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 Российской федерации (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 остаётся 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.
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 3 приведены строго повторяющиеся данные по суточному ходу Солнца и склонение Солнца ( ).
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.
Широта месторасположения Омска определяет продолжительность дня и соответственно возможную продолжительность солнечного сияния. В день зимнего солнцестояния — 22 декабря (рисунок 2) 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 3 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 3 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 «подъёма/опускания» Солнца и максимальной высоты Солнца (рисунки 4 и 5).
Из рисунков 4 и 5 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 6).
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).
Из рисунка 6 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).
Проведённые 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 учётом того, что время подъёма 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 ( = 10⁰), когда Солнце стоит строго на востоке (рисунок 1).
1 — солнечный луч; 1′, 1″ — направления движения солнечного луча 1 после отражения от концентратора и после вхождения в воду; 2 — солнечный луч; 2′, 2«, 2Δ,2+ — направления движения солнечного луча 2 после отражения от водной поверхности пруда, концентратора и после вхождения в воду; — угол наклона прямых солнечных лучей (высота Солнца); — угол наклона отраженных солнечных лучей (высота «отраженного» Солнца); ђ — угол наклона концентратора солнечной энергии; ξ — угол вхождения солнечных лучей в воду.
Рисунок 1 — 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 «отражённого» Солнца, рисунок 1) связан с высотой Солнца ( ) и углом наклона концентратора солнечного излучения ( ) следующей зависимостью ,
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.
Отражённые 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. 2), которая будет также актуальна утром и вечером и для низких широт (экватор, тропики)
Применение наклонного концентратора солнечного излучения (рисунок 2) 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.
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 и фотоэлектрических преобразователей, 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.
Исходя из данных таблицы 3, такое техническое решение (концентратор) будет востребовано во многих странах мира.
Предлагаемый концентратор может найти эффективное применение в России 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. [2].