V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время одной из многих известных ресурсосберегающих технологий является использование солнечной энергии. Ситуацию с возобновляемыми источниками энергии в России в каком-то смысле можно назвать уникальной. Запасы этих источников, поддающихся использованию уже на сегодняшнем техническом уровне, огромны. Вот одна из оценок: солнечной лучистой энергии - 2300 млрд т.у.т. (тонн условного топлива); ветра - 26,7 млрд т.у.т., биомассы - 10 млрд т.у.т.; тепла Земли - 40000 млрд т.у.т.; малых рек -360 млрд т.у.т.; морей и океанов - 30 млрд т.у.т..[4] Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России (1,2 млрд т.у.т. в год). Однако используются из всего этого немыслимого изобилия даже не сказать что крохи — микроскопические количества. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование - дело отдаленного будущего (после 2020г) [5].

Основными достоинствами солнечной энергии являются: её общедоступность и неисчерпаемость источника, а так же, теоретически, полная безопасность для окружающей среды. Хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно). Основным недостатком использования солнечной энергии являются погодные условия нашей страны [6].

Главной задачей ресурсосберегающих технологий является снижение финансовых затрат на выработку какого-либо вида энергии, а так же повышение эффективности в сфере замещения органического топлива возобновляемыми источниками энергии природы. Целью замещения органического топлива солнечной энергией является снижение применения органического топлива, а таким образом, и затрат на его использование, а так же повышение уровня вырабатываемой энергии, с последующим применением её для бытовых и промышленных нужд. [7]

Основной целью научно-исследовательской работы является выявление необходимости использования солнечной энергии, как основного источника тепла, а так же положительные и отрицательные стороны такого использования для предприятий различного назначения, его влияние на экологию.

Одной из наиболее сложных задач является выбор и обоснование максимально надёжного и эффективного оборудования по использованию и применению солнечной энергии непосредственно для потребителя тепла.

Особенности использования солнечной энергии

Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая на земной шар, примерно в 10.000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала.

Максимальная мощность солнечного излучения составляет [3]1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности (табл.1).

Таблица 1. Мощность солнечного излучения

Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения. Важно различать эти виды излучения, т.к. современные солнечные установки рассчитаны на различное излучение.

На рис.1 показаны годовые колебания усредненного общего излучения в г. Карлсруэ, Германия.

Рис.1. График годовых колебаний усредненного общего излучения в г. Карлсруэ

Одной из наиболее перспективных технологий, связанной с использованием солнечной энергии является создание фотоэлектрических гелиоустановок [3].

«Фотовольтаик» – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки). В настоящее время они изготавливаются почти исключительно из кремния – материала, получаемого из кварцевого песка, имеющегося почти в неограниченном количестве.

Солнечные батареи изготавливаются из разного кремния:

- из монокристаллического кремния, КПД которого составляет от 15- 20 %;

- из поликристаллического кремния с КПД от 13 до 18 %;

- из аморфного кремния с КПД от 5 до 8 %.

Если солнце светит в условиях тумана, облачности или же находится низко над горизонтом, то оно светит «вполсилы», а это значит, что и солнечная батарея работает лишь вполовину своей производительности. Наибольшего КПД фотогальваническая установка достигает при перпендикулярном облучении. Установка с жестким креплением должна быть расположена по возможности под углом в 30^о и направлена на юг.

Фотогальванические установки, отдающие ток в общую энергосеть, подсоединены к ней через инвертор, который преобразует производимый солнечными батареями постоянный ток в переменный и подает его в сеть.

Номинальная мощность фотогальванических установок указывается в ваттах пик. Подсоединенная к сети установка с номинальной мощностью в 1 киловатт пик имеет площадь примерно 10 квадратных метров и стоит, считая и монтаж, около 10.000 Евро. Такая установка может произвести примерно 900 киловатт-часов электроэнергии в год. Для сравнения – одна семья из 3 человек ежегодно потребляет в среднем 3.000 киловатт-часов энергии.

Автономные фотогальванические установки работают в так называемом «островном режиме», т.е. они не подсоединены к общественной энергосети. Для работы в мало солнечное время и ночью для них необходимы подзаряжаемый аккумулятор для накопления энергии (см. Рис.2). Величина солнечного генератора зависит от режима потребления тока и емкости аккумулятора, причем это должен быть обязательно специальный солнечный аккумулятор. Использование автономных установок имеет смысл только в тех случаях, когда подключение к общей сети невозможно или если стоимость такого подключения намного превосходит стоимость самой установки [3].

