Библиографическое описание:

Курбатова С. Н., Курбатов Н. Е. Возможности использования грунта в качестве аккумулятора солнечной энергии // Молодой ученый. — 2009. — №12. — С. 60-63.

В основе пристального внимания специалистов к солнечной энергии лежит озабоченность скорым истощением запасов традиционных видов топлива. Особое внимание уделяется практическому использованию этого вида энергии для горячего водоснабжения и отопления зданий. Современный опыт экспериментальных и промышленных систем солнечного теплоснабжения свидетельствует о том, что подобные установки, несмотря на высокие начальные затраты при наличии аккумуляторов и дополнительных источников энергии, уже сейчас экономически оправдывают себя в благоприятных климатических регионах благодаря экономии топлива.

Установлено, что увеличение производства энергии по сравнению с существующим уровнем с помощью дополнительных ее источников еще не вызовет существенных изменений в климате, но со временем это может привести к опасным необратимым нарушениям установившегося в природе равновесия. Американский физик В. Роуз считает, что это может произойти довольно скоро. Для иллюстрации своей точки зрения он предложил ввести в научный обиход «солнечную единицу», величина которой равна мощности солнечного излучения, падающего на нашу планету. Прибавление одной десятой доли «солнечной единицы» увеличило бы среднюю температуру атмосферы на 10 градусов и вызвало бы глобальную катастрофу: наводнения, связанные с таянием полярных льдов, опустынивание ныне плодородных земель и так далее. Предельно допустимым Роуз считает увеличение энергетического баланса планеты на одну сотую долю «солнечной единицы», которое сулит потепление климата на один градус. Между тем уровень в одну тысячную долю уже был достигнут, например, в США в 70-е годы прошлого века. При существующих темпах научно-технического прогресса выход мировой энергетики за предельно допустимый уровень можно ожидать в ближайшие десятилетия. Из всего этого следует, что на определенном этапе развития земной цивилизации использование солнечной энергии становится неизбежным.

Однако и солнечная энергия не лишена недостатков. Важнейшие из них – низкая плотность, зависимость от погоды, времени суток и времени года, необходимость преобразования ее в какую-либо другую форму, удобную для промышленного и бытового использования. Исходя из этого, встает первоочередной вопрос аккумуляции солнечной энергии. Например, аккумулирование тепла в любой водонагревательной системе позволяет приспособить ее к условиям изменяющегося на протяжении суток спроса на горячую воду. Применение различных средств для накопления энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть и другую трудность, связанную с непостоянством интенсивности солнечной энергии в течение суток. Даже в условиях безоблачного неба установки, предназначенные для отопления зданий, поддерживают температуру теплоносителя на уровне С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, то очевидно, что ее нужно накапливать в течение суток, чтобы затем отбирать при подходящей температуре.

Существующие в настоящее время искусственные аккумуляторы энергии требуют значительных капитальных вложений, дороги в эксплуатации и занимают значительные объемы. Между тем, нас повсеместно окружают естественные аккумулирующие устройства, созданные самой природой, которые человечество с успехом использовало на протяжении всего исторического развития. Да, они не всегда удовлетворяют нашим жестким требованиям. Для работы с ними и получения необходимого эффекта потребуется определенная ломка психологии инженера, который намеревается работать в этом направлении. Эти аккумуляторы энергии спроектированы природой для нее самой и тех, кто подчиняется ее законам. Так как человек внешне стал достаточно самостоятельным, он начинает диктовать свои законы, которые идут вразрез со сложившейся экосистемой. Последствия этого диктата наше поколение начинает раскрывать, и не в силу любознательности, а по поводу большого объема отрицательных воздействий на наш собственный организм. Перед нами стоит вопрос: какое направление выбрать в дальнейшем развитии – либо пойти на компромисс с действием законов природы и отказаться от недавно появившихся стереотипов по потребительскому отношению к ней, либо внедрять новую гармонию искусственной среды. Если достаточно серьезно вдуматься в проблему, то второе направление многим, наверное, покажется абсурдным, а это означает, что мы должны искать новые направления, а скорее переосмыслить старые, для обеспечения  дальнейшего развития.

Возвращаясь к вопросу аккумулирования солнечной энергии достаточно вспомнить, что регионы, климат которых формируется большей частью под воздействием морей, отличаются мягкостью, так как водная среда, обладая высокой теплоёмкостью и подвижностью, способна аккумулировать громадные объемы солнечной энергии и передавать ее на значительные расстояния.

Резко континентальный климат многих регионов страны лишен такой привилегии, но, несмотря на это, здесь также есть мощный аккумулятор – грунтовая среда, которую можно с успехом использовать для удовлетворения энергетических потребностей населения.

Приведенные ниже графики зависимостей среднемесячной температуры воздуха и почвы на различных глубинах по данным Читинской ЦГМС дают основание надеяться на положительные перспективы по данному вопросу (Рис.1). Так, если в сентябре температура воздуха практически уравновешивается с температурой почвы на глубинах до 160см, то уже в ноябре разница составляет порядка 6-С, а в декабре достигает 2С и более. Максимальная разность температур между атмосферным воздухом и грунтом на глубине 320см приходится на январь. Отрицательным  моментом здесь является то, что температура грунта составляет всего +С, что не является достаточным для обогрева жилых помещений. Но при этом нельзя не согласиться с тем, что такая большая разность температур уже представляет определенный интерес.

 

 

Рис.1. Распределение среднемесячной температуры атмосферного воздуха и грунта на различных глубинах в течение 2008-2009г. по данным Читинской ЦГМС

 

Возвращаясь к графикам можно увидеть, что при наступлении летнего периода, который часто характеризуется повышенными температурами атмосферного воздуха, особенно в условиях города, разность меняет знак и составляет в июле 2С, что также с успехом можно использовать для создания комфортных условий, но теперь уже производя охлаждения на поверхности. Создавая искусственный теплообмен между земной поверхностью и грунтовой массой на определенной глубине, одновременно будет происходить обогрев последней, повышая эффективность использования её в качестве теплого тела в осенне-зимний период.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

Распределение зон с максимальной температурой на глубине до 320см в течение года по данным Читинской ЦГМС

 

Глубина, см

80

120

160

240

320

Месяц

IX

-11,4

 

 

 

 

X

 

 

 

7,3

 

XI

 

 

 

 

5,0

XII

 

 

 

 

2,8

I

 

 

 

 

1,2

II

 

 

 

 

0,0

III

 

 

 

 

-1,6

IV

-1,3

 

 

 

 

V

4,2

 

 

 

 

VI

9,7

 

 

 

 

VII

13,8

 

 

 

 

VIII

14,8

 

 

 

 

 

Для определения оптимальной глубины заложения теплообменных устройств необходимо руководствоваться следующими аспектами:

1.                       Объемами необходимого тепла в единицу времени;

2.                       Временем потребления тепла в течение одного сезона;

3.                       Экономическими показателями.

  Как видно из таблицы 1 в сентябре-октябре зона с наивысшей температурой интенсивно перемещается на глубину 2-3 метра – при этом величина последней уменьшается от 11°С до 5°С. При дальнейшем охлаждении атмосферного воздуха до середины января естественно предполагать, что температура грунта на глубинах более 3-х метров будет понижаться до середины апреля. Предварительно можно считать, что оптимальное время потребления подземного тепла при относительно небольших капитальных вложениях находится в интервале ноябрь-январь, при глубине заложения теплообменного устройства 2-3 метра.

Отбор тепла наиболее эффективно производить в течение сезона с максимальной разностью температур в пределах суточного цикла. В этом случае при температуре на поверхности выше, чем в толще грунта, последний необходимо нагревать (обычно это дневное время), а при перемене знака разности – производить отбор тепла. Грунт в естественном залегании самостоятельно производит передачу тепла, но его коэффициент теплопроводности является слишком низким. Так, например, для суглинка и глины при влажности 15-20% в талом состоянии он колеблется в пределах (0,87-1,33)Вт/  (СНиП 2.02.04-88). Если взять коэффициенты теплопроводности металлов, то можно увидеть следующую картину:

Алюминий   -     232 ;

Чугун            -     58    ;                                

Сталь            -     46     ;

Медь            -     370    .

Это означает, что для отбора тепла путем теплопередачи в суточном цикле желательно использовать металлы. В отличие от принудительного конвекционного обмена этот способ передачи не требует затрат энергии и присутствия человека для контроля процесса. Если взять в качестве теплоносителя стержень (например, алюминиевый), хорошо изолированный по боковым поверхностям и открытый по торцам, то для определения количества передаваемого тепла можно использовать закон Фурье:

=- ,

где – удельный тепловой поток;

       - коэффициент теплопроводности материала;

       - дифференциал температуры в направлении передачи тепла;

       - слой проводящего материала, расположенный перпендикулярно оси стержня.

Разделяя переменные, получаем:

.

Произведя интегрирование приходим к зависимости:

.

Если при х=0 (нижний конец стержня) , а при х=l (верхний конец стержня) , то окончательно получаем зависимость прохождения тепла по длине проводящего стержня

,

где l – длина стержня.

Подстановка в последнюю формулу средних цифровых значений показывает, что данный способ отбора тепла можно применять только в условиях низкого его потребления, т.к. в противном случае потребуется большое количество проводящих элементов. Тем не менее, задача использования низкопотенциальной энергии земли остается актуальной в условиях надвигающегося энергетического кризиса. Воплощение же может быть самым разнообразным – все зависит от конкретных условий, поставленных потребителем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные термины: солнечной энергии, аккумуляторы энергии, аккумулятора солнечной энергии, аккумуляции солнечной энергии, интенсивности солнечной энергии, использование солнечной энергии, объемы солнечной энергии, использования солнечной энергии, аккумулирования солнечной энергии, дополнительных источников энергии, увеличение производства энергии, разность температур, искусственные аккумуляторы энергии, отбора тепла, использования низкопотенциальной энергии, температура грунта, вида энергии, накопления энергии, получения энергии, течение суток

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle