Совместное использование солнечной и ветровой энергии для энергетики малых мощностей

В мире всему свое время, и технология (устройство, система), хотя и основанная на аргументи­рованных доказательствах, не пустит корней и не будет развиваться, если, подобно растению, она не будет брошена в землю в нужное время.

Современные достижения в энергетике возобновляемых источников энергии (ВИЭ), несмотря на ежедневные «разоблачения» и насмешки со стороны каждого, связавшего жизнь с традиционной энергетикой (с ее многочисленными минусами), растут и усиливаются фактами, если не мудростью и прозрением. То, что тридцать лет тому назад казалось бы просто нелепым, абсурдным, теперь будет выслушано, потому что теперь достижения энергетики ВИЭ подтверждаются практикой. К несчастью, хотя эффективность технологий энергетики ВИЭ растет с каждым годом, не наступает соответствующего улучшения в сознании части человечества. Распознавания и ответственности не хватает так же, как всегда.

Уже сегодня с еще порой высокой стоимостью установленного киловатт-часа энергетика ВИЭ может быть востребована для энергоснабжения, например, санаторно-курортных комплексов, как отвечающая требованиям по охране окружающей среды и экологии. Так по качеству климато-рекреационных факторов можно выделить пять основных курортно-рекреационных зон – три из них функционирующие: Омская, Красноярско-Чернолученская и Таврическая. Они удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к курортно-рекреационным и лечебным местностям. Это доступность территории, хорошие транспортные пути, красивые ландшафты, благоприятные климатические особенности, наличие неограниченных запасов природных лечебных факторов, близость промышленных и сельскохозяйственных районов, обеспечивающих бесперебойное продовольственное снабжение.



Ресурсы возобновляемых источников

В настоящее время в связи с тем, что в мире преобладает использование ископаемого органического топлива над возобновляемыми источниками, ресурсы ВИЭ различных стран и континентов делятся на валовой потенциал, технический потенциал и экономический. Каждая страна мира в зависимости от своего географического положения, существующих технологий имеет свои приоритетные виды ВИЭ, причем каждый вид имеет свои прогнозируемые потенциалы, которые постоянно корректируются:
∙ технический потенциал – изменяется по мере развития существующих технологий, оборудования и новых, инновационных решений не столько в рассматриваемых странах, сколько в мире в целом;
∙ экономический потенциал – изменяется в зависимости от истощения ископаемого органического топлива и изменения его стоимости на мировых и внутренних рынках, освоения новых территорий, развития дорожной инфраструктуры, а также, особенно в последнее время, с учетом соблюдения экологического равновесия и приоритетом производства продуктов питания над энергетическим сектором производства биотоплива.

Кроме того что климат каждой страны вносит свои коррективы в интенсивность развития энергетики ВИЭ, и сами «базовые технологии» энергетики возобновляемых источников претерпевают изменения с целью более эффективного использования на месте как определенного вида источников, так и за счет их комплексного использования. У ВИЭ, к сожалению, низкая плотность. Из-за этого ее трудно использовать для энергетики больших мощностей.

Поскольку современный темп повышения эффективности технологий энергетики ВИЭ очень высок, при оценке ее возможностей следует исходить из технического потенциала, так как только он показывает, какое из направлений энергетики ВИЭ следует развивать в первую очередь.

Технический потенциал части видов возобновляемых источников в России просто огромен. Потенциал, который может быть реализован на современном уровне развития техники в России, составляет 4,6 млрд тонн условного топлива. Это в пять раз больше общего энергопотребления. Для России технические потенциалы солнечной и ветровой энергии на порядок превосходят остальные виды ВИЭ.



Проблемы использования

К серьезным недостаткам этих ВИЭ, ограничивающих их широкое практическое применение, относятся невысокая плотность энергетических потоков и их непостоянство во времени и, как следствие этого, необходимость значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.

Так, например, плотность потока солнечного излучения на поверхность Земли в полдень ясного дня составляет всего около 1 кВт / м², а его среднегодовое значение (с учетом сезонных и погодных колебаний) для самых солнечных районов земного шара не превышает 250 Вт / м² (для средней полосы России 120 Вт / м²).

Средняя удельная плотность энергии ветрового потока также, как правило, не превышает нескольких сотен Вт / м². Так при скорости ветра 10 м / с удельная плотность потока энергии приблизительно равна 500 Вт / м².
Плотность энергии водного потока, имеющего скорость 1 м / с, также составляет всего около 500 Вт / м². Для сравнения укажем, что плотность теплового потока на стенках топки парового котла достигает нескольких сотен кВт / м².

