Доклад 18: Дешевое цилиндрическое зеркало из стеклянных полос (Часть 3)

                               (ОКОНЧАНИЕ : )

5) Долговечность зеркал:

Срок работы зеркал – это время, которое необходимо для уменьшения КПД зеркала до уровня 0,7-0,8 от уровня КПД нового зеркала. Уровень 0,7-0,8 – это решение экономическо-математической задачи со следующими аргументами: стоимость зеркала (7,5 EUR), стоимость концентратора (5 EUR), стоимость коллектора (3,5 EUR), их эксплуатационные расходы (0,13 + 0,16 + 0,10 EUR / год), стоимость капитала (5-10 % / год) и срок работы концентраторов и коллекторов (25-40 год). Если КПД зеркал уменьшилось ниже уровня 0,7-0,8, экономический смысл рекомендует заменить их на новые зеркала, поскольку стоимость новых зеркал меньше, чем наши потери из-за уменьшения КПД старых зеркал. Если концентраторы и коллекторы закончили свой срок работы, и КПД старых зеркал больше чем уровень 0,7-0,8, экономический смысл рекомендует аккуратно удалить эти зеркала из старых концентраторов и установить их на новые концентраторы

Но жизнь зеркал может оказаться короче, если они пройдут через какой-то сценарий массового умирания. Сейчас я вижу только следующие два таких сценария:

1) Аномально большой град. Он уничтожает зеркала (возможно, концентраторы будут уничтоженными тоже) или опускает их КПД ниже уровня 0,7-0,8

2) Массовая потеря полос 1. Она может произойти из-за умирания клея 3 или пенополистирола листов 2. Потеря 3-5 шт. полос на каждом зеркале – это опускание КПД зеркал ниже уровня 0,7-0,8

 

6) Утилизация зеркала и ее отрицательная стоимость:

Зеркала (которые закончили свой срок работы) проходят через следующие три этапа: 

1) Зеркала удаляются из концентраторов, собираются и везутся на завод. Эти операции описаны в Главе 1, и они требуют 40 человеко-секунд (плюс 0,05 EUR) на зеркало

2) Зеркала сортируются на следующие три группы:

— Зеркала с КПД на уровне 0,8 (и больше) от уровня КПД новых зеркал. Эти зеркала будут устанавливаться в новые концентраторы, где они будут работать еще 5-20 год

— Зеркала с КПД на уровне 0,6-0,8. Эти зеркала могут использоваться в старых концентраторах, если экономический смысл работы этих концентраторов существует

— Остальные зеркала идут на 3-й этап

Измерение КПД делается на простом стенде с затратами времени 10-15 секунд на зеркало

3) Утилизация зеркал: они ставятся на решетку печи, которая будет работать в температуре 150-200 град. Жидкая полимерная смола (из материалов листа 2 и клея 3 и возможно из полимеров защитного слоя полос 1) течет вниз, а стекло зеркал остается на решетке

Кроме этого, существует идеи снятия серебряной и медной пленки с поверхности полос 1. Цена этих веществ – около 1 EUR / кв. м. Но сейчас мы не делаем это. Хотя я могу назвать несколько идей удаления этих пленок:

— Серебро и медь перейдет в шлак печи, которая будет делать стекло со стеклянным боем из полос 1

— Человек может класть полосы 1 на ленточный конвейер, который двигается под механическую стальную щетку. Она шлифует поверхность полос 1, и серебро-медь оказываются в порошке или жидкости

— Мы кладем полосы 1 в емкость с кислотой, и серебро-медь растворяются ею  

1 кв. м зеркала (с листом 2 толщиной 3 см и плотностью 15-25 кг / куб. м) дает около 0,65 кг полимерной смолы (90-95 % — это полистирол и его связующее в листах 2), которые могут быть проданы по цене 0,2 EUR за кг. Первый вариант – это топливо для пиролизных котлов (эквивалент черного угля по 120 EUR за тонну). Второй вариант – сырье для нефтехимии (эквивалент нефти по 40 USD за баррель). Третий вариант – это дешевый пластик или его компонент. Итого доход от продажи смолы – 0,13 EUR

Кроме этого, 1 кв. м зеркала (со стеклом толщиной 3 мм) дает 7,5 кг грязного стеклянного боя (с остатками клея 3, полистирола листа 2, защитного слоя и отражающим слоем). Его рыночная цена – 0,05 EUR / кг. Итого доход от его продажи – 0,37 EUR

Таким образом:

— Расходы утилизации – это 0,31 EUR на 1 кв. м зеркала: 0,22 Е за 1-й этап, плюс 0,06 Е за 2-й этап, плюс 0,01 Е за энергию для печи (0,2 квт-час тепла природного газа для плавления 0,65 кг пенополистирола с КПД 30 %), плюс 0,02 Е на зарплаты кочегаров этой печи (5 сек / зеркало)

— Доходы утилизации – это 0,50 EUR на 1 кв. м зеркала (= 0,13 + 0,37)

— Прибыль от утилизации 1 кв. м зеркала – это 0,19 EUR

 

7) Приложение 1: Сравнение стеклянных (серебряных) и пленочных зеркал:

Пленочные зеркала имеют отражающую поверхность из металлизированной полипропиленовой пленки. Они были описаны в Докладе 14

21 октября 2012 я сделал эксперимент по сравнению производительности стеклянных и пленочных зеркал. Мой концентратор имел два зеркала: стеклянное (с 5-месячным возрастом) и пленочное (новорожденное). Три периода работы коллектора со стеклянным зеркалом (я временно накрывал пленочное зеркало досками) чередовались с тремя периодами на пленочном зеркале (стеклянное зеркало накрывалось досками). Результаты этого эксперимента описаны следующей таблицей:

Время

Тип открытого зеркала

W:

Мощность

S: Активная

площадь зеркала

= W / S

12.16-12.30

Стекло

373 Вт

0,623 м

599 Вт / кв. м

12.45-12.59

Пленка

256 Вт

0,527 м

486 Вт / кв. м

13.06-13.21

Стекло

335 Вт

0,623 м

538 Вт / кв. м

13.27-13.41

Пленка

295 Вт

0,527 м

560 Вт / кв. м

13.49-14.04

Стекло

359 Вт

0,623 м

576 Вт / кв. м

14.09-14.28

Пленка

282 Вт

0,527 м

535 Вт / кв. м

Таким образом, средняя мощность стеклянного зеркала (571 Вт / кв. м) оказалась на 8 % больше, чем средняя мощность пленочного зеркала (527 Вт / кв. м)

Стеклянные зеркала имеют следующие преимущества над пленочными:       

1) Производительность стеклянных зеркал оказалась больше, чем пленочных (на 6-10 %). Мы можем увидеть это по их отражениям: изображение в обычном зеркале ярче и контрастнее, чем изображения полипропиленовых пленок

2) Стеклянные зеркала – очень долговечные. Их срок работы может быть больше, чем у концентраторов (если они не будут разбиты аномальным градом). В то же время, пленочные зеркала будут работать только 2-5 год. Но если мы используем пленочные зеркала только во время отопительного сезона (мы удаляем их из концентраторов в марте-мае, и устанавливаем их обратно в сентябре-ноябре), то их срок работы увеличивается до 5-12 год

3) Время уменьшает КПД стеклянных зеркал очень медленно. Поэтому первые годы работы стеклянные зеркала имеют дополнительной преимущество на 2-8 % производительности. Но стеклянные зеркала могут не иметь этого преимущества, если мы сравниваем средние потери КПД по всем годам срока работы концентраторов (поскольку пленочные зеркала часто заменяются новыми)

4) Стеклянные зеркала имеют более низкий солнечный зайчик  (если качество их изготовления будет нормальное), поскольку этот тип зеркала имеет меньше причин, которые влияют на фокусирование излучения  

5) Изготовление стеклянных зеркал проще, чем пленочных (если мы закупаем зеркальные листы), и оно требует более простого оборудования

6) Серебряные зеркала отражают (в сторону коллектора) мало ультрафиолетового излучения (пленочные зеркала имеют алюминиевый отражающий слой, который отражает ультрафиолетовые фотоны очень хорошо). Низкий уровень ультрафиолетовой радиации уменьшает скорость старения деталей коллектора. Кроме этого, мы можем уменьшить уровень ультрафиолетового излучения через увеличение коэффициента их поглощения стеклом зеркала

 В то же время стеклянные зеркала имеют следующие четыре недостатка (по сравнению с пленочными зеркалами):

1) Очень большая стоимость: 7,5 EUR за стеклянное зеркало против 2,0 EUR за пленочное (вместе со стоимостью установки в концентраторы). Но стеклянное зеркало имеет больше прибыль утилизации: 0,19 ЕUR против 0,05 ЕUR. Перспективная стоимость стеклянных зеркал более высокая: 3-4 ЕUR против 0,3-0,5 ЕUR. Эксплуатационные расходы всесезонного варианта пленочных зеркал (они работают в концентраторах весь год) – это 0,04 ЕUR / год (против 0,13 ЕUR / год у стеклянных зеркал), а их зимнего варианта (они удаляются из концентраторов каждое лето) – это 0,26 ЕUR / год (против 0,07 ЕUR / год у стеклянных зеркал)

2) Роса уходит с поверхности стеклянных зеркал в несколько раз дольше, чем с пленочных. Капли дождя аналогично: туча ушла, солнце светит, пленочное зеркало работает полностью, а КПД стеклянного зеркала уменьшено на несколько процентов из-за капель воды на его поверхности. Эти явления уменьшают КПД стеклянных зеркал в сравнении с пленочными (меньше чем на 0,3 %)

3) Стеклянные зеркала имеют несмываемую грязь, которая описывалась в Главе 3 (Пленочные зеркала не имеют ее, или ее накопление учитывается в уменьшении КПД из-за старения зеркала). Средний уровень этой грязи дает уменьшение КПД стеклянных зеркал на 2-3 %

4) Стеклянные зеркала имеют очень большой вес: 7,5 кг на 1 кв. м зеркал с толщиной 3 мм и 5 кг для зеркал толщиной 2 мм. Поэтому вес концентраторов увеличивается (в 2,5-3,5 раз для зеркал толщиной 2-3 мм). Первое последствие: мы обязаны усилить конструкцию концентраторов, и это увеличит их стоимость. Второе последствие: эксплуатационные расходы концентраторов увеличиваются  

 

8) Приложение 2: Стеклянные зеркала с алюминиевой основой:

Алюминиевое зеркало состоит из следующих трех слоев:

— стеклянный слой

— отражающий слой (больше чем 0,12 мкм алюминия)

— защитный слой из лакокрасочных материалов. Это второе отличие алюминиевого зеркала от серебряных зеркал (после алюминиевого слоя): медная пленка отсутствует. Но этот слой делает не только механическую, но и химическую защиту отражающего слоя 

Обычно технология алюминиевого зеркала идет через следующие четыре этапа:

А) Изготовление стеклянного листа (обычно, с термической полировкой)

Б) Подготовка стеклянного листа: его дополнительная полировка, мойка и обработка одним веществом  (это проще, чем в стеклянном зеркале, поскольку нет обработки несколькими веществами)  

В) Укладка алюминиевой пленки через технологии «катодное распыление» или «термическое испарение алюминия в вакууме»

Г) Укладка одной или двух пленок лакокрасочных материалов

Наше зеркало (на алюминиевой основе) имеет перспективы в рамках следующего варианта:

— Очень тонкое стекло (0,5-1,5 мм) низкого качества. Мы готовые к замене этих зеркал в концентраторах, поскольку они могут быть разбиты первым сильным градом (с его статистическим ожиданием 10-30 год)

— Лист 2 имеет толщину 2 см и плотность 10-20 кг / куб. м

— Защитный слой зеркального листа состоит из одной пленки лакокрасочных материалов, и он дает срок работы 5-15 лет на улице (до уменьшения КПД до уровня 0,7-0,8 от КПД нового зеркала)

— Упрощение этапа Б («подготовка стеклянного листа»)

Этот вариант имеет следующую перспективную стоимость (1 кв. м, без НДС):

 

Ожидание стоимости

Перспектива серебряного зеркала (для сравнения)

Зеркальные листы: изготовление стеклянных листов

0,7 Е

1,3 Е

Зеркальные листы: подготовка стекла и укладка отражающего слоя

0,2 Е

1,0 Е

Зеркальные листы: укладка защитного слоя

0,2 Е

0,3 Е

Лист 2 пенополистирола

0,3 Е

0,35 Е

Клей 3

0,05 Е

0,05 Е

Нарезка полос 1

0,25 Е

0,3 Е

Сборка зеркала

0,15 Е

0,15 Е

Установка зеркала в концентратор

0,15 Е

0,15 Е

                 С У М М А

2,0 EUR

3,6 EUR

Но стоимость 2,0 EUR / кв. м – это перспектива алюминиевого зеркала после НИОКР. Сейчас его стоимость в 1,5-2 раз больше

Алюминиевое зеркало оказывается промежуточным между серебряным и пленочным зеркалами:

 

Стеклянное серебряное зеркало

Стеклянное алюминиевое зеркало

Пленочное зеркало

Перспективная стоимость 1 кв. м (без НДС, с установкой в концентратор)

3,6 EUR

2,0 EUR

0,4 ЕUR

КПД зеркала

85 %

82 %

79 %

Срок работы (без града)

20-50 год

5-15 год

2-5 год

Скорость уменьшения КПД

1 % в год

3 % в год

8 % в год

Вес 1 кв. м

5,5 кг

(стекло 2 мм)

3 кг

(стекло 1 мм)

0,4 кг

Устойчивость против града

средняя

плохая

плохая

Отражение ультрафиолетовой радиации

небольшое

среднее

большое

 

Доклад 18: Дешевое цилиндрическое зеркало из стеклянных полос (Часть 2)

2) Стоимость зеркала и перспективы ее уменьшения (Окончание):

13) Автоматизация сборки зеркала: ее потенциал – уменьшение стоимости зеркала на 0,3-0,4 EUR. Все пять операций сборки зеркала (они описаны в Главе 1) хорошо автоматизируются и имеют много аналогов в разнообразных технологических процессах (например, операция укладки клея 3 на лист 2 имеет много аналогов в кондитерских технологиях: заливка сплошным потоком, использование форсунок, выдавливание из экструдера). Все операции могут выполняться на конвейере, который двигается перпендикулярно плоскости рис.С

14) Изготовление зеркала на плоской поверхности 9. Это разрешается, поскольку это зеркало получит нужную форму после его установки на кривой лист 4 концентратора. Но это не произойдет, если полосы 1 будут клеиться на лист 2 плотно друг к другу, поскольку они будут упираться друг в друга во время изгибания листа 2 на листе 4. Поэтому полосы 1 должны иметь пустые промежутки (шириной около 1 мм) между соседями на плоском листе 2. Существует вероятность, что идея плоской поверхности 9 уменьшит наши расходы на сборку зеркала руками или в сочетании с п.13  

15) Клей 3: выбор оптимальной марки клея, выбор оптимальной площади  его укладки на лист 2, выбор оптимальной толщины его слоя

16) Отказ от клея: мы можем соединять полосы 1 с листом 2 через другие методы. Например, полосы 1 могут быть нагретыми до температуры 120-150 град, и давление груза 10 (через доски 11) соединит их с листом 2 через расплавленный пенополистирол. Еще один пример — это использование растворителя пенополистирола (например, бензин): мы можем полить лист 2 каплями растворителя (из форсунок), положить полосы 1 и дать давление на них

17) Упрощение установки зеркала в концентратор. Несколько идей:

— Упрощение операций установки и удаления временных планок 7 (сейчас эти операции требуют 40 секунд = 0,17 EUR). Мы можем заменить их более удобными приспособлениями для временной опоры нижнего края зеркал. Пример показан на рис.E: крючок 13 цепляется за верхнюю планку 5, и он держит металлическую опору 14 зеркала. Установка и удаление этих приспособлений требуют в 3-5 раз меньше времени (это экономия 0,11-0,14 EUR) 

— Использование специального автомобиля, который медленно двигается параллельно ряду концентраторов; люди ходят между концентраторами и этим автомобилем, они берут новое зеркало (возможно, с точками 6 пены, которые кладутся автоматом) с кузова автомобиля и относят его на лист 6. Этот метод упрощает операцию разгрузки зеркал на землю около концентраторов (сейчас 0,02 EUR), упрощает операцию укладки зеркала на лист 4 (сейчас 0,04 EUR) и возможно удаляет операцию укладки точек 6 на листы 4 (сейчас 0,08 EUR)     

18) Увеличение размеров зеркала. Например, увеличение ширины зеркала от 1 м до 1,2 м уменьшает расходы «нарезки полос» на 15 %, расходы «сборки зеркала» на 5 %, расходы «установки зеркала» на 15 % (Это расходы на 1 кв. м зеркала). Увеличение высоты зеркала от 1 м до 1,2 м уменьшает расходы «сборки зеркала» на 15 % и расходы «установки зеркала» на 15-20 %

Прогноз уменьшения стоимости зеркал вследствие пп.1-18 (за 1 кв. м):

 

Старая стои-мость

Идеи улучшения

Ожидание новой стоимости

Зеркальные листы: изготовление стеклянных листов

2,50 Е

пп. 1, 2, 3

1,3 Е

Зеркальные листы: подготовка стек ла и укладка отражающего слоя

1,70 Е

пп. 1, 4, 5, 6

1,0 Е

Зеркальные листы: укладка защитных слоев

0,70 Е

пп. 1, 7, 8

0,3 Е

Лист 2 пенополистирола

0,65 Е

пп. 1, 11, 12

0,35 Е

Клей 3

0,15 Е

пп. 1, 12, 15, 16

0,05 Е

Нарезка полос 1

0,99 Е

пп. 2, 9, 10, 18

0,3 Е

Сборка зеркала

0,46 Е

пп. 12, 13, 14, 15, 16, 18

0,15 Е

Установка зеркала в концентратор

0,36 Е

пп. 17, 18

0,15 Е

                 С У М М А

7,51 EUR

 

3,6 EUR

Таким образом, существует прогноз уменьшения стоимости зеркал примерно в 2 раза: с 7,51 EUR до 3,6 EUR (за 1 кв. м)

 

3) Эксплуатационные расходы зеркал:

