Солнце в качестве источника энергии в северных широтах

А.В. Уваров, Д.И. Кузнецов

Россия, г Орёл, Орловский Государственный аграрный университет

 

Аннотация: В статье рассматривается использование солнечной энергии для преобразования в тепловую и электрическую, а так же целесообразность использования фотоэлектрических преобразователей в северных широтах (52.96540° сев. широты) среднерусской возвышенности (г. Орёл).

 

THE SUN AS A SOURCE OF ENERGY IN THE NORTHERN LATITUDES

A.V. Uvarov, D.I. Kuznetsov

Russia, s. Orel, Orel State Agrarian University

 

Abstract: This article discusses the use of solar energy for conversion into heat and electricity, as well as the feasibility of using photovoltaic cells in the northern latitudes (52.96540° northeast. N) of the Central Russian Upland (Orel).

 

Известно, что солнечное излучение довольно давно используется в качестве источника тепловой и электрической энергии. В качестве преобразователей используются 2 типа устройств: Солнечные коллекторы (преобразующие тепловое излучение Солнца в тепло нагретого рабочего тела) и фотоэлектрические батареи (непосредственное преобразование световой энергии в электрическую).

 

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;

внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из медных зачернённых трубок и отражающего слоя.

Прямые солнечные лучи нагревают чёрные трубки, а отражённые от отражающего слоя солнечные лучи фокусируются на обратной стороне трубок.

Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле:

 

,

 

где η - расчётное значение КПД, η0 - номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях, k1 - коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора,   ΔT - разность температур теплоносителя и окружающего воздуха(гр. С), E - инсоляция (Вт/кв.м.).

Данные для некоторых типов коллекторов приведены ниже.

 

Тип коллектора

Номинальный КПД η0

Коэффициент k1

Плоский солнечный коллектор

72-75

3-5

Вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками

60-65

0,7-1,1

Пластиковый солнечный коллектор

50-60

до 80

 

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло. [1]

 

Фотоэлектрические модули с защитным покрытием из текстурированного закаленного стекла изготовляются на базе монокристаллических кремниевых фотоэлектрических элементов с высоким КПД преобразования света - 15-20%. [2]

Коэффициент фотоэлектрического преобразования для многослойных модулей из GaInP/GaAs/Ge (Галлий Индий/Арсенид Галлия/Германий) 32,0 %[3]

Как показали наши исследования — интенсивность солнечной радиации, падающей на вертикальные площадки, ориентированные по сторонам света, и горизонтальную площадку изменяется в зависимости от времени года и суток, но при этом решающее значение имеет состояние облачности, изменяющее интенсивность солнечной радиации более чем на порядок. Причём максимум мощности солнечной радиации в течение отопительного сезона в интервале с ноября по март приходится на вертикальные стены юго — западной ориентации (см рис 1).

Для получения этих данных мы использовали программно – аппаратный комплекс [7].

Получаемые с прибора данные (в виде таблицы Excel) обрабатывались с применением разработанной для этой цели программы обработки.

Методика обработки данных:

Файлы данных с прибора (фрагменты по 30 минут, интервал между измерениями 10 сек) объединялись в посуточные файлы, затем показания в вольтах умножались на коэффициенты пропорциональности (Вт/м2*В - перевод в Вт/м2).

После этого рассчитывались суммы по каждому направлению, и суммарная радиация, падающая на падающей на ограждающие конструкции здания, в каждый момент времени.

После чего рассчитывалась среднеинтегральная  мощность солнечной радиации, падающей на ограждающие конструкции здания на отрезке в одни сутки.

Для этого сначала определяем мощность за 1 час по формуле:

Где a, b – пределы интегрирования (временной интервал в 1 час), y1,y2…yn – значения солнечной радиации (по 10 сек интервалам), n – число отрезков (10 секундных интервалов за час), получаем:

1*(y1,y2 … yn)/360 = Σy/360.

Мощность за 1 сутки вычисляется аналогично:

1**(y1,y2 … yn)/24 = Σy/24

Где Σy – почасовые мощности солнечной радиации, n = 24 (часа в сутках).

Полученные среднеинтегральные мощности за 1 сутки по каждому направлению группировались помесячно и выносились в итоговую таблицу.

