Влияние аэрозольного загрязнения атмосферы на работу солнечных приёмников

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2016, том 59, №5-6_

ФИЗИКА

УДК 551.521.3, 551.583

Б.И.Назаров, М.А.Салиев*, А.Н.Махмудов, С.Ф.Абдуллаев

ВЛИЯНИЕ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ

СОЛНЕЧНЫХ ПРИЁМНИКОВ

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан

Исследовано влияние пылевой мглы на интенсивность солнечной радиации, падающей на плоскость солнечных приемников. Показано, что в дни с пылевой мглой в 2-4 раза уменьшается теплота, накопленная в вакуумных коллекторах .

Ключевые слова: солнечная радиация, солнечные коллекторы, солнечные панели, радиационные характеристики атмосферы.

Территория юга и центральной части Таджикистана с мая до ноября подвергается аэрозольному загрязнению в виде пылевой мглы. Исследование влияния пылевой мглы на эффективность солнечных водонагревателей и солнечных панелей в условиях данного региона является актуальной проблемой. В настоящей работе изучалось влияние аэрозольного загрязнения атмосферы на работу коллекторов и панелей на основе точных измерений оптических и радиационных параметров атмосферы с помощью автоматизированного измерительного комплекса.

Были рассчитаны интенсивность солнечной радиации падающих к склону [1-3] для г.Душанбе (рис.1) для разных углов наклона плоскости солнечных панелей относительно горизонта в ясный день (12.08.2014 г.) и дни с пылевой мглой. Как видно, интенсивность солнечной радиации при пылевой мгле уменьшается более чем в 3 раза. В зависимости от состояния атмосферы динамика изменения интенсивности солнечной радиации отличается.

На рис.2. представлена динамика изменения оптической толщины атмосферы в ясный день (12.08.2014 г.) и в день с пылевой мглой (19.09.2014 г.). Как видно, отношение средних значений оптических толщин варьирует в пределе 2.8-4.6 в зависимости от длины волны. Эти отличия иллюстрирует рис.3 (а, б), отражающий расчёт интенсивности солнечной радиации (кВт*ч/м2) для угла наклона плоскости солнечных панелей относительно горизонта в широте г. Душанбе - 38.50° (а), средняя оптическая толщина и её отношение (б) в ясный день (12.08.2014 г.) и в день с пылевой мглой. В период пылевой мглы интенсивность солнечной радиации уменьшается в среднем в 3.8 раза.

Если анализировать радиационные характеристики атмосферы: глобальной (Q), отраженной (R), рассеянной (D) и прямой солнечной (5) радиации в ясный день (12.08.2014 г.) и в день с пылевой мглой (19.09.2014 г.), то выясняется, что среднедневное уменьшение глобальной радиации и прямой радиации составляет 1.5 и 3.37 раза, соответственно, тогда как рассеянная радиация при пылевой мгле увеличивается в 2 раза (рис.4).

Адрес для корреспонденции: Абдуллаев Сабур Фузайлович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: sabur.f.abdullaev@gmail.com

Рис.1. Интенсивность солнечной радиации (кВт*ч/м ) для разных углов наклона плоскости солнечных панелей относительно горизонта для ясного дня (12.08.2014 г.) и дней с пылевой мглой в г.Душанбе.

Рис.2. Оптическая толщина атмосферы в чистый день

в г.Душанбе.

Рис.3. Интенсивность солнечной радиации (кВт*ч/м2) для угла наклона плоскости солнечных панелей относительно горизонта в широте г. Душанбе (а), средняя оптическая толщина и её отношение (б) в ясный день(12.08.2014 г.) и с пылевой мглой (19.09.2014 г.).

Рис.4. Радиационные характеристики атмосферы: глобальной (0, отраженной (К), рассеянной (П) и прямой солнечной (5) радиации в чистый день (12.08.2014 г.) и c пылевой мглой (19.09.2014 г.).

Для экспериментальной проверки результатов расчёта исследована работа вакуумной трубы солнечного коллектора в летний период в климатических условиях г.Душанбе (табл.). Вакуумная стеклянная труба диаметром 53 мм и длиной 1800 мм (производства КНР) была установлена под углом 38° (широта г.Душанбе) в направлении на юг на высоте 30 см от поверхности грунта (земли).

