CC BY
7способ расширения суточного и сезонного временного диапазона продуктивного использования энергии солнца в высоких широтах
Геннадий Осадчий,
инженер, г. Омск, Россия
Солнечная энергия характеризуется двумя особенностями, ограничивающими её широкое применение в средней полосе России. Это непостоянство во времени и низкая плотность энергетического потока.
Если на первый её недостаток мы влиять не можем, т.к. постоянно разгонять тучи выйдет себе дороже, то второй можно нивелировать, либо за счет размещения установок и систем солнечной энергетики как можно выше над уровнем моря, либо за счет использования концентраторов солнечного излучения.
Плотность потока солнечного излучения на различных высотах над уровнем моря и от высоты Солнца представлена на (рис. 1)™.
Степень уменьшения плотности потока солнечного излучения за счет атмосферного поглощения зависит частично от длины пути через атмосферу, частично от состояния воздушной массы (облачности, запыленности). При малой высоте Солнца плотность потока солнечного излучения мала. Когда Солнце находится в зените, плотность потока излучения, измеренная на горизонтальной поверхности, может превышать 1 кВт/м2 (на уровне моря для средней полосы России 0,9 кВт/м2).
В мировой практике принято, что прямое солнечное излучение для солнечных установок летом наиболее «продуктивно» с 8-9 ч до 15-16 ч.
Это утверждение в полной мере относится и к средней полосе России, несмотря на то, что продолжительность светового дня у нас около 17 часов, а на экваторе и в тропиках 12-13 часов. Дело в том, что у нас, в частности в Омской области, Солнце летом встает и садится медленно, долго пребывая на малой высоте. Максимальное время подъема Солнца с 10 до 20° на экваторе, в тропиках и в Омске 21 июня составляет 45, 46 минут и 1 час 14 минут соответственно. Следовательно, в Омске ранним утром/вечером Солнце поднимается/садится в 1,64 раза медленнее, чем на экваторе.
При низких высотах Солнца способность аккумулирования солнечного излучения солнечными соляными прудами без концентраторов низкая.
Учитывая все это, для высоких географических широт предложен и исследован концентратор, способный наклоняться к принимающей излучение поверхности, для нашего случая к солнечному соляному пруду121 (рис. 2).
При использовании следящего привода, обеспечивающего в течение дня ориентацию отражающей поверхности концентратора, близкую к перпендикуляру горизонтальной проекции падающего солнечного луча, можно оптимизировать поступление отраженного солнечного излучения
Геннадий Осадчий окончил Сибирский автомобильно-дорожный институт по специальности инженер-механик по строительным и дорожным машинам. После окончания ВУЗа, работал конструктором по системам регулирования газотурбинных двигателей в ОАО «Машиностоительное конструкторское бюро», г. Омск. Является автором 140 изобретений СССР в области машиностроения, связанных, в основном, с системами регулирования газотурбинных двигателей.
1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Высота солнца, °
рис. 1. изменение плотности потока прямого солнечного излучения в зависимости от высоты местности над уровнем моря и высоты Солнца.
в пруд. Конечно, это требует определенной высоты концентратора и механизмов наклона его отражающих элементов.
Приведенная на рис. 2 конструктивная схема концентрации солнечного излучения является универсальной для высоких широт, т.к. не требуется рядом стоящего здания с отражающими панелями, ориентированными на юг, и как минимум двух концентраторов (восточного и западного).
Результаты проведенных расчетов показывают, что за счет наклона концентратора на 10-15° максимальный коэффициент концентрации солнечного излучения (при высоте концентратора 6 метров) в пруд диаметром 10 м (2R) достигает 5,0 при высоте Солнца 10°. При высоте Солнца 15° он составляет - 3,3, и 2,6 - при высоте Солнца 19°.
При больших высотах Солнца коэффициент концентрации снижается до 2-х и менее, из-за того, что уменьшается длина покрытия пруда отраженным солнечным излучением.
Ранней весной и поздней осенью на вертикальную поверхность, ориентированную в Омской области на юг, приходит больше солнечной энергии, чем на восточную и западную вертикальные поверхности, поэтому это техническое решение по концентрации солнечного излучения и для этих времен года перспективно.
Использование концентратора имеет преимущества и для местностей с перепадами высот. Для таких местностей, приход прямого солнечного излучения, например, на южный склон, по сравнению с горизонтальной поверхностью раньше пе-
реходит через ноль вечером и запаздывает утром в среднем на 25-40 минут (для склона с уклоном 30°). А значит, аналогично будет затеняться и водная гладь пруда, в том числе при наличии неподвижных концентраторов - южных ограждающих конструкций зданий.
Весной и осенью, когда температура воздуха ниже +10-15 °С, всегда будет вставать вопрос о том чему отдать предпочтение - пассивному обогреву здания солнечным излучением через соответствующие окна или это излучение направлять в пруд. Поскольку схема концентрации по (рис. 2) не связана с южной стеной здания, то с этой точки зрения она имеет предпочтение.
При использовании данного концентратора в составе солнечного соляного пруда для выработки холода и горячего водоснабжения компоновка должна быть такой, чтобы работа двигателя Стирлинга осуществлялась за счет теплоты центральной части пруда, где температура будет наибольшей, а теплообменники системы горячего водоснабжения были бы расположены на периферии пруда у боковых стенок121.
Выбор той или иной схемы концентрации зависит от многих факторов. За полярным кругом, когда летом Солнце сутками не садится за горизонт, концентрация по рис. 2 наиболее эффективная.
Для оценки эффективности концентратора принимаем, для г. Омска, за критерий продуктивного использования энергии Солнца величину потока солнечной энергии, вступающего в воду пруда диаметром 10 м 21 июня в 8 часов утра при чистой атмосфере.
Для пруда диаметром 10 м величина этого потока солнечной энергии составляет 32 кВт или 400 Вт/м2.
При чистом небе было определено поступление в пруд прямого и отраженного прямого солнечного излучения от концентратора (рис. 2) с размерами в вертикальном положении 6х8 м. Расчетное время с 6 до 12 часов, условно принимая, что приход солнечной энергии до полудня и после полудня одинаков.
Оценочный расчет был проведен при условии, что обеспечивается синхронная ориентация отражающей поверхности концентратора «перпендикулярно» горизонтальной проекции падающего солнечного луча в течение расчетного периода. Угол наклона концентратора (рис. 2) к пруду принимался такой, который, при его высоте 6 метров,
отражающая поверхность концентратора
"у • л
Прямое солнечное излучение
отраженное солнечное излучение
а
Поворот концентратора в зависимости от положения солнца
солнечный соляной пруд
центральная опора концентратора
солнечный соляной пруд
центральная опора концентратора
отражающая поверхность концентратора
рис. 2. конструктивная схема концентрации солнечной энергии в солнечный соляной пруд концентратором солнечной энергии за счет слежения за движением Солнца по небосводу.
обеспечивает направление всего отраженного солнечного излучения в пруд, без покрытия им прилегающей к пруду местности (длина покрытия пруда отраженным солнечным излучением 1п < 2R).
Как показали расчеты, применение наклонного концентратора солнечного излучения с избытком компенсирует низкую инсоляцию весной и осенью в средней полосе России. Без учета того, что для малых прудов потери теплоты через дно и боковые стенки могут быть снижены надлежащей теплоизоляцией.
По результатам расчетов ниже приведены графические зависимости потоков:
- прямого солнечного излучения;
- прямого и отраженного от перпендикулярного земле концентратора, размерами 8 м в ширину и 6 м в высоту, солнечного излучения;
- прямого и отраженного от наклонного концентратора, размерами 8 м в ширину и 6 м в высоту, солнечного излучения, вступающих в воду солнечного соляного пруда диаметром 10 м в реперных точках (рисунки 3, 4, 5, 6).
Полученные значения продолжительности продуктивного использования энергии Солнца (рис. 3 - 6) сведены в (табл. 1).
На основании результатов проведенного исследования (табл. 1) видно, что предложенный концентратор солнечной энергии является для солнечного соляного пруда действенным способом (инструментом) расширения времени продуктивного использования энергии Солнца, особенно при низких высотах Солнца в высоких географических широтах (рис. 7).
Применение наклонного концентратора позволяет ранней весной быстрее осуществлять прогрев пруда, а осенью запасать больше солнечной энергии для зимнего периода, даже в том случае, если солнечный соляной пруд покрыт корочкой льда.
Пруды промышленной энергетики (площадью от 1 га до 0,75 км2) в низких широтах имеют КПД примерно 25%. То есть из каждых 100 Дж прямого и рассеянного солнечного излучения, поступающего на единицу площади пруда, 75 Дж рассеивается в атмосферу. У них при эффективном коэффициенте поглощения солнечного излучения придонным слоем пруда равном 0,7, коэффициенте пропускания солнечного излучения верхним и изолирующим слоями воды, находящимися над придонным слоем, равном 0,7, рассолом придонного слоя аккумулируется примерно 50 Дж.
При этом из них 25 Дж теряется из-за теплопроводности через изолирующий слой воды и дно грунта, и только 25 Дж используется для преобразования. Если же за счет прямого, рассеянного и отраженного прямого и рассеянного солнечного излучения, в высоких широтах, на единицу площади пруда будет поступать 200 Дж солнечного излучения (коэффициент концентрации 2). Если из этих 200 Дж, половина, 100 Дж не «дойдет» до придонного слоя, за счет указанных выше коэффициентов поглощения и пропускания. А 25 Дж «потеряется» из-за тепловых потерь через изолирующий слой воды и дно грунта, то использоваться для преобразования будет уже 75 Дж. Это в 3 раза больше. КПД пруда в этом случае повышается до 37,5%. Т.е. КПД пруда становится в 1,5
Время, ч
В Ю З
рис. 3. дневные значения вступающего в воду пруда прямого и отраженного солнечного излучения и продолжительность продуктивного использования энергии Солнца в г. омске 21 июня при чистой атмосфере (в часах указано время продуктивного использования энергии Солнца).
60
30
суммарный поток прямого и отраженного от наклонного концентратора солнечного излучения
ч
суммарный поток прямого и отраженного от перпендикулярного земле концентратора солнечного излучения
/
----- / / ' / / / ^^^ Поток прямого солнечного излучения ^^^ \ \ к.----ч \ \ % \
в / / / критерий продуктивного использования энергии солнца \ \ X «
/ / # ^ 7,4 часа ^ \
10,7 часа %
<— 12 часов
19 20 Время, ч
Ю
70
50
40
20
10
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
В
З
рис. 4. дневные значения вступающего в воду пруда прямого и отраженного солнечного излучения и продолжительность продуктивного использования энергии Солнца в г. омске 21 мая и 21 июля при чистой атмосфере (в часах указано время продуктивного использования энергии Солнца).
70
60
30
суммарный поток прямого и отраженного от наклонного концентратора солнечного излучения
\
суммарный поток прямого и отраженного от перпендикулярного земле концентратора солнечного излучения
Поток прямого солнечного излучения
-----/ / ----1 Ч
t / / / критерий продуктивного использования энергии солнца \ \ ~v %
/ / « 5,5 часа \ %
9,2 часа
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Время, ч
Ю
50
40
20
10
0
4
В
З
рис. 5. дневные значения вступающего в воду пруда прямого и отраженного солнечного излучения и продолжительность продуктивного использования энергии Солнца в г. омске 21 апреля и 21 августа при чистой атмосфере (в часах указано время продуктивного использования энергии Солнца).
Время, ч
В Ю З
рис. 6. дневные значения вступающего в воду пруда прямого и отраженного солнечного излучения и продолжительность продуктивного использования энергии Солнца в г. омске 21 сентября при чистой атмосфере (в часах указано время продуктивного использования энергии Солнца).
В ENERGY BULLETIN
таблица. 1. Сводная таблица продолжительности продуктивного использования солнечной энергии солнечным прудом в летний период в г. омске.
Вид потока солнечного излучения, вступающего в 21 июня 21 мая (21июля) 21 апреля (21 августа) 21 марта (21 сентября)
воду солнечного соляного пруда продолжительность продуктивного использования энергии Солнца, ч
Прямое солнечное излучение 8 7,4 5,5 1,5
Прямое и отраженное от перпендикулярного земле концентратора солнечное излучение 11,2 10,7 9,2 6,8
Прямое и отраженное от наклонного концентратора солнечное излучение 12,5 12 10,5 8,3
раза выше, чем при поступлении только прямого и рассеянного излучения в большой пруд.
Для увеличения поступления в пруд солнечного излучения в полуденные часы, когда высота Солнца наибольшая (май, июнь, июль), без затенения акватории пруда ранним утром и поздним вечером, когда высоты Солнца незначительны, можно, использовать в качестве отражателя выступающие «чердачные» части здания, снабженные отражателем полуденного солнечного излучения, в соответствии с (рис. 8).
Поскольку предлагаемая индивидуальная электростанция на базе солнечного соляного пруда (гелиоэлектростанция) подробно описана в работе121, то остановимся на её конструктивной схеме и принципе работы кратко, исходя из цели и задачи данной статьи.
Предлагаемая установка (система) работает от солнечной энергии 1, запасенной солнечным соляным прудом 9. Теплота из пруда по тепловой трубе 8 поступает к электростанции 7, где в термодинамических циклах преобразуется вначале в энергию потока масла, затем в механическую и далее электрическую энергию. Не использованная в циклах теплота по другой тепловой трубе 5 отводится в котлован со льдом 4, вызывая его таяние. Преобразование солнечной энергии в энергию потока масла осуществляется двигателем Стирлинга с масляным насосом.
Концентратор 2 постоянно, за счет поворота вокруг центральной опоры (поз. 5 рис. 2), увеличивает поступление солнечной энергии в пруд. При больших высотах Солнца (май, июнь, июль) в полуденное время, когда 6 м. высоты концентратора 2 будет не хватать, отражатель 14 будет обеспечи-
вать дополнительное поступление в пруд солнечного излучения.
другие области применения наклонного концентратора солнечной энергии
Предложенная технология концентрации солнечной энергии может быть использована при эксплуатации плоских солнечных коллекторов и фотоэлектрических преобразователей, которые надо будет, в отличие от традиционной ориентации в пространстве, располагать горизонтально так, чтобы концентратор мог менять свое положение, также как при его эксплуатации с солнечным соляным прудом, используя при этом «чердачные» части здания для дополнительной концентрации энергии в полуденные часы.
Если небо облачное, то вода (теплоноситель) в плоском солнечном коллекторе, когда Солнце «выходит» из-за туч на непродолжительное время, не всегда успеет нагреться до рабочей температуры. Поэтому, когда Солнце «заходит» за тучу, теплоноситель остывает, без аккумулирования теплоты, например, водяным баком-аккумулятором. При определенной периодичности чередования солнечных и пасмурных периодов в течение дня аккумулятор может и не восполнить запас теплоты. Применение концентратора обеспечит ускоренный выход на рабочий режим, что будет способствовать повышению эффективности работы плоского солнечного коллектора в целом, особенно при низких высотах Солнца.
В высоких географических широтах за счет оптимальных форм концентратора солнечного излучения и отражателя полуденного солнечного
70
суммарный поток прямого и отраженного от наклонного концентратора солнечного излучения
* ч
✓ \ / \
/ __ч
------------^-о»"* -------------ч
/ ^^ ^^ \ Поток прямого солнечного излучения
у ______________________________________________________________Лч. л________
/ / \ *
критерий продуктивного использования энергии солнца
10
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Время, ч
В Ю З
Рис. 7. Дневные значения вступающего в воду пруда прямого (21 июня) и прямого и отраженного солнечного излучения (21 марта(сентября) и продолжительность продуктивного использования энергии Солнца в г. Омске и при чистой атмосфере (в часах указано время продуктивного использования энергии Солнца).
60
50
40
30
20
0
ная труба (термосифон) соляной пруд труба (термосифон) заполненный льдом
Рис. 8. Конструктивная схема гелиоэлектростанции.
излучения можно добиться эффективного аккумулирования солнечной энергии в течение всего летнего периода.
Предлагаемый концентратор может найти эффективное применение в России при использовании солнечной энергии для локальных систем водоснабжения, электроснабжения, холодотепло-снабжения, для солнечной бани и печи, для биогазовой установки и сушки материалов и сырья и т.д.121.
Список использованной литературы
1. С. Зоколей. Солнечная энергия и строительство. М.: Стройиздат, 1979. 208 с.
2. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.
