Расчет инсоляции и определение оптимальной пространственной ориентации гелиоприемника Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Qh

где D = (т/ч) " эквивадентная паропроизводительность котла; Qjj - часовой

расход газа котельной, м3/ ч.

В случае обычного котла с КПД 93 % часовой расход составит

Qd = 1007. 343 = 371,4 м Vч d 0,93

Тогда получим в результате расчетов по приведенным формулам

(NOx)н = 0,258 г/с = 929 г/ч .

?

(CO)H = 0,669 г/ с = 2406,7 г/ч

Таким образом использование конденсационного котла с экологичной горелкой снижает вредные выбросы NOx и СО, соответственно, в 3,4 и 7 раз.

Выводы

1. Использование в коммунальной котельной села современного конденсационного котла позволило снизить годовой расход газа и годовую плату за газ на 7,6 %.

2. Установка настенного конденсационного котла в частном доме дает возможность уменьшить годовой расход газа на 13,1 % и сэкономить 57,5 % средств.

3. Применение в конденсационном котле коммунальной котельной экологической горелки снижает выбросы в атмосферу окислов азота и оксида углерода, соответственно, в 3,4 и 7 раз.

Список использованных источников

1. ДБН В.2.5-20-2001. Газоснабжение. -К.: Госстрой, 2001. - 287 с.

2. Ионин А.А. Газоснабжение / Ионин А.А. -М.: Стройиздат, 1989. - 439 с.

3. Боровский Б.И. Экологические последствия сжигания природного газа и «зеленого» угля в энергетических системах / Боровский Б.И., Лапина Е.А. // Сб. трудов «MOTROL». - Симферополь - Люблин, 2010. вып. 12. - с. 95-100.

4. Снш П.М. Газопостачання населиних пункпв i об'екпв природним газом. Навчальний поабник / Снш П.М., Шишко Г.Г., Предун К.М. - К.: Логос, 2002. - 198 с.

5. Боровский Б.И. Определение высоты и диаметров конических и цилиндрических дымовых труб с учетом необходимого рассеивания в атмосфере вредных веществ / Боровский Б.И., Анисимов С.Н., Сапронова З.Д. // Сб. «Строительство и техногенная безопасность». - 2005. №10, - с.33-36.

6. Водогрейные котлы Logano S825LLN и газовые конденсационные котлы Logano plus SB825L, SB825LLN. Документация для проектирования. - К: Фирма Buderus, 2009. - 320 с.

7. Горелки. - К.: Фирма Riello, 2009. - 182 с.

УДК 621.311.24:699.885

РАСЧЕТ ИНСОЛЯЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ГЕЛИОПРИЕМНИКА

Каркач Д. В.

Национальная академия природоохранного и курортногостроительства

Разработана методика и создана модель расчета инсоляции произвольно ориентированной гелиоприемной поверхности. Модель включает расчет угла падения солнечного света на гелиоприемную поверхность как функцию времени и расчет падающего потока с учетом его интегрального поглощения в атмосфере, для чего получено точное выражение для расчета воздушной массы на любом зенитном расстоянии. Проведены расчеты оптимальных углов наклона гелиоприемной поверхности для случая неподвижной поверхности и при гидировании по азимуту для

различных широт на земной поверхности.Приведены расчетные формулы для определения оптимальных углов наклона для различных широт и различных режимов эксплуатации гелиоустановок.

солнечный коллектор, фотобатарея, инсоляция, математическое моделирование, оптимизация

Введение

Одной из главных проблем возобновляемой энергетики является малая плотность энергии солнечного излучения, используемого в фотобатареях и солнечных коллекторах. В связи с этим, важным параметром при проектировании и установке любых приемников солнечного излучения оказывается ориентация светоприемной поверхности и ее возможное изменение в процессе эксплуатации.

Очевидно, что наибольшей выработки энергии можно достичь при слежении за Солнцем. Однако, система слежения (трекер) существенно сказывается на стоимости установки, так как требует специфической конструкции опор, точной механики в системе привода гидирования по обеим координатным осям, внешнего электропитания и необходимости микропроцессорного управления (хотя бы для «парковки» установки в ночное время). В связи с этим, подавляющее количество моделей солнечных установок не используют гидирование. В этом случае оптимизация их конструкции, с целью увеличения производства энергии заключается в правильной ориентации светоприемной поверхности, зависящей от назначения и широты местности.

Анализ публикаций

В литературе[1]имеются данные по практическому измерению инсоляции для некоторой конкретной широты.Также для определенной широты местности в[2] проведен расчет падающего потока солнечного излучения и определен оптимальный угол наклона гелиоприемника. В [3] указано, что оптимальный угол наклона гелиоприемной поверхности к горизонту составляет 420. Вместе с тем, в исследованных источниках отсутствует методика расчета инсоляции, учитывающая поглощение и рассеяние света в атмосфере Земли, а также способы расчета потока при использовании произвольно ориентированной гелиоприемной поверхности с учетом изменения ее положения в пространстве с течением времени, что необходимо для учета гидирования.

Кроме того, одной из важных проблем является определение оптимальной ориентации гелиоприемной поверхности для различных сезонов года. Экспериментальные определения оптимальных углов наклона для длительного периода чрезвычайно затруднены, так как будут значительно растянуты во времени.

Цель и постановка задач В данном исследовании с помощьюматематического моделирования рассчитывается плотность падающего потока для случая гидирования за Солнцем и для неподвижногогелиоприемника. Математическая модель включает расчет потока, падающего на горизонтальную поверхность и на поверхность, ориентированную произвольным образом с учетом поглощения света в атмосфере Земли. Модель содержит процедуры расчета суммарного потока для любого промежутка времени в течение года. Варьирование угла наклона гелиоприемной поверхности позволяет определить оптимальный угол наклона, при котором суммарный поток достигает максимума. Все расчеты можно проводить при произвольном значении широты

Методика исследования

В реальных условиях эксплуатации на светоприемную поверхность падает изменяющийся поток солнечного излучения. Эти изменения связаны с изменением высоты Солнца % в течение дня и экстинкцией - степеньюпоглощения света в земной атмосфере, которая увеличивается с увеличением % из-за более длинного пути луча в земной атмосфере. Кроме того, на падающий поток влияет ориентация светоприемной поверхности.

В данной модели расчет координат Солнца на любое времяпроводится по алгоритмам, приведенным в [4]. Уголв падения излучения на светоприемную поверхность от ее ориентации (угла наклона к горизонту a и азимута у), часового угла® и склонения Солнца5 в соответствии с формулой[1]:

cose = sin 5 sinocos« - sin 5 cos p sin a cos у + cos 5 cosicosa cos с +

+ cos 5 sin p sin a cos у cos с + cos 5 sin a sin у sin с (1)

где p - широта местности, у - азимут нормали к плоскости коллектора, т. е. угол между нормалью и плоскостью небесного меридиана (за начало отсчета принимается южное направление, отклонение к востоку считается положительным, к западу -отрицательным), с - часовой угол Солнца.

Ослабление падающего потока атмосферой, вызываемое Релеевским рассеянием определяется, в первом приближении, законом Бугера[5]:

PR (z) = P0e-71(z), (2)

где P - внеатмосферный поток излучения, l (z) - длина пути луча в атмосфере, зависящая от зенитного расстояния Солнца. Согласно [1]интегральный внеатмосферный поток солнечного излучения на расстоянии, равном радиусу орбиты Земли - солнечная

постоянная P° =1352 Вт!м . Экспериментально установлено, что при Солнце,

находящемся в зените интегральный поток уменьшается до Pz0 = 1000 Вт ^м . Это дает возможность определить интегральный коэффициент поглощения7, используя формулу (2), записанную для зенитного расстояния Z = 0 :

P = P e -

1 z0 1 0V

(3)

где к -условная высота атмосферы, то есть высота, на которой падающий поток

достигает значения P°. Из (З)получаем:

7 =— ln

h

í P ^ 1 0

P

К1 z 0

= - ln(1.352)

h

Подставляя (4)в (2) получаем:

l ( z)

P( z) = P0(1.352)-h)

(4)

(5)

Отношение z h представляет собой воздушную массу. Если пренебречь кривизной

0 m = sec Z Г1П

Земли, то воздушная масса определяется простым соотношением z [1J, которое

работает для не очень больших зенитных расстояний. Для проведения моделирования в

течение всего светового дня необходим более точный расчет воздушной массы.

Рис. 1. К определению воздушной массы

Из рис.1. видно, что длина пути луча в атмосфере определяется из выражения:

(R + h)2 = R2 +1(z)2 + 2Rl(z) cos z . (6)

Решая это уравнение относительно I(z), получим:

l(z) = ^(R cos z )2 + h(2R + h) - R cos z . (7)

Разделив это выражение на h, получим воздушную массу как функцию зенитного расстояния Солнца:

(8)

.. l(z) (R ) R R mz(z) =-= .l— cosz I + 2—+1--cosz-

z h Vv h ) h h Выражение (5) с учетом (8) примет вид:

P(z) = P0 (1.352)-mz(z)

(9)

Окончательно, поток на светоприемной поверхности с учетом поглощения в атмосфере и угла падения света определится выражением:

Р(г) = Р0 (1.352)(z)cos0 (10)

Так как зенитное расстояние Солнца 2 и угол падения света в являются для данной точки земной поверхности функциями только времени, то р (г) в (10) является также функцией только времени:

Р(0 = Р0 (1.352)т(í)cosв(í). (11)

Суммарная энергия, приходящаяся на единицу площади за световой день, определяется выражением:

'2

Ес =| Р^ )йг, (12)

ч

где Ч1 и ч2 - моменты «восхода» и «захода» Солнца над плоскостью светоприемной поверхности. В случае полного гидирования эти моменты совпадают с моментамиастрономического восхода и захода Солнца. В случае неподвижной поверхности геометрический восход Солнца над светоприемной поверхностью может происходить значительно позже восхода над горизонтом, особенно в летнее время, когда точки восхода и захода значительно смещаются к северу. В предложенной модели граничные моменты времени определяютсяпоодновременномувыполнению двух критериев: г < 900 ив = 900. Эти условия выполняются два раза в сутки - на восходе и на закате Солнца, что дает возможность определить на каждый день моменты ч1 и ч2, а также продолжительность солнечного сияния за день.

Результаты и их анализ

Годовая сумма продолжительности солнечного сияния для различных широт приведена в таблица. 1. В средних широтах годовая продолжительность солнечного сияния слабо зависит от широты. Годовая инсоляция неподвижного гелиоприемника уменьшается, по сравнению с движущимся, на 400-700 часов за счет более позднего «восхода» и раннего «захода» Солнца над плоскостью приемника. Увеличение этой разницы с ростом широты объясняется увеличением смещения точек восхода и захода к северу и, как следствие, более поздним «восходом» (и, соответственно, ранним «заходом») Солнца над плоскостью гелиоприемной поверхности.

Таблица. 1.

Широта места наблюдения, градусы 45 50 55 60

Гидирование за Солнцем по двум координатным осям, часы 4400 4405 4410 4418

Неподвижный гелиоприемник, наклоненный на угол равный широте места наблюдения, часы 4008 3933 3835 3701

Потери неподвижного гелиоприемника по сравнению с подвижным, часы 392 472 575 717

Предложенная модель расчета инсоляции легко обобщается на случай полного гидирования: достаточно в (11) положитьcos0(t) = 1, что соответствует нормальному падению солнечного излучения на светоприемную поверхность в течение всего светового дня. Полученные таким образом значения суммарной плотности энергии будут максимально возможными для данного места земной поверхности.

В качестве упрощенной схемы гидирования рассмотрена модель, в которой слежение за Солнцем осуществляется только по одной координатной оси - по азимуту. Такое решение может быть значительно дешевле полного гидирования по двум осям. При гидировании по азимуту положение светоприемной поверхности меняется таким образом, что азимут точки пересечения нормали к гелиоприемной поверхности с небесной сферой в любой момент времени совпадает с азимутом Солнца, а ось вращения при этом вертикальна. В настоящее время такие системы гидирования способны нести солнечные панели площадью до 50 м .

При любом способе установки неподвижного гелиоприемника, очевидно, его положение в пространстве должно быть оптимальным, с точки зрения выработки максимального количества энергии. В силу симметрии, азимут нормали к поверхности гелиоприемника должен равняться нулю (поверхность ориентирована строго на юг). Определение оптимального наклона представляет собой нетривиальную задачу, так как необходимо учитывать поглощение света в атмосфере. Рекомендация установки под углом, равным широте места наблюдения не учитывает этот фактор.

С целью определения оптимального положения светоприемной поверхности в предложенной модели определялся максимум дневного, месячного и годового потока солнечной радиации при варьировании угла наклона поверхности к горизонту. На рис. 1 показано изменение оптимального угла наклона гелиоприемника в течение года для

широты р = 450

Для принятой широты р = 450 в случае неподвижной светоприемной поверхности

оптимальный угол наклона к горизонту меняется от 710 в декабре до приблизительно 110 в

июне. По сравнению с постоянным наклоном, равным широте местности увеличение

солнечной радиации при использовании оптимального угла на каждый месяц составляет

ст МДж „ 0

540 —2-. В случае гидирования по азимуту оптимальный угол изменяется от 73 в

м • год

декабре до 420 в июне. По сравнению с постоянным наклоном увеличение солнечной

МД^ю

радиации составляет 244 —2-.

м ■ год

Установка оптимального угла на каждый месяц оправдывает себя только при небольшом количестве солнечных модулей. На крупных объектах солнечной энергетики целесообразно использовать один оптимальный угол, рассчитанный на весь год или, в крайнем случае, предусмотреть в конструкции солнечных модулей два положения -«летнее» и «зимнее» соответствующие пребыванию Солнца в северном и южном полушарии небесной сферы соответственно. Переход от одного наклона к другому в этом случае должен происходить, например, в дни осеннего и весеннего равноденствия. Наклон, соответствующий зимнему периоду является оптимальным для систем солнечного отопления, которые необходимо оптимизировать для получения максимальной выработки энергии в зимнее время. Оптимальные углы наклона для этого случая показаны в таблица. 2.

Таблица. 2.

Оптимальное положение гелиоприемника в различных режимах работы

Широта местности Неподвижный гелиоприемник, градусы Гидирование по азимуту, градусы

Зимний период Летний период Год Зимний период Летний период Год

45 градусов 61 23 37 66 47 53

50 градусов 65 27 41 69 50 56

55 градусов 69 32 44 72 53 58

60 градусов 72 37 46 75 57 61

Из таблица. 2 видно, что при неподвижной установке оптимальный угол меньше широты местности на 80-140, а при использовании гидирования по азимуту - больше широты местности на 60-80 для широты, соответствующей территории Украины. В более северных широтах разница уменьшается до 1 .

Оптимальные углы наклона светоприемнойповерхности на каждый месяц и соответствующие этим углам месячные суммы солнечной радиации для различных широт приведены втаблица. 3.

Таблица. 3.

Оптимальный наклон светоприемной поверхности и месячные суммы

солнечнойрадиации

Месяцы Неподвижный гелиоприемник Гидирование по азимуту

р = 450 р = 50° р = 450 р = 500

Оптималь ими угол наклона, градус Поток за месяц, соответств ующий оптимальн ому углу, МДж/м2 Оптималь ный угол наклона, градус Поток за месяц, соответствую щий оптимальном у углу, МДж/м2 Оптималь ный угол наклона, градус Поток за месяц, соответств ующий оптимальн ому углу, МДж/м2 Оптималь ный угол наклона, градус Поток за месяц, соответств ующий оптимальн ому углу, МДж/м2

Январь 69 409 73 326 71 462 75 363

Февраль 60 471 65 416 65 562 69 491

Март 47 634 52 599 58 813 61 768

Апрель 31 705 36 687 50 946 54 939

Май 18 809 22 799 45 1084 48 1109

Июнь 11 826 15 821 42 1091 45 1131

Июль 14 832 19 824 43 1108 47 1141

Август 26 760 30 745 48 1024 51 1030

Сентябрь 41 651 46 624 55 854 58 824

Октябрь 56 566 60 516 63 695 66 628

Ноябрь 66 430 71 356 69 494 73 403

Декабрь 71 370 75 282 73 412 77 308

За год 37 7463 41 6995 53 9545 56 9135

Из рис. 2, на котором показан суммарный поток солнечной радиации за месяц для широты р = 450 при различных режимах работы гелиоприемника видно, что гидированиетолько по азимуту обеспечивает результаты, сравнимые теми, которые получаются при использовании трекеров с двумя степенями свободы.

1400

СЧ1

—Неподвижный гелиоприемник с оптимальным углом наклона, МДж/м2 Гидированиепо азимуту. Оптимальный угол наклона, МДж/м2 -к.— Гидированиепо двум координатным осям, МДж/м2

Рис. 2. Месячные суммы солнечной радиации при различных режимах работы

При использовании неподвижного гелиоприемника с углом наклона равным широте места наблюдения годовая сумма солнечной радиации составляет 67-70% (в зависимости от широты местности) от максимально возможной суммы, достигаемой при полном гидировании, а при гидировании только по азимуту - 93-95%. Таким образом, добавление второй степени свободы для монтировки гелиоприемника позволяет увеличить годовой поток лишь на 5-7% в зависимости от широты. Гидирование наиболее актуально для фотобатарей (особенно, использующих концентрирующие системы), тогда как установка системы слежения для солнечных коллекторов сопряжена со значительными техническими проблемами.

Наиболее четко зависимость инсоляции от режима использования гелиоприемника проявляется в годовой сумме солнечной радиации, приведенной на рис. 3.

Эффект от добавления второй степени свободы существенно зависит от широты

тт ™0 МДж местности. Для широты р = 60 он составляет 300—2-и с уменьшением широты на

м • год

0 МДж 0 МДж

каждые 5 он растет примерно на 100—2- достигая дляр = 45 значения 600—2-.

м •год м •год

Это соответствует дополнительной выработке энергии фотобатареями около 29 кВт ч

м2•год

(при КПД фотоэлементов 17%).

Переход на систему гидирования по азимуту, по сравнению с неподвижным гелиоприемником с оптимальным углом наклона дает практически одинаковый эффект для

МДж

любой рассмотренной широты, составляющий около 2400 —^- или

кВт • ч

м2•год

около113

м • год

выработанной электроэнергии.

Для широты р= 450 установка оптимального угла 370 на весь год по сравнению со

лг0 - ™ МДж _ стандартным наклоном 45 дает увеличение солнечной радиации около 70 —--. В

м • год

случае гидирования по азимуту оптимальный угол составит около 530. По сравнению со

0 МДж стандартным наклоном 45 увеличение солнечной радиации составит около 100 —2-.

м • год

Гидирование но азимуту и высоте

Гидирование по азимуту. Угол наклона оптимальный но сезонам

Гидирование но азимуту.Угол наклона оптимальный на год

Гидирование но азимуту. Угол наклона равен широте

Неподвижныйгелиоприемник. Угол наклона он гимальный по сезонам

Неподвижный гелиоприемник. Угол наклона оптимальный на год

Угол наклона равен шир01е

8322 929

9498 10002

0

2000 4000 6000 8000 10000 12000

1Шир01а 60 градусов Шир01а 55 градусов Широта 50 градусов ■ Широта 45 градусов

Рис. 3. Годовые суммы солнечной радиации, МДж/м /год

Зависимость оптимальных углов наклона от широты в пределах территории Украины является практически линейной. Это позволяет записать простые аппроксимирующие выражения, позволяющие рассчитать оптимальный угол а для произвольной широты местности р в зависимости от предполагаемого режима работы гелиоприемника. Эти выражения приведены в

Таблица. 4.

Аппроксимирующие формулы для расчета оптимальных углов наклона _гелиоприемной поверхности_

Режим работы Оптимальный угол наклона гелиоприемника, градусы

Неподвижный гелиоприемник. Оптимальный угол на год а = 10.89 + 0.59^

Неподвижный гелиоприемник. Угол наклона оптимальный на зимний период а = 26.44 + 0.76^

Неподвижный гелиоприемник. Угол наклона оптимальный на летний период а = -19.03 + 0.93^

Гидирование по азимуту. Угол наклона оптимальный на год а = 31.55 + 0.49^

Гидирование по азимуту. Угол наклона оптимальный на летний период а = 16.63 + 0.67^

Гидирование по азимуту. Угол наклона оптимальный на зимний период а = 38.77 + 0.60^

Выводы

Разработанная модель расчета инсоляции позволяет проводить расчет падающего потока солнечной энергии на произвольно ориентированную гелиоприемную поверхность независимо от места ее установки и наличия гидирования с учетом поглощения света в земной атмосфере. Наличие подпрограмм расчета восхода и захода Солнца для любого дня года позволяет рассчитывать суммарный поток солнечной радиации для любого промежутка времени. Модель может применяться при проектировании и оптимизации конструкции систем энергообеспечения, основанных на использовании солнечной энергии.

Список использованных источников

1. Даффи Д.А. Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -Москва.: Мир, 1977.- 410 с.

2. Хусейн К.Д., Денисова А.Е. Дорошенко А.В. Оптимизация угла наклона солнечных коллекторов в гелиосистеме //Труды Одесского политехнического университета, вып. 2 (28), 2007: - С. 6.

3. Матвеев А.В., Пахалуев В.М. Щеклеин С.Е. Работа солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции теплоносителя //Альтернативная энергетика и экология, 2007. 4(48): - С. 4.

4. Монтенбрук О. Пфлегер Т. Астрономия с персональным компьютером. - Москва.: Мир., 1993.- 280 с.

5. Савельев И.В. Общий курс физики. - Москва: Наука, 1977.- 320 с. УДК: 621.311+21.001.4

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЭНЕРГИИ

Муровский С.П., к. т.н., доцент, Сокут Л.Д., к. т.н., доцент

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

В работе рассматриваются возможности оптимизации состава и структуры автономных систем энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии в условиях Крыма. Проведена оценка располагаемой мощности источников на примере ветроустановок и фотопреобразователей и потребной мощности приемников для объектов различного назначения. Разработаны блок-схемы включения элементов в автономных системах энергоснабжения при различных режимах генерации энергии. Автономные системы энергоснабжения, возобновляемые источники, схемные решения, структура