Стеклянные зеркала собирают много грязи, которая не смывается дождями. Например, мое зеркало оказалось очень грязным (его коэффициент отражения уменьшился очень заметно) из-за работы с конца мая до середины октября. Зимнее накопление грязи – есть очень медленное, и снег удаляет ее лучше, чем дожди (Он делает это во время оттепели, когда слой снега сползает с зеркал вниз). Например, 16 января 2013 была оттепель, и мое зеркало оказалось очень чистым (хотя последняя мойка была в середине октября): около 0,1 % потери КПД из-за несмываемой грязи (плюс 1-2 % потерь из-за легкой смываемой грязи). Поэтому стеклянные зеркала требуют следующих операций:  

1) Малая мойка. Мы должны делать ее 3 раза в год: май, июль, сентябрь (если скорость накопления грязи аналогичная моему расположению миргородского концентратора). Критерий необходимости мойки – это уменьшении КПД зеркала на 3-6 % (средняя потеря КПД по всем дням окажется около 2 %). Я удалил свою грязь (в октябре 2012) мокрой бумагой. Но это очень большие затраты времени. Несколько идей быстрой мойки (5-10 секунд на кв. м): работа механической щеткой во время дождя, работа водным пылесосом. Если мы используем концентраторы только для отопления домов (на протяжении 4-8 месяцев в год), то зеркала моются только один раз перед началом сезона (в сентябре-ноябре)

2) Большая мойка – это удаление очень сложной грязи, которая не может быть удалена методами п.1. Я не видел ее на своем зеркале, но думаю, что она может показать себя через несколько лет эксплуатации. Мы делаем эту операцию один раз за 3-7 год, когда потеря КПД зеркал (из-за накопления сложной грязи) достигает 1-2 % (средняя потеря КПД по всем дням окажется около 0,7 %). Мы используем моющие вещества, а затраты времени на эту мойку – 20-40 секунд на кв. м  

3) Удаление снега. Он налипает не на все зеркала, а только на те участки, которые отклоняются от вертикали больше чем на 10-20 град; это около 50 % поверхности реальных концентраторов, которые работают в снежных регионах (севернее, чем 50-55 град сев. широты). Я удалял снег половой щеткой с затратами времени 3-5 секунд на кв. м снежного покрытия (1,5-2,5 сек на кв. м зеркал). Качество удаления – есть очень далекое от идеала, но солнце или оттепель быстро удаляют остатки снега с поверхности зеркал. Необходимость удаления снега возникает 2-3 раза за зиму моего Миргорода (согласно опыту моих сезонов 2011 / 12 и 2012 / 13)    

Итак, 3 шт. элементов «Эксплуатационных расходов зеркал» (на 1 кв. м):

Операция

Периодич-ность

Цена материалов

Расход вре-мени

Х 0,25 ЕUR / мин

Итого расходы

Расходы за 1 год

1) Малая мойка

3 раз в год

7 сек

0,029 Е

0,029 EUR

0,087 EUR

2) Большая мойка

раз за 5 год

0,01 Е

30 сек

0,125 Е

0,135 EUR

0,027 EUR

3) Удаление снега

2 раз в год

2 сек

0,008 Е

0,008 EUR

0,016 EUR

СУММА

 

 

 

 

 

0,13 EUR

Таким образом, 1 кв. м зеркала требует эксплуатационных расходов 0,13 EUR в год. Это ставка 1,7 % в год (= 0,13 EUR / 7,51 EUR стоимости кв. м зеркала). Эксплуатационные расходы для варианта «использование концентраторов только для отопления» (см. п.1) оказываются меньше – 0,07 EUR / год  

Я могу предложить следующие идеи уменьшения эксплуатационных расходов:

— Использование специального стекла в зеркалах или его специальное покрытие. Цель – уменьшить оседание грязи и / или помочь дождю смывать ее

— Расположение концентраторов в местах с низким количеством грязи

— Использование специального автомобиля, который двигается параллельно ряду концентраторов и моет зеркала сильными струями воды, паром, горячим воздухом, песком (с водой или воздухом), механическими щетками  

— НИОКР, которые должны найти причины накопления грязи (и должны помочь найти правильные решения этой проблемы). Интересно, что эта проблема не является сильной для оконных стекол, и она отсутствует на моих зеркалах из полимерной пленки (эти зеркала описаны в Докладе 14). Поэтому я думаю, что эта грязь возникает из-за сочетания нескольких причин: отражающий слой полос 1 (который закрыт стеклом), теплоизоляция листа 2, интенсивное появление росы на зеркалах этого типа

 

4) КПД зеркала и его старение:

Следующие причины уменьшают КПД нашего зеркала:

1) Коэффициент поглощения отражающего слоя. Это коэффициент по всему спектру солнечной радиации. Обычно этот спектр состоит из 55-60 % энергии инфракрасных фотонов (0,8-3,0 мкм), 1-2 % от ультрафиолетовых фотонов (0,28-0,38 мкм) и 40-45 % от видимого излучения (0,38-0,78 мкм). Далее таблица коэффициентов поглощения алюминия и серебра (для толстых гладких слоев чистых металлов):

Диапазон фотонов (длина волны в мкм)

0,28-0,4

0,4-0,5

0,5-0,6

0,6-0,7

0,7-0,8

0,8-1,0

1,0-1,4

1,4-3,0

Доля в солнечном спектре

0,02

0,05

0,15

0,13

0,12

0,20

0,15

0,18

Алюминий

7,3 %

7,7 %

8,5 %

9,5 %

12 %

10 %

4 %

2,8 %

Серебро

35 %

12 %

7,3 %

5,6 %

4,2 %

3 %

2,4 %

2,1 %

Таким образом, коэффициент поглощения всего спектра солнечной радиации: алюминий – 7,6 %, серебро – 5,0 %. Но потеря КПД наших зеркал окажется на 1-3 % больше из-за нарушения чистоты серебра (алюминия), его коррозии, пропускания излучения через тонкий отражающий слой и др.

2) Коэффициент поглощения стекла зеркала. Обычно он есть около 1 % / см (по всему спектру солнечной радиации). Использование стекла толщиной 2-3 мм – это около 6 мм прохода фотонов до отражающего слоя и обратно. Таким образом, мы имеем около 0,6 % потери КПД. Но изготовление зеркала из более дешевого стекла увеличивает эти потери

3) Несмываемая грязь на зеркале. Она была описана в пп.1-2 Главы 3. Ее средний уровень (согласно Главе 3) – это потеря 2,7 % КПД. Мы уменьшаем эти потери, если увеличиваем частоту мойки зеркал

4) Доля пустых промежутков между полосами 1. Глава 2 решила, что мы используем 98 см высоты всех полос 1 на 100 см высоты зеркала. Таким образом, потеря КПД из-за этой причины – это 2 %

5) Потери на краях полос 1. Фотон может пройти через стекло, отразиться от серебряного (отражающего) слоя, но затем он попадет на торец стеклянного слоя во время обратного хода через стекло (и он будет потерян). Еще один тип потерянных фотонов: он попадает на стекло, но проходит в торец стеклянного слоя мимо отражающего слоя. Еще один тип этих фотонов: он нацеленный на отражающий слой, но попадает на торец стеклянного слоя. Все типы потерянных фотонов в реальных концентраторах – это около 2,5 % (для стекла толщиной 3 мм). Плюс увеличение этих потерь из-за плохого качества торцов стеклянного слоя (из-за резки стеклянных листов стеклорезом). Плюс разрушение серебряного слоя (и его окисление) на краях полос. Но мы уменьшаем эти потери, если уменьшаем толщину стекла и используем иные методы его резки. Например, использование стекла толщиной 2 мм уменьшает эти потери в 1,5 раза

6) Выходы клея 3 между полосами 1. Моя полиуретановая пена (во время изготовления зеркала) появилась на 0,5-1 % длины стыков между полосами 1. Это уменьшает КПД на меньше чем 0,05 %. Кроме этого, солнце, ветер и дождь уничтожают пену на протяжении нескольких месяцев-годов

7) Влияние качества зеркала на высоту солнечного зайчика (который есть результат фокусирования солнечной радиации нашим зеркалом). Увеличение высоты зайчика уменьшает КПД системы из концентратора, зеркал и коллектора (который поглощает этот зайчик и переводит его в тепловую энергию воды). Наши зеркала имеют следующие две причины, которые увеличивают высоту зайчика:

— Ошибки касания краев полос 1 к поверхности листа 2. Оба края всех полос 1 должны или точно касаться поверхности листа 2 или быть утопленными в лист 2 на одинаковую глубину. Ошибки (это ошибки зазора между краем полосы 1 и поверхностью листа 2 и ошибки глубины погружения края полосы 1 в лист 2) увеличивают высоту зайчика. Если мы имеем статистическую ошибку «плюс-минус 1 мм», то высота зайчика оказывается 5,5 см (для фокусного расстояния 130 см) 

— Высота полос 1. Если зеркало высотой 100 см имеет 15 шт. полос 1, то наш зайчик увеличивается на 6,7 см (= 100 см / 15)

Эти две причины дают зайчику высоту 8-12 см. Это соответствует уменьшению КПД системы концентратор-зеркала-коллектор на 1-2 %. Уменьшение ошибок касания (или уменьшение высоты полос 1) может не иметь смысла, поскольку высота реального зайчика (и ее влияние на КПД системы) имеет еще несколько причин, которые идут от концентратора и коллектора. Но увеличение этих ошибок (например, до статистических 2 мм) или увеличение высоты полос 1 может сильно увеличить потери нашего КПД. Это есть следствие сложных законов математической статистики

8) Последствия градов. Мое зеркало пока что не попадало под град, и поэтому я могу только прогнозировать его последствия. Скорее всего, это будут трещины стекла, его царапины и выпадения участков полос 1 из зеркала; поэтому существует смысл хорошо клеить полосы 1 (на лист 2 через клей 3) по всей площади их поверхности. Потери нашего КПД будут зависеть от размеров градин и от силы и продолжительности града. Кроме этого, наши потери будут зависеть от типа концентратора и от направления ветра (северный ветер уменьшает потери, но южный увеличивает их, поскольку зеркала обычно смотрят на юг)

9) Старение зеркала. Сейчас мое зеркало не показывает никаких признаков старения после 8 месяцев работы. Но они будут. Их последствие – постоянное уменьшения КПД зеркала с какой-то скоростью (например, 0,5-1 % в год). Кроме этого, стекло и пенополистирол являются аморфными веществами, и они текут, но очень-очень-очень медленно (хотя это увеличит высоту зайчика меньше чем на несколько миллиметров в конце срока работы)   

10) Потеря полос 1. Существует вероятность, что они будут отрываться от листа 2 с течением времени (хотя сейчас полосы моего зеркала держатся очень крепко). Это может происходить из-за брака изготовления, из-за сильного ветра и из-за старения клея 3 и пенополистирола листа 2. Потеря одной полосы – это минус 5-10 % КПД зеркала

Таким образом:

— Новое зеркало (с серебряной основой) имеет КПД около 85 % (из-за влияния пп. 1-7)

— Причины пп. 8-10 уменьшают КПД зеркала с течением времени. Наша цель – это уменьшение КПД со скоростью около 1 % в год (или меньше). Если это так, то КПД зеркала в конце ожидаемого срока работы (25-40 год) уменьшается до уровня 0,7-0,8 (или больше) от уровня КПД нового зеркала

                            (ОКОНЧАНИЕ    СЛЕДУЕТ)

Доклад 18: Дешевое цилиндрическое зеркало из стеклянных полос (Часть 1)

Солнечная энергетика должна сделать два шага, чтобы прийти к теплу, которое дешевле чем из природного газа (или к электроэнергии, которая дешевле чем из атомных реакторов)

Первый шаг – это отказ от работы с солнечной радиацией обычной плотности прямого солнца (это 0,7-1,1 кВт / кв. м). Наши солнечные батареи или коллекторы имеют очень высокую стоимость (200-800 EUR за кв. метр), и эта цена запрещает нам получение дешевого солнечного тепла (или дешевой электроэнергии) через этот метод 

 Альтернатива этому методу – это работа с солнечными зайчиками от кривых зеркал. Плотность солнечной радиации в этих зайчиках – это 5-100 кВт / кв. м, и поэтому наши очень дорогие коллекторы и батареи получают возможность производить дешевое тепло и электричество. Но это будет только в случае очень дешевых кривых зеркал (меньше 10 EUR / кв. м). Сегодня это очень далеко от реальности, и стоимость зеркал современных концентраторов – это десятки и сотни EUR за кв. м. Поэтому наш второй шаг (переход на дешевые зеркала) продолжает ждать    

Я изготовил свое зеркало в конце мая 2012. Оно было установлено в цилиндрический солнечный концентратор и работает уже больше чем 7 месяцев. Это очень дешевый тип зеркал – 7,5 EUR / кв. м сейчас и 3-4 EUR / кв. м в перспективе. Плюс эксплуатационные расходы 0,1-0,15 EUR в год на кв. м (но с перспективами их уменьшения)

 

1) Конструкция и технология:

Мое зеркало показано на рис.A (вид сбоку), и оно состоит из следующих трех деталей (для зеркала размерами 1 м х 1 м):

— 10-20 шт. полос 1 обычного стеклянного зеркала (Рис.A показывает зеркало из 3 шт. полос 1)

— Лист 2 пенополистирола размерами 1 м х 1 м толщиной 3 см и плотностью 15-25 кг / куб. м

— Клей 3, который приклеивает полосы 1 на лист 2. Я использовал обычную полиуретановую пену

Рис.B (вид сбоку) показывает установку моего зеркала в концентратор. Зеркало устанавливается на лист 4 пенополистирола толщиной 2 см. Лист 4 имеет три деревянных планки 5 (они приклеены полиуретановой пеной к листу 4). Лист 4 и планки 5 являются частью концентратора. Фиксация концов планок 5 в пространстве создает нужную форму листа 4 (и листа 2): цилиндрическую, параболоцилиндрическую или более сложную

Я клеил лист 2 (на лист 4) через точки 6 полиуретановой пены (любая точка 6 имеет площадь 10-20 кв. см): 3-5 шт. точек около верхнего края листа 4, 3-5 шт. точек около его нижнего края и 2-5 шт. точек в середине листа 4

Установка зеркала в концентратор идет через следующие операции (они требуют 70 человеко-секунд на зеркало):

А) (25 сек) Временная установка двух коротких деревянных планок 7 (планка 7 держится одним шурупом, который закручивается в нижнюю планку 5). Нижний край листа 2 будет опираться на них до тех пор, пока пена 6 затвердеет

Б) (20 сек) Положить 8-15 шт. точек 6 пены на лист 4

В) (10 сек) Положить зеркало на лист 4. Большой вес зеркала (5-10 кг) хорошо прижимает лист 2 к листу 4 (и к точкам 6)

Г) (15 сек) Ожидание несколько часов до тех пор, пока пена 6 затвердеет. Затем снять планки 7 для их использования в местах установки следующих зеркал

Новые зеркала перевозятся (из склада завода на поле концентраторов) на паллетах или в деревянных ящиках. Грузовик везет около тысячи зеркал (Это вес 5-10 тонн с ящиками-паллетами). Эти ящики-паллеты разгружаются на землю около концентраторов. Все эти работы требуют еще 5 человеко-секунд и 0,05 EUR на зеркало 

Удаление зеркала из концентратора идет через следующие операции, которые требуют 40 человеко-секунд (плюс 0,05 EUR) на зеркало:

А) (6 сек) Нож режет верхние точки 6 (через щель между верхними частями листов 2 и 4)

Б) (10 сек) Нож режет средние точки 6. Мы делаем это через щель между верхней частью листов 2 и 4. Это может быть длинный гнутый нож. Это может быть нож обычной длины, но мы поднимаем верхнюю часть листа 2, чтобы он добрался до средних точек 6 

В) (12 сек) Человек режет нижние точки 6 и кладет старое зеркало на землю

Г) (12 сек + 0,05 EUR) Мы собираем старые зеркала, грузим их на паллеты или в ящики, грузим это в грузовики и везем на завод для их утилизации

Изготовление зеркала начинается с операции резки большого зеркального листа на полосы 1 (украинские заводы производят листы размерами 2,75 м х 1,61 м, 2,55 м х 1,61 м, 3,21 м х 2,25 м и толщиной 3 мм или больше). Профессиональная ручная резка в больших объемах (стеклорез в углу треугольной рамки, плюс специальный стол с рядами роликов) – это 10-15 секунд на одну полосу (вместе с операцией нарезки больших листов на малые и операциями транспортировки листов)

Затем мы изготавливаем зеркало на приспособлении (оно показано на рис.C) через следующие операции (они требуют 110 человеко-секунд):

1) (10 сек) Вставить лист 2 между вертикальными стенками 8. Это изгибает лист 2 до нужной кривизны. Он получит окончательную цилиндрическую форму, когда вес полос 1 прижмет его к цилиндрической поверхности 9 (это будет в п.3) 

2) (40 сек) Положить 5-8 шт. дорожек полиуретановой пены 3 на лист 2 (эти дорожки идут параллельно плоскости рис.С). Операции пп. 3 и 4 должны быть сделаны за несколько минут, чтобы пена 3 не успела застыть  

3) (30 сек) Положить зеркальные полосы 1 на дорожки пены: мы начинаем с центральных полос и идем к краям зеркала одновременно. Иначе (если мы начнем с одного края и будем идти к другому краю) полосы 1 будут ползти по скользкой пене 3 в сторону центра зеркала. Мы кладем полосы в перчатках, чтобы не порезать руку об необработанные края стекла. Длинные края полос должны прижаться к пенополистиролу листа 2; иначе ухудшится качество зеркал 

4) (10 сек) Мы кладем груз 10, который давит на полосы 1 через две доски 11 (их край покрыт поролоном 12), которые соответствуют форме поверхности 9. Я использовал пенополистирол (вместо досок 11), но он оказался слишком мягким и плохо прижал полосы 1 к листу 2. Большой вес грузов может оказаться вредным: он может сломать полосы 1 или вдавить их в пенополистирол листа 2      

5) (20 сек) Ожидание несколько часов. Затем мы снимаем доски 11 с грузом 10 (плюс мы можем удалить пену, которая вышла наружу между стыками соседних полос 1), удаляем новое зеркало из нашего приспособления и кладем его на паллету (позже она будет отвезена на склад)

 

2) Стоимость зеркала и перспективы ее уменьшения (Начало):

Стоимость зеркала 1 м х 1 м (из 15 шт. полос 1, без НДС, средний опт):    

