Теплоснабжение

Параметры солнечного излучения и радиации

Энергоэффективность – эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов – достижение экономически оправданной эффективности использования топливоэнергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды.

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к затраченной энергии, полученной системой.

Возобновляемые источники энергии – означают неископаемые источники энергии (ветер, солнечная энергия, геотермальная, энергия волн, приливы, гидроэнергия, биомасса, газ из органических отходов, газ установок по обработке сточных вод и биогазы) (Директива 2003/54/ЕС).

Человечество потребляет энергию, в подавляющем большинстве, полученную при сжигании традиционных ископаемых углеводородов, с каждым годом все больше. Но суммарное количество этой потребляемой энергии составляет всего около 0,0125 % доли процента от энергии возобновляемых источников, имеющихся на планете Земля, главная из которых – энергия Солнца [1]. Задача в том, как научиться эффективно использовать эти ресурсы.

Кроме того, энергия возобновляемых источников экологически чистая энергия.

Последние десятилетия постоянно поднимается вопрос о снижении странами выбросов в атмосферу парниковых газов, влияющих, по мнению ряда ученых, на потепление климата планеты и выживание человечества [2, 3]. Теплоэнергетика, наряду с другими отраслями, вносит большой вклад в накопление парниковых газов, поскольку именно при сжигании ископаемого топлива в котлах коммунального хозяйства и индивидуальных домов, происходит выброс диоксида углерода. Применение, при решении вопросов теплоснабжения, высокоэффективных технологий, возобновляемых источников энергии, позволит сохранить планету.

В мире сложная экономическая ситуация. Экономика многих стран-лидеров благосостояния стагнирует, либо развивается очень низкими темпами. В такие периоды мирового развития актуальным становится вопрос экономии энергоресурсов. Отопление и потребление горячей воды – значительные статьи расходов бюджетов, как индивидуальных домовладельцев, так и государств (к примеру, Россия), исторически взявших на себя затраты на поддержание функционирования систем жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Снижение стоимости киловатта тепловой энергии, доставленной конечному потребителю – одна из важнейших экономических задач, стоящей перед техническими и фундаментальными науками.

Тепловой солнечный коллектор (ТСК) – устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.

Инсоляция – облучение поверхности или пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент центр солнечного диска.

Фактическая инсоляция всегда зависит от ориентации и конфигурации освещаемого солнцем объекта.

Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м2). При среднем расстоянии от Земли до Солнца – 150 миллионов километров – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 кВт/м2. На рис. 1 представлена интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны.

Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны

Рис. 1. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны

Солнечная радиация – энергетическая освещенность (облученность или поверхностная плотность потока излучения), создаваемая электромагнитным излучением, поступающим от Солнца, атмосферы и земной поверхности, единицы измерения:

мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.Тепловая энергия солнца – излучение солнечной радиации в диапазоне частот 350–1100 нм.

Суммарное солнечное излучение – прямое и рассеянное солнечное излучение, поступающее на горизонтальную поверхность. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

Прямое солнечное излучение – энергетическая освещенность, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

Рассеянное солнечное излучение – энергетическая освещенность, поступающая на земную поверхность со всего небесного свода под действием атмосферных и оптических факторов, за исключением действия прямого солнечного излучения. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

Отраженное солнечное излучение (применительно к ТСК) – энергетическая освещенность, создаваемая направленным солнечным излучением, отраженным от поверхности отражателя на поверхность ТСК. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

В пасмурные дни прямая солнечная радиация отсутствует и нагрев солнечных коллекторов зависит только от рассеянного солнечного излучения. Прямое солнечное излучение отсутствует, если в дневное время, предметы не дают тени. В средней полосе России осень и зима пасмурные и доля рассеянной энергии в эти периоды времени составляет до 90 % от общей солнечной энергии. Соотношение всех видов энергий солнечного излучения сильно зависят от климатических и географических данных. Эти показатели представлены во многих изданиях, большинство из которых относятся к периоду образования СССР, например [4, 5]. Одним из важнейших вопросов эффективной работы ТСК является их правильного расположение относительно солнца. Конструкции солнечных коллекторов могут быть стационарными, ориентированными на положение солнца в определенный момент времени, или оснащенными механизмами, способными отслеживать его движение.

Солнечный треккер – это устройство, позволяющее следить за движением солнца по небосводу, и перемещать СК в положение, в котором поглощение солнечных лучей происходит наиболее эффективно. Использование этих устройств позволило бы значительно увеличить эффективность работы гелиосистемы.