Неустойчивость ветра приводит к необходимости применения средств аккумуляции энергии. Это удорожает установку, и в целом стоимость получаемой энергии оказывается выше, чем на гидроэлектростанциях (ГЭС) и многих теплоэлектростанциях (ТЭС).

При современных аэродинамически совершенных винтах и преобразующих устройствах 2,6х106 м² фронта ветра могут дать мощность 150 МВт при любой скорости ветра, превышающей 6 8 м / с.
Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 6 м / с, то использование ветроэлектрических установок (ВЭУ) здесь весьма перспективно.

Однако, несмотря на это, технологии использования данных видов ВИЭ активно развиваются во многих странах мира, многие из них достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг, в том числе при производстве электрической энергии.



Некоторые особенности

К особенностям этих видов ВИЭ относится то, что они в максимальном своем проявлении как бы «затеняют» друг друга, особенно в летний период. Так, если существует сильный ветер, при перемене погоды, то обычна большая облачность и меньше инсоляция, а при слабом ветре – больше интенсивность солнечного излучения. При солнечной погоде, когда нет облаков, обычно не бывает сильных ветров.

Длительная жаркая (без дождей) погода – практически безветренная, она способствует образованию смога, уменьшает сток рек, а значит – и выработку электроэнергии на гидроэлектростанциях.

Во время дождя плоские солнечные коллекторы очень быстро охлаждаются. А после дождя, когда воздух очищен от пыли и аэрозолей, инсоляция повышена и в то же время, поскольку плотность влажного воздуха меньше, чем сухого, при одинаковых условиях, так как молекулярная масса паров воды меньше, чем средняя молекулярная масса воздуха, «работоспособность» ветра понижается.

Кроме того, сила ветра влияет на возможность гелиооборудования принимать и сохранять аккумулированную солнечную энергию. Так, чем сильнее ветер, тем больше потери тепла из плоских солнечных коллекторов, а также меньшее количество солнечного излучения проникает в солнечный соляной пруд.

Если небо облачное, то вода (теплоноситель) в плоском солнечном коллекторе, когда Солнце «выходит» из за туч на непродолжительное время, не всегда успеет нагреться до рабочей температуры. Поэтому, когда Солнце «заходит» за тучу, теплоноситель остывает, без аккумулирования теплоты, например, водяным баком-аккумулятором. При определенной периодичности чередования солнечных и пасмурных периодов в течение дня аккумулятор может и не восполнить запас теплоты.

Так, такой важный показатель для солнечного соляного пруда, как альбедо водной поверхности, зависящий от степени волнения и высоты Солнца, заключается в пределах 3 45 процентов. (Альбедо поверхности – коэффициент отражения света – это отношение потока излучения, отраженного этой поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на нее.)

При спокойной водной поверхности альбедо зависит только от высоты Солнца.

Ветры, «приносящие» облака, влияют на продолжительность солнечного сияния, а значит – и на эффективность работы гелиоустановок.



Области применения

Несмотря на это, солнечную энергию летом в средней полосе России можно с успехом применять там, где сегодня используются такие высоколиквидные виды энергии и энергоносители, как электрическая энергия, газ, жидкое моторное топливо, уголь и дрова.

Перечисленные ниже технологии и устройства на их основе, на базе солнечного соляного пруда, могут найти применение в промышленности, в сельском и жилищно-коммунальном хозяйствах, в индустрии отдыха и лечения, в придорожном сервисе. В технологических линиях сушки сельскохозяйственного сырья, пиломатериалов, торфа, пеллет, ягод, грибов, лекарственных трав, шпал, свежеокрашенных покрытий. В установках пропарки бетонных изделий и искусственного старения металлоизделий. В стендах, предназначенных для температурных испытаний машин, приборов и механизмов. В устройствах пропитки катушек трансформаторов клеями и лаками, при дублении кож, при окрашивании толстых тканей, при нанесении гальванических покрытий, очистке деталей от асфальтосмолистых отложений, нагара и накипи. А также в сооружениях производства биогаза и моторного биотоплива и мн. др.

Поскольку стоимость электроэнергии центрального электроснабжения, газа, жидкого моторного топлива, угля увеличивается по мере удаленности от места их добычи и производства, следовательно, на удаленных территориях она наиболее высокая, а значит, более высокими становятся и основные виды энергии – тепло и холод. Электрифицированные водоснабжение, вентиляция и сушка также очень дороги. Производство этих видов энергии (услуг) из привозного органического топлива из за высокой цены как топлива, так и генерирующих установок не устраивает любого товаропроизводителя.