 

Кол-во

Цена

Итого

Доля

Закупка зеркальных листов толщиной 3 мм

0,98 кв. м

5 Е / кв. м

4,90 Е

65 %

Лист 2 пенополистирола толщиной 3 см и плотностью 15-25 кг / куб. м, вспененный (не-экструдированный)

1 кв. м

0,65 Е / кв. м

0,65 Е

9 %

Полиуретановая пена 3 (в баллонах «60 литр»)

6 % баллона

2,5 Е / баллон

0,15 Е

2 %

Нарезка зеркальных листов на полосы

3 мин

0,33 E / мин

0,99 Е

13 %

Сборка зеркала (Наклеивание полос 1 на листы 2)

1,83 мин

0,25 E / мин

0,46 Е

6 %

Установка зеркала в концентратор

1,25 мин + 0,05 Е

0,25 E / мин

0,36 Е

5 %

                 С У М М А

 

 

7,51 EUR

100 %

Таким образом, стоимость 1 кв. м зеркала – это 1,51 EUR. Но существует много идей уменьшения этой стоимости:

1) Если мы изготовляем много зеркал, то стоимость материалов должна быть посчитана не по «Среднему опту», а по «Крупному опту» или по «Крупному заказу» (Это дешевле на 0,3-0,5 EUR / кв. м). Кроме этого, существует целесообразность перехода к самостоятельному производству материалов (их части или всех):

— Укладка отражающего (зеркального) слоя на стеклянные листы

— Изготовление стеклянных листов

— Изготовление пенополистирольных листов 2 (из закупаемых гранул полистирола)

— Изготовление клея 3

Самостоятельное производство материалов уменьшает стоимость зеркала на 0,5-1,5 EUR / кв. м. Это с учетом уменьшения транспортных расходов (например, транспортировка листов 2 с другого завода оказывается дорогой из-за очень низкой плотности пенополистирола). Кроме того, это разрешает нам изменить технологию изготовления зеркальных листов (для идей пп.2-8) и технологию листов 2 (для идей пп. 11, 12, 16)    

  Цель следующих пп. 2-8 – это уменьшение расходов на зеркальные листы (сейчас это 65 % от всех расходов на зеркало). Современные зеркальные листы могут делаться с двумя типами покрытий – на основе серебра и на основе алюминия (хотя существуют редкие дорогие зеркала на основе хрома, никеля, палладия, титана, родия, индия и др. металлов)

Весь этот Доклад основан на серебряных зеркалах (я думаю, что мое экспериментальное зеркало является серебряным тоже; но я не имею 100 % уверенности). Алюминиевое зеркало анализируется в Приложении 2. Серебряное зеркало состоит из следующих трех слоев:

— стеклянный слой

— отражающий слой (0,15-0,3 мкм серебра)

— защитный слой: это медная пленка (больше 0,1 мкм, хотя это могут быть пленки из других материалов) и 1-2 шт. пленок лакокрасочных материалов (больше 40 мкм: поливинилбутеральные, эпоксидные, нитроэпоксидные) 

Обычно технология серебряного зеркала идет через следующие пять этапов:

А) (стоимость 2,5 EUR / кв. м для листа 3 мм) Изготовление стеклянного листа. Обычно это не оконное стекло, а стекло с термической полировкой

Б) (0,2 EUR) Подготовка стеклянного листа: его дополнительная полировка, очистка, мойка и обработка несколькими веществами.

В) (1,5 EUR) 2-4 шт. серебряных пленок через укладку солей серебра и их удаление

Г) (0,4 EUR) Укладка медной пленки через обработку двумя веществами и сушку

Д) (0,3 EUR) Укладка двух пленок лакокрасочных материалов

Изготовление нашего зеркального листа имеет право быть проще, чем традиционная технология. Поэтому мы имеем хорошие возможности уменьшить его стоимость (через пп. 2, 7), поскольку:

— Наше зеркало не требует ровного стеклянного листа. Его неровности в направлении длинных сторон полос 1 могут быть любыми. Но неровность отражающей поверхности листа (в направлении коротких сторон полос 1) ограничена: не больше 0,5-1 град (иначе солнечный зайчик от зеркал будет очень высоким). Неровность второй поверхности листа (в направлении коротких сторон) – не больше 2-3 град

— Наше зеркало может иметь любые искажения цвета и яркости. Из-за любых причин: повреждения поверхности стекла, неравномерная толщина отражающего слоя, его повреждения, точки, микроточки, трещины и др.

— Контраст изображения является ненужным для нашего зеркала

— Механическая защита отражающего слоя становится лишней, поскольку этот слой закрытый листом 2 и клеем 3. Кроме этого, зеркало будет располагаться в концентраторе все время, и оно будет защищено листом 4

— Листы 2, 4 и клей 3 будут давать дополнительную химическую защиту отражающего слоя

— Мы можем уменьшить требования к коэффициенту отражения зеркала, если это соответствует правилу «Уменьшение коэффициента на 1 % разрешается, если это уменьшает стоимость 1 кв. м на 0,2-0,25 EUR или больше». Уменьшение этого коэффициента может иметь любые причины: увеличение коэффициентов поглощения и пропускания отражающего слоя, увеличение коэффициента рассеяния, пропуски и повреждения отражающего слоя, качество стеклянного листа и др.

— Требования к старению КПД зеркала – 0,5-1 % (или меньше) в год

2) Выбор оптимальной толщины стеклянного листа (китайские заводы могут производить зеркала на листах толщиной 1,1 мм). Уменьшение толщины стекла на 1 мм дает нам экономию 0,5-0,7 EUR / кв. м. Наш выбор толщины должен учитывать, что:

— уменьшение толщины уменьшает стоимость нарезки зеркальных листов на полосы 1  

— уменьшение толщины уменьшает вес зеркал. Это уменьшает стоимость концентратора и его эксплуатационные расходы

— уменьшение толщины ухудшает прочность полос 1 (хотя их трещины не дают больших последствий: части треснувшей полосы держатся клеем 3, и они продолжают работать, но с небольшими потерями КПД на трещинах). Это увеличивает расходы времени на перевозку зеркал и их установку в концентраторы; но это компенсируется уменьшением этих расходов из-за уменьшения веса зеркал. Кроме этого, существует вероятность, что сильный ветер победит упругость листов 2, 4, и даст трещины полосам 1. Хотя мы можем уменьшить все эти потери, если стекло зеркал будет закаленным (или через другой метод увеличения прочности стекла) 

— уменьшение толщины увеличивает потери КПД из-за града (п.8 Главы 4)

— уменьшение толщины уменьшает потери КПД из-за причин пп. 2, 5 Главы 4

3) Выбор сорта стекла и упрощение технологии его изготовления. Мы можем делать стекло из дешевого песка и других дешевых материалов: увеличение коэффициента поглощения стекла (с 1 % / см до 2 % / см) даст уменьшение нашего КПД меньше чем на 0,5 % (для стекла толщиной 2 мм); это будет иметь экономический смысл, если наша экономия окажется больше чем 0,1 EUR / кв. м (кроме этого, стекло должно хорошо пропускать инфракрасные фотоны 0,8-3,0 мкм; плюс возможно высокое поглощение ультрафиолетовых фотонов 0,28-0,4 мкм). Технология изготовления стекла может быть упрощена, поскольку мы имеем очень низкие требования к неровностям поверхности стекла и к пузырькам и частицам в его массе. Листы могут изготовляться по технологии оконных стекол, без полировки (если это имеет экономический смысл) 

4) Выбор толщины серебряного слоя. Мы уменьшаем его толщину до тех пор, пока выполняется правило «Уменьшение его стоимости на 0,2-0,25 EUR / кв. м разрешается, если это уменьшает его коэффициент отражения на 1 % или меньше»

5) Мы можем укладывать только одну серебряную пленку (а не 2-4 шт.), поскольку наши требования к равномерности ее толщины очень низкие. Кроме этого, мы можем использовать более дешевые технологии укладки отражающего слоя 

6) Много операций этапа подготовки стеклянного листа (он имеет операции дополнительной полировки, очисток, мойки, обработки несколькими веществами) могут стать лишними из-за низких требований к качеству зеркального листа

7) Выбор толщины медной пленки или переход с меди на другой материал

8) Выбор толщины лакокрасочных пленок, переход на покрытие из одной пленки (а не двух). Это становится реальностью из-за того, что работа этих пленок (механическая защита отражающего слоя) делается клеем 3 и листами 2, 4. Возможно, клей 3 и листы 2, 4 разрешают полный отказ от лакокрасочных пленок

  Цель следующих пп. 9-18 – это уменьшение иных расходов изготовления нашего зеркала (сейчас их доля в стоимости зеркала – около 35 %):

9) Улучшения типичной технологии резки зеркальных листов (на полосы 1) стеклорезом. Например:

— Выбор оптимальных размеров зеркальных листов. Наши цели – уменьшение расходов на резку большого листа на малые и уменьшение расходов их перемещения от склада до стола резки на полосы 1. Например, оптимальная ширина листов – это 1 м. Оптимальная длина листов – 50-100 см; теперь листы кладутся на стол одним человеком, и их вес – 3-8 кг

— Приспособление для быстрого надлома узкой полосы 1 (от зеркального листа). Оно делает свое движение из-за нажатия педали или кнопки

— Автоматизация удаления и складывания отрезанных полос 1

— Мы делаем зеркальные заготовки для 3 шт. полос 1 (ширина -100 см, длина – 15-30 см). Затем человек кладет заготовку на стол, делает линию стеклорезом (он закреплен в углу треугольной рамки), затем он оборачивает заготовку на 180 град и делает линию стеклорезом с другой стороны листа. После этого он кладет эту заготовку в станок (под штамп),  который автоматически ломает ее на три полосы 1 и складывает их

— Аналогично, но зеркальная заготовка на 5-11 шт. полос 1, и человек использует 2-5 шт. стеклорезов в треугольных рамках с различными высотами их «треугольников»

10) Переход на другой тип резки стеклянных листов на полосы 1: гидроабразивная резка, пескоструйная резка, лазерная резка, механический стеклорезный станок. Эти методы широко применяются в промышленности, и они автоматизируются очень хорошо

11) Лист 2: мы находим его оптимальную толщину и плотность, чтобы лист 2 имел нужную жесткость во время переносов зеркала (при его изготовлении и при установке на лист 4). Кроме этого, лист 2 добавляет жесткость листу 4 для противостояния ветру и весу зеркала 

12) Лист 2: мы имеем возможность изменить форму его заготовки во время его изготовления из пенополистирола. Рис.D показывает три примера листа 2, которые отличаются от традиционной прямоугольной заготовки. Кривая заготовка (первый пример) уменьшает время сборки зеркала. Заготовка со ступеньками (их количество равняется количеству полос 1) уменьшает время сборки тоже и уменьшает расход клея 3. Третий пример уменьшает объем пенополистирола для листа 2, поскольку его толщина уменьшается на краях

                                (ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 9)

(ОКОНЧАНИЕ : )

13) Приложение 3: Сельское хозяйство на поле концентраторов:

Существует большое заблуждение, что концентраторы делают невозможным растениеводство и исключают землю из сельского хозяйства. Это совсем не так (Более того, зимний вариант концентраторов летом не работает и дает несколько новых возможностей для выращивания растений или кормления животных – см. пп. 6-10):

1) Концентраторы исключают «метод большого поля» для растениеводства, однако оставляют возможность выращивать растения по полосам. Полосы идут в направлении восток-запад, и земля между двумя соседними рядами концентраторов делится на три полосы (эти полосы могут использоваться для разных растений):

А) «Северная полоса» начинается с расстояния 30-60 см (на север) от линии колов 12 и идет 2-4 м на север до линии колов 21. Она покрыта тенью от листов 6. Однако тень отсутствует утром, она отсутствует вечером, рассеянная солнечная радиация присутствует полностью. Кроме этого, солнечный свет полностью проходит через щель между нижним и верхним листами 6; эта щель имеет высоту около 52 см, и коллектор 4 не закрывает ее летом. Таким образом, «северная полоса» получает около 60 % обычного солнца. Еще одна особенность «северной полосы»: движения по ней ограничены из-за планок 22, 24 и колов 21

Б) «Южная полоса» очень узкая: это 0,5-1 м около линии колов 12 (на север и на юг). Она получает 80-100 % солнца, но растениеводство затрудняется из-за колов 12, рычагов 16 (хотя высокое летнее солнце требует их небольшого наклона на север у всесезонного варианта) и листов 6 (их нижний край располагается на высоте 20-60 см над землей). Кроме того, «южная полоса» получает много воды во время дождей (она течет по нижнему листу 6)

В) «Центральная полоса» идет от линии колов 21 на север до расстояния 20-50 см от линии колов 12. Ее ширина для г. Миргорода – 3-5 м. «Центральная полоса» получает 100 % солнца и является свободной для проезда техники

Ширина этих полос была указана для г. Миргород (и других мест с сев. широтой 50 град). Интервал между рядами уменьшается при уменьшении «сев. широты». Следствие этого – уменьшение «центральной полосы». Однако увеличение «сев. широты» увеличивает ширину «центральной полосы» очень заметно

2) «Северная» полоса требуют специальной техники для обработки прямоугольников между соседними колами 21 (и планками 22, 24): плуг, культиватор, коса, различные комбайны, др. Ее колеса могут ехать по «центральной полосе». Некоторая техника (сеялка, внесение твердых и жидких удобрений, гербицидов, др.) может быть обычной, но оборудование должно быть на высоте больше 2 м (чтобы не зацепить планки 24 или концентраторы). Хотя северная полоса может оказаться целесообразной только для овощей и ягод, которые не требуют техники

3) «Центральная полоса» требует специальной техники для обработки узких полос земли шириной до 5 метров (культиваторы, комбайны, др.). Однако севернее 50-55 град сев. широты «центральная полоса» имеет ширину 5 метров и больше. Кроме этого, на любой «сев. широте» расстояние между рядами концентраторов может быть увеличено до 10 метров (и больше), чтобы дать «центральной полосе» ширину 5-10 метров для обычной техники

4) «Северная полоса» может быть использована для растений, которые не любят солнце или имеют нейтральную реакцию на него. В центральной Европе это огурцы, капуста, картофель, свекла, кормовые растения и др. Плюс малина, лесная земляника, черника и т. п. Круг возможных растений «северной полосы» для юга Европы является более широким, например, обычные растения центральной Европы, которые получают право жить в жарком солнечном климате под защитой тени

Растения «северной полосы» будут получать мягкую радиацию утреннего и вечернего солнца (и рассеянную радиацию) и не будут получать жесткую радиацию дневного солнца. Причем эта тень может оказаться более безвредной чем деревья и кусты, которые привлекают разных вредителей, например, майского жука (я не видел его на своих концентраторах, в отличие от соседних деревъев)

Солнечный свет через щель между листами 6 может оказаться вредным для этого случая. Эта радиация освещает на земле полосу шириной 50-70 см. Эта полоса стоит почти на одном месте 4-6 часов около полудня. Между полуднем и вечером эта полоса двигается на север (между утром и полуднем – на юг). Щель между листами 6 может быть закрыта, например непрозрачной длинной пленкой высотой 50-80 см; она крепится скобами степлера на северной стороне нижней планки 8 нижнего листа 6. Закрыть щель одной секции – это 0,18 EUR (0,1 EUR стоимость пленки типа «агроволокно» или тонкого полиэтилена + 15 секунд на ее установку + 5 секунд на ее удаление осенью). Это на 6 кв. метров северной полосы одной секции. Это 300 EUR за гектар северной полосы. Это если пленка будет жить только 1-2 месяца

5) Тень зимнего варианта концентраторов может быть удалена с «северной полосы». Эта цель требует перевести концентратор на южный угол 20-40 град (чтобы его листы 6 оказались параллельными лучам солнца с вертикальным углом 50-70 град над горизонтом). Эта операция требует длинного варианта планок 22, 24 и около 20 человеко-секунд на вертикальные перестройки концентратора от апрельского северного угла 35-50 град до южного угла 20-40 град (плюс 20 человеко-секунд для перевода концентратора на северный угол 30-40 град в сентябре-октябре). Однако, если летнего удаления зеркал из концентратора не было, то их солнечный зайчик сожжет все растения в полосе до 0,5-1 м на юг от колов 12; мы можем устранить это явление, если увеличим южный угол концентраторов на 10-20 градусов

Итак, мы тратим около 40 человеко-секунд на удаление тени одной секции. Это 0,17 EUR за 6 кв. метров «северной полосы» или 280 EUR за гектар северной полосы. Это на грани экономической рентабельности

6) Однако, эта операция может оказаться рентабельной, если «северная полоса» выращивает культуру, которая требует тени в конце сезона. Например, клубника требует тени после сбора урожая в июне. Иначе солнце уничтожает ее, плюс большие расходы на полив для противостояния этому, плюс интенсивные сорняки и жучки из-за обилия солнца и воды. Таким образом, мы выращиваем клубнику в северной полосе, в апреле мы убираем тень с нее (140 EUR расходов на гектар), в июне убираем урожай и в начале июля возвращаем концентраторы на октябрьский северный угол 30-40 град (еще 140 EUR расходов на гектар). Другой пример – огурцы: май-июнь они без тени, а в начале июля мы даем им тень и собираем урожай

7) Аномальная жара (40 град воздуха для Миргорода) приходит раз в 3-5 год. Она уничтожает плоды, когда нагревает их до 60-70 градусов (это делается прямым попаданием солнечной радиации на плод и нагревом темной земли солнцем). Я видел это на своих арбузах и картофеле. Поэтому существует следующая идея. Мы выращиваем культуру в «северной полосе» и в апреле убираем тень с нее. Если аномальная жара не приходит, то в октябре мы возвращаем концентраторы на северный угол 30-40 град. Если приходит аномальная жара (или появляется ее прогноз), то мы быстро переводим концентраторы на северные 30-40 град. И мы имеем возможность опять убрать тень до конца сезона. Таким образом, спасение одного урожая за 5 лет (и освобождение «северной полосы» от тени) имеет цену 1,4 тысяч EUR за гектар. Еще один случай «аварийной тени» — это засуха в случае, если использование воды против нее может быть ограничено из-за уничтожения плодов водой (например, виноград), появления болезней (например, фитофтора на помидорах) или вредителей. Другие возможные случаи для «аварийной тени» — появление некоторых болезней, вредителей, сорняков

8) Это п.7, только наоборот. Предположим, что мы выращиваем огурцы в «северной зоне» под тенью концентраторов. Если лето оказалось обычным, то ничего не происходит: концентраторы все лето стоят на северном углу 30-50 град. Однако если июль оказался аномально холодным или несолнечным (или огурцы заразились мучнистой росой), то мы быстро удаляем тень над огурцами (мы вернем концентраторы назад в августе-октябре). Цена спасения урожая – 280 EUR за гектар. Этот метод может быть использован на любой культуре «северной полосы»

9) Тень над «северной полосой» может иметь несколько циклов удаления-возвращения. Цена каждого цикла – около 280 EUR за гектар. Это может использоваться для компенсации аномалий погоды и длительных солнечных периодов, для управления уровнем сахара и щелочи в плодах, борьбы с болезнями и вредителями. Случаи экономической целесообразности могут быть найдены. Например, некоторые сорта вина требуют определенного уровня сахара в винограде (ни больше ни меньше)

10) Если зимний вариант концентратора остался с зеркалами летом, то он создает солнечный зайчик, который падает на растения трех полос. Концентратор на северном угле 30 град дает небольшой зайчик на южной полосе и очень слабую радиацию на центральную полосу. Однако вертикальная перестройка концентратора на углы 10-25 град усиливает зайчик и перемещает его по трем полосам. Существует идея использовать этот зайчик для увеличения потока солнечной радиации на растения. Существуют гипотезы, что это увеличивает  урожай, улучшает качество плодов (в том числе увеличивает уровень сахара и щелочи), делает урожай более ранним, уничтожает болезни и вредителей, компенсирует аномально холодное лето и несолнечные периоды и др. Летом 2012 я сделал такие эксперименты на своей даче с клубникой, помидорами и паприкой (планы на следующее лето – дыни, арбузы, виноград). Результаты этих экспериментов были описаны в Докладе 16

Ввести зайчик в действие – это изменить северный угол рычага 9 с 30-50 град до 10-25 град. Это 12-15 человеко-секунд на одну секцию. Таким образом, затраты на получение гектара зайчиков – это около 100 EUR. Каждый перевод зайчика на другое расстояние от концентраторов – по 50 EUR за гектар (6-8 сек на секцию). Плюс еще 100 EUR / гектар для перевода концентратора на угол 30-40 град в сентябре-октябре. Итого, до 300 EUR в год за гектар. Если зайчики используются для 2-4 растений за сезон (например, май-июнь – клубника, плюс перевод зайчика на июльские помидоры, затем перевод на арбузы в августе, затем – на виноград в сентябре), то эти расходы делятся на 2-4 гектара

11) Концентраторы являются хорошим штативом для полива путем разбрызгивания воды. Разбрызгиватели закрепляются на рычаге 9 или верхней планке 8 верхнего листа 6. Они оказываются на высоте 2 м над серединой «северной полосы». Мой опыт работы на огороде подтверждает, что это очень важное свойство. Такие разбрызгиватели могут работать с очень небольшим потоком воды и требуют давления порядка 1 м водного столба (обычные системы полива требуют давление в 5-20 раз больше и большой поток воды). Это есть экономия на стоимости разбрызгивателей (по Миргородскому базару – в 2 раза дешевле), потреблении электроэнергии, мощности насосов и сечении труб. Шланги подвода воды могут быть закреплены на планках 8 вдоль ряда концентраторов

Кроме этого, зимний вариант концентраторов не работает летом, но они имеют две широких пустых трубы (и их насосы), которые дают (и забирают) воду до коллекторов 4 зимой. Эти трубы могут быть использованы для подачи воды полива в шланги рядов летом: кран перекрывает подачу воды в коллекторы 4, а гибкий шланг соединяет эти трубы с шлангом рядов

12) Существует идея оживления пустынь или остановки их наступления: колы 12 и 21 удерживают почву, листы 6 уменьшают ветер и дают тень для жизни растений в жарком климате, трубы и вода системы могут использоваться для орошения

13)  Поле с концентраторами – это лучше, чем луг. Трава (природная или многолетние кормовые травы) растет одинаково в обоих местах, однако поле концентраторов имеет три преимущества. Во-первых, оно имеет много удобной тени от концентраторов, где коровы, телята, овцы, ягнята, козы могут отдыхать. Во-вторых, луг требует расходов на ограду, а поле концентраторов уже имеет охранное ограждение. В-третьих, животные могут укрыться под концентраторами от дождя и южного ветра. Недостаток: круг животных ограничен теми, которые не будут ломать планки 8, листы 6, и планки 22

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 8)

12) Приложение 2: Идея увеличения производительности концентратора на 10-25 % (и уменьшения затрат времени на вертикальные перестройки):

Наша проблема объясняется следующей таблицей. Ее вторая строка описывает мощность моего коллектора 4, которая была реально измерена мною 2 февраля 2012. Это мощность 50 см длины коллектора в разные моменты времени, которые фиксируются первой строкой таблицы

Третья строка таблицы описывает попадание солнечного зайчика (от зеркал 1, 2) в коллектор в разные моменты времени. Это результаты моих измерений. В 8.30 зайчик попадает на 15 см выше середины коллектора; поэтому коллектор был выключен; иначе он работал бы с отрицательным КПД (он охлаждал бы воду, а не нагревал ее). Затем зайчик опускается, и КПД становится положительным в 8.40-8.50. Затем КПД улучшается и достигает первого максимума в 10.30, когда зайчик попадает точно в середину коллектора. Но зайчик продолжает опускаться, и это уменьшает КПД. Зайчик достигает своего дна в 11.30, и после этого он начинает подниматься. Второй максимум КПД происходит в 12.30-12.50, когда зайчик опять попадает в середину коллектора. После этого КПД начинает ухудшаться из-за поднимания зайчика. Нулевое КПД достигается в 14.45-14.50, когда зайчик поднимется на 12-14 см выше середины коллектора. Это есть окончание работы

1) Момент времени

8.30

9.30

10.30

11.30

12.30

13.30

14.30

2) Реальная мощность

0

141 Вт

303 Вт

298 Вт

302 Вт

262 Вт

78 Вт

3) Попадание зайчика в середину  коллектора

15 см выше

3,5 см выше

0 см (точно)

2,5 см ниже

1 см ниже

2,5 см выше

10 см выше

4) Идеальная мощность

60 Вт

156 Вт

303 Вт

310 Вт

303 Вт

273 Вт

166 Вт

Четвертая строка таблицы показывает мощность коллектора 4, если бы зайчик попадал в середину коллектора на протяжении всего дня. Это не экспериментальные измерения, а теоретический расчет. Реальная и идеальная мощности совпадают в 10.30 и 12.30 (когда реальный зайчик попадал в середину коллектора), идеальная мощность немного больше, чем реальная в 9.30, 11.30 и 13.30 (когда реальный зайчик промахивался на несколько сантиметров), и разница между идеалом и реальностью оказывается очень большой в 8.30 и 14.30 (когда промах зайчика был больше чем 10 см). Кроме этого, идеальный случай имеет больше время работы коллектора примерно на 1 час (примерно с 8.15 до 15.30). Разница между идеальной и реальной производительностями оказывается 12-15 % (для 2 февраля 2012 с его изменениями силы солнца на протяжении дня)

Существует два пути увеличения реальной производительности (чтобы приблизить ее к идеальной производительности). Первый путь – это изменение параметров концентраторов и коллекторов с целью увеличения времени нахождения зайчика внутри коллектора. Это изменение следующих параметров:

— Увеличение активной высоты коллектора 4. Но это увеличивает его стоимость

— Уменьшение фокусного расстояния концентратора. Но это увеличивает потери КПД из-за пп. 3-4 Главы 6. Кроме того, это требует увеличить толщины подкладок 19 и увеличивает нагрузки кручения на рычаг 9

— Уменьшение высоты солнечного зайчика от зеркал 1, 2

Второй путь приближения реальности к идеалу – это дать концентраторам устройство, которое будет поворачивать концентратор вокруг оси 5 (это есть шуруп 14) несколько раз в день. Рис. K (вид сбоку) показывает один из вариантов этого устройства (оно не испытывалось экспериментально). Это устройство поворачивает концентратор через изменение длины планки 24, и оно имеет:

— Длинный стальной стержень 50 с резьбой и шестерней 51. Шестерня 51 фиксируется в металлическом корпусе 52 и имеет возможность вращения. Ось 25 закрепляется на корпусе 52 (а не на планке 24). Теперь мы делаем настройку концентратора (согласно Главе 3) через изменение места закрепления оси 23 на планке 22 (а не места оси 25 на планке 24), а ось 23 закрепляется на северной стороне кола 21 (а не на его южной стороне). Вес стержня 50 (длина 40-60 см, диаметр 12-18 мм) – около 0,7 кг; этот вес дает перспективную стоимость этой детали около 1 EUR. Корпус 52 и шестерня 51 имеют перспективу 1-2 EUR

— Стальная труба 53, которая частично устанавливается внутри планки 24. Ее диаметр на 1-2 мм больше диаметра стержня 50, чтобы люфт стержня 50 (в трубе 53) был минимальным. Ее вес – 0,4-0,7 кг и перспективная стоимость около 0,5 EUR

— Муфта 54 (с внутренней резьбой), которая закрепляется на верхнем конце трубы 53. Вращение стержня 50 (по резьбе муфты 54) изменяет расстояние между шестерней 51 и муфтой 54, и это поворачивает концентратор (это изменяет вертикальный угол его рычага 9)

— Электродвигатель 55, который может вращать шестерню 51 через червячную передачу 56. Его полезная мощность – 0,3-1,5 Вт, частота вращения – минимальная (до 100 оборотов в секунду), плюс возможность его вращения в обе стороны. Китайцы продают эти электродвигатели (для постоянного напряжения 3-12 V) по 0,5 EUR. Требования к его качеству есть минимальные, поскольку он будет работать не больше 20 часов в год (через несколько тысяч включений). Кроме этого, сломанный электродвигатель легко заменяется (меньше минуты), а его поломка не дает опасных последствий (только уменьшение производительности секции концентратора на 20-50 %), и она быстро обнаруживается

— Крышка 57, которая прижимает электродвигатель 55 к передаче 56 и защищает его от дождя и снега

Электродвигатели 55 всех концентраторов соединяются (электропроводами) друг с другом параллельно, и все они имеют общее управление через подачу напряжения на эти электропровода. Рабочий день всех электродвигателей 55 проходит через следующие этапы (Утром стержень 50 находится в трубе 53 максимально, а муфта 54 упирается в корпус 52):

А) Утром мы даем несколько импульсов (по 1-2 секунды через интервал 10-20 секунд) увеличенного напряжения на электродвигатель 55. Эти импульсы должны сделать муфту 54 свободной, поскольку существует вероятность, что она прижатая к корпусу 52 очень сильно

Б) Длительная (до 100 секунд) работа электродвигателя 55, чтобы поднять концентратор для работы с низким утренним солнцем (для точного попадания солнечного зайчика в середину коллектора 4)

В) До полудня: несколько включений электродвигателя 55 на обратное вращение, чтобы подстроить концентратор под увеличение высоты солнца (для точного попадания зайчика)

Г) После полудня: аналогично, но электродвигатель 55 включается на прямое вращение для подстройки концентратора под уменьшение высоты солнца

Д) Вечером длительная (до 100 секунд) работа электродвигателя на обратном вращении, чтобы максимально опустить концентратор. Но его муфта 54 не должна упереться в корпус 52

Е) Несколько импульсов уменьшенного напряжения на электродвигатель 55. Это должно аккуратно упереть муфту 54 в корпус 52 без сильного прижатия

Перспективная стоимость нашего устройства (в случае хорошей автоматизации его производства) оказывается около 5 EUR (вместе со стоимостью установки в концентратор). Низкая стоимость дает этому устройству экономический смысл, поскольку оно увеличивает производительность системы концентратор-зеркала-коллектор до 25 %. Это уменьшает инвестиции на эти системы до 20 % (Сейчас одна секция концентратора, плюс 2,1 м коллектора, плюс 4 кв. м стеклянных зеркал – это около 60 EUR, но их перспективная стоимость опускается до 25-35 EUR). Плюс это устройство уменьшает эксплуатационные расходы на концентратор-зеркала-коллектор до 20 % (Сейчас это 1,2 EUR в год на 4 кв. м). Таким образом, экономический смысл использования нашего устройства исчезает при увеличении его стоимости до 15-20 EUR, но этот предел может опуститься до 8-10 EUR в перспективе

Помимо этого, наше устройство уменьшает количество вертикальных перестроек концентратора в 2-3 раза, поскольку оно дает право делать их через 10-15 град изменения высоты солнца (а не через 4-6 град). Это уменьшает наши эксплуатационные расходы на 0,2-0,4 EUR в год на одну секцию (для всесезонного варианта). Но теперь мы должны делать еще следующие две операции технического обслуживания концентраторов:

— «Обнаружение сломанных электродвигателей 55». Эта операция исполняется во время операций вертикальной перестройки концентраторов или во время специальных осмотров концентраторов во время солнца или вечером. Рычаги 9 (которые имеют сломанные электродвигатели) являются хорошо заметными: они имеют другой вертикальный угол, поскольку остаются на ночных позициях днем или на дневных позициях вечером

— «Замена сломанных электродвигателей 55»: сначала удалить крышку 57, затем вытянуть сломанный электродвигатель из передачи 56 (и корпуса 52), отключить его от электропроводов, подсоединить их к новому электродвигателю, вставить его в передачу 56 (и корпус 52), установить крышку 57

Далее сравнение производительностей следующих двух вариантов концентраторов:

— Первый вариант – это концентратор без устройства с рис.K. Его фокусное расстояние – 115 см, высота солнечного зайчика концентратора (в фокусе) – это 10-16 см, активная высота коллектора 4 – 20 см. Пленочные зеркала 1, 2 высотой по 1 м; они новые и не имеют грязи и пыли. Вертикальные перестройки концентратора через 5 град. Середина зайчика 8 попадает на 2-3 см ниже середины коллектора в зимний полдень и на 2-3 см выше середины коллектора в летний полдень (это в середине периода между двумя перестройками)

— Второй вариант – это концентратор с устройством с рис.К. Его фокусное расстояние – 150 см, высота солнечного зайчика концентратора – это 11-17 см, активная высота коллектора 4 – это 20 см. Пленочные зеркала 1, 2 высотой по 1 м; они новые и не имеют грязи-пыли

Далее таблица производительности этих двух вариантов для 1 кв. м зеркала в сезоне 2012 моего г.Миргород (Это теоретическая модель, а не результаты реальных измерений):

 

Без устройства с рис.K:

С устройством с рис.K:

Январь

7,4 дней х 4,6 час х 469 Вт = 16,0

7,4 дней х 5,0 час х 492 Вт = 18,2

Февраль

13,25 дней х 5,2 час х 522 Вт = 36,0

13,25 дней х 5,5 час х 548 Вт = 39,9

Март

13,45 дней х 5,9 час х 562 Вт = 44,6

13,45 дней х 6,0 час х 590 Вт = 47,6

Апрель

15,25 дней х 5,5 час х 576 Вт = 48,3

15,25 дней х 6,0 час х 605 Вт = 55,4

Май

21,75 дней х 4,9 час х 589 Вт = 62,8

21,75 дней х 6,3 час х 618 Вт = 84,7

Июнь

20,9 дней х 4,3 час х 588 Вт = 52,8

20,9 дней х 6,5 час х 617 Вт = 83,8

Июль

24,55 дней х 4,8 час х 582 Вт = 68,6

24,55 дней х 6,4 час х 611 Вт = 96,0

Август

18,4 дней х 5,3 час х 569 Вт = 55,5

18,4 дней х 6,3 час х 597 Вт = 69,2

Сентябрь

19,8 дней х 5,9 час х 556 Вт = 65,0

19,8 дней х 6,0 час х 584 Вт = 69,4

Октябрь

10,55 дней х 5,6 час х 515 Вт = 30,4

10,55 дней х 5,7 час х 541 Вт = 32,5

Ноябрь

7,2 дней х 4,8 час х 462 Вт = 16,0

7,2 дней х 5,1 час х 485 Вт = 17,8

Декабрь

6,15 дней х 4,0 час х 435 Вт = 10,7

6,15 дней х 4,5 час х 457 Вт = 12,6

ИТОГО

506,7 кВт-час

627,1 кВт-час

, где (на примере январского уравнения «7,4 дней х 4,6 час х 469 Вт =»):

— «469 Вт» — это пиковая мощность 1 кв. метра зеркала в январские дни. Обычно, это около полудня в обычный солнечный день в середине января. Эта мощность измеряется экспериментально. Ее теоретическое объяснение: это полное КПД нашей отопительной системы (это 55-65 %), которое умножено на мощность потока солнечной радиации в полдень обычного солнечного дня месяца (это 700-1000 Вт / кв. м). Это мощность в среднем температурном режиме системы: разница температур (между водой системы и воздухом улицы) – 60 град

— «4,6 час х 469 Вт» — это тепло (в кВт-часах), которое производит 1 кв. м зеркала на протяжении обычного январского солнечного дня. «5,6 час» — это не время реальной работы системы от ее включения до выключения (система реально работает 5-6 часов в январе); это обычно называется «приведенное время работы». Это объем производства тепла за солнечный день (2,16 кВт-час в середине января), который поделен на пиковую мощность. Объем тепла дается экспериментом, который измеряет мощность 1 кв. м зеркала на протяжении всего дня

— «7,4 дней» — это количество «солнечных сияний» в январских днях. Это результаты моих наблюдений за миргородским солнцем (каждый день) в 2012

Мы можем видеть, что «приведенное время работы» второго варианта больше, чем у первого. Летний выигрыш этого «времени» достигает 50 %. Но зимний выигрыш оказывается небольшим из-за короткого светового дня

«Пиковая мощность» второго варианта больше из-за следующих причин:

— Второй вариант имеет меньше потерь КПД согласно пп.3-4 Главы 6 (это причины «Косинус угла падения прямой солнечной радиации» и «Уменьшение мишени коллектора»). Это происходит из-за увеличения фокусного расстояния концентратора от 115 см до 150 см: потери п.3 уменьшаются от 6,15 % до 3,64 %, а потери п.4 уменьшаются от 1-2 % до 0,5-1 %

