Спільне використання сонячної енергії і холоду малих водотоків

Відомо, що першоджерелом гідроенергії є сонячна енергія. Вода океанів і морів, випаровуючись під дією сонячного випромінювання, конденсується у високих шарах атмосфери у вигляді крапельок, які збираються хмари. Вода хмар випадає у вигляді дощу і снігу. Кругообіг води в природі відбувається під впливом сонячної енергії, таким чином, кінетична енергія рухомої води в річках є, образно кажучи, звільнена енергія Сонця.

Гідроелектростанції (ГЕС) можуть бути споруджені там, де є гідроресурси та умови для будівництва, що часто не збігається з розташуванням споживачів електроенергії. При спорудженні гідроелектростанції зазвичай передбачається вирішення комплексу завдань, а саме: вироблення електроенергії, поліпшення умов судноплавства, зрошення. При наявності водосховищ ГЕС може бути доцільно використаний для роботи в піковій частині добового графіка об’єднаної енергосистеми з частими пусками і зупинками агрегатів. Це дозволяє агрегатів частини атомних і теплових станцій працювати в найбільш економічному та безпечному режимі, різко знижуючи при цьому питома витрата палива на виробництво 1 кВт∙год електроенергії в енергосистемі.

Однак, при відносній екологічній чистоті ГЕС величезні водосховища становлять велику потенційну загрозу.

За статистичними даними, у більшості випадків аварії гребель відзначаються в період їх будівництва або в початкові період експлуатації — протягом 5 – 7 років після наповнення водосховища. За цей час повністю виявляються дефекти виробництва робіт, встановлюється фільтраційний режим, і визначаються деформації споруди. Потім настає тривалий період — близько 40 – 50 років, коли стан споруди стабілізується і аварії малоймовірні. Після цього небезпека аварій знову збільшується в результаті розвитку анізотропії властивостей, старіння матеріалів та ін. Зараз у Росії середній знос гідротехнічних споруд, що визначається по терміну служби, на найбільших російських ГЕС потужністю 2000 МВт становить 38 %, а по ГЕС потужністю від 300 до 2600 МВт — 45 %.

У зонах ризику кожного великого водосховища (ємністю понад 10 млн м3) розташовано більше 300 населених пунктів з населенням до 1 млн осіб, а також численні об’єкти економіки [1]

Незважаючи на відносну дешевизну енергії, одержуваної за рахунок гідроресурсів, частка їх в енергетичному балансі поступово зменшується. Це пов’язано як з вичерпанням найбільш дешевих ресурсів, так і з великою територіальною ємністю рівнинних водосховищ. Вважається, що в перспективі світове виробництво енергії на ГЕС не буде перевищувати 5 %.

Навесні через створи існуючих ГЕС проходить в середньому 60 % річного стоку води. При цьому від 10 до 25 % річного стоку води гідроелектростанції скидається вхолосту через відсутність регулюючої ємності водосховища. Це, в першу чергу стосується низьконапірних гребель і турбін на річках Середньоросійської рівнини, в результаті чого протягом року і, особливо під час весняних паводків заливаються занадто великі площі корисних земель.

Під стати розмірами водосховищ і площі збирання води для них. Річки живляться водою з величезних площ.

Питома водність живлять річки водою басейнів разюче низька, в той час як сучасна «вітрова ферма» в європейських кліматичних умовах може забезпечити генерацію 12 – 16 МВт електроенергії з 1 км2 площі.

У той же час при відносно низькою питомою водності малі поверхневі водотоки гірських районів несуть у собі багато холоду, який можна використовувати в паросилових (термодинамічних) циклах для розширення інтервалу температур теплосилового циклу малих енергоустановок, за рахунок зниження температури нижньої частини циклу.

Як відомо, чим південніше розташована та чи інша територія, тим влітку там жарко і важче знайти в достатніх обсягах холоду (холодної води) для ефективної роботи теплосилового циклу гелиоводотема, геліоелектростанції або гелиохолодильника. Виняток, як правило, складають гірські та передгірські області, де малі водотоки (річки, струмки та джерела), не представляють ніякого інтересу для гідроенергетики, протікаючи, безповоротно забирають величезна обсяги холоду на рівнинні території.

Цей холод малих водотоків можна використовувати спільно з енергією сонячних соляних ставком, замість холоду котлованів з льодом, які актуальні для рівнинних територій [2].

Для створення геліоенергетики, здатної конкурувати з традиційною також як і для геотермальної енергетики підходить ідея нового, «холодного», напрямки розвитку теплоенергетики.

«Холодне» напрям безпосередньо пов’язаний із залученням наукового доробку та досвіду, нагромадженого як в енергетиці, так і в холодильних виробництвах, в тому числі автором цієї статті [3, 4].

Представлено цей напрямок д. т. н. Бродянским В. М. в наступному вигляді: «До останнього часу основною перешкодою у зближенні низькотемпературної техніки і теплоенергетики було традиційне застосування води в якості єдино можливого і незамінного робочого тіла на великих електростанціях всіх типів, як КЕС, так і ТЕЦ. Перевага води як термодинамічній, так і техніко-економічному добре відомі.

Збільшення термічного ККД паросилового циклу (перетворювача) може бути досягнуто, як відомо з термодинаміки, при інших рівних умовах тільки двома шляхами. Перший з них — це підвищення температурного рівня підведеного тепла, як у паровому циклі, так і за допомогою підключення «надбудов»: від МГД (магнитодинамических генераторів) до газових турбін. Газотурбінний варіант виявився практично найбільш прийнятним і дозволив підняти термічний ККД електростанцій приблизно до 60 %.

Однак далі «рухатися вгору» стає все важче і дорожче, тим більше що непорушним законом термодинаміки кожен градус підвищення температури дає все менший додатковий енергетичний ефект. У цій ситуації, звичайно, представляється доцільним йти другим шляхом підвищення ККД — розширити теплосилової цикл «вниз». Тут по тим же законам термодинаміки «кожен градус все дорожче», але термічний ККД циклу зростає при інших рівних умовах в результаті його розширення «вниз» набагато швидше, ніж при русі вгору.

Для нашої країни (та ряду інших країн північної півкулі), де температура навколишнього середовища в більшості районів значну частину року тримається набагато нижче 0 ⁰ С, таке розширення меж циклу диктується природними умовами. За кліматичними умовами близьким до Росії: Ісландія, Північний Китай, Канада і північна частина США (Аляска).

про всіх випадках — при високих температурах підведення тепла Тг (1000 – 1500 ⁰К) і відносно низьких (800 – 600 ⁰К) — відводиться робота при зниженні.с. істотно зростає. Важливо, що найбільше зростання спостерігається в циклах з більш низьким рівнем Тг. Так, для циклу з Тг = 1500 ⁰К збільшення відводиться роботи при То.с. = 240 ⁰К порівняно з То.с. = 300 ⁰К становить приблизно 5 %, а при То.с. = 250 ⁰К близько 4 %; у циклі з Тг = 1000 ⁰К збільшення роботи за зміну.с. істотно більше: приблизно 8 і 7 % відповідно Найзначніше збільшення термічного ККД (близько 16 %) відповідає відносно невисокій температурі Тг, що дорівнює 600 ⁰К. Цей факт змушує замислитися над деякими практичними можливостями реалізації таких циклів в теплоенергетиці.

Можливості унікального в цьому відношенні речовини — води — в сучасній теплоенергетиці, практично вичерпані. Тому на верхньому, «гарячому», ділянці циклу частину перепаду температур використовується вже поза парового циклу, наприклад, у газовій турбіні. У сучасних атомних і геотермальних електростанцій (за самою їх природою) верхня температура робочих циклів обмежена, тому жодних інших реальних можливостей істотного розширення температурного інтервалу роботи пароводяних циклів у цих електростанцій в найближчій перспективі немає. Що стосується нижньої частини циклу, необхідність у високому вакуумі виключає використання води як робочого тіла при температурах навіть наближаються до нуля, не кажучи про більш низькі. Тому сучасна «велика» теплоенергетика змушена поки що працювати в умовах, що диктуються властивостями води. Між тим розширення інтервалу температур роботи теплових електростанцій залишається в числі актуальних проблем підвищення ефективності теплоенергетики. І тут є тільки один шлях — «вниз». Його зумовлюють не тільки закони термодинаміки, але і кліматичні умови, як у Росії, так і деяких інших країн.

Спроби використовувати в теплоенергетиці інші робочі тіла, наприклад, деякі із застосовуваних у холодильній техніці, розглядалися до останнього часу більшістю фахівців-енергетиків як екзотика, хоча зрідка і обговорювалися в літературі.

Проте тематика обговорення не виходила за рамки класичних температур теплосилового циклу, без будь-якого врахування можливості і доцільності перенесення його нижньої межі в область, близьку до нуля і, тим більше — в область від’ємних температур. Для «водяний» теплоенергетики це неможливо. Крім того, виникають проблеми, лякаючі удаваній складності, головна з яких полягає (крім вибору робочого тіла) в непостійності (включаючи сезонність) температури навколишнього середовища — повітря.

Очевидний і основний позитивний фактор, що визначає доцільність створення низькотемпературних паросилових установок (перетворювачів) — відсутність у системі вакууму: у всіх точках системи, в тому числі в конденсаторі, підтримується навіть при самому «холодному» режимі тиск, що перевищує атмосферний. Це дозволить суттєво зменшити обсяги і масу устаткування низькотемпературної частини установки.

Низькотемпературна теплоенергетика повинна зайняти законне місце в системі енергопостачання нашої країни, і упускати пов’язані з нею можливості не слід» [5].

«Холодне» напрямок розвитку теплоенергетики особливо актуально для індивідуальних малих геліоустановок на базі сонячного соляного ставка [2, 3, 4], оскільки температурний рівень підведеного тепла до перетворювача енергії не перевищує 100 ⁰С.

