Солнечная электростанция парник
Электростанция парник (душник) представляет собой гигантский парник на поверхности земли. Нагретый в этом парнике воздух выводится через высокую трубу. Из-за разницы температур воздуха нагретого в парнике и наружного воздуха на высоте выхода воздушного потока из трубы возникает мощный воздушный поток. Этот воздушный поток приводит во вращение воздушную турбину, вращающую электрогенераторы. С одной стороны, в чистом виде такая СЭС потребует очень больших капитальных затрат и выбирая среди различных типов СЭС этот вариант следовало бы отвергнуть. Но если использовать для её создания уже имеющиеся трубы демонтированных агрегатов ТЭС (например, Луганская ГРЭС в г. Счастье на которой из 9 дымовых труб, 3 из которых высотой 254 м, в настоящее время используется только одна). Такие же трубы имеются на закрытых старых ТЭС в Донецкой области. Не используется по прямому назначению труба ТЭЦ тепловозостроительного завода в г. Луганске. Не используются большое количество дымовых труб после окончания отопительного сезона различных районных котельных, то есть именно в тот период, когда наиболее велико солнечное излучение. В качестве готового парника наилучшим образом можно использовать сооружения тепличных хозяйств или остекленные крыши производственных помещений. Тепличные хозяйства используются в основном в осенне-зимний период, резко снижая свое производство летом или нуждаясь летом в интенсивном проветривании. Поэтому при удачном сочетании капитальные вложения в создание СЭС - парника могут оказаться очень малыми.
Энергетические возможности таких СЭС можно проиллюстрировать на примере трубы тепловозостроительного завода. Отводя нагретый воздух и отработавшие газы технологических процессов из остекленных цеховых помещений и не затрачивая в этом случае энергию на их вентиляцию, можно было бы получать в течение 8 часов в сутки на протяжении 6 месяцев не менее 800 кВт мощности, то есть экономить органическое топливо для получения 1152 тыс. кВтч электроэнергии за год (около 440 тыс. гривен).
Солнечные пруды
Солнечный пруд представляет собой неглубокий (до 2...4 м) водоем (бассейн) с крутым рассолом, у которого в нижнем придонном слое температура под действием солнечной радиации достигает 100 C и даже выше (теоретически до 150 C).
Физической основой возможности получения таких высоких температур вблизи дна пруда является подавление гравитационной конвекции - всплывания 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 нагретого солнцем дна вверх и отдачей её воздуху. Именно поэтому вода в море не нагревается выше 25-30 C. В солнечном пруде такой конвекции нет, потому что у крутосоленого рассола по мере нагрева плотность повышается из-за роста растворимости соли в воде и этот эффект превосходит действие расширения жидкости. Есть сведения о получении температур 102 C и 109 C и расчеты, показывающие возможность достижения 150 C в насыщенных рассолах.
В верхнем слое пруда, имеющем толщину 0,1 - 0,3 м подавить перемешивание жидкости не удается из-за действия ветра, выпадения опресняющих осадков, неравномерного загрязнения и т. д. Этот слой называют верхней конвективной зоной. Чем он тоньше, тем меньше потери энергии, уносимые воздухом в виде тепла и испаренной влаги. Глубже образуется градиентный слой, в котором при полном отсутствии перемешивания образуется "термоклин" и "галоклин", то есть резко неравномерное распределение температуры и солености. Именно от толщины этого слоя зависят все характеристики пруда. На рис. 6.1 приведены зависимости к.п.д. пруда в зависимости от толщины градиентного слоя при различных температурах рассола.
Рис. 6.1
Ниже этого слоя находится зона накопления энергии или нижняя конвективная зона, которая определяет тепловую инерционность солнечного пруда.
Соленое озеро как аккумулятор солнечной энергии было предложено А. фон Калечицким в 1902 году, который обнаружил температуру 70 C в озере Мадве в Трансильвании (ныне территория Румынии). С середины 50-х годов ХХ столетия начались исследовательские работы в этом направлении в Чили, Израиле, затем в США, Индии, Саудовской Аравии, Австралии, Египте.
В настоящее время эксплуатируется солнечный пруд площадью 250 тыс. м в Израиле вблизи Мертвого моря. Фреоновая силовая установка имеет мощность 5000 кВт. Температура рассола достигает 85 C при расходе рассола 3,66 м /с. Температура охлаждающей воды равна 28 C при расходе равном 3,66 м /с. Температура фреона перед турбиной равна 75 C, а его давление перед турбиной равно 8,2 ат. К.п.д. турбинной ступени составляет 93%. Мощность генератора равна 5070 кВт. Общий к.п.д. СЭС с прудом равен 7,12 %. Для собственных нужд используются: насос фреона мощностью 350 кВт, насос горячего рассола - 370 кВт, насос охлаждающей воды - 320 кВт, прочее - 30 кВт. Удельная электрическая мощность СЭС составляет 20 Вт/ м .
Стоимость крупных солнечных прудов оценивается в 10 $/ м . В случае использования в качестве солей хлоридов магния (95 %) и кальция (5%) глубина пруда может составлять 0,9 м, а температура рассола может достигать 120-150 C. В Австралии возле Мельбурна (38 гр. ю. ш.) для снижения потерь тепла с поверхности пруда применили плавающие пластмассовые кольца и создана модель бессолевого солнечного пруда со стабилизацией жидкости сотовой конструкцией (1,25 х 1,25 см) при общей толщине 10 см. В Англии испытана модель пруда без соли с покрытием поверхности воды теплоизолирующей жидкостью не смешивающейся с водой (вазелин). Экспериментальные исследования в США показали возможность получения 340 Вт с м поверхности пруда при среднегодовом к.п.д. равном 13%. В Индии достигнут к.п.д. отбора тепла прудом равный 32,4 % (при глубине пруда 1,25 м).
В качестве перспективных районов для солнечных прудов на Украине являются озеро Сиваш в Крыму, Хаджибеевский, Дофиновский и Тилигульский лиманы в Одесской области, Сакский, Генический и Красноперекопский заливы. Очевидно, можно было бы использовать солнечные пруды на отходах Славянского месторождения соли в нашей области при использовании для охлаждения вод реки Донец. При использовании только половины площади озера Сиваш под солнечный пруд мощность солнечной электростанции была бы эквивалентна мощности двух с половиной современных атомных электростанций (10 ГВт).
Лекция № 7 Нетрадиционные гидроэлектростанции.
Резкое увеличение цен на органическое топливо в начале 70-х годов ХХ столетия вызвал во многих странах, энергетика которых в значительной степени зависела от импорта нефти и газа, интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана. Национальная программа Японии предусматривала к 2000 году покрытие более 70% всего энергетического потребления за счет новых источников энергии, в том числе - за счет энергии океана. Только с 1976 по 1981 год Великобритания выделила 13 млн. фунтов стерлингов на программы по преобразованию энергии волн, предполагая, что это обеспечит до 30% потребности этой страны в электроэнергии. В Норвегии было израсходовано 10 млн. крон на строительство двух опытных волновых электростанций.
По оценкам разных авторов доступная часть энергии Мирового океана, то есть та часть, которая может быть практически использована при современном уровне техники преобразования, во много раз превышает уровень современного потребления энергии в мире.
Больше всего в океане тепловой энергии, поскольку океан - гигантский тепловой аккумулятор энергии Солнца. Запасы энергии градиента солености, или осмоса (греч. "толчок", "давление") по некоторым оценкам, не уступают тепловой энергии океана. Осмотическая энергия - наиболее "таинственный", то есть наименее очевидный вид энергии океана, поскольку наши органы чувств эту энергию не воспринимают. Большим потенциалом обладает энергия биомассы океана. Синтетическое топливо из биомассы можно сжигать на электростанциях, использовать на транспорте или в промышленности. Весьма перспективной является энергия волн. С точки зрения выработки электроэнергии заслуживают внимания три типа волн: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Имеются и другие источники энергии в океане. Например, Черное море очень богато сероводородом. Сероводород является горючим газом с неплохой калорийностью.
Различные виды энергии океана американский специалист Д.Д. Айзекс предложил условно оценивать одной наглядной мерой - в метрах водяного столба, характеризующего степень концентрации данного вида энергии. Например, для теплового градиента в 20 C (разницы между холодной и теплой водой) плотность потока составляет 570 м водяного столба. Для градиента в 12 C плотность потока равна 210 м (по идеальному циклу Карно). Энергия градиента солености (осмоса) может достигать 240 м. Для ветровых волн она составляет в среднем 1,5 м. Еще меньше она (0,05 м) для океанских течений.