CC BY
12
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.047 Проф. 1.М. Озаршв, д-р техн. наук; мол. наук. ствроб.
В.Я. Озаршв; студ. О.1. Озаршв; асист. О.М. Левчунець -
НЛТУ Украти, м. Rbeie
СОНЯЧНЕ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ: ПЕРСПЕКТИВА РОЗВИТКУ ТА ОЦ1НКА ДЛЯ УКРА1НИ
Розкрито особливост використання сонячно'1 рад1ацп в промисловосп. Дано шляхи оцшки його значення в теплопостачанш.
Prof. I.M. Ozarkiv; eng. V.Ya. Ozarkiv: stud. O.I. Ozarkiv; assist. O.M. Levchunec - NUFWT of Ukraine, Lviv
Solar heat supply: aspects of development and assessment for Ukraine
The features of sun radiation utilization in industry have been described. The ways of its role in head supply represented.
Висок темпи росту витрат енергетичних ресуршв, вичерпання запаЫв традицшних вид1в палива визначили на сьогодш два основш шляхи замши дефщитних техшчних вид1в енергii (пари, електроенергii) вщновлюваними джерелами енергii (сонячною та вггровою енерпею й енерпею геотермальних джерел), а саме:
• виробництво низько-потенцшного тепла для опадения та гарячого водопос-тачання, що базуеться на застосувант еиергii' Сонця i геотермальних джерел;
• виробництво електроенергй, що потребуе використання вiтровоi' енерг11, пд-роеиергii' малих водотошв, а також фотоелектричних перетворювач1в.
Водночас, технiко-економiчнi характеристики установок, робота яких базуеться на використанш сонячно1' енергii випромiнювання, залежать, в основному, вiд таких чинниюв:
• природио-кдiматичиих умов дано! мшцевост!, як визначають шльюсть ви-роблюваго! теплово1 енерг11 (р1вень сонячного випромiиюваиия, хмартсть, кшьшсть сонячних дтв у рощ тощо);
• питом1 капiталовкдадеиия в гелiоустаиовку;
• наявтсть та вартють палива та енергп.
Адже, мала питома густина розподшення сонячно1' енергii по терито-ри, непостiйнiсть надходження сонячно1' енергii в чаЫ, задежнiсть ii вiд при-родно-клiматичних умов i зумовлюють збшьшення розмiрiв гелiоустановок та ускладнюють ixm конструкцii, що, своею чергою, спричиняються до тд-вищення питомих кашталовкладень i витрат матерiадiв в споруду (огорож) гелiоустановок.
Таким чином, завдання дослщжень i робiт щодо ефективного використання енергй сонячного випромшювання полягае саме в тому, щоб домогтися економiчно та технiчно прийнятних ршень використання гелiоустановок i цим самим забезпечити вдаутний внесок в паливо-енергетичний баланс Украши.
Використання сонячно1 енерги для теплопостачання споживачiв поля-гае в замiщеннi палива в енергетичних установках, що зумовлюе саме роз-роблення та створення нових конструктивних та схемних розв,язкiв щодо концентраторiв сонячно! енерги. Тому саме сонячна енерпя найбiльш ращ-онально може бути використана безпосередньо у споживачiв за рахунок ло-кальних та автономних гелiоустановок.
Широке впровадження гелюустановок потребуе розроблення нових тишв сонячних елементiв (сонячних колекторiв) i виробництва !х на шд-приемствах держави. К^м цього, варто провести низку дослщжень зi захисту металоконструкцш сонячних установок вiд корози, з розроблення нових ме-тодiв та способiв акумулювання теплово! енерги Сонця (грунтових акумуля-торiв, акумуляторiв iз речовин iз фазовим переходом тощо). Для надшно1 ро-боти в похмурi безсонячнi днi, а також у холодну пору року потрiбно вмонту-вати в конструкцiях гелюустановок додатковi пiдiгрiвальнi елементи (тепловi насоси, теплообмшники термальних вод, теплообмiнники iз використанням солей-кристалогiдратiв тощо). Ефективним може виявитися i спорудження сонячно-паливних котелень, що надалi дало б змогу використовувати цшо-рiчно обладнання iз значною економiею палива.