— Первый вариант имеет следующие потери КПД (второй вариант не имеет этих потерь). Правило «Середина зайчика 8 попадает на 2-3 см ниже середины коллектора в зимний полдень и на 2-3 см выше середины коллектора в летний полдень» выполняется только в середине периода между двумя вертикальными перестройками концентратора. Чем дальше от середины этого периода, тем больше отклонение от этого правила и больше потери КПД. Оценка средней потери КПД по всем дням периода – это 1,5-2 % для перестроек через 5 град

Кроме этого, второй вариант имеет точное попадание солнечного зайчика в середину коллектора. Это улучшение КПД примерно компенсируется следующими ухудшениями, которые имеются у второго варианта:

— Высота его зайчика больше (из-за увеличения фокусного расстояния)

— Устройства различных концентраторов будут крутить свои стержни 50 по-разному, и эти различия будут ухудшать попадание зайчиков в коллекторы

Таким образом, устройство с рис. K улучшает производительность всесезонного варианта концентратора на 23,8 % для климата моего г.Миргорода (Годовая производительность 1 кв. м зеркала увеличивается 506,7 кВт-час до 627,1 кВт-час). Однако:

А) Выигрыш зимнего варианта концентратора (октябрь-апрель) оказывается меньше – 10,9 % (производительность 1 кв. м улучшается от 202 кВт-час до 224 кВт-час). Кроме этого, зимний вариант имеет меньше выигрыш из-за уменьшения количества вертикальных перестроек (0,1-0,2 EUR в сезон на одну секцию против выигрыша 0,2-0,4 EUR для всесезонного варианта). Это создает сомнения в экономическом смысле использовании устройства с рис.K на зимних вариантах концентраторов. Поэтому первый путь приближения реальности к идеалу (через увеличение высоты коллектора 4, уменьшение фокусного расстояния и уменьшение высоты зайчика) получает шанс

Б) Выигрыш 23,8 % был для 50 град сев. широты моего Миргорода. Движение на север (Скандинавия, Балтия, Британские острова, Польша, Сев. Германия, Канада) увеличивает наш выигрыш, поскольку «приведенное время работы» первого варианта уменьшается. Но более низкие географические широты (Южная Европа, Сахара, Индия, Китай, Япония, США) имеют более низкий выигрыш

Кроме этого, экономический смысл устройства с рис.K уменьшается в странах с дешевой рабочей силой (Молдова, Болгария, Индия, Китай) из-за уменьшения стоимости систем концентратор-зеркала-коллектор и уменьшения эксплуатационных расходов этих систем. Первый путь приближения реальности к идеалу может оказаться лучше для этих стран. Второй путь (через устройства с рис.K или другие) имеет шанс для всесезонных вариантов концентраторов в Северной и Центральной Европе и в Канаде

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 7)

11) Приложение 1: Вариант технологии изготовления и установки концентратора (зимний вариант)

Завод: изготовление щитов (т.е. 2 шт. конструкций «лист 6 + 3 шт. планок 8»):

1) Планки 8: заказ сосновых заготовок 20 х 30 х 2100 и 20 х 40 х 2100, плюс их осмотр и отбраковка заготовок с сучками и очень неровных. Затем положить заготовки на ровном столе и отбраковка заготовок, которые плохо прижимаются к ровной поверхности. Затем сортировка (по типу неровностей планки) заготовок сечения 20 х 30 на «пригодные к верхнему положению на щите», «пригодные к нижнему положению» и «непригодные». Плюс отбраковка заготовок 20 х 40, которые непригодные для «среднего положения». Все отбраковки – это до 20-50 % заготовок; они будут использованы для других моделей концентраторов

2) Просверлить 12 шт. отверстий на обоих краях всех планок 8 под шурупы для соединения с рычагом 9. Плюс вкрутить 8 шт. шурупов: в планки «средняя» и «верхняя» нижнего щита и в планки «средняя» и «нижняя» верхнего щита

3) Пропитка планок 8

4) Планки 8 клеятся на листы 6 (плюс ожидание высыхания клея под грузами)

5) Подъехать на тележке, снять грузы с заготовки щита, положить щит на тележку и поехать к следующей заготовке. Затем отвезти все на склад

Завод: изготовление рычага 9 (т.е. планка 10 + 2 шт. планок 11 + 6 шт. подкладок 19)

1) Планки 10 и 11: заказ сосновых заготовок 1500 х 50 х 40, 1050 х 50 х 30 и 950 х 50 х 30. Плюс их осмотр и отбраковка заготовок с сучками. 2 шт. подкладок 19 режутся из доски 35 х 70. Толщина остальных 4 шт. подкладок будет подбираться: поэтому их заготовки режутся из досок разной высоты: от 60 х 70 до 100 х 70

2) Пропитки всех этих деталей

3) Нижняя планка 11: просверлить отверстия под шурупы 14, 17

4) Положить (в «1-й шаблон») планку 10 и две планки 11. Затем соединить их через 6 шт. шурупов (с сверлением отверстий под эти шурупы)

5) Переложить заготовку в «2-й шаблон», вложить (в «шаблон») 2 шт. подкладок 19 сечения 35 х 70 (под планки 8 типа «средняя»). Затем 2 х 2 шт. шурупов (с сверлением отверстий) для установки двух упомянутых подкладок 17 и шуруп 37 (с отверстием)

6) Переложить заготовку в «3-й шаблон». Подобрать высоты 4 шт. остальных подкладок 19 (по «упорам» в «шаблоне») и вложить их в «шаблон», зажав заготовку между этими «упорами» (Операция подбора компенсирует изгибы планок 10, 11, которые  достигали «плюс-минус 15 мм» на моих рычагах 9). Затем 4 х 2 шт. шурупов (с отверстиями) для установки этих подкладок 19

7) Вытянуть заготовку из «шаблона» и положить ее в тележку. Затем она будет увезена на место изготовления планки 24

Завод: изготовление других деталей:

1) 2 шт. колов 12: заказ дубовых заготовок от 30 х 40 х 450 (для секций того края ряда, который имеет минимальную высоту над землей) до 40 х 50 х 800 (для высокого края ряда), заточить (острие кола), пропитки и защита поверхности. Для половины колов: просверлить отверстие под шуруп 14

2) Упор 15: отрезать от планки сечения 30 х 40. Затем пропитка

3) Кол 21: сосновая заготовка 40 х 40 х 600, заточить острие, пропитки

4) Большой шуруп 26: сточить резьбу (и до нескольких миллиметров диаметра) острия 27, сточить окончание 33 острия 27

5) Нижняя планка 22: заказ сосновых заготовок 1500 х 45 х 35, плюс их осмотр и отбраковка заготовок с сучками. Срезать верхний торец в месте 44. Плюс отверстие 32 (под шуруп 26) и шуруп 36 (с отверстием). Петли 23 прикручиваются на низ планки (через 3 шт. шурупов). Большой шуруп 26: забить его острие 27 в отверстие 32 (молотком) и закрутить шуруп в отверстие 32. Положить планку 22 в тележку; затем она будет отвезена на склад

6) Верхняя планка 24: заказ сосновых заготовок 1810 х 45 х 35, плюс их осмотр и отбраковка заготовок с сучками. Плюс 6 шт. отверстий 28 (возможно, с фасками 34), плюс 3 шт. шурупов 35 (с отверстиями). Петли 25 прикручиваются на верх планки (через 3 шт. шурупов)

7) Планка 24 и рычаг 9: петли 25 (из планки 24) прикручиваются на верх рычага 9 (через 3 шт. шурупов). Положить рычаг 9 (с планкой 24) в тележку; затем она будет отвезена на склад

8) Верхний прямоугольник 29: заказ стального прямоугольника с наружными размерами 55 х 80 и его нарезка на длины 70 мм

9) Верхний прямоугольник 30: заказ стального прямоугольника с наружными размерами 55 х 85. Плюс сверление отверстий под шуруп 31 (с интервалом 30 мм) и нарезка на длины 30 мм

10) Рычаг 16: заказ сосновых заготовок 1300 х 40 х 30, их осмотр и отбраковка заготовок с сучками, пропитка, отверстие под шуруп 17, плюс вкрутить его

11) Планка 18: заказ сосновых заготовок 1000 х 30 х 25, их осмотр и отбраковка заготовок с сучками, плюс два шурупа (с отверстиями) в края планки

Транспортировка деталей на поле делается тогда, когда поле пустое. Перед этим – предварительная разметка будущих рядов концентраторов и отметка (флажками) мест разгрузки щитов и других деталей концентратора. Транспортировка делается двумя грузовиками

Первый грузовик перевозит только щиты. Рабочие грузят щиты (на складе завода) руками и ставят их вертикально в два ряда вдоль кузова. Природный интервал щита около 7 см, т.е. 15 м длины кузова – это 428 шт. щитов (для 214 шт. секций). Это вес 1,6 тонн. Грузовик едет по земле «поля» и щиты разгружаются (это делают «рабочие с поля») через интервал 15 метров по 28 шт. щитов (для по 7 секций двух соседних рядов)

Второй грузовик перевозит остальные детали концентраторов: 13 кг деревянных деталей и 0,4 кг стальных прямоугольников 29, 30. Груз 5,4 тонн – это детали для 400 шт. секций. Детали разгружаются на «площадках щитов» и кладутся сверху щитов, чтобы ветер не унес их

Установка концентратора на поле:

1) Установка лазера, который фиксирует ряд колов 12. Кроме этого лазер фиксирует перепад высот 20-30 см (по гравитационной горизонтали) между краями ряда. Пары колов 12 забиваются друг за другом в направлении лазера. Человек использует «шаблон», который удерживает колы 12 и цепляется за предыдущие колы 12, чтобы получить интервал установки рычагов 9 с точностью до 1-2 см. Человек ставит этот «шаблон» на землю (по лазерному лучу), вкладывает первый кол 12 (без отверстия под шуруп 14) в него, ставит крышку на верх кола (чтобы кол не треснул от ударов), удары кувалдой (кол забит на высоту по лазерному лучу), вкладывает  второй кол 12 (с отверстием под шуруп 14), крышка переставляется на него, удары кувалдой (кол забит на нужную высоту по лазерному лучу), снимает крышку и «шаблон», идет дальше

2) Установка лазера, который фиксирует ряд колов 21. Человек идет в сторону лазера, ставит «шаблон» на лазерный луч и вкладывает кол в «шаблон». Удары кувалдой и человек идет дальше

3) Сначала установка упоров 15 (по одному шурупу через каждый кол 12). Затем человек идет с дрелью и сверлит отверстие под шуруп 14 в первом колу 12 (через отверстие второго кола 12). Затем человек идет и вкручивает шурупы 14 (только в один кол 12)

4) Рычаги 9: сначала их низ вставляется между кольями 12 (рычаг 9 и его планка 24 лежат в сторону севера), затем человек докручивает шуруп 14 через отверстие в рычаге 9 и отверстие в другом колу 12)

5) Нижние планки 22: установить их петли 23 на кол 21 (через три шурупа), а планку 22 положить в сторону юга. Затем надеть нижние прямоугольники 30 на планки 22

6) Установка верхних щитов (это делается тремя людьми). Сначала два человека приносят щит, а третий – поднимает рычаг 9 (и планку 22). Затем второй и третий вставляют окончания планок 8 одной стороны щита в этот рычаг 9, а первый (он стоит на северной стороне) – другую сторону щита в рычаг 9, который был установлен раньше. Затем первый и второй докручивают по 2 шт. шурупов 20 (из средней и нижней планок 8) в подкладки 19, а третий вставляет верхний прямоугольник 29 в планку 24. Затем первый и второй идут за следующим щитом, а третий соединяет планки 22 и 24 через прямоугольник 29 (в декабрьскую позицию концентратора)

7) Человек идет по рядам и закручивает шурупы 20 (в подкладки 19) из верхних планок верхних щитов. Он должен использовать переносные «ступеньки», чтобы его шуруповерт мог работать на высоте 2,5-2,8 м

8) Закрутить шурупы 31 (в прямоугольники 30), установить рычаг 16 (и положить его на север) на рычаг 9 через шуруп 17, установить планку 18 (и положить ее на юг) на рычаг 9

9) Установка нижних щитов. Это делается двумя людьми: они приносят щит, вставляют его края в рычаги 9 и докручивают по 2 шт. шурупов 20 (из средней и верхней планок 8) в подкладки 19

10) Закрутить шурупы 20 (в подкладки 19) из нижних планок нижних щитов и переложить рычаг 16 на юг

11) (После установки коллекторов на рычаги 16) Настройка концентраторов согласно Главе 3

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 6)

10) Другие варианты концентратора

Главы 1-2 описали зимний вариант концентратора для моего Миргорода (50 град сев. широты, работа с 1 октября до 20 апреля, 6 шт. вертикальных позиций от 21 град до 46 град). Но:

А) Другие города будут иметь другие параметры отопительного сезона (и другую высоту солнца). Например, Стокгольм (59 град сев. широты, работа с 15 сентября до 20 мая, 8 шт. вертикальных позиций от 12 град до 46 град): его планка 22 увеличивается до 166 см, его планка 24 увеличивается до 197 см. Итого: увеличение стоимости концентратора – 0,03 EUR / кв. м, увеличение эксплуатационных расходов – 0,02 EUR / кв. м в год

Другой пример – Рим (42 град сев. широты, работа с 15 ноября до 15 марта, 4 шт. вертикальных позиций от 29 град до 44 град): его планка 22 уменьшается до 140 см, его планка 24 уменьшается до 161 см. Итого: уменьшение стоимости концентратора – 0,03 EUR / кв. м, уменьшение эксплуатационных расходов – 0,02 EUR / кв. м в год

Б) Существуют варианты концентраторов, которые работают только часть отопительного сезона для уменьшения дефицита солнечного тепла в несолнечные и холодные месяцы (декабрь или ноябрь-январь или ноябрь-март). Эти концентраторы имеют следующие особенности: их диапазон вертикальных перестроек оказывается меньше (поэтому их планки 22. 24 уменьшаются) и количество вертикальных позиций становится меньше (поэтому количество отверстий 28 уменьшается). Это уменьшает их стоимость (но меньше чем на 0,05 EUR / кв. м) и снижает их эксплуатационные расходы из-за уменьшения количества операций их вертикальной перестройки (но меньше чем на 0,04 EUR / кв. м в год)

В) Существуют варианты концентраторов с возможностью вертикальной перестройки на очень малые вертикальные углы и/или на южные углы. Они требуются для сельского хозяйства на поле концентраторов (см. Приложение 3), например, для управления тенью (пп. 6-9 этого Приложения), удаления тени (п.5) или управления дополнительной солнечной радиацией (п.10). Например, вариант концентратора с вертикальными перестройками от северного угла 46 град до 10 град южного угла: расстояние до колов 21 – 4,15 м, длина планки 22 – 270 см, длина планки 24 – 298 см, плюс два дополнительных отверстия 28. Это увеличивает стоимость концентратора на 0,12 EUR / кв. м

Г) Возможно наше расстояние от земли до нижнего края нижнего зеркала (сейчас это есть 20-40 см) окажется недостаточным. Возможно, нижнее зеркало получит вероятность погружения в снег или оно будет повреждаться животными; кроме того, зеркала всесезонного варианта могут заслоняться высокой травой от солнца. Поэтому существуют варианты концентраторов с увеличением высоты зеркал над землей. Они имеют больше расстояние от шурупа 14 до нижнего края зеркала 2, например, на 20-30 см; поэтому наш рычаг 9 должен быть длиннее на 20-30 см, планки 22, 24 – длиннее по 15-25 см. Кроме этого, мы получаем возможность отказаться от шурупа 17 и закреплять рычаг 16 на окончании шурупа 14 (это упрощает установку коллекторов 4 в концентраторы), но рычаг 16 должен быть длиннее на 15-30 см. Таким образом, стоимость этого варианта концентраторов оказывается дороже на 0,03 EUR / кв. м

Д) Всесезонный вариант концентратора для г. Миргород (50 град сев. широты, 9 шт. вертикальных позиций от 21 град до 60 град) имеет следующие особенности: расстояние до колов 21 – 4,1 м, длина планки 22 (с 9 шт. дырок 28) – 207 см, длина планки 24 – 233 см. Увеличение стоимости концентратора с 4 кв. м:

— Увеличение длины планки 22 на 57 см – это плюс 0,10 EUR

— Увеличение длины планки 24 на 52 см – это плюс 0, 09 EUR

— Увеличение количества отверстий 28 на 3 шт. – это дополнительные 30 человеко-секунд (это плюс 0,13 EUR)

Таким образом, стоимость всесезонного варианта секции концентраторов теперь оказывается 17,26 EUR. Это 4,32 EUR на кв. м зеркала. Если мы увеличиваем высоту зеркал на 20-30 см (согласно п.Г), то стоимость кв. м увеличивается до 4,35 EUR

Увеличение эксплуатационных расходов (на секцию с 4 кв. м в год):

— Увеличение количества вертикальных перестроек на 9 шт. – это дополнительные 54 человеко-секунд (это плюс 0,23 EUR в год)

— Увеличение стоимости замены планок 22, 24 на 0,19 EUR за 30 лет. Это плюс 0,01 EUR в год

— Лето требует следующую дополнительную операцию. Высокая трава (выше 0,5-1 м) может закрывать нижнее зеркало 2 от солнца. Поэтому мы работаем бензокосой в полосе шириной 30-50 см на юг и север от колов 12. Мы делаем это 1 раз в год, если высота концентраторов увеличена согласно п.Г (иначе 2-3 раз в год). Это требует 20 человеко-секунд (0,08 EUR) на секцию. Хотя существуют альтернативы решения этой проблемы. Во-первых, это земледелие в этой полосе: низкорослые культурные растения (свекла, картофель, огурцы, др.) будут уничтожать высокие сорняки или будут требовать удаления сорняков через прополку или гербициды. Второе решение этой проблемы – это гербициды (1 раз в год с затратами 5-10 секунд на секцию). В-третьих, мы можем смириться с потерей 1-2 % нашей производительности из-за теней от сорняков; это на грани экономической целесообразности (потеря 0,08-0,16 EUR против экономии 0,08 EUR); но мы имеем возможность уменьшить эти потери, если увеличим высоту концентраторов еще на 20-40 см

Таким образом, эксплуатационные расходы всесезонного варианта секции концентратора оказываются 0,83 EUR в год (Это 0,21 EUR / кв. м в год)