Таблица

Температурные и радиационные параметры атмосферы в период испытания вакуумной трубки

12.08.2014 г.

Время Т1 Т2 Т2* Т1* <г>

8:00 29.3 24.3 23

9:00 21.3 26.4 27 45.7 42.8 16.4

10:00 24.5 30.4 29 42.4 39.4 21.1

11:00 34.7 40.4 31.4 46.5 41.3 22

12:00 40 49.2 33.5 54.6 48.9 19.9

13:00 35.5 50.4 35.4 57.8 52 17.8

14:00 36 51.2 37.5 56.8 51.1 21.3

15:00 35 50.7 38.2 58.5 52.7 22.5

16:00 30.5 50.7 36.5 55.8 50.2 20.8

17:00 29.8 45.3 36.3 50.4 45.4 19.9

18:00 23.9 37.5 33.3 44 39.6 14.2

19:00 30.3 30.3 30.6 27.5 6.7

Время dQ, ккал/ч dQ(R), кВт*ч/м2 ^ кВт*ч/м2 D, кВт*ч/м2 й кВт*ч/м2

8:00 16.68 0.17 4.45 21.67

9:00 39.6 27.26 0.59 5.59 27.39

10:00 50.9 36.99 4.65 6.32 31.16

11:00 53.1 44.67 10.12 6.93 33.26

12:00 48 50.08 6.89 6.97 34.57

13:00 42.9 51.76 4.41 7.12 34.71

Продолжение таблицы

Время dQ, ккал/ч dQ(R), кВт*ч/м2 R, кВт*ч/м2 D, кВт*ч/м2 S, кВт*ч/м2

14:00 51.4 50.59 4.25 7.19 34.61

15:00 54.3 44.44 7.15 7.25 33.01

16:00 50.2 35.08 4.11 7.19 29.43

17:00 48 25.13 7.49 6.47 25.00

18:00 34.3 14.31 14.37 4.94 18.09

19:00 16.2 4.75 9.36 2.64 0.42

Для определения количества теплоты AQ, полученной за световой день, использовались результаты измерения температуры воды Тв в верхней части вакуумной трубы. Количество теплоты AQ, поглощенной массой воды m0, определяется изменением AT - средней температуры воды по уравнению:

AQ = m0cAT,

где с - удельная теплоёмкость воды, равная 1 ккал/кг.

Отсюда количество нагретой воды определяется как

m = AQ / cAT .

Для измерения средней температуры воды в трубе - Тс, определялась средняя температура каждой части Т1 (верхней) и Т2 (нижней), а также средняя температура воды Тс в вакуумной трубе как

Тс = Т + Т2) / 2 .

Определённая таким способом Тс оказалась равной 60оС при Те = 61.1° С . Измерения Т, Т2 из-за инерционности температурных измерений и естественных при этом тепловых потерь дают значения Тс меньше на 1-2 градуса, то есть Тс ~ 61оС; Тс / Те ~ 61/67.7 «0.9; Тс « 0.9Тв. В диапазоне измерений 15-95оС было получено Тс « const * Тв и const = 0.9 с точностью 1-2 оС.

Уравнение (1) примет следующий вид

AQ = m0cAТс « m0c * const * АТв.

Уравнение (2) позволяет определить полезную теплоту AQ, накопленную вакуумной трубой коллектора в течение дня.

Находим мощность накопления энергии водой из

dQ / dt = const  m0  c  dТв / dt.

При At = 1 час AQ / At равняется среднечасовой мощности поглощения.

Полезное количество теплоты, накопленной за день, равно сумме

AQ = Z((AQ / At) - At) = 0.9 • m0  c  Е((АГе / At)  At) ,

где (ДТ / Д^)г - среднечасовая скорость нагрева воды в течение /-го часа дня.

На основе измерений скорости нагрева воды рассчитывались среднечасовые мощности поглощения солнечной энергии водой в вакуумной трубе коллектора в течение дня, которые приведены на рис.5 для 12.08.2014 г.

