Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Возобновляемая энергетика в современном мире

1.8. Солнечные пруды

Солнечные пруды (СП) представляют собой класс солнечных установок, привлекающих возможностью обеспечить экономически эффективное преобразование солнечной энергии в тепло в различных природно-климатических условиях с последующим его использованием для теплоснабжения, опреснения воды, получения соли, а в некоторых случаях и для производства электроэнергии. Благоприятные технико-экономические показатели солнечных прудов обусловливаются относительной простотой их конструкции, малой материалоемкостью, совмещением в единой конструкции функций преобразователя энергии солнечного излучения и аккумулятора тепла длительного хранения. Последнее особенно важно в условиях непостоянства поступления солнечного излучения на поверхность Земли, обусловленного сезонной и суточной периодичностью и изменяющимися погодными условиями.

Вода обладает уникальными теплофизическими свойствами, в том числе высокой теплоемкостью, умеренной теплопроводностью, достаточно прозрачна для коротковолнового солнечного излучения и непрозрачна для инфракрасного (теплового) излучения. Как правило, она повсеместно доступна и дешева. Все эти свойства воды явились основой для предложений по ее использованию в гелиотехнике не только как «пассивного» теплоносителя, переносящего тепло из солнечных коллекторов к тепловым аккумуляторам и потребителям тепловой энергии, но и как «активной» субстанции, непосредственно участвующей в процессах поглощения, преобразования и аккумулирования солнечного тепла.

Такое комбинированное использование воды реализуется в гак называемых солнечных прудах, имеющих несколько разновидностей. Классификация солнечных прудов приведена на рис. 1.73.

Известны два основных класса солнечных прудов: дестабилизированные и стабилизированные.

Нестабилизированные солнечные пруды — это класс устройств, охватывающий мелкие и глубокие солнечные пруды, в которых не применяются какие-либо специальные меры по подавлению конвекции заполняющей их воды. Они представляют собой плоскую конструкцию, выполненную из бетона, пластика

Классификация солнечных прудов

Рис. 1.73. Классификация солнечных прудов

или другого материала, с тепло- и гидроизолированным зачерненным дном и боковыми стенками и, как правило, покрытую сверху светопрозрачным ограждением. Толщина слоя воды в мелком солнечном пруде составляет 5—10 см, в глубоком — до нескольких метров. В случае хорошей наружной теплоизоляции конструкции вода в мелком солнечном пруде, как и в солнечном коллекторе, может прогреться до 40—60 °С. Мелкие солнечные пруды в связи с небольшой массовой теплоемкостью не способны обеспечить длительное аккумулирование тепла, поэтому они обычно снабжаются дополнительными теплоизолированными емкостями, куда закачивается нагретая днем в пруде вода.

Глубокие несгабилизированные солнечные пруды совмещают в себе и функции аккумулятора тепла. Нагрев воды в них, как правило, невелик, и они могут использоваться там, где нет потребности в повышенных температурах, например совместно с тепловыми насосами в качестве источника низкопотенциального тепла. Подробному описанию результатов исследований и практического применения нестабилизированных солнечных прудов посвящены, в частности, работы [1—6].

Основными недостатками рассмотренного класса солнечных прудов, ограничивающими их широкое применение, являются нестабильность и низкий уровень получаемых температур воды. Тем не менее в связи с недавними успехами в технологиях изготовления легких ячеистых материалов с высоким коэффициентом пропускания солнечного излучения (при толщине блока 5 см коэффициент пропускания достигает 0,87) и высокими теплоизолирующими свойствами [коэффициент тепловых потерь через покрытие равен 1—2 Вт/(м2 • °С)] нестабилизированные солнечные пруды могут получить новый импульс в своем развитии [7].

В стабилизированных солнечных прудах наблюдается ярко выраженный градиент температуры по их глубине, что достигается за счет подавления тем или иным способом конвекции в объеме пруда.

Наиболее широко известны солнечные пруды с градиентом солевой концентрации (СПГСК), в которых концентрация и соответственно плотность раствора возрастают с глубиной. Среди СПГСК выделяют пруды с искусственным поддержанием градиента и насыщенные пруды, в которых применяются соли со значительной зависимостью растворимости от температуры. Известны также идеи создания вязкостно-стабилизированных солнечных прудов, гидродинамическая стабилизация которых осуществляется путем добавления в воду связующих добавок с образованием прозрачных гелей, и механически стабилизированных солнечных прудов, конвекция в которых предотвращается за счет перегородок или сотовых структур.

Рассмотрим солнечный пруд с искусственно создаваемым градиентом солевой концентрации (рис. 1.74).

