Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

25.09.2015

Концентратор сонячної енергії – найважливіший елемент системи холодо — і теплопостачання

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
Використання сонячної енергії обмежується її малою щільністю, приходить вранці і ввечері на горизонтальну поверхню. Автором пропонується оригінальна конструкція (схема) концентратори сонячної енергії, що дозволяє в 3 – 5 разів збільшити надходження сонячної енергії на горизонтальну поверхню в цей час.

Використання сонячної енергії обмежується її малою щільністю (кВт/м2) на горизонтальну поверхню. Автором пропонується оригінальна конструкція (схема) концентратори сонячної енергії, що дозволяє в 3 – 5 разів збільшити надходження сонячної енергії на горизонтальну поверхню в це «проблемне» час. Таке збільшення «приходу сонячної енергії, спільно з іншими нововведеннями дозволяє підвищити ефективність ряду енергогенеруючих систем (технологій) заснованих на використанні сонячної енергії.

Концентратор сонячної енергії для низьких висот Сонця

Ефективність роботи будь енергогенеруючої системи використовує сонячну енергію безпосередньо залежить від того, чи застосовується у її складі концентратор сонячної енергії і який він. Змінює свою орієнтацію в просторі, що відслідковує переміщення Сонця по небу, або нерухомий, його форма і матеріал з якого виготовлені відображають поверхні і багато іншого.

Проведені дослідження даних по інсоляції показують, що пряме сонячне випромінювання (влітку «продуктивне» з 8 – 9 год до 15 – 16 год) може бути основним, але не єдиним джерелом надходження в сонячний соляної ставок сонячної енергії. Так для малих ставків вкрай важливо використовувати пряме сонячне випромінювання, відбите від концентраторів — для збільшення надходження сонячного випромінювання в ставок, за часовими межами, так званої найбільшою денний «продуктивності» Сонця. З урахуванням того, що максимальний час підйому Сонця з 10 до 20? на екваторі, північному тропике і, наприклад, на широті Омська 21 червня складає 45, 46 хвилин і 1 годину 14 хвилин відповідно. В Омську вранці Сонце піднімається в 1,64 рази повільніше, ніж на екваторі. Це розширить також і межі місячної «продуктивності» до яких відносяться 4 – 5 місяців літнього періоду.

Для вирішення цієї проблеми знайдено технічне рішення, яке досліджено стосовно широті міста Омська починаючи з 23 квітня (Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
= 10?), коли Сонце стоїть строго на сході (малюнок 1).

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

Малюнок 1 – Схема концентрації сонячного випромінювання в сонячний соляної ставок літнім ранком за рахунок зміни нахилу концентратори сонячної енергії (схема напрямків рухів сонячних променів, що надходять в сонячний ставок).

1 – сонячний промінь; 1′, 1″ – напрямки руху сонячного променя 1 після відбиття від концентратора і після входження у воду; 2 – сонячний промінь; 2′, 2″, 2. 2 + – напрямки руху сонячного променя 2 після відбиття від водної поверхні ставка, концентратора і після входження у воду; Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
– кут нахилу прямих сонячних променів (висота Сонця); Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
– кут нахилу відбитих сонячних променів (висота «відбитого» Сонця); ђ – кут нахилу концентратори сонячної енергії;. – кут входження сонячних променів у воду.

Кут нахилу відбитого сонячного променя 1′ (Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
, висота «відбитого>» Сонця, малюнок 1) пов’язаний з висотою Сонця (Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
) і кутом нахилу концентратори сонячного випромінювання (Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
) наступною залежністю

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
.

При висоті Сонця 10? і куті нахилу концентратори сонячного випромінювання 10? висота «відбитого» Сонця дорівнює 30?.

Як видно з малюнка 1 нахил концентратора збільшує висоту» відбитого променя 1′ з 10 до 30. кут. стає рівним 49,5? (для 2 променя. одно 42,5?), а значить водна (оптична) маса змінюється з 1,48 до 1,32.

