Мультипроект ОМ • Включайтесь!
2020.07.07 · 17:57 GMT · КУЛЬТУРА · НАУКА · ЭКОНОМИКА · ЭКОЛОГИЯ · ИННОВАТИКА · ЭТИКА · ЭСТЕТИКА · СИМВОЛИКА ·
Поиск : на сайте


ОМПубликацииБюллетень ЭКОКУЛЬТЭкопром • Новации
2013 — Осадчий Г.Б. — Совместное использование солнечной энергии и холода малых водотоков
.
Сетевое издание по вопросам экологической культуры
Бюллетень ЭКОКУЛЬТ
ЭКОПРОМ • НОВАЦИИ


Осадчий
Геннадий Борисович

инженер,
изобретатель


Совместное использование
солнечной энергии и холода малых водотоков


Первоисточником гидроэнергии является солнечная энергия. Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечного излучения, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака. Вода облаков выпадает в виде дождя и снега. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной энергии, таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.
Гидроэлектростанции (ГЭС) могут быть сооружены там, где имеются гидроресурсы и условия для строительства, что часто не совпадает с расположением потребителей электроэнергии. При сооружении ГЭС обычно предполагается решение комплекса задач, а именно: выработки электроэнергии, улучшение условий судоходства и орошения. При наличии водохранилищ ГЭС может быть целесообразно использована для работы в пиковой части суточного графика объединённой энергосистемы с частыми пусками и остановками агрегатов. Это позволяет агрегатам части атомных и тепловых станций работать в экономичном и безопасном режиме, снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт∙ч электроэнергии в энергосистеме.
Однако, при относительной экологической чистоте ГЭС огромные водохранилища представляют большую потенциальную угрозу.
По статистическим данным в большинстве случаев аварии плотин отмечаются в период их строительства или в начале эксплуатации – в течение 5-7 лет после наполнения водохранилища. За это время полностью проявляются дефекты производства работ, устанавливается фильтрационный режим и определяются деформации сооружения. Затем наступает длительный период – около 40-50 лет, когда состояние сооружения стабилизируется, и аварии маловероятны. После этого опасность аварий вновь увеличивается в результате развития анизотропии свойств, старения материалов и пр. Сейчас в России средний износ гидротехнических сооружений, определяемый сроком службы, на самых крупных российских ГЭС мощностью более 2000 МВт составляет 38 %, а по ГЭС мощностью от 300 до 2600 МВт – 45 %.
В зонах риска каждого крупного водохранилища (ёмкостью более 10 млн. м³) расположено более 300 населённых пунктов с населением до 1 млн. человек, а также многочисленные объекты экономики [1].
Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счёт гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешёвых ресурсов, так и с большой территориальной ёмкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии ГЭС не будет превышать 5 %.
Весной через створы существующих ГЭС проходит в среднем 60 % годового стока воды. При этом от 10 до 25 % годового стока воды гидроэлектростанции сбрасывается вхолостую из-за отсутствия регулирующей ёмкости водохранилища. Это в первую очередь касается низконапорных плотин и турбин на реках Среднерусской равнины, так как в течение года и особенно во время весенних паводков заливаются слишком большие площади полезных земель.
Под стать размерам водохранилищ и площади сбора воды для них. Реки питаются водой с огромных площадей (таблица 1).

Таблица 1.

Данные о речном стоке отдельных стран мира
Страна Площадь
территории
,
млн. км²
Суммарный средний
многолетний
объём стока
,
км³/год
Удельная водность
в среднем за год
с 1 км²
,
кВт (л/с)
Россия
Бразилия
США
Канада
Китай
Норвегия
Франция
17,075
  8,510
  9,360
  9,980
  9,900
  0,320
  0,551
4000
5300
2850
1500
2600
  368
  343
  5,4     (7,4)
  8,8   (11,9)
  7,2     (9,8)
17,7   (24,0)
  6,1     (8,3)
26,3   (35,8)
14,5   (19,7)

