Статья: Солнечное излучение и геотермальное тепло – источники энергии для комбинированных систем энергоснабжения

Солнечное излучение и геотермальное тепло - источники энергии для комбинированных систем энергоснабжения

Если экология все сильнее влияет на нашу жизнь (как известно здоровье человека на 20 % зависит от экологии. Это больше, чем от уровня развития медицины), то от гарантированного энергообеспечения, особенно зимой малых поселений, или медицинских учреждениях зависит сама жизнь.

Однако сегодня повсеместно вопросам экологии и гарантированного, доступного по цене, энергообеспечения малых поселений современной энергетикой в России, где задействованы огромные мощности и финансовые средства, не уделяется надлежащего внимания.

Деятельность многочисленных организаций топливно-энергетического комплекса (ТЭК) входит в противоречие с Законом РФ «Об энергосбережении» предписывающего, обеспечение процессов производства, преобразования, транспортирования, хранения, использования, утилизации топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) таким образом, чтобы предотвращалось исчерпание ТЭР с учетом их разведанных запасов, рационализации способов добычи. Закон в своей основе требует снижения потерь первичных ТЭР, использования вторичных ТЭР, альтернативных топлив, и широкое вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых ТЭР.

Эти требования продиктованы тем, что на долю российских предприятий ТЭК приходится 48 % выбросов вредных веществ в атмосферу, до 36 % загрязнений сточных вод и свыше 30 % вредных отходов [1].

В то же время сегодня возможный, пусть даже на отдельных территориальных образованиях (поселениях), переход на энергоснабжение населения и производства от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) не может быть осуществлен по ряду причин. Одной из таких причин является то, что каждое из направлений энергетики ВИЭ стремиться одно решать вопросы энергообеспечения в течение всего года, игнорируя климатические условия территорий. Особенно это касается использования энергии Солнца, ветра, гидроэнергии и геотермального тепла.

Поскольку потенциал ветровой энергии по сезонам -- зимний период - летний период различается не так резко, как поступление солнечного излучения, то ниже рассмотрим только возможность использования солнечного излучения и геотермального тепла как источников энергии комбинированных систем энергоснабжения в России.

Проведем анализ возможностей по обеспечению потребителей дифференцированными видами энергии; летом за счет солнечного излучения, а зимой за счет глубинного тепла Земли.

В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных регионов Земли.

Таблица 1 - Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой атмосферы

Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40 p. Подобный факт является следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня -- 13,5 часов, больше чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает (средняя продолжительность дня в июне в Крыму равняется 15,5 ч, а в Омске 17,2 ч). И хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 p и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.

Следует подчеркнуть, что данные таблицы 1 справедливы лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, приведенные в таблице величины следует уменьшать. Например, для Англии 70 г. XX века, до начала борьбы за охрану окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло лишь 900 кВт•ч/м² вместо 1700 кВт•ч/м². В больших же городах, как правило, величина потока солнечной радиации днем меньше чем за городом, в среднем на 10 - 20 %. А при малых высотах Солнца это различие достигает 50 %.

На инсоляцию влияют также и другие факторы.

Так, например, Западносибирская равнина по сравнению с Восточно-Европейской частью России получает на одних и тех же широтах больше солнечной радиации за счет увеличения прямой её составляющей вследствие меньшей повторяемости циклоидальной погоды, сопровождаемой облачностью.

Конечно, кроме количественного поступления солнечной энергии, на географию ее использования, влияет эффективность применяемого энергогенерирующего оборудования.

Проведенные Д.М. Чудиновым и Т.В. Щукиной [2] технико-экономические расчеты показали, что оборудование солнечного горячего водоснабжения (коллектора) при фиксированной его стоимости и с существующим уровнем эффективности успешно эксплуатируются в зоне, включающей регионы, расположенные вдоль западной и южной границы России и побережья Дальнего Востока, плоть до Магадана. При повышении КПД гелиосистем на 30 % и условии сохранения нормативного срока их окупаемости установки целесообразно применять в центральной части страны, Томской и Иркутской областях и на юге Красноярского края. Дальнейшее возрастание эффективности до 60 % обеспечит расширение области использования солнечного горячего водоснабжения, охватывая более северную зону, а также северные широты (Архангельска и Якутска).

На сегодняшнем этапе из возобновляемых и вторичных ТЭР автором предлагается использовать, солнечную энергию и теплоту неиспользованную в термодинамических циклах для разнообразного бесперебойного энергообеспечения.

Эти технические решения (технологии) призваны стать гарантом локальной экологической и энергетической безопасности, и призваны обеспечить выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода (рисунок 1) [3].

Рисунок 1 - Составные элементы предлагаемой для средней полосы России солнечной энергетики на базе солнечного соляного пруда

Разработанные в КБАЭ «ВоДОмёт» (г. Омск) для малых конечных потребителей энергии (рис. 1) технологии использования возобновляемых и вторичных ТЭР, призваны:

* обеспечить в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;

* обеспечивать удовлетворение физиологических потребностей человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;

* поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объеме за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).

По экологическим показателям, в сравнении с другими энергоисточниками солнечные прудовые установки и системы предпочтительнее, поскольку фактически не имеют никаких выбросов, а слабый нагрев грунта под прудом, при хорошей теплоизоляции, не будет намного превышать сезонных температурных колебаний от солнечной радиации.

Малая энергетика на базе солнечного соляного пруда месте с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрические преобразователи и т.д.) может и должна обеспечить энергией летнюю производственную деятельность малых поселений практически любых территорий средней полосы России.

Конечно, в летний период, когда повышается выработка электрической энергии на ГЭС, необходима координация работы этих производителей энергии.

Примерно так же обстоит дело с использованием геотермальной энергии.

Качество геотермальной энергии как видно из рисунка 2 различных источников отличается на порядок [4].

Рисунок 2 - Распределение мировых запасов геотермальной энергии в зависимости от температуры источников.

Поэтому геотермальные месторождения в России используются в основном на Камчатке и на прилегающих к Северному Кавказу территориях.

Более равномерное, практически повсеместное распределение тепла непосредственно у поверхности земли на доступных глубинах до 200 метров.

Оценка приповерхностных геотермальных ресурсов для Сибири приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Предварительная оценка приповерхностных геотермальных ресурсов Западной Сибири, млн т у.т. (по данным Э.И. Богуславского)

Как видно из таблицы 2 при сопоставительной оценке наиболее благоприятными условиями освоения геотермальной энергии характеризуется южная часть Западной Сибири, однако температура этих ресурсов мала и для их извлечения посредством тепловых насосов требуется высоколиквидная электрическая или механическая энергии, что не всегда экономически выгодно.

Высокие температуры тепла земли и подземных вод наблюдаются в подавляющем большинстве своем на больших глубинах -- 3000 м и более.

Однако высокая стоимость строительства скважин (от 70 до 90 % основных производственных фондов) накладывает свои ограничения на сооружение на базе таких геотермальных месторождений геотермальных тепловых или электрических станций.

Ниже приведены удельные капитальные затраты в геотермальные скважины, руб./м (масштаб цен 1982 года), которые определяются в зависимости от географического района и глубины бурения по формуле [5]

,

где и -- постоянные коэффициенты, зависящие от географического района, принимаемые по таблице 3; -- глубина бурения, км; -- коэффициент, зависящий от скорости бурения (при достигнутой коммерческой скорости , при увеличении скорости в 2 раза ).

Таблица 3 - Значения коэффициентов и

При такой доле стоимости скважин в геотермальных станциях необходимо решить, как минимум, три задачи:

- разработать новые методики выявления высокотемпературных геотермальных месторождений;

- разработать технологические регламенты по существенному увеличению срока эксплуатации скважин не только в годовом исчислении, но и в часах;

- добиться повышения эффективности использования геотермального тепла каждого конкретного геотермального месторождения с использованием местных климатических условий.

Необходимость разработки новых методик выявления высокотемпературных геотермальных пластов связана с тем, что подземные воды вследствие большей, чем у горных пород, теплоемкости, а также значительной подвижности могут существенно изменять структуру геотермальных полей. В частности, это относится к вертикальному движению подземных вод (флюидов). Опуская математическую постановку задачи по определению перераспределения температур в осадочном чехле, граничные условия, саму математическую модель и решение её уравнений, которые приведены в источнике [6] воспроизведем из этой книги только таблицу 4, в которой приведены результаты расчета, изменения облика геотермальных полей больших площадей при вертикальном движении подземных вод.

Таблица 4 - Приращение температур в кровле пласта в зависимости от скорости движения флюида