В любом преобразователе солнечной энергии одной из важнейших частей является теплоизоляция материала, который аккумулирует солнечное тепло. Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода. В солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости.

Солнечный пруд представляет собой обычный водоем (искусственный или природный разницы не имеет), в который определенным образом заливается вода. В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной степенью солености, причем наиболее соленый слой (0,5 м) располагается на дне. Дно водоема окрашено в темный цвет. Тогда солнечное излучение эффективно поглощается дном водоема и придонный слой воды нагревается. При нагревании плотность воды уменьшается. Если над нагретой водой лежит более плотный слой, то возникает процесс конвекции тепла и нагретая вода поднимается вверх. В таком случае теплоизоляция аккумулирующей системы нарушается. Для исправления этой ситуации необходимо повысить первоначальную плотность ненагретой воды, чтобы при повышении температуры она оставалась в придонной области. Наиболее естественным способом является увеличение солености воды. Тогда конвекция подавляется и придонный слой нагревается все сильнее (вплоть до 90°С, иногда - до кипения), при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды (порядка 20^оС). Таким образом, по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли в которых возрастает от поверхности к дну. Верхний тонкий слой (10-20мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, а второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу солнечной электростанции (СЭС) при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

 

Солнечные пруды содержат в себе не только коллектор, но и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Они могут быть использованы в солнечных установках отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

С учетом особенностей российского климата центром системы комплексного использования возобновляемых источников может быть здание с расположенной на его южной стороне ограждающей конструкции, отражающей солнечную энергию в пруд. В то же время здание затеняет теплоизолированный котлован со льдом, находящийся с северной стороны. Система самоэнергообеспечения комплектуется в зависимости от потребности базовыми модулями: гелиохолодильником, тепловым насосом, водопроводом и воздуховодом, гелиоэлектростанцией.

Еще в 50-х годах вблизи Мертвого моря был построен первый искусственный солнечный пруд, и температура его придонных (насыщенных солями) слоев оказалась около 96оС. Исследования показали, что эту горячую воду можно из водоема извлекать, пропускать через теплообменник и возвращать обратно, не нарушая при этом общего режима пруда. А в качестве растворяемых в водоеме солей использовать, например, NaCl в количестве 300 кг/мз, а также MgCl2 и NaHCO3.

Можно, однако, обойтись и без соли, применив вместо этого для подавления конвекции между слоями прозрачные мембраны из полиэтиленовой пленки. А можно - и без того, и без другого, и тогда солнечный пруд окажется конвекционным, то есть вода в нем будет перемешиваться. Слой ее в этом случае должен быть тонким - не более 10 см, а отгороженное пеноизоляцией от грунта днище - выкрашенным в черный цвет. От воздуха вода тоже должна быть изолирована, например стеклом.

Но все же неконвекционные природные солнечные пруды обходятся дешевле, а наиболее экономичными оказываются те из них, акватория которых не менее нескольких квадратных километров (то есть мелководные озера или лиманы). На территории СНГ перспективны с этой точки зрения Аральское море и залив Кара-Богаз -Гол.

Обеспечение летом малых объектов холодом и теплом осуществляется следующим образом. Комплекс среднетемпературного хладоснабжения работает от солнечной энергии, запасенной солнечным соляным прудом. Гидродинамический солнечный соляной пруд – это не только аккумулятор, но и мощнейший концентратор солнечной энергии. Плотность потока тепловой энергии в пруду (при известной инерционности и технологии использования энтальпии) в 100 тыс. раз выше солнечной постоянной (1300 Вт/м²). Высокая концентрация низкопотенциальной тепловой энергии в пруду обеспечивается за счет уникального свойства воды – исключительно высокой плотности аккумулирования тепловой энергии – 0,2 МДж/кг. Для сравнения: электрическая плотность энергии свинцового аккумулятора составляет 0,1 МДж/кг, а плотность механической энергии гидравлической системы использования потенциальной энергии воды – 0,001 МДж/кг. Теплота из пруда по гравитационной тепловой трубе подается хладомету (компрессору), где в термодинамическом цикле преобразуется в энергию потока хладагента. Неиспользованная в цикле теплота по трубе отводится в котлован, заполненный льдом, вызывая его таяние. Отражающая поверхность и щит обеспечивают увеличение поступления солнечной энергии в пруд, а теплоизоляционное покрытие исключает таяние льда от наружного воздуха.
Хладомет предназначен для охлаждения замкнутых объемов посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру компрессионной холодильной установки: конденсатор-вентиль-испаритель. В испарителе за счет теплоты помещений и находящихся там предметов, продуктов, людей происходит парообразование низкокипящего рабочего тела – хладагента. Образующийся пар хладагента сжимается с повышением температуры (зависящей от степени сжатия) и затем поступает в конденсатор, в котором он конденсируется, отдавая теплоту в котлован со льдом. Получающийся при этом конденсат подается в вентиль, в котором его давление понижается, после чего хладагент поступает в испаритель, и цикл повторяется. В процессе работы температура в помещении понижается, теплота выводится наружу.
За счет размещения конденсатора во льду (талой воде) температура его составляет не больше 10°С, что значительно ниже, чем у традиционных электроприводных холодильников, т. е. расход энергии на сжатие хлад­агента в хладомете несравненно меньше. Кроме того, первая ступень хладомета – водомет – обладает сверхвысоким КПД.