Солнечную энергию можно аккумулировать в солнечных прудах - водоемах, в которых либо отсутствует, либо значительно снижена конвекция, т. е. перемешивание слоев. Отсутствие конвекции снижает потери теплоты в окружающую среду, и нижние спои воды могут прогреваться в ряде случаев до 90- 100 С. Одним из основных достоинств солнечных прудов является то, что энергию можно из них извлекать ночью, и облачную погоду и даже зимой.
В водоемах, освещенных солнцем, вода хорошо прогревается, но также хорошо и остывает. При нагревании плотность воды уменьшается, поэтому нагретые макрообъемы поднимаются к поверхности, а более холодные опускаются ко дну. Теплота с поверхности водоема отводится к атмосферному воздуху за счет конвективного теплообмена и испарения. Отметим, что в интервале температур от 0 до 3,8 С плотность воды возрастает.
Такие водоемы нередко встречаются в природе в них конвекция затруднена за счет различной концентрации соли в слоях воды. Один из первых естественных водоемов с переменной концентрацией соли по высоте был открыт в Трансильвании в начале прошлого века. В искусственных прудах можно растворять в воде NaCI в количестве 300 кг/м3, а также MgCl2 и NaHCO).
В 50-х годах вблизи Мертвого моря был сооружен первый искусственный солнечный пруд. Температура его придонных (насыщенных солями) слоев составила около 96 С, и исследования показали, что эту горячую воду можно из водоема извлекать, пропускать через теплообменник и возвращать обратно.
Создать солнечный пруд можно, не добавляя в воду соли, при этом для подавления конвекции между слоями воды размещаются прозрачные мембраны из полиэтиленовой пленки. В конструкции искусственного солнечного пруда основной целью является подавление естественной (свободной) конвекции.
Немаловажным преимуществом солнечных прудов является то обстоятельство, что для получения рассолов можно использовать отходы различных технологических процессов, в том числе и процессов в опреснительных установках. Срок службы солнечных прудов велик, они практически не требуют обслуживания и ремонта. Основные направления использования накопленной в солнечных прудах энергии следующие:
- опреснительные установки;
- выработка электроэнергии;
- получение тепловой энергии для отделения сырой нефти от сопутствующих рассолов;
- выработка теплоты для отопления парников, теплиц и помещений — зимовки скота;
- отопление жилых домов и т. д.;
- выращивание низкотемпературных аквакультур.
Накопленная в солнечном пруде теплота может использоваться в коммунальном хозяйстве, промышленности и сельском хозяйстве как в низкотемпературных процессах, так и при предварительном подогреве теплоносителей в высокотемпературных процессах. Эта теплота может быть также использована в электрогенерирующих и холодильных установках.
Такие пруды удобно создавать вблизи производств, где появляются различные рассолы (электростанции, опреснительные установки и т. д.), и там, где удаление таких рассолов является проблемой.
Энергетический потенциал солнечных прудов велик, особенно для районов, где имеется комбинация таких факторов, как интенсивность солнечного излучения, наличие запасов солей и потребность в тепловой энергии. На западе штата Техас солнечный пруд площадью 40 га может накопить в течение года энергию, эквивалентную энергии, получаемой при сжигании 1,5 млн. м3 природного газа.
Проведенные в США расчеты показывают, что стоимость вырабатываемой с помощью солнечных прудов энергии сопоставима по стоимости с энергией, получаемой при использовании природного газа, и значительно ниже, чем при использовании мазута.
Существуют два основных вида солнечных прудов: антиконвективные пруды, в которых потери теплоты снижены за счет подавления конвекции, и конвективные пруды, в которых потери теплоты снижены за счет устранения испарения воды.
Антиконвективные пруды
Различают два основных тина таких прудов: пруды с переменной концентрацией соли по глубине и пруды с размещенными в них мембранами.
В прудах с переменной концентрацией соли обычно создают три слоя рассолов различной концентрации. Так как при повышении концентрации соли в воде её плотность возрастает, то наиболее велика концентрация соли в слое, прилегающем ко дну пруда; этот слой обычно покрывается водонепроницаемым материалом, окрашенным в темный цвет,
Когда солнечные лучи нагревают воду и подстилочный материал, температура воды вблизи дна может достигать 93,3 С. Теплоту можно извлекать, прокачивая нагретый рассол через теплообменник. Можно также прокачивать теплоноситель через теплообменник, размещенный на дне пруда.
В другом типе пруда - мембранном слой воды разделяются прозрачными мембранами.
Конвективный пруд
Хорошо исследованы неглубокие солнечные пруды. В таком пруду используется чистая вода, размещенная в большой емкости, что не устраняет конвекцию, но зато снижает потери теплоты за счет испарения. Дно емкости окрашено в темный цвет и хорошо изолировано снаружи. Верхняя часть емкости покрыта двумя слоями стекла или прозрачного пластика.
Солнце нагревает воду в емкости весь световой день. Ночью нагретая вода перекачивается насосом в теплоизолированную емкость для снижения потерь теплоты. Повышенные потери теплоты при перекачке и хранении в теплоизолированной емкости ограничивают использование таких прудов.
Другим типом конвективного пруда является глубокий водоем, заполненный пресной водой (или водой с одной и той же концентрацией солей) и накрытый крышкой с двойным остеклением. Вода остается в водоеме круглосуточно, но ночью над остеклением размещается тепловая изоляция.
