Сферический солнечный коллектор
Дата публикации: 22 октября 2015
В настоящее время в мировой практике для преобразования возобновляемой лучистой солнечной энергии широко используют гелиотехнические устройства. В частности, это солнечные коллекторы, которые непосредственно преобразуют лучистую энергию солнца в тепловую, пригодную для практического использования, чаще всего для горячего водоснабжения.
Как правило, они представляют собой плоские трубчатые коллекторы, которые устанавливают стационарно и ориентируют воспринимающую поверхность к югу с уклоном к горизонту, и угол его наклона зависит от широты данной местности. В связи с сезонным изменением траектории прохождения солнца по небосклону этот угол корректируют: летом уменьшают на 5–10°, в зимний период примерно на эту же величину увеличивают.
Принципиальным недостатком всех существующих конструкций плоских солнечных коллекторов является необходимость иметь в их составе специальные механизмы, следящие за траекторией движения солнца как по высоте, так и по углу азимута в течение всего светового дня от восхода до захода. В идеальном случае плоский трубчатый солнечный коллектор, в буквальном смысле как подсолнух, должен следовать за солнцем, сохраняя оптимальное положение в течение всего дня. Применение такого солнечного коллектора, в котором происходит совмещение взаимодействия автоматического устройства суточного и годового слежения за солнцем и часового механизма с корректирующими устройствами, действительно даёт возможность реализовать его оптимальную ориентацию и вследствие этого получить максимальную тепловую энергию.
Однако такие механизмы, кроме того, что они кинематически чрезвычайно сложны, требуют для их привода в действие подвода дополнительной энергии. Поэтому подвижные плоские солнечные коллекторы, следящие за траекторией солнца, вследствие высокой стоимости и громоздкости не получили широкого практического применения, и в настоящее время используются, в основном, только стационарные коллекторы.
Целью данной работы является определение количества солнечной энергии, воспринимаемой сферическими солнечными коллекторами, их ориентация относительно горизонта.
В Институте проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины разработана и запатентована серия принципиально новых по геометрической форме объёмных солнечных коллекторов. С целью снижения теплопотерь и повышения энергоэффективности разработана оптимальная конструкция сферического солнечного коллектора, представленная на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция сферического солнечного коллектора
Коллектор содержит теплоприёмник 1, который выполнен из навитой по сферической винтовой линии единой металлической трубки. Теплоприёмник 1 размещён внутри вакуумированной стеклянной сферы 2, состоящей из двух полусфер, герметично установленных в профильной прокладке 3 из вакуумной резины.
Внутри профильной прокладки 3 встроено вогнутое наружу сферическое зеркало 5 радиусом R, равным радиусу внутренней сферы теплоприёмника в виде шарового пояса высотой, равной высоте профильной прокладки.
Подводной и отводной патрубки теплоприёмника 1 герметично уплотнены во втулках 4 и также выполнены из вакуумной резины. Из внутренней полости сферы 2 откачан воздух со степенью вакуума, обычно достигаемой в промышленности. Сфера 2 с размещённым внутри теплоприёмником 1, профильной прокладкой 3 и втулками 4 установлена в двуплечном кронштейне 6.
Сферический солнечный коллектор функционирует следующим образом. На вход в подводящий патрубок теплоприёмника 1 подаётся холодный теплоноситель (например, техническая вода), который двигается по винтовой линии единой металлической трубки. Во время движения теплоноситель постоянно нагревается лучистой солнечной энергией, воздействующей через прозрачную сферу 2 на трубчатый теплоприёмник 1. При этом солнечные лучи от восхода до захода солнца постоянно воздействуют на половину наружной сферической поверхности теплоприёмника 1, а также проникают через промежутки между витками теплоприёмника и нагревают половину противоположных внутренних тыльных поверхностей трубных витков теплоприёмника 1.
Кроме того, солнечные лучи в течение всего светового дня, проникая между витками теплоприёмника 1, постоянно воздействуют на различные участки вогнутого наружу сферического зеркала 5. При этом они отражаются в направлении внутренних затенённых участков витков теплоприёмника 1, на внешнюю поверхность которых в данный момент эти лучи направлены.
После прохождения по винтовой линии теплоприёмника 1 горячий теплоноситель поступает на выход в отводящий патрубок (направление движения теплоносителя показано стрелками на рисунке 1) и затем направляется для дальнейшего потребления (бак-аккумулятор, отопление, горячее водоснабжение и т. п.). Вакуум в прозрачной сфере практически полностью исключает теплопотери в теплоприёмнике 1.