Градиенты концентрации и соответственно плотности раствора по глубине пруда могут быть созданы с помощью различных

Принципиальная схема работы СПГСК

Рис. 1.74. Принципиальная схема работы СПГСК

Растворимости некоторых солей в воде в зависимости от температуры

Рис. 1.75. Растворимости некоторых солей в воде в зависимости от температуры

солей, температурные зависимости растворимости в воде некоторых из которых приведены на рис. 1.75 [8].

Градиент концентрации соли в зоне стабилизации [зоне градиента концентрации (ЗГК)] должен быть таким, чтобы обеспечивать гидродинамическую устойчивость этой зоны при наличии градиента температуры, совпадающего по направлению с градиентом концентрации. В этом случае в данной зоне за счет специфических оптических и теплофизических свойств воды достаточно эффективно пропускается солнечное излучение в глубину пруда и одновременно теплоизолируются нижние слои нагретого от атмосферы раствора за счет как невысокой теплопроводности воды, так и того, что тепловое излучение нагретого дна и раствора не пропускается водой (парниковый эффект). С помощью СПГСК возможно получение температуры до 100 °С и даже несколько выше, если учесть увеличение температуры кипения солевого раствора с ростом концентрации.

В создании градиента концентрации соли имеются две принципиальные возможности:

а) в большей части пруда раствор соли ненасыщен, и осуществляется специальное управление градиентом концентрации для обеспечения стабильности пруда;

б) для стабилизации пруда используется насыщенный раствор соли, растворимость которой в рабочем диапазоне температур увеличивается с ростом температуры (рис. 1.75). В этом случае имеет место саморегулирование концентрации раствора за счет температурной зависимости растворимости.

Критерием гидродинамической стабильности зоны градиента концентрации пруда является положительность производной

где р, с, Г— соответственно плотность, концентрация и температура раствора; х — координата, отсчитываемая в направлении от поверхности пруда к его дну.

Насыщенные пруды при использовании солей, удовлетворяющих критерию (1.33) могут быть гидродинамически стабильными, и для них не требуется специальный контроль за концентрацией раствора. Это упрощает конструкцию и обслуживание солнечного пруда. Однако насыщенные солнечные пруды по сравнению с ненасыщенными имеют ряд недостатков. Для создания насыщенных СП требуется большое количество соли, что может привести к чрезмерному увеличению стоимости пруда. В процессе работы при его охлаждении избыток соли выпадает на дно, что ухудшает поглощение солнечного излучения и соответственно приводит к уменьшению КПД. На эффективность преобразования солнечной энергии отрицательно сказывается также заметное ухудшение прозрачности раствора из-за большого содержания в нем соли.

Отметим, что создание стабилизированного насыщенного солнечного пруда с использованием одной из самых дешевых поваренной соли 1МаС1 невозможно, так как ее растворимость в воде с ростом температуры практически не изменяется. Гидрокарбонат натрия ЫаНССК не годится и для создания ненасыщенного пруда, поскольку из-за низкой растворимости он не способен обеспечить необходимый для стабилизации пруда градиент плотности раствора. Наиболее часто для создания солнечных прудов используются соли №С1 (ненасыщенный СП) или 1^С12, которые наиболее широко распространены в природе и добываются в больших количествах.

Исследования и разработки в области солнечных прудов проводились многими странами и научными центрами. В Израиле, США, Австралии и некоторых других странах построено около 40 экспериментальных солнечных прудов площадью в несколько десятков и даже сотен тысяч квадратных метров. Самая крупная солнечно-прудная электростанция мощностью 5 МВт с площадью

п

пруда 0,25 км была создана в Израиле в 1984 г. Аналогичные установки позднее были построены в США и Австралии. Известны разработки по использованию солнечных прудов для горячего водоснабжения и отопления теплиц, жилых домов, плавательных бассейнов, сельскохозяйственных сушилок и т.п. Интересными представляются технические решения по использованию солнечных прудов для опреснения воды и получения соли. Так, в Италии с 1986 г. успешно эксплуатируется коммерческий солнечный пруд площадью 20 тыс. м2, обеспечивающий производство пресной воды в объеме до 120 т/сут. Швейцарская компания Atlantis Energy реализовала ряд солнечно-прудных опреснителей морской воды в арабских странах.

О высокой эффективности применения солнечных прудов для получения глауберовой и других солей свидетельствует опыт аргентинских компаний. Аналогичные работы активно ведутся в Мексике.

Интересные работы по математическому моделированию процессов преобразования солнечной энергии в СП и практическому применению СП, в том числе совместно с тепловыми насосами, выполнены в Финляндии под руководством проф. И. Лунда [9].

