Альтернативное энергоснабжение сельских территорий

Казахстан – агроиндустриальная страна, в сельской местности которой проживает около сорока трех процентов населения. Занимая по площади девятое место в мире (2 млн. 724,9 тыс. км²), средняя плотность населения составляет лишь 6,3 человек на км² (184-е место). Поэтому согреть зимой жилые помещения, приобщить к цивилизации, подключив к электрическим сетям, для нашей страны дело непростое и довольно дорогостоящее. Многие территории далеки от нефтяных и газовых труб, угольных копий и лесных массивов, а также высоковольтных линий электропередачи. Для того, чтобы электричество поступало в розетку, нужно добыть уголь или нефть, довезти их до электростанции, сжечь кислородом воздуха, получить пар, пропустить его через паровую турбину к электрогенераторам, подать через трансформатор в высоковольтную линию электропередачи в районы потребления, через трансформаторы снизить напряжение тока до бытового 220 В, направить в дома по проводам или кабелям, пропустить через счетчик энергии и только затем подвести к розеткам и выключателям. На всем этом длинном пути передачи электричества теряется до половины энергии, вырабатываемой электростанцией, которая в свою очередь теряет больше половины энергии топлива. В итоге, конечному потребителю поступает не более 20–25 % энергии топлива, остальные 75–80 % греют атмосферу, ускоряя её глобальное потепление. 

Но есть великолепный альтернативный источник энергии – Солнце. Солнце является самым мощным возобновляемым источником энергии для нашей планеты. Количество энергии, падающее на поверхность земли от солнца, за день превосходит мировое потребление за год. Солнечная энергия может использоваться как для производства электроэнергии, так и для обогрева или охлаждения, а также освещения жилых и производственных помещений, обогрева воды. Потенциал солнечной энергетики в Казахстане оценен в 2,5 млрд кВт·ч в год. Являясь экологически чистым возобновляемым источником энергии, не выделяющим двуокись углерода и не зависящим от ископаемых ресурсов, солнечная энергетика способствует диверсификации источников энергии, улучшению энергоэффективности и экономии средств и ресурсов.

Казахстан работает по всем основным направлениям солнечной энергетики. Уже сегодня имеется большое количество проектов по получению и очистке полупроводников, производству фотоэлементов, аккумуляторов, строительству солнечных станций, опреснению соленой воды, использованию гелиоэнергии в жилом доме. Но мы еще сильно отстаем от мирового уровня использования солнечной энергии. Германия находится в гораздо худших условиях (низкий уровень солнечной активности), но уже в 2015 году переходит на 30 % использования солнечной энергии. В Казахстане же потенциал солнечной радиации достаточно велик и составляет 1300–1800 кВт·ч/м2 в год. В связи с континентальным климатом, количество солнечных часов в году составляет 2200–3000. Климат характеризуется большим числом ясных дней (особенно в летний период), высокой температурой воздуха и незначительным количеством атмосферных осадков в течение года. Так как территория Казахстана располагается в «солнечном поясе», у страны есть огромный шанс преуспеть в сфере использования солнечной энергии и выбиться по этому показателю в мировые лидеры.

Существуют различные технологии для преобразования и использования солнечной энергии. Одной из них является использование соляных прудов – базового элемента индивидуальных солнечных установок.

Об особенностях и преимуществах соляных прудов предлагаем обзор работы и возможного применения в изложении статьи инженера Осадчего Геннадия Борисовича, г. Омск.

Солнечный соляной пруд (рисунок 1) – это неглубокий (2–4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней его части, у которого в нижнем придонном слое температура под действием солнечной радиации достигает 100 °С и даже выше.

Как работает Солнечный соляной пруд?

По своей сути соляной пруд является солнечным коллектором – тепловой ловушкой. В пруду часть солнечного излучения – инфракрасного спектра полностью поглощается верхним слоем пресной воды, коротковолнового – поглощается более низкими слоями воды, а не поглощённая часть излучения, прошедшего сквозь воду, – тёмным дном. Энергия, отраженная ото дна, частично поглотится водой на обратном пути. В обычном бассейне теплая и холодная вода перемешиваются благодаря естественной конвекции. Теплая вода имеет меньшую плотность, и она поднимается к поверхности.