Основанная в 1980 году в США компания Odyssey Systems выпускает легко устанавливаемые и легко демонтируемые покрывала для небольших прудов и бассейнов практически любой конфигурации.
В США был сооружен пруд с различной концентрацией солей площадью 0,32 га на территории консервной фабрики в Эль Пасо (штат Техас). Вначале накопленная теплота использовалась в технологических процессах. Вода в системе нагревалась до 86 °С и позволяла использовать до 300 кВт тепловой энергии. Зимой человек мог стоять на скованной льдом поверхности солнечного пруда, в то время как на глубине чуть больше 2 и температура рассола была примерно 68 °С.
В июле 1986 года на фабрике был установлен тепловой двигатель, работающий по циклу Ренкина, который уже в сентябре развивал мощность 70 кВт. В мае 1987 года на фабрике установили низкотемпературную опреснительную установку, которая уже в июне начала производить ежедневно 16 м3 пресной воды. Солнечный пруд в Эль Пасо разрабатывался исследователями из университета штата Техас.
Существует несколько таких демонстрационных проектов В США. В Майамисбурге (штат Огайо) накапливаемая теплота используется для обогрева плавательного бассейна и ряда зданий.
Солнечные пруды, по мнению американских исследователей, могут быть экономически целесообразны только при наличии избыточных запасов недорогих солей, плоского рельефа местности и свободного доступа к воде. Очень важны также экологические факторы, например, нельзя допустить засоления земли из-за утечек рассола из пруда.
Относительная дешевизна органического топлива в США сдерживает широкое использование солнечных прудов. В будущем в США возможно использование таких прудов в основном в промышленности.
Самый крупный солнечный пруд площадью 6000 м2 в Индии обеспечил поставку на молочный завод 15 000 м3 горячей воды при температуре 75 С с сентября 1993 по апрель 1995 года. А это помогло экономить ежегодно 935 т. бурого угля ценой 19 000. Особое внимание было уделено созданию надежной подстилки на дне пруда из глины и пластика, а также борьбе С водорослями и удалению накапливающейся пыли и твердых частиц. При создании пруда почти 3200 т. соли было растворено в воде в течение месяца.
Однажды температура воды у дна достигла даже 99,8 оС. Теплота из пруда извлекалась в результате отсасывания рассола, который затем опять рассеивался в пруду. Ежедневно пруд поставляет 80 м3 горячей воды.
Полная стоимость постройки составила $90 000 (в ценах J997 года). Стоимость, отнесенная к 1 м2, была в два раза меньше, чем при постройке аналогичного пруда в Израиле в 1984 году. Срок окупаемости составляет менее 5 лет. Серьезное внимание было уделено защите поверхности пруда от воздействия ветра, так как волны могут нарушить солевой градиент по глубине пруда.
Поверхность теплообменника в 36,1 м2, соприкасающаяся с горячим рассолом, была выполнена из сплава меди и никеля. Насос для прокачки рассола мощностью 22,5 кВт был изготовлен из нержавеющей стали. Трубы, соединяющие выход теплообменника и вход в рассеивающие устройства, вначале были выполнены из обычной стали, но за год они подверглись жестокой коррозии и их пришлось заменить на пластиковые.
В России ЭНИН (Москва) разработал методику теплового расчета солнечных прудов. Эта методика позволяет в аналитическом виде получить сезонные изменения основных параметров солнечного пруда в зависимости от местных климатических условий, задаваемого графика отбираемой тепловой мощности (или графика температуры рассола) и геометрических характеристик пруда.
На основе этой методики определены технико-экономические характеристики солнечных прудов для четырех районов с различными климатическими условиями (юг Средней Азии, Северный Кавказ, Крым, север Украины).
Для различных графиков отбираемой тепловой мощности найдены оптимальные геометрические параметры прудов, сезонные изменения температуры рассола, максимальная тепловая мощность на единицу площади пруда, пределы работоспособности пруда в ЗИМНИХ условиях. В частности, показана техническая возможность эксплуатации солнечных прудов вплоть до 50-52° северной широты (север Украины, Воронеж, Саратов, средний Казахстан).
По данным ЭНИН, удельные капиталовложения в чисто солнечные электростанции на основе солнечных прудов достаточно велики, такие станции могут быть рентабельны лишь в местах с высокой стоимостью электроэнергии.
При наличии дополнительных источников теплоты (геотермальные воды, промышленные тепловые сбросы) экономичность комбинированных энергоустановок значительно улучшается. Для условий Северного Кавказа ГеоСЭС оказывается конкурентоспособной по сравнению с тепловыми электростанциями.
В ЭНИН разработаны тепловые схемы солнечнопрудных электростанций с использованием низкокипящих рабочих тел (углеводородов, фреонов, аммиака и водоаммиачной смеси), разработаны методики и выполнены тепловые расчеты основных элементов оборудования (турбины, парогенератора, водо- или воздухоохлаждаемого конденсатора, питательного насоса).
Разработан проект и рабочие чертежи энергоустановки мощностью 500 кВт на температуру греющего рассола 80 С. Отдельные элементы оборудования испытаны в полевых условиях на Северном Кавказе.