Но далеко не всегда используются такие устройства. Причина этому их стоимость и необходимость в квалифицированном техническом обслуживании. Большинство ТСК, применяемых для индивидуальных и децентрализированных объектов строительства, являются стационарными, ориентированными на фиксированное положение Солнца, конструкциями. Их расположение определяется формой крыши или опорной рамы. Очень важно правильно выбрать направление на Солнце и угол наклона фиксированных солнечных панелей.

Для оптимальной ориентации коллекторов, необходимо знать основные угловые параметры вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси (широта места установки φ, часовой угол ω, угол солнечного склонения δ, угол наклона к горизонту β, азимут α). Их схема представлена на рис. 2.

Широта места φ – одна из географических координат: дуга меридиана между экватором и параллелью данного места, или угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данном месте земной поверхности. Изменяется от 0 до 90°; от экватора до Северного полюса – северная широта, от экватора до Южного полюса – южная широта.

Основные и дополнительные углы движения Солнца

Рис. 2. Основные и дополнительные углы движения Солнца: а – схема кажущегося движения солнца по небосводу; б – углы, определяющие положение точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей

Часовой угол Солнца (ω) – угол между меридианом данного пункта наблюдений и кругом склонения светила; или дуга экватора между плоскостями меридиана и круга склонения. Величина (ω) отсчитывается от меридиана к западу. Часовой угол (ω) переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Земля поворачивается на 15° за один час. Утром угол направления Солнца отрицательный, вечером – положительный.

Необходимо помнить о разнице директивного времени часовых поясов и реального астрономического солнечного времени. К примеру, в Москве в январе эта разница составляет 2298 секунд, в Краснодаре 1964 секунды, Екатеринбурге – 3971 секунды. Во Владивостоке – 4339 секунды. Это отличие астрономического и директивного времени надо учитывать при установке солнечных коллекторов. Значение астрономического времени места вычисляется по формулам, но сейчас легко найти различные автоматические калькуляторы, где нужно только ввести искомое место и происходит автоматический

расчет астрономического времени, директивного и разницы между ними. К примеру. такой ресурс на time. satmaps. info,  dateandtime. info/ru/citysunrisesunset. php?id=524901, продолжительность светового дня для любого места в любое время planetcalc. ru/300/.

В Москве, продолжительность светового дня меняется от 7 до 17 часов 30 минут, следовательно, Солнце перемещается за это время по дуге около 105 градусов зимой и 260 градусов летом.

Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23,45° до –23,45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение солнца для конкретно выбранного дня определяется по формуле:

(1)

где n – порядковый номер дня в году, отсчитанный от 1-го января.

Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью.

Азимут (α) характеризует отклонение поглощающей плоскости коллектора от южного направления, при ориентировании солнечного коллектора точно на юг азимут = 0°.

Вопросы эффективного расположения солнечных тепловых коллекторов в зависимости от периода эксплуатации в течение года и другие вопросы проектирования солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в других разделах учебного пособия.

По данным института АЕЕ INTEC, на конец 2012 г. в мире установлено 383 млн квадратных метров солнечных тепловых установок общей тепловой мощностью 268,1 ЕВт с годовой выработкой тепловой энергии 225 ТВт·ч [6]. С каждым годом эти показатели только возрастают. К сожалению, в России общая площадь солнечных тепловых установок оценивается в 30 тыс. м2 [7].

По удельной тепловой мощности гелиоустановок на 1000 человек первое место занимает Кипр (542 кВт, площадью 774 м2), второе – Австрия (406 кВт, 580 м2), третье – Израиль (400 кВт, 571 м2). На сегодняшний день большинство гелиоустановок построены в Китае – на площади 217,4 млн м2 (152,2 ЕВт), или 64,9 % от общемирового использования этих установок. В Европе – 56,1 млн м2 (39,3 ЕВт), или 16,7 % [7].

Исследования, проведенные лабораторией возобновляемых источников энергии Института высоких температур РАН, позволили создать «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России» [8]. Согласно данным, представленным в этой работе, более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0–5,5 кВт·ч/м2 в день).

Карта распределения суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол равен широте) для территории России, представлена на рис. 3 [8].

В табл. 1 приведены усреднённые данные по среднемесячной энергии солнечного излучения (инсоляции) для некоторых городов с учётом климатических условий (частоты и силы облачности) для неподвижных панелей, ориентированных на юг под разными углами наклона, и для систем, отслеживающих движение Солнца. Инсоляция измерялась на открытом пространстве.

