7.1. Солнечный пруд

Солнечный пруд – водоем, поглощающий и аккумулирующий тепло солнечной радиации круглый год. Таким образом, он служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Требуемый размер зависит от:

1. климата;

2. типа здания;

3. конструкции системы.

Схема солнечного пруда и график изменения температуры по его глубине даны на рис. 7.12.

а б

Рисунок 7.12 Схема солнечного пруда (а) и изменение температуры (б) жидкости по высоте пруда:

1 – пресная вода; 2 – изолирующий слой с увеличивающейся книзу концентрацией; 3 – слой горячего раствора; 4 – теплообменник

В солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 °С. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90...100 °С, в то время, как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 °С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.

Обычно глубина пруда составляет 1...3 м. На 1 м² площади пруда требуется 500...1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Вышеописанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на 3 зоны, концентрация соли в которых возрастает от поверхности к дну. Верхний тонкий слой (10...20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, а второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

При сопоставлении с проточными коллекторами стоимость систем с плавающими коллекторами и солнечных прудов оказывается в 2 раза ниже.

Плавающий коллектор. Разработан плавающий коллектор, который позволяет использовать даже естественные водоемы в качестве приемника солнечной энергии.

Рисунок 7.13 Схема плавающего коллектора:

1 – вода в водоеме; 2 – плавающий каркас; 3 – труба с щелевым пазом для отсоса нагретой воды; 4 – радиатор; 5 – трубопровод горячей воды

Конструкция включает в себя плавающую раму, на которой на глубине 5...6 см от зеркала воды имеется непрозрачная лучевоспринимающая поверхность - радиатор. Солнечные лучи, проходя через верхний слой воды над радиатором, попадают на него и, трансформируясь в тепловую энергию, нагревают этот верхний слой. Подогретая вода через щелевой слив отводится в систему теплоиспользования. Поскольку подогревается только верхний слой воды, который становится легче основной массы, не происходит конвективного перемешивания. В данном варианте нижележащие слои воды являются теплоизолятором.

Плавающий коллектор может быть без остекления, как это делается у простейших проточных коллекторов, но при этом повышенное испарение подогретой воды снижает его эффективность. Данные об эффективности плавающих коллекторов – 87,9 %, восприятии полезной энергии – 721 кВт·ч/м² при среднегодовом потоке 866 кВт·ч/м² – возможно и завышены, но тем не менее, простота конструкции и эксплуатации свидетельствуют о перспективности этого устройства.

При данном варианте коллектора требуется тщательный отбор подогретой воды из тонкого ее слоя, исключающий смешивание подогретой воды с основной ее массой. Но, с другой стороны, на работу такого коллектора не влияют прозрачность воды, глубина бассейна. Именно поэтому он и предложен в сочетании с естественными водоемами. В качестве плавающего каркаса могут применяться достаточно дешевые деревянные конструкции.

При сопоставлении с проточными коллекторами стоимость систем с плавающими коллекторами и солнечных прудов оказывается в 2 раза ниже.