С помощью солнечных термоустановок солнечную энергию в наших широтах можно эффективно использовать для подогрева воды и в помощь отопительной системе. Хорошие коллекторы и правильно подобранная по размеру установка могут покрыть до 25 % годового потребления тепла за счет солнечной энергии и к тому же уберечь окружающую среду и сэкономить энергоресурсы.

Для подогрева воды солнечное тепло улавливается плоскими коллекторами или коллекторами с вакуумными трубками. Между солнечными коллекторами и отдельным накопителем горячей в доме циркулирует жидкость с антифризом, нагреваемая лучами солнца. Это тепло затем отдается воде через теплообменник.

В пасмурные дни вода для бытовых нужд нагревается от отопительного котла.

Рис.2. Схема автономной фотогальванической установки [3].

Для подогрева воды достаточно 1,3 кв. м площади коллектора в расчете на одного человека. Эксперты подсчитали, что объем водонакопителя при температуре воды 50° должен составлять 80 литров на человека, но не менее 300 литров.

Количество солнечных установок, которые только нагревают бытовую воду, уже довольно велико. Комбинированные же солнечные установки, которые и воду для бытовых нужд греют, и участвуют в отоплении – это новое, еще более прогрессивное и эффективное решение. Весной и осенью такие установки могут сделать заметный вклад в отопление помещений и разгрузить систему отопления. Для домов на одну - две семьи хорошо проявили себя на практике комбинированные установки с поверхностью коллектора от 8 до 15 кв. м и с комбинированным накопителем – для нагрева бытовой воды и для создания запаса воды на отопление – емкостью от 500 до 1000 литров.

Одной из наиболее перспективных технологий, связанной с использованием солнечной энергии является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния. Такие станции преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 80-96 руб/Вт при стоимости электроэнергии 8-17,92 руб/кВт.ч.

Из-за теоретических ограничений в преобразовании спектра в полезную энергию (около 30 %) для фотоэлементов первого и второго поколения требуется использование больших площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, — гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли). Но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 — 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки.

Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это недостаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая недостаточно экономически эффективна. Сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год[3].

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему. Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД.

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации.

Тепловые солнечные коллекторы являются идеальным дополнениями к каждой отопительной системе и способствуют снижению вредных выбросов в окружающую среду. С высокоэффективными солнечными коллекторами от Viessmann возможно снизить на 35 % ежегодные затраты на отопление и горячее водоснабжение. Солнечные коллекторы Viessmann оптимально согласованы по всем параметрам для использования с любым видом отопительного оборудования. Viessmann является одним из ключевых европейских производителей солнечных коллекторов с более чем тридцатилетним опытом работы в этой области. [2]

• Солнечные коллекторы Vitosol Vitosol 100-F

Модель солнечного коллектора плоского типа (Рис.3,4) отличается лучшим соотношением «цена/производительность». Оборудование устанавливается на крышу (перпендикулярно или горизонтально) и становится частью ее дизайна. Коллекторы долговечны, безопасны в эксплуатации, характеризуются высоким КПД, который достигается за счет эффективного потребления энергии Солнца высокочувствительным гелиотитановым покрытием.

Рис.3. Модель Vitosol 100-F (разрез и внешний вид)

Рис.4. Модель Vitosol 100-F (при непосредственной эксплуатации)

Модель Vitosol 100-F успешно выпускается уже много лет и постоянно совершенствуется.

