (С, В, Ю, З), перпендикулярную (П) и горизонтальную (Г) поверхности.

Рисунок 9 — Годовой ход суммарной солнечной радиации, поступающей на стены зданий различной ориентации (С, В, Ю, З) и горизонтальную (Г) поверхность.

Из рисунков 8 и 9 следует, что количество солнечной радиации приходящей на вертикальную поверхность, ориентированную на юг в июне немного меньше количества солнечной радиации приходящей на вертикальные поверхности ориентированные на восток и на запад. В то время как ранней весной и поздней осенью на вертикальную поверхность, ориентированную на юг приходит несравненно больше солнечной радиации.

Ещё большая «контрастность» в поступлениях солнечного излучения на поверхности, ориентированные по частям света наблюдается в более низких широтах, в частности в Ташкенте. Там максимальная плотность прямого солнечного излучения, приходящая на вертикальную поверхность ориентированную утром на восток, а вечером на запад в июле более чем в два раза превышает плотность прямого солнечного излучения приходящего в полдень на вертикальную поверхность, ориентированную на юг. С уменьшением географической широты это превышение увеличивается (тропики находятся намного южнее, и плотность прямого солнечного излучения приходящая на вертикальную поверхность, ориентированную в полдень на юг будет равна нулю).

Проведенные исследования данных по инсоляции [Осадчий Г. Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е. А., 2010. 572 с] показывают, что прямое солнечное излучение (летом «продуктивное» с 8 — 9 ч до 15 — 16 ч) может являться основным, но не единственным источником поступления в солнечный соляной пруд солнечной энергии. Так для малых прудов крайне важно использовать прямое солнечное излучение, отраженное от концентраторов — для увеличения поступления солнечного излучения в пруд, за временными границами, так называемой наибольшей дневной «продуктивности» Солнца. С учетом того, что время подъема Солнца с 10 до 20? на экваторе, северном тропике и, например, на широте Омска 21 июня составляет 45, 46 минут и 1 час 14 минут соответственно (в Омске утром Солнце поднимается в 1,64 раза медленнее, чем на экваторе).

Применение концентраторов позволяет расширить также и границы месячной «продуктивности» солнечного излучения.

Для решения этой проблемы найдено техническое решение, которое исследовано применительно к широте города Омска начиная с 23 апреля (= 10?), когда Солнце стоит строго на востоке (рисунок 9).

Рисунок 9 Схема концентрации солнечного излучения в солнечный соляной пруд летним утром за счет изменения наклона концентратора солнечной энергии (схема направлений движений солнечных лучей, поступающих в солнечный пруд).

1 — солнечный луч; 1', 1″ - направления движения солнечного луча 1 после отражения от концентратора и после вхождения в воду; 2 — солнечный луч; 2', 2″, 2^Д, 2⁺ — направления движения солнечного луча 2 после отражения от водной поверхности пруда, концентратора и после вхождения в воду; - угол наклона прямых солнечных лучей (высота Солнца); - угол наклона отраженных солнечных лучей (высота «отраженного» Солнца); ђ - угол наклона концентратора солнечной энергии; о — угол вхождения солнечных лучей в воду.

Угол наклона отраженного солнечного луча 1' (, высота «отраженного» Солнца, рисунок 1) связан с высотой Солнца () и углом наклона концентратора солнечного излучения () следующей зависимостью.

?

При высоте Солнца 10? и угле наклона концентратора солнечного излучения 10? высота «отраженного» Солнца будет равна 30?.

Как видно из рисунка 1 наклон концентратора увеличивает «высоту» отраженного луча 1' с 10 до 30?, угол о№ становится равным 49,5? (для луча 2 оІ равно 42,5?), а значит водная (оптическая) масса изменяется с 1,48 до 1,32.

Отраженные солнечные лучи вступают в воду уже под углом, уменьшающим отражение солнечного излучения водной поверхностью и поглощение солнечного излучения на пути к слою горячего рассола. Поскольку доля от концентрации луча 2' значительна только при очень малых высотах Солнца, здесь её не рассматриваем. Наклон концентратора солнечной энергии при малых высотах Солнца позволяет главное — использовать всю высоту концентратора для увеличения поступления солнечного излучения в пруд в наиболее проблемные утренние и вечерние часы. Использование отраженного прямого солнечного излучения является мощным инструментом аккумулирования прудом солнечной теплоты. Коэффициент концентрации солнечного излучения в пруд может составить 5,0 при высоте Солнца 10?. При высоте Солнца 15? он составляет — 3,3, и 2,6 — при 19?, уменьшаясь с увеличением высоты Солнца. Важнейшим фактором в пользу такой схемы концентрации солнечной энергии является то, что в сутках полдень один, а утро и вечер это два временных периода. В летний период в России продолжительность дня 16 — 17 часов, против 12 — 13 часов на экваторе и в тропиках. Концентратор будет отражать дополнительно в акваторию пруда и рассеянное солнечное излучение, которое утром и вечером имеет наибольшую интенсивность с той стороны небосвода, где в это время находится Солнце.

Исходя из результатов исследования, разработана, конструктивная схема концентратора солнечной энергии (рис. 10), которая будет также актуальна утром и вечером и для низких широт (экватор, тропики).

Рисунок 10 Конструктивная схема концентрирования солнечной энергии в солнечный соляной пруд концентратором солнечной энергии за счет слежения за движением Солнца по небосводу.

Применение наклонного концентратора солнечного излучения (рисунок 9) частично компенсирует низкую инсоляцию весной и осенью в средней полосе России. Без учета того, что для малых прудов потери теплоты через дно и боковые стенки могут быть снижены надлежащей теплоизоляцией.

Ранней весной и поздней осенью на вертикальную поверхность, ориентированную на юг в средней полосе России при малой высоте Солнца приходит больше солнечной энергии, чем на восточную и западную вертикальные поверхности. Поэтому это техническое решение по концентрации солнечного излучения и для этих временных периодов перспективно.

Для увеличения поступления в пруд солнечного излучения в полуденные часы, когда высота Солнца в Омске наибольшая, без затенения акватории пруда ранним утром и поздним вечером, когда высоты Солнца незначительны, можно, использовать в качестве отражателя выступающие «чердачные» части здания в соответствии с рисунком 11.

Рисунок 11 Конструктивная схема дополнительной концентрации солнечного излучения в солнечный соляной пруд в полуденное время.

Использование солнечных соляных прудов малых площадей с концентрацией энергии от концентратора и дополнительного «чердачного» отражателя для российских просторов является наиболее оптимальным.

Предложенная технология концентрации и аккумулирования солнечной энергии может быть использована при эксплуатации плоских солнечных коллекторов и фотоэлектрических преобразователей, которые надо будет, в отличие от традиционной ориентации в пространстве, располагать горизонтально. Так, чтобы концентратор мог менять свое положение также как при его эксплуатации с солнечным соляным прудом, используя при этом «чердачные» части здания для дополнительной концентрации энергии в полуденные часы.

Исходя из данных таблицы 10, такое техническое решение (концентратор) будет востребовано во многих странах мира.

Таблица 10

Распределение солнечных ресурсов на территории Китая [Чжао Цзиньлин, Щелгинский А. Я. Пассивные солнечные системы теплоснабжения. Опыт Китайской Народной Республики // Энергосбережение. 2009. № 2. С. 4 — 7].

Предлагаемый концентратор может найти эффективное применение в России при использовании солнечной энергии для локальных систем водоснабжения, электроснабжения, холодотеплоснабжения, для солнечной бани и печи, для биогазовой установки и сушки материалов, сырья и т. д.