Відбиті сонячні промені набирають воду вже під кутом, що зменшує відбиття сонячного випромінювання водною поверхнею і поглинання сонячного випромінювання на шляху до шару гарячого розсолу. Оскільки частка від концентрації променя 2′ значна лише при дуже малих висотах Сонця, тут її не розглядаємо. Нахил концентратори сонячної енергії при малих висотах Сонця дозволяє головне — використовувати всю висоту концентратора для збільшення надходження сонячного випромінювання в ставок у найбільш проблемні ранкові і вечірні години. Використання відбитого сонячного випромінювання є потужним інструментом акумулювання ставком сонячної теплоти. Коефіцієнт концентрації сонячного випромінювання в ставок може скласти 5,0 при висоті Сонця 10. При висоті Сонця 15? він складає — 3,3, і 2,6 — при 19. зменшуючись зі збільшенням висоти Сонця. Найважливішим фактором на користь такої схеми концентрації сонячної енергії є те, що в добі опівдні один, а ранок і вечір це два тимчасових періоду. В літній період в Росії тривалість дня 16 – 17 годин, проти 12 – 13 годин на екваторі і в тропіках. Концентратор буде відображати додатково в акваторію ставка і розсіяне сонячне випромінювання, яке вранці і ввечері має найбільшу інтенсивність з тієї сторони небозводу, де в цей час знаходиться Сонце.

Виходячи з цього дослідження, розроблена конструктивна схема концентратора сонячної енергії (рис.2), яка буде актуальна вранці і ввечері і для низьких широт (екватор, тропіки).

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

Малюнок 2 – Конструктивна схема концентрування сонячної енергії в сонячний соляної ставок концентратори сонячної енергії за рахунок стеження за рухом Сонця по небу.

Застосування похилого концентратори сонячного випромінювання (малюнок 2) з надлишком компенсує низьку інсоляцію навесні і восени в середній смузі Росії. Без урахування того, що для малих ставків втрати теплоти через дно і бічні стінки можуть бути знижені належної теплоізоляцією.

Ранньою весною і пізньою осінню на вертикальну поверхню, орієнтовану на південь в середній смузі Росії при малій висоті Сонця приходить більше сонячної енергії, ніж на східну і західну вертикальні поверхні. Тому це технічне рішення по концентрації сонячного випромінювання і для цих часових періодів перспективно.

Для збільшення надходження в ставок сонячного випромінювання в полуденні години, коли висота Сонця найбільша, без затінення акваторії ставу рано вранці і пізно ввечері, коли висоти Сонця незначні, можна використовувати в якості відбивача виступаючі «горищні» частини будівлі у відповідності з рисунком 3.

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

Малюнок 3 – Конструктивна схема додаткової концентрації сонячного випромінювання в сонячний соляної ставок в полуденний час.

Використання сонячних соляних ставків малих площ з концентрацією енергії від концентратора і додаткового «горищного» відбивача для російських просторів є найбільш оптимальним.

Можлива сфера використання концентратора — для системи холодо — та теплопостачання.

Таке технічне рішення (концентратор) в Росії може бути ефективно реалізовано при використанні сонячної енергії для локального холодо — і теплопостачання, оскільки неефективність традиційного централізованого теплопостачання в малих поселеннях, підтверджується математичною моделлю управління аварійними запасами матеріально-технічних ресурсів на їх об’єктах у разі аварійного ремонту[1].

Пропонована геліосистема холодо — і теплопостачання (рисунки 4, 5), розроблена в КБАЭ «ВоДОмет» (р. Омськ), як ніяка інша враховує кліматичні умови середньої смуги і півдня Росії. Принципово не відрізняється від раніше описаних систем [2, 3], вона конкретизована в деталях і містить основні дані по виконаному економічного розрахунку, з урахуванням екологічного фактора.

Принцип роботи геліосистеми холодопостачання (гелиохолодильника), що забезпечує підтримку влітку відповідної температури в холодильній камері, розглянутий у якості прикладу, у вигляді системи, що входить в окремо стояча будівля (для спрощення, без прив’язки до пропонованого концентратора), і полягає в наступному.

