Доклад 2: Дешевый солнечный усилитель для фотоэлементов и коллекторов

Он усиливает поток солнечной радиации в 3-4 раза от 0,5-1 квт / кв. м до 2-4 квт / кв. м. Вследствие этого производительность (и экономическая рентабельность) солнечных модулей увеличивается в 1,5-2,5 раза. Производительность солнечных коллекторов увеличивается в 3-5 раз летом и в 5-10 раз зимой.

Усилитель был изготовлен и испытан в г.Миргород (Украина) в июне-июле 2011. Эксперимент дал коэффициент усиления 4,1 и надежды на достижение более высоких коэффициентов (в диапазоне 5-10)

 

1) Конструкция

Усилитель имеет (на рисунке – вид сбоку):

— Два листа пенополистирола 1 с толщиной 2,5 см, шириной 2 м и высотой по 1 м

— Зеркальная пленка 2, которая наклеена на листы 1 с солнечной стороны (в магазинах ее называют «солнцезащитная пленка (или штора)»)

— Деревянные планки 3 высотой 20 мм и шириной 40 мм. Они приклеиваются (полиуретановой пеной) к листам 1 по 3 шт на каждый лист 1 

Усилитель работает следующим образом. Солнечная радиация попадает на пленку 2 и отражается ею (фокусируется) на поверхность 4 фотоэлемента или коллектора. Солнечный зайчик (отражение от 2-метровой высоты листов 1) имеет высоту 15-40 см в районе поверхности 4. Это есть следствие вогнутой формы пленок 2 на листах 1

Описанные секции (с 2-метровой шириной) устанавливаются в ряды по несколько десятков штук вдоль линии восток-запад. Этот ряд формирует солнечный зайчик шириной в несколько десятков метров. На протяжении дня этот зайчик смещается с запада на восток на несколько десятков метров, однако высота его расположения почти не изменяется и он остается в районе поверхностей 4 ряда фотоэлементов (или коллекторов).

Стыки соседних секций ряда снабжаются следующим:

— Деревянная планка 5 с сечением 50 х 50

— Деревянные подкладки 6. Они приклеиваются (эпоксидной смолой) к планке 5. Планки 3 прикручиваются к подкладкам 6 шурупами. Нужная высота подкладок 6 обеспечивает нужную вогнутую форму листам 1 (пленкам 2)

— Деревянные планки 7 высотой 40 мм и шириной 30 мм для удержания поверхности 4 (фотоэлемента или коллектора) высотой 10-30 см

Однако существует необходимость изменять вертикальный угол планки 5 при изменении высоты солнца над горизонтом на каждые 4-10 градусов (т.е. от 8 до 20 раз в год), чтобы солнечный зайчик попадал на поверхности 4. Это делают следующие детали стыка соседних секций:

— Горизонтальная деревянная планка 8, которая приклеена (эпоксидной смолой) к планке 5. Планка 8 является опорой планки 5 на поверхность земли на протяжении 40-60 см

— Кусок 9 ткани типа «гидробарьер» размером 75 х 100 см. Он кладется в яму и заполняется землей так, чтобы над землей остались 10-15 см ткани со всех сторон. Эта ткань собирается и крепится к планке 8 строительным степлером. Система из планки 8 и ткани 9 является шарниром, на котором планка 5 может повернуться

— Деревянный кол 10, вбитый в землю

— Деревянный кол 11, также вбитый в землю (1 шт. на два стыка)

— Веревки 12 (крепкая и жесткая) и 13 (более эластичная и дешевая)

Поднятие планки 5 осуществляется через следующие операции:

1) Снять один виток веревки 13 с кола 11

2) Накрутить один виток веревки 12 на кол 10

3) Зафиксировать упомянутый виток на колу 10 скобой степлера

Опускание планки 5:

1) Снять один виток веревки 12 с кола 10 (перед этим – сорвать скобу, которая его фиксирует)

2) Накрутить один виток веревки 13 на кол 11

3) Зафиксировать этот виток скобой

 

2) Стоимость

Усилитель высотой 2 м и шириной 2 м требует следующих материалов (Цены – крупный опт, июль 2011, Украина, без НДС):

 

Кол-во

Цена

Итого

Пенополистирольные листы толщиной 2,5 см

4 кв. м

0,5 E / кв. м

2 E

Зеркальная пленка

4 кв. м

0,15 E / кв. м

0,6 E

Деревянные планки 3 (длиной 2,15 м и сечением 20х40)

10 куб. дм

0,1 E / куб. дм

1 E

Деревянная планка 5 (2,4 м  х 50 х 50)

9 куб. дм

0,1 E / куб. дм

0,9 E

Деревянные планки 7 сечением 30х40

5 куб. дм

0,1 E / куб. дм

0,5 E

Деревянные колья 10, 11

2 куб. дм

0,1 E / куб. дм

0,2 E

Полиуретановая пена (для приклеивания пленки 2 и планок 3 к листам 1)

8 литр

0,04 E / литр

0,3 E

Шурупы и эпоксидная смола

 

 

0,3 E

Гидробарьер 9

0,75 кв. м

0,15 E / кв. м

0,1 E

Полимерные веревки 12 и 13

8 м

0,025 E / м

0,2 E

С У М М А

 

 

6,1 E

Расход времени на секцию 4 кв. м:

1) Изготовление двух отражающих щитов по 2 кв. м (т.е. склеивание пенополистирола 1, пленки 2 и трех планок 3) — 14 человеко-минут

2) Склеивание одной планки 5 с 6 шт. подкладок 6 и планкой 8 —  3 человеко-минуты

3) Изготовление других деталей (сборка конструкции из трех планок 7, нарезка ткани 9, веревок 12, 13 кольев 10, 11) — 3 человеко-минуты

4) Установка секции в поле и ее настройка — 12 человеко-минут

Таким образом:

— Стоимость материалов – 6,1 EUR на 4 кв. м, т.е. 1,5 EUR за кв. м отражающей поверхности

— Затраты времени — 32 человеко-минуты на 4 кв. м. Если ставка зарплаты будет 15 EUR / час (2600 EUR в месяц), то эти расходы будут 8 EUR, т.е. 2 EUR за кв. м отражающей поверхности

— Таким образом, стоимость кв. метра отражающей поверхности усилителя – 3,5 EUR  

Перспективы снижения стоимости:

1) Автоматизация изготовления метализованного пенополистирола. Например, по технологиям, подобным изготовлению метализованного пенополиэтилена (в магазинах его называют «подкладка под ламинат»). Это уменьшит расход времени на 6 человеко-минут / 4 кв. м, т.е. снизит стоимость усилителя на 0,35 EUR / кв. м.   

2) Автоматизация крепления планок 3 (к листам 1) и вкручивания шурупов в их края. Это сэкономит еще 7 человеко-минут / 4 кв. м, т.е. 0,4 EUR / кв. м.   

3) Комбинация «Пенополистирол + полиуретановая пена + отражающая пленка» не является единственным вариантом жесткого отражателя вогнутой формы. Возможно существуют более дешевые варианты

4) Переход от закупок к самостоятельному производству материалов пенополистирола и деревянных планок 

5) Изменение конструкции усилителя, чтобы уменьшить затраты времени на его установку в поле

Оптимистическая оценка стоимости усилителя – 2-2,5 EUR за кв. метр отражающей поверхности (без НДС, включая установку и настройку)

Транспортировка усилителя к месту установки  осуществляется в виде следующих деталей: отражающие щиты, планка 5 (с подкладками 6 и планкой 8), конструкция из трех планок 7, ткань 9, колья 10 и 11, веревки 12 и 13. Одна секция занимает 0,4 куб. м, т.е. полуприцеп объемом 90 куб. м вмещает 225 секций (900 кв. м отражающей поверхности). Их вес – 4 тонны

 

3) Свойства

В июле 2011 я изготовил усилитель с двумя щитами шириной 60 см и высотой по 50 см. Высота промежутка между щитами – 17 см. Фокусное расстояние 101 см.  Горизонтальная и вертикальная ориентация установленного усилителя – на солнце в 12.40 по киевскому времени

Ниже приведены замеры коэффициента усиления 11 июля 2011 (г. Миргород, 50 град северной широты):

 

Фокусная линия, т.е. 101 см от плоскости усилителя

91 см от плоскости усилителя

81 см от плоскости усилителя

20 см выше фокусной линии

0,5

0,8

15 см выше

0,3

0,5

1,6

10 см выше

0,5

1,1

2,0

5 см выше

2,0

2,3

1,2

Горизонталь фокусной линии

4,1

2,7

0,9

5 см ниже

2,9

2,9

2,4

10 см ниже

2,2

3,5

3,7

15 см ниже

0,9

1,5

1,9

20 см ниже

0,2

0,5

14 июля 2011 я произвел замеры коэффициента усиления на протяжении суток. Замеры делались относительно горизонтальной планки, расположенной в центре солнечного зайчика в 12.40 по киевскому времени (101 см от плоскости усилителя):

Киевское

время

замера

9.45

10.30

11.40

12.40

13.40

15.10

16.00

Горизонтальное смещение зайчика

80 см на запад

50 см на запад

20 см на запад

нет

20 см на восток

60 см на восток

95 см на восток

20 см выше планки

0,2

0,4

0,3

15 см выше

0,2

0,3

0,7

0,5

10 см выше

0,15

0,5

1,1

1,3

0,8

0,2

5 см выше

0,3

1,3

2,5

2,1

1,8

0,3

Планка

1,2

2,2

3,7

4,0

3,9

0,6

0,2

5 см ниже

2,3

2,6

3,5

3,1

4,1

1,9

0,3

10 см ниже

2,4

2,4

0,8

1,0

2,4

3,0

0,6

15 см ниже

2,5

0,9

0,2

0,3

0,7

2,7

1,5

20 см ниже

1,0

0,3

0,2

0,3

1,1

3,3

25 см ниже

0,2

0,2

0,4

2,8

30 см ниже

0,15

1,4

35 см ниже

0,4

40 см ниже

0,25

 

4) Приложение: технология наклеивания пленки 2 на пенополистирол 1

Я сделал более 20 наклеиваний пленки на пенополистирол на протяжении трех недель. В итоге я получил более-менее удовлетворительный результат, но с большим количеством недостатков. Если кто-то захочет научиться этому, то пусть он будет готов сделать аналогичную работу и постараться исправить часть моих недостатков

Итоговая технология наклейки проходит через следующий операции (На гладкой цилиндрической поверхности с ровной стороной 2 м и выпуклой стороной больше 1 м. Ее радиус в 1,5-2 раза меньше, чем радиус вогнутой поверхности листа 1 в усилителе): 

1) Положить пленку 2 на упомянутую поверхность (перед этим – брызнуть воду на углы этой поверхности для удержания углов пленки)

2) Нанести 12 шт. дорожек полиуретановой пены на лист 1 пенополистирола размером 1 м х 2 м: вдоль стороны «2 м» с интервалом 9 см

3) Брызнуть воду на пленку 2 (Вода нужна для затвердевания пены)

4) Положить лист 1 (с дорожками пены) на пленку 2

5) Положить грузы (20-50 кг) на лист 1

6) Ожидание 1 сутки

Несколько замечаний:

— Метализованная сторона пленки 2 кладется на упомянутую поверхность, т.е. другая сторона пленки 2 должна будет клеиться на лист 1

— Упомянутые дорожки пены должны расширяться при затвердевании до 2-4 см с высотой 2-5 мм. Таким образом 60-80 % поверхности пленки будут свободны от пены. Пленка на этих участках растянется во время установки листов 1 на планки 5  

— Приклеенные участки пленки должны иметь вид старого поцарапанного, но ровного зеркала. Однако усилитель может работать и с худшим качеством зеркала этих участков

— Я брал зимнюю пену и использовал ее при +25 град