Теплоэнергетические ресурсные потенциалы залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда»

Полный текст

Введение. Эффективное использование возобновляемых энергетических ресурсов в различных отраслях промышленности и хозяйствах способствует укреплению энергетической и экологической безопасности, энергетических систем и устойчивому развитию страны^[1].

Применение энергии Солнца актуально для Туркменистана, так как по расчетам технический потенциал энергии Солнца эквивалентен 1,4·10⁹ т у.т. в год. Одним из нетривиальных способов использования солнечной энергии являются «солнечные пруды» – соленые водоемы, в которых аккумулируется значительное количество тепловой энергии Солнца [1].

Предметом исследования является ресурсный потенциал солнечного излучения и солевые залежи залива Кара-Богаз-Гол как теплового аккумулятора.

Площадь залива Кара-Богаз-Гол составляет примерно 18 тыс. км², средняя глубина 4,7 м, концентрация глауберовой соли (мирабилит) от 310 до 350 ‰. Соль имеет следующие свойства: она белая с желтым или зеленым оттенком, черта имеет белый цвет, ее световые лучи просвечивают, твердость – 1,5–2; плотность – 1,49 г/см³. Химическая формула – Na₂SО₄-10H₂О. Статус IMA – унаследованный минерал^[2] [2].

Залив представляет для страны большой интерес, так как содержит в себе значительное количество химических элементов, использующихся в различных агропромышленных комплексах (АПК) и отраслях промышленности. Применение солнечных энергетических ресурсных потенциалов и аккумулирование тепла повысят энергоэффективность химического производства, уменьшат энергозатраты, тем самым снизят себестоимость продукции, сократят выбросы вредных частиц в биосферу и улучшат социально-бытовые условия населения.

Получение и использование химической продукции с помощью энергоэффективных систем и технологического оборудования для АПК на основе солнечной энергии является актуальной задачей в регионе [1].

Научным сообществом Туркменистана проделана большая исследовательская работа по использованию солнечной энергии: гелиоводонагревательные установки для горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха; гелиотеплицы с грунтовыми биоаккумуляторами тепла, автономным энергообеспечением, замкнутым влагооборотом траншейного типа; гелиосушилки для сыпучих продуктов, волокнистых пиломатериалов, овощей, фруктов и железобетонных изделий; гелиоустановки для выращивания микроводорослей спирулины, хлореллы и сценедесмуса; автономный животноводческий гелиоэнергетический комплекс; гелиомелиоративный комплекс для водоснабжения отгонного животноводства в пустыне Каракум; жилищно-производственный фотоэлектрический комплекс для создания электроэнергии, тепла, холода, горячей и опресненной воды; безотходный гелиобиотехнологический комплекс с автономным энергоснабжением, состоящий из гелиобиотеплицы, теплонасосной и биогазовой установок одновременного производства животноводческой или птицеводческой и сельскохозяйственной продукции по замкнутому циклу. В работах [1; 3] проведены теоретические и практические расчеты, проанализирована работа вышеназванных установок и комплексов^[3].

Несмотря на многочисленные исследования по указанной проблематике, не выявлены валовые, технические, экономические и экологические потенциалы с использованием новой методики для энергоэффективного внедрения гелиоэнергетических технологий; не обоснована технико-экономическая целесообразность составления проектно-сметной документации, не рассмотрено математическое моделирование тепло-массообменых процессов аккумулирования с учетом природно-климатических и теплотехнических характеристик глауберовых солевых залежей, не учтены статистические показатели температуры солевого слоя для водоема Кара-Богаз-Гол^[4] [4].

Цель исследования – определить теплоэнергетические ресурсные потенциалы залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда».

Задача исследования – составить математическую модель тепло-массообмена, на основе которой определить потенциалы аккумулирования тепловой энергии и КПД залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда»; методами математической статистики определить корреляционную зависимость, составить уравнение регрессии для технико-экономического обоснования (ТЭО) с целью разработки, внедрения и использования различных солнечных тепловых инженерных технологии и систем в заливе Кара-Богаз-Гол в Каспийском регионе.

Обзор литературы. Использование солнечных прудов практикуется в мире уже не первый год. В настоящее время изучению и использованию тепловых ресурсов солнечных прудов уделяется большое внимание [5–7]. В работах В. И. Виссарионова, Дж. Дафф, С. Адилова, А. Monjezi и других авторов представлены технологическая схема теплоэнергетической станции «солнечный пруд» и принцип работы электростанции «солнечный пруд», состоящий в поступлении горячей воды в испаритель (теплообменник) с парогенератором, который вращает электрогенератор^[5]. Они доказали, что концентрация соли в придонном слое солнечного пруда в процессе нагревания увеличивается, так как соль в более теплой воде растворяется быстрее. Зафиксированы случаи, когда температура придонного соленого слоя достигала 110 ºC [8–10].