Система призначена для охолодження замкнутих обсягів допомогою циркуляції хладагента з робочого контуру гелиохолодильника: конденсатор 5 – дросель 4 – випарник 3. У випарнику 3 відбувається пароутворення низкокипящего робочого тіла – хладагента. Утворюється пара хладагента стискається в хладомете (компресорі) з підвищенням температури (залежить від ступеня стиснення) і потім надходить у конденсатор, де конденсується, віддаючи теплоту фазового переходу холодоагенту в котлован з льодом або в навколишній простір (повітря). Утворений при цьому рідкий холодоагент подається в дросель 4; за ним тиск знижується, і холодоагент надходить у випарник 3. Цикл повторюється.

Теплота, відбираєма з приміщень буде акумулюватися котлованом 9 допомогою частини конденсатора 5, розташованої в котловані 9 і під ним, що забезпечує найбільш повне акумулювання низькопотенційної теплоти для використання її в майбутньому (взимку), або частина теплоти може розсіюватися в навколишнє середовище через його конденсатора (5) верхню зовнішню частину, розташовану на відкритому повітрі. Вибір режиму роботи визначається положенням заслінок в регуляторі потоку 7, в залежності від температури навколишнього повітря (день — ніч, весна — осінь) і стану котловану — температури в ньому. А також від обсягу котловану, кількості теплоти, яку, він може прийняти. Переважне, природний напрям потоку пари холодоагенту при відкритому регуляторі потоку 7 в конденсаторі 5 визначається тим, яка з його частин; розташована в котловані чи на відкритому повітрі має більш низьку температуру. Температурою частин конденсатора визначається швидкість конденсації в них пари хладагента, а значить і зниження в них тиску. Частина конденсатора 5, розташована над котлованом влітку буде мати найменшу температуру з 23 до 5 год, коли різниця денних і нічних температур для середньої смуги Росії становить 11 – 16 ?З (на Північному Кавказі, в Нижньому Поволжі і півдні Далекого Сходу вона ще більше). Таке розгалуження конденсатора дуже актуально, т. к. як показують дослідження, у нас наростає мінливість погоди — мінливість температури та всіх супутніх елементів. Добова мінливість, річна — яка завгодно.

Вода (повітря), що проходить по водопроводу (повітропроводу) 13, нагрівається до 50 – 90 ?С (в залежності від швидкості руху) задовольняючи потреби в гарячій воді (повітрі) протягом усього літа до глибокої осені. Кондиціонування приміщень можна здійснювати охолодженим до 5 – 8 ?З повітрям, що надходить у приміщення через воздуховод 8, розташований під льоду котловану.

Охолодження приміщень можна здійснювати також за рахунок циркуляції масла; маслопровід 10 — охолоджувальне приміщення.

Як бачимо при виробництві холоду і теплоти дана система має мінімальну кількість технологічних переділів.

До осені температура талої води в котловані піднімається до 10 ?С.

Актуальність розробки системи холодопостачання пов’язана і з існуючим прогнозом змін клімату Росії до 2015 р. В середньому за 10 років наші кліматологи очікують підвищення температури на 0,6 ?З, і зменшення кількості опадів. У зв’язку з цим з’являться проблеми з водністю річок. Це позначиться на роботі ГЕС. У літній час почастішають небезпечні для здоров’я великі хвилі тепла. А це в свою чергу вплине на роботу закладів соціальної сфери та медицини.

Система среднетемпературного холодопостачання на зиму може бути перетворена в систему теплопостачання згідно малюнку 5.

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

Малюнок 5 – Схема системи теплопостачання (теплоприводного теплового насоса — ТНТП ).

1 – сонячне випромінювання; 2, 7 – теплоізоляційне покриття; 3 – конденсатор теплового насоса; 4 – дросель; 5, 10 – регулятор потоку холодоагенту; 6 – випарник теплового насоса; 8 – повітропровід; 9 – котлован з талою водою; 11 – хладомет (двигун Стірлінга з компресором); 12 – теплова гравітаційна труба (термосифона); 13 –грунт; 14 – сонячний соляної ставок.

