Солнечные бассейны, или пруды

Сотрудниками Национальной физической лаборатории Израиля разработана и исследована разновидность плоского коллектора -солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит водный бассейн, который можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. В таком виде солнечный бассейн, казалось бы, не имеет никаких преимуществ перед обычным поглотителем на основе твердого тела. Однако было обнаружено, что в некоторых природные водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. По предположению, это явление обуславливается высоким содержанием соли в таких водоемах.

Повышенное содержание в воде некоторых определенных солей препятствует уменьшению плотности растворителя, обусловленному расширением последнего. Таким образом достигается устойчивое состояние, при котором более нагретые слои жидкости уплотняются и остаются на дне бассейна. Следовательно, температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности оказывается ниже, чем у дна. Результаты эксперимен­тов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100°С.

Процессы, протекающие в солнечном бассейне достаточно слож­ны с точки зрения тепломассообмена. Поглощение солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бас­сейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии меж­ду различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излуче­ния. Вследствие этого характеристики излучения бассейна опреде­ляются его поглощающими свойствами. Можно считать, что такой бас­сейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает промежуточное положение между нейтральным и селективным поглотителем.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллектора­ми других типов . Это наиболее дешевые приемники больших коли­честв солнечной энергии, обладают широкими возможностями сох­ранения внутренней энергии благодаря высокой теплоемкости. В бассейнах малого размера теплообмен между водой и окружающей атмо­сферой, а также близлежащими слоями почвы протекает интенсив­нее, чем в больших бассейнах, поэтому наиболее эффективны бас­сейны площадью 50 м. В бассейнах этих размеров волнение воды под действием ветра вызывает нарушение устойчивости в распреде­лении температуры и концентрации соли, поэтому в них приходится устанавливать специальные защитные приспособления. Однако, не­смотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

Основное условие работы прудов - наличие градиента концен­трации соли по толще воды. Обычно глубина водоемов не должна пре­вышать нескольких метров. В искусственных водоемах концентрация соли в различных слоях воды регулируется путем введения солевых растворов различной концентрации на различные глубины так, чтобы нижние слои воды обладали максимальным ее содержанием (рис. 7).

Рис.7 Солнечный пруд:

1-вода, 2-вход воды, из слоев с пониженной концентрацией соли,3 – выход воды из слоев с пониженной концентрацией соли , 5- выход горячей воды,6-солнечные лучи.

Если данный водоем находится под воздействием солнечного излуче­ния, его вода прогревается по всей толще, но в разной степени. Верхние слои прогреваются до меньшей температуры, поскольку они находятся в прямом контакте с воздухом, а так как в верхних сло­ях воды наблюдается повышенная конвекция, это приводит к допол­нительной теплоотдаче. Солнечные лучи проникают на дно и на­гревают воду нижних слоев. Любые конвективные потери сокращают­ся благодаря наличию градиента плотности. Поэтому - нижние слои, прогреваются значительно сильнее, чем верхние.

Этот эффект позволяет получить в нижних слоях воду с температурой, близкой к 100°С, тогда как в верхних слоях температура будет близкой к температуре окружающего воздуха. Подсчитано, что водоем площадью I км² может дать около 6О м³ с температурой до 96°С. Наряду с искусственными солнечными прудами существуют и естественные соляные озера или водоемы с подсоленной водой, в которых наблюдается такой же эффект. Например, в озере Балатон в Венгрии. Солнечные пруды относятся к классу активных солнечных систем.

Существуют проекты больших энергетических установок по производству электроэнергии на базе "Солнечных прудов". В такой установке (рис. 8) горячая вода поступает из слоя Ш в теплообменник - испаритель при помощи насоса D₃ и возвращается снова в свой слой. В парогенераторе Г образуется низкотемпературный пар из низкокипящей органической жидкости, который поступает в турбину В, вращающей электрогенератор Б. После турбины пар направляется в кон­денсатор А ,| куда также идет холодная вода из слоя I.

Рис.8 Электростанция на базе солнечного пруда:

1,2,3 –слои с низкой, средней и высокой концентрацией соли

С-солнце; А- конденсатор, Б- электрогенератор, В – турбина, Г- теплообменник-испаритель(парогенератор,

Д₁, Д₂, Д₃ - насосы

Рис.9 Схема полупроводника с запирающим слоем насоса D₂

Вся схема работает в замкнутом цикле, позволяя мно­гократно использовать низкокипящую жидкость. Эффективность дан­ной системы во многом зависит от перепада температур между слоя­ми I и Ш. Несмотря на то, что данная схема не отличается от обыч­ных теплоэлектрических, однако необходима разработка конструкции турбин, работающих при низких параметрах (давлениях и температу­рах). Поскольку в парогенератор поступает вода п.повышенной засоленностью, необходимы специальные высококоррозийные материалы. Существуют в настоящее время экспериментальные электростанции мощностью до ЗСО кВт, работающие по данному принципу.