Обоснование оптимального угла наклона гелиоводонагревателя

DOI 10.24411/0131-5226-2018-10027

УДК 631.3

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УГЛА НАКЛОНА ГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ

A.Ф. Эрк, канд. техн. наук; В.Н. Судаченко, канд. техн. наук;

B.А Размук; Е.В. Тимофеев, канд. техн. наук

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

Представлены результаты расчета угла ориентации гелиоводонагревателей в системах солнечного водонагрева, который имеет большое практическое значение. Правильно расположив гелиоводонагреватель, можно получить дополнительное количество энергии и тем самым повысить его к.п.д. и эффективность использования. Применение гелиоустановок на севере во многом отличается от их применения на юге России. Одно из отличий - это то, что солнечное сияние в летние месяцы на севере значительно продолжительнее в течение суток, чем на юге. Поэтому потребовалось получить недостающую информацию для севера России. Кроме того, представляет интерес сравнение характеристик работы неподвижных гелиоводонагревателей при разных углах их ориентации со следящей за солнцем гелиосистемой. Расчет угла ориентации гелиоводонагревателей провели на основании данных актинометрических станций, на которых измеряется прямая солнечная радиация, поступающая на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность, рассеянная радиация, а также прямая и суммарная солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность. Рассчитали оптимальный угол наклона гелиоводонагревателя для различных северных широт. В результате определили, что гелиоводонагреватель, расположенный в северных широтах и используемый весь летний сезон, должен быть ориентирован на юг под углом 45° к горизонту. При использовании гелиоводонагревателя только в летние месяцы оптимальное его расположение -горизонтальное. Допустима установка гелиоводонагревателей на весь сезон под углами от 0 до 45° к горизонту в случае использования рассеянной радиации. Теплопроизводительностъ следящей гелиосистемы по сравнению с неподвижной выше в 1,6-1,8 раза, причем, чем севернее, тем эффективнее слежение за солнцем.

Ключевые слова: солнце, гелиоводонагреватель, угол наклона.

JUSTIFICATION OF OPTIMAL TILT ANGLE OF SOLAR WATER HEATER

A. F. Erk, Cand. Sc. (Engineering); V. N. Sudachenko, Cand. Sc. (Engineering);

V.A. Rasmuk; E. V. Timofeev, Cand. Sc.

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSBSI FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

The paper presents calculation results of the tilt angle of solar water heaters, which is of great practical importance. Correct alignment of the solar water heater allows obtaining extra energy amount, thereby increasing the utilization efficiency of equipment. The use of solar installations, especially in the North, is largely different from their application in the South of the country. One of the differences is that the sunshine in summer months in the North is much longer during the day than in the South. Therefore, the

Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_

additional relevant information for the North of Russia was required. Besides, the performance of solar water heaters fixed at different tilt angles was compared with the sun-tracking solar system. The tilt angle of the solar water heater was calculated from the data provided by the actinometric stations, which measure direct solar radiation falling on the surface perpendicular to the Sun's rays, diffuse radiation, as well as direct and total solar radiation falling on the horizontal surface. The optimum tilt angle of the solar water heater was calculated for different north latitudes. As a result, it was determined that the solar water heater, located in the North polar region and used during the entire summer season, should be oriented South at an angle of 45° to the horizontal. When being used only in the first summer months, the optimal position of the solar water heater is horizontal. In case the scattered radiation is used, the solar water heaters may be installed for the entire season at angles from 0 to 45° to the horizontal. The heat performance of the sun-tracking solar system was found to be 1.6-1.8 times higher than that of the stationary system. Moreover, the farther to the North, the more effective was the sun tracking.

Keywords: sun, solar water heater, tilt angle.

Введение

В настоящее время для обогрева и горячего водоснабжения в

сельскохозяйственном производстве все чаще используются гелиоводонагреватели [1,2]. Выбор оптимального угла ориентации гелиоводонагревателей в системах солнечного водонагрева имеет больше практическое значение. Правильно расположив гелиоводонагреватель,

возможно получить дополнительное количество энергии, тем самым повысить его к.п.д. и эффективность использования [3,4]. Имеется несколько методик расчета оптимальной ориентации гелиоводо-нагревателей на различных географических широтах [5], однако практических рекомендаций и расчетов для ориентирования гелиоводонагревателей в северных широтах (58-70°) нет.

Следует учесть, что использование гелиоустановок, особенно на севере, во многом отлично от использования их на юге нашей страны. Одно из отличий - это то, что солнечное сияние в летние месяцы на севере значительно продолжительнее в течение суток, чем на юге. Поэтому потребовалось получить недостающую информацию для севера нашей страны. Кроме того, представляет интерес сравнение характеристик работы неподвижных гелиоводонагревателей

при разных углах их ориентации со следящей за солнцем гелиосистемой [6].

Материалы и методы

Расчет угла ориентации

гелиоводонагревателей провели на

основании данных актинометрических станций, на которых измеряется прямая солнечная радиация Sп, поступающая на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность, рассеянная радиация D, а также прямая Sr и суммарная Q солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность.