Таблица 1. Среднемесячные значения солнечного излучения и долей рассеянной солнечной радиации для ряда городов Российской Федерации, Республики Белорусь, Казахстана [4]

Наклон панели к горизонтусуммарно по месяцам, Дж / м2 (кВт·ч / м2)сум-марно за год
январьфевральмартапрельмайиюньиюльавгустсентябрьоктябрьноябрьдекабрь
Российская Федерация
Архангельск0° (гор.)12·10661·106207·106356·106494·106575·106565·106385·106186·10671·10620·1064·1062,94·109 (816)
Астрахань

46,4°с.ш.

0° (гор.)117·106 (32,4)190·106 (52,9)344·106 (95,5)524·106 (145,5)682·106 (189,4)756·106 (209,9)683·106 (189,7)629·106 (174,7)460·106 (127,8)294·106 (81,7)162·106 (45,0)96·106 (26,6)4,94·109 (1371,1)
35°202·106 (56,1)280·106 (77,9)441·106 (122,5582·106 (161,6)676·106 (187,8)712·106 (197,7)664·106 (184,5)684·106 (189,9)593·106 (164,6)449·106 (124,7)289·106 (80,2)169·106 (46,9)5,74·109 (1593,6)
90°

(верт.)

224·106 (62,1)273·106 (75,9)358·106 (99,5)371·106 (103,0)350·106 (97,1)331·106 (92,0)330·106 (91,8)404·106 (112,1)444·106 (123,2)419·106 (116,5)311·106 (86,4)190·106 (52,7)4,00·109 (1112,2)
вращение вокруг полярной оси250·106 (69,4)346·106 (96,0)566·106 (157,1)786·106 (218,3)965·106 (268,0)1055·106 (293,3)968·106 (269,1)994·106 (276,1)824·106 (229,0)592·106 (164,4)368·106 (102,3)206·106 (57,3)7,92·109 (2200,2)
Владивосток

43,1°с.ш.

0° (гор.)262·106 (72,7)336·106 (93,2)468·106 (130,0)486·106 (135,1)518·106 (143,9)465·106 (129,2)448·106 (124,3)449·106 (124,8)429·106 (119,1)340·106 (94,3)233·106 (64,6)208·106 (57,8)4,64·109 (1289,5)
50°438·106 (121,7)519·106 (144,1)531·106 (147,5)469·106 (130,3)502·106 (139,5)608·106 (169,0)619·106 (171,8)623·106 (173,0)497·106 (138,1436·106 (121,1)395·106 (109,6)393·106 (109,1)6,05·109 (1681,3)
90°

(верт.)

284·106 (79,0)379·106 (105,2)457·106 (126,8)460·106 (127,7)529·106 (147,1)637·106 (177,0)598·106 (166,0)501·106 (139,2)325·106 (90,2)270·106 (74,9)232·106 (64,4)241·106 (66,9)4,91·109 (1364,2)
вращение вокруг полярной оси547·106 (151,9)567·106 (157,6)592·106 (164,3)699·106 (94,2)662·106 (184,0)702·106 (194,9)760·106 (211,1)817·106 (227,0)682·106 (189,3)644·106 (178,9)542·106 (150,6)514·106 (142,8)7,73·109 (2146,7)
Волгоград0° (гор.)109·106176·106364·106494·106682·106708·106708·106615·106431·106255·106134·10671·1064,75·109 (1319)
Воронеж0° (гор.)84·106142·106289·106385·106565·106620·106590·106473·106326·106176·10680·10650·1063,78·109 (1050)
Екатеринбург0° (гор.)65·106146·106318·106446·106570·106615·106588·106462·106282·106145·10678·10646·1063,76·109 (1045)
Иркутск0° (гор.)105·106192·106385·106491·106599·106611·106586·106491·106360·106235·106117·10671·1064,24·109 (1179)
Казань0° (гор.)54·106117·106251·106394·106561·106641·106590·106502·106285·106130·10654·10629·1063,61·109 (1002)
Кострома0° (гор.)46·106121·106266·106404·106546·106600·106590·106455·106254·106109·10644·10627·1063,46·109 (962)
Краснодар0° (гор.)117·106184·106314·106440·106595·106636·106653·106540·106402·106264·106130·10675·1064,35·109 (1208)
Красноярск0° (гор.)46·106147·106327·106444·106486·106620·106578·106377·106243·106163·10667·10634·1063,54·109 (982)
Курск0° (гор.)84·106172·106274·106372·106554·106605·106584·106475·106316·106165·10667·10652·1063,72·109 (1033)
Махачкала0° (гор.)132·106182·106316·106500·106670·106708·106700·106616·106438·106284·106148·106104·1064,80·109 (1333)
Москва

55,7°с.ш.,

39,7°в.д.