Насыщенный соляной раствор имеет большую плотность (примерно 1,5) и поэтому при нагревании не может подниматься наверх. То есть даже горячая соленая вода тяжелее холодной пресной. Физические свойства промежуточного «градиентного» слоя с резким изменением плотности сродни составляет примерно 1,7 м²∙°С∙Вт-1, что соответствует значениям теплового сопротивления стен большинства эксплуатируемых зданий. При этом тепловое сопротивление поверхностного слоя воды в 1000 раз ниже теплового сопротивления градиентного слоя. Что касается поверхностного слоя – это зона наиболее интенсивного теплообмена с окружающей средой. Поэтому для повышения эффективности соляного пруда необходимо предпринимать меры по ограничению непосредственного теплового контакта с атмосферой, поскольку даже небольшой ветер способствует резкому выхолаживанию поверхности.

Таким образом, энергия солнечного излучения, пройдя через толщу раствора, практически полностью задерживается в нижнем слое пруда и не имеет выхода наружу. Такое свойство сродни парниковому эффекту Земли и приводит к резкому повышению температуры соляного раствора, которая может достигать 100 градусов. В отличие от обычных солнечных коллекторов, в которых роль тепловой ловушки играют имеющие незначительный объем колбы, объем и теплоемкость соляного пруда очень велики. Это позволяет использовать соляной пруд не только в качестве солнечного коллектора, но и в качестве аккумулятора тепловой энергии. Если перевести на привычные энергетикам термины коэффициента использования установленной мощности, то он для соляных прудов составляет примерно 0,73. Этому способствует также свойство соляного пруда запасать энергию не только от солнечных лучей, но и от рассеянного излучения от облаков.
Для солнечных соляных прудов в настоящее время используют отходы соляных производств, содержащие большую долю хлорида магния, не пригодную для питания. А чтобы предотвратить утечки поверхность дна покрывают пластмассовой пленкой или слоем фурановой смолы. Иногда достаточно того, что дно «убивается» водонепроницаемой глиной.

Электрическая мощность, которую можно «снять» с соляного пруда примерно 8 Вт/м². В то же время, с учетом площади водохранилища Красноярской ГЭС, снимаемая мощность с 1 квадратного метра составляет 3 Ватта при коэффициенте использования установленной мощности 0,38 (отражает сезонность выработки энергии ГЭС). С соленого пруда в районе Мертвого моря в Израиле удалось снять 20 Ватт с 1 квадратного метра.

В природе миллионы лет существуют соляные озера, которые работают в качестве тепловых аккумуляторов. Озеро Ванда (Антарктида) прогревается за счет лучистой энергии Солнца до самого дна на глубину 70 м через прозрачный лед толщиной 4 м. На поверхности озера снега нет из-за сильного ветра и высокого испарения. Поэтому коротковолновая солнечная радиация практически беспрепятственно проникает через очень прозрачный лед и воду, и нагревает дно почти так же, как и окружающее озеро скалы. От дна отражается уже длинноволновая радиация, которая почти вся поглощается водой, нагревая её. А, поскольку озеро не вскрывается ото льда, то ветер не перемешивает воду. Не перемешивается она и под влиянием тепловой конвекции, т.к. нагретая у дна вода очень соленая и оказывается все же тяжелей верхней холодной, но пресной воды.

Использование соляных прудов

Площадь одного из демонстрационных бассейнов в Бет-ха-Араве северная оконечность Мертвого моря) составляет 250 000 м². Фирма «Ормат», которой принадлежит приоритет в создании таких бассейнов, разработала специальную низкотемпературную турбину, которая позволяет горячей воде бассейна преобразовывать органическую жидкость в пар и таким образом вырабатывать электричество. В основе проекта лежит идея бассейна с соленой водой (около 2 метров глубиной), где искусственно поддерживается более высокий уровень засоленности придонного слоя по сравнению с поверхностным (что соответственно увеличивает и плотность ее нижнего слоя). Благодаря этому температура воды на дне бассейна достигает практически 100 °С. Таким образом, благодаря своим размерам удается уверенно обеспечивать мощность генерации 750 кВт электрической энергии.

