Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем
В статье рассматриваются методы повышения экономической и энергетической эффективности гелиосистем. Предложена система проектирования гелиосистем, которая учитывает конкретные условия территории проектирования и требования технического задания....
Gespeichert in:
Datum: | 2007 |
---|---|
Hauptverfasser: | , |
Format: | Artikel |
Sprache: | Russian |
Veröffentlicht: |
Кримський науковий центр НАН України і МОН України
2007
|
Schriftenreihe: | Геополитика и экогеодинамика регионов |
Schlagworte: | |
Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/58300 |
Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
Zitieren: | Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем / Т.В. Бобра, В.О. Яшенков // Геополитика и экогеодинамика регионов. – Симферополь: ТНУ, 2007. — Т. 3, вип. 2. — С. 81-86. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-58300 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-583002014-03-23T03:01:27Z Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем Бобра, Т.В. Яшенков, В.О. Экогеодинамика природных и природно-антропогенных ландшафтов В статье рассматриваются методы повышения экономической и энергетической эффективности гелиосистем. Предложена система проектирования гелиосистем, которая учитывает конкретные условия территории проектирования и требования технического задания. У статті розглядаються методи підвищення економічної і енергетичної ефективності геліосистем. Запропонована система проектування геліосистем, що враховує конкретні умови території проектування і вимоги технічного завдання. In the article the methods of increase of economical and power efficiency of the solar systems are esteemed. The system of designing solar systems is offered, which one allows for concrete conditions of designing terrain and requirement of the performance specification. 2007 Article Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем / Т.В. Бобра, В.О. Яшенков // Геополитика и экогеодинамика регионов. – Симферополь: ТНУ, 2007. — Т. 3, вип. 2. — С. 81-86. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. ХХХХ-0005 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/58300 ru Геополитика и экогеодинамика регионов Кримський науковий центр НАН України і МОН України |
institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
collection |
DSpace DC |
language |
Russian |
topic |
Экогеодинамика природных и природно-антропогенных ландшафтов Экогеодинамика природных и природно-антропогенных ландшафтов |
spellingShingle |
Экогеодинамика природных и природно-антропогенных ландшафтов Экогеодинамика природных и природно-антропогенных ландшафтов Бобра, Т.В. Яшенков, В.О. Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем Геополитика и экогеодинамика регионов |
description |
В статье рассматриваются методы повышения экономической и энергетической эффективности гелиосистем. Предложена система проектирования гелиосистем, которая учитывает конкретные условия территории проектирования и требования технического задания. |
format |
Article |
author |
Бобра, Т.В. Яшенков, В.О. |
author_facet |
Бобра, Т.В. Яшенков, В.О. |
author_sort |
Бобра, Т.В. |
title |
Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем |
title_short |
Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем |
title_full |
Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем |
title_fullStr |
Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем |
title_full_unstemmed |
Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем |
title_sort |
повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем |
publisher |
Кримський науковий центр НАН України і МОН України |
publishDate |
2007 |
topic_facet |
Экогеодинамика природных и природно-антропогенных ландшафтов |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/58300 |
citation_txt |
Повышение экономической и энергетической эффективности использования гелиосистем / Т.В. Бобра, В.О. Яшенков // Геополитика и экогеодинамика регионов. – Симферополь: ТНУ, 2007. — Т. 3, вип. 2. — С. 81-86. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
series |
Геополитика и экогеодинамика регионов |
work_keys_str_mv |
AT bobratv povyšenieékonomičeskojiénergetičeskojéffektivnostiispolʹzovaniâgeliosistem AT âšenkovvo povyšenieékonomičeskojiénergetičeskojéffektivnostiispolʹzovaniâgeliosistem |
first_indexed |
2025-07-05T09:31:08Z |
last_indexed |
2025-07-05T09:31:08Z |
_version_ |
1836798830061813760 |
fulltext |
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
Раздел II.2.
ЭКОГЕОДИНАМИКА ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-
АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ
Корреспонденция принимается по адресу: ул. …
81
УДК
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ И
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕЛИОСИСТЕМ
Т.В. Бобра,
В.О. Яшенков
Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского
Аннотация: В статье рассматриваются методы повышения экономической и энергетической
эффективности гелиосистем. Предложена система проектирования гелиосистем, которая
учитывает конкретные условия территории проектирования и требования технического задания.
Ключевые слова: солнечная радиация, гелиоколлектор, расчет площади гелиоколлектора, расчет
объема бака-аккумулятора, оптимальные схемы размещения гелиоустановок, окупаемость.
