Соляной пруд. Солнечный коллектор и тепловой аккумулятор одновременно

На Земле 2 основных источника энергии, доступных пока человеку – излучение Солнца и тепло от Земли. В последнее время много разговоров о возможности использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей в электричестве и тепле. Детальное обследование территории России показали, что более 60 % территории России, включая многие северные районы, характеризуются существенными среднегодовым поступлением солнечной энергии 3,5 – 4,5 кВт∙ч/м2 день. Наиболее «солнечные» районы Дальнего Востока, Якутии, Прибайкалья и Алтай, Северного Кавказа. В целом технический (доступный технологически) потенциал использования солнечной энергии вдвое превышает общее энергопотребление страны. Способов трансформации энергии солнечной радиации в необходимые виды энергии довольно много. Один из них так называемый «Соляной пруд».

Солнечный соляной пруд — это неглубокий (2 – 4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней его части. В качестве рассола, например, используется с насыщенный раствор, состоящий из 95 % хлорида магния и 5 % хлорида кальция. Во избежание растекания жидкости обеспечивается гидроизоляция бассейна. Для сокращения тепловых потерь через грунт рекомендуется обеспечивать теплоизоляцию дна и стенок бассейна.

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 поглощенная часть излучения, прошедшего сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от 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. Физические свойства промежуточного «градиентного» слоя с резким изменением плотности сродни составляет примерно 1,7 м2∙⁰С∙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 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 так же свойство соляного пруда запасать энергию не только от солнечных лучей, но и от рассеянного излучения от облаков.

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

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. Коротковолновая солнечная радиация поэтому 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 составляет 250000 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. В то же время, благодаря климатическим условиям, в энергетической установке можно накапливать не только тепло, но и холод, который в свою очередь можно использовать для 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 градусовС;
• Для отопления при подогреве теплоносителя или поступающего в помещение воздуха с температурой теплоноститея от 45 до 95 градусовС;
• 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% готовностью воспользоваться ею в любое время.

1 – солнечное излучение, 2– концентратор солнечного излучения, 3 – солнечный соляной пруд, 4 – парная, 5 – банное отделение, 6 – комната отдыха


Имеются соответствующие проекты и примеры исполнения.