Интерес ученых вызывают происходящие тепловые процессы с использованием солнечной энергии [6]. В свою очередь В. Дубковский, А. Денисова приводят примеры использования солнечных прудов в комбинированных энергоустановках с другими возобновляемыми источниками энергии для ресурсосбережения [11], а Ю. У. Умаров с коллегами в процессе изучения результатов экспериментальных исследований теплового режима соленого солнечного бассейна выявили, что согласно теоретическим данным, температурные показатели при увеличении солености воды до максимальной отметки могут быть повышены до 150 ºC [12; 13].

Российские ученые, проанализировав тепловые характеристики и конвективную устойчивость солнечного пруда, привели обобщенную стационарную модель [14]. Также ряд авторов исследовали системы теплоснабжения на основе солнечных прудов в северной зоне Российской Федерации и пришли к выводу, что извлечение накопленного тепла для таких целей, как отопление помещений и производство электроэнергии, является одной из основных целей проектирования и строительства солнечных прудов. Разделение отвода тепла в солнечных прудах на два метода (метод прямого отвода и метод косвенного отвода тепла) обосновало перспективы строительства опытно-промышленного солнечного пруда в Крыму [11; 15].

Экспериментальные исследования по использованию «солнечных прудов» в качестве источника получения тепловой и электрической энергии проводились учеными США, Израиля, Италии, Японии, Венгрии. Так, H. Sogukpinar, Q. Wu, Y. Rghif доказали, что в условиях насыщения температурный градиент, вызванный солнечной радиацией, приведет к градиенту концентрации, если в пруду присутствует достаточно соли для создания стабильного солнечного пруда. Равновесный солнечный пруд имеет следующие ключевые преимущества перед обычными водоемами:

1. Термическая эффективность равновесного пруда повышается за счет высокой концентрации в нижней части пруда;
2. Растворимость соли, используемой в равновесном солнечном пруду, увеличивается с температурой. Следовательно, нет необходимости регулярно поддерживать концентрацию соли. Некоторые соли, такие как нитрат калия (KNO₃), хлорид кальция (CaCl₂), бура (Na₂B₄O₇), нитрат аммония (NH₄NO₃) и хлорид магния (MgCl₂), являются обычными растворенными веществами, используемыми в равновесных солнечных прудах;
3. Сравнительное исследование различных возобновляемых источников энергии, рассмотренных в этом исследовании, проиллюстрировано. Сравнивались источник энергии, зрелость, стоимость, эффективность, уникальные преимущества и ограничения источников энергии [16–18].

До сих пор не исследованы теплоэнергетические ресурсные потенциалы солнечного излучения в качестве аккумулирования тепловой энергии в соленом водоеме Кара-Богаз-Гол как «солнечном пруде»; не сформулированы рекомендации по реализации освоения возможностей гелиотехнологии в зависимости от природно-климатических условий с учетом экологических, экономических аспектов и технических ресурсов прикаспийской зоны Туркменистана^[6] [4].

Для научного обоснования и систематизирования тепловых энергетических ресурсных потенциалов солнечного излучения залива Кара-Богаз-Гол по формализованной методике были рассмотрены длительность сияния Солнца по месяцам в течение года; средние рабочие температуры гелиоустановки и природной среды за месяц и год; альбедо поверхности гелиоустановки, доли рассеянного излучения, угловые параметры падения солнечной энергии на поверхности, нормально и наклонно ориентированные в течение месяца; удельный часовой угол движения склонения Солнца и наклона поверхности к горизонту.

Исходя из физического принципа и процесса тепло-массообмена, составлено дифференциальное уравнение теплового баланса водоема за промежуток времени. На основе уравнения рассчитаны суточный и годовой ход аккумулирования солевой залежи залива. Процесс преобразования солнечного излучения в тепловую энергию и ее аккумулирование является таким энергетическим явлением, как «солнечные пруды».

В настоящее время в мировой практике используется ряд соленых озер и морей с искусственными «солеными прудами» для производства тепла. Этот процесс относится к классу активных солнечных систем. В данном исследовании предлагаем возможность для строительства энергетической станции на принципах «солнечного пруда» в условиях залива Кара-Богаз-Гол. Технологическая схема теплоэнергетической станции «солнечный пруд» для Кара-Богаз-Гол представлена на рисунке 1.

 

Рис. 1.  Солнечная теплоэлектростанция на заливе Кара-Богаз-Гол как «солнечный пруд»:1 – дамба; 2 – горячая вода с высокой концентрацией соли; 3 – охлажденная вода; 4 – теплообменник; 5 – турбина; 6 – электрогенератор; 7 – конденсатор; 8 – насосы

Fig. 1.  Solar thermal power plant on the Kara-Bogaz-Gol Gulf as a “solar pond”: 1 – dam; 2 – hot water with a high salt concentration; 3 – chilled water; 4 – heat exchanger; 5 – turbine; 6 – electric generator; 7 – capacitor; 8 – pumps

Источник: составлено по схемам авторов В. И. Виссарионова, Дж. А. Даффи и Д. С. Стребкова^[7]

Source: the diagram is compiled from the diagrams of Vissarionov V.I., Duffy J.A. and Strebkov D.C.