Рис.5. Гистограмма среднечасовой скорости изменения температуры и мощности поглощения солнечной энергии водой в вакуумной трубе коллектора в течение дня.

Количество теплоты, полученное за день ДQ = 488.67 ккал. Площадь по сечению трубы $ = 5.3 180 см2= 954 см2. Количество теплоты, полученное в течение дня с единицы площади

ДQ / $ = 488.67 ккал / 954 см2 = 0.5122 ккал / см2 = 5122 ккал / м2.

Таким образом, за день (12.08.2014) полезное количество теплоты с $ = 1 м2 составит 5122 ккал, что достаточно для нагрева на ДТ = 50о воды массой

ш0 = АQ / еАТ = 8226 ккал/((1 ккал/кгград)50о) = 102.44 кг.

Интенсивность солнечной радиации для угла наклона плоскости солнечных панелей относительно горизонта в широте г. Душанбе - 38.55о для ясной атмосферы относительно дней с пылевой мглой больше на 3.6-4.2 и в среднем составляет 3.8, средняя оптическая толщина и её отношение в ясный день (12.08.2014 г.) и с пылевой мглой (19.09.2014 г.) варьирует в области 2.5-4.3 при среднем её значении 3.6. Таким образом, пылевая мгла уменьшает нагрев воды в вакуумных коллекторах примерно в 3.6 раза.

Количество теплоты, полученное за ясный день 12.08.2014 г. равнялось 488.67 ккал и эффективная температура составила 202.6оС, тогда как во время пылевой мглы (19.09.2014 г.) количество теплоты было 102.4 ккал и эффективная температура составила 65оС, что в 3 раза меньше, чем в ясный день. Эти оценки совпадают как по оптическим, так и по радиационным характеристикам для этих дней.

Исследования проведены при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (проект Т-2076), ГНУ «Центр инновационного развития науки и новых технологий» АНРТ и Центра ВИЭ ФТИ им. С. У.Умарова АН РТ.

Поступило 19.11.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдуллаев С.Ф., Назаров Б.И., Маслов В.А. и др. Дневные вариации радиационных характеристик и температуры воздуха в окрестностях г. Душанбе. - Вестник Таджикского технического университета, 2011, №2, с. 8-14.

2. Кондратьев К. Я. Актинометрия. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1965, 693 с.

3. Акулинин А., Смыков В. Оценка возможностей солнечной энергетики на основе точных наземных измерений солнечной радиации. - Проблемы региональной энергетики, 2008, № 1, с.23-30.

Б.И.Назаров, М.А.Салиев*, А.Н.Махмудов, С.Ф.Абдуллаев

ТАЪСИРИ ОЛУДАГИИ АЭРОЗОЛИИ АТМОСФЕРА БА КОРИ КАБУЛКУНАК^ОИ ОФТОБЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цумхурии Тоцикистон, *Маркази рушди инноватсионии илм ва технологияи нави Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Таъсири чангу губори даво ба интенсивнокии радиатсияи офтоб дар сатди кабулкунаки офтобй тадкик карда шудааст. Тадкикотдо нишон доданд , ки дар руздои чангу губор микдори гармии суммавй дар коллектори вакуумй то 2-4 маротиба кам мешавад.

Калима^ои калиди: радиатсияи офтоб, панели офтобй, цабулкунаки офтобй, хосиятуои радиат-сионии атмосфера.

B.I.Nazarov, M.A.Saliev*, A.N.Makhmudov, S.F.Abdullaev CALCULATION OF THE TOTAL RADIATION FLUX ON THE INCLINED PLANE OF THE SOLAR RECEIVER ON CONDITION OF AEROSOL POLLUTION

OF THE ATMOSPHERE

S.U.Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, *Center for innovation development of science and new technologies Academy of Science of the Republic of Tajikistan

The effect of dust haze on the intensity of solar radiation in the plane of solar receivers has being investigated. It is shown that on days with dust haze the accumulation of the sum heat in the vacuum collector reduce by 2-4 times.

Key words: solar radiation, solar panels, solar receivers, the radiation characteristics of the atmosphere.