Возможности использования грунта в качестве аккумулятора солнечной энергии

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.