 

Работа электростанции по принципу «солнечного пруда» состоит из процесса поступления горячей воды из уровня 2 в испаритель (теплообменник) 4 с помощью насоса 8. Там находится парогенератор, в который идет низкотемпературный пар в турбину 5 (в виде низкокипящей жидкости). Турбина запускает движение электрогенератора 6. Затем пар отправляется в конденсатор 7, туда же поступает холодная вода из водоема 3 с помощью насоса 8. Схема функционирует в замкнутом цикле. Принцип работы рассмотренной системы не отличается от парогенераторных станций, где эффективность зависит от перепадов температуры между слоями горячей 2 и холодной 3 воды [15; 16].

Преимуществом использования естественного залива является отсутствие необходимости завоза соли, строительства необходимых сооружений, что снижает финансовые затраты.

Таким образом, тепловые ресурсные потенциалы солнечных соляных прудов могут стать дополнительным источником тепла, использующегося в различных отраслях промышленности, для снабжения населения в период отопительного сезона, а также служащего дополнительным источником низкопотенциального тепла для теплонасосных устанок в наиболее холодный и летний периоды года в зоне залива Кара-Богаз-Гол.

Материалы исследования. Гидрометеорологические особенности солнечного излучения в заливе. Спектральная карта температуры поверхности Каспийского моря и залива Кара-Богаз-Гол по данным ИК-изображения спутника NOAA-16 за март, апрель, август, октябрь приведена на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2, температурный режим воды в заливе отличается от Каспийского моря. Если средняя температура воды моря составляет 13,5 ºС в год, то в заливе она равна 16,9 ºС. По сезонам года средний температурный режим залива изменяется от 0,9 ºС зимой и до 26 ºС летом. Максимальная температура воздуха летом доходит до 64 ºС, средняя минимальная температура зимой снижается до 3 ºС^[8] [2].

По результатам гидрометеорологического анализа построен график изменения температуры воды, скорости ветра, продолжительности солнечного сияния, количества пасмурных дней и осадков по месяцам года. Графическое изображение приведено на рисунке 3^[9].

Из графика видно, что среднемесячный ветровой режим меняется по сезонам года: в зимний период скорость ветра повышается и составляет в среднем 6,2 м/с, а летом снижается до 5,7 м/с.

Количество осадков на территории залива в среднем составляет 104 мм в течение года, в месяц – 8,7 мм. За год продолжительность солнечного сияния составляет в среднем 2 674 ч, в сутки – около 7,8 ч, несолнечных дней – 32.

 

Рис. 2. Атлас температуры поверхности Каспийского моря и залива Кара-Богаз-Гол по данным ИК-изображения спутника NOAA-16 на: а) март; b) апрель; c) август; d) октябрь

Fig. 2. Atlas of surface temperature of the Caspian Sea and the Kara-Bogaz-Gol Bay from  IR image data made by the NOAA-16 satellite for: a) March; b) April; c) August; d) October

Источник: составлено авторами по^[10] [2].

Source: the diagram is compiled according by the authors [2].

 

Рис. 3.  Гидрометеорологический анализ залива Кара-Богаз-Гол по месяцам года

Fig. 3. Hydrometeorological analysis of the Kara-Bogaz-Gol Gulf by month of the year

Источник: составлено авторами статьи.

Source: the diagram is compiled according by the authors.

 

Методика оценки теплоэнергетических ресурсных потенциалов солнечного излучения залива Кара-Богаз-Гол. Методика определения валового потенциала основана как на суммарной интенсивности поступления солнечного излучения, так и на географических, природно-климатических и атмосферных явлениях, при этом альбедо является однородным по всей площади залива Кара-Богаз-Гол. Фиксировались расчетные и полученные исходные данные: среднемноголетний приход солнечного излучения на горизонтальную поверхность; месторасположение и широта местности; астрономический часовой пояс и направление угла; продолжительность солнечного сияния и угол склонения в течение года; валовый, технический и экономический потенциалы; коэффициенты альбедо, отражения, теплопроводности, пропускания в зависимости от угла склонения и многие другие экономические и экологические показатели. Данный метод был выбран для исследования в силу его наибольшей точности в условиях данного климата.