Принцип роботи системи теплопостачання, що забезпечує взимку підтримання відповідної температури в приміщеннях будівлі, що окремо стоїть, відбувається наступним чином. Хладомет 11 (двигун Стірлінга з компресором) забезпечує обігрів приміщень за допомогою циркуляції хладагента з робочого контуру ТНТП. конденсатор 3 – дросель 4 – випарник 6. Хладомет 11 працює від енергії згоряння біометану, обігрівального укорочену теплову трубу 12 (конструкція топок-форсунок умовно не показана), або іншого джерела. В якості органічного палива для обігріву теплової труби 12 може бути використаний торф, висушений з використанням сонячної енергії.

У випарнику 6 за рахунок теплової енергії води 9 відбувається пароутворення холодоагенту, пар далі підігрівається від теплоти ґрунтів, розташованих під котлованом, будівлею під ставком (13) і розсолу ставка 14. Підігрітий пара стискується в компресорі з підвищенням температури, потім гарячий пар холодоагенту надходить в конденсатор 3, де він, спочатку частково охолоджується, потім конденсуючись, віддає теплоту фазового переходу на обігрів приміщень. Конденсат холодоагент надходить у дросель 4, де його тиск знижується, а потім – у випарник 6. Цикл повторюється.

Перед дроселем 4 конденсат холодоагенту може переохолоджуватися за рахунок надходить в приміщення холодного повітря або води.

Після дроселя 4 тепло на випаровування холодоагенту у випарнику 6 може забиратися як з котловану, так і з навколишнього повітря, відповідно через частині випарника 6, розташовані в котловані чи над котлованом 9. Це залежить від положення заслінок регулятора потоку 5 хладагента. При русі паркого рідкого хладагента по частині випарника, розташованої в котловані забезпечується швидке охолодження води котловану і освіта в ньому льоду — акумуляція холоду для використання влітку. При русі паркого хладагента по частині випарника, розташованої над котлованом (восени, у відлизі, теплим зимовим днем або коли коливання температури нагадують «пилу») економиться низькопотенційна теплота котловану для морозного періоду. Вибір режиму роботи визначається положенням заслінок в регуляторі потоку 5 в залежності від температури навколишнього повітря (день — ніч, осінь — весна) і стану котловану — температури в ньому. А також від обсягу води в котловані, кількості теплоти, яку вона може віддати. Переважне, природний напрям потоку рідкого холодоагенту при відкритому регуляторі потоку 5 в конденсаторі 6 визначається тим, яка з його частин; розташована в котловані чи на відкритому повітрі має більш високу температуру. Температурою цих частин випарника визначається швидкість випаровування в них холодоагенту, а значить і підвищення тиску. Восени прохолодна вода в котловані може бути підігріта, якщо повітря з будівлі видаляти через воздуховод 8 або замінена на теплу воду з температурою до 20 – 25 ?С. Підігрів води в котловані можна здійснити за рахунок її циркуляції через плоский сонячний колектор в період «бабиного літа».

Коду на вулиці тепло тоді потреба в опаленні зменшується; так що знижена теплопередача (тепловіддача) вуличне повітря — зовнішній випарник буде забезпечувати менший (для виключення перетопа) паркан теплоти з атмосфери. Так зима 2006-2007 рр. на півдні Сибіру була екстремально тепла. Вона прийшла на 2 – 3 декади пізніше звичайних строків. Середня температура грудня була мінус 6 ?С, а середня температура січня мінус 9 ?З (замість середньорічної мінус 19 – 20 ?З). Практично зими як такої на півдні Сибіру не було. Жили в умовах предзимья. За всю зиму було всього два холодних періоду: треті декади листопада і лютого. Всі інші періоди були екстремально теплими. В кінці січня настала відлига. Температура піднялася до + 6 і + 12 ?С. А зима 2005-2006 рр. була абсолютно жахлива.