Отличительные особенности:

- высокопроизводительный плоский коллектор из медного абсорбера и высокоэффективное гелиотитановое покрытие;

- благодаря меандровой форме медного абсорбера с интегрированным магистральным трубопроводом можно подключить параллельно до 12 коллекторов;

- универсально устанавливаемые коллекторы как на крыше, в крыше или в свободном порядке – вертикально и горизонтально монтируемые;

- привлекательный дизайн рамы RAL 8019 (коричневый). По желанию могут поставляться рамы других RAL-цветов;

- высокочувствительный абсорбер, покрытие из гелиостекла с низким содержанием железа и высокоэффективная теплоизоляция обеспечивают выход большого количества энергии;

- долговременная герметичность и высокая стабильность достигается благодаря плотно облегающим алюминиевым рамам и бесшовному уплотнению стекла;

- прочная и устойчивая к коррозии задняя стенка из алюминия;

- удобная система монтажных соединений Viessmann со статически протестированными и устойчивыми к коррозии частями из легированной стали и алюминия;

- быстрое и надежное подключение благодаря подвижному сильфонному штекерному соединению из легированной стали. [2]

• Vitosol 200-T

Вакуумный трубчатый коллектор устанавливается на различных типах крыш, фасадах или в другом месте строения. (Рис.5) Оборудование также подходит для отопления и систем подогрева воды в плавательных бассейнах. Солнечные коллекторы характеризуются высокой производительностью благодаря использованию гелиотитанового покрытия трубок и низкодисперсного стекла.

Рис.5. Коллектор Vitosol 200-T (в разрезе и внешний вид)

Вакуумные коллекторы состоят из множества стеклянных отделенных друг от друга трубок, в каждую из которых вставлен поглотитель. Также как и оборудование плоского типа, вакуумные коллекторы собирают лучи Солнца, превращая их в тепло. Существует два вида гелиоколлекторов, которые разделяются по способу нагрева воды на прямоточное вакуумированное и вакуумированное с косвенной теплопередачей. Устройства, работающие напрямую, функционируют без давления, подсоединяются к водопроводу через запорный кран. В России такое оборудование может использоваться в период с апреля по сентябрь.

Всесезонная техника с косвенной теплопередачей работает по схожему с установками центрального отопления принципу.

Отличительные особенности[2]

- высокий коэффициентом использования солнечной энергии;

- универсальное применение для монтажа в вертикальном или горизонтальном положении, а также для установки в произвольном месте;

- простое и надежное подключение отдельных трубок с помощью новой системы штекерных разъемов;

- встроенные в вакуумированные трубки поверхности поглотителя не чувствительны к загрязнению;

- возможность оптимальной ориентации трубок относительно солнца, за счет чего обеспечивается максимальное использование энергии;

- высокоэффективная теплоизоляция корпуса коллектора сводит к минимуму потери тепла;

привлекательный дизайн коллектора, корпус которого может быть заказан любого цвета (палитра RAL).

Вакуумный трубчатый гелиоколлектор высокой эффективности, тип SP3A

Рис.6.Вакуумный трубчатый гелиоколлектор высокой эффективности, тип SP3A ( разрез и внешний вид)

Рис.7.Вакуумный трубчатый гелиоколлектор высокой эффективности, тип SP3A (при непосредственной эксплуатации).

На рис. 8 представлено сопоставление различных типов гелиоприемников с позиции коэффициента полезного действия.

Рис.8. Зависимость коэффициентов полезного действия (КПД) коллекторов от разности температур теплоносителя и окружающей среды

Анализ графика показывает, что наибольшим КПД обладают вакуумированные трубчатые коллекторы.

Фотоэлектрические системы

Для того, чтобы фотоэлектрические модули были надежным источником электроэнергии, необходимы дополнительные элементы в системе: кабели, поддерживающая структура и, в зависимости от типа системы (соединенная с сетью, автономная или резервная), еще и электронный инвертор и контроллер заряда с аккумуляторной батареей. Такая система в целом называется солнечной фотоэлектрической системой, или солнечной станцией.

Есть три основных типа солнечных фотоэлектрических систем [3]:

- автономные системы, обычно применяемые для электроснабжения отдельных

зданий;

- соединенные с сетью гелиосистемы;

- . резервные гелиосистемы.

Автономные фотоэлектрические системы (АФС)

Автономные фотоэлектрические системы используются там, где нет сетей централизованного электроснабжения. (Рис.10) Для обеспечения энергией в темное время суток или в периоды без яркого солнечного света необходима аккумуляторная батарея. АФС часто используются для электроснабжения отдельных домов. Малые системы позволяют питать базовую нагрузку (освещение и иногда телевизор или радио). Более мощные системы могут также питать водяной насос, радиостанцию, холодильник, электроинструмент и т.п. Система состоит из солнечной панели, контроллера, аккумуляторной батареи, кабелей, электрической нагрузки и поддерживающей структуры. [3]

Рис.9. Схема автономной фотоэлектрической системы:

1

11-солнечные панели;

2 -контроллер

3 -аккумуляторная батарея

4 - нагрузка

Соединенные с сетью солнечные фотоэлектрические системы

Когда есть сеть централизованного электроснабжения, но есть желание иметь электроэнергию от чистого источника (солнца), солнечные панели могут быть соединены с сетью. (Рис.11,12,13). При условии подключения достаточного количества фотоэлектрических модулей, определенная часть нагрузки в доме может питаться от солнечного электричества. Соединенные с сетью фотоэлектрические системы обычно состоят из одного или многих модулей, инвертора, кабелей, поддерживающей структуры и электрической нагрузки. [3]

Инвертор используется для соединения фотоэлектрических панелей с сетью. Существуют также так называемые AC-модули, в которых инвертор встроен на задней части модуля. Солнечные панели могут быть установлены на крыше здания под оптимальным углом наглона с помощью поддерживающей структуры или алюминиевой рамы. Простые системы с AC-модулями и заводскими поддерживающими структурами выпускаются все в более крупных масштабах. [3]

1 - солнечные панели

2 - инвертор

3 - сеть

4 - нагрузка

Рис.10. Схема соединённой с сетью солнечной фотоэлектрической системы:

Рис. 11,12. Примеры соединенной с сетью системы.

Резервные системы

Резервные солнечные системы используются там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но сеть ненадежна. (Рис.14). Резервные системы могут использоваться для электроснабжения в периоды, когда нет напряжения в сети. Малые резервные солнечные системы электроснабжения наиболее важной нагрузки - освещение, компьютер и средства связи (телефон, радио, факс и т.п.). Более крупные системы могут также снабжать энергией и холодильник во время отключения сети. Чем больше мощность необходимая для питания ответственной нагрузки, и чем дольше периоды отключения сети, тем большая мощность фотоэлектрической системы необходима. [3]Хотя умелый человек может сделать большую часть работы по установке системы, электрические соединения должны быть сделаны квалифицированным персоналом. [3]

1.солнечные панели

4.сеть

2.инвертор

5.нагрузка

3.батарея

Рис.13. Схема резервной фотоэлектрической системы

Система состоит из фотоэлектрических модулей, контроллера, аккумуляторной батареи, кабелей, инвертора, нагрузки и поддерживающей структуры. [3]

Исследования по использованию солнечной энергии в г. Омск

Эффективность работы любой энергогенерирующей системы использующей солнечную энергию напрямую зависит от того применяется ли в её составе концентратор солнечной энергии и каков он. Меняющий свою ориентацию в пространстве, отслеживающий перемещение Солнца по небосводу или неподвижный, его форма и материал из которого изготовлены отражающие поверхности и многое другое. [8]

Для оценки эффективности концентраторов прямого солнечного излучения в РФ (высоких широтах), для систем и сооружений с солнечным соляным прудом в качестве сравнительных данных, ниже будем использовать в основном данные по солнечному сиянию и прямой радиации и радиации на вертикальные поверхности в г. Омске. Хотя до последнего времени этот регион, как и вся средняя полоса России не рассматривались, как место потенциального использования солнечной энергии для энергоснабжения хозяйственной и производственной деятельности человека, и исследований в этом направлении практически не проводилось.

Для средней полосы России характерным является то, что Солнце как бы движется вокруг объекта, набирая значительную высоту к началу облучения южных стен ранним утром (в летний период) и остается на ней (высоте) к окончанию их облучения (вечером). Причем, например, для Омска время облучения южных стен в июне-июле — менее 10 часов (таблица 1), в то время как продолжительность дня в период летнего солнцестояния превышает 17 часов. Изменение продолжительности дня в течение года, и соответственно возможная продолжительность солнечного сияния в Омске, в графическом виде представлена на рис.14., а на рис.15 приведены строго повторяющиеся данные по суточному ходу Солнца и склонение Солнц [8]..