Как видно из таблицы 1, удельная водность питающих реки водой бассейнов поразительно низкая, в то время как современная «ветровая ферма» в европейских климатических условиях может обеспечить генерацию 12-16 МВт электроэнергии с 1 км² занимаемой площади.
В то же время при относительно низкой удельной водности малые поверхностные водотоки горных районов несут в себе много холода, который можно использовать в паросиловых (термодинамических) циклах для расширения интервала температур теплосилового цикла малых энергоустановок за счёт снижения температуры нижней части цикла.
Как известно, чем южнее расположена та или иная территория, тем летом там жарче и труднее найти в достаточных объёмах холода (холодной воды) для эффективной работы теплосилового цикла гелиоводомёта, гелиоэлектростанции или гелиохолодильника. Исключения, как правило, составляют горные и предгорные области, где малые водотоки (ручьи, ручейки и родники), не представляющие никакого интереса для гидроэнергетики, протекая уносят безвозвратно огромные объёмы холода на равнинные территории.
Этот холод малых водотоков можно использовать, совместно с энергией солнечных соляных прудов, вместо холода котлованов со льдом, которые актуальны для равнинных территорий [2].
Для создания гелиоэнергетики, способной конкурировать с традиционной, также как и для геотермальной энергетики подходит идея нового, «холодного», направления в развитии теплоэнергетики.

«Холодное» направление непосредственно связанно с привлечением научного задела и опыта, накопленного как в энергетике, так и в холодильных производствах, в том числе автором данной статьи [3, 4].
Представлено это направление доктором технических наук В.М.Бродянским в следующем виде: «До последнего времени основным препятствием в сближении низкотемпературной техники и теплоэнергетики было традиционное применение воды в качестве единственно возможного и незаменимого рабочего тела на крупных электростанциях всех типов, как ГЭС, так и ТЭЦ. Достоинство воды в отношении как термодинамическом, так и технико-экономическом хорошо известны.
Увеличение термического КПД паросилового цикла (преобразователя) может быть достигнуто, как известно из термодинамики, при прочих равных условиях только двумя путями.
Первый их них – это повышение температурного уровня подводимого тепла, как в самом паровом цикле, так и посредством подключения «надстроек»: от МГД (магнитодинамических генераторов) до газовых турбин. Газотурбинный вариант оказался практически наиболее приемлемым и позволил поднять термический КПД электростанций примерно до 60 %.
Однако дальше «двигаться вверх» становится все труднее и дороже, тем более что незыблемым законом термодинамики каждый градус повышения температуры даёт всё меньший дополнительный энергетический эффект. В этой ситуации, естественно, представляется целесообразным идти по второму пути повышения КПД – расширить теплосиловой цикл «вниз». Здесь по тем же законам термодинамики «каждый градус всё дороже», но термический КПД цикла растёт при прочих равных условиях в результате его расширения «вниз» гораздо быстрее, чем при движении «вверх» (таблица 2).
Для нашей страны (и ряда других стран северного полушария), где температура окружающей среды в большинстве районов значительную часть года держится ниже 0 °С, такое расширение границ цикла диктуется природными условиями. По климатическим условиям, близким к России: Исландия, Северный Китай, Канада и северная часть США (Аляска).

Таблица 2.

Работа теплосилового (прямого) цикла Карно
при различных температурах источника (Тг) и приёмника (То.с.) тепла
, Дж
Тг, °К То.с., °К
300 290 280 270 260 250 240
1500
1200
1000
  800
  600
0,80
0,75
0,70
0,62
0,50
0,81
0,76
0,71
0,64
0,52
0,81
0,77
0,72
0,65
0,53
0,82
0,78
0,73
0,66
0,55
0,83
0,78
0,74
0,68
0,57
0,83
0,79
0,75
0,69
0,58
0,84
0,80
0,76
0,70
0,60