В США в округе Эль Пасо действует солнечный пруд площадью 3,5 тыс. м2, предназначенный для обеспечения низкопотенциальным теплом пищевого комбината и оборудованный энергоустановкой мощностью 100 кВт [10].

В Индии создан опытно-экспериментальный солнечный пруд площадью 6000 м2, в котором была получена рекордная температура 99,8 °С [10]. Пруд использовался для горячего водоснабжения ряда потребителей. Суммарные затраты на создание пруда составили 90 000 долл., включая затраты на теплообменник, что соответствует удельным затратам в расчете на единицу площади пруда, равным всего 15 долл/м2.

В бывшем СССР некоторые теоретические и лабораторные исследования по солнечным прудам выполнялись в начале 70-х годов прошлого века в Академии наук Узбекской ССР, а также в Институте проблем морских технологий Дальневосточного отделения (ДВО) АН СССР [11].

Большой объем исследований солнечных прудов был выполнен в ОИВТ РАН в 80-х годах XX в. [12—18]. Результаты этих исследований были приведены в кандидатской диссертации одного из авторов книги [19], в которой:

  • • разработана математическая модель солнечного пруда с градиентом солевой концентрации, обеспечивающая возможность численного расчета сезонных и долгосрочных энергетических показателей различных схем теплоснабжения на основе солнечных прудов, в том числе работающих совместно с тепловыми насосами, в различных климатических условиях;
  • • разработана обобщенная квазистационарная аналитическая модель солнечного пруда и на ее основе развита инженерная методика параметрического исследования среднегодовых показателей работы СП в расчете на тепловую нагрузку, в том числе совместно с тепловыми насосами, а также при производстве электроэнергии в низкотемпературном паросиловом цикле. Проведен анализ предельных значений энергетических показателей солнечного пруда в различных схемах и климатических условиях работы, сформулированы условия их достижения и критерии оптимизации;
  • • выполнен сравнительный анализ различных схем теплоснабжения на базе солнечных прудов. Показано, что в климатических условиях бывшего СССР, особенно в районах с умеренным поступлением солнечной радиации, лучшие энергетические показатели имеет схема, предусматривающая использование солнечного пруда в качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса. Такая схема дает возможность получить высокие среднегодовые коэффициенты преобразования теплового насоса и по сравнению с обычно рассматриваемой схемой теплоснабжения, в которой солнечный пруд работает совместно с резервным нагревателем, позволяет при одной и той же среднегодовой доле покрытия тепловой нагрузки уменьшить площадь пруда и его глубину, сократить потребности в соли, необходимой для создания пруда;
  • • продемонстрирована возможность повышения теплоаккумулирующей способности пруда и улучшения показателя СП как сезонного аккумулятора солнечного тепла при частичном заполнении его нижней конвективной зоны плавящимся теплоаккумулирующим веществом (глауберовой солью, парафином). Показано, что особый интерес такая конструкция солнечного пруда представляет для схемы его совместной работы с тепловым насосом;
  • • показана принципиальная возможность самопроизвольного разрушения зонной структуры солнечного пруда и резкого ухудшения его энергетических показателей при неблагоприятных тепловых режимах эксплуатации. Установлено и проиллюстрировано расчетными примерами, что наиболее опасной в отношении возможности потери гидродинамической устойчивости является верхняя часть зоны градиента концентрации, где реализуются наибольшие градиенты температуры;
  • • на основе выполненных расчетно-теоретических исследований сформулированы требования к конструкции солнечного пруда, обеспечивающей высокую эффективность преобразования энергии солнечного излучения, и первоочередные задачи экспериментальных исследований, легшие в основу разработки проекта первого в бывшем СССР опытно-демонстрационного солнечного пруда на научной станции — полигоне ОИВТ «Солнце» в Дагестане площадью 300 м2 и расчетной средней тепловой мощностью 15 кВт;
  • • проведен укрупненный экономический анализ возможных направлений использования солнечных прудов, в том числе для теплоснабжения, опреснения воды и производства электроэнергии в низкотемпературном паросиловом цикле. Определены предельные стоимости установок, при которых можно рассчитывать на экономически оправданное использование солнечных прудов в народном хозяйстве исходя из существовавшей тогда энергетической и экономической конъюнктуры. Показано, что наиболее перспективными направлениями использования солнечных прудов являются получение низкопотенциального тепла и опреснение воды.

Остановимся лишь на некоторых практических аспектах развития этих работ в 90-х годах прошлого века, выполненных совместно со специалистами института Теплоэлектропроект [20]. Эти разработки были направлены, в частности, на создание в Крымской области (вблизи г. Евпатория) опытно-промышленного энергетического комплекса на базе нетрадиционных источников энергии, одним из важных компонентов которого должен был стать опытнопромышленный солнечный пруд площадью до 1 км2. Основные назначения этого пруда — горячее водоснабжение и отопление близлежащих курортных поселков. Несмотря на то, что эти разработки в связи с распадом СССР, к сожалению, реализованы не были, выполненные исследования, на взгляд авторов, имеют практическую значимость и могут быть использованы в случае реализации аналогичных проектов в будущем.

Одна из проблем, которая потребовала решения в связи с выбором конкретного места создания солнечного пруда, — это проблема анализа влияния свойств грунта и глубины залегания подземных вод на теплотехнические характеристики СП. Проблема возникла в связи с тем, что в процессе обоснования места размещения солнечного пруда в районе г. Евпатория были предоставлены две возможности: район высыхающего соленого озера Тереклы, имеющий большие запасы фактически бесплатной соли, но характеризующийся высоким уровнем грунтовых вод (0,2 м), и район добычи извести, отличающийся глубоким залеганием грунтовых вод (около 100 м).

С использованием разработанной математической модели эти альтернативные варианты были сравнены между собой, причем расчеты проводились для двух вариантов использования СП:

  • а) получение теплоносителя с повышенной температурой, максимально близкой к требуемой по условиям теплоснабжения потребителей;
  • б) применение солнечного пруда как источника низкопотенциальной теплоты для теплового насоса. В этом случае температуру рассола в солнечном пруде в течение года целесообразно поддерживать на уровне, соответствующем диапазону рабочих температур теплового насоса, т.е. в интервале 10—40 °С.

Тепловые характеристики СП рассчитывались для случаев как отсутствия тепловой нагрузки (нулевой теплоотвод из придонной области СП на нужды потребителя), так и различных уровней тепловой нагрузки, определяемых условиями эксплуатации СП. Вычисления проводились исходя из среднемесячных значений плотности потока солнечной энергии, скорости ветра, температуры воздуха и относительной влажности, характерных для конкретной местности.

В основе использованной модели лежали следующие основные допущения:

  • • солнечный пруд имеет трехзонную структуру (см. рис. 1.74). Толщина верхней конвективной зоны (ВКЗ) во всех случаях составляет 0,3 м. Оптимальные толщины зоны градиента концентрации соли и нижней конвективной зоны (НКЗ) определяются для каждого варианта расчетом исходя из критерия максимального среднегодового КПД;
  • • тепловые потери СП обусловлены теплообменом с атмосферой посредством испарения с поверхности пруда и конвекции, а также теплообменом с нижележащим грунтом. Предполагается, что грунтовые воды на заданной глубине в связи с фильтрацией имеют постоянную в течение года температуру, близкую к среднегодовой температуре окружающего воздуха. Тепловые потери через стены СП не учитываются;
  • • тепловая мощность, отбираемая от СП, постоянна во времени. Отбор теплоты осуществляется только при условии, что температура рассола в НКЗ превышает нижний допустимый предел. Для варианта без теплового насоса этот предел определен в 30 °С, с тепловым насосом — в 10 °С.

На рис. 1.76 приведены расчетные годовые графики температуры рассола в НКЗ для СП вблизи озера Тереклы в течение 3 лег с момента запуска СП в эксплуатацию. В этом варианте толщина ВКЗ составляет 0,3 м, ЗГК — 1,5 м, НКЗ—1 м, глубина залегания грунтовых вод — 0,2 м. Учитывая высокий уровень грунтовых вод, в проекте предусматривалась теплоизоляция всего дна СП путем отсыпки слоя песка низкой влажности толщиной 0,75 м. Предполагалось, что пруд запускается в работу в январе при начальной температуре воды 15 °С. Видно, что в августе — сентябре температура НКЗ достигает максимума, причем уже после первого года эксплуатации пруд, несмотря на большую тепловую инерцию, практически «забывает» о начальных условиях запуска: второй и третий годы эксплуатации по температурным режимам практически не отличаются друг от друга. В качестве определяющего параметра для представленных на рисунке семейств кривых использована удельная (на единицу площади поверхности пруда) тепловая нагрузка ()н, изменяющаяся от 0 до 30 Вт/м2. Расчеты показали, что при отсутствии тепловой нагрузки НКЗ прогревается в июне — сентябре примерно до 70 °С, зимой — до 40—45 °С.

Теплоотвод, естественно, приводит к снижению температуры рассола в НКЗ. Например, при удельной тепловой нагрузке @н = 20 Вт/м2 в течение года температура рассола изменяется в интервале 30—50 °С (рис. 1.76).

На рис. 1.77 и 1.78 представлены результаты расчета температуры рассола в НКЗ для СП при различных глубинах нахождения грунтовых вод (только второй год эксплуатации). В первом случае (рис. 1.77) предполагается, что грунтовые воды залегают на глубине 100 м, а во втором (рис. 1.78) — на глубине 0,2 м (район разработки известняковых карьеров). Расчеты показывают, что при глубоком залегании грунтовых вод и при отсутствии тепловой нагрузки температура рассола в НКЗ в летние месяцы может превысить 100 °С и приблизиться к точке кипения насыщенного водного раствора соли.

Во втором случае потери тепла в водоносном горизонте приводят к снижению уровня нагрева воды в солнечном пруде, что обу-

Графики температуры рассола в нижней конвективной зоне солнечного пруда при глубине залегания грунтовых вод 0,2 м

Рис. 1.76. Графики температуры рассола в нижней конвективной зоне солнечного пруда при глубине залегания грунтовых вод 0,2 м:

1 — Он = 0; 2 — 0Н = 10 Вт/м2; 3Он = 20 Вт/м2; 4 — Оп = 30 Вт/м2

Температура рассола в НКЗ солнечного пруда при глубине залегания грунтовых вод 100 м

Рис. 1.77. Температура рассола в НКЗ солнечного пруда при глубине залегания грунтовых вод 100 м:

обозначения те же, что и на рис. 1.76

Температура рассола в НКЗ солнечного пруда при глубине залегания грунтовых вод 0,2 м и при наличии дополнительного теплоизолирующего слоя песка под дном пруда толщиной 0,2 м

Рис. 1.78. Температура рассола в НКЗ солнечного пруда при глубине залегания грунтовых вод 0,2 м и при наличии дополнительного теплоизолирующего слоя песка под дном пруда толщиной 0,2 м:

1 — Оп = 0; 2 —Он = 20 Вт/м2; 3 — Он = 40 Вт/м2; 4 — Он = 60 Вт/м2

словливает необходимость принятия мер по его теплоизоляции: под основанием пруда предполагается наличие теплоизолирующего слоя песка толщиной 0,2 м.

Сравнение рассмотренных двух вариантов размещения СП показывает, что глубина залегания грунтовых вод является важным фактором, существенно влияющим на эффективность работы солнечного пруда. Использование естественных соленых водоемов, с одной стороны, привлекает возможностью сократить затраты на рытье котлована и поставку соли, но с другой — из-за большой вероятности неглубокого залегания фильтрующихся грунтовых вод может существенно снизить эффективность нагрева воды из-за повышенных тепловых потерь в грунт. Искусственная теплоизоляция дна повышает стоимость сооружения. Возможность получения повышенных температур рассола, пригодных для обеспечения прямого теплоснабжения потребителей, оказывается ограниченной по времени года (для случая расположения СП вблизи озера Тереклы температура выше 50 °С достигается только в теплые период года, причем при относительно низких значениях удельного теплосъема — до 10 Вт/м2).

При строительстве СП на альтернативной площадке с низким уровнем грунтовых вод значительно снижается расход песка на теплоизоляцию дна пруда, а следовательно, уменьшаются затраты на его транспортировку и укладку, но главное — при нагрузке 10 Вт/м2 появляется возможность круглогодично обеспечивать потребителя горячей водой без дополнительного ее догрева. При удвоенной средней тепловой нагрузке (20 Вт/м ) эксплуатация СП без догрева воды может осуществляться в течение полугода.

Аналогичные расчеты были проведены для солнечного пруда значительно меньшей глубины, предназначенного для работы в комбинации с тепловым насосом. В данном случае общая глубина пруда принималась равной 1 м (толщина ВКЗ — 0,3 м, ЗГК — 0,5 м, НКЗ — 0,2 м), толщина подстилающего слоя песка — 0,2 м, глубина залегания грунтовых вод — 100 м. Было показано, что солнечный пруд, работающий в комбинации с тепловым насосом,

при тепловой нагрузке 60 Вт/м может обеспечивать потребителей горячей водой в течение всего года. Кроме того, этот вариант строительства СП в сравнении с традиционным имеет следующие преимущества:

  • • уменьшаются расходы на сооружение котлована, поскольку глубина пруда, обычно составляющая 2,5—3,5 м, в данном случае не превышает 1 м;
  • • сокращаются затраты на соль как благодаря уменьшению объема пруда, так и вследствие того, что при относительно невысокой температуре придонных слоев не требуется создания большого градиента концентрации рассола (следовательно, и средняя концентрация соли в пруде может быть уменьшена);
  • • упрощается процедура контроля и поддержания зонной структуры СП ввиду большей устойчивости этой структуры при меньших градиентах температуры, при этом сокращаются эксплуатационные расходы.