Исследуя многолетние гидро- и метеонаблюдения по справочникам и данным Гидрометеослужбы с учетом неблагоприятных атмосферных явлений в регионе Кара-Богаз-Гол, выяснили, что сумма валового потенциала или годового прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность составляет 1 685,4 кВт·ч/м² в год. При этом небольшая нижняя облачность снижает поступление солнечной радиации на 27–35 % и увеличивает на 25–40 % при рассеянной радиации, а годовое поступление суммарной солнечной радиации в реальных условиях облачности снижается на 13–19 % на территории залива^[11].

Подробная методика определения технического, экономического и экологического потенциалов с учетом различных вариантов преобразования в тепловую и электрическую энергии представлена в работах [3; 4].

Технический потенциал гелиоизлучения в районе залива – средняя суммарная энергия в течение одного года, изученная при соблюдении всех экологических норм, с применением новейших методик расчета при высоком уровне инновационных технологий.

Технический потенциал солнечного излучения – это сумма технических потенциалов, которые с помощью водонагревателей при КПД 50 % преобразуются в тепловую энергию, равную 1 381,6 кВт·ч/м² в год [1; 3].

На рисунке 4 представлена гистограмма валового и технического потенциалов преобразования солнечного излучения в тепловую энергию по месяцам года.

 

Рис. 4.Распределение валового и технического потенциала солнечной энергии, преобразованной в тепловую энергию в заливе Кара-Богаз-Гол по месяцам на 1 м²

Fig. 4. Distribution of the gross and technical potential of solar energy converted into thermal energy in the Kara-Bogaz-Gol Gulf by month per 1 square meter

Источник: составлено авторами статьи.

Source: the diagram is compiled according by the authors.

 

Экономический потенциал залива – выработка тепловой энергии от суммарного солнечного излучения, составляющая 552,6 кг у.т./м² в год для данного региона с учетом существующего уровня цен на энергию, получаемую от традиционных источников при условии выполнения экологических требований [1; 3].

Экологический потенциал является частью технического потенциала, который целесообразно преобразовать в полезную энергию при существующем уровне вредных выбросов в атмосферу, при переработке ископаемого органического топлива в тепловую энергию и другие виды энергии [1; 3].

Солнечная энергия, по сравнению с традиционными видами энергии, обладает возможностью обеспечить экологическую чистоту установок и улучшить экологическую обстановку [2; 5]. Из сумм экономических потенциалов тепловой энергии при преобразовании в нее солнечного излучения складывается экологический потенциал гелиоэнергии [1; 3; 23].

В таблице показано потенциальное сокращение вредных выбросов в атмосферу при эксплуатации тепловых водонагревателей в районе залива Кара-Богаз-Гол.

 

Таблица. Энергетические, технические, экономические и экологические показатели сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду  при использовании солнечных водонагревателей [23]

Table. Energy, technical, economic and environmental indicators for reducing emissions of harmful substances into the environment when using solar water heaters [23]

Валовые ресурсы солнечного излучения, кВт·ч/(м2 ·год) / Gross resources of solar radiation, kWh/(m2 ∙ year)	Потенциалы / Potentials		Антропогенные нагрузки вредных веществ, кг/(м2 год) / Anthropogenic loads of harmful substances, kg/(m2 year)
	Технический эквивалент выработки, кВт·ч/(м2∙год) / Technical equivalent of output, kWh/(m2∙year)	Экономия расхода топлива, кг у.т./(м2∙год) / Fuel consumption savings, equivalent fuel  kg/(m2∙year)	SO2	NOx	CO	CH4	CO2	Твердых веществ / Solids
1 978,3	1 381,6	552,6	11,5	6,2	0,79	1,69	883,7	1,17

 

 

Теплоэнергетические расчеты работы залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда». Теплоэнергетические особенности работы «солнечного пруда» заключаются в следующем: солнечное излучение поступает на водную поверхность водоема, часть отражается в окружающую среду, часть проникает в водоем и попадает на солевую поверхность дна, частично отражаясь от солевого слоя, часть солнечного излучения проникает в солевой слой, тем самым преобразовываясь в тепловую энергию. Другими словами, часть солнечного излучения аккумулируется. Такое тепловое явление называется «солнечным прудом» [15; 16].

Процесс формирования теплоэнергетического режима аккумулирования в соленом водоеме очень сложный. Однако в отдельных случаях и при введении ряда упрощающих допущений можно осуществить количественный анализ формирования термических условий в солевых залежах на дне залива.

В водоеме на процесс формирования температурных условий в соленой воде, на аккумулирование в солевых залежах на дне залива влияет большое количество факторов: метеорологические факторы – солнечное излучение, температура воздуха и воды, скорость ветра, облачность и т. д.; термическая характеристика соли и почвы – теплопроводность, теплоемкость, плотность, температуропроводность, альбедо поверхности водоема и солевые залежи; теплотехнические характеристики водоема – кратность объема, плотность, воздухообмен, прозрачность в видимом и инфракрасном частях спектра. Следовательно, определение температур воздуха, воды, соли проводилось с учетом всех перечисленных факторов.