0° (гор.)59·106 (16,4)125·106 (34,6)286·106 (79,4)400·106 (111,2)581·106 (161,4)600·106 (166,7)599·106 (166,3)468·106 (130,1)298·106 (82,9)149·106 (41,4)67·106 (18,6)42·106 (11,7)3,67·109 (1020,7)
40°74·106 (20,6)191·106 (53,0)390·106 (108,4)459·106 (127,6)599·106 (166,3)587·106 (163,0)604·106 (167,7)522·106 (145,0)377·106 (104,6)219·106 (60,7)125·106 (34,8)79·106 (22,0)4,23·109 (1173,7)
90°

(верт.)

77·106 (21,3)208·106 (57,9)378·106 (104,9)337·106 (93,5)390·106 (108,2)363·106 (100,8)392·106 (108,8)373·106 (103,6)311·106 (86,5)209·106 (58,1)139·106 (38,7)93·106 (25,8)3,27·109 (908,3)
вращение вокруг полярной оси78·106 (21,7)224·106 (62,3)478·106 (132,9)581·106 (161,4)821·106 (228,0)820·106 (227,8)809·106 (224,8)681·106 (189,2)455·106 (126,5)258·106 (71,6)152·106 (42,2)94·106 (26,0)5,45·109 (1514,3)
Нижний Новгород0° (гор.)50·106121·106268·106398·106577·106634·106599·106480·106276·106121·10652·10632·1063,61·109 (1002)
Новосибирск0° (гор.)82·106166·106354·106450·106574·106638·106620·106486·106326·106159·10686·10656·1064,00·109 (1110)
Норильск0° (гор.)2·10629·106230·106389·106595·106595·106595·106314·106155·10663·1068·10602,98·109 (826)
Омск0° (гор.)84·106168·106340·106456·106586·106640·106626·106486·106318·106164·10682·10656·1064,01·109 (1113)
Петропавловск-

Камчатский

53.3°с.ш.

0° (гор.)109·106 (30,2)179·106 (49,6)340·106 (94,3)458·106 (127,3)550·106 (152,9)561·106 (155,8)521·106 (144,9)472·106 (131,1)328·106 (91,0)232·106 (64,4)121·106 (33,6)84·106 (23,3)3,95·109 (1098,4)
50°254·106 (70,6)345·106 (95,9)512·106 (142,3)533·106 (148,1)531·106 (147,4)513·106 (142,5)495·106 (137,6)507·106 (140,9)433·106 (120,2)425·106 (118,0)294·106 (81,6)251·106 (69,8)5,09·109 (1414,9)
90°

(верт.)

279·106 (77,7)359·106 (99,7)480·106 (133,3)418·106 (116,1)347·106 (96,5)325·106 (90,3)329·106 (91,3)358·106 (99,5)350·106 (97,1)401·106 (111,5)313·106 (86,8)283·106 (78,5)4,24·109 (1178,3)
вращение вокруг полярной оси289·106 (80,2)412·106 (114,5)653·106 (181,5)723·106 (200,8)730·106 (202,7)729·106 (202,5)682·106 (189,3)695·106 (193,0)562·106 (156,0)529·106 (147,0)345·106 (95,9)289·106 (80,2)6,64·109 (1843,6)
Пятигорск0° (гор.)134·106205·106272·106406·106523·106553·106574·106486·106364·106243·106130·106105·1063,96·109 (1110)
Ростов-на- Дону 47°с.ш.0° (гор.)126·106190·106333·106464·106647·106672·106678·106597·106429·106276·106126·10680·1064,60·109 (1278)
Самара0° (гор.)82·106162·106308·106452·106634·106660·106639·106532·106340·106169·10678·10656·1064,11·109 (1142)
Санкт- Петербург 60°с.ш.0° (гор.)21·10671·106214·106331·106515·106578·106545·106394·106230·10692·10625·1068·1063,02·109 (930)
Сочи

43.6°с.ш.