Данная методика измерений и обработки данных позволяет получать значения мощности солнечной радиации, падающей на каждую стену здания в течении определённого интервала времени.

Максимум падающей радиации наблюдается по юго — восточному направлению с ноября по февраль.

В остальные месяцы максимальная мощность солнечной радиации приходится на горизонтальную плоскость.

Оценка выходной мощности с одного квадратного метра плоского гелиоколлектора с КПД 70% по максимальной среднемесячной энергии:

ноябрь — март  3,13 кВт*ч/м2 * 0,7 = 2,19  кВт*ч,

апрель — октябрь  6,71 кВт*ч/м2 * 0,7 = 4,69  кВт*ч.

С вакуумного солнечного коллектора с КПД 65% максимальная среднемесячная энергия:

ноябрь — март   3,13 кВт*ч/м2 * 0,65 = 2,03  кВт*ч,

апрель — октябрь  6,71 кВт*ч/м2 * 0,65 = 4,36  кВт*ч

 

С фотоэлектрической панели (солнечная батарея) на один квадратный метр площади с КПД 20% максимальная среднемесячная энергия:

ноябрь — март   3,13 кВт*ч/м2 * 0,2 = 0,63  кВт*ч,

апрель — октябрь  6,71 кВт*ч/м2 * 0,2 = 1,34  кВт*ч.

 

Рис 1. Средняя мощность солнечной радиации (кВт*ч/м2) с распределением по сторонам света и месяцам.

 

Стоимостные показатели.

По информации формы «МАП Энергия» [4] стоимость 1 квадратного метра солнечного модуля с установочной мощностью (при 25 °С и освещённости 1000 Вт/м2) 120 Вт на модуль равна 22000 руб. Стоимость вакуумного солнечного коллектора (за 1 кв. м.) равна 15000 руб, стоимость плоского солнечного колектора Российского производства за 1 кв.м. равна 7400 руб [5].

 

Учитывая вышеизложенное, приходим к следующим выводам:

Максимальная мощность устройств преобразования солнечной энергии зависит от их пространственного положения относительно источника энергии (солнца). Для стационарной установки модулей устройств в летний период года рекомендуется горизонтальное или наклонное положение, направленное на точку летнего солнцестояния, в зимний период года предпочтительной является юго — восточная ориентация, или наклонное положение на точку зимнего солнцестояния.

Наиболее эффективным с точки зрения преобразования энергии являются вакуумные солнечные коллекторы, так же можно использовать плоские солнечные коллекторы с более низким КПД. Для солнечных батарей придётся увеличивать установочную площадь, так как при зимней эксплуатации с 1 квадратного метра снимается мощность менее 1 кВт*ч.

При учёте пассивного солнечного тепла в зимний период года стены юго восточной ориентации облучаются больше всего. Целесообразно стены этой ориентации делать с более тёмной матовой поверхностью для лучшего поглощения энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1.          «Солнечный водонагреватель» //Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечный_водонагреватель

2.          «Солнечные фотоэлектрические модули в алюминиевой рамке» //Режим доступа: http://www.solarhome.ru/ru/pv/al_frame_glass.htm

3.          «Солнечная батарея» //Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея

4.          «МАП Энергия, Солнечные батареи» //Режим доступа: http://www.invertor.ru/solbat.htm

5.          «Солнечный коллектор "Сокол"» //Режим доступа: http://www.newpolus.ru/sokol.html

6.          Уваров А.В., Кузнецов Д.И., Ставцев Д.А. «Разработка методики измерения физических величин для исследования ряда тепловых параметров» // Основные проблемы архитектуры и строительства в XXI веке, Орёл: изд-во ОрёлГАУ, 2008 – с. 313-315.

7.          Уваров А.В., Кузнецов Д.И., «Программно - аппаратный комплекс для измерения солнечной радиации и температурных колебаний на базе мультиметра Keithley 2700 и многоканальных плат расширения типа 7700, 7702.», «Строительная физика в 21м веке» – сборник трудов международной научно – практической конференции. //М, издательство НИИСФ РААСН – 2009г.

8.           Уваров А.В., Ставцев Д.А., «Исследования потенциала солнечной энергии для энергосбережения в отрасли строительства и ЖКХ» // «Вестник ОрёлГАУ» №5(20) октябрь 2009, изд-во ОрёлГАУ с. 32-34.