Компоновочные решения по повышению эффективного использования солнечной энергии
25 марта 2014 года Всемирная организация здоровья (ВОЗ) обнародовала данные исследования, согласно которым от загрязнения воздуха в 2012 году в мире умерло 7 млн человек. Это в вдвое больше, чем в прошлые годы, — уточняют эксперты. По их мнению, в настоящий момент загрязнение воздуха является самым крупным экологическим риском для здоровья. Сохранить миллионы жизней можно начав борьбу за очищение воздуха.
Если экология все сильнее влияет на наше здоровье (как известно, здоровье человека на 20 % зависит от экологии. Это больше, чем от уровня развития медицины), то от гарантированного энергообеспечени
Известно, что российские и зарубежные оценки прямых социальных-эконо
Свой вклад в стоимость электроэнергии вносят также погодные условия и размеры России. Так тарифы на электроэнергию для промышленных предприятий в декабре 2000 г. отличались по субъектам РФ в 30 раз, а для населения в 10 раз [2].
Кроме того, сравнительную экономическую оценку (энергоемкость), например, теплоснабжения от сжигания дров и солнечной энергии, очень трудно привести к одному знаменателю. Ведь экономические потери от вырубки леса выражаются в уменьшении продуцирования кислорода, поглощения вредных газов, насыщения воздуха фитонцидами и т.д. Лес дает 40 % кислорода земной атмосферы. Охранно-защитные и рекреационные функции лесов, само собой, разумеется, являются не перевозимыми.
При нынешних темпах развития цивилизации не получается резервировать слишком большие участки Природы и тратить на её охрану слишком много средств, т.к. это приводит к большим экономическим потерям для общества. На рисунке 1 изображены вероятные сценарии развития общества (территории) в зависимости от отношения к экологии.
Рисунок 1 – Гипотетическое изменение эффективности общественного производства во времени по Н.Э. Смирнову
а) – при полном отсутствии каких-либо экологических требований к производству; б) – при запрещении всякого загрязнения окружающей среды; в) – при наличии технологического базиса, обеспечивающего удовлетворение общественных потребностей (сознательно ограниченных обществом в пользу чистой окружающей среды) и являющегося наиболее «чистым» из возможных, в экологическом смысле.
Как видно из рисунка 1 эффективное развитие общества на долгосрочную перспективу возможно только при добровольном отказе его членов от погони за одними только материальными ценностями.
К попытке решения задачи по развитию отдельной территорий по графической зависимости рисунка 1в можно отнести разработку солнечной электростанции на базе огромного ряда (количества) солнечных соляных прудов для юга Украины в СССР. Эта разработка была связана с проектированием энергетической установки на заливе Сиваш (Крым), т.к. хозяйственной деятельности в заливе нет из-за значительного засоления. А циркуляционная вода в изобилии имеется вблизи — в Феодосийском заливе. Оценка масштаба максимальной летней мощности, при допущениях:
Температура рассола, ⁰С 100 Температура воды, ⁰С 8
Температура кипения, ⁰С 94 Температура конденсации, ⁰С 16
КПД цикла Карно 94-16/94+273 = 0,21 Эксергетический КПД 0,5
Общий КПД 0,117 Средняя летняя инсоляция, Вт/м2 250
КПД пруда 0,3 Плотность потока теплоты, Вт/м2 75
Удельная электрическая мощность, Вт/м2 75∙0,117 = 8
Максимальную мощность получаем, принимая возможность использования 50 % площади залива Сиваш. Полная площадь 2560 км2, следовательно, возможная площадь пруда 1250 км2 и максимальная электрическая мощность 10 ГВт.
Для справки: площадь водохранилища Красноярской ГЭС — 2000 км2, при мощности ГЭС в 6 ГВт, а значит удельная электрическая мощность равна всего 3 Вт/м2. За год на ГЭС вырабатывается около 20 млрд кВт∙ч электроэнергии, следовательно среднегодовой коэффициент использования установленной мощности составляет около 38 %.
При реализации проекта в заливе Сиваш, можно было, наращивать мощность постепенно, начиная с небольших южных участков залива.
Сопоставление цифр с полученными при испытании энергоустановки в Израиле вблизи Мертвого моря показывает, что эти оценки реалистичны, а принятый эксергетический КПД 0,5 существенно ниже, чем достигнутый в эксперименте — 0,6. Сезонность выдачи электроэнергии в летне-осеннее полугодие не лишает этот проект интереса, поскольку ГЭС фактически также сезонны — летом, осенью и зимой воды гораздо меньше, чем весной.