У сучасних умовах iз врахуванням економiчного становища Украши зростае все бiльше защкавлення до гелiоустановок посилюеться. Це потребуе аналiзу вiтчизняного та закордонного досвщу щодо розроблення й експлуата-ци самих гелiоустановок [1]. Адже, економiчна доцiльнiсть спорудження ге-лiоустановок визначаеться здебшьшого iнтенсивнiстю сонячного випромшю-вання, вартютю сонячних колекторiв i вартютю замшювано1 теплово1 енерги.
У бшьшос^ кра1н використання вiдновлюваних джерел енерги стиму-люе держава за рахунок дотацй, пiльгового кредитування тощо. Очевидно, що найближчими роками тако1 державно1 пiдтримки чекати не доводиться. Тому визначальним чинником була, е i буде тiльки економiчна доцiльнiсть.
У загальному випадку розрахунок iнтенсивностi сонячного випромь нювання базуеться на моделi багаточисельно1 регресil, що враховуе наявш данi гiдрометеопостiв (атмосферний тиск, загальна хмарнiсть, тривалiсть свiтлового дня тощо), тобто
у = а0 • аух\ + а2 х2 + а3 х3 + а4-х4, (1)
де: XI - тривалiсть сонячного променiння (освгглення); х2 - маса атмосфери; х3 - хмарнiсть; х4 - атмосферш опади; а0, а], а2, а3, а4 - коефщенти, що визна-чаються методом найменших квадратiв шд час розв'язку системи iз 4-х нор-мальних рiвнянь.
Тобто, знаючи: середньорiчну сумарну радiацiю, що падае на горизон-тальну поверхню Землi (ГДж/м2); середньорiчну тривалiсть сонячного проме-ншня (год); середньорiчну продуктившсть сонячних колекторiв (ГДж/м ), а також середньомюячну тривалiсть сонячного променшня (год), можна iз дос-татньою ефективнiстю використати енергiю Сонця для забезпечення рiзних споживачiв теплово1 енерги.
Таким чином, визначення кола споживачiв для використання ними со-нячно1 енергil здiйснюеться шляхом оброблення даних з теплового та елек-
тричного навантаження обладнання, його техшчних характеристик для того, щоб на наступних етапах роботи визначити потрiбнi параметри гелюустановок, що будуть експлуатуватися у вибраних районах або регюнах Украши.
Сонячш енергетичш ресурси тiеï чи шшо1 територи будуть визначати-ся тривалютю сонячного променiння, яке залежить вiд географiчноï широти, хмарностi й орографiчноï захищеностi. Точне значення кшькосл випромшю-вання, що отримуеться на Земл^ залежить вiд висоти н.р.м. i розташування Сонця на вiдносно точки спостереження, яке визначае довжину шляху випромшювання крiзь атмосферу, коли останню проходить випромiнювання, що досягае земноï поверхнi.
На середшх широтах при ясному небi густина потоку випромшювання, яке отримуе площина, розташована перпендикулярно до сонячних проме-нiв у межах ±4 год вщ полудня, сягае в середньому 70 % сонячноï пос^йно", тобто «1,0кВт/м . Можливють використання сонячно1' енерги для промисло-вих потреб (у нашому випадку, сушшня) на землi буде залежати вiд геогра-фiчноï широти, пори року i погоди.
Прозорють атмосфери (характеризуе здатшсть ïï пропускати сонячну радiацiю) е одним iз дуже важливих чинникiв, якi визначають надходження енерги сонячного випромiнювання на поверхню опромiнення (об'ект сушш-ня). Дослщженню iнтегральноï прозоростi атмосфери в Укра1'ш дослiджували М.1. Гойса (1960), Г.Ф. Приходько, М.1. Гойса i Л.З. Прох (1959, 1960), Л.1. Сакалi (1955-56, 1959, 1970). Розлогi дослщження теплового балансу земно:' поверхш здiйснили Т.Г. Берлянд (1961), К.Я. Кондратьев (1959, 1965), З.1. Пивоварева (1959), К.С. Шифрш i Г.Л. Шубова (1964, 1965). Залежнiсть напружень прямоï i розсiяноï радiацiï вщ пружностi водяноï пари бiля поверхш Землi для деяких регюшв Украши розкрита в роботах М.1. Щербаня (1953), Л.С. Березiноï i К.1. Пилипенко (1955), Л.1. Са^ (1963, 1970).
Як зазначали вище, потiк сонячного випромiнювання, що досягае зем-ноï поверхнi, залежить вщ пори року, мiсця знаходження i часу доби, а також погоди. Тому, практично, е неможливим передбачити заздалепдь величину ш-соляцiï (сонячного випромшювання, яке отримуе горизонтальна поверхня) для будь-якого моменту часу. Але можливим е передбачення величини сонячноï ш-соляци (в середньому) протягом певного перюду (мiсяця, доби). Для цього ме-теостанцiï публiкують так зваш сонячнi карти, на яких нанесено лiнiï постшно-го середньодобового повного випромшювання, отримаш за допомогою прила-дiв (пiранометрiв або ш.) протягом заданого мiсяця на територи Украши.
Основнi роботи з дослщження радiацiйного режиму територiï Украши i Молдови виконав М.С. Гойса. Як показали дат дослщження, добовi i мюяч-нi суми прямоï i сумарноï радiацiï при ясному небi мають широтний розподiл по всш територiï Украши, а розподiлення розЫяного сонячного випромшю-вання у межах цiеï територiï не залежить вщ географiчноï широти (тiльки в окремих пунктах територи за рахунок мюцевих умов може незначне вщхи-лення розподшу сумарноï сонячноï радiацiï вщ загального).
Аналiзуючи отриманi результати дослщжень робiт, можна констатувати:
1) cyмapнe зиaчeиия гycтиии coиячиoï тeпдoвoï e^prii' зaдeжить вiд peгioиy Укpaïии та пopи poкy. Нaпpикдaд, взимку вона змiиюeтьcя в мeжax вiд 6,28...12,56 кДж^м2 за мicяць до 33,5...41,9 кДж^м2 за мicяць, а влггку вiд 167,5 до 213,5 кДж^м2 за мicяць;
2) пepexiд вщ зимoвиx шapyвaтиx фopм xмapиocтi до лiтиix кyпчacтиx впливае на тeмпepaтypиi пepeпaди poзпoдiлy гycтиии cyмapиoгo ^няч-ного випpoмiиювaиия;
3) для rip^x^ paйoиiв Укpaïии иaвecиi cпocтepiгaютьcя зиижeиi зиaчeиия coиячиoï paдiaцiï за paxyroR мaкcимaдьииx зиaчeиь xмapиocтi;
4) yтвopeння тeмпepaтypииx ROитpacтiв, пoв,язaииx з появою м^^во:' xмapиocтi, тicиo пов'язано з вeличинoю cтyпeия лicиcтocтi та м^^вия фiзиRO-гeoгpaфiчииx ocoбливocтeй peгioиy, тобто з о^бливоетями peльeфy;
5) ocлaблe нaдxoджeння тeпдoвoï eиepгiï coиячиoгo випpoмiиювaиия вoce-ни пoв,язaиe iз змeишeииям впливу мicцeвиx фiзиRO-гeoгpaфiчииx oco6-ливocтeй на фopмyвaння тepмopaдiaцiйиoгo peжимy тepитopiï;
6) на змiнy Rapти тepмopaдiaцiйиoгo балажу гipcькиx peгioиiв впливае ви-^та cxидiв та ïx opieитaцiя в^дно^о cтopiи cвiтy;
7) иaявиicть близькоои мopя пpизвoдить до ocлaблeиия ^гачного ви^омь иювaиия в пpибepeжииx pa^rnx Пpичopиoмop,я за paxyиoR вoдяиoï па-pи та aepoзoлiв (RpaпдииRи води, що пoтpaпляють в aтмocфepy ^и xви-лювaиияx мopя за вiднocнoï вoлoгocтi пoвiтpя, мeишoï як 80 %, швидко випapoвyютьcя i збагачують aтмocфepy чacтииRaми coлi);
8) у вecияиi мicяцi, коли на poзпoдiл cyмapиoгo coиячиoгo випpoмiиювaиия впливають бpизи збiльшyeтьcя кiлькicть coиячииx диiв, для ^иму мак-cимaдьиi зиaчeиия гуетини oпpoмiиeиия дocягaють 164,54 кДж/cм за мь cяць.
Ми зaпpoпoнyeмo подшити тepитopiю Укpaïни на чoтиpи ^матоло-гiчнi зони (табл. 1): А - люову Атлaнтикo-кoнтинeнтaдьнy, Б - cтeпoвy Ат-лaнтикo-кoнтинeнтaдьнy, В - пpимopcькy i Г - к^мат пepeдгip,я та гip. Пpи цьому чисто aтмocфepнe cyшiння в зош А cпoвiльнюeтьcя, що cпpияe iнoдi бioлoгiчним пoшкoджeнням мaтepiaдy. У зoнax Б, В, Г пpoцec aтмocфepнoгo cyшiння вiдбyвaeтьcя iнтeнcивнo, aдe е нeбeзпeкa появи тpiщин. Виxoдячи iз cepeдньoï тeмпepaтypи i вiднocнoï вологост! пoвiтpя за тpивaдoгo витpимaння дepeвини в навколишньому cepeдoвищi, вона мoжe виcoxнyти в лiтнiй пepioд по^зному: нaпpикдaд для зони А до кiнцeвoï вoлoгocтi 10. 12 %, в зош Б -до 9. 10 %. Тому за пpaвильнoï opгaнiзaцiï ^o^cy cyшiння за допомогою поеднання чисто aтмocфepнoгo cyшiння iз coнячним можна завжди дocягнy-ти пoтpiбнoï кiнцeвoï вoлoгocтi дepeвини.
На пiдcтaвi дocлiджeнь можна зpoбити виcнoвoк пpo тe, що для пoмip-ниx клiмaтoлoгiчниx зон У^аши дoцiльнo викopиcтoвyвaти тeплoвy eнepгiю Сонця для cyшiння дepeвини. Зауважимо, що зони А та Б займають понад 90 % тepитopiï У^аши, для якж, пepeдyciм, вapтo дocлiджyвaти мoжливicть викopиcтaння eнepгiï coнячнoгo ви^омшювання в кoмбiнaцiï iз чиcтo атмо^ фepним cyшiнням.
Значною мipoю, poбoтa гeлiocyшapки бyдe зaдeжaти вiд ^матичнж та пoгoдниx умов (табл. 1, 2), тобто ïï пpoдyктивнicть е oбмeжeнoю i peraa-мeнтyeтьcя тpивaлicтю та кiлькicтю coнячниx днiв в po^ зaдeжнo вiд peгioнy
Укра1ни, то для споживача, для якого рiчна потреба в сухому матерiалi е об-меженою (10.30 м в мюяць), а час сушшня е не чiтко регламентованим, до-цiльне використання саме гелiосушiння. 1накше кажучи, сонячне сушiння де-ревини на Укра1ш повинно знайти свое заслужене й постшне мiсце серед ш-ших вiдомих традицiйних способiв сушiння.
Табл. 1. КЛiматичнi зони та райони територи Украти
№ з/п Район Ввдносна воло-псть пов1тря о 13 год. у лип-га, % Тривалшть перь оду 1з середньою добовою температурою >15°С Середня добо-ва температура в липт, °С
Зона А. Л1сова Атлантико-континентальна
1. Захвдне Полшся 60 100 18
2. Правобережне Полшся 60 100 18
3. Л1вобережне Полшся 60 103 19
4. Захвдний Лшостеп 60 90 18
5. Подшьський Лшостеп 57 100 18
6. Придтстровський Лшостеп 53 130 20
7. Правобережний Лшостеп 53 112 19
8. Л1вобережний Лшостеп 52 115 20
9. Схвдний Лшостеп 54 110 20
Зона Б. Степова Атлантико-континентальна
10. Захвдний Степ 46 135 22
11. Правобережний Степ 43 130 21
12. Кримський Степ 44 134 23
13. Л1вобережний Степ 44 128 22
14. Схвдний Степ 45 124 21
15. Донецька Височина 44 126 21
Зона В. Приморська
16. Причорноморський Степ 60 140 23
17. Приазовський Степ 60 138 23
Зона Г. Перед прська та прська
18. Передпр'я Криму (висота до 500 м) 45...50 108.127 20.21
19. Закарпаття 55...60 107.129 14.20
20. Карпатський прський район - - -
21. Прський Крим (>500 м) 60.66 40.106 15.20
22. Швденний берег Криму 58.60 145.165 24
Одним iз основних чинниюв, що визначае тривалють сонячного опро-мiнення, е хмаршсть. Аналiз результатiв дослiджень рiзних вчених показуе, що мiж середньою загальною хмарнiстю та тривалiстю сонячного опромшення за мiсяцями iснуе кореляцшний зв'язок, тобто е вiдповiдне рiвняння регреси.
Як ми вказали вище, iнтенсивнiсть сонячного випромiнювання зале-жить вщ висоти Сонця, яка, своею чергою, визначаеться географiчною широтою мюцевост^ порою року i годиною доби, а також вщ характеристик хмар-ностi та прозоростi атмосфери. Якщо параметри висоти Сонця можна вважати завжди вщомими, то хмаршсть та прозорють атмосфери сильно змшюеться як
в 4aci, так i по територи мюцевость Тому найвiрогiднiшi за iнтенсивнiстю оп-ромiнення можуть дати тiльки результати спещальних вимiрювань.
Табл. 2. Значення теплового потоку прямого тарозЫяного сонячного _випромшювання для територи Украти_
К К s Sí S о & ш в 1стинний соняч-ний час, год Тепловий потш (Вт/м2) при заповненш св^лових отворiв iз орieнтацieю на напрямок*
до полудня тсля полудня до полудня
Пн ПнС С ПдС Пд ПдЗ 3 ПнЗ
тсля полудня
Пн ПнЗ 3 ПдЗ Пд ПдС с ПнС
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
44 5.6 18.19 84/38 222/53 292/58 72/40 -/23 -/22 -/22 -/23
6.7 17.18 42/70 369/98 452/112 209/86 -/55 -/44 -/44 -/33
7.8 16.17 -/77 357/11С 509/130 333/109 -/71 -/55 -/55 -/55
8.9 15.1 6 -/71 256/101 490/121 398/108 66/79 -/60 -/59 -/60
9.10 14.15 -/64 84/80 371/100 389/101 162/81 -/63 -/60 -/62
10.11 13.1 4 -/60 -/71 193/80 305/86 245/84 -/67 -/60 -/64
11.12 12.1 3 -/59 -/67 37/72 214/79 288/85 73/77 -/65 -/65
48 5.6 18.1 9 93/45 256/60 327/65 95/45 -/27 -/26 -/24 -/26
6.7 17.18 35/69 385/98 472/114 237/87 -/55 -/43 -/44 -/44
7.8 16.17 -/74 349/107 542/129 363/109 3/73 -/53 -/53 -/53
8.9 15.16 -/70 222/99 497/121 427/112 80/81 -/60 -/58 -/59
9.10 14.15 -/64 60/81 372/100 419/107 186/86 -/65 -/58 -/62
10.11 13.14 -/60 -/71 193/80 352/94 271/87 7/70 -/60 -/64
11.12 12.13 -/59 -/67 37/72 251/84 317/88 106/78 -/65 -/65
52 5.6 18.19 102/56 301/69 371/73 116/52 -/31 -/28 -/28 -/28
6.7 17.18 26/69 391/98 497/119 272/91 -/59 -/43 -/44 -/44
7.8 16.17 -/71 337/106 545/129 398/110 13/76 -/55 -/53 -/53
8.9 15.16 -/67 197/97 498/123 448/114 94/85 -/63 -/57 -/58
9.10 14.15 -/63 42/79 374/100 429/110 206/87 -/67 -/59 -/60
10.11 13.1 4 -/60 -/69 193/84 363/98 299/90 14/72 -/60 -/62
11.12 12.13 -/59 -/65 37/72 231/87 344/91 150/78 -/65 -/63
56 4.5 19.20 88/19 165/33 227/27 17/20 -/12 -/13 -/13 -/12
5.6 18.19 104/56 344/64 423/74 140/57 -/35 -/28 -/30 -/30
6.7 17.18 17/66 401/93 523/115 287/90 -/58 -/42 -/43 -/44
7.8 16.17 -/65 340/98 547/122 424/105 22/74 -/53 -/48 -/53
8.9 15.16 -/62 174/87 504/114 479/108 128/85 -/64 -/55 -/56
9.10 14.15 -/58 26/71 378/91 479/102 245/88 -/67 -/56 -/57
10.11 13.14 -/57 -/62 193/76 427/92 347/91 21/72 -/58 -/58
11.12 12.13 -/55 -/59 37/67 330/79 398/92 175/76 -/63 -/58
Прим1тка: * - у чисельнику дано величину прямого потоку qnp,, а в знаменни-ку - розаяного потоку qp, (Вт/м2) для одинарного скла (товщина скла £=2,5...3,5 мм) за вертикального заповнення св^лових отворiв. У випадку подвшного скла вводиться поправний коефщент К£=0,90; для потрiйного скла - К=0,80.
Варто зауважити, що загальш суми сумарно! радiаци за рж або мiсяць врахувань за формулою
SQ = A ■ rSm + B ■ (sin h0)n, (2)
де: А, В - коефщенти; rS - тривалють сонячного променiння; h0 - висота Сонця.
Але з огляду на те, що в розрахунках за формулою (2) бере участь три-вашсть сонячного промешння, то розрахунок значень rS пов'язують i3 прямою залежнiстю мiж хмарнiстю та iнтенсивнiстю. Результати дослщжень по-казують, що зв'язок мiж хмарнiстю та iнтенсивнiстю е цшком реальним.
Вiдомо [1], що визначальною умовою використання гелiоустановок, крiм 1хньо1 техшчно1 надiйностi, е 1х економiчна ефективнiсть. Зазначимо, що iснуе низка методiв та методик визначення економiчноi ефективностi використання гелiоустановок для теплопостачання споживачiв. Практично всi вони базуються на зiставленнi розрахункових затрат в новий запропонований варiант (гелютеплопостачання) i базовий (паливнi або електричш теплогене-руючi установки).
Проте, варто зазначити, що в зв'язку iз багатоманiтнiстю теxнiчниx розв,язкiв i взаемозамiннiстю енергоносив, самi конструкци гелюустановок розробляють на основi варiантниx розрахунюв. При цьому вибiр прийнятного варiанту повинен бути економiчно обгрунтованим. Для ощнки ефективностi гелiоустановок основними для порiвняння рiзниx варiантiв е техшко-еконо-мiчнi показники традицiйниx теплопостачальних систем. Критерiем оцiнки економiчноi ефективностi цих варiантiв е мiнiмум приведених витрат, тобто
В = Зр + ЕН ■К ^ min, (3)
де: В - приведет витрати на створення та експлуатащю систем теплопостачання; Зр - рiчнi експлуатацшш затрати; ЕН _ нормативний коефщент ефек-тивностi кашталовкладень; К _ капiталовкладення в систему теплопостачання.
Загалом термiн окупностi гелюустановки визначили за формулою
Т = Цс /(Q ■ См), (4)
де: Цс - питома вартють гелiоустановки, грн/м ; Q - рiчна кiлькiсть теплоти, яку виробляе гелюустановка, Гкал/м2; СМ _ вартiсть вiд традицiйного джерела енерги, грн/Гкал.
Проте у розрахунках вибраш варiанти зводяться до порiвняння умов, тобто до тотожност природно-клiматичниx чинниюв та територiального роз-ташування об'екта, а також рiвностi розрахункового теплового навантаження i кiлькостi вироблюваного тепла. Облж екологiчного та соцiального ефекту вщ використання гелiосушарок важливий для екологи палива та електроенер-гп, скорочення трудовитрат i зменшення шкоди навколишньому середовищi.
Отже, на сьогодш i в найближчому майбутньому варто встановлювати гелiоустановки для гарячого водопостачання, опалення, а також новi типи со-нячних колекторiв.
Л1тература
1. Озарк1в 1.М., Мисак Й.С., Копинець З.П. Використання сонячно1 енерги у проми-словост1 : навч. пос1б. _ Льв1в : НВК "Украшсью технологи", 2008. _ 276 с.