Из таблицы 2 следует, что во всех случаях – при высоких температурах подвода тепла Тг (1000-1500 °К) и относительно низких (800-600 °К) – отводимая работа при понижении То.с. существенно возрастает. Важно, что наибольший рост наблюдается в циклах с более низким уровнем Тг.
Так, для цикла с Тг = 1500 °К увеличение отводимой работы при То.с. = 240 °К по сравнению с То.с. = 300 °К составляет примерно 5 %, а при То.с. = 250 °К около 4 %.
В цикле с Тг = 1000 °К увеличение работы при том же изменении То.с. существенно больше: примерно 8 и 7 % соответственно.
Самое значительное увеличение термического КПД (около 16 %) соответствует относительно невысокой температуре Тг, равной 600 °К. Этот факт заставляет задуматься над некоторыми практическими возможностями реализации таких циклов в теплоэнергетике.
На рисунке 1 приведены схемы возможных вариантов использования низких температур окружающей среды и температурные интервалы соответствующих циклов.


Рис. 1. Схема вариантов использования низких температур окружающей среды То.с.
в теплосиловом цикле:
а) варианты теплосилового цикла;
б) верхний и нижний рабочие интервалы температур

Всякое расширение интервала температур теплосилового цикла, теоретически ведущее при прочих равных условиях к повышению его термического КПД, связано с необходимостью увеличения отношений давлений испарения и конденсации.
Возможности уникального в этом отношении вещества – воды – в современной теплоэнергетике, практически исчерпаны. Поэтому на верхнем, «горячем», участке цикла часть перепада температур используется уже вне парового цикла, например, в газовой турбине. У современных атомных и геотермальных электростанций (по самой их природе) верхняя температура рабочих циклов ограничена, поэтому никаких других реальных возможностей существенного расширения температурного интервала работы пароводяных циклов у этих электростанций в обозримой перспективе нет.
Что касается нижней части цикла, необходимость в высоком вакууме исключает использование воды как рабочего тела при температурах, даже приближающихся к нулю, не говоря о более низких. Поэтому современная «большая» теплоэнергетика вынуждена пока работать в условиях, диктуемых свойствами воды. Между тем «расширение» интервала температур работы тепловых электростанций остаётся в числе актуальных проблем повышения эффективности теплоэнергетики. И здесь есть только один путь – «вниз». Его предопределяют не только законы термодинамики, но и климатические условия, как России, так и некоторых других стран.
Попытки использовать в теплоэнергетике другие рабочие тела, например, некоторые из применяемых в холодильной технике, рассматривались до последнего времени большинством специалистов-энергетиков как экзотика, хотя изредка и обсуждались в литературе.
Однако тематика обсуждения не выходила за рамки классических температур теплосилового цикла без какого-либо учёта возможности и целесообразности переноса его нижней границы в область, близкую к нулю, и тем более – в область отрицательных температур. Для «водяной» теплоэнергетики это невозможно. Кроме того, возникают проблемы, пугающие кажущейся сложностью, главная из которых состоит (кроме выбора рабочего тела) в непостоянстве (включая сезонность) температуры окружающей среды – воздуха.
Очевидный и основной положительный фактор, определяющий целесообразность создания низкотемпературных паросиловых установок (преобразователей) – отсутствие в системе вакуума: во всех точках системы, в том числе в конденсаторе поддерживается даже при самом «холодном» режиме давление, превышающее атмосферное. Это позволяет существенно уменьшить объёмы и массу оборудования низкотемпературной части установки.
Низкотемпературная теплоэнергетика должна занять законное место в системе энергоснабжения нашей страны, и упускать связанные с ней возможности не следует» [5].
Аналитики Российского национального комитета Мирового энергетического совета также считают, что главным направлением научно-технического прогресса в электроэнергетике, работающей на ВИЭ, на современном этапе станет повышение КПД и снижение себестоимости производства энергии на энергетических установках малой и средней мощности. Повышение КПД это один из действенных инструментов уменьшения вредных выбросов на единицу произведённой энергии.

«Холодное» направление развития теплоэнергетики особенно актуально для индивидуальных малых гелиоустановок на базе солнечного соляного пруда [2, 3, 4], поскольку температурный уровень подводимого тепла к преобразователю энергии не превышает 100 °С.
Для выявления преимуществ охлаждения радиатора преобразователя холодной водой, определим по циклу Ренкина с рабочим телом – бутадиен-1,3 (дивинил) (С4Н6) (температура кипения минус 4,47 °С при давлении 760 мм рт. ст.) по данным [6], КПД преобразователя при охлаждении его радиатора:
а) проточной (перекачиваемой) водой для интервала температур 80-30 °С: при h'1 = 570,32 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 30 °С; h"1 = 950,22 кДж/кг, h"2 =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 30 и 80 °С.