У процесі роботи ТНТП (системи) температура води в котловані знижується, утворюється лід (котлован «готується» до прийому теплоти влітку), може замерзнути і грунт під котлованом. Помітно знижується температура грунту 13 і розсолу ставка 14, забезпечуючи обігрів приміщень акумульованої сонячної енергій і скидним теплом системи працювала влітку в режимі сонячної холодильної установки.

У випадку, що розглядається, на випарнику 6, розташованому в котловані 9 і під котлованом утворення крижаних наростів не є непереборною перешкодою для експлуатації системи. Коли вся вода в котловані 9 замерзне, і подальша експлуатація ТНТП з цією ділянкою стане малоефективною через пониження температури в випарнику, то за рахунок управління заслінкою регулятора потоку 10 можна забезпечити рух холодоагенту, по контуру випаровування, минаючи котлован 9. Цей режим роботи ТНТП може бути ефективний навесні, коли ставок звільнився від льоду, і йде акумулювання сонячної енергії придонним шаром ставка, і коли подальше охолодження котловану не доцільно. Також ранньою весною сніг з акваторії ставу можна використовувати для збільшення запасів холоду котловану, накривши його (сніг) демонтованим теплоізоляційним покриттям ставка.

Еколого-економічна ефективність застосування концентратора в системі холодо — і теплопостачання

Така вироблення енергій — це, по суті, комбінований спосіб виробництва холоду і тепла. Тільки холод, акумульований водою котловану взимку, витрачається влітку (малюнок 6), а теплота, акумульована водою котловану влітку, витрачається взимку допомогою ТНТП .

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

Малюнок 6 – Схеми всіх генеруються геліосистемою холодопостачання (влітку) і системою теплопостачання (взимку) видів енергій.

На малюнку 6 наведено всі диференційовані види енергії, які можна отримувати влітку за рахунок сонячного соляного ставка, котловану з льодом і навколишнього повітря системою холодопостачання і ті, які можна отримувати взимку системою теплопостачання.

Як видно з рисунка 6 різноманітність генеруються видів енергії системою холодо — і теплопостачання забезпечується в основному за рахунок енергій двох основних споруд — ставка і котловану і біометану. Це дозволяє при експлуатації системи виробляти безпосередньо той вид енергії, який потрібен в конкретний час у конкретному місці без переналагодження устаткування.

Результати проведеного автором розрахунку еколого-економічної ефективності використання енергії сонячного соляного ставка, льоду (води) котловану, повітря і біометану (частини виробляються енергій представлених на рисунку 6) системами: холодопостачання; теплопостачання; гарячого водопостачання представлені нижче.

Розрахунок систем проведено для широти міста Омська (55. північної широти) для зони недоступності теплопостачання від міської ТЕЦ. Площа сонячного соляного ставка (зони акумулювання сонячного випромінювання гарячим розсолом), прийнята рівною 78,5 м 2 [Радіус ставка 5 м. Розміри ставка прийняті обмеження по конструктивним міркувань — площі концентратора, виконаного по малюнку 2 (з можливістю нахилу по малюнку 1) і пов’язане з періодично виникаючими вітровими навантаженнями]. Загальний розрахунковий обсяг котловану для прийому всієї теплоти, невикористаною в термодинамічних циклах — 332 м3.

Отримані наступні розрахункові показники експлуатації гелиохолодильника, системи гарячого водопостачання та теплового насоса: річна вироблення гелиохолодильником холоду — 97058 МДж; річна вироблення системою гарячого водопостачання теплоти — 62353 МДж; зимова вироблення теплоти тепловим насосом — 264820 МДж, при споживанні 5281 м3 біометану (теплота згоряння 24 МДж/м3) для приводу в роботу компресора ТНТП .

Маючи, при зростаючому ринку енергоспоживання, ставкою дисконтування 18 % визначення дисконтованих чистих грошових надходжень або чистої приведеної величини доходу (NPV), що характеризує загальний абсолютний результат інвестиційного проекту, проведено з урахуванням еколого-економічних переваг енергетики ВДЕ по запропонованій автором формулою:

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
руб.

де Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
– вигода (дохід) від проекту в році Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
, руб.; Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
= 1,15 – коефіцієнт (мінімальне його значення, рівне. частини від середнього) враховує еколого-економічної вигоди використання обладнання енергетики ВДЕ (Російські та зарубіжні оцінки прямих соціальних-економічних витрат, пов’язаних з шкідливим впливом електростанцій, що виробляють електроенергію за рахунок спалювання органічного палива: включаючи хвороби і зниження тривалості життя людей; оплату медичного обслуговування, втрати виробництва, зниження врожаю, відновлення лісів і ремонт будівель в результаті забруднення повітря, води і грунту дають величину, добавляющую близько 75 % світових цін на паливо та енергію. За джерелом [4] ці витрати для вугільних ТЕС вище); Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
= 1,06 – коефіцієнт, що враховує випереджаюче зростання цін на вироблену енергію, а також сезонні експлуатаційні витрати і витрати, при виробництві цієї енергії; Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
– витрати на проект у році Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
, руб.; Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
– ставка дисконту; Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
– кількість років життя проекту.

1) величина коефіцієнта Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
зростає до значень (1,5 – 1,75) при зведенні системи в приміських, курортних, заповідних зонах і т. д.

2) значення коефіцієнта Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
знижується по мірі зниження темпу зростання вартості виконаних видів енергії в Росії.

3) ставка дисконту Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший
знижується по мірі становлення (розвитку) енергетики ВДЕ.

На підставі проведених автором розрахунків побудований фінансовий профіль проекту, (малюнок 7).

Renewable Energy, Концентратор сонячної енергії найважливіший

Малюнок 7 – Фінансовий профіль геліосистеми холодо — і теплопостачання зі ставкою дисконтування 18 %.

У даній статті, із-за накладених на її обсяг обмежень, не розкрита оригінальна установка вироблення біометану (біогазу) з використанням енергії сонячного соляного ставка. Це технічне рішення, при зацікавленості читачів даним напрямком енергетики ВДЕ, буде представлено в подальшому.

Розглянута геліосистема холодо — і теплопостачання наочно показує, що у російської енергетики ВДЕ, заснованої на використанні особливостей кліматичних умов середньої смуги Росії, є хороша обґрунтованість її майбутнього.

Список літератури

1 Кузнєцов П. А. Організаційна надійність управління ресурсним забезпеченням при перебудові аварійних об’єктів // Житлове будівництво. 2006. № 1. С. 5 – 6.

2 Осадчий Р. Б. Нетрадиційні варіанти хладотеплоснабжения будівель // Технологія машинобудування. 2004. № 1. С. 50 – 54.

3 Осадчий Р. Б. Сонячна енергія, її похідні та технології їх використання (Впровадження в енергетику ВДЕ). Омськ: ІПК Макшеевой Е. А. 2010. 572 с.

4 Копилов А. Е. Економічні аспекти вибору системи підтримки використання поновлюваних джерел енергії в Росії // Енергетик. 2008. № 1– С. 7 – 10.

Автор: Осадчий Геннадій Борисович, інженер, автор 140 винаходів СРСР.

Тел будинок. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819

E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. У вас повинен бути включений JavaScript для перегляду.

Для листів: 644053, Омськ-53, вул. Магістральна, 60, кв. 17.

Короткий опис статті: сонячна енергія Renewable Energy — інформаційний ресурс про відновлюваної енергетики. Розглядається перспективність і ефективність застосування різних технологій в області одержання, перетворення і використання енергії. відновлювальна,альтернативна, енергетика, енергія, поновлювані джерела енергії, сонячна, вітрова, світового океану, біоенергетика, геотермальних джерел, тепловий насос, біогазові установки.

Джерело: Renewable Energy — Концентратор сонячної енергії – найважливіший елемент системи холодо — і теплопостачання

Також ви можете прочитати