CC BY
281. Н. Г. Махмудов. Автомобилларнинг электр ва электрон жихозлари. Дарслик 2-чи нашр. Тошкент, Ношир, 2011 й., 304 бет.
2. Ютт.В.Э. “Электрооборудование автомобилей” Учебник для студентов выших учебных заведений 4-е издание., Москва: Транспорт, 2006 г,440 ст.
3. Акимов А.В. “Электрооборудование автомобилей”, Москва. За рулем, 2000 г.384 ст.
4. X.Ataxonov, R.Soliev, J.Xolmirzaev. Transport vositalarining elektr jihozlari va elektron tizimlari. O’qyv qo’llanma. Namangan., 2021y. 288bet.
5. Махмудов Г.Н. Автомотранспорт воситаларининг электр жихозлари, Касб хунар коллеж талабалари учун дарслик. Тошкент, Илм зиё. 2014 й.
6. Махмудов Г.Н. Зикриллаев Н.Г. Автомобил двигатели ва бошка агрегатларининг электрон бошкариш, укув кулланма. Тошкент, «Илм зиё», 2014 й.120 бет.
7. Нормирзаев, А. Р., Нуриддинов, А. Д., & Валиева, Г. Ф. (2017). Влияние автомобильного транспорта на окружающую среду. Точная наука, (10), 6-9.
8. Атахонов, Х., Хидиров, У., & Аъзамбоев, М. (2019). Разработка методики экономической оценки расходов автомобильного топлива на автомобильном транспорте. Экономика и социум, (6), 133-136.
9. Нормирзаев, Н., Эшанбабаев, А., Арсланов, Б., Арслонов, Ж., Тухлиев, Г., & Нишанов, Б. (2016). " Technical and economic assessment of efficiency of measures on regulation of traffic on mountain roads", Journal of Mechanical and Civil Engineering. India, 29 February.
10. А.Р.Нормирзаев. Дизел двигателини газ ёкилгисига конвертация килиш муаммолари. Юкори самарали кишлок хужалиги машиналарини яратиш ва улардан фойдаланиш даражасини ошириш. Мавзусидаги Республикаи конференцияси. Гулбахор.2017.86-93 стр.
УДК 621.316.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Бузруков Закирё Саттиходжаевич НамИСИ, к.т.н. доцент. zsbuzrukov@mail. ru. +998972521962
Кохоров Абдуманон Абдумуталиб угли НамИСИ, преподаватель.:+998934481190
Аннотация. Рассматривается теоретический материал по использованию солнечной энергии как одного из видов нетрадиционных источников энергии. Всесторонне исследован вопрос использования солнечных коллекторов, представлены их основные виды. Перечислены технические требования к их работе, без которых данные системы невозможно или нерационально будет эксплуатировать. В расчетной части поставлена цель исследования теоретической возможности использования солнечных коллекторов для нагрева горячей воды в инженерных системах жилого дома в Узбекистане для оценки рациональности установки такой системы. Исходя из результатов расчета сделан вывод возможности реального использования системы на данной территории, а также представлены предложения о дальнейшем развитии данной сферы.
Annotation. Theoretical material on the use of solar energy as one of the types of nontraditional energy sources is considered. The issue of the use of solar collectors has been
comprehensively investigated, their main types are presented. The technical requirements for their work are listed, without which it is impossible or irrational to operate these systems. In the calculation part, the goal is to study the theoretical possibility of using solar collectors for heating hot water in the engineering systems of a residential building in Uzbekistan to assess the rationality of installing such a system. Based on the results of the calculation, a conclusion was made about the possibility of real use of the system in this territory, and proposals for the further development of this area were presented.
Ключевые слова: солнечная энергия, альтернативные источники энергии,
возобновляемая энергия, солнечные коллекторы,горячая водоснабжения, источники энергоснабжения, аккумулятор, энергосберегающая система.
Keywords: solar energy, alternative energy sources, renewable energy, solar collectors, hot water supply, energy supply sources, battery, energy saving system.
Введение.Солнце - это чистый и неисчерпаемый источник энергии. От него исходят тепло, свет и прочие виды излучения, которые содержат колоссальные запасы энергии и отвечают почти за все естественные процессы на нашей планете. Но лишь недавно человек научился использовать эту энергию в своих целях - для нагрева воды и обогрева комнат, а также для охлаждения (благодаря технологии абсорбции холода).
Современные системы отопления и горячего водоснабжения на солнечной энергии
- это экономичные, комфортные и экологически чистые решения. Самое главное преимущество использования солнечных систем - это существенная экономия денежных средств. Кроме того, это полная независимость от теплосетей, электросетей, а также тарифов на тепло, инфляции и нестабильности в бизнесе, поскольку никакое топливо не требуется.
Также необходимо отметить, что стоимость такой установки превышает стоимость традиционной системы отопления и горячего водоснабжения, но экономические преимущества системы очевидны, а при постоянном повышении стоимости энергоносителей они ощутимы уже с первого дня эксплуатации
Солнечная энергия генерируется солнцем: это теплота, излучение и природные циклы (ветер, поток воды и рост растений, движущей силой которых является энергия солнца). Полный поток энергии, излучаемой Солнцем, составляет 3,91026 Дж/с. Солнечное излучение - это электромагнитная энергия, испускаемая солнцем. Солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, рассеивается различными способами (рисунок 1). Энергия солнца чистая, легко используемая, дешевая, поступает постоянно в изобилии, не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, и может быть использована в качестве децентрализованного источника энергии.
Основные достоинства использования солнечной энергии:
- перспектива использования бесплатной тепловой энергии солнца;
- бесшумность работы электростанций и установок, работающих на солнечных батареях;
- отсутствие газовых выбросов, и как следствие, защита экологии окружающей среды;
Разработаны различные технологии использования энергии солнца. От небольших блоков питания для индивидуальных домовых систем до крупномасштабных систем, концентрирующих солнечную энергию. Эти солнечные системы объединяет то, что они позволяют нам диверсифицировать источники энергии, повысить эффективность и, в конечном счете, удовлетворить наши потребности в энергии экологически чистым и рациональным способом. В зависимости от способа использования, солнечная энергия относится к одной из двух категорий: активная или пассивная. В системах преобразования активной солнечной энергии используется солнечный коллектор (рисунок 2).
В свою очередь активная солнечная энергия подразделяется на две категории: тепловую и фотогальваническую солнечные энергии.
Рис.1. Тепловой баланс системы «Земля-атмосфера-космос».
Тепловая солнечная энергия применяется в системах нагрева, например: нагрев воды и воздуха, тепловая обработка пищевых продуктов и сушка, дистилляция и производство пара.
Технологии, использующие тепловую солнечную энергию, применяются при создании:
- полная автономность в работе и независимость от внешних источников энергии;
- возможность собственного изготовления солнечных батарей и коллекторов из подручных средств и использование их в качестве основного или дополнительного источника энергоснабжения;
- длительный срок эксплуатации солнечных установок, который составляет более 30 лет;
- отсутствие постоянных перепадов напряжения, от которого может пострадать чувствительная электроника оборудования;
- менее технологичный и трудоемкий процесс монтажа по сравнению с некоторыми традиционными способами энергоснабжения;
- нет необходимости постоянно подавать внешнее топливо, а самообслуживающийся режим работы солнечных установок позволит вообще забыть об их существовании;
- высокое качество и надежность в работе солнечных батарей даст возможность потребителю долгие годы пользоваться экологически чистой и бесплатной электроэнергией.
Технологии, использующие тепловую солнечную энергию, применяются при создании солнечных водонагревателей, концентраторов, плит и опреснителей. Фотогальваническая солнечная энергия используется для генерации электричества, используя кремниевые элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую, которую можно использовать непосредственно или путем накопления в аккумуляторной системе.
Рис.2.Вакуумный солнечный коллектор (гелиоколлектор)
Обсуждение. Принцип действия солнечных элементов большинства распространенных типов основан на фотогальваническом эффекте. Суть этого эффекта в появлении разности потенциалов (или напряжения) между двумя слоями
полупроводникового материала при падении света на этот двухслойный материал. Солнечные модули (рисунок 3), как правило, изготавливаются из кремния, который обработан таким образом, чтобы при падении света в нем появлялись свободные электроны, создающие электрический ток. В настоящее время это практически единственный материал, используемый для массового производства солнечных фотоэлементов. Кроме него, для производства высокоэффективных солнечных фотоэлементов используется арсенид галлия (GaAs). КПД таких элементов доходит до 2528 % при концентрированной солнечной радиации. Специальные типы фотоэлементов, используемые в космических аппаратах, имеют КПД величиной более 30 %.
Рис.3.Общий вид солнечных фотоэлектрических панелей
Термин пассивная солнечная энергия используется, когда архитектурное проектирование, природные материалы или поглощающие структуры самого здания используются в качестве энергосберегающей системы. Само здание служит солнечным коллектором и аккумулятором солнечной энергии, что позволяет проектировщику уменьшить потребность в решениях для подвода внешней энергии: освещения, обогрева и охлаждения, подачи воды.
Задача пассивного солнечного дизайна - создать такие архитектурно-строительные системы, которые улавливают солнечное тепло, направляют его вглубь помещения, аккумулируют и отдают в нужное время, значительно сокращая расходы на отопление. Существуют различные приемы пассивного использования солнечной энергии для отопления зданий.
Наиболее распространенными из них можно считать устройство световой прозрачной теплоизоляции и встроенных или пристроенных теплиц и зимних садов.
Эффективным является комбинированное использование нескольких систем. Можно выделить 8 принципов солнечного дизайна таких построек:
Принцип 1. Дом размещают так, чтобы стена и кровля были ориентированы на юг с отклонением не более 10-20°. Принимают в расчет особенности ландшафта: деревья, постройки, особенности рельефа, которые могут защитить дом от суровой погоды или ветра зимой или укрыть его от слишком яркого солнца летом.
Принцип 2. При разработке дизайна учитывают годичный цикл. Перед строительством нужно побывать на месте будущего дома несколько раз в течение года, изучить положение солнца, направление и силу ветров.
Принцип 3. Используют надежную тепло- и гидроизоляцию. Вход оборудуют по принципу тамбура с двумя дверями.
Принцип 4. Окна используют в качестве солнечных коллекторов и приспособлений для охлаждения. Вертикальное, ориентированное к югу остекление особенно эффективно для сбора солнечного тепла зимой. Используют шторы или жалюзи из теплоизолирующего материала, чтобы свести к минимуму ночные тепловые потери в течение зимы и не допускать чрезмерного нагревания весной, летом и осенью.
Принцип 5. Нужно учитывать то, что при чрезмерном остеклении дом будет перегреваться.
Принцип 6. Необходимо правильно рассчитать дополнительную систему обогрева.
Принцип 7. Воздухообмен должен происходить через специальные отверстия во внешних стенах с вмонтированными вентиляторами в кухне и ванной, а не через щели в плохо изолированных дверях и окнах.
Принцип 8. Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученной теплоты по помещениям за счет естественной конвекции. Для условий Узбекистана в прогнозируемом периоде (до 2020 г.) составляющая производства электроэнергии с помощью солнечной энергии будет практически не ощутима. Основными направлениями использования энергии солнца будут солнечные водоподогреватели и различные гелиоустановки для интенсификации процессов сушки и подогрева воды в сельскохозяйственном производстве. Кроме того, активная и пассивная солнечная энергия имеет все предпосылки использования при проектировании агрогородков и отдаленных небольших объектов в сельском хозяйстве.
Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют ежегодно экономить традиционное топливо:
до 75 % - для горячего водоснабжения (ГВС) при круглогодичном использовании; до 95 % - для ГВС при сезонном использовании; до 50 % - в целях отопления; до 80 % - в целях дежурного отопления.
Следует учитывать, что каждая система индивидуальна, и процент экономии энергоресурсов при использовании гелиосистемы необходимо рассчитывать.
Прямая солнечная радиация - солнечная радиация, поступающая на поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнечного диска.
Рассеянная солнечная радиация - солнечная радиация, поступающая на поверхность от небосвода после рассеяния в атмосфере.
Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность - солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность в виде прямой и рассеянной радиации. Суммарная солнечная радиация на вертикальные поверхности - солнечная радиация, поступающая на вертикальные поверхности в виде прямой, рассеянной и отраженной от горизонтальной поверхности радиации.
Системы солнечного теплоснабжения (ССТ) - системы, предназначенные для преобразования солнечной энергии в тепловую в целях ее дальнейшего использования для
нужд систем ГВС и отопления.
Солнечный коллектор (СК) - устройство для поглощения солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию. Является обязательным элементом любой гелиосистемы. Бак-аккумулятор (БА) - емкость, предназначенная для тепловой энергии, отведенной от контура солнечных коллекторов. Станция подключения (СП) - насосносмесительная группа, предназначенная для гидравлического подключения контура солнечных коллекторов и системы теплоснабжения бака-аккумулятора. Коэффициент замещения тепловой нагрузки объекта гелиосистемой - доля солнечной энергии, которая может покрыть тепловую нагрузку объекта за некоторый рассматриваемый период времени, чаще всего сезон или год. Полезная теплопроизводительность гелиосистемы -количество тепловой энергии, отведенное от ССТ за рассматриваемый период времени (обычно сезон или год), с учетом тепловых потерь.
Удельная теплопроизводительность гелиосистемы - полезная производительность ССТ, отнесенная к одному квадратному метру площади солнечного коллектора (коллекторного поля). В зависимости от предполагаемого использования и с учетом выбора того или иного технического решения системы солнечного теплоснабжения можно классифицировать следующим образом:
- по назначению (системы горячего водоснабжения, системы отопления и комбинированные системы);
- по техническому решению (круглогодичные и сезонные системы); - по устройству (одноконтурные, двухконтурные и многоконтурные системы);
- по типу (открытые (не застекленные), плоские и вакуумные системы).
Рис.4.Номограмма для приблизительного расчета солнечных коллекторов для системы горячего водоснабжения индивидуального дома (до 8 чел.)
Конструкторский тепловой расчет, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, обеспечивающей передачу заданного количества теплоты от одного теплоносителя к другому. Для выявления возможности использования имеющихся аппаратов в тех или иных целях производят поверочный тепловой расчет, определяя
конечные температуры теплоносителей tg и th и количество переданной теплоты.
Все принципы конструирования солнечных коллекторов сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и максимальному снижению тепловых потерь.
Открытые солнечные коллекторы представляют собой одну лишь поглощающую панель (без корпуса), которая обычно изготавливается из пластика или резины, стойкой к ультрафиолетовому излучению, и закрепляется непосредственно на крыше. Преимущества таких систем: возможный самый высокий КПД системы, простота, надежность, легкий монтаж, малый вес. К недостаткам систем можно отнести: значительное снижение КПД с увеличением разницы температур, большая зависимость от погодных факторов (облачности, ветра и т. д.), ограниченное применение (используется только для бассейнов), большая чувствительность к минусовым температурам, малый эффективный срок эксплуатации.
Плоские гелиоколлекторы (рисунок 5) имеют конструкцию, главным элементом в которой является абсорбер, поглощающий солнечное излучение. Сверху коллектор имеет прозрачное покрытие (обычно стекло).
Для повышения эффективности коллектора, используют специальное оптическое покрытие из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов, имеющее коэффициент пропускания до 95 % . Нагреваясь, покрытие излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне (данный спектр излучения практически не пропускается стеклом). Таким образом, достигается аккумуляция солнечной энергии внутри коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется при помощи конструктивных элементов, выполненных, как правило, из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляется теплоносителем - водой или раствором незамерзающей жидкости.
Рис.5.Принципиальная схема коллектора со специальным покрытием.
Преимущества таких систем состоят в способности очищаться от снега и инея, высокой производительности летом, возможности установки под любым углом.
К недостаткам систем можно отнести высокие тепловые потери, низкую работоспособность в холодное время года, сложность монтажа, связанную с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора, высокую парусность при установке на подставке. Кроме того, в системах с плоскими коллекторами существует проблема размножения бактерий и других микроорганизмов, которой нет в системах с
вакуумными коллекторами.
Расчеты системы солнечного теплоснабжения выполняют специализированные организации, но в первом приближении можно выполнить их самостоятельно с использованием номограммы (рисунок 4). Это приблизительный расчет.
Солнечные коллекторы нужно ориентировать по возможности строго на юг. Однако, без существенного падения производительности, можно отклониться от южного направления на 30°. Для фотоэлектрических панелей можно без сущеественного ухудшения отклоняться до 45°. Превышение этих рекомендуемых цифр сильно ухудшит эффективность системы солнечного тепло- или электроснабжения.
В случае применения замкнутой водонагревательной солнечной системы с незамерзающем теплоносителем, вода будет продолжать нагреваться и при отрицательных температурах, но из-за отношения площади коллектора к площади бака (рисунок 6), обеспечит в полной мере прежде всего индивидуальные дома. При принудительной циркуляции и при включении в работу нагрева воды котла в случае недостаточной температуры воды в баке, возможна более экономичная система отопления индивидуального дома с использованием солнечной энергии. Таким образом, технологии использования солнечной энергии особенно перспективны для одноквартирных домов; в крупных городах с высокой плотностью застройки их устройство и эксплуатация затруднены. С некоторыми модификациями эти технологии могут быть применены при отрицательных температурах наружного воздуха; эффект от их использования будет зависеть в большей степени от количества солнечной радиации.
Рис.6. Схема солнечного водоснабжения с принудительной циркуляцией: 1-коллектор; 2-бойлер; 3-контрольная панель; 4-насос; 5-расширительный бак; 6-источник дополнительного подогрева; 7-выход горячей воды; 8-вход холодной воды.
Современные солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре. Стоимость солнечной установки можно существенно уменьшить путем совмещения конструкции кровли с плоским солнечным коллектором. При этом на стадии проектирования необходимо грамотно выбрать ориентацию кровли, строительные конструкции, место
размещения бака-аккумулятора, способы очистки. Сопротивление теплопередаче утеплителя солнечного коллектора в этом случае должно быть не меньше требуемого для кровли, а светопропускающая панель должна надежно выдерживать снеговую нагрузку. Тепловая эффективность коллектора повышается путем снижения оптических и тепловых потерь при применении нескольких слоев остекления, селективного покрытия, вакуумизации пространства между луче-поглощающей поверхностью и прозрачной изоляции, применении в конструкции солнечных концентраторов с гелио слежением [7].
Выводы. Системы горячего водоснабжения с использованием энергии солнца требуют еще много доработок, особенно для применения в Узбекистане. За границей использованию возобновляемых источников энергии уделяется гораздо больше внимания, пока мы все еще продолжаем тратить ограниченные природные топливные ресурсы. Возможно, прогнозируемый многими энергетический кризис подтолкнет российских ученых и инженеров к активному развитию использования неисчерпаемых энергетических ресурсов, которые находятся в свободном доступе по всей планете. Повышение КПД солнечных коллекторов может значительно сократить требуемую для их установки площадь. Применение солнечной энергии в системах теплоснабжения может быть эффективным хотя бы в летний период, поскольку солнечная радиация в это время довольно высока.
По крайней мере, для частных домов солнечные системы могут стать более выгодным с экономической точки зрения вариантом, поскольку расходы для таких домов не велики и легко могут быть покрыты за счет энергии солнца.
Несмотря на достаточную изученность вопроса в научном отношении использование солнечной энергии при теплоснабжении систем горячего водоснабжения в индивидуальном жилищном строительстве имеет большие перспективы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тараненко Д.В. — Опыт использования солнечной энергии для создания комфортной среды в зданиях // Архитектура и дизайн. - 2018. - № 3. - С. 20 - 29.
2. Соловьев А.К. Пассивные дома и энергетическая эффективность их отдельных элементов //Промышленное и гражданское строительство. 2016.№ 4. С. 46-53.
3. Ананьев А.И. Физико-технические основы создания энергоэкономичных кирпичных стен для жилых зданий / А.И. Ананьев // Универсальный справочник застройщика. Теплый дом. - М.: ИА NORMA, 2000. - С. 115-120.
4. Береговой А.М. Энергоэкономичные и энергоэффективные здания. [Текст]: 2-е изд./Береговой А.М. - М.: Изд. АСВ: ПГАСА, 1999. - 160 с.
5. Боронбаев Э.К. Графики оптимизации круглогодичных режимов тепло- обеспечения микроклимата в здании [Текст] / Э.К. Боронбаев // Изв. вузов. Строительство, 2004. - № 10. - С.81-86.
6. Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учеб. пособие / пер. с англ. под ред. С.П. Малышенко, О.С. Попеля. - Долгопрудный: Интеллект; М.: Изд. дом МЭИ, 2010. - 704 с.
7. THE SRB SOLAR THERMAL PANEL C. Benvenuti - SRB Energy, c/o CERN - 1211 Geneve 23, Switzerland - DOI: 10.1051/epn/2013301http://www.europhysicsnews. org or http://dx.doi.org/10.1051/epn/2013301.
8. Buzrukov, Zakiryo, Ilkhom Yakubjanov, and Mukhtorzhon Umataliev. "Features of the joint work of structures and pile foundations on loess foundations." E3S Web of Conferences. Vol. 264. 2021.
9. Sattikhodzhaevich, Buzrukov Zakiryo. "WAYS TO SOLUTION THE UNLOADING OF THE TRANSPORT NETWORK IN MODERN CITIES." INTERNATIONAL JOURNAL