Если для приближенной оценки принять, что летняя выработка в заливе компенсирует зимнее потребление электроэнергии по расходу топлива, в итоге окажется, что все теплоснабжение региона осуществлено без затрат топлива — только за счет солнечной энергии.
Площадка возле Сиваша представлялась наилучшей для реализации, в первую очередь для решения задач энергоснабжения Крыма.
С экологической точки зрения проект представлял одним из наилучших способов энергоснабжения, ибо полностью исключает горение органического топлива летом, снижает его до минимума зимой. Проект свободен от риска аварий, поскольку температура и давление рабочего тела не превышают 100 ⁰С и 30 кгс/см2[3].
Но известные события не позволили этот проект реализовать на деле.
Сегодня такие проекты тем более не реальны поскольку экономическая ситуация не позволяет сконцентрировать большие финансовые и людские ресурсы для решения частной задачи.
Но задачи оздоровления окружающей среды и энергообеспечени
Главенствующая роль в реализации комплексного использования потенциала Природы должна перейти к энергетике ВИЭ, которая, за счет развития инновационной базы, призвана выполнить общественное решение Всемирного конгресса по проблемам экологии в Рио-де-Жанейро в 1992 г., где было сказано, что основной целью является: «Создание условий для устойчивого развития человеческого общества, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей, без лишения такой возможности будущих поколений».
Исходя из этого системы и комплексы энергетики ВИЭ должны быть самодостаточными на уровне высоких технологий.
В новых энергетических комплексах (системах) часть технологий может быть связана с использованием солнечной энергии, и её производных. А между собой они, в подавляющем большинстве своем, должны быть связаны таким образом, чтоконечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.
По мнению экспертов ООН, именно такой подход, когда осуществляется схема подбора предприятий и производств, работающих на одном виде сырья, а отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества.
В группах потребителей, например, теплой воды или тепла существуют любители разного уровня её температур: а) жаролюбивые и жаростойкие; б) теплолюбивые; в) любители умеренных температур; г) холодолюбивые; д) холодоустойчивые
Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе и тепловые, водные, газо-воздушные перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем. Комплексный подход, это не что-то новое. В целом «эволюционные» и «революционные» изменения в энергетике взаимообусловлен
Однако если мы возьмем в качестве примера использование низкпотенциально
Климат России определяет повышенную сезонную потребность её жителей 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 тепла. Из всей потребляемой, например, в быту энергии львиная доля — 79 % идет на отопление помещений, 15 % энергии расходуется на тепловые процессы (нагрев воды, приготовление пищи и т.д.), 5 % энергии потребляет электрическая бытовая техника и 1 % расходуется на освещение радио и телевизионную технику.
Исходя из этого, летом солнечную энергию целесообразно использовать для производства теплоизоляционны
Опираясь на эти положения, рассмотрим системы солнечного энергоснабжения, объединенные в проект «Альтернативная энергетика» («АЭ») в части энергетической и экономической эффективности.
Проект «АЭ» помимо системы электроснабжения (в отличие от проектной установки на заливе Сиваш) представлен также технологиями использования солнечной энергии, аккумулированной в солнечном соляном пруду и теплоты (талой воды)/холода (льда) котлована для бесперебойного энергоснабжения малых потребителей и производств различными видами энергии [4].
Это технологии совместного использования солнечной энергии и энергии, запасенной в котловане, которые могут обеспечить:
Летом: водоснабжение; выработку холода и электрической энергии.
Зимой: теплоснабжение.
Это технологии раздельного использования солнечной энергии и энергии, запасенной в котловане, которые могут обеспечить:
Летом: сушку торфа, нагрев воды и воздуха; производство биогаза (биометана); приготовление пищи; удовлетворение физиологических потребностей (летняя баня); охлаждение воздуха.
Зимой: подогрев воздуха.
Человечество ежегодно потребляет 7 – 8 млрд тонн минеральных ресурсов, а воды расходуется, в среднем, 8 – 7 млрд тонн ежесуточно. Наибольшее потребление воды в России, а значит и энергии на ее перекачку, приходится на летний период. Отмеченная закономерность, несмотря на короткое лето, позволяет более половины водоснабжения для сельского хозяйства, обеспечивать за счет солнечной энергии. Актуальность водоснабжения от солнечной энергии основывается на том, что чем больше солнечной энергии, тем засушливее лето, а значит, тем легче недостаток естественного увлажнения восполнить орошением. Когда же нет Солнца, дожди заливают урожай, то нет потребности в орошении.