Необходимо отметить ряд преимуществ геометрии сферических солнечных коллекторов по сравнению с геометрией плоских. Сравнение проводилось при одинаковых общей длине и диаметре металлической трубки коллекторов.
Как правило, плоские солнечные коллекторы выполняются в виде отдельных вакуумированных стеклянных трубок, концентрически надетых и закреплённых на металлических трубках. Трубки одним концом входят в приёмный патрубок, другим – в выходной патрубок. В сферическом коллекторе вакуумируется стеклянная оболочка, состоящая из двух полусфер, внутри которых расположен сферический теплоприемник, выполненный из единой трубки.
Поскольку кривизна стеклянной сферы в десятки раз меньше кривизны стеклянных трубок, это снижает отражательную и повышает пропускательную способность сферы при воздействии солнечных лучей.
Сферическая форма не требует использования каких-либо дополнительных механизмов, чтобы следовать за движением солнца. Благодаря такой форме коллектор постоянно «следит» за ним, т. е. фактически одинаково воспринимает лучистую энергию солнца, когда оно проходит по небосводу на разной высоте и под разными углами азимута.
В сферическом коллекторе благодаря единому трубопроводу, выполненному в виде сферической винтовой линии, за счёт снижения местных сопротивлений и отсутствия входного и выходного патрубков гидравлическое сопротивление в 1,4–1,6 раза меньше, чем у плоского, выполненного в виде отдельных трубок.
Вес сферического коллектора в среднем в 2,5–3 раз меньше плоского. Площадь под установку сферического коллектора в среднем в 1,5–2,5 раз меньше, чем требуется площадь под монтаж плоского коллектора.
Расчёт количества солнечной энергии, воспринимаемой сферическим солнечным коллектором в течение одного дня, сводится к вычислению следующего интеграла:
Поверхность Г(t) представляет собой освещённую часть внешней поверхности трубки коллектора в момент времени t, так как в каждый момент времени данная поверхность сама себя затеняет от солнца. Интенсивность солнца I зависит от его высоты hs и представляет полную энергию, поступающую в единицу времени на единицу поверхности, обращённую непосредственно к солнцу.
На рисунке 2 представлена линейная аппроксимация зависимости интенсивности солнца от его высоты hs.
Рис. 2. Зависимость солнечной интенсивности от высоты солнца
Поскольку высота солнца зависит от времени суток и от дня в году, то отсюда получаем зависимость I(t) для каждого дня. В формуле (1) величина I(t)cosi – интенсивность солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность под углом i к нормали в определённой точке этой поверхности. Значение угла i также зависит от времени.
Чтобы оптимально ориентировать сферический солнечный коллектор, необходимо произвести сравнение общего количества полученной им энергии для различных его положений относительно горизонта. Количество солнечной энергии, воспринимаемое коллектором за весь год, можно записать как:
где Q(d) вычисляется по формуле (1).
Ориентацию солнечного коллектора относительно горизонта будем определять величиной угла наклона α вертикальной оси коллектора к горизонту. Начало отсчёта этого угла α производится от северного направления (α = 0°) и заканчивается южным (α = 180°).
В результате вычисления интеграла (1) для различных значений d получим усреднённую по всем дням года величину площади освещённой части поверхности сферического коллектора. Её значение можно записать как S = B(α)⋅2πr0L, где B(α) – коэффициент, значение которого зависит от ориентации солнечного коллектора; r0 – внешний радиус трубки; L – её длина.
Если функцию Icosi усреднить по пространству и времени за один день величиной IC(d), то тогда интеграл (1) приближённо можно представить в следующем виде:
Ниже для двух отрезков изменения аргумента d функция IC(d) представлена в виде приближения полиномами четвёртой степени для следующих значений: внешнего радиуса трубки r0 = 0,006 м, радиуса сферы 0,15 м, количества витков 10, α = 90° и для географической широты местности (г. Харьков) ϕ = 50°
Таким образом, формула (3) с учётом приведенной полиномиальной аппроксимации подынтегральной функции даёт возможность вычислять количество энергии, принятой солнечным коллектором в течение определённого дня года. Вычислив сумму (2), имеем количество тепла, получаемого коллектором за год при вертикальной ориентации оси коллектора:
На рисунке 3 представлена зависимость количества тепловой энергии, накопленной солнечным коллектором за год, от угла наклона α. Расчёт проведен согласно формуле (2) с учётом аналогичной аппроксимации (3) для различных значений α.
Рис. 3. Зависимость количества солнечной энергии, накопленной сферическим коллектором за год,
в зависимости от угла наклона α
Для возможности практического использования полученных результатов приведём приближённые выражения для величины Qα:
Оптимальное значение угла наклона сферического солнечного коллектора составляет αopt ≈ 135°, а приближение (4) даёт значение 133,97°.
