Совместное использование солнечной энергии и холода малых водотоков

Известно, что 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 гидроэлектростанции 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 объединенной энергосистемы с частыми пусками и остановками агрегатов. Это позволяет агрегатам части атомных и тепловых станций работать в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко 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 начальные период 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 по сроку 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 (емкостью более 10 млн м³) расположено более 300 населенных пунктов с населением до 1 млн человек, а также многочисленные объекты экономики. [1]
Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью 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 емкости водохранилища. Это, в первую очередь, касается низконапорных плотин и турбин на реках Среднерусской равнины, в результате чего 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

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 счет снижения температуры нижней части цикла.

Как известно, чем южнее расположена та или иная территория, тем летом там жарче и труднее найти в достаточных объемах холод (холодную воду) для эффективной работы теплосилового цикла гелиоводотема, 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 огромное объемы 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, так же, 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 д.т.н. Бродянским В.М. 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 КЭС, 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 дает все 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 все дороже», но термический КПД цикла растет 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 намного ниже 0 ⁰С, 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, Дж, при различных температурах источника (Т_г) и приемника (Т_о.с.) тепла

Из таблицы 2 следует, что во всех случаях — при высоких температурах подвода тепла Т_г (1000 – 1500 ⁰К) и относительно низких (800 – 600 ⁰К) — отводимая работа при понижении Т_о.с. существенно возрастает. Важно, что наибольший рост наблюдается в циклах с более низким уровнем Т_г. Так, для цикла с Т_г = 1500 ⁰К увеличение отводимой работы при Т_о.с. = 240 ⁰К по сравнению с Т_о.с. = 300 ⁰К составляет примерно 5%, а при Т_о.с. = 250 ⁰К около 4 %; в цикле с Т_г = 1000 ⁰К увеличение работы при том же изменении Т_о.с. существенно больше: примерно 8 и 7% соответственно.

Самое значительное увеличение термического КПД (около 16%) соответствует относительно невысокой температуре Т_г, равной 600 ⁰К. 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.

Рисунок 1 – Схема вариантов использования низких температур окружающей среды Т_о.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, как известно, 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 остается 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 учета 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 позволит существенно уменьшить объемы 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, кроме того, один из действенных инструментов уменьшения вредных выбросов на единицу произведенной 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 ⁰С.

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 ⁰С при давлении 760 мм рт. ст.) по данным [6], КПД преобразователя при охлаждении его радиатора:

а) проточной (перекачиваемой) водой для интервала температур 80 – 30 ⁰С: при h'₁ = 570,32 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 30 ⁰С; h"₁ = 950,22 кДж/кг, h"₂ =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 30 и 80 ⁰С.
η_в = (h"₂ - h"₁)/(h"₂ - h'₁) = 13,0 %;

б) льдом для интервала температур 80 – 10 ⁰С: при h'₁ = 524,90 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 10 ⁰С; h"₁ = 926,10 кДж/кг, h"₂ =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 10 и 80 ⁰С.
η_л = (h"₂ - h"₁)/(h"₂ - h'₁) = 16,8 %.

Следовательно, КПД преобразователя за счет охлаждения его радиатора льдом повышается для дивинила в η_л/η_в = 1,29 раза.

В статье [3] приводятся данные предварительных расчетов энергии, вырабатываемой водометом (преобразователем энергии) за счет охлаждения его радиатора льдом/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).

Приведенное 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 ⁰С)

В завершении, в качестве иллюстрации эффективности нетрадиционных подходов в различных областях энергосбережения приведем следующий пример.

С низкими температурами связан также необычный проект «Ночной ветер» (NightWind). 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 днем растет, подтолкнули европейских ученых 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. Днем же, когда потребление электричества растет, 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 расчетам авторов проекта, это эквивалентно появлению в общей энергосети аккумулятора емкостью 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 днем на 10 – 15 ⁰С.

Таким образом, даже такие «бросовые» с традиционной точки зрения энергетические ресурсы, так малые водотоки (речушки и ручейки) горных местностей могут стать хорошим подспорьем в повышении энергетической эффективности гелиоустановок и систем с термодинамическими циклами.

Список литературы
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.
 

Автор: Осадчий Геннадий Борисович
инженер, автор 140 изобретений СССР
Тел. дом. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819
E-mail: genboosad@mail.ru
Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв. 17