Выработка электроэнергии летом на базе солнечного соляного пруда гарантирует малым потребителям, бесперебойное электроснабжение в любое время суток для отдыхающих, холодильного оборудования, осветительных приборов, водоснабжения, медицинского оборудования, радиоаппаратуры и электробытовых приборов.
Развитие рыночных отношений в России приведших к тому, что скоропортящиеся продукты питания и технологическое сырье уже не раскупают с «колес» резко увеличивает потребность производителей и переработчиков, в теплый период времени, в холоде. Огромные просторы России с неразвитой сетью транспортных коммуникаций предопределяют необходимость иметь значительные страховые запасы продуктов питания и технологического сырья, хранение и реализация которых также связаны со значительным потреблением холода. Главное преимущество использования солнечной энергии летом для замораживания и охлаждения состоит в совпадении максимумов ее поступления и потребления искусственного холода. При этом применение солнечной энергии для выработки холода эффективно вдвойне, так как разумно размещенная приемная часть солнечной установки, затеняя охлаждаемые объекты, уменьшает поступление в них солнечного тепла, и, следовательно, потребность в холоде.
Компоновочные решения (схемы) по повышению эффективности использования солнечной энергии представлены ниже.
На рисунке 2 приведены виды энергии, которые можно получать напрямую из солнечного соляного пруда и котлована со льдом комплекса по производству среднетемператур
Рисунок 2 – Схема интегрированного комплекса холодо, тепло и электроснабжения на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом
Потребление электроэнергии неразрывно во времени с его производством. Поэтому, малые локальные электростанции на базе солнечного соляного пруда, в которых прудом осуществляется аккумулирование тепловой энергии, и которая в любое нужное время может быть преобразована в электрическую энергию, можно по экономическим показателям сравнивать с аккумуляторами электрической энергии.
На рисунке 3 приведены установки, сооружения и системы проекта «АЭ», которые объединены в интегрированный комплекс для проживания и отдыха на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой.
Рисунок 3 – Схема интегрированного комплекса для проживания и отдыха на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой
Комплекс по рисунку 3 может использоваться как для многочисленных видов деятельности и досуга местных жителей, так и для обслуживания большого потока прибывающих на лечение, отдых, совершающих путешествия, как правило, летом. Комплекс может быть основой энергообеспечени
К рациональному комплексному использованию потенциала Природы средней полосы России, самого широкого применения, может быть отнесен и интегрированный комплекс по сушке и производству сельскохозяйстве
Рисунок 4 – Схема интегрированного комплекса по сушке и производству сельскохозяйстве
Комплекс, изображенный на рисунке 4 включает в себя:
• гелиосушилку (солнечный соляной пруд и тепловой коллектор);
• теплицу;
• солнечную биогазовую установку.
В предлагаемом комплексе первоначально, аккумулированная солнечным соляным прудом солнечная энергия, обладающая наибольшим потенциалом (температурой), используется для сушки растительного сырья. В сушилке сушку и охлаждение можно объединить за счет охлаждения зерна воздухом, поступающим в тепловой коллектор из зоны выгрузки.
К рациональному комплексному использованию потенциала Природы самого широкого применения, не выходящему за пределы самовосстановите
Рисунок 5 – Схема интегрированного комплекса по производству сельскохозяйстве
В предлагаемом комплексе первоначально аккумулированная прудом солнечная энергия, обладающая наибольшим потенциалом (температурой), используется для поддержания температуры в биореакторе биогазовой установки, что очень актуально для снижения расхода газа на собственные нужды.
Теоретические и практические исследования в области биологической переработки растительной биомассы, отходов животноводства и т.д. в биогаз показали, что активность бактерий и соответственно объем биогаза, получаемого в результате переработки, при прочих равных условиях напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс переработки, больше вырабатывается биогаза, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Так, при температуре от 52 до 56 ⁰С выработка биогаза идет в 1,5 – 3 раза быстрее, чем при 30 – 40 ⁰С, и достигается эффективное обеззараживание получаемых удобрений (активность бактерий и, следовательно, выработка биогаза существенно падает в интервале температур 51,7 и 39,4 ⁰С, и в меньшей степени от 35 до 0 ⁰С).
Кроме того тепловые потери из солнечного соляного пруда поступают в траншеи где выращиваются грибы, что обеспечивает «сбор» тепловой энергии, теряемой через боковые стенки пруда и дно.
В предложенном комплексе для выработки биогаза и удобрений могут использоваться отходы полеводства, животноводства, птицеводства, грибов и т.д.
Ни для кого не секрет, что проблема размещения отходов уже сейчас вышла на первое место по своей значимости среди экологических проблем и встает в один ряд с опасностью радиоактивного заражения. По образному выражению некоторых политиков, отходы — это чума современной цивилизации. Такая же острейшая проблема — переработка жидкого навоза, на животноводческих комплексах и жидкого помета на птицефабриках, которые располагают ограниченными площадями. Навоз в этих хозяйствах обычно хранится в переполненных навозохранилищах
Из всех известных видов переработки органических отходов антропогенного происхождения единственным, полностью возвращающим переработанный материал в виде пригонных к применению веществ, признается биологический способ утилизации (метаногенез). Главное преимущество использование растительной биомассы как сырья — возможность применения биотехнологий для получения энергии, то есть технологий, которые не нарушают экологического состояния окружающей среды. Отходы и побочные продукты такой технологии, являясь компонентами биосферных циклов, тоже могут служить сырьем, что ведет к полностью безотходным технологиям будущего.
Это актуально также и потому, что, как правило, природные геобиоценозы имеют ограниченную продуктивность, и их производительнос
Ещё большей эффективности использования солнечной энергии можно добиться при объединении приведенных выше комплексов, а также за счет использования энергии ветра и водных потоков.
При низкой стоимости оборудования производства энергии (при энергоснабжении традиционными методами), если отсутствует её постоянство, то для сельскохозяйстве
К рациональному комплексному использованию потенциала Природы крайне ограниченного применения, к показателю внимания к защите окружающей среды, может быть отнесен производственный интегрированный участок по сушке изделий после покраски (рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема интегрированного участка по сушке изделий после покраски на базе солнечного соляного пруда
Суть предлагаемой интеграции состоит в том, что образующаяся в процессе сушки деталей, изделий, машин горючая газо-воздушная смесь направляется в топку котла, где сгорает, обеспечивая выработку дополнительного тепла высокого потенциала, многократно превышающего температуру в придонном слое солнечного соляного пруда.
В отличие от обычной сушки, которая сопровождается выбросом в атмосферу горючих растворителей, здесь они утилизируются, вернее, используются в соответствии с тем потенциалом, которым они обладают.
Представленные технологии призваны (кроме энергоснабжения и обеззараживания курортных зон):
• способствовать в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранности зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;
• удовлетворять физиологические потребности человека в микроклимате жилища и в санитарно-медици
• способствовать поддержанию транспортного сообщения на удаленных территориях за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).
Конечно, использование в качестве приемника и аккумулятора энергии Солнца солнечного соляного пруда требует отводов земли. Однако они не так велики, относительно, не только равнинных водохранилищ ГЭС, но даже горных. Так при площади зеркала водохранилища Новосибирской ГЭС 1072 км2, годовая выработка электроэнергии составляет 1678 млн кВт∙ч электроэнергии, т.е. 1,56 кВт∙ч с 1 кв. м водохранилища, при среднегодовом коэффициенте использования установленной мощности около 40 % (для Саяно-Шушенской ГЭС — 38 кВт∙ч в год с 1 кв. м).
Гелиоэлектростан
Если мы рассмотрим Кубань, как житницу России, то можно с большой долей вероятности принять, что хлебороб с 1 га (10000 кв. м) поля получает чистый доход, примерно, 10000 рублей (рисовод, заливающий обширные поля водой («солнечный пруд», но для других целей) наверное, столько же). А если теперь рассмотрим гелиоэлектростан
Заключение
Изложенное показывает, что установки и системы на базе солнечных соляных прудов, являясь многофункциональ
Летом интегрированные комплексы солнечной энергетики будут способствовать эффективному энергосбережению
В зимний период непосредственное участие установок и систем в обеспечении потребителей энергией может выражаться в использовании аккумулированной солнечным соляным прудом, в период «бабьего» лета, солнечной энергии, и низкопотенциальн
Малая энергетика на базе солнечных соляных прудов месте с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрически
В зимний период в удовлетворении возрастающего сезонного спроса на тепло и повышающегося требования к бесперебойному электроснабжению
Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР. Тел дом. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819
E-mail: genboosad@mail.ru
Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв. 17.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России / А.Е. Копылов // Энергетик. 2008. № 1– С. 7 – 10.
2. Мастепанов А.М. Экономика и энергетика регионов Российской Федерации / А.М. Мастепанов, В.В. Саенко, В.А. Рыльский и др. М.: Экономика, 2001. 476 с.
3. Янтовский Е.И. Потоки энергии и эксергии/ Е.И. Янтовский М.: Наука, 1988. 144 с.
4. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.