Профессор Политехнического института Южно-Уральского государственного университета Евгений Соломин совместно с коллегами из Саудовской Аравии опубликовал описание каскадной установки, объединяющей солнечную и геотермальную энергию для получения холода. Разработка экологична и энергоэффективна.
Главный принцип установки – каскадное использование тепла. Вместо сброса горячих выхлопных газов топливного элемента в атмосферу (при температуре 600–800°C), их энергия последовательно преобразуется в электричество, а затем в холод. Это позволяет повысить общий КПД установки и сократить потери.
Процесс начинается с геотермальной установки – скважины в земле, из которой поступают пар или вода. Однако они недостаточно горячи для запуска турбин, поэтому нужную температуру добирают с помощью солнечной энергии. Геотермальная энергия доступна круглосуточно, а солнечную приходится накапливать и рационально расходовать, сглаживая колебания температуры в течение суток.
После достаточного нагрева рабочая жидкость превращается в пар, вращает турбину, остывает, конденсируется, и насос подаёт её под давлением снова на нагрев – этот процесс называется циклом Ренкина. В установке цикл повторяется дважды: первый раз с использованием жидких углеводородов и другой органики (из-за низкой температуры кипения достаточно геотермального нагрева), второй раз – с обычной водой, нагрев которой происходит за счёт выхлопных газов топливного элемента.
Твердооксидный топливный элемент превращает химическую энергию топлива напрямую в электричество. По сути, это высокотемпературная батарея, работающая непрерывно при подаче топлива и воздуха. Элемент состоит из анода, катода и твёрдого керамического электролита между ними. Керамика должна быть разогрета до 600–1000°C, чтобы начать проводить ионы кислорода. Именно этот жар затем используется по каскаду.
На последнем этапе абсорбционная холодильная машина преобразует остаточное тепло в холод.
Учёные оценивали не только энергетический, но и эксергетический КПД установки. Эксергия показывает «качество» или «полезность» энергии – максимально полезную работу, которую энергия может совершить. Установка демонстрирует следующие характеристики:
- чистая электрическая мощность – 307,62 кВт;
- производство холода – 67,32 кВт;
- энергетическая эффективность – 24,84%;
- эксергетическая эффективность – 18,18%;
- эксплуатационные затраты – 22,61 доллара в час.
По сравнению с базовой версией, используемой сейчас без топливного элемента и парового цикла, новая схема даёт прирост энергетической эффективности на 2,76%, а эксергетической – на 8,12%. Учёные также выяснили, как изменение давления и температуры влияет на энергию, её качество и финансовые расходы, что позволит эксплуатирующему установку инженеру самостоятельно подбирать оптимальные параметры.
Разработка станет отличным решением для регионов с большим количеством солнечных дней и наличием геотермальных источников: Ближний Восток, Камчатка, некоторые районы Урала.