Staw słoneczny jako sposób termicznego magazynowania energii

Spośród wszystkich znanych sposobów magazynowania energii cieplnej dość ciekawym rozwiązaniem jest staw słoneczny. Zgromadzona w nim woda o różnej wartości stężenia soli w poszczególnych warstwach zbiornika akumuluje energię termiczną przy dnie stawu i zapobiega emisji ciepła do otoczenia. Pozostałe znane sposoby przechowywania energii cieplnej to magazynowanie lodu, stopiona sól, wieża parowa, ciekłe powietrze lub azot oraz zasobniki cieplne.

Podobnie jak popularne kolektory słoneczne, omawiane stawy stanowią niskotemperaturowy aktywny system wykorzystania energii ze słońca. Jednak te dwa systemy różnią się między sobą. Chodzi głównie o ich przeznaczenie, kolektory słoneczne wykorzystywane są do bezpośredniego przekazywania uzyskanego ciepła do układu podgrzewającego wodę, natomiast stawy słoneczne akumulują energię padającego promieniowania słonecznego i nie oddają jej do otoczenia. Co ważniejsze, energia ta nie jest emitowana ze zbiornika nawet nocą ani zimą, jak ma to miejsce w typowych zbiornikach wodnych. Możliwość taka zachodzi dzięki zawartości w wodzie solanki, która gromadzi się na dnie. Nawet duże nagrzanie zbiornika nie powoduje przedostawania się ciepła ku powierzchni i do otoczenia.

Staw słoneczny jest odpowiednio zbudowanym zbiornikiem wodnym o wysokim stężeniu zasoleniu. Jego dno posiada ciemny kolor, gdyż odpowiedzialne jest za pochłanianie promieniowania słonecznego. Znajdująca się w zbiorniku woda stanowi co najmniej  dwie warstwy, z których jedna jest zasolona mniej, a druga bardziej.  Warstwa dolna charakteryzuje się silnym zasoleniem, co bezpośrednio przekłada się na dużą gęstość, natomiast warstwa górna może być wodą słodką lub o lekkim zasoleniu. Warstwa przy dnie, z uwagi na jego ciemny kolor, absorbuje promieniowanie słoneczne dzięki czemu się nagrzewa. Natomiast fakt, że warstwa ta posiada dużą gęstość sprawia, że zgromadzone ciepło nie jest transportowane ku powierzchni – nie zachodzi konwekcja. To z kolei wpływa na ciągły przyrost temperatury, która może sięgać przy dnie wartości nawet ponad 60 °C.

Zakumulowana energia termiczna zostaje przekazana substancji o niskiej temperaturze parowania (czynnikowi roboczemu) na wymienniku ciepła. Powstała w ten sposób para kierowana jest na turbinę, która wprowadzona w ruch zaczyna napędzać generator. Jest to bardzo wydajny sposób produkcji energii elektrycznej, gdyż elektrownia tego typu praktycznie nie wykazuje ryzyka wystąpienia chwilowych braków w dostawie energii słonecznej. Zasilanie następuje również w nocy, gdyż woda jest doskonałym przewodnikiem ciepła, pochłania duże porcje energii, co z kolei wpływa również na długość okresu wychładzania.

Zwykle zbiorniki takie posiadają głębokość 1 metra. Mogą składać się nawet z ośmiu warstw, z których każda charakteryzuje się innym stężeniem solanki. Sole używane w takich rozwiązaniach to chlorek sodu (NaCl) oraz chlorek magnezu (MgCl2). Pomiędzy warstwą górną – izolującą a dolną – akumulującą znajduje się również warstwa buforowa, stanowiąca strefę bezkonwekcyjną. Typowy zbiornik solarny jest w stanie zaabsorbować w ciągu dnia około 10 kilowatów energii z 1 metra kwadratowego. Biorąc pod uwagę sprawność całego systemu na poziomie 10 proc., z 1 hektara stawu możliwe jest uzyskanie energii elektrycznej na poziomie 1,75 GWh w ciągu roku. Zakumulowana energia może być również źródłem zasilania dla pomp ciepła i silników Stirlinga. Może być wykorzystywany także w ogrzewnictwie, chłodnictwie, procesach odsalania i suszenia. Jeśli zlokalizowany zostanie od strony południowej budynku, zwiększy jednocześnie jego naturalne oświetlenie.

Mimo braku zjawiska konwekcji, istnieje dyfuzja, czyli samorzutne mieszanie płynów w obrębie sąsiadujących warstw. Następstwem tego jest wyrównywanie stężeń, co wpływa na zakłócenie prac systemu. Stwarza to konieczność ciągłego doprowadzania nowych strumieni wody – do strefy powierzchniowej należy dostarczać wodę czystą, natomiast do warstwy akumulacyjnej roztwór solanki o dużym stężeniu. Na wyposażeniu układu musi być zatem instalacja odpowiedzialna za odsalanie wody, którą może stanowić chociażby wymiennik jonitowy lub destylarka. Istnieje możliwość zasilania takich instalacji energią uzyskaną na generatorze.

Do podstawowych zalet stawów solarnych należy możliwość ich stosowania do odsalania wody morskiej, prosta budowa, a także mniejsze straty ciepła do otoczenia w porównaniu z kolektorami słonecznymi. Posiadają również wyższą moc i sprawność niż kolektory. Główne wady natomiast to znacznie większe zużycie wody oraz wyższe koszty inwestycji. Staw słoneczny jest ekonomicznie opłacalnym przedsięwzięciem tylko w przypadku, kiedy teren przeznaczony pod budowę zbiornika cechuje się dużą i płaską powierzchnią, o stałym dostępie do wody oraz niedrogiej soli. Dodatkowo istnieje konieczność utrzymywania właściwego gradientu stężeń (instalacja odsalająca), a także, z uwagi na możliwość poparzenia, niezbędne jest stosowanie zabezpieczeń przed nieprzewidzianym wtargnięciem niepożądanych osób, zwłaszcza dzieci.

Previous Article

Konsekwencje źle dobranej mocy pompy ciepła

Next Article

Wybieramy pompę ciepła. Jak dobrać jej moc?

Dodaj komentarz