Принципиальные схемы производства тепловой энергии за счет солнечной энергии и энергии геотермальных вод
Известны два основных направления преобразования энергии излучения Солнца в тепловую энергию: с предварительной концентрацией солнечной энергии на поверхности гелиоприемника и без нее. Гелиоприемник или гелиотеплогенератор—устройство для преобразования энергии излучения Солнца в тепловую. В случае предварительного концентрирования энергии излучения в гелиоприемнике получают высокую температуру тепловоспринимающей поверхности (до 5000°С); если такой концентрации энергии не проводится, то температура рабочей поверхности гелиоприемника не превышает 200°С.
Схема с концентраторами используется для систем производства электрической энергии и тепловой энергии высокого энергетического потенциала, а схемы без концентраторов — для выработки низкопотенциальной тепловой энергии. Рабочим телом — теплоносителем — в гелиоприемнике могут быть вода, воздух, органические низкокипящие жидкости. Важным условием применения рассматриваемых схем с гелиоприемниками является необходимость обеспечить бесперебойную работу системы независимо от временных и погодных условий. Эта независимость обеспечивается введением в схему емкостей, аккумулирующих тепловую энергию нагретого теплоносителя воды или воздуха во время работы гелиоприемника и отдающих теплоту теплоносителю во время отключения гелиоприемника, в результате чего гасится влияние колебаний мощности светового потока, являющегося источником энергии, во времени.
Для отопления и горячего водоснабжения наибольшее распространение получили схемы преобразования солнечной энергии в низкопотендиальную тепловую энергию. При воздушном солнечном отоплении здания (рис. 2.5) холодный воздух забирается из окружающей среды и вентилятором подается в гелиоприемник (гелиотеплогенератор) 1, где он нагревается и через блок управления 2 вводится либо в помещение здания, либо в тепловой аккумулятор 3, расположенный, как правило, под зданием. Предусмотрены возможность рециркуляции охлажденного воздуха и ввод холодного воздуха в тепловой аккумулятор в то время, когда гелиоприемник не работает, например ночью. Тепловым аккумулятором воздушного отопления может служить любой твердый наполнитель достаточной крупности с высокой удельной теплоемкостью, например, каменная галька, а также вещества, легко переходящие из твердого состояния в жидкое при температурах воздуха жилых помещений.
Схема водяного теплоснабжения здания (рис. 2.6) построена по аналогичному принципу. Наиболее совершенной является двухконтурная схема теплоснабжения, в которой теплоноситель — вода первого контура — насосами 4 подается в гелиоприемник (гелиотеплогенератор) 1, оттуда направляется в теплообменник 10 водяного бака-аккумулятора, где охлаждается и возвращается в гелиоприемник. В системе отопления вода насосом 4 подается во второй водяной теплоприемник 11 бака-аккумулятора и оттуда в отопительные радиаторы 2; из радиаторов вода насосом 4 возвращается в теплообменник И или в промежуточный водяной бак 5. Схема движения воды в контуре горячего водоснабжения аналогична. Для поддержания расчетных тепловых условий системы возможно размещение электрических тепловых насосов 8, включаемых в сеть при понижении температуры в баке-аккумуляторе 7 ниже предельной и использующих бак-аккумулятор как низкопотенциальный источник тепловой энергии. Установки позволяют обеспечить здание тепловой энергией в количестве 66 ГДж/год при площади гелиоприемника 22 м2.
Если в гелиоприемнике необходимо получить температуру теплоносителя выше 200 °С, то для концентрации солнечной энергии на его приемной поверхности используют систему гелиостатов — параболических зеркал, имеющих механизм автоматического поворота для непрерывного отражения солнечной энергии на поверхность гелиоприемника. В этом случае обычно гелиоприемник располагают на башне высотой до 100 м, а гелиостаты— вокруг нее (рис. 2.7). Для солнечной тепловой станции мощностью 1 МВт (тепл.) в средней полосе европейской части СССР для размещения гелиостатов требуется не менее 20—25 га площади поверхности земли.
Установки, использующие энергию геотермальных вод для производства тепловой энергии, более компактны, чем гелиоустановки. При температурах геотермальных вод до 100—150 °С и слабой их минерализации возможно прямое использование геотермальных вод в системе теплоснабжения. При более высоких температурах и Делениях применяется двухконтурная схема (рис. 2. в 8, а), в которой геотермальная вода часто в виде пара под давлением до 20 МПа при температуре до 200 °С подается в сетевой теплообменник 2, где охлаждается и затем сбрасывается, как правило, в подземные естественные пустоты — хранилища.
В случае очень большой минерализации геотермальной воды и насыщении ее другими вредными веществами используется схема с промежуточной очисткой пара (рис. 2.8, б).. В этой схеме водяной пар или горячая вода под давлением из скважины 1 направляются в теплообменник парогенератора 4, где конденсируются; образовавшаяся вода поступает в сепаратор 5, где из нее выделяются вредные соединения; далее очищенная вода насосом 6 вводится в испарительную зону парогенератора 4, где испаряется. Образовавшийся в результате испарения воды пар с температурой 120—150 °С направляется в сетевой теплообменник 2, где передает теплоту сетевой воде, направляемой к потребителю. Возможны также схемы, использующие термальную энергию Земли в результате нагрева воды или воздуха, закачиваемых в ее недра, до высокой температуры с последующим их извлечением для использования.