Из многочисленных методик расчета оптимального угла ориентации

гелиоприемников наиболее интересна методика Главной геофизической обсерватории им. А. Воейкова[7] и метод Лю и Джордана[8]. В первом случае расчет проводят только по данным о прямой солнечной радиации, во втором - по суммарной солнечной радиации.

Используя оба метода, можно определить количество радиации,

поступающей на наклонную поверхность. Однако количество поступающей на гелиоводонагреватель энергии зависит также от поглотительной способности черного поглотителя и от пропускающей способности прозрачного покрытия

(стекло), которые в свою очередь зависят от угла падения солнечных лучей и определяются по выражениям,

представленным в [9].

Результаты и обсуждение

На основании вышеуказанных

методик рассчитали оптимальный угол наклона гелиоводонагревателя для различных северных широт. Результаты расчета представлены в таблице 1 и на рис. 1.

Таблица 1

Данные о месячной суммарной Qм солнечной радиации, поступающей на наклонную поверхность южной ориентации, и количестве QПГ поступающей на поглотитель

энергии (в кВт*ч/м2) , 60о с. ш.

Показатели При угле наклона гелиоприемника ао

0 45 60 75 90

В мае

Qм 159 155 142 131 113

Qпг 95 94 84 77 71

В июне

Qм 172 161 142 128 108

Qпг 101 98 93 84 72

В июле

Qм 167 152 140 125 106

Qпг 99 92 84 77 68

В августе Qм 122 134 115 109 101

Qпг 73 82 77 70 63

В сентябре Qм 73 99 88 73 75

Qпг 51 61 56 56 49

Всего

Qм 693 700 626 565 502

Qпг 419 427 394 364 324

Q,S

кВт*ч/ 600

500

400

300

200

2 м

1 / 2

1' / ______ 3

2' Л- __- — — -----

/ '—

0 15 30 45 60 75 а0 Рис. 1. Суммарное количество солнечной радиации S и энергии Q, поступающих на гелиоводонагреватель с мая по сентябрь, в зависимости от угла его наклона а относительно горизонта:

1 - суммарная солнечная радиация (600 с. ш.); 2, 3 - прямая солнечная радиация для 60 и 700 с.

ш. соответственно; 1',2', 3' - количество энергии, поступающей на поглотитель соответственно от радиаций 1, 2, 3

Результаты расчетов показали, что более всего прямой радиации за сезон (с мая по сентябрь) поступает при угле наклона гелиоводонагревателя к горизонту 45°. Однако величина суммарной радиации при угле наклона от 0 до 45° практически одинакова. При увеличении угла наклона гелиоводонагревателя к горизонту от 45 до 90° как суммарная, так и прямая радиации монотонно убывают.

Величина радиации в разные месяцы (см. таблицу) в зависимости от угла наклона гелиоводонагревателя изменяется по-разному. Так, в мае, июне, июле наибольшее количество радиации поступает на 22

горизонтальную поверхность, а в августе-сентябре - на плоскость под углом 45°. Это связано с тем, что высота стояния солнца над горизонтом и длительность светового дня в первые летние месяцы значительно больше и горизонтальная поверхность в течение суток более длительное время находится под лучами солнца.

Результаты расчетов также показали, что характер влияния пропускающей

способности остекленного покрытия и поглотительной способности поглотителя на количество поступающей на

гелиоводонагреватель энергии в зависимости от угла ориентации аналогичен влиянию угла ориентации на количество поступающей радиации [10].

Сравнительная оценка эффективности работы гелиосистем, расположенных неподвижно с оптимальной ориентацией и непрерывно следящих за солнцем, показала, что в случае слежения за солнцем в течение суток количество энергии, поступающей на поглотитель, в 1,6-1,8 раза больше (рис. 2). Так, количество энергии, поступающее от прямой радиации на поглотитель при угле наклона 45° для 60° с. ш. равно 333 кВт*ч/м2, а при слежении за солнцем -533 кВт-ч/м2, для 70° с. ш. - 284 и 482 кВт*ч/м2 соответственно. Чем севернее расположена гелиоустановка, тем эффективнее слежение за солнцем.

Q 2

кВт *ч/м2 500

400 300

55 60 65 а0 с.ш. Рис. 2. Количество энергии Q, поступающей на поглотитель при слежении за солнцем (1) и при неподвижно расположенном гелиоводонагревателе под углом 45° к горизонту (2) для 55-70° с. ш.

На основании расчетов построена номограмма (рис. 3) для определения прямой солнечной радиации, поступающей на гелиоводонагреватель за месяц при различном угле его наклона для северных широт 56-70°.

По широте местности и месяцу летнего периода, углу наклона гелиоводонагревателя к горизонту и известным величинам прямой радиации Sr, поступающей на горизонтальную поверхность, двигаясь по октантам номограммы, определяем величину попадающей на гелиоводонагреватель прямой радиации. Коэффициенты Кв и Кг -соответственно отношения радиации, попадающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность, к радиации, поступающей на вертикальную поверхность, и радиации, попадающей на наклонную поверхность, к радиации, поступающей на горизонтальную поверхность.

месяцы

S кВт*

Рис. 3. Номограмма для расчета прямой солнечной радиации, поступающей на наклонную

поверхность южной ориентации

Выводы

Обобщая вышеизложенное, следует отметить:

- гелиоводонагреватель, расположенный в северных широтах и используемый весь летний сезон, должен быть ориентирован на юг под углом 45° к горизонту;

- при использовании гелиоводонагревателя только в первые летние месяцы оптимальное его расположение - горизонтальное;

- допустима установка гелиоводо-нагревателей на весь сезон под углами от 0 до 45° к горизонту в случае использования рассеянной радиации;

- теплопроизводительность следящий гелиосистемы по сравнению с неподвижной выше в 1,6-1,8 раза, причем чем севернее, тем эффективнее слежение за солнцем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н. Методы повышения надежности энергообеспечения крестьянских (фермерских) хозяйств. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. -№ 88. - С.53-59.

2. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Бутримова Е.И. Эффективность использования энергоресурсов в сельхозпредприятиях молочного направления. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. - № 89. - С.12-19.

3. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Оптимизация параметров солнечной водонагревательной установки методом вычислительного эксперимента. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.- 2013. - № 84. - С.112-125

4. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н, Тимофеев Е.В., Размук В.А. Выбор типа электроснабжения сельскохозяйственных предприятий с использованием солнечных электростанций. Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства. - 2016. -№ 89. - С.19- 23.

5. Эрк А.Ф. Определение угла ориентации гелиоприемников в системах солнечного водонагрева. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -1987. - № 51. - С. 127-133

6. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Математическая модель солнечной водонагревательной установки. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2013. - № 84. - С.90-112

7. Справочник по климат М: Гидрометеоиздат, 2006. -Вып. 8. - 82 с.

8. Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии. - М.: Энергоиздат, 1981. - 216 с.

9. Liu B.Y.H. Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted toward the equator. Trans. ASHRAE, 1962.-526p.

10. Судаченко В.Н., Эрк А.Ф., Тимофеев Е.В., Выбор варианта энергоснабжения объектов сельхозпроизводства по экономическим критериям, Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 43-48.

REFERENCES

1. Erk A. F., Sudachenko V. N. Metody povysheniya nadezhnosti ehnergoobespecheniya krest'yanskih (fermerskih) hozyajstv [Methods to improve reliability of power supply of private (peasant) farms] Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 88: 53-59.

2. Erk A. F., Sudachenko V. N., Butrimova E. I. Effektivnost' ispol'zovaniya ehnergoresursov v sel'hozpredpriyatii molochnogo napravleniya

[Efficiency of energy use in dairy cattle husbandry]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 12-18.

3. Brovtsin V. N., Erk A. F. Optimizaciya parametrov solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki metodom vychislitel'nogo ehksperimenta [Optimization of parameters of a solar water heating installation through computational experiment]. Tekhnologii i

tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 112-125.

4. Эрк A. F., Sudachenko V. N., Timofeev E. V., V. A. Razmuk Vybor tipa ehlektrosnabzheniya sel'skohozyaj stvennogo predpriyatiya s ispol'zovaniem solnechnyh ehlektrostancij [Electrical power supply of an agricultural enterprise with the use of solar power plants]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 19-23.

5. Erk A. F. Opredelenie ugla orientacii geliopriemnikov v sistemah solnechnogo vodonagreva [Calculation of tilt angle of solar energy receivers in solar water heating systems]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 1987; 51:127-133.

6. Brovtsin V. N., Erk A. F. Matematicheskaya model' solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki [Mathematical model of solar water heaters]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva

mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 90-112

7. Spravochnik po klimatu [A Guide to Climate]. Moscow: Gidrometeoizdat, 2006; 8: 82.

8. McVeigh J.C. Sun power. Oxford: Oxford Press, 1977. (Russ. ed.: Mak-Vejg D. Primenenie solnechnoj ehnergii. Moscow: Energoizdat, 1981: 216.

9. Liu B.Y.H., Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted toward the equator. Trans. ASHRAE, 1962:526.

10. Sudachenko V. N., Erk A. F., Timofeev E. V., Vybor varianta ehnergosnabzheniya ob"ektov sel'hozproizvodstva po ehkonomicheskim kriteriyam [Selection of power supply options for agricultural production facilities by economic criteria]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 43-48.

УДК 631.152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10028

ВЫБОР ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА ДЛЯ БУФЕРНОЙ БАТАРЕИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Д.В. Агафонов1, канд. техн. наук А.Ф. Эрк2, канд. техн. наук

'Санкт-Петербургский государственный технологический институт, СПб, Россия

2Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства»

- филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, СПб, Россия

Проблема аккумулирования энергии, производимой возобновляемыми источниками энергии, является одной из ключевых. Несмотря на обилие различных способов накопления энергии предпочтение сегодня отдаётся химическим источникам тока (аккумуляторам). В России в 2016 г. введён ГОСТ Р МЭК 61427-1-2014 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи для возобновляемых источников энергии», в котором отражены требования к буферным батареям аккумуляторов для электростанций на возобновляемых источниках

26