ηв = (h"2 - h"1) / (h"2 - h'1) = 13,0 %

б) льдом для интервала температур 80-10 °С: при h'1 = 524,90 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 10 °С; h"1 = 926,10 кДж/кг, h"2 =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 10 и 80 °С.

ηл = (h"2 - h"1) / (h"2 - h'1) = 16,8 %

Следовательно, КПД преобразователя за счёт охлаждения его радиатора льдом повышается для дивинила в ηл / ηв = 1,29 раза.
В статье [3] приводятся данные предварительных расчётов энергии, вырабатываемой водомётом (преобразователем энергии) за счёт охлаждения его радиатора льдом или талой водой, и сравнение с энергией потока воды, приводящего в действие гидротурбину.
А в статье [4] приведена схема использования холода малых водотоков для солнечной энергоустановки (гелиоэлектростанции).
Понижение нижней границы термодинамического цикла рационально и практикуется для нормальной работы последней ступени цилиндра низкого давления турбины современной тепловой электростанции, установленному заводом-изготовителем (как правило, 0,12 кгс/см², что соответствует температуре насыщенного водяного пара 49,1 °С).

В качестве иллюстрации эффективности нетрадиционных подходов в различных областях энергосбережения приведём следующие примеры.
С низкими температурами связан необычный проект «Ночной ветер» (Night Wind). Он разрабатывается группой исследовательских организаций и университетов из Нидерландов, Дании, Испании и Болгарии. Проект призывает к созданию европейской системы хранения энергии, получаемой от ветроэлектрических установок (ВЭУ), в огромных складах-холодильниках.
Непостоянство ветровой энергии, вкупе с тем простым фактом, что ночью электропотребление заметно падает, а днём растёт, подтолкнули европейских учёных к неожиданной идее: в качестве колоссальных аккумуляторов энергии, способных накапливать «электричество» от ВЭУ и в целом стабилизировать расход энергии в сети, могут выступить гигантские склады-холодильники, расположенные по всему Старому свету.
Идея довольно проста и, главное, никаких особых изменений в существующих системах не требует. Просто ночью, когда потребление электричества падает, а ВЭУ продолжают работать как обычно (не останавливать же лопасти), их мощность должна направляться на то, чтобы понизить на один градус температуру в этих холодильниках. Всего на один градус против обычной нормы.
Таким образом, энергия запасается в виде холода тысяч и тысяч тонн разнообразных продуктов, спокойно лежащих где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днём же, когда потребление электричества растёт, все эти гигантские холодильники можно выключить, позволив температуре постепенно подняться на один градус, т. е. вернуться к практикуемой технологической норме.
Если это будет применено во всех крупных холодильных складах Европы, то по расчётам авторов проекта это эквивалентно появлению в общей энергосети аккумулятора ёмкостью в 50 млн. кВт∙ч!
К неоспоримым плюсам этого проекта относится также то, что при работе ночью холодильных машин у них выше эффективность, т. к. охлаждающий конденсаторы воздух летней ночью имеет более низкую температуру, чем днём на 10-15 °С.
А к низкотемпературной энергетике относится немецкий солнечный водяной насос. Водяной насос Sunpulse Water, работающий от энергии Солнца, создан в немецкой компании Sunvention. Инженеры компании стремились избежать лишний преобразований энергии, чреватых её потерями, а поэтому для привода насоса использовали низкотемпературный двигатель Стирлинга, преобразовывающий тепловую энергию Солнца в механическую энергию движения. Насос включает двухметровый зонтичный солнечный коллектор, передающий тепло цилиндру двигателя Стирлинга. В качестве рабочего тела двигателя служит обычный воздух при атмосферном давлении. Он нагревается Солнцем (температура доходит до 100 °С и выше), а охлаждается – перекачиваемой водой. Колебания поршня с частотой 30-40 раз в минуту передаются поршневому насосу. Для поворота зонтичного коллектора предусмотрено маховое колесо. Насос Sunpulse Water способен поднимать воду из колодца с глубины до 100 м или закачивать её вверх на такую же высоту. Создавая напор 10 м, насос в сутки перекачивает до 80 тыс. литров воды. Если увеличить напор до 50 м, производительность снизится до 15 тыс. литров в сутки. В ходе тестирования перед началом производства насос наработал свыше 1000 ч. [7].
Таким образом, даже такие «бросовые» с традиционной точки зрения энергетические ресурсы, как малые водотоки (речушки и ручейки) горных местностей, могут стать хорошим подспорьем в повышении энергетической эффективности гелиоустановок и систем с термодинамическими циклами.

___________________________
1. Шелестов С.И. Критерии безопасности гидротехнических сооружений // Академия Энергетики. 2010. № 4. – С. 4-8.
2. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). – Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. – 572 с.
3. Осадчий Г.Б. Гелиоводомёт с солнечным соляным прудом // Промышленная энергетика. – 1996. № 9. – С. 46-48.
4. Осадчий Г.Б. Солнечная энергоустановка для горной местности // Промышленная энергетика. – 1998. № 1.
5. Бродянский В.М. Повышение эффективности атомных и геотермальных электростанций посредством использования низких температур окружающей среды // Теплоэнергетика. – 2006.– № 3. – С. 36-41.
6. Ваграфтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей – М.: Наука, 1972. – 720 с.
7. Солнечный насос // Корпоративная газета ОАО «Лукойл» Энерговектор. – 2012. № 2. – С. 13.

© Г.Б.Осадчий, 2013
адрес эл.почты автора: genboosad@mail.ru



Опубликовано:

05.04.2013
Бюллетень ЭКОКУЛЬТ • Рубрика «Идеи и концепции»

Статьи по теме АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА:
• Осадчий Г.Б.
Солнечное излучение и геотермальное тепло – источники энергии для комбинированных систем энергоснабжения
• Осадчий Г.Б.
Солнечная энергия – возобновляемая энергия мирового значения
• Осадчий Г.Б.
Актуальность совместного использования солнечной и ветровой энергии для энергетики малых мощностей

Тематические мероприятия:
• Круглый стол (11 апреля 2013 года)
Экономика знаний. Энергетика


 
 
Автор : Осадчий Геннадий Борисович  —  Каталог : Экопром • Новации
Все материалы, опубликованные на сайте, имеют авторов (создателей). Уверены, что это ясно и понятно всем.
Призываем всех читателей уважать труд авторов и издателей, в том числе создателей веб-страниц: при использовании текстовых, фото, аудио, видео материалов сайта рекомендуется указывать автора(ов) материала и источник информации (мнение и позиция редакции: для порядочных людей добрые отношения важнее, чем так называемое законодательство об интеллектуальной собственности, которое не является гарантией соблюдения моральных норм, но при этом является частью спекулятивной системы хозяйствования в виде нормативной базы её контрольно-разрешительного, фискального, репрессивного инструментария, технологии и механизмов осуществления).
—  tags: гелиоустановка, топливно-энергетические ресурсы, возобновляемые источники энергии, гидроэнергия
OM ОМ ОМ программы
•  Программа TZnak
•  Дискуссионный клуб
архив ЦМК
•  Целевые программы
•  Мероприятия
•  Публикации

сетевые издания
•  Альманах Эссе-клуба ОМ
•  Бюллетень Z.ОМ
мусейон-коллекции
•  Диалоги образов
•  Доктрина бабочки
•  Следы слова
библиособрание
•  Нообиблион

специальные проекты
•  Версэтика
•  Мнемосина
•  Домен-музей А.Кутилова
•  Изборник вольный
•  Знак книги
•  Новаторство

OM
 
 
18+ Материалы сайта могут содержать информацию, не подлежащую просмотру
лицами младше 18 лет и гражданами РФ других категорий (см. примечания).
OM
   НАВЕРХ  UPWARD