Солнечная энергия и её использование в РФ

Продолжая тему энергоэффективности чиллеров с воздушным охлаждением, рассмотрим тему использования солнечной энергии. 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.

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.

Таблица 1 – Время (часы, минуты) начала и конца облучения прямой солнечной радиацией южных стен на 15-е число каждого месяца и время восхода и захода Солнца для Омска [1].

Продолжение таблицы 1

Примечания:

1. Время указано истинно солнечное.
2. В зимний период года начало, и конец облучения солнечной радиацией южных стен совпадает с восходом и заходом Солнца.
3. В летний период года время начала облучения солнечной радиацией южных стен совпадает с концом облучения северных стен и наоборот.
4. Время начала облучения восточных стен совпадает с восходом Солнца, конец облучения в 12 ч. Время конца облучения западных стен совпадает с заходом Солнца.

Изменение продолжительности дня в течение года, и соответственно возможная продолжительность солнечного сияния в Омске в графическом виде представлена на рисунке 2. А на рисунке 2 приведены строго повторяющиеся данные по суточному ходу Солнца и склонение Солнца (δ).

Рисунок 1 – Продолжительность (ч) дня и ночи в городе Омске.	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. Рисунок 2 – Суточный ход высоты Солнца и график закрытости горизонта в Омске.

Широта месторасположения Омска определяет продолжительность дня и соответственно возможную продолжительность солнечного сияния. В день зимнего солнцестояния — 22 декабря (рисунок 1) 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.

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.

Если сопоставить, данные таблицы 1 с кривой 1 рисунка 2 то следует, что летом к началу облучения южной стены высота Солнца будет около 30⁰.

Следовательно, в это время, солнечные лучи, обладающие значительной плотностью энергии, будут только скользить по южной ограждающей конструкции здания, не обеспечивая надлежащую концентрацию (отражение солнечных лучей) от южной стены.

Из рисунка 2 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 (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 (рисунки 3 и 4).

Рисунок 3 – Годовой ход прямой солнечной радиации, поступающей на стены зданий различной ориентации (С, В, Ю, З), перпендикулярную (П) и горизонтальную (Г) поверхности.	Рисунок 4 – Годовой ход суммарной солнечной радиации, поступающей на стены зданий различной ориентации (С, В, Ю, З) и горизонтальную (Г) поверхность.

Из рисунков 3 и 4 следует, 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 (рисунок 5).

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).

Рисунок 5 – Прямое, рассеянное и отраженное солнечное излучения, приходящие на вертикальную поверхность в июле (город Ташкент, 41⁰ северной широты, средние данные за 10 лет)

Из рисунка 5 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 [1] 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 (ho= 10⁰), когда Солнце стоит строго на востоке (рисунок 6).

1 – солнечный луч; 1', 1" – направления движения солнечного луча 1 после отражения от концентратора и после вхождения в воду; 2 – солнечный луч; 2', 2", 2^Δ,2⁺ – направления движения солнечного луча 2 после отражения от водной поверхности пруда, концентратора и после вхождения в воду; ho – угол наклона прямых солнечных лучей (высота Солнца); α,τ – угол наклона отраженных солнечных лучей (высота «отраженного» Солнца); ђ – угол наклона концентратора солнечной энергии; ξ – угол вхождения солнечных лучей в воду.

Рисунок 6 – 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).

Угол наклона отраженного солнечного луча 1' (, высота «отраженного» Солнца, рисунок 6) связан с высотой Солнца () и углом наклона концентратора солнечного излучения () следующей зависимостью

α = ho +2ђ,⁰

При высоте Солнца 10⁰ и угле наклона концентратора солнечного излучения 10⁰ высота «отраженного» Солнца будет равна 30⁰.

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, конструктивная схема концентратора солнечной энергии (рис.7), которая будет также актуальна утром и вечером и для низких широт (экватор, тропики)

Рисунок 7 – Конструктивная схема концентрирования солнечной энергии в солнечный соляной пруд концентратором солнечной энергии за счет слежения за движением Солнца по небосводу.

Применение наклонного концентратора солнечного излучения (рисунок 7) 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.

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 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 рисунком 8.

Рисунок 8 – 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 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.