Согласно данным гидротехнических исследований, по динамике теплообмена можно сформулировать основные черты упрощенной модели: водоем как система в пространстве, однородно заполненная хорошо перемешанной соленой водой, полуограниченный водяной массив; боковые ограждения с нулевой теплоемкостью; солнечное излучение равномерно распространяется по воздушному, водному и солевому пространствам залива.

Динамика тепло- и массообмена в солнечном соленом водоеме. Солнечный соленый водоем Кара-Богаз-Гол рассматриваем как «солнечный пруд», физический принцип динамики тепло- и массообмена работы которого заключается в следующем: солнечное излучение поступает на поверхность водоема, часть отражается, часть проникает в низко-конвертированную зону, аккумулирует тепловую энергию в соленом растворе, часть тепла уходит в грунт. Часть тепловой энергии с поверхности водоема уходит в окружающую среду за счет конвективного теплообмена, лучистого излучения и испарения.

На формирование динамики процесса тепло- и массообмена в солнечном соленом водоеме оказывают большое влияние разнообразные факторы:

– гидрометеорологические – солнечное излучение (q_в^*), продолжительность и время солнечного сияния, облачность (m), температура воздуха окружающей среды (T_н), водоема (T_в), солевого слоя (T_с) и почвы (T_п), скорость ветра (u) и некоторые другие параметры;

– теплотехнические, термические, физические и химические свойства соли водоема: теплопроводность воды (λ_в), соли (λ_с); теплоемкость воды (с_в), соли (с_с); плотность воды (r_в), соли (r_c); температура поверхности воды (а_в), соли (а_с); альбедо поверхности воды (r_в), (r_c) и другие параметры.

При исследовании динамики процесса тепло- и массоообмена учтены все вышеприведенные основные факторы. Расчет тепло- и массообмена солнечного водоема связан в совокупности с температурным режимом воды, воздуха, поверхности соли, отложенной на дне водоема, с временем изменений по месяцам в течение года.

Разработка рабочей математической модели. Неоднократно проводились научные исследования по математическому моделированию тепловых процессов солнечно-энергетических установок, но применительно к соленому водоему залива Кара-Богаз-Гол и с учетом природно-климатических условий Каспийского побережья по месяцам в течение года динамика процесса тепло- массообмена не рассматривалась.

Возможность решения задачи динамики процесса тепло- массообмена солнечного залива изучали на основе физической модели. Проект рабочей математической модели производили с некоторыми упрощениями:

– солнечный залив рассматривался как система, состоящая в некотором пространстве одномерном и однородном с соленой водой, с ограниченным массивом в объеме 1 м³;

– система обогрева предполагает, что солнечное излучение равномерно распределено по всему объему водоема на 1 м²;

– динамика системы тепло- и массообмена описана в виде дифференциального уравнения теплового баланса за промежуток времени.

Физическое представление динамики процесса тепло- и массообмена в одномерном пространстве приведено на рисунке 5.

 

Рис. 5. Одномерная расчетная физическая модель тепло- и массообмена в заливе Кара-Богаз-Гол

Fig. 5. One-dimensional computational physical model of heat and mass transfer in the Kara-Bogaz-Gol Gulf

Источник: схема составлена авторами статьи.

Source: the diagram is compiled according by the authors.

Солнечные излучения, аккумулированные в искусственном или естественном соленом водоеме, рассматриваются как водяные солнечные коллекторы, называющиеся «солнечными прудами». Основным условием функционирования такой системы является наличие градиента концентрации соли по толще воды в неглубоких водоемах.

Описание дифференциального уравнения теплового баланса. На основе физического принципа и процесса тепло- массообмена составлено и рассмотрено дифференциальное уравнение теплового энергетического баланса залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда» за промежуток времени, dτ. Оно имеет вид:

$d{Q}_p^{\Sigma }-d{Q}_{\mathrm{с}}-d{Q}_{\mathrm{в}}-d{Q}_{\mathrm{тн}}-d{Q}_{\mathrm{ав}}-d{Q}_{\mathrm{ас}}-d{Q}_{\mathrm{бг}}=0$,                        (1)

где  – суммарный поток тепла солнечного излучения, поступающий в соленый водоем, кВт∙ч/м²;^[12] dQ_ав – поток солнечного излучения, который аккумулируется в водном объеме, кВт∙ч/м²; dQ_c – поток солнечного излучения, поглощенный солевой поверхностью дна пруда и почвой + dQ_п, кВт∙ч/м²; dQ_в – поток солнечного излучения, поступающий на водную поверхность водоема, кВт∙ч/м²; dQ_ТН – количество тепла, отдаваемое в атмосферу с поверхности в результате воздухообмена и теплопередачи, кВт∙ч/м²; dQ_бг – количество тепла, отдаваемое в боковые грунтовые поверхности водоема в одномерном пространстве на 1 м², объем не учитываем, dQ_бг » 0 кВт∙ч/м²; dQ_аc – поток солнечного излучения, аккумулированный в солевом слое на дне, кВт∙ч/м² [22].

