Компоновочные решения по повышению эффективного использования солнечной энергии

Осадчий Г.Б., инженер

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 энергообеспечения, порой зависит сама жизнь. Однако сегодня вопросам экологии и гарантированного, доступного по цене, энергообеспечения курортных зон, малых поселений современной энергетикой в РФ, не уделяется надлежащего внимания.

Известно, что российские и зарубежные оценки прямых социальных-экономических затрат, связанных, с вредным воздействием электростанций, вырабатывающих электроэнергию за счет сжигания органического топлива: включая болезни и снижение продолжительности жизни людей; оплату медицинского обслуживания, потери производства, снижения урожая, восстановления лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы дают величину, добавляющую около 75 % мировых цен на топливо и энергию. По источнику [1] эти затраты для угольных ТЭС ещё выше.

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, С 100	Температура воды, С 8
Температура кипения, С 94	Температура конденсации, С 16
КПД цикла Карно +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 С 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 энергообеспечение того же Сочи, Алтая, Саян, Борового (Казахстан) чернолученской зоны в Омской области и всех других курортных мест, без чего невозможен надлежащий отдых, можно и нужно решать за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности — солнечной энергии.

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, что конечный 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; е) требующие сохранения в зимний период. Это дает возможность использовать весь диапазон температуры воды — от самой высокой до самой низкой (по мере её снижения). У потребителей холода также существуют потребности, на его различные температурные значения.

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 взаимообусловлены, дополняют и нередко сменяют друг друга. Не исключаются и случаи возврата к «старым» техническим решениям на качественно новой технологической базе.

Однако если мы возьмем в качестве примера использование низкпотенциальной теплоты грунтов тепловыми насосами, то обнаруживается, что при потреблении тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта. Температура грунта в почвенно-климатических условиях большей части территории РФ не успевает восстановиться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии из грунта в течение следующей зимы вызывает дальнейшее снижение его температуры, и к началу третьего отопительного сезона температурный потенциал грунта ещё больше отличается от естественного, и т.д., т.е. образуются участки «вечной мерзлоты». Это приводит к выводу части территорий из «севооборота», что не всегда приемлемо особенно с экономической точки зрения.

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 теплоизоляционных строительных материалов, которыми утеплять здания, что будет способствовать снижению расхода энергии на отопление зимой.

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 среднетемпературного холода и электроэнергии.