2891

Рис. 6.2. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников: а – теплообменник из последовательно соединенных труб; б – теплообменник из параллельно соединенных труб; в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее; г – теплообменник в форме петли; д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально; е – теплообменник

в форме спирали, расположенной вертикально

Если система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения тепла, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей.

Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальую тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10–20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например сухого песка или сухого гравия. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками получили широкое распространение.

101

Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 6.3, а.

Рис. 6.3. Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонаносной установки с вертикальным грунтовым теплообменником (а) и сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников (б)

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используются два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 6.3, б):

1. U-образный теплообменник, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемыйв Европетипвертикальных грунтовыхтеплообменников.

102

2. Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания, и поперечное сечение такой сваи

6.1.3. Схема скважины типа standing column well

Грунтовой массив (в случае вертикальных грунтовых теплообменников) и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например тепла солнечной радиации.

103

Существуют системы использования низкопотенциального тепла земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 15 см. В нижнюю часть скважины помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратно вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Происходит постоянная подпитка скважины грунтовыми водами, и открытая система работает подобно замкнутой. Система такого типа носит название standing column well.

6.2. Расширенные геотермальные системы

Чтобы использовать такой источник тепла и превратить геотермальную энергию в весьма важный источник экологически чистой энергии, инженеры работают над новой технологией под названием «расширенные геотермальные системы» (РГС).

Суть технологии состоит в следующем: в горячих твердых горных породах инженеры специальным образом пробивают скважины, а потом закачивают в них холодную воду. В результате в этих горных породах образовываются крошечные трещины, из которых у самой поверхности земли собирается поток горячей воды и/или пара – геотермальнаяэнергетика. Процесс известен какгидрошеринг.

Гидрошеринг весьма похож на процесс гидравлического разрыва пласта (ГРП) – один из методов интенсификации работы нефтяных и газовых скважин и увеличения приемистости нагнетательных скважин. Используется для свободной формации природного газа из сланцев. Метод заключается в создании высокопроводимой трещины в целевом пласте для обеспечения притока добываемого флюида (газ, вода, конденсат, нефть либо их смесь) к забою скважины. Технология осуществления ГРП включает в себя закачку в скважину с помощью мощных насосных станций жидкости разрыва (гель, в некоторых случаях вода либо кислота при кислотных ГРП) при давлениях выше давления разрыва нефтеносного пласта. Для под-

104

держания трещины в открытом состоянии в терригенных коллекторах используется расклинивающий агент – проппант, в карбонатных – кислота, котораяразъедаетстенкисозданнойтрещины.

Однако все эти процессы могут привести к землетрясениям. Кое-кто из ученых полагает, что в результате гидрошеринга может произойти растрескивание скал глубоко под землей, что, в свою очередь, приведет к разрушительным землетрясениям. Развитие расширенных геотермальных систем столкнулось и с другими проблемами. Например, достаточно трудно создать большой водоем, чтобы запустить коммерческую электростанцию.

Прогресс есть, но достаточно медленный. Сегодня уже работают две небольшие «зеленые» электростанции во Франции и Германии. Третья – в центре города Базель (Швейцария) – была закрыта из-за угрозы землетрясений. Проект в Австралии приостановили из-за проблем с бурением твердых горных пород.

Несмотря на то что легче всего найти геотермальную энергию возле действующих вулканов, геотермальное тепло расположено практически повсюду. Кроме того, выработка геотермальной энергии не зависит от таких факторов, как солнце или ветер.

6.3. Грозовая энергетика

Грозовая энергетика – это способ получения энергии путем поимки и перенаправления энергии молний в электросеть.

В 2006 г. специалисты, работающие со спутником NASA «Миссия измерения тропических штормов» (TRNM), опубликовали данные по количеству гроз в разных регионах планеты. Проведя многолетние наблюдения, сотрудники NASA составили мировую карту частоты молний, окрасив ту или иную часть Земли в соответствии с числом ослепительных разрядов, возникающих над каждым квадратным километром данной местности за год. По данным исследования стало известно, что существуют районы, где в течение года происходит до 70 ударов молний на квадратный километр площади (рис. 6.5).

105

Рис. 6.5. Частота молний в мире

Правда, разглядывая эту карту, нужно учесть, что в тропиках и ближе к экватору большая доля всех случающихся молний возникает между облаками или разными частями одного облака, а вот в средних широтах, напротив, значительную долю общего числа грозовых молний составляют «приземленные» разряды.

«Небоскреб Гидра» – чистая энергия молний. Группой архитекторов и инженеров из Сербии был представлен неординарный проект небоскреба, производящего ток с помощью «небесного» электричества (рис. 6.6). «Небоскреб Гидра» назвать небоскребом сложно, ведь проект этого высотного строения скорее напоминает своеобразное гигантское дерево, но только без листьев, полое внутри и состоящее из переплетающихся ветвей, которые закручивают кверху в единый шпиль внушительных размеров.

Данная башня способна улавливать разряды молний и при помощи поглощенной энергии разделять молекулу воды на водород и кислород. Извивающаяся конструкция башни изготовлена из графена, углеродного суперматериала, который в 200 раз прочнее стали и является суперпроводником тепла и электричества, что делает его идеальным материалом – проводником небесной энергии.

106

Рис. 6.6. Небоскреб Гидра

При ударе молнии разряд улавливается шпилем башни из сверхпроводникового графена и далее передается огромным аккумулятором в основании башни. Накопленная электроэнергия используется для электролиза (процесса разделения молекулы воды под действием электрического заряда на водород и кислород). Завивающаяся форма башни была подсказана дизайнерам самой природой, отсюда башня и получила свое название. Гидра – простейшее пресноводное животное. В конструкции комплекса дизайнеры предусмотрели также место для научной лаборатории, жилые помещения и даже места для отдыха персонала и членов их семей. Конечно, всем этим они смогут пользоваться, когда «Гидра» не будет подвергаться электрическим разрядам в миллион вольт.

Учитывая непредсказуемость и непостоянство молний, авторы проекта предложили несколько решений, которые помогут повысить производительность «небоскреба Гидра». Чтобы притягивать к себе как можно большее число грозовых разрядов, конструкцию необходимо установить в тех регионах планеты, где наблюдается

107

наибольшее число молний. Кроме правильного выбора места под строительство повысить вероятность удачной охоты за молниями поможет возведение проекта «Гидра» на открытой местности. Ведь если небоскреб-дерево будет располагаться в крупном городе, он должен стать самым высоким строением в мегаполисе.

Помимо сложности предсказания, сколько же молний сможет улавливать сербский «небоскреб», у проекта существует и масса других трудноразрешимыхпроблем. Это ибольшиерабочиетемпературы (до 27 000 °С), и огромная сила тока (до 200 000 А) разрядов молний, которые будут предъявлять высочайшие требования к используемым материалам, и также необходимость создания конденсаторов огромнойемкостью ис ещеневиданнымихарактеристиками.

Кроме того, не все так просто и с энергетическим потенциалом молний, которые хоть и измеряются достаточно внушительными цифрами, но на самом деле представляют интерес только «в целом». Подсчитано, что в атмосфере Земли каждую секунду вспыхивает около 100 молний, или более 25 млн молний в год, и что несколько мощных гроз выделяют столько энергии, что ее хватило бы, чтобы обеспечивать электроэнергией США в течении 1 ч. Но проблематичность использования грозовой энергетики как раз и заключается в том, что молнии ударяют над территорией всей планеты, а не сосредоточены в каком-то одном месте.

6.4. Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез – синтез более тяжелых атомных ядер из более легких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. В основных ядерных реакциях, которые планируют использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий и тритий, а в более отдаленной перспективе – гелий ибор.

Реакция синтеза заключается в следующем: два или более относительно легких атомных ядра в результате теплового движения

108

сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжелых элементов. Система нуклонов потеряет часть своей массы, равную энергии связи, и по известной формуле E = mc2 при создании нового ядра освободится значительная энергия сильного взаимодействия. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D–T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые безнейтронные реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D–T-реакция считается только необходимым первым шагом.

На данный момент самыми перспективными признаны два подхода к получению термоядерной энергии: долгое время удерживать магнитным полем разреженную плазму и сжать плазму до такой огромной плотности, что реакция успевает пойти, несмотря на то что от разлета плазму удерживает лишь инерция.

109

6.4.1. Токамак

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Токамак

Установка представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которой намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют ее смесью дейтерия и трития. Далее с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы. Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:

1.Нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник (омический нагрев).

2.Создает вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется полоидальным (т.е. направленным вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат).

110