В настоящее время при проектировании гелиосистем для повышения экономической
и энергетической эффективности применяют неподвижные гелиоустановки (гелиоколлек-
торы и фотоэлектрические установки), ориентированные перпендикулярно прямой сол-
нечной радиации в полдень в месяц с наибольше суммарной солнечной радиацией.
Оптимальные углы наклона гелиоустановок (β) определяются периодом работы и
для южной ориентации равны: для круглогодичных установок β = φ (где φ – широта мест-
ности), для летних β = φ – 15° и для работающих в отопительный период β = φ + 15°. При
произвольном расположении коллекторов, как показали расчеты, для углов наклона β = φ
± 15° . Отклонение от южной ориентации до 10° изменяет суммарный годовой поток па-
дающей солнечной радиации не более чем на 5 %, до 20° - на 10 %, до 30° - на 15 % со-
ответственно [3].
Таким образом, отсутствие систем автоматической ориентации и оптимальный угол
наклона гелиоустановки считаются достаточными методами повышения экономической и
энергетической эффективности проектируемых гелиосистем.
Эти традиционные методы оптимизации, на самом деле, не учитывают целый ряд
задач, решение которых действительно повышает экономическую и энергетическую эф-
фективность проектируемых гелиосистем, так как они зависят от конкретных условий рас-
сматриваемой территории и требований технического задания. По нашему мнению, к та-
ким задачам относятся:
1. формирование «избыточной» матрицы компоновки элементов проекти-
руемых гелиосистем;
2. определение углов и степени затенения гелиоустановок горизонтальными
и вертикальными препятствиями на поверхности;
3. расчет оптимальной площади гелиоустановок и объема бака-
аккумулятора (для гелиоколлекторов) исходя из конкретных климатических усло-
вий и требований технического задания.
Формирование «избыточной» матрицы компоновки элементов проектируемых
гелиосистем. Выбор оптимальной схемы размещения элементов гелиосистем в преде-
лах заданного участка является одним из наиболее сложных этапов проектирования. Как
правило, гелиоустановки размещают на крышах зданий и сооружений, в пределах уже
спланированной и застроенной территории. Такие участки могут иметь произвольную
конфигурацию, содержать различные естественные препятствия и инженерные сооруже-
ния, которые мешают свободному размещению гелиоустановок. Таким образом, террито-
рия, предназначенная для размещения элементов проектируемой гелиосистемы, может
быть разбита на доступные и недоступные зоны. Поставленную задачу можно решить пу-
тем представления каждой доступной и недоступной зоны в виде замкнутых многоуголь-
ников, стороны которых задаются системой линейных уравнений [4]:
1. Рассматриваемая территория в целом
Т. В. Бобра, В. О. Яшенков
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
82
a1x + b1y = 0
a2x + b2y = 0 (1)
………………
anx + bny = 0
где n – число сторон рассматриваемой территории;
2. Недоступные зоны
c11x + d11y = 0
c12x + d12y = 0
c13x + d13y = 0
c14x + d14y = 0 (2)
…………………
cm1x + dm1y = 0
cm2x + dm2y = 0
cm3x + dm3y = 0
cm4x + dm4y = 0
где m – число недоступных зон.
Элементами гелиосистем размещаемых в пределах выделенного участка являются:
блоки гелиоустановок, которые ориентированы на юг под углом (β) к горизонту; бак-
аккумулятор и трубопроводы обвязки блоков геликоллекторов и бака-аккумулятора, акку-
мулятор и провода обвязки блоков фотоэлектрических установок и аккумулятора.
Блоки гелиоустановок обычно состоят из N1 параллельных рядов M1 последователь-
но соединенных гелиоустановок. Параллельное соединение блоков называется батареей,
а параллельное соединение батарей – секцией.
Для определения возможного размещения блоков гелиоустановок в пределах выде-
ленной территории, вычисляем в системе координат, где ось ОY ориентирована на юг [4]:
∆y = M1lgs (cosβ + sinβ/tgδ) (3)
∆x = N1bgs (4)
где δ – угловая высота солнца в расчетное время начала работы системы, lgs и bgs
длина и ширина гелиоустановки соответственно.
Следует отметить, что второй член в формуле (3) определяет необходимое расстоя-
ние между батареями гелиоустановок, исключающее перекрытие плоскости гелиоустано-
вок тенью смежного ряда.
В процессе трассирования выделенного участка определяем непосредственное раз-
мещение блоков гелиоустановок. Для этого используем уравнение i-й батареи гелиоуста-
новки [4]:
yi = ymax + i ∆y (5)
где ymax – максимальное значение ординат вершин участка.