На основе полученных расчетных данных были выполнены оценки технико-экономических показателей трех вариантов создания солнечных прудов в составе Евпаторийского комплекса:

вариант I — СИ имеет традиционную конструкцию и размещается на площадке с высоким уровнем грунтовых вод, в зимние месяцы осуществляется электродогрев воды;

вариант II отличается от предыдущего тем, что СП располагается на площадке с низким уровнем грунтовых вод;

вариант III — СП имеет уменьшенную глубину и эксплуатируется в комбинации с тепловыми насосами.

Площадь СП во всех вариантах составляла 1 га, годовое число часов использования — 7500 ч.

В каждом случае тепловые схемы солнечно-прудных установок включают в себя следующие основные системы:

  • • систему заполнения СП и формирования градиента концентрации, состоящую из гидроизолированного пруда — накопителя рассола, погружного насоса для перемешивания рассола, круглого передвижного диффузора с узкой щелью для подачи пресной воды на нужную глубину СП, насосов подачи рассола и пресной воды;
  • • систему поддержания градиентной структуры СП, включающую в себя гидроизолированный пруд-испаритель глубиной 0,5— 0,7 м для выпаривания воды в целях увеличения концентрации рассола, коллекторы отбора рассола в пруд-испаритель и его возврата в придонную область СП (выполняются в виде перфорированных груб из нержавеющей стали), насосы отбора и возврата рассола, коллектор подпитки СП пресной водой для компенсации потерь от испарения с поверхности СП и из пруда-испарителя, насосы подпиточной пресной воды;
  • • систему снятия тепловой нагрузки. В случае использования СП непосредственно для горячего водоснабжения в состав этой системы входят коллекторы отбора и возврата горячего рассола, циркуляционные насосы горячего рассола, насосы подачи воды в сеть горячего водоснабжения, трубный теплообменник из нержавеющей стали с горячим рассолом в трубах и пресной водой в межтрубном пространстве.

Некоторые результаты технико-экономических оценок приведены в табл. 1.2.

Анализ данных таблицы показывает, что наименьшими капитальными затратами и наименьшей себестоимостью отпускаемой потребителю тепловой энергии характеризуется вариант II. В существовавшей в начале 90-х годов прошлого века структуре цен система теплоснабжения на основе такого солнечного пруда оказалась вполне конкурентоспособной: себестоимость тепловой

Таблица 1.2

Технико-экономические показатели систем теплоснабжения на основе солнечного пруда

Показатель

Вариант

1

11

III

Глубина СП, м

3

3

1

Количество соли, т

4025

4025

1175

Среднегодовая температура рассола в НКЗ, °С

46,0

50,5

21,3

Среднегодовая тепловая мощность СП, кВт

99,4

198,8

416,0

Число тепловых насосов, шт.

2

Годовой отпуск теплоты, тыс. ГДж

2,7

5,5

11,8

Среднегодовой расход горячей воды, м3

3

5

9

Годовое потребление электроэнергии на собственные нужды, в том числе на привод тепловых насосов, тыс. кВт • ч

240

220

750

Относительные капитальные затраты на сооружение СП, %

100

72

83

Стоимость строительства котлована и устройства гидроизоляции, %

83

77

23

Расходы на соль, %

10

13

3

Стоимость тепловых насосов, %

0

0

67

Другие расходы, %

7

10

7

Относительные суммарные годовые издержки, в том числе на электроэнергию, %

100

85

230

Относительная себестоимость тепловой энергии,%

100

43

57

энергии была на 30—40 % ниже ее стоимости в системе Крым- энерго. Вариант теплоснабжения на основе более мелкого пруда с тепловыми насосами несколько уступал варианту И, но был признан также экономически целесообразным. Вариант I с мелким залеганием грунтовых вод оказался наименее экономичным.

В целях оценки также рассмотрен был вариант использования СП для производства электроэнергии. В этом случае место теплообменника занимал модуль энергоустановки на низкокипящем теплоносителе. Было показано, что солнечный пруд по варианту II может обеспечить производство (брутто) электроэнергии при среднегодовой мощности около 640 кВт, а с учетом затрат на собственные нужды (нетто) — около 370 кВт, что соответствует КПД преобразования солнечной энергии, равному менее 1,5 %. По экономическим показателям применение солнечного пруда для производства электроэнергии оказалось нецелесообразным.