Рис. 14. Продолжительность (ч) дня и ночи в городе Омске. (слева)

Рис. 15. Суточный ход высоты Солнца и график закрытости

горизонта в Омске. (справа)

1 – δ = 23⁰ (10 июня и 3 июля), 2 – δ = 12⁰ (22 апреля и 22 августа), 3 – δ = 0 (21 марта и 23 сентября), 4 – δ = – 12⁰ (25 октября и 17 февраля), 5 – δ = – 23⁰ (11 декабря и 1 января), 6 – график закрытости горизонта. [8]

Широта месторасположения Омска определяет продолжительность дня и соответственно возможную продолжительность солнечного сияния. В день зимнего солнцестояния — 22 декабря (рис.15) продолжительность дня в Омске 6 ч 48 мин, а 22 июня — 17 ч 08 мин. Средняя продолжительность солнечного сияния в Омске равна 2223 ч/год. А вот в Батуми — лишь 1890 ч, в Харькове — 1748 ч, в Париже — 1800 ч, в Страсбурге — 1650 ч/год. Несколько выше в Риме — 2363 ч, в Ницце — 2800 ч. В Омске в среднем всего 57 дней в году без Солнца, при 42 днях без Солнца зимой. [8]

Инвентаризация гелиопотенциала Амурской области

Гелиоэнергетические ресурсы области в целом составляют: на юге 1300 – 1400 кВт∙ч/м², на севере 1100 – 1200 кВт∙ч/м². Максимальная годовая продолжительность солнечного сияния (2300 – 2500 ч) наблюдается в южных районах. Фактическая продолжительность солнечного сияния по отношению к астрономически возможной за год составляет на севере области 45 %, а на юге 60 %, что сопоставимо с аналогичными параметрами для наиболее солнечной страны СНГ — Туркмении.

Из рис.14 следует, что особенности суточного хода Солнца в Омске таковы, что положение Солнца на небосводе во время восхода и после него (во время заката и до него) строго на востоке (на западе) наблюдается с 21 марта по 23 сентября. При этом около месяца после 21 марта и до 23 сентября оно находится для Омска, в зоне возможной закрытости горизонта. Характерной чертой движения Солнца по небосводу в средних широтах, в частности в Омске является то, что летом продолжительность освещения Солнцем стен восточной и западной ориентации составляет для каждой из них ≈ ⅔ от продолжительности освещения стены южной ориентации (см.таблица 2).

Таблица 2. Месячная продолжительность (ч) солнечного сияния для стен разной ориентации.

Величины суточного хода прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности ориентированные по сторонам света зависят от продолжительности солнечного сияния, скорости «подъема/опускания» Солнца и максимальной высоты солнца

Рис. 16. Годовой ход прямой солнечной радиации, поступающей на стены зданий различной ориентации (С, В, Ю, З), перпендикулярную (П) и горизонтальную (Г) поверхности.

Рис. 17. Годовой ход суммарной солнечной радиации, поступающей на стены зданий различной ориентации (С, В, Ю, З) и горизонтальную (Г) поверхность.

Анализ рис.16,17 показывает, что количество солнечной радиации приходящей на вертикальную поверхность, ориентированную на юг в июне немного меньше количества солнечной радиации приходящей на вертикальные поверхности ориентированные на восток и на запад. В то время как ранней весной и поздней осенью на вертикальную поверхность, ориентированную на юг приходит несравненно больше солнечной радиации. Ещё большая «контрастность» в поступлениях солнечного излучения на поверхности, ориентированные по частям света наблюдается в более низких широтах, в частности в Ташкенте (Рис. 19). [8]

Рис. 18. Прямое, рассеянное и отраженное солнечное излучения, приходящие на вертикальную поверхность в июле (город Ташкент, 41⁰ северной широты, средние данные за 10 лет):

1 – С, 2 – С—СВ (С—СЗ), 3 – ЮВ (ЮЗ), 4 – СВ (СЗ), 5 – В—СВ (З—СЗ), 6 – В—ЮВ, 7 – В (З), 8 – Ю—ЮВ (Ю—ЮЗ), 9 – Ю, 10 – отраженная радиация, 11 – рассеянная радиация (С — север, Ю — юг, З — запад, В — восток, ЮЗ — юго-запад, ЮВ — юго-восток, СВ — северо-восток, СЗ — северо-запад).

Из рис. 18 следует, что максимальная плотность прямого солнечного излучения, приходящая на вертикальную поверхность ориентированную утром на восток, а вечером на запад в июле более чем в два раза превышает плотность прямого солнечного излучения приходящего в полдень на вертикальную поверхность, ориентированную на юг. С уменьшением географической широты это превышение увеличивается (тропики находятся намного южнее, и плотность прямого солнечного излучения приходящая на вертикальную поверхность, ориентированную в полдень на юг будет равна нулю).

Проведенные исследования данных по инсоляции [8] показывают, что прямое солнечное излучение (летом «продуктивное» с 8 – 9 ч до 15 – 16 ч) может являться основным, но не единственным источником поступления в солнечный соляной пруд солнечной энергии. Так для малых прудов крайне важно использовать прямое солнечное излучение, отраженное от концентраторов — для увеличения поступления солнечного излучения в пруд, за временными границами, так называемой наибольшей дневной «продуктивности» Солнца. С учетом того, что время подъема Солнца с 10 до 20⁰ на экваторе, северном тропике и, например, на широте Омска 21 июня составляет 45, 46 минут и 1 час 14 минут соответственно (в Омске утром Солнце поднимается в 1,64 раза медленнее, чем на экваторе).

Применение концентраторов позволяет расширить также и границы месячной «продуктивности» солнечного излучения. Для решения этой проблемы найдено техническое решение, которое исследовано применительно к широте города Омска начиная с 23 апреля ( = 10⁰), когда Солнце стоит строго на востоке (Рис.20).

Рис. 19. Схема концентрации солнечного излучения в солнечный соляной пруд летним утром за счет изменения наклона концентратора солнечной энергии (схема направлений движений солнечных лучей, поступающих в солнечный пруд):1– солнечный луч; 1′, 1″ – направления движения солнечного луча 1 после отражения от концентратора и после вхождения в воду; 2 – солнечный луч; 2′, 2″, 2Δ,2+ – направления движения солнечного луча 2 после отражения от водной поверхности пруда, концентратора и после вхождения в воду; – угол наклона прямых солнечных лучей (высота Солнца); – угол наклона отраженных солнечных лучей (высота «отраженного» Солнца); ђ – угол наклона концентратора солнечной энергии; ξ – угол вхождения солнечных лучей в воду[8]

Как видно из рисунка 1 наклон концентратора увеличивает «высоту» отраженного луча 1′ с 10 до 30⁰, угол ξ¹ становится равным 49,5⁰ (для луча 2 ξ² равно 42,5⁰), а значит водная (оптическая) масса изменяется с 1,48 до 1,32.

Отраженные солнечные лучи вступают в воду уже под углом, уменьшающим отражение солнечного излучения водной поверхностью и поглощение солнечного излучения на пути к слою горячего рассола. Поскольку доля от концентрации луча 2′ значительна только при очень малых высотах Солнца, здесь её не рассматриваем. Наклон концентратора солнечной энергии при малых высотах Солнца позволяет главное — использовать всю высоту концентратора для увеличения поступления солнечного излучения в пруд в наиболее проблемные утренние и вечерние часы. Использование отраженного прямого солнечного излучения является мощным инструментом аккумулирования прудом солнечной теплоты. Коэффициент концентрации солнечного излучения в пруд может составить 5,0 при высоте Солнца 10⁰. При высоте Солнца 15⁰ он составляет — 3,3, и 2,6 — при 19⁰, уменьшаясь с увеличением высоты Солнца. Важнейшим фактором в пользу такой схемы концентрации солнечной энергии является то, что в сутках полдень один, а утро и вечер это два временных периода. В летний период в России продолжительность дня 16 – 17 часов, против 12 – 13 часов на экваторе и в тропиках. Концентратор будет отражать дополнительно в акваторию пруда и рассеянное солнечное излучение, которое утром и вечером имеет наибольшую интенсивность с той стороны небосвода, где в это время находится Солнце. Исходя из этого исследования, разработана[8] конструктивная схема концентратора солнечной энергии (см. рис 20), которая будет также актуальна утром и вечером и для низких широт (экватор, тропики). [8]

Рис. 20. Конструктивная схема концентрирования солнечной энергии в солнечный соляной пруд концентратором солнеч- ной энергии за счет слежения за движением Солнца по небосводу.

Применение наклонного концентратора солнечного излучения с избытком компенсирует низкую инсоляцию весной и осенью в средней полосе России. Для малых прудов потери теплоты через дно и боковые стенки могут быть снижены надлежащей теплоизоляцией. Ранней весной и поздней осенью на вертикальную поверхность, ориентированную на юг в средней полосе России при малой высоте Солнца приходит больше солнечной энергии, чем на восточную и западную вертикальные поверхности. Поэтому это техническое решение [8] по концентрации солнечного излучения и для этих временных периодов перспективно.

Для увеличения поступления в пруд солнечного излучения в полуденные часы, когда высота Солнца в Омске наибольшая, без затенения акватории пруда ранним утром и поздним вечером, когда высоты Солнца незначительны, можно, использовать в качестве отражателя выступающие «чердачные» части здания в соответствии с рис.21.

Рис. 21. Конструктивная схема дополнительной концентрации солнечного излучения в солнечный соляной пруд в полуденное время.

Использование солнечных соляных прудов малых площадей с концентрацией энергии от концентратора и дополнительного «чердачного» отражателя для российских просторов является наиболее оптимальным. Предложенная технология концентрации и аккумулирования солнечной энергии [8] может быть использована при эксплуатации плоских солнечных коллекторов, 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.

Такое техническое решение (концентратор) в России может быть эффективно реализовано при использовании солнечной энергии для локальных систем водоснабжения, электроснабжения, холодотеплоснабжения, для солнечной бани и печи, для биогазовой установки и сушки материалов и сырья и т.д.

Заключение

Следует отметить важность применения и разработки новейших технологий по переработке и замещения солнечной энергией органического топлива. Это связано с такими факторами, как увеличение эффективности и энергоёмкости выработки энергии на различные нужды.

Что касается экологической стороны вопроса, то наиболее остро встает вопрос об утилизации отработавших свой срок солнечных коллекторах и модернизации фотоэлектрических станций. На наш взгляд, на сегодняшний день не существует чётко установленной технологии по утилизации, вышедшего из строя, или отработавшего свой срок, технологического оборудования по переработке солнечной энергии.

Также важнейшей стороной вопроса остаётся задача по аккумуляции тепла в летний период года, когда солнечная энергия поступает на землю с наибольшей активностью, чем в другие времена года. Проблема заключается в том, что наибольшее количество солнечной энергии поступает летом, то есть в то время, когда потребность в ней минимальна. Зимой же, когда требуется большое количество энергии, Солнце светит только короткое время днем, да и то под низким углом. Выход один: надо накапливать энергию летом и использовать ее зимой. В качестве аккумулятора теплоты могут быть использованы как подземные резервуары (опыт Швеции), так и наземные емкости, хорошо теплоизолированные от окружающей среды.

По нашему мнению, на сегодняшний день для нашей страны наиболее выгодными являются солнечные термоустановки, так как с их помощью солнечную энергию в наших широтах можно эффективно использовать для подогрева воды и в помощь отопительной системе. Хорошие коллекторы и правильно подобранная по размеру установка могут покрыть до 25 % годового потребления тепла за счет солнечной энергии и к тому же уберечь окружающую среду и сэкономить энергоресурсы. Для таких установок наиболее выгодным полагаю использование плоских солнечных коллекторов с концентратором, о которых было сказано выше.

По отношению к фотоэлектрическим станциям хотелось бы отметить, что их применение зависит от конкретного случая использования, а именно, на основе чего будет осуществляться работа такой системы: есть ли соединение с сетью централизованного электроснабжения, а так же надёжна ли сеть. Исходя из заданных особенностей и подбирается необходимая и оптимальная станция.

. Библиографический список

1. http://www.mysolar.com/

2. http://www.viessmann.ru/

3. file://localhost/

4. Энергетика мира: уроки будущего / под ред. Башмакова И.А. - М.: МТЭА. - 1992. –

С. 355-380.

5. Стребков Д.С., Муругов В.П. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии/ Вестник сельскохозяйственной науки. - М.: Агропромиздат. - 1991, N 2, (413).- С.117-125.

6. Концепция энергетической политики России в новых экономических условиях. - Энергия, N 26-28, 05.08.1992, 1-6.

7. Троицкий В.А. Глобальная экология и стратегия развития энергетики. Альтернативные источники энергии: эффективность и управление// Изобретатель и рационализатор. -1992,

N 2. С. 19-23.

8. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). -Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

Код для цитирования: Скопировать