Имеются российские разработки, позволяющие достигнуть аналогичных показателей. Благодаря климатическим условиям, в энергетической установке можно накапливать не только тепло, но и холод, который в свою очередь можно использовать для кондиционирования помещений в летнее время, повышения эффективности работы теплообменников и для иных хозяйственных нужд. Использование солнечного пруда для непосредственного получения тепла еще более эффективно.

Так например:
• В бальнеологии для подогрева грязевых и минеральных ванн с температурой теплоносителя 25–50 °С;
• Для отопления при подогреве теплоносителя или поступающего в помещение воздуха с температурой теплоносителя от 45 до 95 °С;
• В сельском хозяйстве при выращивании овощей и фруктов в теплицах, обогреве грунта, разведении рыб, в пищевой промышленности;
• В малой энергетике при сбраживании в биогазовых установках и при работе теплонасосных станций;
• В промышленности там, где требуется недорогое тепло. Изготовление бетонных блоков, сушка пиломатериалов, обогрев помещений, работа различного вида химических реакторов и т.д.
• На дачных участках для отопления теплиц, дома, получения горячей воды для дома и бани.
• Или, например, гелиобаня со 100-процентной готовностью воспользоваться ею в любое время.

Схема круглогодичного использования солнечного соляного пруда, как резервуара накопленного тепла за счет круглогодичного поглощения и аккумулирования солнечного излучения и дальнейшего перехода этой теплоты на более высокий температурный уровень с помощью теплонасосных установок, представлена на данном рисунке.

Преимущества солнечных соляных прудов перед коллекторами других типов: относительная дешевизна, утилизация большого количества солнечной энергии благодаря высокой теплоемкости, простота в изготовлении, – делает их перспективными теплоисточниками для малоэтажных жилых застроек.

В летний период солнечный соляной пруд может быть использован для горячего водоснабжения (ГВС). В зимний период придонные слои могут прогреваться до 10–15 °С, что позволяет его использовать для отопления зданий с применением тепловых насосов (ТН) парокомпрессионного типа.

Суммарная солнечная радиация изменяется в районе п. Огурцово (Советский район г. Новосибирска) от 89 МДж/м² в декабре до 880 Дж/м² в июне на горизонтальную поверхность. Солнечный пруд площадью 100 м² позволяет утилизировать до 50 % этой энергии, что составит соответственно 0,034 Гкал/сутки в декабре и 0,35 Гкал/сутки в июне.

Представление о теплоаккумулирующих возможностях солнечного соляного пруда дает рисунок.

Теплоаккумулирующие возможности солнечного соляного пруда площадью 100 м2 при КПД = 50 % для г. Новосибирска.

Таким образом, солнечный соляной пруд может стать моновалентным источником тепла для горячего водоснабжения в летний период, в начальный и завершающий период отопительного сезона, а также дополнительным источником низкопотенциального тепла для теплонасосных установок в наиболее холодный период года.

Предлагаем также рассмотреть конструктивную схему индивидуальной электростанции на базе солнечного соляного пруда (гелиоэлектростанции, солнечной электростанции), разработанную в Конструкторском Бюро Альтернативной энергетики «ВоДОмёт» (г. Омск).

Предлагаемая система работает от прямого, рассеянного и отраженного от концентратора 2 солнечного излучения 1, запасенного солнечным соляным прудом 9. Теплота из пруда 9 по тепловой трубе (термосифону) 8 подается к электростанции 7, где в термодинамических циклах преобразуется в энергию потока масла, затем в механическую и далее электрическую энергию. Неиспользованная в термодинамических циклах теплота по тепловой трубе 5 отводится: или через охлаждаемую её часть 13 в котлован 4, заполненный льдом, вызывая его таяние, или рассеивается в окружающую среду через её охлаждаемую воздухом часть 12. Термосифоны представляют собой вакуумированные трубы, в которых теплота передается посредством кипения рабочего тела (например, воды) в одном месте (нижнем) и конденсации в другом — верхнем (стрелками показано движение пара и жидкости в термосифонах 5 и 8).

Направление потока пара рабочего тела от обогреваемого места (участка) трубы 5, для конденсации, определяется тем, какая из частей трубы 5 (12 или 13) имеет более низкую температуру, или тем, какая из задвижек (делителей потока, условно не показанных), отсоединяющих эти охлаждаемые части, от обогреваемого участка открыта.

Концентратор 2 обеспечивает увеличение поступления солнечного излучения в пруд 9, а теплоизоляционное покрытие 3 уменьшает таяние льда в котловане от воздействия окружающего теплого воздуха и солнечного излучения. Как следует из описания работы гелиоэлектростанции, преобразование солнечного излучения в электроэнергию осуществляется при минимальном количестве технологических переделов.

Применение тепловых труб в данной схеме актуально, исходя из значений коэффициентов теплообмена, и процессов происходящих в них. Для уменьшения температуры охлаждаемой части 12 тепловой трубы 5 можно на ней разместить влажные полосы-фитили. При этом необходимо, чтобы их нижние или верхние концы находились бы в воде котлована, или емкости, расположенной на поверхности котлована. В этом случае за счет капиллярного подъема воды части полос-фитилей, охватывающие охлаждаемую часть 12 тепловой трубы, будут постоянно влажные. А значит, за счет испарения с них влаги их температура будет ниже температуры окружающего воздуха (испарение 1 % воды понижает температуру её оставшегося объема на 6 °С). Сниженная таким образом температура частей 12 будет обеспечивать более низкую температуру нижней границы термодинамического цикла водомёта электростанции 7, увеличивая его КПД. Данная схема охлаждения частей 12 целесообразна, когда запасы льда в котловане малы, или когда зимой потребности в низкопотенциальной энергии талой воды котлована для нужд отопления, посредством теплового насоса, минимальны.

При аккумулировании солнечного излучения придонным рассолом пруда прогревается и грунт 11, расположенный ниже пруда, при этом образуется существенный запас тепла. Петрогеотермальный ресурс – гарантия бесперебойной работы системы в пасмурные дни, при аккумулировании прудом только рассеянной солнечной составляющей. Схема электростанции 7 рисунка 4 представлена на рисунке.

Принцип работы электростанции (теплового двигателя I) представленной на рисунке 4 следующий: теплота, из пруда по тепловой трубе 9 поступает к водомёту (масломёту) 1, где в термодинамических циклах преобразуется в поток масла. При этом теплота, не использованная в термодинамических циклах водомёта, отводится по тепловой трубе 8 в котлован со льдом. Из водомёта периодически под давлением вытесняется масло, которое, проходя через клапан 2 и гидромотор 5, приводит гидромотор 5, а значит, и электрогенератор 6 во вращение. Во время вытеснения масла из водомёта 1 клапана 3 и 4 закрыты, поэтому масло после гидромотора 5 поступает в пневмогидроаккумулятор 7, заряжая его. После того, как рабочий объём масла будет вытеснен из водомёта 1, давление в нем понизится, клапан 2 закроется, а клапан 3 откроется. И за счет энергии, запасенной пневмогидроаккумулятором 7, водомёт заполнится маслом, обеспечивая одновременно подачу рабочего тела в парогенератор, и цикл повторится. В процессе заполнения водомёта 1 маслом клапан 4 открывается, обеспечивая циркуляцию масла через гидромотор 5 при его инерционном вращении.

Электрическая энергия, вырабатываемая электрогенератором 6, подается потребителю [2]. Между гидромотором 5 и электрогенератором 6 может быть расположен маховик (аккумулятор механической энергии).

По проложенному по дну пруда водопроводу 10 можно воду, которая будет в нем нагреваться до 50–90 °С (температура нагрева воды зависит от её разбора), подавать для бытовых и хозяйственных нужд. Если воздух подавать в помещения через воздуховод 6, то в летний зной это позволит снижать температуру в помещениях без использования кондиционеров. При работе гелиоэлектростанции или охлаждении воздуха в воздуховоде 6 к осени лед в котловане 4 превращается в талую воду. Для подготовки котлована 4 к работе летом его воду можно также замораживать зимой за счет подачи наружного холодного воздуха по воздуховодам 6 в помещения здания, что снижает расход тепла на подогрев воздуха во время проветривания. В этом случае подогрев зимнего воздуха осуществляется аккумулированной летом котлованом 4 солнечной энергией. Конечно, для этого необходимо чтобы температура наружного воздуха, была ниже 0 °С. Из этого, следует, что предлагаемая технология летнего электроснабжения более всего подходит для Казахстана.

Рассеивать низкопотенциальную теплоту термодинамического цикла в воздух, повышая КПД водомёта, эффективнее всего летом ночью. Например, летом в казахстанской степи ночью воздух прохладнее чем днем (более, чем на 10–15 °С).

Минимумы температуры воздуха в северном Казахстане показывают, что по климатическим особенностям в определенные годы даже в июне-июле возможна эффективная (при температуре близкой к 0 °С) конденсация пара рабочей жидкости в охлаждаемой части 12 тепловой гравитационной трубы 5 без применения охлаждающих полос-фитилей.

Эффективность комплексного использования солнечной энергии в Казахстане, с учетом концентрации излучения и энергии льда, может быть высокой. Это будет достигаться за счет того, что летом работа водомёта осуществляется от энергии солнечного пруда при охлаждении его радиатора преимущественно льдом, а весной и осенью в основном окружающим воздухом с температурой около 0 °С (что позволяет иметь минимальный объем котлована со льдом). Это гарантирует работу водомета с максимальной, для данной географической широты, разностью рабочих температур в термодинамическом цикле. КПД цикла увеличивается на ⅓. Одновременно обеспечивается эффективное аккумулирование котлованом солнечной энергии (до 85 % от аккумулированной прудом) на зимний период (в известных технологиях неиспользованная в термодинамических циклах теплота и сбросное тепло, с дополнительными затратами энергии – до 20 % от мощности установки, через теплообменное оборудование принудительно рассеивается в окружающую среду).

Тепловые трубы, проходящие через солнечный соляной пруд и котлован с водой (льдом) будут являться и теплопроводными элементами, выравнивающими температурные поля в обоих сооружениях (наибольшее испарение рабочего тела в тепловой трубе пруда будет на наиболее нагретом участке, а наибольшая конденсация рабочего тела в тепловой трубе котлована будет на наиболее холодном участке). Реализации этого будет способствовать тот факт, что часть трубы, в которой испаряется вода (конденсируется пар воды) способна воспринимать тепловые потоки 700–800 Вт/см², в то время как части трубы где происходит перегрев (охлаждение) водяного пара — не более 50 Вт/см², при прочих равных условиях.

Предлагаемая технология позволяет, вырабатывая летом холод котлована запасать теплоту, вырабатывая зимой теплоту аккумулировать холод, т.е. в ней нет промежуточного оборудования и аккумуляторов, которые бы не работали в течение всего года. Периодическая работа котлована: летом в качестве источника холода, а зимой – теплоты, имеет свои неоспоримые преимущества, которые могут быть оценены только в наших широтах. При замораживании котлована зимой системой поддержания микроклимата расширяется зона эффективного использования солнечной энергии в южном направлении (Алматинская, Южно-Казахстанская, Жамбылская области). В том направлении, где при средней температуре января минус 4–10 °С, невозможно сделать необходимые запасы льда для летней работы. Так и в северных областях, где при средней температуре января минус 20–30 °С, энергия замерзающей воды теплоизолированного котлована – это единственный доступный вид энергии окружающей среды, пригодный по своим параметрам (температура, теплота фазового перехода, теплоемкость) и объемам для подогрева воздуха, поступающего в жилые и производственные помещения.

Электроснабжение с использованием пруда и котлована со льдом — это по существу комбинированный способ электроснабжения и производства теплоты.

Конечно реализуемый КПД преобразования энергии Солнца в электрическую энергию в несколько раз ниже, чем у традиционных энергетических установок, работающих на органическом топливе.

Поэтому для выработки значительных объемов электроэнергии требуются большие площадь солнечного соляного пруда и объем котлована.
Указанные особенности могут позволить снимать с одного квадратного метра пруда за летний период более 60 кВт∙ч электроэнергии, для первой категории потребителей, в независимости от перерывов в поступлении солнечной энергии.

Для справки: при площади водохранилища Капчагайской ГЭС 1847 км², годовая выработка электроэнергии составляет 972 млн кВт·ч. Или с 1 м² снимается всего 0,53 кВт∙ч в год, при среднегодовом коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) около 40 %. 

Выработка электроэнергии на месте потребления, без строительства линий электропередачи, не выводит из сельскохозяйственного оборота земли. А ведь площади этих земель вдоль линий электропередачи значительны.

Поскольку при выработке электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) солнечную энергию невозможно получать круглосуточно в любое время года, а достаточного для работы ветроустановки ветра может не быть несколько дней, то самый простой и доступный способ сохранения электроэнергии – это дополнительная установка к солнечным и ветровым энергогенерирующим системам электрических аккумуляторов.

Рассмотрим это в плоскости бесперебойного электроснабжения, например, в течение 100 часов (4 суток), когда на дворе слабый ветер и нет солнца. Обычный автомобильный аккумулятор ёмкостью 60 А∙ч напряжением 12 В при полной зарядке способен отдать 0,72 кВт∙ч электроэнергии. Следовательно, для бесперебойного электроснабжения потребителя 1 кВт электроэнергии в течение 100 часов требуется 100 кВт∙ч электроэнергии, которая может быть получена от 138 аккумуляторов. Это, конечно же, ставит жирный крест на использовании традиционных технологий энергетики ВИЭ для целей бесперебойного электроснабжения.

Для наиболее эффективного использования ВИЭ, конечно целесообразно комплексное использование солнечной энергии и энергии ветра, без аккумулирования электрической энергии. Скорость ветра наибольшая в период смены погоды, когда Солнце часто закрыто тучами. Такие разработки с успехом ведутся в Казахстане. В журнале «Энергетика № 3(50) опубликованы материалы о комплексной энергетической системе КЭС ВРТБ разработки казахстанского академика Альберта Болотова, которые уже активно используются не только в Казахстане, но и за рубежом.

Энергетическая эффективность системы солнечного электроснабжения основывается на четырех обстоятельствах:
Первое – солнечный соляной пруд летом, в средней полосе и горных районах юга Казахстана и в странах СНГ, при небольших размерах может аккумулировать за счет оригинальных концентраторов [1] больше солнечной энергии и иметь более высокую температуру соляного рассола, чем пруд тех же размеров на экваторе. А при теплоизоляции дна и частично боковых стенок может сохранять, для преобразования, больше аккумулированной теплоты;
Второе – в составе систем с термодинамическими циклами уже есть источник холода/тепла (лед/талая вода котлована), с температурой около 0 °С.

Работа систем осуществляется в двух режимах (по времени).
Первый режим – в летний период с совершением полезной работы – выработки электрической энергии и тепла-холода: осуществляется аккумулирование низкопотенциальной теплоты в котловане;
Второй режим – в зимний период с совершением полезной работы – обогрева помещений посредством тепловых насосов осуществляется аккумулирование холода (замораживание воды) в котловане [1];
Третье – источник теплоты (солнечный соляной пруд) и источник холода (котлован со льдом) расположены рядом. При этом расстояние между ними исключает естественный (за счет теплопроводности) обмен энергиями;
Четвертое – подавляющая часть системы «изготовлена» из естественных природных материалов (грунт, вода, соль) – для их изготовления не требуется энергия, а их жизненный цикл не имеет ограничения, при их низкой стоимости.

Таким образом, Солнце является важнейшим альтернативным источником энергии для сельских территорий Казахстана, особенно с использованием соляных прудов, позволяющих применить комбинированный способ электроснабжения и производства теплоты.

 Автор: Николай КОЛУПАЕВ, главный редактор журнала «Энергетика»