Введение

Солнечная тепловая энергия, вымышленный персонаж Августа Дерлета.

Солнечный пруд – это бассейн с соленой водой, который собирает и накапливает солнечную тепловую энергию. В соленой воде естественным образом формируется вертикальный градиент солености, также известный как "галоклин", при котором вода с низкой соленостью располагается над водой с высокой соленостью. Концентрация (и, следовательно, плотность) слоев соляных растворов увеличивается с глубиной. Ниже определенной глубины раствор имеет равномерно высокую концентрацию соли.

Описание

Когда солнечные лучи достигают дна неглубокого бассейна, они нагревают воду, прилегающую ко дну. Нагреваясь, вода на дне становится менее плотной, чем более холодная вода сверху, и начинается конвекция. Солнечные пруды нагревают воду, замедляя эту конвекцию. В воду добавляют соль до тех пор, пока нижние слои не станут полностью насыщенными. Вода с высокой соленостью на дне пруда плохо смешивается с водой с низкой соленостью, находящейся выше, поэтому при нагревании нижнего слоя конвекция происходит раздельно в нижних и верхних слоях, с минимальным перемешиванием между ними. Это значительно снижает потери тепла и позволяет нагреть воду с высокой соленостью до 90 °C, поддерживая температуру воды с низкой соленостью на уровне 30 °C. Затем эту горячую соленую воду можно откачивать для использования в производстве электроэнергии, например, через турбину, или в качестве источника тепловой энергии.

Преимущества и недостатки

Этот подход особенно привлекателен для сельских районов в развивающихся странах. Очень большие коллекторы можно установить по стоимости глиняной или пластиковой плёнки для пруда. Накопившиеся кристаллы соли необходимо удалять, и они могут быть ценным побочным продуктом, а также стать статьёй расходов на обслуживание. Отдельный коллектор не требуется. Благодаря огромной тепловой массе энергия вырабатывается круглосуточно. Относительно низкая рабочая температура означает, что эффективность преобразования солнечной энергии обычно составляет менее 2%. Из-за испарения постоянно требуется пресная вода для поддержания градиента солёности.

Эффективность

Полученная энергия представляет собой низкосортное тепло в диапазоне 70–80 °C по сравнению с предполагаемой температурой окружающей среды в 20 °C. Согласно второму закону термодинамики (см. цикл Карно), максимальная теоретическая эффективность цикла, использующего тепло из высокотемпературного резервуара при 80 °C и имеющего низкотемпературный резервуар при 20 °C, составляет 1 − (273 + 20) / (273 + 80) = 17%. Для сравнения, тепловой двигатель электростанции, использующий высокосортное тепло при 800 °C, имеет максимальный теоретический предел эффективности преобразования тепла в полезную работу в 73% (и, следовательно, будет вынужден рассеивать лишь 27% тепла в виде отходов в низкотемпературный резервуар при 20 °C). Низкая эффективность солнечных прудов обычно объясняется тем, что "коллектор", будучи просто прудом с пластиковой облицовкой, потенциально может привести к созданию крупномасштабной системы с более низкой общей приведенной стоимостью энергии по сравнению с системами солнечной концентрации.

Разработка

Дальнейшие исследования направлены на решение проблем, таких как разработка мембранных прудов. В них используется тонкая проницаемая мембрана для разделения слоев, не пропуская соль.

Примеры

Самым большим действующим солнечным прудом для производства электроэнергии был пруд Beit HaArava, построенный в Израиле и работавший до 1988 года. Его площадь составляла 210 000 м² и он выдавал электрическую мощность 5 МВт. Индия стала первой азиатской страной, создавшей солнечный пруд в Бхудже, штат Гуджарат. Проект был утвержден в рамках Национальной программы солнечных прудов Министерством нетрадиционных источников энергии в 1987 году и завершен в 1993 году в результате последовательных совместных усилий TERI, Агентства по развитию энергетики штата Гуджарат и GDDC (Gujarat Dairy Development Corporation Ltd). Солнечный пруд успешно продемонстрировал эффективность технологии, ежедневно поставляя 80 000 литров горячей воды на предприятие. Он рассчитан на обеспечение около 22 000 000 кВт⋅ч тепловой энергии в год. Институт энергетики и ресурсов предоставил все технические данные и взял на себя полное выполнение исследований, разработок и демонстрационных работ. TERI управлял и обслуживал это сооружение до 1996 года, после чего передал его GDDC. Солнечный пруд функционировал бесперебойно до 2000 года, когда серьезные финансовые потери подорвали GDDC. Впоследствии, землетрясение в Бхудже привело к остановке молочного завода в Куче. Солнечный пруд, обеспечивающий 20% операций корпорации Bruce Foods в Эль-Пасо, штат Техас, является вторым по величине в США. Он также является первым солеградиентным солнечным прудом в США.