Инновации 15 сентября 2023

Подморозить вечную мерзлоту

Ученые проверили эффективность охладительных установок на солнечных батареях в зависимости от принципа их работы и наличия аккумуляторов. Отказ от аккумуляторов в пользу тепловых насосов с регулируемой мощностью снизил стоимость установок на 44%
Подморозить вечную мерзлоту
Установка, которую собрали ученные, предназначенная для сохранения грунтов в основании дорожных насыпей
Егор Локтионов

Использование тепловых насосов с регулируемой мощностью вместо аккумуляторов снизило стоимость охладительных установок на солнечной энергии на 44%. Эти устройства становятся популярны в северных регионах, где их используют для сохранения вечной мерзлоты. При этом несколько маломощных тепловых насосов, использующих энергию от солнечных батарей на охлаждение грунта, оказались на 30–35% эффективнее одного высокомощного.

Из-за климатических изменений увеличивается количество тепла, поступающего на планету с солнечными лучами. Повышение температуры приводит к таянию вечной мерзлоты в северных регионах. В результате грунт становится нестабильным и менее прочным, что приводит к повреждению и обрушению зданий и сооружений. Например, таяние вечной мерзлоты изменило морфологию почвы в Альпах, в результате чего в 2016 году деформировался фундамент Рифуджо Казати — четырехэтажного здания, используемого альпинистами в качестве места для отдыха. Кроме того, из-за роста температуры люди тратят все больше электричества на охлаждение помещений.

magnifier.png Несмотря на то что системы без аккумуляторов работали лучше, ученые считают, что аккумуляторы небольшой емкости могут улучшить работу установки в плохую погоду

В ответ на усугубление этой энергетической проблемы ученые разработали «охладители» на солнечных батареях. Эти устройства используют солнечную энергию для замораживания грунта и охлаждения помещений. Солнечная батарея генерирует энергию, за счет которой тепловой насос качает воду и охлаждает фреон — хладагент, использующийся в кондиционерах и холодильниках. Холодный фреон отбирает тепло у грунта. При этом в яркий день избыточная энергия запасается в аккумуляторах и используется позже, например в облачную погоду. Однако высокая стоимость аккумуляторов мешает массовому использованию «охладителей». Поэтому исследователи предложили установку с тепловым насосом, который работает с разной частотой в зависимости от объемов вырабатываемой энергии. Такую нагрузку называют адаптивной. В яркий день насос работает на полную мощность, а в облачный, когда энергия генерируется в меньшем количестве, — слабее. Тем не менее остается неясным, какие установки выгоднее использовать в северных регионах: на аккумуляторах или с насосами, работающими с разной частотой.

Ученые из Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана, Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (Архангельск) и Федеральной политехнической школы Лозанны
(Швейцария) проверили эффективность охладительных установок на солнечных батареях в зависимости от принципа их работы и наличия аккумуляторов. Для этого авторы использовали разнообразные метеорологические данные с временным разрешением в один час, собранные в Северной Норвегии в течение года. С помощью расчетов исследователи сопоставили погодные условия с качеством работы устройств.

magnifier.png Ученые разработали «охладители» на солнечных батареях. Эти устройства используют солнечную энергию для замораживания грунта и охлаждения помещений

Адаптивные установки с тепловым насосом показали большую эффективность, чем классические аналоги с аккумуляторами, — они снизили стоимость охлаждения на 44%, сохранив качество промерзания почвы. При этом замена одного теплового насоса высокой мощности на много маленьких маломощных увеличила время работы системы на 30–35%, так как установка начинала генерировать энергию при меньшем освещении. Устройство работало в более широком диапазоне освещенности, что улучшило качество промерзания почвы. Несмотря на то что системы без аккумуляторов работали лучше, ученые считают, что аккумуляторы небольшой емкости могут улучшить работу установки в плохую погоду. В таком случае даже в дождь установки продолжат охлаждать грунт за счет запасенной в аккумуляторах энергии.

«В дальнейшем мы планируем построить установку для стабилизации береговых обрывов и создать для Арктики технологию строительства на легких фундаментах. Поскольку мы сильно уменьшили слой грунта, который оттаивает в течение теплого сезона, появилась возможность отказаться от свай, а значит, ускорить и удешевить строительство на вечной мерзлоте», — рассказывает руководитель проекта Егор Локтионов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник С(А)ФУ имени М. В. Ломоносова.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Energies.

По материалам пресс-службы РНФ

Темы: Инновации

Еще по теме:
01.03.2024
Американская корпорация Apple решила свернуть долгосрочный секретный проект по самостоятельной разработке электромобилей...
27.02.2024
В «Росатоме» создали баллоны сверхвысокого давления (на 700 атмосфер) для хранения и транспортировки водорода. С...
20.02.2024
Ученые из ИТМО разработали усовершенствованную систему сканирования пространства. Она формирует тепловизионную панораму ...
19.02.2024
Ученые Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова развернули научный поиск подходящих со...
Наверх