В итоге определён оптимальный угол наклона сферического солнечного коллектора в зависимости от широты местности, на которой он установлен. Именно при таком угле наклона коллектора будет получено максимальное количество накопленной за год солнечной энергии.
А. И. Ценципер, О. Костиков, Н. А. Сафонов, Я. Н. Буштец
«Пробл. машиностроения», 2015, Т. 18, № 3
Солнечные мобильные телефоны- Виды солнечных станций
- Как собрать солнечную батарею своими руками
- Как работает вакуумный солнечный коллектор
Солнечные мобильные телефоны
Виды солнечных станций
Как собрать солнечную батарею своими руками
Как работает вакуумный солнечный коллектор
В Подмосковье солнечный коллектор работать будет только летом.
Зимой изредка будет поддерживать спящий режим котла — помогать не замерзнуть. 150 квадратов в солнечную погоду на 3 градуса отапливают 60 трубок. За ночь температура падает на 4 градуса… Так что без вспомогательных источников не обойтись.
Мне помогли! За зиму сжег 2 куба сжиженного газа — сосед уже 6 кубов.
Меня тоже интересует, есть ли реальные измерения производительности, сравнение их с теорией? Можно ли купить такой коллектор? Сколько стоит и где продается?
Придумать и написать обо всём этом с приведением соответствующих формул можно, но хотелось бы знать: как это выполнить практически и во что обойдется такая конструкция!
Есть ли хоть какие-то попытки в реализации подобного технического решения?
Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.
Источник
Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Солнечная автономия в глубинке. 5 часть
Существуют некоторые хитрости, позволяющие, немного модифицировав основную систему, получить больше энергии от солнца. Первая из них – следить за солнцем, а вторая – за точкой максимальной мощности солнечных батарей.
Слежение за солнцем осуществляется с помощью солнечного трекера, с которого я и начну эту статью. Следующее видео демонстирует принцип действия трекера для солнечных панелей.
После монтажа солнечного трекера выработка энергии увеличится в 1,6 раза благодаря более длительному воздействию солнца на панели, а также оптимизации угла установки солнечных панелей по отношению к солнцу. Стоимость готового солнечного трекера составит около 52 000 рублей. Поскольку он сможет удержать всего пару панелей с общей мощностью до 600Вт, окупится такая система нескоро. Но сделать такое устройство можно и самостоятельно, причем самодельные трекеры довольно популярны.
При слежении за солнцем есть следующие главные задачи:
1. Создание крепкой платформы, способной выдержать и вес самих панелей, и порывы ветра.
2. Создание механики поворота тяжелой платформы с высокой парусностью.
3. Разработка логики управления механикой для слежения за солнцем.
Итак, пункт первый. Массивы батарей лучше разместить кратно необходимому напряжению, при этом они не должны затенять друг друга.
Для трекера потребуются крепкое железо и мощный фундамент. Для управления поворотной платформой оптимально подойдут актуаторы. На следующем снимке можно рассмотреть механику управления.
Такой трекер позволит контролировать положение солнечных панелей сразу в двух плоскостях. Но при желании можно настроить управление только по горизонтали, а по вертикали изменять угол пару два раза в год (осенью и весной).
Создавая логику всей системы можно выбрать один из нескольких вариантов:
1. Следить за максимально яркой точкой.
2. Установить наклон и поворот по таймеру (для каждого дня всегда известны время восхода и захода солнца).
3. Комбинированный вариант, предусматривающий постоянство угла поворота и поиск максимальной яркости.
Для первого способа есть два решения: соорудить трекер самостоятельно или купить готовый китайский, стоимостью около 100 долларов.
Но поскольку сделать такое устройство довольно несложно любому, кто разбирается в принципах работы контроллеров, многие предпочитают сделать все самостоятельно, при этом самодельный трекер обойдется в 10 раз дешевле.
Подробности изготовления солнечного трекера можно узнать на профильном форуме, где оптимальные конструкции уже вычислены и подобрано наилучшее оборудование. Слежение за МРРТ (точка максимальной мощности солнечных батарей) Для этой цели существует два типа солнечных контроллеров. Контроллер МРРТ (Maximum Power Point Tracking) следит за солнцем с другой позиции системы. Для обьяснения привожу следующий график.