Для виявлення переваг охолодження радіатора перетворювача холодною водою, визначимо по циклу Ренкіна з робочим тілом — бутадієн-1,3 (дивініл) (С4Н6) (температура кипіння мінус 4,47 ⁰ С при тиску 760 мм рт. ст.) за даними [6], ККД перетворювача при охолодженні його радіатора:

а) проточною (середовища) водою для інтервалу температур 80 – 30 ⁰С: при h’1 = 570,32 кДж/кг – ентальпія рідкого дивінілу при 30 ⁰ С; h 1 = 950,22 кДж/кг, h 2 =1007,1 кДж/кг – ентальпія пара дивінілу відповідно при 30 і 80 ⁰С. пв = (h 2 – h 1)/(h 2 – h’1) = 13,0 %;

б) льодом для інтервалу температур 80 – 10 ⁰С: при h’1 = 524,90 кДж/кг – ентальпія рідкого дивінілу при 10 ⁰ С; h 1 = 926,10 кДж/кг, h 2 =1007,1 кДж/кг – ентальпія пара дивінілу відповідно за 10 і 80 ⁰С. пл = (h 2 – h 1)/(h 2 – h’1) = 16,8 %.

Отже, ККД перетворювача за рахунок його охолодження радіатора льодом підвищується для дивінілу в пл/пв = 1,29 рази.

У статті [3] наводяться дані попередніх розрахунків енергії, що виробляється водометом (перетворювачем енергії) за рахунок його охолодження радіатора льодом/талою водою, і порівняння з енергією потоку води приводить у дію гідротурбіну.

А в статті [4] наведена схема використання холоду малих водотоків для сонячної енергоустановки (геліоелектростанції).

Наведене пониження нижньої межі термодинамічного циклу раціонально і практикується для нормальної роботи останньої ступені циліндра низького тиску турбіни сучасної теплової електростанції, встановленого заводом-виробником (як правило 0,12 кгс/см2, що відповідає температурі насиченої водяної пари 49,1 ⁰ С)

На завершення, в якості ілюстрації ефективності нетрадиційних підходів у різних сферах енергозбереження наведемо наступний приклад. З низькими температурами пов’язаний також незвичайний проект «Нічний вітер» (Night Wind). Він розробляється групою дослідних організацій і університетів з Нідерландів, Данії, Іспанії та Болгарії. Проект закликає до створення європейської системи зберігання енергії, одержуваної від вітроелектричних установок (ВЕУ), у величезних складах-холодильниках.

Непостійність вітрової енергії, разом з тим простим фактом, що вночі електроспоживання помітно падає, а днем зростає, підштовхнули європейських учених до несподіваної ідеї: як колосальних акумуляторів енергії, здатних накопичувати електрику» від ВЕУ і в цілому стабілізувати витрата енергії в мережі, можуть виступити гігантські склади-холодильники, розташовані по всьому Старому світу.

Ідея досить проста і, головне, ніяких особливих змін в існуючих системах не вимагає. Просто вночі, коли споживання електрики падає, а ВЕУ продовжують працювати, як звичайно (не зупиняти ж лопаті), їх потужність повинна спрямовуватися на те, щоб знизити температуру на один градус у цих холодильниках. Всього на один градус проти звичайної норми.

Таким чином, енергія запасається у вигляді холоду тисяч і тисяч тонн різноманітних продуктів, спокійно лежать десь у Данії, Голландії чи Франції. Вдень же, коли споживання електроенергії зростає, всі ці гігантські холодильники можна вимкнути, дозволивши температурі поступово піднятися на один градус, тобто повернутися до практикованої технологічної нормі.

Якщо це буде застосовано у всіх великих холодильних складах Європи, то, за розрахунками авторів проекту, це еквівалентно появі загальної енергомережі акумулятора ємністю 50 млн кВт∙год!

До незаперечних плюсів цього проекту відноситься також те, що при роботі вночі холодильних машин у них вище ефективність, т. к. охолоджує конденсатори повітря літньої ночі має більш низьку температуру, ніж вдень на 10 – 15 ⁰С. Таким чином, навіть такі «смішні» з традиційної точки зору енергетичні ресурси, так малі водотоки (річки та струмки) гірських місцевостей можуть стати гарною підмогою у підвищенні енергетичної ефективності геліоустановок і систем з термодинамічними циклами.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1 Шелестов С. В. КРИТЕРІЇ БЕЗПЕКИ гідротехнічних споруд // Академія Енергетики. 2010. № 4. С. 4 – 8.
2 Осадчий Р. Б. Сонячна енергія, її похідні та технології їх використання (Впровадження в енергетику ВДЕ). Омськ: ІПК Макшеевой Е. А., 2010. 572 с.
3 Осадчий Р. Б. Гелиоводомет з сонячним соляним ставком // Промислова енергетика. 1996. № 9. С. 46-48.
4 Осадчий Р. Б. Сонячна енергоустановка для гірської місцевості // Промислова енергетика. 1998. № 1.
5 Бродянский В. М. Підвищення ефективності атомних і геотермальних електростанцій допомогою використання низьких температур навколишнього середовища// Теплоенергетика.– 2006.– № 3.– С. 36 – 41.
6 Ваграфтик Н.Б. Довідник по теплофізичних властивостях газів і рідин. М: Наука, 1972. 720 с.