Следует отметить, что приведенные выше результаты техникоэкономических оценок эффективности использования солнечных прудов для тепло- и электроснабжения, полученные на основе конкретных проектно-конструкторских проработок начала 90-х годов прошлого века, не могут быть в полной мере перенесены на сегодняшнюю экономическую конъюнктуру и требуют существенных уточнений. Вместе с тем они подтверждают справедливость теоретических выводов и свидетельствуют о целесообразности более детальной проработки технологии с учетом современных экономических условий.

Остановимся еще на одной важной для практической реализации солнечно-прудных технологий проблеме — надежной гидроизоляции котлована солнечного пруда, исключающей фильтрацию рассола в окружающий грунт. В России накоплен большой опыт создания крупных подземных нефтепродуктохранилищ в соляных кавернах, искусственно создаваемых путем их размывки пресной водой. Для вытеснения эксплуатационных объемов нефтепродуктов из хранилищ и предотвращения дальнейшего размывания объема используется концентрированный рассол, накапливаемый в наземных рассолохранилищах с гидроизоляцией, устойчивой к воздействию концентрированных растворов солей и солнечного излучения.

Подобные рассолохранилища построены в разных климатических зонах, в том числе в Украине, Беларуси, Сибири, Башкирии, Дагестане, Таджикистане и др.

Интересно отметить, что, по свидетельству очевидцев, в ряде случаев при эксплуатации таких рассолохранилищ отмечался непредвиденный разогрев рассола до высоких температур. Так, в рассолохранилище, сооруженном в Дагестане, была зафиксирована температура рассола выше 80 °С. Анализ обстоятельств таких событий показывает, что эффект разогрева может быть объяснен на основе солнечно-прудной теории. В результате выпадения дождя на поверхность рассолохранилища в верхней части его объема может сформироваться слой с градиентом концентрации соли и тем самым образоваться устойчивая структура солнечного пруда, вызывающая неконтролируемый разогрев рассола.

Использование опыта проектирования, строительства и эксплуатации рассолохранилищ является крайне важным для создания солнечных прудов.

Специфическая особенность конструкции рассолохранилищ, отличающая их от обычных гидротехнических сооружений, — наличие противофильтрационного экрана по всей чаше резервуара. В последние годы отработана технология изготовления противо- фильтрационных экранов из полимерных пленок, что обеспечивает ряд преимуществ перед экранами других типов: они полностью исключают фильтрацию, технологичны в изготовлении, имеют низкую стоимость, характеризуются стойкостью к воздействию концентрированных растворов солей, могут выполняться практически на любых грунтах.

Пленочный гидроизоляционный экран на днище котлована имеет многослойную конструкцию и включает в себя:

  • • подстилающий слой из очищенного песка толщиной не менее 20 см;
  • • два слоя полимерной пленки с промежуточным слоем из очищенного песка толщиной не менее 10 см;
  • • защитный слой грунта толщиной до 50 см.

Дамбы обвалования отсыпают из местного грунта, срезанного по всей площади, занимаемой котлованом. Укладку и обустройство пленочного экрана выполняют по завершении всех земляных работ (после выдержки искусственных насыпных дамб в течение времени, необходимого для самоуплотнения, планировки береговых откосов и обработки гербицидами дамб и контура котлована).

На боковых откосах котлована в качестве подстилающего и защитного слоев используется рулонный гидроизоляционный стойкий к гниению материал.

Технология изготовления гидроизоляционного покрытия предусматривает выполнение сварочных работ в разных условиях: сварка рулонной пленки в полотнища осуществляется в специальном помещении, сварка монтажных швов — на месте укладки полотнищ. В обоих случаях сварка проводится термоконтактным способом. Пленка укладывается без натяжения; для предотвращения ее разрыва вследствие деформирования при заполнении резервуара по периметру котлована выполняются компенсационные складки. После наполнения резервуара края пленки фиксируются в траншее на верхней кромке дамб по всему контуру котлована.

Итак, подводя итог изложенному выше, можно сделать следующие выводы.

  • 1. Солнечные пруды представляют собой интересные с точки зрения изучения процессов преобразования солнечной энергии и перспективные для многофункционального (теплоснабжение, опреснение воды, получение соли, производство электроэнергии и др.) практического использования объекты, технологии создания и эксплуатации которых пока еще нуждаются в разработках.
  • 2. Наиболее эффективным направлением возможного практического использования солнечных прудов в условиях России является теплоснабжение. Наряду со стабилизированными солнечными прудами с градиентом солевой концентрации, в связи с достижениями в области создания разнообразных полимерных сотовых материалов, в дальнейших исследованиях и разработках целесообразно уделять внимание также конструкциям солнечных прудов с механической стабилизацией и нестабилизированным солнечным прудам, эксплуатируемым также и совместно с тепловыми насосами.
  • 3. При разработке проектов солнечно-прудных установок необходимо принимать во внимание конкретные геологические условия (свойства грунта, подземные воды), а при проектировании резервуаров под солнечные пруды основываться на технологиях, отработанных при создании рассолохранилищ для крупных подземных хранилищ нефтепродуктов в солевых кавернах.

Список литературы к § 1.8

1. Abdel-Salcm Н.Е.А., Probert S.D. Solar ponds: Design and Prospects // Applied

Energy. 1986. Vol. 24. Issul 2. P. 91—126.

2. Dickinson W.C., Clark A.F., Lantuono A. Shallow solar ponds for industrial

process heat // Proc. ISES 1976. Vol. 5. P. 117—141.

  • 3. Wood R.L., Platt Е.А. Shallow solar pond powered irrigation pumping // Proc. of American section of 1SES. Denver, Co. USA. 1978.
  • 4. Kudish A.I., Wolf D. A compact shallow solar pond hot water heater // Solar Energy 1978. Vol. 21. P. 317—322
  • 5. Sodha M.S., Navak J.K., Kaushik S.C. Physics of shallow solar pond water heater// J. of Energy Resources. 1980. Vol. 4. P. 323.
  • 6. Sodha M.S., Tiwari G.N., Nayak J.K. Transient analysis of shallow solar pond water heater — an analytical study // Energy conversion and Management. 1981. Vol. 21. P. 137.
  • 7. Thermolake solar assisted thermal storage // AREL Energy Ltd. Vame. November. 1986.
  • 8. Merriam M.F. Electricity generation from non-convective solar ponds in California // Report of University Wide energy Research Group (UER). 1983. Dec. № 109.
  • 9. Lund P.D., Routti J.T. Feasibility of solar pond heating for northern climates // Solar Energy 1984. Vol. 33. № 2. P. 209—215.
  • 10. Abou-Chakra A., Fouad N. Analyses of the sources, factors and treatment methods affecting turbidity at the El Paso solar pond. Masters Abstracts International. 2001. Vol. 39. No 7.
  • 11. Некоторые результаты теоретического и экспериментального исследования теплового режима соляного солнечного бассейна / Ю.У. Умаров, JI.H. Тес- ленко, В.Н. Елисеев, Г.Я. Умаров // Гелиотехника. 1973. № 2. С. 37—42.
  • 12. Анализ тепловых характеристик и конвективной устойчивости солнечного пруда / О.С. Попель, С.Е. Фрид, Е.М. Шелков и др. // Тр. Европейского симпозиума по солнечной энергии. Варна, НРБ. 13—17 сентября 1983. С. 27.
  • 13. Popel O.S. A generalized stationary model for solar pond // Proc. of ISES Solar World congress. Humburg. ERG. 1987. P. 243—247.
  • 14. Popel O.S. Solar Ponds: the State of the Art of R&D Efforts // H-1SES Workshop «Development and Use of Effective Solar Systems». Budapest, Hungary. 2—3 June 1988.
  • 15. Popel O.S., Shpilrain E.E., Frid S.E. The models of processes for converting the solar energy in solar ponds and their practical utilization // Proc. of the Int. Conf. «North Sun’88. Solar Energy at High Latitudes». Borlange, Sweden. 29—31 August. 1988.
  • 16. Popel O.S. A generalized stationary model and extreme parameters of solar ponds // Proc. of the Int. Conf. «North Sun’88. Solar Energy at High Latitudes». Borlange, Sweden. 29—31 August 1988. P. 443—452.
  • 17. Popel O.S., Shpilrain E.E., Frid S.E. Mathematical models of solar energy conversion in flat solar collectors and solar ponds // Proc. of the Int. Conf. «North Sun’88. Solar Energy at High Latitudes». Borlange, Sweden. 29—31 August 1988. P. 453—464.
  • 18. Popel. O.S. Solar ponds: Mathematical Simulation and Possible Areas of Application // Deutsch-Russische Konferenz «Die Erneuerbaren Energieuellen und ihre

Energiepolitsche Bedeutung in Rusland und Deutschland». Freiburg im Breisgau. 24—26 Oktober 1994. P. 41—43.

  • 19. Попель O.C. Исследование систем теплоснабжения на основе солнечных прудов: Дис. ... канд. техн. наук. М.: ИВТАН, 1988.
  • 20. Перспективы строительства опытно-промышленного солнечного пруда в Крыму / О.С. Попель, Н.М. Сонина, Л.А. Яскин, И.А. Зенкова // Энергетическое строительство. 1992. № 2. С. 9—14.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы