CC BY
96ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО КЛИМАТА Жайылхан Н.А.
Жайылхан Нурадин Алиевич - кандидат технических наук,
доцент,
кафедра строительного инжиниринга, Каспийский университет технологии и инжиниринга им. Ш. Есенова, г. Актау, Республика Казахстан
Аннотация: в статье рассматриваются возможности применения гелиотехнических устройств, для бытовых нужд и промышленных целей в условиях Казахстана. Поиск альтернативных источников энергии, прежде всего солнечной, особенно на таких энергоемких производствах по производству бетонных и железобетонных изделий. Ключевые слова: солнечная радиация, световой климат, твердения бетона, парникового эффекта,
гелиотермообработка, термопокрытия.
Сопоставив, результаты измерения различных пунктов и убедившись в их совпадении при составлении таблиц интенсивности радиации, данные для некоторых пунктов, заимствованы из актинометрического справочника. Число часов солнечного сияния за год на Севере Казахстана и в предгорьях Заилийского Алатау широтой 40-50°с.ш. (где существенное влияние оказывают горы) достигают 2000 часов, а Бетпак-Дале и Чимкентской области 2936, 2892 часа соответственно. К территориям, где продолжительность дневного сияния достигает 8 часов и более в течение 6 месяцев, относятся, за малым исключением районы, расположенные южнее линии Атырау - Бетпак-Дала - Зайсан. Особый интерес для использования солнечной энергии представляет Мангистауский регион. Наибольшее количество солнечной энергии, территория РК получает в течении июля и августа, а самые низкие в декабре. Крайний север Казахстана получает весной и осенью равное количество радиации, в то время как южные районы республики получают радиацию осенью в
19
полтора раза больше, чей весной. Это объясняется наибольшей облачностью весной и малой осенью. Если летом доля рассеянной радиации сравнительно невелика и составляет около 30%, то в зимне-весенние месяцы она превышает 50-60% от суммарной радиации. Особенно богат прямой радиацией юг Казахстана и является весьма перспективным для развития гелиотехники в республике[1].
В г. Алматы полуденная высота Солнца меняется в течение года в пределах от к0 = 23°18' до к0 = 70°12'. Наибольшие величины прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность в Алматы отмечаются в весенний период, когда солнце поднимается довольно высоко, сохраняя еще невысокую температуру, и содержит мало водяных паров и пыли. В конце летнего периода увеличение абсолютной влажности и запыленность воздуха сильно снижают интенсивность прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность (таблица 1).
Таблица 1. Интенсивность солнечной радиации в истинный
полдень
Месяцы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Средняя на
перпенд. к лучам 1,27 1,3 1,33 1,31 1,30 1,30 1,27 1,25 1,26 1,28 1,28 1,26
поверхности
На горизонт. поверхности 0,56 0,7 0,93 1,07 1,18 1,22 1,17 1,08 0,96 0,80 0,61 0,30
Максим. на
перпенд. поверхности 1,42 1,46 1,52 1,46 1,47 1,39 1,36 1,38 1,43 1,43 1,44 1,40
к лучам
солнца
Максимальная величина интенсивности солнечной
л
радиации, доходящей до 1,52 ккал/(см •мин) перпендикулярную к лучам солнца поверхность наблюдается при наилучшей прозрачности атмосферы. Среднегодовая действительная сумма прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам Солнца поверхность для Алматы
л
равна 143 ккал/см, на горизонтальную поверхность 82 ккал/см2, что составляет 52 и 57% от возможных сумм. Наиболее солнечными сезонами года для Алматы является лето и осень, когда действительные суммы радиации составляют 64,1 и 58% от возможных. В Алматы многолетняя средняя за год сумма солнечной радиации равна 126,4
Л
ккал/(см -год), эта сумма состоит из 65% прямой и 35% рассеянной радиации. По результатам наших исследований и по данным других авторов наибольший максимум солнечной радиации в Алматы, Ташкенте, Кисловодске наблюдается в весенний период, тогда как в летнее время в связи с увеличением влажности и особенно запыленности воздуха в Алматы и Ташкенте по сравнению с Кисловодском отмечается понижение солнечной радиации (таблица 2).
Таблица 2. Действительные средние месячные и годовые
2
суммы инсоляции и рассеянной радиации ккал/(см месяц)
Месяцы Алматы Ташкент Кисловодск
рассеянная радиация суммарная радиация рассеянная радиация суммарная радиация рассеянная радиация суммарная радиация
1 2,72 4,86 1,05 3,59 2,76 4,51
2 3,46 6,52 3,85 6,82 3,24 6,20
3 4,10 9,12 4,10 9,62 4,97 9,14
4 4,86 11,02 4,07 12,92 5,13 10,73
5 5,40 15,42 4,42 17,13 6,08 12,60
6 5,14 15,17 2,66 18,41 5,66 14,17
7 4,52 18,16 2,15 18,62 5,64 13,92
8 3,90 15,81 1,12 16,44 5,28 13,41
9 3,08 12,08 3,52 14,51 3,53 10,16
10 2,70 8,44 1,94 9,32 2,97 7,48
11 2,09 4,81 1,56 3,13 2,31 5,15
12 2,12 3,97 0,95 2,70 2,88 3,92
год 44,00 126,45 31,41 135,21 49,76 111,33
Рассматривая таблицы суммарной и рассеянной радиации по сезонам года, видим, что интенсивность рассеянной радиации в Ташкенте в течение всего года значительно меньше, чем интенсивность той же радиации в Алматы.
Однако, как месячные, так и общая суммарная радиация в Ташкенте превышает суммарную радиацию Алматы, за исключением зимы. Это объясняется большей величиной прямой солнечной радиации, падающей на территорию Ташкента, чем на Алматы. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что средняя температура воздуха в Алматы за год равна = +8,7°С при значительных суммах солнечной радиации и сравнительно равномерном их распределении в течение года. Это характеризует Алматы в радиационном отношении как пункт, позволяющий почти круглогодично использовать низкотемпературные гелиоустановки в течение всего года.
Мангистауская область, от других регионов Казахстана отличается резко континентальным, засушливым знойным продолжительным летом, низкой относительной влажностью, малой облачностью. Здесь самая наибольшая в Казахстане солнечная радиация - до 1 кВт/м . Этим объясняются высокие летние температуры до 27-32°С, иногда достигающие 47°С. [2].
Ниже приведена диаграмма изменения среднемесячных температур метеостанции Форт-Шевченко, находящейся на территории Мангистауской области (продолжительность наблюдений - 15 лет) (рисунок 1).
Месяц
Месяц
Рис. 1. Диаграмма изменения среднемесячных температур по станции Форт-Шевченко 22
При высоком дефиците влажности воздуха и потенциально большой испаряемости (1200 мм в год), среднегодовая сумма атмосферных осадков варьируется от 140 до 200 мм. Умеренная географическая широта (42°с.ш.), отсутствие лесного покрова, весьма слабая облачность и продолжительность солнечного сияния обуславливает большой приток солнечного тепла, в среднем до 9-10 кВт в день. Лето жаркое, сухое, продолжительное с максимальной температурой воздуха в июле до 47°С, в январе температура понижается до минус 38°С. Годовая амплитуда среднемесячных температур составляет 28-38°С. Почти в каждом месяце наблюдаются сильные ветры со скоростью 6,4 м/с, с господствующим юго-восточным направлением [2].
Мангистауская область, согласно карты светового климата, расположена в V, наиболее экстремальной климатической зоне, совпадающей с гипертермической. Продолжительность периода с температурой наружного воздуха Тн>21°С за год составляет 100 дней. Вероятность среднего годового сияния Солнца более 50% за период с октября по март [2,3,4], что свидетельствует об эффективности использования солнечной энергии для тепловой обработки бетона и других нужд производства в этом регионе Казахстана. Наибольшими ее значениями характеризуются территории, прилегающие к Туркменистану, - 2500 кВтм2, наименьшими - горные районы Мангистауского района - 1605 кВтм . Основная специфическая черта солнечной радиации, как источника энергии, заключается в том, что любое гелиотехническое устройство всегда работает по неуправляемому природному режиму. Ведь для того, чтобы гелиоустановка аккумулировала солнечную энергию, она сначала должна принять и трансформировать солнечную энергию, т.е. возможно аккумулирование только трансформированной энергии, а сам процесс аккумулирования дает возможность только регулирования процесса передачи энергии потребителю.
Строительство относится к числу наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства. Производство бетона, как основного строительного материала, связано с затратами
значительного количества топливно-энергетических ресурсов в виде низкопотенциального тепла. Получаемая тепловая энергия заводами по производству сборных бетонных и железобетонных изделий расходуется на технологические процессы (75%) и на вспомогательные цели (25%) -отопление, вентиляция, санитарно-гигиенические и общезаводские нужды.
Одной из особенностей в технологическом процессе производства бетонных изделий, являются очень жесткие условия твердения бетона, особенно в летний период, при повышенных температурах окружающей среды, сильных ветрах и пониженной влажности в условиях сухого жаркого климата Мангистауского региона. В этих условиях значения усадки бетона намного превышают аналогичные деформации бетона, твердеющего в условиях умеренного климата. Наибольшей опасности подвергаются железобетонные конструкции с большим модулем открытой поверхности. Очевидно, что применение традиционных методов ухода за бетоном при производстве ЖБИ в таких условиях малоприемлемо.
Таким образом, принимая во внимание крайнюю сложность обеспечения необходимых условий твердения бетона в условиях полупустыни, становится ясно, что следует задуматься над более технологичными приемами обработки железо бетонных изделий, которые бы позволили в этих условиях добиваться удовлетворительных результатов в экономии энергии и топлива на тепловую обработку бетона. Надо также учесть, что в условиях все большего дефицита традиционных топливно-энергетических ресурсов все актуальнее становится проблема поисков альтернативных источников энергии, прежде всего солнечной, особенно на таких энергоемких производствах.
Другой, не менее важной проблемой является совмещение рационального использования энергии с рациональным использованием отходов камнепиления, как заполнителей бетонов. Необходимо учесть, что при распиловке камня в карьерах, вследствие высокой трещиноватости породы,
получается большое количество отходов в виде опилок, мелких кусков и боя, зачастую превышающее 50% от разрабатываемого объема. Так, при добыче штучного камня Актауского месторождения отходы достигают более 60%, а при выпиливании плит и крупных блоков 75-85%. В настоящее время только на Актауском карьере природного камня, количество отходов, не применяемых в строительстве, составляет 2,0 млн. м3. Основные направления освоения солнечной энергии в технологии бетонных работ связаны с глубокими экспериментальными исследованиями, созданием технически и экономически эффективных гелиотехнических устройств. Переход предприятий на новый вид энергии, а также отказ от традиционной технологии обработки бетонных изделий весьма целесообразен для регионов с сухим и жарким климатом [3].
Список литературы
1. Кенжетаев Г.Ж., Бектенов М.Б., Жайылхан Н.А., Убиева А.А. К вопросу использования солнечной энергии для утилизации отходов из камня-ракушечника известняка // Научный журнал Министерства образования и науки «Поиск». Серия естественных и технических наук. № 3, 2003. С. 227-232.
2. Мещеряков С.В., Потулов О.Е. Известняк-ракушечник Мангышлака и Устюрта, А., 1974. 92 с.
3. Скрамтаев Б.Г. и др. Исследование свойств бетона и раствора на известняковом песке // Сб.: Научно-техн. сообщ. ВНИИНеруд АСиА СССР. № 8. Ставрополь-на-Волге, 1962.