Этот вариант концентратора может использоваться на север от 40-44 град сев. широты (или на юг от 40-44 град южн. широты). Более южное расположение имеет большую нагрузку на кол 21 и на элементы планок 22, 24 и имеет большие усилия для вертикальных перестроек. Хотя мы отодвинем границу использования на юг (еще на несколько градусов сев. широты), если увеличим высоту до зеркал согласно п. Г. Но более низкие географические широты требуют изменения конструкции планок 22, 24

Пример для 42 град сев. широты без п.Г (9 шт. вертикальных позиций от 29 град до 68 град): расстояние до колов 21 – 4,5 м, длина планки 22 – 206 см, длина планки 24 – 232 см. Стоимость этого концентратора равна миргородскому варианту

Е) Существует идея более южного концентратора, который имеет возможность работать до 34 град географической широты (Это охватывает всю Европу и все острова Средиземного моря – Сицилия, Крит, Кипр). И увеличение высоты до зеркал согласно п. Г отодвигает эту границу еще на несколько град. Рис. I показывает этот концентратор. Он имеет две планки 22: более короткую (она сейчас лежит на земле, и ее ось 23 закрепляется на северной стороне кола 21) и более длинную (она сейчас соединена с планкой 24, и ее ось закрепляется на южной стороне кола 21). Кроме этого, шуруп 31 отсутствует, и прямоугольник 30 туго вставляется в щель между планкой 24 и стальной пластиной 46 (она прикручена к планке 24 через два шурупа). Рис.I показывает работу концентратора осенью и зимой. Март (около весеннего равноденствия) требует поменять планки 22 (вместо одной вертикальной перестройки); это делают два человека: они вынимают прямоугольник 30 из упомянутой щели, затем отделяют планку 22 от длинной планки 22, снимают прямоугольник 30 с длинной планки 22 и надевают его на короткую планку 22, затем они соединяют планку 24 с короткой планкой 22 и устанавливают прямоугольник 30 в щель под пластину 46. Сентябрь (около осеннего равноденствия) будет требовать возвращения концентратора к работе с длинной планкой 22. Эксплуатационные расходы одной секции оказываются выше на 0,25-0,30 EUR из-за этих двух замен планок (вместо двух вертикальных перестроек); таким образом, эксплуатационные расходы 1 кв. м увеличиваются до 0,28 EUR в год. Пример концентратора для 34 град сев широты: расстояние до колов 21 – 3,5 м, длина короткой планки 22 – 106 см, длина длинной планки 22 – 200 см, длина планки 24 – 132 см. Стоимость этой секции концентратора — 18,57 EUR (Это 4,64 EUR / кв. м)

Ж) Еще более южное расположение концентраторов требует иной конструкции приспособления вертикальных перестроек. Рис.J показывает одну из идей новой конструкции (она не проверялась экспериментом): планки 22, 24 заменяются на:

— короткую деревянную планку 47 с шурупом 26. Она закрепляется на верху рычага 9 через ось 25, и верхний торец планки 47 срезан в месте 44 для упрощения входа прямоугольника 29. Кроме этого, планка 47 имеет стальную ручку 48 для усилий правой руки человека. Прямоугольник 30 закрепляется (через шуруп 31) на планке 47

— длинную деревянную планку 49 с отверстиями 28. Она закрепляется на колу 21 через ось 23

Этот вариант концентратора может использоваться южнее от 30 град сев. широты (или севернее от 30 град южн. широты), где декабрьская высота прямоугольника 29 (над уровнем земли) меньше 2 м; иначе зимние перестройки концентратора будут требовать больше времени и больше усилий (это увеличит наши эксплуатационные расходы на 5-20 %). Однако мы имеем возможность использовать этот концентратор до 42 град сев. широты, если высота зеркал 1, 2 уменьшается до 80 см. Если высота зеркал есть 70 см, то мы имеем возможность использовать этот концентратор по всей Европе

З) Использование концентраторов около экватора требует увеличения высоты шурупа 14 над землей; таким образом, мы должны использовать более длинные и толстые колы 12. Иначе листы 6 будут упираться в землю на летних позициях (или на зимних позициях южнее экватора)

И) Концентратор из Главы 2 был рассчитан на максимальный северный или южный ветер 30 м / сек (западный и восточный ветры – не есть проблема) без запасов прочности и с новыми деревянными деталями. 3-кратный запас прочности требует ограничить северный или южный ветер на уровне 18 м / сек. Это хорошая прочность для моего миргородского климата и нормальная работа концентраторов подтверждает это на протяжении 16 месяцев. Если наш  концентратор устанавливается в регионе с сильными ветрами (в направлении юг-север), то мы имеем три пути для улучшения его противостояния ветру. Первый путь – это увеличение сечения следующих деталей, например в 2 раза (это разрешает увеличить скорость максимального ветра в 1,5-1,8 раз):

— Планки 8 получают сечение 30 х 53 и 30 х 40. Это увеличивает стоимость секции на 1,01 EUR

— Планки 10-11 рычага 9 получают сечение 60 х 50 и 80 х 50. Это увеличивает стоимость секции на 0,64 EUR

— Хотя увеличение толщины планок 10-11 (и планок 8) дает небольшую экономию (0,08 EUR) на толщине подкладок 19

— Толщина листов 6 увеличивается до 3 см. Это дополнительные расходы 0,80 EUR

— Кроме того, увеличение скорости ветра требует усиления других деталей концентратора: колов 12, шурупа 14, других шурупов, клея планок 8 к листам 6, планок 22, 24 и других деталей приспособления вертикальных перестроек. Однако, я выбирал параметры этих деталей с большим запасом прочности, и я думаю, что сейчас они еще соответствуют очень сильному ветру

Таким образом, «сильная» секция концентратора требует дополнительные 2,37 EUR, и ее стоимость увеличивается на 14 % до 19,31 EUR (стоимость 1 кв. м становится 4,83 EUR)

К) Второй путь противостояния ветру – это уменьшение высоты зеркал 1 и 2. Например, уменьшение их высоты до 80 см разрешает увеличить скорость максимального ветра в 1,25-1,6 раз. Сечения деталей остаются старыми, но стоимость одной секции уменьшается примерно на 5 % из-за уменьшения длин (на 20 %) почти всех деталей концентратора (кроме планок 8, колов 12; толщина подкладок 19 уменьшается очень мало из-за уменьшения фокусного расстояния концентратора; высота листов 6 уменьшается на 20 см). В то же время, старая площадь зеркал концентратора была на 25 % больше. Поэтому стоимость 1 кв. м увеличивается примерно на 19 % (до 5,0 EUR). Кроме этого, мы получаем увеличение эксплуатационных расходов 1 кв. метра (на 25 %)

Л) Третий путь – это уменьшение ширины секции. Например, уменьшение ширины листов 6 до 1 м (интервал секции уменьшается до 112 см) разрешает увеличить скорость максимального ветра в 1,4-2,0 раз. Это уменьшает стоимость секции примерно на 10 % (из-за уменьшения стоимости листов 6, планок 8, их клея, рычага 16 и планки 18 и из-за уменьшения расходов времени на некоторые операции с ними). В то же время, старая площадь зеркал концентратора была на 100 % больше. Поэтому стоимость 1 кв. м увеличивается примерно в 1,8 раз (до 7,6 EUR). Кроме этого, наши эксплуатационные расходы (на 1 кв. м) увеличиваются в 2 раза, а стоимость коллектора 4 будет больше на 5,7 % (= (112 см + 112 см) / 212 см)

О пп. И, К, Л:

— Большая сила ветра будет действовать только на крайние ряды концентраторов (на севере и на юге). Но они ослабят ветер на внутренних рядах, которые получают право иметь обычную конструкцию без усиления против ветра

— Мы будем иметь много деревянных планок, которые были отбракованы из-за сучков. Это заготовки для планок 8, 10, 11, 22, 24. Мы можем распилить их по сучках, рассортировать их по длине и использовать для концентраторов вариантов пп. К и Л

— Вес секции концентратора (рычаг 9 с подкладками 19, плюс планки 8 с листами 6, плюс планка 18) – это 13 кг. Зеркала на полимерной пленке добавляют только 0,8 кг. Человек легко делает вертикальные перестройки концентратора с весом 13,8 кг, если шурупы 20 дают нужный люфт планкам 8. Однако использование стеклянных зеркал увеличивает вес секции до 43 кг (если толщина стекла – 3 мм). Этот вес не требует усиления конструкции согласно варианту п.И (кроме требования усилить планки 8), поскольку нагрузка из-за сильного ветра (на рычаг 9, планки 22, 24 и колы 12) оказывается в 3-10 раз больше. Но теперь вертикальные перестройки будут нуждаться в больших усилиях. Поэтому мы получим увеличение эксплуатационных расходов из-за увеличения ставки зарплаты (для очень сильного человека) или из-за исполнения летних и осенних перестроек двумя людьми (дополнительный человек будет стоять под рычагом 9 и давить его на юг). Хотя мы получим уменьшение веса секции, если пойдем по пути пп. К, Л

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 5)

8) Эксплуатационные расходы зимнего варианта концентратора (без замены, мойки и покрытия зеркал):

Далее 7 шт. операций технического обслуживания концентраторов:

1) «Вертикальные перестройки (и осмотр)»: мы делаем 9 шт. перестроек с затратой по 6 человеко-секунд на одну перестройку одной секции. Итак, мы имеем ситуацию, когда каждый концентратор посещается человеком 9 раз в год. Этот человек исполняет еще одну функцию: он осматривает концентратор (не очень внимательно, меньше секунды на секцию) и записывает случаи больших поломок

2) «Аренда земли»: секция концентратора имеет ширину 2,12 м; интервал между рядами – 7,8 м. Итого расход земли – 16,5 кв. м на секцию. Если ставка аренды 50 EUR в год за гектар, то расходы на одну секцию – 0,08 EUR в год. Однако:

— Величина «7,8 метров» вычисляется по формуле 2,4 м /  0,309 = 7,8 м (где 2,4 м –расстояние от нижнего края нижнего зеркала до верхнего края верхнего зеркала; 0,309 – синус угла 18 град; 18 град – вертикальный угол солнца в полдень зимнего солнцестояния (21 декабря) для г.Миргород (50 град сев. широты). Однако, для юга Испании (36 град сев. широты) имеем 2,4 м / sin (32 град) = 4,5 метр интервала между рядами. Для северной границы Германии (55 град сев. широты) имеем интервал 10,7 метров

— Если это расстояние уменьшить (например, для Миргорода уменьшить от 7,8 м до 7,3 м), то тень от верхнего края верхнего зеркала начнет падать на низ нижнего зеркала следующего (на север) ряда концентраторов: она будет падать с 5 декабря до 6 января, высота тени 21 декабря – около 15 см, потеря декабрьской производительности концентратора – 4,5 %, потеря производительности за 7 месяцев – 0,14 %. Таким образом, потеря 0,9 квт-час тепла (на 4 кв. м зеркала) не оправдывает уменьшения арендной платы на 0,005 EUR. Поэтому уменьшение интервала между рядами является экономически целесообразным севернее, чем 52-55 градусов сев. широты

— Земля под концентраторами может использоваться для выращивания сельскохозяйственных растений. Это может оказаться аргументом для увеличения расстояния между рядами, чтобы упростить работу сельскохозяйственных машин. Растениеводство может иметь несколько уникальных особенностей из-за возможных операций с тенью от концентратора и с солнечным зайчиком от его зеркал. Приложение 3 описывает растениеводство на такой земле. Еще один вариант – использование этой земли в качестве луга для сельскохозяйственных животных. Ставка аренды 50 EUR / гектар – это разница между ставкой долговременной аренды (на 30 лет) плодородной земли и ставкой кратковременной субаренды этой земли для растениеводства или животноводства

— Земля может иметь очень низкую стоимость аренды в случаях пустыря, бесплодной почвы, пустыни, луга, степи

3) «Аварийное удаление щитов». Причины больших поломок концентраторов:

— Планка 8 ломается (скорее всего, на сучке или в центре). Это уничтожает весь щит

— Соединение планки 8 с рычагом 9 ломается: из-за сломанного шурупа, из-за трещины в конце планки 8 или трещины подкладки 19 под шурупом. Это уничтожает весь щит тоже. Отрыв подкладки 19 уничтожает два щита

— Стык между соседними секциями ломается. Это уничтожает четыре щита (крайний стык ряда – только два щита). Причины поломок: рычаг 9 сломался, планка 22 или 24 сломалась, петля 23 или 25 сломалась, кол 21 сломался или вылез из земли, колы 12 сломались, поломки шурупа 14 или соединений кола 12 или рычага 9 с шурупом 14.

Если щит сломался, то он должен быть удален с поля. Поскольку ветер может бросать его (или его части) на годные зеркала и концентраторы. Рабочий (во время осмотров пп.1, 4 и др.) записывает адреса щитов, которые должны быть удалены. Периодически (до месяца) рабочий берет список этих адресов, берет короткую бензопилу и идет удалять эти щиты. Он должен обрезать щит на шести концах планок 8. Затем он выключает бензопилу, носит отрезанные щиты на погрузочную площадку (он может нести 2-4 щита сразу) и кладет их в большой кусок брезента. Норма затрат времени – 2 минуты на удаление одного щита. Когда-то грузовик соберет все «куски брезента» со сломанными щитами и отвезет их на утилизацию

4) «После урагана: осмотр и уборка». Рабочий должен пройти по всем рядам концентраторов. Первая цель – записать адреса сломанных щитов. Вторая цель – собрать зеркала, которые были сорваны ураганом (и отнести эти зеркала в «большой кусок брезента п.3). Норма затрат времени – 3 секунды на одну секцию концентратора (скорость осмотра – 2,4 км в час)

5) «Замена планки 22 (+ замена кола 21 + замена петли 23)». Я думаю, что основной причиной старения планки 22 будет крепление шурупа 26 в древесине планки. Это определит периодичность замены планок 22; ожидаемый период – 15 лет. Кроме этого, старение будет идти в древесине планки 22 (хотя мы можем задержать его пропитками и периодическими покрасками) и петле 23. Мои шурупы 26 работают уже 5 месяцев, и они не показывают абсолютно никаких признаков старения (шатаний и др.). Но старение древесины может ускорить приближение необходимости замены. Хотя мы можем задержать его через использование более толстого шурупа и / или с более глубокой резьбой, через уменьшение диаметра отверстия 32, через использование двух шурупов 36 с обеих сторон шурупа 26. Мы заменяем планку 22 вместе с заменой кола 21 (и возможно с заменой петли 23) и делаем это через следующие операции. Сначала человек идет по ряду и забивает новые колы 21 через 20-30 см на запад или восток от старых колов (45 секунд на секцию). Затем он опять идет по ряду и устанавливает новые планки 22 на новые колы 21 (через 3 шт. шурупов) и надевает прямоугольники 30 на планки 22 (70 сек). Затем он опять идет по ряду и выкручивает старый шуруп 31 с старых прямоугольников 30 (15 сек). После этого он разделяет старые планки 22, 24 и соединяет новую планку 22 со старой планкой 24 через старый прямоугольник 29 (20 сек). Затем он опять идет по ряду и закручивает шурупы 31 на прямоугольниках 30 (20 сек). Затем он идет с бензопилой и пилит старые колы 21 (15 сек). Затем он собирает старые прямоугольники 30 (для замены планок 22 на следующих рядах) и собирает старые планки 22 (с петлей 23 и верхней частью кола 21) для утилизации (20 сек). Плюс 185 человеко-секунд на заводское изготовление планки 22 (с шурупом 26 и петлей 23) и кола 21. Итого все затраты времени – 6 минут 30 секунд. Остатки старых колов 21 остаются в земле и сгнивают за несколько лет

6) «Замена кола 21». Они гниют из-за влияния земли. Кроме этого, земля держит кол 21 не идеально (особенно после отмерзания земли в марте), и он может сдвигаться, и из-за этого настройка концентраторов нарушается. Ожидание периода замены колов 21 – 7-8 лет. За 30 лет работы: 2 шт. замен в рамках п.6, 1 шт. замена в рамках п. 5, плюс первая установка кола. Мы делаем замену через следующие операции.  Сначала человек идет по ряду и забивает новые колы 21 через 20-30 см на запад или восток от старых колов (45 секунд на секцию). Затем он опять идет по ряду, ставит временную опору под рычаг 9, выкручивает старую петлю 23 из старого кола 21 и закручивает ее в новый кол 21 (60 сек). Плюс 20 человеко-секунд на заводское изготовление кола 21. Итого все затраты времени – 2 минуты 05 секунд. Остатки старых колов 21 остаются в земле и сгнивают за несколько лет

7) «Замена планки 24 (+ замена петли 25 + настройка)». Слабое место старения планки 24 – это отверстия 28 (хотя 5 месяцев работы не дали никаких следов старения моим отверстиям 28). Мы можем замедлить старение и износ отверстий 28 через увеличение диаметра острия 27, установку стальных трубок в отверстия 28, большее количество шурупов 35 и защиту древесины планки 24 (пропитками и периодическими покрасками). Ожидаемый срок службы планки 24 (и петли 25) – 15 лет. Мы заменяем их через следующие операции. Сначала человек идет по ряду и выкручивает старый шуруп 31 с старых прямоугольников 30 (15 секунд на секцию). Затем он опять идет по ряду, ставит временную опору под рычаг 9, выкручивает старую петлю 25 из рычага 9 и закручивает новую петлю 25 (с новой планкой 24) на ее место (70 сек). После этого он разделяет старые планки 22, 24 и соединяет новую планку 24 со старой планкой 22 через старый прямоугольник 29 (20 сек). Затем он опять идет по ряду и закручивает шурупы 31 на прямоугольниках 30 (20 сек). После этого он собирает старые планки 24 (с петлей 23) для утилизации (15 сек). Плюс 105 секунд на настройку и 170 человеко-секунд на заводское изготовление планки 24 (с петлей). Итого все затраты времени – 6 минут 55 секунд, но если планка 24 заменяется вместе с планкой 22, то на 60 секунд меньше

Итак, 7 шт. элементов «Эксплуатационных расходов концентратотора» (зимний вариант):

 

Операция

Перио-дич-ность

Цена материалов

Расход вре-мени

х 0,25 ЕUR / мин

Итого расхо-ды

Расхо-ды за 1 год

1

Вертикальные перестройки (и осмотр)

9 раз в год

6 сек

0,025 Е

0,025 EUR

0,23 EUR

2

Аренда земли (7,8 м х 2,12 м х 50 EUR за гектар в год)

0,08 EUR

3

Аварийное удаление щитов

2 х 0,7 % в год

2 мин

0,50 Е

0,50 EUR

0,01 EUR

4

После урагана: осмотр и уборка

1 раз в год

3 сек

0,01 Е

0,01 EUR

0,01 EUR

5

Замена планки 22 + замена кола 21 + замена петли 23

1 раз в 30 год

0,55 Е

6 мин

30 сек

1,63 Е

2,18 EUR

0,07

EUR

6

Замена кола 21

2 раз в 30 год

0,11 Е

2 мин 05 сек

0,52 Е

0,63 EUR

0,04 EUR

7

Замена планки 24 + замена петли 25 + настройка

1 раз в 30 год

0,44 Е

6 мин

55 сек

1,73 Е

2,17 EUR

0,07

EUR

 

С  У  М  М  А (за 4 кв. метра зеркал)

 

 

 

 

 

0,51 EUR

Таким образом, зимний вариант концентратора требует эксплуатационных расходов (считая аренду земли, не считая операций с зеркалами) – 0,13 EUR в год на кв. метр зеркала (= 0,51 EUR / 4 кв. м). Это ставка 3,1 % в год (= 0,13 EUR годовых эксплуатационных расходов / 4,24 EUR стоимости кв. метра)

Универсальный метод уменьшения «эксплуатационных расходов» (кроме «аренды земли») – это увеличение ширины зеркал 1, 2 и их высоты. Например, увеличение ширины зеркал с 2 м до 2,5 м и их высоты с 1 м до 1,2 м уменьшает «эксплуатационные расходы» в 1,5 раз (на 1 кв. метр зеркала)

Ремонты концентраторов не являются экономически целесообразными. Они заменены на игнорирование мелких поломок и удаление сломанных концентраторов. Кроме этого, я думаю, что операция «Установка новых щитов вместо удаленных» не имеет экономической целесообразности тоже. Во-первых, это большие затраты времени: поднести щиты по отдельным адресам и установить их на старое место. Во-вторых, время их работы окажется 5-20 лет (а не 25-40 лет для щитов первой установки). В-третьих, поломка стыков соседних секций (рычаг 9, колы 12 и др.) исключает установку новых щитов вместо удаленных. Таким образом, поле будет постепенно терять щиты (0,5-1 % в год) и старое поле будет иметь 60-90 % щитов. После этого поле очищается от всех концентраторов (и коллекторов)

 

9) Утилизация концентратора и ее отрицательная стоимость:

Метод удаления старых концентраторов поля (После удаления коллекторов):

1) Два человека берут короткую бензопилу и идут с северной стороны ряда. Один пилит по 6 шт. планок 8 с каждой стороны рычага 9. Другой помогает щитам (с зеркалами: они наклеены на южную сторону листов 6) падать на землю

2 х 20 сек на 2 щита секции

2) Грузовик идет по проходу между рядами, а люди бросают щиты в его кузов. Эти щиты (с зеркалами) отвозятся на завод для обработки

25 сек на 2 щита секции

3) Два человека с короткой бензопилой: один пилит верх планки 24 (чтобы отделить ее от петель 25), другой помогает рычагу 9 (и соединению планок 22, 24)  падать на землю

2 х 15 сек на секцию

4) Человек берет бензопилу с приспособлением (чтобы резать дерево почти на уровне земли) и режет максимально низко колы 21. Затем он опять идет по ряду и режет максимально низко пару колов 12

20 сек на секцию

5) Грузовик идет по проходу, а люди бросают рычаги 9 (с рычагом 16 и планкой 18 и верхней частью колов 12) на одну сторону его кузова, а соединения планок 22, 24 – на другую сторону кузова. Грузовик увозит все на завод для обработки

15 сек на секцию

И  Т  О  Г  О  (расходы удаления одной секции)

2 мин 10 сек = 0,54 EUR

Цель обработки щитов на заводе – отделить деревянные планки 8 от листов 6, от клея к ним и от зеркал. Эта цель легко автоматизируется (например, нагрев в печи до 160-250 град или вращающийся барабан с металлическими шариками или без них). Далее обработка по технологии «печь»:

1) 8,6 кг щитов: транспортировка щитов с поля на завод. В грузовике с 1 т щитов и дорогой 2 х 5 км

0,17 EUR

2) 8,6 кг щитов: разгрузить на складе + перевезти из склада до печи + загрузить в печь

30 сек = 0,13 EUR

3) 4,8 кг дерево + 3,8 кг полимеры: 1,7 квт-час тепла для нагрева с 20 град до 200 град с КПД 50 %

0,05 EUR

4) 4,8 кг дерево: выгрузить из печи в воду + вытянуть из воды + отвезти на склад

15 сек = 0,06 EUR

И  Т  О  Г  О  (расходы обработки двух щитов одной секции)

0,41 EUR

Операции обработки рычагов 9 на заводе: отпилить рычаг 16 и планку 18 около рычага 9, плюс перепилить низ рычага 9 (чтобы отделить его от верхней части колов 12) и перепилить верх рычага 9 (чтобы отделить его от петель 25). Затраты – 40 сек (это 0,17 EUR), плюс 0,08 EUR затрат транспортировки на завод и др.

Операции обработки соединения планок 22, 24 на заводе: выкрутить шуруп 31, разделить планки 22 и 24, перепилить верх планки 22 (чтобы отделить ее от шурупа 26) и перепилить низ планки 22 (чтобы отделить ее от петель 23). Затраты – 40 сек (это 0,17 EUR), плюс 0,06 EUR затрат транспортировки на завод и др.

Доходы от утилизации одной секции (продажа вторичного сырья):

 

Кол-во

Цена

Итого

Удобные сухие дрова: рычаги 16, планки 18, планки 22, планки 24

4,3 кг

50 Е / тонна

 

0,21 Е

Неудобные сухие дрова с шурупами: рычаги 9 с подкладками 19 и краями планок 8

4,9 кг

35 Е / тонна

 

0,17 Е

Сухие дрова с шурупами и петлями: верх кола 21 и низ планки 22 (с петлями 23), верх рычага 9 и верх планки 24 (с петлями 25), верх планки 22 (с шурупом 26)

0,4 кг дерева

30 Е / тонна дерева

0,01 Е

Сухие дрова (с шурупами, 80 % дуб): верх колов 12 и низ рычага 9

0,8 кг

40 Е / тонна

 

0,03 Е

Дрова для пиролизных котлов: планки 8 с остатками полимеров

4,9 кг дерева

40 Е / тонна дерева

0,20 Е

Металлолом (прямоугольники 29 и 30)

0,4 кг

0,24 Е / кг

0,10 Е

Куски пенополистирола листов 6, пенополистирола зеркал, полимерных клеев и полимерной пленки (8 % веса)

3,8 кг

0,2 Е / кг

0,76 Е

И Т О Г О   (доходы утилизации одной секции)

 

 

1,48 EUR

Таким образом:

— Расходы утилизации секции – 1,43 EUR (= 0,54 + 0,41 + 0,25 + 0,23)

— Прибыль утилизации секции – 0,05 EUR (= 1,48 – 1,43). Это 0,01 EUR на кв. метр зеркала (0,2 % стоимости нового концентратора)

Остаток после утилизации:

— Подземные части колов 21 остаются в земле. Они сгниют через несколько лет

— Подземные части пары колов 12 остаются в земле. Они будут гнить долго (несколько десятков лет). Может быть, машинное удаление колов из земли?

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 4)

5) Свойства:

Одна секция концентратора эксплуатируется (и работает без поломок) начиная с августа 2012 (сейчас январь 2013). Кроме этого:

— Ряд из трех секций концентраторов работал с октября 2011 до марта 2012. Но это были концентраторы с другим удержанием коллектора и с другим приспособлением вертикальных перестроек (и удержания) концентратора

— Одна секция концентратора работала с апреля 2012 до июня 2012. Она имела нужное удержание коллектора, но немного другое приспособление удержания концентратора

Горизонтальная ориентация концентраторов – на солнце в 13.20 по летнему киевскому времени. Фокусное расстояние зеркал – 130 см

22 августа 2012 я произвел замеры отраженной радиации концентратора на протяжении суток. Интенсивность радиации замерялась относительно горизонтальной планки, которая была неподвижно размещена на расстоянии 130 см от зеркал концентратора (т.е. в фокусе зеркал). Вторая строка таблицы сообщает показания люксометра вне концентратора в положении «перпендикулярно солнцу». Коэффициент усиления – это дробь; в ее знаменателе – упомянутые показания люксометра (вне концентратора и перпендикулярно солнцу), а в числителе – показания этого же люксометра в концентраторе. Эти показания люксометра записаны в скобках после коэффициента усиления:

Киевское

время замера

9.55

10.25

11.25

13.00

14.30

15.25

16.00

Яркость солнца

75

77

81

82

84

80

76

20 см выше планки

 

 

 

0,3 (27)

0,3 (23)

 

 

15 см выше

 

 

 

0,4 (35)

0,5 (38)

0,4 (29)

 

10 см выше

 

 

0,3 (22)

0,9 (72)

2,3 (190)

1,2 (96)

0,4 (28)

5 см выше

 

 

0,5 (38)

4,9 (399)

5,0 (417)

3,7 (295)

1,6 (120)

Планка

 

0,2 (16)

1,5 (123)

7,5 (611)

5,3 (443)

5,5 (439)

4,2 (320)

5 см ниже

0,2 (12)

0,4 (29)

5,9 (480)

4,0 (328)

2,0 (172)

2,5 (204)

4,3 (326)

10 см ниже

0,3 (26)

1,2 (93)

5,4 (439)

1,0 (80)

0,6 (53)

0,8 (63)

1,3 (102)

15 см ниже

1,8 (134)

6,1 (471)

2,0 (163)

0,5 (43)

0,3 (27)

0,3 (27)

0,4 (33)

20 см ниже

5,6 (417)

5,8 (447)

0,7 (60)

0,3 (28)

 

 

0,2 (18)

25 см ниже

5,4 (402)

2,4 (187)

0,3 (28)

 

 

 

 

30 см ниже

1,9 (145)

0,6 (44)

 

 

 

 

 

35 см ниже

0,2 (16)

0,2 (19)

 

 

 

 

 

Эта таблица показывает, что 22 августа солнечный зайчик будет находиться в районе «планки» (это имитация коллектора 4) не весь день: около 6 часов примерно с 10.50 до 16.50. Но если бы мой концентратор был ориентирован точнее на юг (на солнце в 12.30 по киевскому времени), то этот период был бы около географического полудня (около 13.00): примерно от 10.00 до 16.00

Дальше период работы концентратора будет увеличиваться до осеннего равноденствия (21 сентября), и после этого он будет уменьшаться до зимнего солнцестояния (21 декабря) и затем будет увеличиваться до весеннего равноденствия (21 марта) и уменьшаться до летнего солнцестояния (21 июня). Во время равноденствий (21 марта и 21 сентября) солнечный зайчик находится на одной высоте весь день. От 21 сентября до 21 марта зайчик приближается к коллектору (утром) уже не снизу, а сверху, и вечером он уходит вверх

 

6) КПД концентратора и идеи его улучшения

Следующие причины уменьшают КПД концентратора (они уменьшают мощность тепла, которое производит наш коллектор 4 благодаря солнечной радиации от зеркал концентратора):

1) Тени и заслонения:

— Тень от рычага 16: она имеет ширину 3-5 см на нижнем зеркале 2 (верхнее зеркало 1 не страдает от нее). Влияние этой тени – около 0,9 % потери КПД. Мы уменьшаем эти потери, если уменьшаем толщину рычага 16 (параллельно с переходом на более прочный материал для него) или располагаем шуруп 17 ближе к центу рычага 16

— Тени и заслонения рычага 9: они появляются только ранним утром и поздним вечером на нижней половине верхнего зеркала 1 и верхней половине нижнего зеркала 2. Утром тени не пускают солнечный свет на восточный край этих зеркал, а заслонения задерживают отраженную радиацию с западного края. Вечером наоборот: тени не пускают на западный край, а заслонения задерживают с восточного края. Их влияние – меньше 0,1 % потери КПД. Эти потери уменьшаются, если мы изменяем конструкцию рычага 9 (см пп. 2, 4, 5 главы 4): наименьшие потери у конструкции с центральной части рис. F

— Заслонения от планки 18: она не дает теней на зеркала, но заслоняет коллектор 4 от полосы шириной 3-4 см на нижнем зеркале 2. Влияние этого заслонения – около 0,5 % потери КПД. Мы уменьшаем его, если уменьшаем толщину планки 18. Кроме этого, мы имеем возможность уменьшить эти потери в несколько раз, если наклеим отражающую поверхность на западную и восточную стороны планки 18 (это может быть стеклянное или акриловое зеркало, металлизированная пленка, алюминиевая фольга)

— Тени от коллектора: они могут появиться утром и вечером на нижнем краю верхнего зеркала 1, а в полдень – на верхнем краю нижнего зеркала 2. В марте, начале апреля и начале октября (около осеннего и весеннего равноденствий) они минимальные или отсутствуют. Если мы установили коллектор в правильном месте рычага 16, то почти вся тень коллектора будет попадать в промежуток между зеркалами, а их влияние уменьшает производительность меньше чем на 0,3 % (если высота корпуса коллектора – это 44 см, а высота промежутка между зеркалами – это 52 см). Эти потери уменьшаются, если мы увеличиваем разницу высот упомянутого промежутка и корпуса коллектора, и если мы уменьшаем расстояние между коллектором и концентратором

— Тень от более южного ряда концентраторов: она падает на нижний край нижних зеркал 2; это тень от верхнего края верхних зеркал 1 более южного ряда. Эти тени могут появиться около зимнего солнцестояния (ноябрь-январь), и утром или вечером они больше (из-за более низкого солнца). Причина этих теней – нехватка расстояния между соседними рядами. Если это расстояние больше 4-15 м (это расстояние зависит от географической широты: чем выше широта, тем больше расстояние), то эти тени отсутствуют

— Тень от планки из последнего абзаца Главы 1. Если мы используем одну планку на 10 шт. секций, то потери КПД оказываются 0,2 %. Мы уменьшаем их, если используем эти планки более редко или располагаем на краях ряда коллекторов

Итого, общий вклад всех теней – это 1,5-2 % потери КПД, с возможностью уменьшения этих потерь до 0,5-1,5 %

2) Влияние точности поверхности листов 6: верхний и нижний листы 6 должны иметь нужный угол (относительно рычага 9) и нужную форму (близкую к цилиндрической-параболической). Их неточности могут исказить поверхность зеркал 1, 2; это увеличит высоту солнечного зайчика от зеркал, и поэтому уменьшит КПД нашей солнечной системы. Точность углов и формы зависит от многих причин: кривизна рычага 9, ее компенсация через индивидуальный (для каждого рычага) выбор толщины подкладок 19 (или через индивидуальный выбор угла между частями рычага), точность высоты планок 8, качество наклеивания планок 8 на листы 6, конструкция и качество соединения планок 8 с рычагами 9 и других. Эти причины уменьшаются через правильную технологию изготовления; кроме этого, точность формы листов 6 улучшается, если мы увеличиваем количество планок 8 с 3 шт. до 4 шт. или 5 шт. Плюс существует еще несколько причин изменения углов и форм с годами эксплуатации концентраторов; мы уменьшаем их влияние через технологию, конструкцию, правильный выбор материалов и дополнительные операции технического обслуживания. Хотя требования к точности поверхности листов 6 не являются очень высокими: мы не будем терять КПД, если наши ошибки будут достигать нескольких миллиметров. Например, я (со своими примитивными «гаражными» технологиями) делал концентраторы с очень низкими потерями из-за причины п.2. Но ошибки 5-10 мм уже будут уменьшать КПД на несколько процентов; например, я иногда получал промах (мимо коллектора) излучения от нижней части нижних зеркал 2

3) Средний косинус угла падения прямой солнечной радиации на зеркала: это основная причина уменьшения КПД концентратора. Если фокусное расстояние концентратора – есть 115 см, зеркала 1, 2 имеют высоту по 1 м, и пустой промежуток между зеркалами 1, 2 имеет высоту 52 см, то наш косинус равен 0,9385; таким образом, потери КПД из-за этой причины оказываются равными 6,15 %. Мы уменьшаем эти потери, если увеличиваем фокусное расстояние, уменьшаем высоту зеркал 1, 2, и уменьшаем высоту промежутка между зеркалами

4) Уменьшение мишени коллектора для попадания излучения с верхней части верхнего зеркала 1 и нижней части нижнего зеркала 2. Фотоны от этих частей зеркал должны иметь точность направления на 20-50 % лучше, чем от других частей зеркал (из-за увеличения угла падения фотонов на стекло коллектора и из-за увеличения расстояния до коллектора). Поэтому мы имеем дополнительные потери КПД из-за увеличения вероятности промаха этих фотонов мимо коллектора. Причины п.4 совпадают с тремя причинами п.3 (уменьшение фокусного расстояния, увеличение высоты зеркал и промежутка между ними), но потери КПД из-за п.4 оказываются в несколько раз меньше (до 1-2 %)

5) Вертикальные перестройки концентраторов: эти потери КПД отсутствовали бы, если бы мы делали вертикальные перестройки каждое утро с нацеливанием середины солнечного зайчика (от зеркал 1, 2) на горизонтальную линию, которая располагается на 2-3 см ниже середины коллектора 4 в полдень. Но наш зимний вариант концентратора работает только через 9 шт. периодов в разных позициях для 200 дней отопительного периода. Среднее время работы в одном периоде – 22 дня, а средний диапазон вертикальных углов солнца (в полдень) на протяжении периода – это 2 х 2,5 град. Изменение угла солнца на 2,5 град – это изменение высоты зайчика на 5 см с фокусного расстояния 115 см, и поэтому края этого зайчика могут не попасть в коллектор 4. Однако анализ этих ситуаций говорит о небольших потерях КПД из-за причины п.5 (в среднем по всех днях сезона – меньше 1-2 %). Мы уменьшаем эти потери, если увеличиваем высоту коллектора 4, уменьшаем высоту солнечного зайчика и увеличиваем количество вертикальных перестроек за сезон. Еще один очень простой метод уменьшения этих потерь – это уменьшение диапазона вертикальных углов (например, до 2 х 2 град) для солнечных весенних периодов за счет увеличения диапазона (до 2 х 3 град) для несолнечных зимних периодов; мы делаем это через изменение расположения отверстий 28 на планке 24

6) Ошибки настройки концентраторов (эта операция была описана в п.3): идеально настроенные концентраторы – это одновременное попадание зайчиков всех концентраторов в одинаковую высоту коллекторов. Но реальная настройка будет иметь отклонения от этого правила, например зайчик одной секции попадает в середину коллектора, зайчик другой секции попадает на 1 см выше середины в этот момент времени, зайчик третьей секции – на 2 см ниже и так далее. Если 60-70 % секций попадает в интервал отклонений «плюс-минус 1 см», то мы теряем до 0,1-0,2 % нашего КПД; но увеличение ошибок до 3 см дает потерю КПД до 1 %. Мы уменьшаем эти потери через улучшение оборудования настройки (приспособления измерения высоты попадания зайчиков в коллекторы, точность компьютерных алгоритмов, измерения расстояния при изменении положения петли 25), через изменение технологии настройки и через увеличение частоты настроек

Таким образом, влияние всех пп. 1-6 уменьшает КПД нашего концентратора до 87-92 %. Хотя НИОКР могут увеличить КПД на 1-3 %

 

7) Анализ долговечности

Следующие детали концентратора будут заменяться во время эксплуатации: кол 21, планка 22 (с петлей 23), планка 24 (с петлей 25) и возможно стальные прямоугольники 29, 30

Почти все следующие детали обязаны работать весь срок службы концентратора (15-40 лет)(Сила – при южном ветре 30 м / сек и отклонении рычага 9 от вертикали на 30 град):

Деталь

Материал

Причины старения

Идеи дополнительного уменьшения этих причин

Колы 12

Дорогое дерево (дуб и т.п.) + пропитки

— Земля: грибок, вода, мороз, насекомые

— Сила до 40 кг от шурупа 14 (ветер)

— Увеличение сечения

— Дополнительное покрытие подземной части

— Усиление участка выхода из земли (деревом или сталью)

— Шуруп над шурупом 14 (перпендикулярно ему)

— Бетон п.8 Главы 4

— Переход на стальные колы 12

Рычаг 9: планки 10, 11 и их шурупы

Сосна + пропитка

— Солнце

— Атмосфера

— Сила до 160 кг от планок 8 (ветер)

— Увеличение сечения

— Более долговечная древесина

— Периодическая покраска (или покрытие) из распылителя

— Дополнительная планка в центре рычага

— Увеличение качества и / или количества шурупов (или + винты с гайками)

— Клей между планками 10, 11

— Увеличение длины стыка планок 10, 11

— Переход на стальной рычаг 9 или клееную древесину

Листы 6

Пенополи-стирол 15-25 кг / куб. м

— Атмосфера

— Слабое солнце

— Ветер

— Увеличение толщины листа

— Увеличение плотности

— Легирование пенополистирола

— Возможность добавления листов пенополистирола (см. ниже)

— Возможность замены щитов (см. ниже)

Планки 8

 

Сосна + пропитка

— Атмосфера

— Слабое солнце

— Сила до 20-40 кг от листов 6 (ветер)

— Увеличение сечения

— Более долговечная древесина

— Периодическая покраска (или покрытие) из распылителя

— Возможность замены щитов (см. ниже)

— Переход на стальные планки 8

Клей листов 6 к планкам 8

Поли-урета-новая пена

— Слабое солнце

— Ветер

— Мороз

— Переход на другой клей

 

Шурупы от планок 8 на рычаг

Сталь с покрытием

— Сила до 10-20 кг

— Коррозия

— Увеличение диаметра шурупов

— Усиление покрытия шурупов

— Переход на более долговечный материал шурупов

Подкладки 19

Дерево + пропитки

— Сила до 20-40 кг (от двух планок 8)

— Солнце

— Атмосфера

— Увеличение сечения

— Более долговечная древесина

— Пропитка смолами

— Клей между подкладками 19 и рычагом 9

Шуруп 14

Легированная сталь с покрытием

— Сила до 80 кг от рычага 9

— Увеличение диаметра

— Усиление стали и покрытия шурупа

Рычаг 16 и планка 18

Сосна + пропитка

— Солнце

— Атмосфера

— Увеличение сечения

— Более долговечная древесина

— Периодическая покраска (или покрытие) из распылителя

Плюс возможны следующие операции (я не включал их в «Эксплуатационные расходы»):

— Добавление 2 см пенополистирола на листы 6: новые листы наклеиваются на южную сторону старых листов 6 на полиуретановую пену (в 10-20 точках) или другой клей. Технология аналогична технологии наклейки зеркал из Доклада 10

— Замена щитов (т.е. листов 6 с планками 8): зимой откручиваются нижние щиты ряда и прикручиваются новые щиты. В апреле (когда рычаг 9 опущен максимально) меняются верхние щиты ряда. Я максимально избегал одновременной замены верхних и нижних щитов: это требует времени намного больше, чем может показаться

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 17: Модернизированный 1-й тип дешевых солнечных концентраторов (Часть 3)

4) Перспективы уменьшения стоимости концентратора:

Распределение расходов по деталям концентратора:

Доля (%)

Деталь

Время  завода

Вре-мя пе-ревоз-ки

Время поля (сбор-ка)

Итого время

х 0,25 EUR за ми-нуту

Мате-риалы

Итого расхо-ды

31,9 %

Щиты (пенополи-стирол 6 + планки 8)

5 м 30 с

1 мин 20 сек

3 мин

20 сек

10 м 10 сек

2,54 Е

2,81 Е

5,35 Е

21,8 %

Удержание и пере-стройки концентратора (кол 21, планки 22, 24 и другое)

7 м

20 с

10 сек

2 мин 15 сек

9 мин 45 сек

2,44 Е

1,22 Е

3,66 Е

10,3 %

Подкладки 19

 

5 м

35 с

5 мин 35 сек

1,40 Е

0,33 Е

1,73 Е

9,6 %

Рычаг 9 (без подкладок 19)

3 м 20 с

15 сек

10 сек

3 мин 45 сек

0,94 Е

0,67 Е

1,61 Е

7,9 %

Соединения планок 8 с рычагом 9

2 м 30 с

2 мин 40 сек

5 мин 10 сек

1,29 Е

0,03 Е

1,32 Е

7,7 %

Колья 12 (с упором 15)

25 с

5 с

2 мин 30 сек

3 мин

0,75  Е

0,54 Е

1,29 Е

4,9 %

Удержание коллектора (рычаг 16, планка 18, шуруп 17)

15 с

10 сек

45 сек

2 мин 10 сек

0,54 Е

0,29 Е

0,83 Е

3,3

%

Большой шуруп 14

40 с

80 сек

2 мин

0,50 Е

0,05 Е

0,55 Е

2,6

%

Первая настройка

 

1 мин

45 сек

1 мин

45 сек

0,44 Е

0,44 Е

100  %

С  У  М  М  А

26 м 35 с

2 мин

14 мин

45 сек

43 м 20 сек

10,84 EUR

5,94 EUR

16,78 EUR

Первые кандидаты для улучшения конструкции – это рычаг 9, подкладки 19 (они выглядят как «лишние детали») и соединения планок 8 с рычагом 9. Эти детали имеют долю 27,8 % (4,66 EUR) в стоимости концентратора, и они могут быть усовершенствованы через:

1) Мы имеем возможность заменить расположение планок 8 на рычаге 9 (оно было показано на рис. C) на новое расположение согласно рис. E (это вид с юга перпендикулярно рычагу 9). Теперь мы используем более узкие подкладки 19 (30-40 мм вместо 90 мм), но более длинные (120 мм вместо 70 мм); это уменьшает количество древесины в 1,5 раза (это экономия 0,1 EUR). Плюс уменьшение интервала 2-метровой секции от 212 см до 206 см; это уменьшает стоимость коллекторов 4 на 2,8 % (= 6 см / 212 см). Кроме этого, теперь ветровая нагрузка от планок 8 идет на середину рычага 9 (а не на его западный и восточный края), и деформации его кручения оказываются очень небольшими. Волокна новых подкладок 19 идут вдоль рычага 9

2) Левая часть рис. F показывает идею рычага 9 из двух деревянных планок, которые соединяются через шурупы, деревянную прокладку 38 и длинный винт 39. Этот рычаг не имеет «крайних» и «центральных» подкладок 19, а «средняя» подкладка имеет высоту 50-60 мм; это уменьшает стоимость подкладок 19 до 0,4 EUR (общая экономия 1,3 EUR). Теперь все шурупы 20 закручиваются с одной стороны рычага 9 (левая часть рис. F показывает установку на северную сторону, а центральная часть – установку на южную сторону); это упрощает сборку концентратора в поле. Кроме этого, сейчас «крайние» и «центральные» шурупы 20 закручиваются в древесину рычага 9; это решает проблему вероятности трещины подкладок 19, когда мы вкручиваем шуруп 20 в нее. Я получил несколько случаев таких трещин: группа риска – подкладки из сухих и тонких досок (20-25 мм). Поэтому я предлагал большую толщину подкладок 19, правильный выбор породы дерева для них (и технологии просушки) и разнообразные пропитки-покраски; из-за этого цена древесины для подкладок – более высокая (согласно таблице из Главы 2)

3) Существует необходимость усовершенствования соединения планок 8 с рычагом 9. Сейчас это делается длинными шурупами, которые идут через 30-40 мм планки и входят в древесину подкладок 19 на 15-30 мм. Затраты времени на сверление 12 шт. дырок в планках 8 и вкручивание 12 шт. шурупов (в планки 8 и подкладки 19) – 5 минут 10 секунд (это 1,29 EUR зарплат). Наши цели: уменьшение этой стоимости, увеличение надежности соединения и обеспечение нужного люфта (до 1-2 град) планок 8 на рычагах 9 (Этот люфт является необходимым при вертикальных перестройках концентратора). Варианты замены длинного шурупа: заклепка, защелка (с фиксатором, клеем и т.п.), винт с гайкой, винт в резьбу на рычаге 9, специальный гвоздь, хомут и др. Эти варианты упрощаются, если окончания планок 8 будут иметь стальную пластину 40 (с тремя отверстиями 41), которая показана на рис.G: мы закрепляем пластину 40 (на планке 8) двумя шурупами 42, которые идут через два отверстия 40. Сочетание пп. 2 и 3 дает возможность отказа от всех подкладок 19 (этот вариант показан на правой части рис.F)

4) Рычаг 9 может быть изготовлен по технологиям клееной и / или гнутой древесины. С максимальной автоматизацией изготовления. Теперь форма рычага 9 будет похожая на длинный английский лук, но он должен быть максимально жесткий. Все подкладки 19 оказываются не нужными. Стоимость сосновых планок для гнутого клееного рычага (сечение 45 х 35 в центре и 35 х 25 на краях) – около 0,3 EUR. Плюс клей и стоимость работ

5) Рычаг 9 имеет возможность изготовления из стального оцинкованного листа толщиной 0,4-1 мм через технологии штамповки; плюс возможно автоматическая точечная сварка, термообработка и др. Прямоугольная стальная заготовка 0,5 мм х 150 мм х 2700 мм имеет вес 1,6 кг и стоимость 0,8 EUR. Все операции автоматизируются. Плюс защита поверхности краской или цинком. Кроме этого, мы имеем возможность (рис.H) усилить конструкцию тонкостенной стальной трубой 43

Помимо этого, другие детали концентратора могут быть усовершенствованы тоже, например:

6) Существует идея замены деревянных планок 8 на профиль из стального листа толщиной 0,4-0,5 мм: треугольный или аналогичный известным тонкостенным профилям в виде буквы «П». Прямоугольная стальная заготовка 0,4 мм х 80 мм х 2050 имеет вес 0,5 кг и стоимость 0,25 EUR. Это немного дороже сосновой планки (0,15 EUR, плюс 0,06 EUR зарплат на осмотр и сортировку). Однако мы получаем: более дешевое соединение планки с рычагом 9 (в сочетании с п.3), высокую надежность и возможность увеличения ширины секции концентратора до 2,5-3 м

7) Существует идея машины, которая будет ехать по будущему ряду концентраторов и вбивать в землю пару колов 12 (с упором 15) и возможно кол 21. Плюс точная фиксация линии ряда, точный интервал между соседними парами колов 12 и точный перепад высот между их шурупами 14. Сейчас эти работы делаются руками и требуют 2 минуты 10 секунд (0,54 EUR зарплат) на секцию

8) Мы можем погружать колы 12 в землю не через забивание, а через иной метод. Например, через изготовление аккуратной ямы (диаметр – до 10 см, глубина – до 50 см) и ее заливку бетоном. Стоимость материалов для 3 литров бетона – 0,1 EUR. Эти операции (изготовление ямы, изготовления и заливка бетоном) хорошо автоматизируются. Кроме того, бетонная пробка замедлит гниение древесины колов 12

9) Мы можем заменить пару деревянных колов 12 (стоимость изготовления и установки – 1,29 EUR) на стальной швеллер длиной 30-60 см; если его стальной периметр – 8 см и толщина стенки – 3 мм, то мы имеем вес швеллера около 0,8 кг, и его стоимость – около 0,4 EUR. Сочетание с п.8 очень-очень желательное (яма и бетон, плюс автоматизация). Сталь не дает сомнений в долговечности (в отличие от деревянных колов). Кроме этого, стальной швеллер разрешает поднять ось 14 (аналог шурупа 14) более высоко над землей. Соединение с рычагом 9 требует сделать два отверстия в боковых стенках швеллера для оси 14 (это может быть длинный винт с гайкой или длинная заклепка) и удалить несколько сантиметров центральной стенки швеллера

10) Возможны улучшения остальных деталей концентратора (кроме рычага 9, подкладок 17, планок 8 (и их соединения с рычагом 9), колов 12), которые уменьшают стоимость материалов и упрощают сборку концентратора в поле

11) Существует безумная идея машины, которая будет ехать по будущему ряду концентраторов и устанавливать их полностью. Сейчас затраты времени на поле (включая разноску деталей от разгрузочных площадок и установку колов, исключая настройку) – около 13 минут (3,25 EUR зарплат) на одну секцию

12) Ручная наклейка планок 8 на пенополистирольные листы 6 – трудоемкая операция. Наклейка 6 шт. планок одной секции (и складирование 2 шт. готовых щитов) требует 4 минуты (1,0 EUR зарплат). Однако, эти операции автоматизируются очень легко

13) О приспособлении для вертикальных перестроек концентратора и его удержания: я не смог нормально рассчитать силовые нагрузки на его детали (планки 22, 24, кол 21, шуруп 26 и др.) во время ветра. Поэтому я дал очень большие сечения его деталям. НИОКР (например, имитация ветра 30-50  м / сек на концентратор) дадут разрешение на уменьшение сечений планок 22, 24, кола 21, толщины стенки стальных прямоугольников, размеров шурупа 26. Это уменьшит стоимость этого приспособления

14) Сейчас зарплаты рабочих (10,84 EUR) – это 65 % стоимости концентратора. Автоматизация труда может уменьшить этот показатель в несколько раз (и на изготовлении деталей на заводе, и на погрузке-транспортировке-разгрузке от завода до поля, и на сборке концентратора в поле)

15) Характеристика «Стоимость концентраторов за 1 кв. метр зеркал» изменяется тогда, когда мы изменяем ширину зеркал 6 (с 2 м до 2-3 м) или их высоту (с 1 м до 1,2-1,5 м). Подбор этих ширины и высоты может уменьшить значение этой «стоимости» (может быть до 10-20 %)

16) Если мы устанавливаем много концентраторов на большом поле, то стоимость материалов должна быть посчитана не по «Крупному опту», а по «Крупному заказу» (Это дешевле до 0,5 EUR на секцию). Кроме этого, существует целесообразность перехода к самостоятельному производству некоторых материалов. Например, производство пенополистирольных листов 6 (из закупаемых гранул полистирола) уменьшает их стоимость с 1,60 EUR до 1-1,2 EUR, в том числе из-за отсутствия расходов по их транспортировке с другого завода (это дорого из-за очень низкой плотности листов). Самостоятельная переработка бревен на деревянные детали уменьшает их стоимость с 3,44 EUR до 2-3 EUR

Прогноз уменьшения стоимости концентраторов вследствие пп.1-16 (все расходы – за 1 кв. м зеркала):

Деталь

Ста-рое Время

Ста-рые

Мате-риалы

Итого старые

Расхо-ды

Идеи улучшения

Новое Время

Новые Мате-риалы

Итого новые

Расхо-ды

Щиты

152 сек

0,70 Е

1,34 Е

пп. 2, 6, 11, 12, 14, 16

60 сек

0,5 Е

0,75 Е

Удержание и перестройки концентратора

146 сек

0,30 Е

0,91 Е

пп. 10, 11, 13, 14, 15, 16

60 сек

0,15 Е

0,40 Е

Подкладки 19

84 сек

0,08 Е

0,43 Е

1,2,4,14,15,16

10 сек

0,01 Е

0,05 Е

Рычаг 9

56 сек

0,17 Е

0,40 Е

пп. 1, 2, 4, 5, 14, 15, 16

20 сек

0,15 Е

0,23 Е

Соединения планок 8 с рычагом 9

77 сек

0,01 Е

0,33 Е

пп. 3, 6, 11, 14, 15

40 сек

0,01 Е

0,18 Е

Колья 12

45 сек

0,13 Е

0,32 Е

пп. 1, 7, 8, 9, 11, 14, 15, 16

20 сек

0,1 Е

0,18 Е

Удержание коллектора

32 сек

0,07 Е

0,21 Е

пп. 10, 11, 14, 15, 16

20 сек

0,05 Е

0,13 Е

Большой шуруп 14

30 сек

0,01 Е

0,14 Е

пп. 1, 9, 10, 11, 14, 15

10 сек

0,01 Е

0,05 Е

Первая настройка

26 сек

0,11 Е

10, 11, 14, 15

20 сек

0,08 Е

С  У  М  М  А

648 сек

1,47 EUR

4,19 EUR

 

260 сек

0,98 EUR

2,05 EUR

Таким образом, существует прогноз уменьшения стоимости концентратора больше чем в 2 раза: с 4,19 EUR до 2,05 EUR (за 1 кв. м зеркала)

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)