Путем совместного решения уравнений (5) с каждым из уравнений систем (1) и (2)
определяем координаты точек пересечения i-й батареи со сторонами участка и недоступ-
ных зон. Далее находим для каждого блока гелиоустановок i-й батареи его текущее поло-
жение в ней:
xij = xmin + j ∆x (6)
Таким образом, по координатам xij, xij + ∆x и координатам точек пересечения с грани-
цами рассматриваемой территории и недоступных зон определяем возможность разме-
щения данного блока гелиоустановок в доступной зоне.
Аналогичным образом выполняем трассировку для всех батарей, попадающих в пре-
делы участка.
Определение углов и степени затенения гелиоустановок горизонтальными и
вертикальными препятствиями на поверхности. При размещении гелиоустановок в
пределах заданной территории необходимо учитывать углы затенения характерные для
данного участка. Это позволит спроектировать установку гелиосистемы так, чтобы избе-
жать, частично или полностью, затенения поверхности гелиоустановок от полезного по-
ступления солнечной энергии.
Существуют два основных способа затенения: горизонтальными и вертикальными
препятствиями на поверхности. Горизонтальные препятствия преграждают путь свету
сверху. Степень затенения определяется относительной геометрической формой препят-
ствия и поверхности: чем шире козырек, тем больше зона тени; чем выше козырек, тем
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
Раздел II.2.
ЭКОГЕОДИНАМИКА ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-
АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ
83
меньше зона тени. Вертикальные препятствия преграждают путь свету сбоку. Как и с го-
ризонтальными препятствиями, геометрия угла затенения обусловливает пропорцио-
нальные размеры и близость препятствия к поверхности. В качестве препятствий могут
выступать деревья, горы, здания, а также другие естественные объекты и искусственные
сооружения.
Для любого условия затенения можно построить теневую маску, чтобы отобразить
количество и эффективность затенения данной поверхности, предварительно необходи-
мо определить высоту солнца и его азимут для рассматриваемой территории.
Высоту солнца и его азимут определяем по следующим формулам [1]:
sinh0 = cosφ cosδ cosw + sinφ sinδ (7)
sinA = cosδ sinw /cosh0 (8)
или
0
0
coshcos
sinдsinhsin
osA
c (9)
где h0 – высота солнца, φ – широта местности, δ – солнечное склонение, w – часовой
угол, A – азимут солнца.
Зная высоту и азимут солнца заданного участка, можно построить теневую маску на
интересующий период, используя уже готовые инструменты в различных ГИС-программах
(ArcGis и др.), предварительно создав карту рельефа данной территории.
Теневую маску можно построить и без ГИС-программ, использую диаграмму движе-
ния солнца для данной территории и транспортир теневой маски (рис. 1).
Нижняя половина транспортира используется для изучения сегментных эффектов
затенения горизонтальных препятствий. Верхняя половина, повернутая стрелкой 0
0 на
юг, относится к радиальному эффекту затенения вертикальных препятствий.
Рис. 1. Транспортир теневой маски
Горизонтально вытянутое препятствие даст сегментную теневую маску, где величина
α указанная маской, соответствует углу α затеняющего устройства (рис. 2а). Вертикаль-
ное препятствие даст радиальную теневую маску с углом β, соответствующим такому же
углу затеняющего устройства (рис. 2б). Для сочетания вертикальных и горизонтальных
затеняющих элементов можно построить комбинированную теневую маску (рис. 2в).
Т. В. Бобра, В. О. Яшенков
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
84
Рис. 2. Теневые маски: а – сегментная (горизонтальная), б – радиальная (вертикальная), в – комби-
нированная
Теневые маски целесообразнее читать при помощи диаграмм движения солнца, со-
ставленных для данной территории. Диаграммы строят при помощи транспортира движе-
ния солнца (рис. 3). На нем отмечают высоту и азимут солнца рассматриваемой террито-
рии на каждый час 21-го дня каждого месяца. Маску накладывают на диаграмму движения
солнца и определяют те периоды года, когда поверхность затенена.
Рис. 3. Транспортир движения солнца
Длину освещенной части гелиоустановки можно определить по высоте солнца и рас-
стоянию между рядами. Расстояние между рядами гелиоустановок можно выразить через
угол F (рис.4). Таким образом, tgF определяет отношение высоты ряда к расстоянию
между рядами гелиоустановок.
Длину освещаемой части гелиоустановки, следовательно, можно определить по сле-
дующей формуле [4]:
0
gsосв l I
ctghctg
ctgFctg
(10)
где Iосв – длина освещаемой части гелиоустановки, lgs – длина гелиоустановки, β –
угол наклона к горизонту гелиоустановки ориентированной на юг, h0 – высота солнца.
Рис. 4. Угловое расстояние между рядами гелиоустановок
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
Раздел II.2.
ЭКОГЕОДИНАМИКА ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-
АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ
85
В работе [1, 2, 3] анализируется изменение КПД гелиоустановок (главным образом
гелиоколлекторов), размещение которых осуществлялось с учетом определения углов и
степени затенения горизонтальными и вертикальными препятствиями. Повышение КПД
гелиосистем повышалось в отдельных случаях до 10 %, а в среднем от 3 до 5 %. Тогда
как экономическая эффективность повышалась до 12,5 %. Последнее объясняется тем,
что достижение наибольшего КПД гелиоустановок, например, геликоллекторов, экономи-
чески эффективнее в строго определенный период. Так как геликоллектор не всегда бу-
дет работать, когда светит солнце, по ряду причин, например, когда потребителю тепло-
вая энергия не требуется. Или рано утром и поздно вечером, когда интенсивность излу-
чения недостаточно велика для работы гелиоустановки или угол падения лучей на гелио-
установку настолько мал, что большая часть отражается от панели.
Поэтому при проектировании гелиосистем особенно важно учитывать требования
технического задания (период работы, минимально допустимую мощность системы и
т.д.).
Расчет оптимальной площади гелиоустановок и объема бака-аккумулятора
(для гелиоколлекторов) исходя из конкретных климатических условий и требова-
ний технического задания. Фотоэлектрические установки (ФЭУ) проектируются, как пра-
вило, с расчетом на круглогодичное эффективное использование. Если же ФЭУ должны
использоваться в качестве аварийных источников энергии при неблагоприятных климати-
ческих условиях, то в этом случае угол оптимального наклона ФЭУ определяется по ме-
сяцу с наименьшим значением плотности потока солнечного излучения за год.
Оптимальная площадь ФЭУ может быть определена с помощью уравнения [3]:
Sфэу = P/Isol cosГ ŋ Fi (11)
где Sфэу – площадь ФЭУ, P – выходная мощность ФЭУ, определяемая условиями
технического задания, Isol - плотность потока солнечного излучения, Вт/м2, cosГ - суммар-
ный угол между направлением на солнце и нормалью к плоскости ФЭУ, ŋ – КПД солнеч-
ного элемента, Fi - суммарный фактор, учитывающий особенности ФЭУ и возможную де-
градацию ее параметров (определяется техническими характеристиками конкретной
ФЭУ).
cosГ = sin h0 cosβ + sin[arccos (cosφ cosδ cosw + sinφ sinβ)]sinβ cosA (12)
где h0 – высота солнца, φ – широта местности, δ – солнечное склонение, w – часовой
угол, A – азимут солнца.
В работе [4] анализируются результаты исследований производительности гелио-
коллекторов выполненных в эксплуатационном режиме для различных схемных решений
и климатических условий. Из них следует, что объем бака V оказывает существенное
влияние на производительность системы и ее эффективность. Влияние увеличения объ-
ема бака-аккумулятора тем больше, чем больше соответствующая удельная площадь ге-
лиоколлекторов. Однако, для площадей гелиоколлекторов меньше, чем 2 м
2
на 1 челове-
ка, увеличение объема бака свыше 0,15 м
3 не дает заметного увеличения коэффициента
замещения. Изменение объема от 0,15 до 0,25 м3 оказывает малое влияние на годовой
КПД системы. Зато резко снижает годовой КПД гелиосистемы увеличение площади ге-
лиоколлекторов. Таким образом, задача ее определения имеет важный характер и носит
оптимизационный характер. Критерием оптимизации служит минимум приведенных за-
трат на проектируемую гелиосистему.
По результатам проведенных исследований были составлены уравнения регрессии
второй степени, адекватно описывающие зависимость производительности гелиосистемы
от ряда параметров для климатических условий Ялты, Одессы и Киева [4]:
QЯ = 1,063 + 1,920 S + 12,97 V – 0,359 S
2
– 34,50 V
2
+ 1,650 S V
QO = 0,915 + 1,843 S + 10,24 V – 0,347 S2 – 26,81 V2 + 1,210 S V
QK = 0,418 + 1,888 S + 8,680 V – 0,365 S2 – 25,71 V2 + 2,011 S V
(13)
где S – площадь гелиоколлектора в расчете на 1 чел., м
2
/чел., V – объем бака-
аккумулятора в расчете на 1 чел., м
3
/чел.
Их недостатком является привязанность к конкретным климатическим условиям, ог-
раничивающим возможную зону применения каждого уравнения. Это приводит к необхо-
димости составления большого числа "типичных" годов для различных метеопунктов.
Решением данной задачи является приведенное ниже уравнение регрессии второй
степени [4]:
Т. В. Бобра, В. О. Яшенков
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
86
ŋ = 0,488 – 0,161 S + 1,155 V + 0,019 S
2
– 2,450 V
2
(14)
Уравнение (14) с заданной ошибкой, для требуемого уровня надежности, позволяет
вычислить зависимость КПД гелиосистемы от ее параметров в любом из трех пунктов, а
также и в любом другом географическом пункте, метеоданные которого можно отнести к
той же генеральной совокупности, из которой сделана выборка.
Количество выработанного гелиосистемой тепла за год Qпол находят по формуле [4]:
jiz
падqS
,,
Q пол (15)
где ŋ – КПД гелиосистемы, S – площадь гелиосистемы, qпад - годовые значения сум-
марной падающей солнечной радиации, Вт/м2.
Используя уравнения (14) и (15) можно, зная удельные капитальные затраты на про-
ектируемую гелиосистему, найти оптимальные значения Sопт и Vопт для конкретных эко-
номических и климатических условий.
Установка гелиоколлектора, как правило, считается экономически целесообразной
при условии, что критерий экономической эффективности данной гелиоустановки меньше
или равен сезонному (годовому) коэффициенту полезного действия рассматриваемого
гелоколлектора.
Таким образом, последовательное решение поставленных выше задач способствует
повышению экономической и энергетической эффективности проектируемых гелиоси-
стем. Так как данные гелиосистемы будут с максимальной эффективностью использовать
всю площадь заданного участка проектирования; учитывать степень затенения гелио-
установок горизонтальными и вертикальными препятствиями на поверхности, что позво-
лит их правильно сориентировать для выполнения конкретных функциональных задач,
определяемых условиями технического задания; а также – определить размеры элемен-
тов проектируемых гелиосистем (оптимальную площадь гелиоустановок, оптимальный
объем бака-аккумулятора) исходя из конкретных экономических и климатических условий,
а также требований технического задания, причем критерием оптимизации служит мини-
мум приведенных затрат на проектируемую гелиосистему, что позволяет снизить срок
окупаемости системы ниже нормативного при соблюдении КПД, которое должно быть
достигнуто.
Данная система проектирования реализована в кодах С++ и может работать как при-
ложение к программам ArcGis 9.1 и AutoCAD 2005 (задача № 1, 2), что существенно об-
легчает процесс проектирования гелиосистем.
Литература.
1. Андерсон Б. Солнечная энергия: (Основы строительного проектирования) / Пер. с англ. А.Р. Анисимова;
Под. ред. Ю.Н. Малевского. – М.: Стройиздат, 1982. – 375 с., ил.
2. Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Под. ред. Ю.Н. Малев-
ского. – М.: Мир, 1977. – 420с., ил.
3. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат,
1983. – 360 с., ил.
4. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / Р.Р. Авезов, М.А. Барский-Зорин и др.; Под. ред. Э.В. Сар-
нацкого и С.А. Чистовича. – М.: Стройиздат, 1990. – 328 с., ил.
Анотація: У статті розглядаються методи підвищення економічної і енергетичної ефективності
геліосистем. Запропонована система проектування геліосистем, що враховує конкретні умови
території проектування і вимоги технічного завдання.
Ключові слова: сонячна радіація, геліоколлектор, розрахунок площі геліоколлектора, розрахунок
об'єму бака-акумулятора, оптимальні схеми розміщення геліоустановок, окупність.
The summary:In the article the methods of increase of economical and power efficiency of the solar systems are
esteemed. The system of designing solar systems is offered, which one allows for concrete conditions of
designing terrain and requirement of the performance specification.
Keywords: solar radiation, solar hot water systems, calculation of the area solar hot water systems (solar
collectors), calculation of volume of the hot-water (supply) tank, optimum schemes of installation solar systems,
recoupment.
Поступила в редакцию
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-78
Раздел II.2.
ЭКОГЕОДИНАМИКА ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-
АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ
87
II.3.ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ И ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
Т. В. Бобра, В. О. Яшенков
Геополитика и экогеодинамика
регионов. 2007. Вып.2. С. 81-86
88
|