0° (гор.)133·106 (37,0)199·106 (55,2)302·106 (84,0)420·106 (116,6)602·106 (167,1)716·106 (199,0)745·106 (206,8)666·106 (185,0)468·106 (130,1)343·106 (95,4)195·106 (54,2)125·106 (34,7)4,91·109 (1365,1)
35°223·106 (62,0)289·106 (80,2)373·106 (103,5)450·106 (125,0)587·106 (163,0)666·106 (184,9)713·106 (198,1)709·106 (197,0)582·106 (161,6)510·106 (141,7)334·106 (92,8)222·106 (61,7)5,66·109 (1571,4)
90°

(верт.)

237·106 (65,8)275·106 (76,5)328·106 (91,1)288·106 (80,0)313·106 (86,9)310·106 (86,2)345·106 (95,7)409·106 (113,6)428·106 (119,0)468·106 (130,0)351·106 (97,6)243·106 (67,6)3,96·109 (1099,9)
вращение вокруг полярной оси274·106 (76,0)357·106 (99,1)468·106 (129,9)576·106 (160,1)800·106 (222,1)970·106 (269,3)1040·106 (289,0)1022·106 (284,0)799·106 (222,0)669·106 (185,8)422·106 (117,2)272·106 (75,6)7,67·109 (2129,9)
Хабаровск0° (гор.)176·106270·106440·106498·106600·106643·106600·106509·106400·106282·106184·106141·1064,74·109 (1318)
Чита0° (гор.)113·106214·106396·106503·106613·106643·106555·106478·106366·106258·106136·10688·1064,36·109 (1212)
Южно-Курильск0° (гор.)175·106272·106383·106456·106490·106458·106427·106390·106346·106282·106163·106140·1063,98·109 (1106)
Якутск0° (гор.)32·106107·106314·106492·106591·106651·106618·106450·106270·106134·10650·10617·1063,73·109 (1035)
Белоруссия
Минск0° (гор.)67·106138·106310·106406·106578·106636·106596·106460·106314·106163·10667·10642·1063,78·109 (1049)
Казахстан
Алма-Ата0° (гор.)176·106239·106354·106484·106632·106678·106729·106647·106497·106321·106187·106136·1065,08·109 (1411)
Астана0° (гор.)134·106234·106408·106496·106643·106714·106670·106559·106398·106211·106126·10694·1064,69·109 (1302)
Джезказган0° (гор.)176·106266·106419·106540·106689·106746·106735·106662·106501·106287·106172·106132·1065,33·109 (1479)
Кустанай0° (гор.)113·106201·106385·106482·106653·106691·106624·106523·106343·106209·106109·10675·1064,408·109 (1224)

Доля рассеянного излучения в общей инсоляции

Городянв.фев.мартапр.майиюньиюльавг.сен.окт.ноя.дек.в среднем за год
Алма-Ата57 %56 %52 %42 %40 %34 %28 %31 %31 %37 %50 %53 %39 %
Москва93 %73 %64 %56 %50 %49 %54 %54 %61 %67 %69 %84 %57 %

Растительный покров, соседние здания, снежный покров, близость открытых водных поверхностей и другие факторы могут влиять на реальные значения полной солнечной энергии, падающей на тепловой коллектор. Для определения дневных средних показателей, разделите указанные значения на количество дней в месяце. Реальные дневные показатели могут отличаться от средних в несколько раз, но с точки зрения работы солнечного теплового коллектора, важны именно средние значения.

Распределение суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность для территории России

Рис. 3. Распределение суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол равен широте) для территории России [8]

Все данные указаны в джоулях на квадратный метр (Дж/м2). В скобках справочно приведены те же величины в кВт·ч/м2 (1 кВт·ч = 3,6 МДж).

Также в Приложении указаны значения доли рассеянного излучения в общей инсоляции для городов Москва и Алма-Ата.

Список литературы:

  1. Шуткин О.И. Перспективы в мире и состояние в России // Energy Fresh. 2011. № 3. С. 25-27.
  2. United Nations on Climate Change. General Convention Kyoto, 1997.
  3. Грицевич И. Протокол конференции по глобальному климату в Киото: новые правила игры на следующее десятилетие // Экономическая эффективность. Ежеквартальный бюллетень Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ). М., 1998. № 18 (январь-март).
  4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1–6, вып. 1–34. – Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1989–1998.
  5. ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей.
  6. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в мире и в России // С.О.К. 2013. № 8.
  7. Бутузов В.А. Обзор мирового рынка солнечных систем теплоснабжения // С.О.К. 2013. № 12.
  8. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. – М.: ОИВТ РАН, 2010. – 84 с.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *