«Солнечные пруды»
Рис. 8. «Солнечный пруд»
1 — вода; 2— вход воды с пониженной концентрацией соли; 3 — выход воды из слоев с пониженной концентрацией соли; 4 — вход воды с повышенной концентрацией соли; 5 — выход горячей воды
Одним из самых нетрадиционных и экзотических способов использования солнечной энергии является ее аккумулирование в искусственных или естественных водоемах с соленой водой, которые могут рассматриваться как водяные солнечные коллекторы. Эти коллекторы получили название «солнечные пруды», очевидно, потому, что работы но исследованию данной системы впервые проводились на небольших соляных озерах. Каков же принцип действия «солнечных прудов»? Основное условие функционирования подобных систем — наличие градиента концентрации соли по толще воды. Обычно глубина водоемов не должна превышать нескольких метров. В искусственных водоемах концентрация соли в различных слоях воды регулируется путем введения солевых растворов различной концентрации на различные глубины так, чтобы нижние слои воды обладали максимальным ее содержанием (рис. 8). Если данный водоем находится под воздействием солнечного излучения, его вода прогревается по всей толще, но в разной степени. Верхние слои прогреваются до меньшей температуры, поскольку они находятся в прямом контакте с воздухом, а так как в верхних слоях воды наблюдается повышенная конвекция, это приводит к дополнительной теплоотдаче. Солнечные лучи проникают на дно и нагревают воду нижних слоев. Любые же конвективные потери сокращаются благодаря наличию градиента плотности. Поэтому нижние слои воды могут прогреваться значительно сильнее, чем верхние.
Этот эффект позволяет получить в нижних слоях воду с температурой, близкой к 100° С, тогда как в верхних слоях температура будет не выше температуры окружающего воздуха. Подсчитано, что водоем площадью 1 км2 может дать около 60 м3 воды с температурой до 96° С. Наряду с искусственными «солнечными прудами» существуют и естественные соляные озера или водоемы с подсоленной водой, в которых наблюдается точно такой же эффект. Например, в озере Балатон в Венгрии, в котором концентрация солей увеличивается ко дну и которое не является глубоким, придонные слои бывают очень теплыми. «Солнечные пруды» относятся к классу активных солнечных систем.
Существуют проекты больших энергетических установок по производству электроэнергии на базе «солнечных прудов». В такой установке (рис. 9) горячая вода из слоя III поступает в теплообменник-испаритель при помощи насоса Д3 и возвращается снова в свой слой. В парогенераторе Г образуется низкотемпературный пар из низкокипящей органической жидкости, который затем поступает в турбину В. Она, в свою очередь, приводит в движение электрический генератор Б. После турбины пар направляется в конденсатор А, куда также идет холодная вода из слоя I при помощи насоса Д2. Вся схема работает в замкнутом цикле, позволяя использовать многократно низкокипящую жидкость.
Рис. 9. Электростанция на базе «солнечного пруда»
Слои с концентрацией соли: 1 — с низкой; II — со средней; III — с высокой (горячий слой)
С — солнце; А — конденсатор; Б — генератор электричества; В — турбина; Г — теплообменник-испаритель (парогенератор); Д1 — насос; Д2 — насос для холодной воды; Д3 — насос для горячей воды; П — пар, получаемый из низкокипящей жидкости
Эффективность данной системы во многом зависит от перепада температур между слоями I и III. Несмотря на то что данная схема практически не отличается от обычных тепловых установок по производству электроэнергии, исследователи па практике сталкиваются с проблемами создания турбин, работающих при низких давлениях и температурах. Для получения вращающих генератор усилий, близких к усилиям, которые существуют в обычных системах, приходится значительно увеличивать их размеры. Поскольку в газогенератор поступает вода повышенной солености, возникают серьезные проблемы коррозионной стойкости данных устройств. В некоторых странах существуют экспериментальные электростанции мощностью до 300 кВт, работающие по данному принципу.
Вентиляция и охлаждение помещений
В районах с жарким климатом интенсивное солнечное излучение приводит к перегреву помещений. В связи с этим возникает важная проблема использования энергетического потенциала солнца для создания систем вентиляции и охлаждения. Выше уже описывалась простейшая система для вентиляции жилых помещений при помощи открывания жалюзи крыши в ночное время. Данная схема может применяться и днем, если резервуары с водой, установленные под жалюзи, будут открыты. Тогда под влиянием солнечных лучей вода начнет испаряться. Процесс испарения требует значительного количества тепловой энергии. При этом способе большая часть лучистой энергии солнца уйдет на испарение воды и здание будет прогреваться слабо.
Можно также установить открытые резервуары с водой в помещении, что будет способствовать отбору тепла из него на испарение воды. Данные методы следует применять в районах с жарким сухим климатом, а также при дополнительной вентиляции помещения, чтобы избежать в них повышенной влажности.
Описанные методы относятся к пассивным системам. Вместе с тем в настоящее время находят практическое применение активные охладительные системы. Одна из таких систем — обычная холодильная установка с компрессором, который приводится в движение электрическим мотором, питающимся от солнечных батарей.
Принципиально отличными схемами, использующими солнечную энергию в большей мере, чем предыдущая, являются абсорбционная водоаммиачная для холодильных установок и водобромлитиевая для охлаждения помещений. Обе системы имеют одинаковый принцип действия. Основными рабочими жидкостями являются аммоний, выступающий в качестве охладителя, и вода, используемая в качестве абсорбента.
Смесь аммония и воды поступает в парогенератор, в качестве которого используется плоский солнечный коллектор. Под тепловым воздействием солнца аммоний испаряется в коллекторе и переходит в конденсатор, где он охлаждается до состояния жидкостно-паровой смеси. Далее смесь поступает в клапан, понижающий давление, где, расширяясь, она дополнительно охлаждается и затем направляется в парогенератор, установленный в охлаждаемом пространстве. Испаряясь в парогенераторе, аммоний отбирает теплоту окружающего пространства и, следовательно, охлаждает его. Жидкостно-паровая смесь аммония в дальнейшем смешивается с водой и снова идет в солнечный коллектор — парогенератор. Система работает по замкнутому циклу и обеспечивает минусовые температуры в охлаждаемом пространстве.
Большие холодильные установки такого рода должны снабжаться насосами для подкачки рабочей жидкости, которые могут получать электроэнергию от солнечных батарей.
