Доклад 3: Еще один дешевый солнечный усилитель для фотоэлементов и коллекторов

Данный усилитель является совокупностью зеркал, которые уплотняют поток солнечной радиации в несколько раз: от обычных 0,5-1 кВт / кв. м до 1,2-3 кВт / кв. м. Данный усилитель является целесообразным для небольших коэффициентов усиления (до 3,0) и может быть использован для:

1) Увеличение производительности фотомодулей: 1 кв. м фотомодулей по 400 EUR / кв. м и 12 кв. м зеркал усилителя по 3,5 EUR / кв. м имеют такую же производительность, как 2,5 кв. м фотомодулей без усилителя

2) Увеличение производительности солнечных коллекторов: 1 кв. м плоских коллекторов по 200 EUR / кв. м и 12 кв. м зеркал усилителя эквивалентны 3-4 кв. м коллекторов летом (и 4-8 кв. м коллекторов зимой)

3) Плоские солнечные коллекторы становятся пригодными для работы зимой с целью отопления помещений. Причем их производительность оказывается в несколько раз больше, чем у вакуумных трубок (которые еще и в несколько раз дороже). Если поток радиации – 500 Вт / кв. м, температура воды отопления – плюс 60 град, а температура воздуха – минус 10 град, то коллектор без усилителя имеет мощность около 150 Вт / кв. м. В этих условиях коллектор с усилителем (с коэффициентом усиления 3,0) производит 900-1000 Вт / кв. м. Вакуумные трубки (без усилителя) будут производить только 200-300 Вт / кв. м   

Усилитель был изготовлен и испытан в июле-августе 2011 в г. Миргород

 

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 4 шт на каждый лист 1 

Усилитель работает следующим образом. Поверхность 4 фотоэлемента или коллектора получает непосредственно от солнца (т.е. без отражения от пленок 2) обычный поток радиации 0,5-1 кВт / кв. м. Кроме этого поверхность 4 получает дополнительный поток 0,7-2 кВт / кв. м вследствие отражения солнечной радиации от обоих пленок 2. С этой целью пленки 2 (на листах 1) имеют вогнутую форму. Таким образом, общий поток солнечной радиации на поверхности 4 достигает 1,2-3 кВт / кв. м

Описанные секции (с 2-метровой шириной) устанавливаются в ряды по 5-10 штук вдоль линии восток-запад. Этот ряд формирует солнечный зайчик шириной в 10-20 метров, который попадает на ряд поверхностей 4 фотоэлементов (или коллекторов).

Стыки соседних секций ряда снабжаются следующим:

— Две деревянных планки 5 высотой 45 мм и шириной 30 мм

— Деревянные подкладки 6 (по 2 шт. на каждую планку 5). Они приклеиваются (эпоксидной смолой) к планке 5. Две планки 3 прикручиваются к подкладкам 6 шурупами, а остальные две планки 3 прикручиваются шурупами непосредственно к планкам 5. Нужная высота подкладок 6 обеспечивает нужную вогнутую форму листам 1 (пленкам 2)

— Деревянная планка 7 с сечением 35 х 25, которая формирует жесткий треугольник вместе с двумя планками 5

Однако существует необходимость изменять вертикальный угол ориентации усилителя при изменении высоты солнца над горизонтом на каждые 5-15 градусов (т.е. от 6 до 16 раз в год), чтобы солнечный зайчик попадал на поверхности 4. Это делают следующие детали стыка соседних секций:

— Деревянный кол 8, который вбит в землю и опирается на ее поверхность деревянным упором 9. Кол 8 соединен с одной из планок 5 шурупом, который исполняет функцию шарнира 

— Деревянный кол 10, вбитый в землю

— Деревянный кол 11, также вбитый в землю

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

Увеличение вертикального угла ориентации усилителя 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

Уменьшение вертикального угла ориентации:

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

Ряды секций располагаются через интервал около 2 м. Существует смысл соединять по 3-6 таких рядов, причем:

— Ряды соединяются планками 14 (сечение 30 х 40) на каждом стыке соседних секций. Концы планок 14 прикручиваются шурупами, которые исполняют функцию шарниров

— Кол 10 и веревка 12 – одни на 3-6 секций разных рядов. Аналогично – кол 11 и веревка 13

— Изменение вертикального угла ориентации делается одновременно для 3-6 соединенных треугольников планок 5 и 7. Это экономит рабочее время в несколько раз

Технология наклейки пленки 2 на пенополистирол 1 аналогична описанной в «Докладе 2», однако количество дорожек пены может быть меньше в 1,5-2 раза

 

2) Стоимость

Усилитель с двумя зеркалами высотой по 1 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)

13 куб. дм

0,1 E / куб. дм

1,3 E

Деревянные планки 5 (2 шт. по 1,7 м  х 45 х 30)

5 куб. дм

0,1 E / куб. дм

0,5 E

Деревянная планка 7, подкладки 6, кол 8

3 куб. дм

0,1 E / куб. дм

0,3 E

Деревянные планки 14 и колья 10, 11

3 куб. дм

0,1 E / куб. дм

0,3 E

Полиуретановая пена

8 литр

0,04 E / литр

0,3 E

Шурупы, эпоксидная смола, полимерные веревки 12 и 13

 

 

0,3 E

С У М М А

 

 

5,6 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 четырех планок 3) — 16 человеко-минут

2) Сборка треугольника из двух планок 5 и планки 7 (в т.ч. 4 шт. подкладок 6) —  4 человеко-минуты

3) Изготовление других деталей (1 шт. кол 8 с упором 9,  2/3 шт. планка 14, по 1/3 шт. веревки 12, 13 и колья 10, 11) — 2 человеко-минуты

4) Установка секции в поле и ее настройка — 10 человеко-минут

Таким образом:

— Стоимость материалов – 5,6 EUR на 4 кв. м, т.е. 1,4 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 – 3,4 EUR  

Перспективы снижения стоимости аналогичны описанным в «Докладе 2». 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, треугольник из планок 5 и 7 (с подкладками 6), планки 14, колья 8, 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 начале августа 2011 я изготовил усилитель с двумя щитами шириной 100 см и высотой по 81 см. Расстояние между ближними краями щитов (т.е. высота поверхности 4) – 13,5 см. Расстояние между дальними краями щитов (т.е. параллельно планке 7) – 65,8 см. Горизонтальная ориентация установленного усилителя – на солнце в 12.40 по киевскому времени. Изогнутость щитов примерно следующая (2-мерные координаты пленки 2 в сечении вдоль линии «81 см»):

X

0 (около поверхности 4)

15 см

30 см

45 см

60 см

75 см

Y

0

3,4 см

3,7 см

2,9 см

1,8 см

0

3 августа с 12.20 до 13.00 я провел эксперимент с разными углами вертикальной ориентации усилителя. Ниже приведены замеры коэффициента усиления для вертикальной ориентации точно на солнце и четырех других углов. Замер в трех точках поверхности 4: в центральной горизонтальной линии поверхности 4, 3,5 см смещения по поверхности 4 к верхнему щиту и 3,5 см смещения от центральной линии к нижнему щиту:

 

6,1 град выше солнца

2,3 град выше солнца

Точно на солнце

2,8 град ниже солнца

5,8 град ниже солнца

3.5 см выше

1,3

1,7

2,6

3,4

3,0

Центр

1,8

3,0

3,6

2,6

2,0

3,5 см ниже

3,2

3,4

2,6

1,5

1,4

6 августа я провел замеры коэффициента усиления на протяжении суток в трех упомянутых точках поверхности 4. До 12.00 – небо чистое, после 12.00 – облака с просветами до 10-20 минут. Максимум высоты солнца – 57 град, вертикальная ориентация усилителя – 58 град. Результаты замеров:

Время (по Киеву)

7.

50

8.

40

9.

30

10.

45

11.

35

12.

40

13.

45

14.

20

15.

15

16.

10

16.

35

16.

50

17.

15

3,5 см выше

0,5

1,8

2,6

2,4

2,2

2,2

2,6

2,7

2,4

1,3

0,9

0,5

0,2

Центр

0,4

0,9

2,3

3,4

3,5

3,4

3,4

3,1

1,5

0,9

0,8

0,5

0,2

3,5 см ниже

0,4

0,7

1,3

2,7

3,0

3,0

2,2

1,7

1,1

0,8

0,6

0,5

0,2

Несколько замечаний:

— В числителе коэффициента – «Поток радиации на поверхность 4», в знаменателе – «Поток на площадку, которая перпендикулярна солнцу» (но не «Поток на неподвижную площадку, которая ориентирована на юг под вертикальным углом 40-50 градусов» и не «Поток на поверхность 4, как если бы она не была снабжена данным усилителем»)

— Замеры в 7.50 и 16.50 показывают, что в это время поверхность 4 получает почти всю радиацию непосредственно от солнца и только 10-40 % — отражения от пленок 2. В это время «Поток радиации на поверхность 4, как если бы она не была снабжена данным усилителем» немного меньше, чем «Поток радиации на поверхность 4 (снабженной данным усилителем)»

— В 16.45 поверхность 4 начинает накрываться тенью от верхнего щита. Эта тень полностью накрывает поверхность 4 в 17.15. Замер в 17.15 показывает, что в это время «Поток радиации на поверхность 4» примерно в 2 раза меньше, чем «Поток на поверхность 4, как если бы она не была снабжена данным усилителем». Утром тень (тоже от верхнего щита) полностью освобождает поверхность 4 в 7.40