Аналитический обзор по
тепловым методам воздействия на пласт для увеличения нефтеотдачи. Солнечная
энергия.
к.т.н., доцент
Джексенбаев Е.К., к.т.н., доцент
Джексенбаев Н.К., магистрант 2г.о. 6М070800-«нефтегазовое дело» Раев Н.
Казахский
национальный технический университет имени К.И.Сатпаева
г.Алматы, ул.Сатпаева, 22, 71_erzhan@mail.ru
Почти
все источники энергии, так или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть,
природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она
заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла
и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в
результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо.
Солнце
каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и
горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот
воды на Земле.
Во
всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие
промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти
способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца,
падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. У солнечной энергии два основных преимущества.
Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам:
длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет.
Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических
последствий.
Гелиоэнергетика
(от греческого Helios - Солнце) -
понятие, введенное учеными для обозначения солнечной энергетики. Является одним
из наиболее перспективных видов альтернативной энергетики.
Солнце
– единственный источник энергии, обеспечивающий в глобальном масштабе само
существование жизни на нашей планете. Известно, что уровень излучения нашей
звезды остаётся примерно постоянным на протяжении всего времени наблюдений.
На
уровне моря эта величина примерно равна 1 кВт/м². В обозримом будущем это
излучение сохранится, так как жёлтые карлики, а именно к такому типу относится
Солнце, имеют значительный по продолжительности период жизни – несколько
миллиардов лет.
Однако
использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество
этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие
количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади.
Использование
солнечной энергии, в первую очередь, предполагает необходимость коллекторных
поверхностей большой площади, возникает
проблема нестабильности энергоснабжения, следовательно необходимы накопители
солнечной энергии.
Во-вторых,
тепловое и световое излучение Солнца необходимо преобразовывать в механическую
или в электрическую энергию.
В
1993 году учеными Б.В. Тарнижевский, Ф.А. Поливода и И.Т. Атманов запатентовали
следующую конструкцию солнечного коллектора, который содержит корпус 1, в основании
которого размещена теплопоглощающая панель 2. В корпусе герметично установлена
прозрачная изоляция в виде двух прозрачных пластин 3 и 4. К тыльной стороне теплопоглощающей
панели 2 адгезионно плотно примыкает теплоизоляция, состоящая из трех слоев:
термостойкого слоя 5, теплоизоляционного слоя 6 и гидрозащитными мембранами 8,
выполненными из полиуретана. При этом термостойкий слой 5 примыкает к теплопоглощающей
панели 2, а гидрозащитный слой 7 и корпус 1 выполнен в виде единого блока из
пенополиуретана низкой пористости. Термостойкий 5 и теплоизоляционный 6 слои выполнены из полиуретана высокой пористости (рис.
1.5).
Рис 1. – Солнечный коллектор
Солнечный
коллектор работает следующим образом.
С
восходом солнца солнечные лучи проникают сквозь прозрачные пластины 3 и 4 и
нагревают теплопоглощающую панель 2, тепло от которой используется
потребителем. Теплоизоляция солнечного коллектора обеспечивается следующим
образом.
Случеприемной
стороны теплопоглощающая панель 2 изолирована от внешней среды прозрачными
пластинами 3 и 4. С тыльной стороны теплопоглощающая панель 2 изолирована от
внешней среды анизотропной теплоизоляцией. Для исключения тепловых мостов размеры
теплоизоляции с каждой стороны на 10-20 мм больше аналогичных размеров, теплопоглащающей
панели 2.Объединение корпуса 1 с гидрозащитным слоем 7 в единый блок
обеспечивает высокую механическую прочность солнечного коллектора за счет
образования «коробчатой конструкции».
Предложенный
солнечный коллектор позволяет увеличить термическое сопротивление
теплогидроизоляции при сохранении высокой термостойкости за счет использования
в изоляционном слое, находящемся на более низком температурном уровне, чем термостойкий
слой пенополиуретана, обладающего более низким коэффициентом теплопроводности
термостойкого слоя. Кроме этого, размещение между слоями гидрозащитных мембран
позволяет увеличить гидростойкость теплоизоляции. Выполнение же гидрозащитного
слоя и корпуса в виде единого блока из пенополиуретана с низкой пористостью
позволяет повысить механическую прочность корпуса и сохранить высокую
гидростойкость теплоизоляции, а также снизить вес солнечного коллектора.
В
1995 году был предложен солнечный приемник, который содержит трубчатый кожух с
окном для притока падающего концентрированного солнечного излучения, объемный
солнечный поглотитель, установленный внутри кожуха и имеющий множество элементов,
отдельных друг от друга промежутками и выступающими свободными концами в сторону
окна, средства для введения рабочей жидкости в объемный солнечный поглотитель
поперек указанных элементов и средства для удаления нагретой рабочей жидкости,
отличающийся тем, что поглотитель выполнен в виде полого аксиально-симметричного
трубчатого тела, коаксиального с кожухом, выполненным трубчатым, элементы
поглотителя направлены к оси приемника, а окно выполнено в виде
аксиально-симметричного трубчатого усеченно-конического тела, расположенного в
полости поглотителя вдоль его оси.
Большие
зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до
такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии
для того, чтобы вращать турбину. Фирма "Luz Corp." установила
огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят 354 МВт
электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество
с КПД около 15 %.
Все
описываемые технологии, кроме солнечных прудов, для достижения высоких
температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей
поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из
концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы
передачи энергии.
Солнечное
тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают
параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические
установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими
ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла.
Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции - это то, что такая
технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то
есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть
необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить
экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю
стоимость.
Солнечные
параболические концентраторы. В этих установках используются параболические
зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках,
содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 оC и
прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый
пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства
электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать
прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как
правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы
слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.
Оценки
технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций
башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой
концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и,
соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта
эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов
параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной
технологией ближайшего будущего.
Солнечная
установка тарельчатого типа. Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею
параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой),
которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной
точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 оС и
непосредственно применяется для производства электричества в небольшом
двигателе и генераторе, соединенном с приемником.
В
настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько
опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая
оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей
наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и
параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения
солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния
удалось добиться практического КПД 29%.
Вдобавок
к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой
оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для
автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном),
соединенных с электросетями коммунальных предприятий.
Эта
технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP
(Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система
параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из
114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого
давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного
производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования
воздуха на той же трикотажной фабрике. В октябре 1989 г. энергокомпания закрыла
станцию из-за повреждений на главной турбине и нехватки средств для ремонта
станции. Совместное предприятие "Sandia National Lab" и "Cummins
Power Generation" в настоящее время пытается поставить на коммерческие
рельсы систему мощностью 7,5 кВт. "Cummins" надеется продавать 10 000
единиц в год к 2004 г. Совместным использованием параболических зеркал и
двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы
"Stirling Technology", "Stirling Thermal Motors" и
"Detroit Diesel" совместно с корпорацией "Science Applications
International Corporation" создали совместное предприятие с капиталом 36
млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя
Стирлинга.
Литература.
1. Надиров Н.К. Энергия нефти или солнца// нефть
и газ.2005 №2. 111-118 с.
2. Надиров Н.К. Безальтернативная альтернатива
нефти и газа // Нефть и газ. 2007.№2. 3-14 с.
3. Надиров Н.К., Низовкин В.М. Использование
возобновляемых источников энергии для добычи, транспорта и переработки
высоковязких нефтей.// Нефть и газ. 2007.№3. с. 64-68.
4. Надиров Н.К., Низовкин В.М.
Энергоэкологическая ситуация ХХI века. Алматы, 2008. 148
с.
5. Демельшин И. Когда кончается нефть…// Нефть и
газ. 2008. №2. 126-128 с.
7. Белосельский Б.С.
Технология топлива и энергетических масел
Москва
Издательство МЭИ. 2003.
8. Создание гелиосистем аккумулирования,
теплоэнергоснабжения
нефтепромысловых
объектов. Отчет по НИР. НИЦ «Нефть» НИА
2005.92 с.
9. Надиров Н.К., Низовкин В.М. Способ
транспорта и переработки
нефтей
с использованием солнечной энергии. Предпатент РК.
10. Ахмеджанов Т.К., Жайылхан Н.А. и
др. Солнечный коллектор.
Предварительный
патент. 2003
11.
Надиров Н.К. Развитие возобновляемой энергетики или безальтернативная энергетика. 3-15 с.
12. Низовкин В.М.,
Надиров Н.К. Новые разработки по солнечно – комбинированной энергетике. Физико
– химические основы преобразования
солнечной энергии. Алматы. 2006.