Інші шляхи використання теплової енергії Сонця

Сонячний ставок

Технічне рішення “сонячний ставок”, що являє собою геліоприймач, сполучений з теплоакумулятором енергії Сонця, у вигляді неглибокої (2-3 м) водойми, запропонував у 1902 р. А. фон Калечицький, який визначив, що на дні невеликого солоного озера Мадве в Трансільванії вода нагрівається до 70 °С. Виявляється, що лише відносно невеликі солоні озера мають цю унікальну здатність - накопичувати теплоту сонячного випромінювання, оскільки, на відміну від прісної, солона вода, коли нагрівається в природному шарі, не “спливає”, тому що в процесі підвищення температури вона додатково розчиняє сіль на дні озера й у такий спосіб збільшує свою густину. Природна конвекція, що вирівнює перепади температур, а отже, і густину в прісних озерах, у солоних блокується, тому їхній природний шар може нагріватися сонячним випромінюванням аж до

о

температури кипіння розсолу. И лише процес утворення на дні парових міхурів унаслідок кипіння може зруйнувати стратифікацію неконвективного шару розсолу в сонячному ставку.

Звичайно структура сонячного енергетичного ставка є тришаровою: конвективний шар прісної води, під ним нерухомий ізолюючий шар із лінійно зростаючою концентрацією солі і під ним конвективний акумулюючий шар із висококонцентрованим сольовим розчином.

Сонячні солоні пруди є хорошими акумуляторами сонячної енергії. Завдяки тому, що густина сольового розчину в нижніх шарах у порівнянні з густиною верхніх шарів вища, в таких ставах відсутній масообмін. В результаті цього в придонних шарах утворюються високі температури. Для підвищення температури нагрівання придонних шарів дно сонячних ставів покривається речовиною з високою поглинальною здатністю.

Перший штучний сонячний ставок був створений в Ізраїлі в м. Ейн Бореке на березі Мертвого моря. Цей ставок площею 1500 м був випробуваний у складі експериментальної фреонової енергоустановки потужністю 6 кВт у 1979 р. В цей час знаходиться в роботі кілька десятків сонячних ставків, при цьому більшість із них функціонує в складі фреонових установок, вигляд такої установки подано на рисунку 4.2.24.

Рисунок 4.2.24 - Використання сонячного ставка для отримання

електричної енергії:

1 - дамби; 2 - гаряча вода з високою концентрацією солі;

З - охолоджена вода; 4 - теплообмінний апарат; 5 - турбіна;

6 - генератор; 7 - конденсатор; 8 - насоси

До переваг сонячних ставків можна віднести мінімальні тепловитрати та низький рівень капітальних вкладень на 1 кВт встановленої потужності. Низькі капітальні витрати пояснюються тим, що сонячний ставок сполучає геліоприймач з акумулятором теплоти й для нього звичайно використовуються відходи виробництва солі у вигляді розсолу, що трубопроводом перекачують у підготовлений котлован, який розміщується недалеко, оскільки перевезення твердої солі (близько 0,5 т на 1 м2 площі ставка) чи розсолу в залізничних цистернах коштує значно дорожче. Таку технологію використовують, наприклад, у м. Саки в Криму.

Для засолення сонячних ставів зазвичай використовується кухонна сіль; добрі перспективи для використання в сонячних ставах мають і солі амонію. В останньому випадку відпадають проблеми захисту довкілля, пов’язані з використанням кухонної солі, оскільки відпрацьовані в сонячних ставах солі амонію можуть використовуватися в сільськогосподарському виробництві як добриво. Теплофізичні та оптичні властивості солей амонію достатньо близькі до властивостей хлористого натрію, що дозволяє забезпечити аналогічний ККД енергетичної установки. Виділення газоподібного аміаку мінімальне, а зростання водоростей може регулюватися введенням розчинних фосфатів.

Згідно з даними ізраїльських спеціалістів, які є піонерами у використанні сонячних ставків для виробництва електроенергії, при середньорічному коефіцієнті використання встановленої потужності 73-90 % питомі капітальні витрати на створення енергетичної установки (з завезенням солі (розсолу), підготовки котловану, придбання електрообладнання тощо) в 1990 р. становили 4500 дол. США/кВт, що в середньому в два рази вище, ніж відповідний показник по ТЕС на органічному паливі.

В Україні раціонально використовувати сонячні ставки як елемент системи сонячного гарячого водопостачання об'єктів сезонної дії (які функціонують у теплі періоди року). У комплект устатковання такої системи входить насос для перекачування розсолу і проміжний теплообмінник (краще пластинчастий, що спрощує його чищення від засолення). При цьому гарячий розсіл із природного шару ставка подається в проміжний теплообмінник, а потім повертається назад на дно ставка. Коли водопровідна вода для гарячого водопостачання проходить через теплообмінник, вона нагрівається до температури не менше 50 °С і потім подається споживачам під тиском у системі водопроводу. У цій схемі можна передбачити й дублера для електричного підігріву води на основі термоелектричного нагрівача.

Іншою, теж ефективної для України схемою використання сонячних ставків може стати система сонячного теплопостачання об'єктів на основі теплонасосних установок, що діють протягом усього року. Така система в теплу пору року може працювати за схемою, описаною вище, а в холодний час року до роботи додається теплонасосна установка, що використовує розсіл температурою нижче 50 °С як низькопотенційне джерело теплоти для систем сонячного теплопостачання (опалення плюс гаряче водопостачання). У цьому випадку теплоакумулююча здатність сонячного ставка збільшується практично вдвічі, оскільки теплонасосна установка може прохолоджувати розсіл у ставку аж до його температури замерзання.

Обидві розглянуті геліосистеми з використанням сонячних ставків є екологічно чистими, і їх доцільно використовувати в південній рекреаційній зоні У країни, багатій на лимани (у Криму і на Чорноморсько-Азовському узбережжі), а також на озері Сиваш.