Подставляем составляющие в значения к величинам , dQ_в, dQ_c, dQ_аc, dQ_ав балансового дифференциального уравнения (1) и представляем их в виде:

dQ_р = (1 – r_в) F×q^* (t) dτ,                                                                                 

dQ_c = c_c g_c x_c r_c F [Т_с (τ) - Т_B (t)] dτ,                                           

dQ_B = c_B g_B x_B r_B F [Т_B (τ) - Т_H (t)] dτ,                                                               

dQ_TH = c_B g_B x_B r_B F [Т_B (τ) - Т_H (τ)] dτ,                                         

dQ_ав = c_B g_B r_B F d Т_B (t),                                                     

dQ_аc = c_c g_c r_c F d Т_c (t),                  (2)

где F – площадь водоема, м²; r_в,с – плотность воды, соли, кг/м³; x_в – кратность воздухообмена с поверхности водоема; r_в,с – альбедо воды, поверхность соли; c_с,в – объемная теплоемкость соленой воды, воздуха, кДж/кг ºС; g_с,в – плотность соленой воды, воздуха, кг/м³; q^*– поток солнечного излучения на горизонтальную поверхность, кВт·ч/м²; Т_Н – температура наружного воздуха, ºС; Т_B – температура воды водоема, ºС.

Проделав некоторые аппроксимации степенными полиномами в том же интервале времени с применением преобразования Лапласа и другие математические преобразования, находим температурный режим солевого слоя в водоеме Т_c ºС, получаем в виде периодического гармоничного ряда:

$T_{\text{c}}=T_{\text{0c}}+{\displaystyle \sum _{j=1}^n{T}_{jc}\text{exp}\left[i\left(\omega \tau -{\phi }_j\right)\right]},$                                                                       

где Т_0c – среднее значение температуры соленой воды водоема, ºС; Т_jc – амплитуда температуры солевого слоя, ºС для j – гармоники;  – мнимое число; w – циклическая частота внешнего теплового воздействия соленой воды на солевой слой, ºС/ч; τ – время, час; j_j – угол сдвига фаз, радиус. Более детальные расчеты содержатся в работах^[13] [22].

Результаты исследования. На основе составленного теплового балансового уравнения (1) рассчитан термический режим залива как «солнечного пруда» (8). Определены суточный температурный режим на поверхности солевого слоя и на глубине 0,5 м. С помощью формулы (2) обозначили аккумулирование солнечной энергии в летний и зимний периоды года. Аккумулирование в соленой поверхности и на глубине 0,5 м солеотложения показано на рисунке 6.

 

Рис. 6. Суточный ход аккумулирования солнечного излучения в заливе Кара-Богаз-Гол

Fig. 6. Daily variation of solar radiation accumulation in the Kara-Bogaz-Gol Gulf

Источник: составлено авторами статьи.

Source: the diagram is compiled according by the authors.

 

В течение дня солнечное излучение аккумулируется на солевой поверхности и составляет: зимой – 1 009,0 Вт/м² сут. или в среднем – 77,6 Вт/м² сут.; летом – 1 574,7 Вт/м² сут. или в среднем 121,1 Вт/м² сут.; на глубине 0,5 м равно: зимой – 408,0 Вт/м² сут. или в среднем 31,4 Вт/м² сут.; летом – 1 111,0 Вт/м² сут. или в среднем 85,5 Вт/м² сут.

Температура на солевой поверхности зимой составляет от 3,8 до 31,5 ºС; летом – от 14,3 до 55,04 ºС. Температура на глубине 0,5 м солевой поверхности  зимой изменяется в пределах от 3,8 до 15,76 ºС; летом – от 7,16 до 27,52 ºС. Процесс аккумулирования солнечной энергии связан с температурой прогрева солевой поверхности, которая меняется по сезонам года. Полученные научные исследования соответствуют законам теплофизики и адекватно воспроизводят результаты составленного дифференциального уравнения теплового баланса для промежутка времени.

Статистические показатели для составления ТЭО. Разработка, составление проектно-сметной документации и внедрение солнечных энергетических станций вызывает необходимость технико-экономического обоснования (ТЭО), которое поможет спрогнозировать и определить рентабельность энергетических технологий и их энергоэффективность для потребителя.

Основываясь на методах математической статистики, расчетных результатах мы получили уравнения регрессии и коэффициент корреляции для прогнозирования потенциалов солнечного излучения при преобразовании в тепловую энергию (y), в зависимости от температуры воды и количества аккумулирования солнечной энергии на солевой поверхности (x) и на глубине 0,5 м.

Рассматриваем уравнение регрессии y = a + bx, в котором a – начальная ордината, дающая значение y при x = 0; b – коэффициент регрессии, он демонстрирует изменение величины y в среднем при изменении х на единицу [2; 5; 6].

На основе многолетних данных солнечного излучения, падающего на поверхность водоема Кара-Богаз-Гол, уравнение регрессии и коэффициент корреляции зимой и летом составляют:

зимой на поверхности соли: y = –4,3956x + 327,75; R² = 0,0082;                           

летом на поверхности соли: y = –1,044x + 599,45; R² = 0,0002.                             

Зависимость экономических и технических показателей от гелиоизлучения, взятого в среднем за много лет наблюдений, его трансформация в энергию, причем показатели были взяты по месяцам года в регионе Кара-Богаз-Гол, имеет следующий вид:

валовый: y = –0,3332x + 160,19, R² = 0,0003;                                                              

технический в тепловую: y = –0,7073x + 112,64, R² = 0,0027;                               

удельные энергетические параметры солнечной тепловой:

у = –0,1797x + 116,02, R² = 0,0002.                                                                            

Уравнение регрессии и коэффициент корреляции для аккумулирования солнечной энергии на поверхности и глубине 0,5 м соли в водоеме зимой и летом  имеют следующий вид:

зимой на поверхности соли: y = –1,1154x + 91; R² = 0,0051;                                  

летом на поверхности соли: y = –1,5264x + 139,45; R² = 0,0161;                           

зимой на глубине 0,5 м: y = –0,5659x + 38,176; R² = 0,0066;                                

летом на глубине 0,5 м: y = –1,533x + 103,86; R² = 0,0149.                                

Мы получили уравнение регрессии технического потенциала и удельные энергопараметры гелиоизлучения (y), которое, накапливая энергию Солнца в соленом водоеме, преобразует ее в тепловую (x). Данная регрессия поможет специалистам в прогнозировании создания различных технологических установок на основе солнечной энергии и при составлении соответствующей проектной документации и ТЭО для строительства их в регионе Кара-Богаз-Гол.

Обсуждение и заключение. Путем теоретической систематизации информации научных исследований в области использования гелиоустановок, по формализованной методике определены потенциальные возможности и объем снижения антропогенных нагрузок на окружающую среду при условии использования энергетических гелиоустановок для получения тепловой энергии [2].

Полученные научные результаты базируются на физических законах, процессах тепло- и массообмена, математическом анализе залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда», что адекватно воспроизводят результаты математической модели.

Предварительные технико-экономические расчеты показывают, что использование естественного соленого водоема Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда» снизит затраты на различные механизированные мероприятия при строительстве гидросооружения, искусственной теплоизоляции дна водоема, так как это существенно повышает себестоимость преобразования тепла. Расчеты, приведенные на рисунках 3 и 4, подтверждают способность достижения необходимой температуры рассола для осуществления снабжения потребителя теплом [17–19]. Результаты показывают, что аккумулирование солнечной энергии зимой в сутки на глубине 0,5 м в среднем составляет 31,4 Вт/м² сут., летом – 85,5 Вт/м² сут. На солевую поверхность в среднем поступает солнечная энергия: летом – 586,9 Вт ч/м² сут., зимой – 275,0 Вт ч/м² сут. По предварительным расчетам, летом на 1 км² залива можно получить 60 м³ воды со средней температурой 75,0 ºС, а зимой – 25,0 ºС. Полученные результаты также могут быть использованы в сочетании с тепловыми насосами, данные расчеты могут применяться и на меньшей глубине.

Если обеспечить поступление тепла 60 Вт/м², то вполне достижимо снабжение населения горячей водой в течение года [20–22].

Применение таких методов при строительстве солнечных прудов в рассматриваемом районе более предпочтительно, поскольку при этом не требуются:

– финансовые затраты на строительство котлована, так как залив представляет собой природный бассейн со средней глубиной 4,7 м;

– закупка соли (в заливе создана необходимая концентрация рассола);

– создание службы контроля за процессом содержания соли при снижении температуры.

Все вышеперечисленное существенно снижает эксплуатационные расходы.

На основе исследований и полученных результатов делаем следующие выводы:

– научно обоснованы теплоэнергетические ресурсные потенциалы залива Кара-Богаз-Гол как «солнечного пруда», валовые, технические, экономические и экологические показатели от преобразования солнечной энергии в тепловую соответственно составят: 1 978,3 кВт·ч/(м² год); 1 381,7 кВт·ч/(м² год); 552,6 кг у.т.; сокращение выбросов вредных компонентов в атмосферу с 1м²/ кг в год составят: SO₂ – 11,50; NOx – 6,22; CO – 0,79; CH₄ – 1,88; CO₂ – 803,73; твердых веществ – 1,17;

– на основе расчета составленной математической модели тепло- массообмена потенциалы аккумулирования тепловой энергии составляют зимой 1 009,0 Вт/м² сут., летом – 1 574,7 Вт/м² сут., меняется от 40–70 % в зависимости от сезона года; средняя температура в летний период на солевой поверхности дна поднимается от 55,04 до 79,8 ºС, зимой – от 20,0 до 25,6 ºС, а КПД аккумулирования глауберовой соли в заливе составит: зимой – 11,4 %, летом – 14,6 %.

Полученые в исследовании научные результаты могут быть с успехом применены для составления проектно-сметной документации и технико-экономического обоснования разработки и внедрения различных систем на основе теплоэнергетических ресурсных потенциалов, в частности, солнечной энергии. Эффективное исспользование рассматриваемого нами залива Кара-Богаз-Гол в качестве «солнечного пруда» значительно повысит условия жизни местного населения, так как появятся новые рабочие места, улучшится экологическая обстановка в регионе, снизится антропогенная нагрузка на окружающую среду. Все это будет способствовать укреплению экономики и «зеленому» экологическому и социальному развитию страны.

¹ Бердымухамедов Г. М. Туркменистан на пути достижения целей устойчивого развития. Ашхабад : Туркменская государственная издательская служба, 2018. 468 c.

² Булатов C. A. Энциклопедия географа. Залив Кара-Богаз-Гол [Электронный ресурс]. URL: https://clck.ru/3Bm2zs (дата обращения: 25.01.2023).

³ Использование солнечной энергии / под общ. ред. Л. Е. Рыбаковой. – Ашхабад : Ылым. 1985. 280 с.; Стребков Д. С., Пенджиев А. М., Мамедсахатов Б. Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. М. : ГНУ ВИЭСХ, 2012. 496 с.

⁴ Комплексный спутниковый мониторинг морей России : моногр. / Лаврова О. Ю. [и др.]. – М. : ИКИ РАН, 2011. 385 с. URL: https://clck.ru/3Bm6JE (дата обращения: 26.01.2023); Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, ч. 1–16. Л. : Гидрометиоиздат, 1989. 502 с. URL: https://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-213102023.pdf (дата обращения: 25.01.2023).

⁵ Виссарионов В. И. Солнечная энергетика : учебное пособие для вузов / под общ. ред. В. И. Виссарионова. – М. : Издательский дом МЭИ, 2008. 276 с. URL: https://www.c-o-k.ru/library/document/12813/35694.pdf (дата обращения: 26.01.2023); Даффи Дж. А. Основы солнечной теплоэнергетики. М. : Издательский дом Интелект, 2013. 884 с.

⁶ Пенджиев A. M. Экоэнергетические ресурсы возобновляемых источников энергии : моногр. М. : Русайнс, 2023. 400 с.

⁷ Виссарионов В. И. Солнечная энергетика : учебное пособие для вузов; Даффи Дж. А. Основы солнечной теплоэнергетики; Родионов В. Г. Энергетика : проблемы настоящего и возможности будущего. М. : ЭНАС, 2010. 352 с. URL: https://clck.ru/3Bm6wV (дата обращения: 24.01.2023).

⁸ Комплексный спутниковый мониторинг морей России / О. Ю. Лаврова [и др.].

⁹ Там же; Научно-прикладной справочник по климату СССР; Булатов C. A. Энциклопедия географа. Залив Кара-Богаз-Гол [Электронный ресурс]. URL: https://clck.ru/3Bm2zs (дата обращения: 25.01.2023).

¹⁰ Комплексный спутниковый мониторинг морей России / О. Ю. Лаврова [и др.].

¹¹ Пенджиев A. M. Экоэнергетические ресурсы возобновляемых источников энергии.

¹² Пенджиев А. М. Научное обоснование использования энергетических технологий на основе возобновляемых источников энергии в Туркменистане : дис. ... д-р. тех. наук. М., ГНУ ВИЭСХ. 2022.

¹³ Пенджиев А. М. Научное обоснование использования энергетических технологий на основе возобновляемых источников энергии в Туркменистане.

Об авторах

Ахмет Мурадович Пенджиев

Туркменский государственный архитектурно-строительный институт

Email: ampenjiyev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6584-5851
Scopus Author ID: 57203910120

доктор технических наук, доктор сельскохозяйственных наук,
доцент кафедры автоматизации производственных процессов

744025, Туркменистан, г. Ашхабад, ул. Б. Аннанова, 1

Парахат Оразмухамедович Оразов

Туркменский государственный архитектурно-строительный институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: tdbgi.tsaci@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-8361-4523

кандидат технических наук, ректор

744025, Туркменистан, г. Ашхабад, ул. Б. Аннанова 1

Список литературы

Дополнительные файлы