Как видно из графика, максимум снимаемой мощности будет получен в точке максимальной мощности, которая непременно окажется на зеленой линии. Это невозможно для обычного ШИМ контроллера. Используя МРРТ контроллер можно также подключить последовательно соединенные солнечные панели. Такой способ позволит ощутимо снизить потери энергии в процессе транспортировки от солнечных батарей до аккумуляторов. Экономически целесообразно устанавливать МРРТ контроллеры при мощности СП, превышающей 300-400 Вт. Вполне обоснованной будет покупка солнечного контроллера «с запасом», если только вы не создаете мощную энергосистему, которая перекроет потребности дома с избытком. Последовательно наращивая число солнечных батарей, я получил мощность 800 Вт, чего вполне достаточно для загородного дачного домика летом.
В моем примере от энергосистемы в среднем ожидается по 4 кВт*ч электрической энергии в день с апреля по август. Такого количества энергии вполне достаточно для комфорта семьи из 4 человек при условии отказа от пользования электроплитой и микроволновой печью. Мощным потребителем энергии является бойлер для подогрева воды. Для 80 литрового бойлера в частном доме потребуется как раз приблизительно 4,5кВт*ч энергии. Таким образом, создаваемая автономная система окупится хотя бы при нагреве воды.
Предыдущая статья была посвящена гибридному инвертору, позволяющему забирать энергию преимущественно от солнечных батарей, получая от сети только недостающее количество. Компания МикроАрт уже наладила выпуск МРРТ-контроллеров, которые могут быть связаны с инверторами этой же фирмы по общей шине. Поскольку гибридный инвертор МикроАрт я уже установил, этот вариант для меня особенно удобен.
Главным достоинством этого контроллера для меня стала возможность подкачки нужного количества электричества, чтобы не заимствовать энергию от аккумулятора, снижая его ресурс. Самым популярным и при этом оптимальным по соотношению напряжение/ток является Контроллер ECO Энергия MPPT Pro 200/100. Он способен поддерживать входное напряжение до 200 В и выходной ток до 100 А. Мои аккумуляторы собраны на 24 В (напряжение аккумуляторов 12/24/48/96 В), так что максимальная мощность от контроллера составит 2400 Вт, таким образом я получаю двукратный запас при наращивании солнечных батарей. Максимальная мощность контроллера – 11 кВт при 110 В на аккумуляторах (буферное напряжение).
Связь контроллера с гибридным инвертором МАП SIN Энергия Pro HYBRID v.1 24В поддерживается по шине 12С. При этом возможно мгновенное добавление мощности в случае, когда инвертор выдает информацию о повышенном потреблении энергии. Поскольку оба устройства от одного производителя – понадобилось лишь включить шнурки в нужные разьемы устройств и активировать нужные параметры.
Продолжая исследовать возможности контроллера, я обнаружил три реле, которые можно запрограммировать. Например, при солнечной погоде, если дом не потребляет электроэнергию, можно подогреть дополнительный бойлер или бассейн. Другой вариант — погода пасмурная и напряжение аккумуляторов снижено до критического уровня, инвертор может вообще отключиться, а энергия потребляется. В таком случае возможен запуск отдельного бензо/дизель генератора, для чего достаточно просто замкнуть реле. При этом в генераторе должен быть сухой контакт запуска или же отдельная система автоматического пуска – САП (другое название – АВР, Автоматический Ввод Резерва). Генератор у меня простой китайский, но стартер имеется. Поинтересовавшись автоматизацией его запуска, и выяснив, что МикроАрт уже давно выпускает собственную автоматику, я был очень этим обрадован.
Вернемся к монтажу контроллера. Здесь все стандартно: сначала нужно подключить клеммы аккумулятора, потом клеммы солнечных батарей, после чего настраиваются параметры. При подключении внешнего датчика тока можно обнаружить мощность, потребляемую инвертором в режиме реального времени.
На следующем фото можно увидеть, как работает инвертор в гибридном режиме (получая часть энергии – от сети, основную же часть – от солнечных батарей).
Чтобы продемонстрировать работу солнечного контроллера с любым другим инвертором от стороннего производителя, контроллер специально подключается с помощью внешнего датчика тока.
Реальные характеристики контроллера полностью соответствуют заявленным. Он действительно подкачивает энергию, даже при подключении к «чужому» инвертору через датчик тока. Гибридный инвертор, как и планировалось, качает в сеть энергию солнца (на фотографии видно, что100 Вт, а это половина из 200 Вт потребляемых, поступает от солнечных батарей. То есть, минимальные 100 Вт будут забираться контроллером из сети, а недостающие – поступать от солнца. Такова особенность устройства). Таким образом, комплект начал окупать себя уже с момента подключения. А начиная с мая можно рассчитывать и на полное покрытие энергетических нужд солнечными батареями.
Последующая статья станет заключительной, в ней будут сравнены три солнечные контроллера, которые у меня уже имеются.
Источник