Учитывая высокую стоимость отпускаемых видов энергии, установки и системы на базе солнечного соляного пруда могут найти параллельное и независимое применение в качестве нетрадиционных энергоисточников:
∙ гелиосушилки – корпус которой нагревается теплотой придонного слоя искусственно созданного аккумулятора теплоты – солнечного соляного пруда;
∙ гелиопечи – корпус которой нагревается теплотой придонного слоя искусственно созданного аккумулятора теплоты – солнечного соляного пруда;
∙ гелиобани – парная, которая нагревается за счет теплоты придонного слоя искусственно созданного аккумулятора теплоты – солнечного соляного пруда;
∙ гелиобиогазовой установки – корпус биореактора которой подогревается теплотой придонного слоя искусственно созданного аккумулятора теплоты – солнечного соляного пруда;
∙ гелиоводомета – водонасосной станции, водомет (преобразователь тепловой энергии) которого работает от разности температур между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которыми служат солнечный соляной пруд и котлован со льдом;
∙ теплового двигателя, гелиоводомет которого работает от разности температур между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которыми служат солнечный соляной пруд и котлован со льдом;
∙ гелиоэлектростанции, тепловой двигатель которой работает от разности температур между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которыми служат солнечный соляной пруд и котлован со льдом;
∙ гелиохолодильника – установки для выработки среднетемпературного холода, хладомет (компрессор) которого работает от разности температур между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которыми служат солнечный соляной пруд и котлован со льдом;
∙ теплогенератора системы отопления, горячего водоснабжения и сушки, теплообменник которого воспринимает теплоту придонного слоя искусственно созданного аккумулятора теплоты – солнечного соляного пруда;
∙ хладогенератора системы летнего кондиционирования, теплообменник которого воспринимает холод аккумулятора холода – котлована со льдом;
∙ теплового насоса – установки для выработки тепла, хладомет (компрессор) которого работает от энергии сгорания органического топлива, а поступление теплоты обеспечивается за счет изъятия ее из талой воды, искусственно созданного аккумулятора – котлована, который летом аккумулировал солнечную энергию, не использованную в термодинамических циклах водомета, хладомета;
∙ подогревателя системы зимнего поддержания микроклимата в помещениях, теплообменник которого воспринимает, для подогрева наружного зимнего воздуха с температурой ниже минус 5 10 С, теплоту талой воды, искусственно созданного аккумулятора – котлована, который летом аккумулировал солнечную энергию, не использованную в термодинамических циклах водомета, хладомета.



Сезонные колебания

Резко континентальный климат средней полосы России предопределяет повышенную сезонную потребность населения в отдельных видах энергии. При относительно стабильном спросе в течение всего года на механическую и электрическую энергии летом резко возрастают расходы воды и искусственного холода, а зимой громадный дефицит тепла.

Исходя из особенностей климата России в центре комплексного использования солнечной энергии (в центре архитектуры самоэнергообеспечения, вплоть до 60 с. ш.) находится здание с концентратором (или концентратор), обеспечивающее увеличение поступления солнечного излучения в солнечный соляной пруд, расположенный с южной стороны, и затеняющее теплоизолированный котлован со льдом, находящийся с северной стороны.

При построении компоновки энергообеспечения и выборе аккумуляторов теплоты и холода автор исходит из того, что:
∙ гидродинамический солнечный соляной пруд – это не только аккумулятор, но и мощнейший концентратор солнечной энергии. Плотность потока тепловой энергии в пруду (при известной инерционности и технологии использования энтальпии) в 100 000 раз выше солнечной постоянной (1300 Вт / м²);
∙ при аккумулировании солнечной энергии придонным рассолом солнечного соляного пруда прогревается и грунт под ним. При этом образуется существенный запас теплоты – петрогеотермальный ресурс, с гарантией бесперебойного энергообеспечения в пасмурные дни;
∙ при разовом промерзании котлована глубиной 2 м количество выделяемой энергии фазового перехода составляет 668 ТДж / км². Если эту выделяющуюся энергию равномерно использовать в течение 150 суток на отопление тепловым насосом или системой поддержания микроклимата, то установленная мощность «водяной топки» будет равна 51,5 МВт / км². Это сопоставимо с плотностью залежей угля в районах его добычи – 30 МВт / км². При этом надо учитывать, что к конечному потребителю в виде тепла «доходит» примерно 1 / 10 часть энергии залежей угля, а при использовании энергии воды, по предлагаемой технологии, будет «доходить» 5 / 6 7 / 8 теплоты фазового перехода. А значит, воду можно с полным правом отнести к альтернативному источнику энергии (средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйственной деятельностью, равна всего 0,02 МВт / км², т. е. в 10­ 000 раз меньше средней плотности солнечной энергии – 200 МВт / км². И только в отдельных местах земного шара этот показатель выше – в Японии 2 МВт / км², в Рурском районе ФРГ – 20);
∙ за счет подвижного концентратора, направляющего в акваторию солнечного соляного пруда десятки тысяч кВт-ч солнечной энергии, можно обеспечить эффективный сбор солнечной энергии. Отражение солнечной энергии от вертикальной поверхности, ориентированной на юг, максимально в высоких географических широтах, а с продвижением на юг оно уменьшается, и на широтах северный тропик – экватор достигает нуля и даже отрицательного значения. Солнце в это время находится над северным полушарием, отражать лучи будет северная сторона здания. Использование солнечных прудов малых площадей с концентрацией энергии, в том числе, от стен здания в средней полосе России для децентрализованного потребителя, является оптимальным.



Комплексное использование

Эффективность комплексного использования солнечной энергии в средней полосе России за счет отраженного солнечного излучения намного выше, чем у используемых гелиотехнологий. Летом работа водомета (хладомета) осуществляется от энергии солнечного пруда при охлаждении его радиатора льдом (холодом), обладающим высокой удельной теплоемкостью – 2,06 кДж / (кг х К), что обеспечивает работу с максимальной, для данной географической широты, разностью рабочих температур.

КПД термодинамического преобразования увеличивается на 1 / 3, и одновременно обеспечивается эффективное аккумулирование котлованом солнечной энергии (до 85 процентов от аккумулированной прудом) и сбросного тепла гелиохолодильника на зимний период (в известных технологиях не использованная в термодинамических циклах теплота и сбросное тепло с дополнительными затратами энергии (до 20 процентов от мощности установки) и оборудования принудительно рассеивается в окружающую среду.

Предлагаемая технология позволяет, вырабатывая холод котлована, запасать теплоту, а вырабатывая теплоту – аккумулировать холод, т. е. нет промежуточного оборудования и аккумуляторов, которые бы не работали в течение всего года. При этом вырабатывается весь спектр необходимой для производства и быта, лечения и отдыха энергии.

Работа хладомета теплового насоса (ТН) зимой обеспечивается за счет сжигания привозного органического топлива, просушенных местных видов топлива или местного биогаза (биометана). Полный отказ от их использования возможен при освоении технологии аккумулирования солнечной энергии, пригодной, по своим параметрам, для привода в работу хладомета, или за счет ветра, или от геотермального двигателя.

Периодическая работа котлована, летом – в качестве источника холода, а зимой – теплоты, имеет свои неоспоримые преимущества, которые могут быть оценены только в высоких широтах. При замораживании котлована зимой ТН и системой поддержания микроклимата расширяется зона эффективного использования солнечной энергии как в южном направлении – Кубань, Приморье, где при средней температуре января минус 4 10 С невозможно сделать намораживанием, без больших затрат, необходимые запасы льда для летней работы, так и в северном, где при средней температуре января минус 25 35 С энергия замерзающей воды теплоизолированного котлована – это единственный вид энергии окружающей среды, пригодный по своим параметрам (температура, теплота фазового перехода, теплоемкость) и объемам для обогрева жилых и производственных зданий ТН и поддержания микроклимата в животноводческих помещениях.

Положительным фактором использования солнечных соляных прудов является то, что при их возведении не должно быть проблем с оснащением их солью. В земной коре солеродные бассейны имеют огромные размеры. Так, кембрийский бассейн занимает почти всю Сибирскую платформу – 2 млн км², мощность соленосных отложений в нем достигает 3 км. Рассолы Сибирской платформы своеобразны, солей в них бывает больше, чем воды. – до 600 г / л. То есть для создания солнечных прудов имеются природные рассолы нужной концентрации в неограниченных количествах.

Технологии преобразования солнечной и ветровой энергий при выработке энергии малых мощностей могут и должны дополнять и поддерживать друг друга, потому что каждый из этих ВИЭ далеко не идеален.

Они могут решать задачи, возлагаемые на малую и нетрадиционную энергетику России, к которым относятся:

1. Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения.

2. Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения.

3. Компенсация снижения завоза топлива в труднодоступные районы и на Крайний Север при одновременном увеличении надежности и экономичности энергоснабжения.

4. Снижение вредных выбросов от энергетических установок в отдельных городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой.