Исходя из величин поступающей в пределах средней полосы России солнечной радиации (таблицы 1, 2 и 3), автором предлагаются технические решения (технологии) солнечной энергетики, которые могут стать гарантом локальной экологической и энергетической безопасности. Они призваны обеспечить эффективную выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода (рисунок 2) [8].

Предпосылки и ограничения развития энергетики возобновляемых источников энергии

Рисунок 2 – Составные элементы солнечной энергетики на базе солнечного соляного пруда предлагаемой для средней полосы России

Разработанные в КБАЭ «ВоДОмёт» (г. Омск) для малых конечных потребителей энергии (рис. 2) технологии использования возобновляемых и вторичных ТЭР, призваны:

  • обеспечить в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;
  • удовлетворять физиологические потребностеи человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;
  • поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объеме за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).

По экологическим показателям, в сравнении с другими энергоисточниками солнечные прудовые установки и системы предпочтительнее, поскольку фактически не имеют никаких выбросов, а слабый нагрев грунта под прудом, при хорошей теплоизоляции, не будет намного превышать сезонных температурных колебаний от солнечной радиации.

Малая энергетика на базе солнечного соляного пруда месте с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрические преобразователи и т.д.) может и должна обеспечить энергией летнюю производственную деятельность малых поселений практически любых территорий средней полосы России.

Конечно, в летний период, когда повышается выработка электрической энергии на ГЭС, необходима координация работы этих производителей энергии. А зимой дополнительное обеспечение малых поселений возросшим сезонным спросом на тепло и электроэнергию можно возложить на геотермальную энергетику

Однако сегодня говорить об однозначном эффективном использовании геотермальной энергии по всей территории России не приходится, по следующим причинам.

Качество (температура) геотермальной энергии как видно из рисунок 3 различных источников отличается на порядок.

Предпосылки и ограничения развития энергетики возобновляемых источников энергии

Рисунок 3 – Распределение мировых запасов геотермальной энергии в зависимости от температуры источников [9].

Это и предопределяет использование геотермальных месторождений в России в основном на Камчатке и на прилегающих к Северному Кавказу территориях.

Так как все геотермальные станции мира являются наземными, то этим обусловлен их существенный недостаток: поступая к турбинам по скважинам, пар или горячая вода за время транспортировки теряют до 30 % температуры и давления.

Поэтому для увеличения срока эксплуатации скважин, практика использования геотермальных источников в России иногда включает в себя накапливание гидротеплопотенциала в летний период, когда для целей теплоснабжения используется солнечная энергия.

Обоснование, хотя и не однозначное, такого перерыва в использовании геотермального тепла можно проиллюстрировать графиками рисунков 4 и 5 [10].

Предпосылки и ограничения развития энергетики возобновляемых источников энергии

Рисунок 4 – Характер изменения температуры теплоносителя (флюида, подземных вод) в нагнетательной (а) и в эксплуатационной скважине (б) с увеличением времени циркуляции (t)

На рисунке 4 представлен пример графического изображения изменения температуры теплоносителя в скважинах и тепловом коллекторе, расположенном на глубине нескольких километров.

t10 – а1) и t2,30 – а2,3) — это линии (графики) изменения температуры теплоносителя при его движении в нагнетательной скважине вниз в различные периоды эксплуатации. t11,2 – в1), t21,2 – в2) и t33 – в3) — это линии изменения температуры теплоносителя при его движении в эксплуатационной скважине вверх в различные периоды эксплуатации. t0 — это график естественного изменения температуры недр по глубине, для рассматриваемого геотермального месторождения. Линия а2,3 – б31,2) характеризует изменение температуры теплоносителя при его движении в коллекторе от нагнетательной к эксплуатационной скважине.

В начальный период эксплуатации скважин, изменение температуры теплоносителя будет соответствовать циклу а0 – а1 – б1,2 – в1 – а0. В этот период времени массив грунта вокруг средней и нижней частей нагнетательной скважины имеет достаточно высокую температуру, и поэтому теплоноситель будет значительно нагреваться на пути к коллектору. Точка а1 смещена вправо. В то же время, поскольку средний и приповерхностный массив грунта вокруг эксплуатационной скважины имеет низкую температуру, особенно у поверхности, то точка в1 смещена влево (средние и приповерхностные слои грунта, охлаждая теплоноситель, аккумулируют теплоту, чтобы часть её отдать потом, по мере истощения термального ресурса коллектора, теплоносителю в конце срока эксплуатации)

В процессе эксплуатации скважин и выработки геотермального тепла цикл изменения температуры постепенно смещается и начинает переходить через точки а0 – а2,3 – б1,2 – в2 – а0. В этот период температура на выходе из эксплуатационного коллектора максимальна, а значит эффективность работы самая высокая (если, конечно, дебит скважин не изменился и расход энергии на прокачку теплоносителя через коллектор резко не возрос).

При завершении эксплуатационного периода цикл изменения температуры проходит по точкам а0 – а2,3 – б3 – в3 – а0. Это период быстрого расходования запасов тепла не столько коллектора, сколько тепла, аккумулированного массивом грунта, охватывающего эксплуатационную скважину.