Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 38)

19) Приложение 8: Ограничение температуры аккумулятора:

Наш тип теплового аккумулятора не имеет проблем до температур 80-85 град (это подтверждается четырьмя годами работы моего экспериментального аккумулятора), но они могут возникнуть на более высоких температурах его воды. Я не рискнул поднять температуру своего аккумулятора выше 87 град (этот максимум достигался несколько раз), поскольку это был не мой дом (он принадлежит моему брату). Существовала вероятность (это проблема п.5), что высокая температура разрушит аккумулятор, и 4 тонны воды окажется на полу подвала. Это могло бы стать началом большой-большой семейной драмы, которая закончила бы все мои работы. Но я поднимал температуру аккумулятора выше 85 град не меньше десяти раз, а выше 80 градусов – 40-80 раз

Мои экспериментальные коллекторы обычно не работали с высокой температурой тоже, поскольку я берег свой насос (Его характеристики запрещали эксплуатацию с водой, которая имеет температуру больше 60 град). Максимальная температура системной воды была около 85 град

Но я решился на несколько экспериментов с кипящей водой коллекторов 10 июня и 30 июля 2012 (я использовал небольшой аккумулятор с объемом 10 литров). Эти эксперименты дали информацию о процессах, когда температура воды на входе в коллекторы имеет температуру 100 град.

Я вижу следующие шесть проблем, которые ждут нас на высоких температурах воды аккумуляторов 38:

 

1) Существуют теоретические опасения, что кипящая вода будет плохо проходить путь от аккумулятора до входа насосов 43-44. Существуют опасения, что испарения кипящей воды могут заполнить трубу 56 паром (она имеет отрицательное давление из-за расположения на 10-20 см выше уровня воды аккумулятора и из-за всасывания насосов 43-44), и движение воды через нее остановится. Однако мои эксперименты 10 июня и 30 июля не подтвердили этого. Поэтому вероятность появления этой проблемы – очень-очень-очень малая. Но мы имеем возможность подстраховаться через следующие решения: минимальная высота трубы 56 над водой аккумулятора, ее большой диаметр, минимальное гидравлическое сопротивление гребенок 58-59, изменение конструкции пути воды от аккумулятора до насосов 43-44

 

2) Возможность плохой работы насосов 43-44 с кипящей водой. Первый источник проблемы – характеристика ограничения рабочей температуры воды насоса. Наши насосы 43-44 должны иметь разрешение максимальной температуры воды 90 град или больше

Второй источник проблемы – это отрицательное давление на входе насоса и кавитация на его лопастях. Поэтому возможно существует смысл опустить насосы 43-44 на 0,5-1,5 м ниже уровня земли (чтобы давление воды на их входах увеличилось до 0,15-0,3 бар). Плюс широкая труба 56 и просторные гребенки 58-59

 

3) Возможность закипания воды в трубах 12. Я не встретил закипания воды в трубах 12 в своих экспериментах 10 июня и 30 июля (хотя мои трубы 12 шипели, но не сильно). Но шланг (от выхода коллектора до аккумулятора) громко кипел, хотя он продолжал нормальную работу

Проект СТС решает эту проблему через большой напор насосов 43 в комбинации с нужным гидравлическим сопротивлением обратной трубы трубопроводов 39 (методы достижения этого сопротивления – в п.2 Главы 4). Это есть причина высокого давления в трубах 12 (до 3 бар), и это давление запрещает кипение воды до температур 135-140 град

 

4) Проблема удаления пара во время сбросов лишнего тепла через кипение аккумуляторов (этот метод был упомянут в главе 4). Я наблюдал кипение аккумулятора во время своих экспериментов 30 июля: это был бурный выброс пузырей пара из выхода шланга (который вел воду от коллекторов в аккумулятор), плюс пар шел со всех щелей между полиэтиленовыми пленками, и уровень воды аккумулятора поднялся (это пузыри пара требовали лишний объем для себя). Кипение аккумулятора 38 – это выход до 1,8 т пара в час (на мощности 1,2 МВт ячейки). Около 99,9 % этого пара уходит на улицу, но около 0,1 % (1,5-2 кг воды за час) может конденсироваться под крышей аккумулятора на полиэтиленовые пленки. Я думаю, что эта вода должна быть удалена (иначе она может ухудшить теплоизоляцию аккумулятора и ускорить старение его деталей). Существует много идей ее удаления: уход этой воды обратно в аккумулятор (через отверстия в полиэтиленовых пленках), ее удаление водным пылесосом, вентиляция пространства под крышей (через вентилятор или через использование ветра). Кроме этого, существуют идеи перекрытия ненужных путей пара, открытия нужных путей (на улицу), защиты деревянных и стальных деталей (и теплоизоляции) от влаги и идея игнорирования этой воды (поскольку она будет самостоятельно уходить из аккумулятора из-за диффузии, небольшой вентиляции ветра и колебаний температуры аккумулятора)

5) Проблема увеличения вероятности разрыва полиэтиленовых пленок. Увеличение температуры уменьшает прочность этих пленок. Например, результаты испытаний прочности полиэтиленовой пленки моих аккумуляторов: один слой пленки (ее толщина около 100 мкм) держал 110 см водного столба при температуре 96 град (более высокий столб быстро растягивает пленку и рвет ее), в то время как прочность при температуре 62 град – 310 см водного столба. Это не есть удивительное, поскольку разнообразные марки полиэтилена имеют температуру плавления от 105 до 120 град. Но:

— Разрыв происходит только на «водных пузырях», которые не имеют опоры (я испытывал пленку на выходе трубы с наружным диаметром 32 мм). Если вся пленка будет лежать на пенополистироле дна или на прочной пленке (мои аккумуляторы используют пленку «гидробарьер»), то «водных пузырей» не будет, и разрывов не будет тоже

— Аккумуляторы имеют две-три пленки, и поэтому сила разрыва увеличивается в 2-3 раза

— Существуют полиэтиленовые пленки более толстые, тугоплавкие и легированные на прочность

— Риск разрыва пленок уменьшается, если мы уменьшаем высоту водного пространства аккумулятора

— (Если насосы 43 есть выключенные) Дно аккумулятора имеет более низкую температуру воды, чем его верхние слои

Кроме этого, существует идея перехода от полиэтиленовых пленок на другой материал. Например, существует очень хороший рынок пленок для искусственных водоемов: сотни компаний производят пленки толщиной 0,5-1,5 мм и шириной до 15 м и больше (плюс существуют технологии склеивания этих пленок клеем или лентой). Обычно, это есть пленки из следующих двух термостойких материалов:

— ПВХ (с температурой плавления от 150 до 220 град)

Бутилкаучук (с температурой деструкции – 160-165 град)

6) Возможность необратимого сжатия пенополистирола аккумулятора на очень высоких температурах. Я не увидел этой проблемы на своем аккумуляторе (и не увидел ее во время моих экспериментов с установкой кипящих кастрюль на пенополистирол). Однако, производители называют максимальную рабочую температуру своего пенополистирола в диапазоне от 70 до 90 град (хотя существуют сообщения о марках с максимумом 110 град). Но допустимая кратковременная температура пенополистрола – около 110 град. Internet говорит, что пенополистирол после 90-100 град начинает медленно размягчаться, усаживаться и деформироваться

Тем не менее, наши надежды на пенополистирол основываются на следующем. Высокая температура – это только проблема внутреннего слоя (толщиной 5-10 см) пенополистирольной теплоизоляции. Если температура воды – 100 град, то температурный градиент – это уменьшение на 10 град через каждые 3-4 см толщины пенополистирола

Варианты решения этой проблемы:

А) Мы имеем возможность сделать 5-10 см внутреннего слоя из листов более термостойкого пенополистирола (например, специального или с высокой плотностью)

Б) Мы можем заменить 5-10 см внутреннего слоя пенополистирола на:

— Плиты других пенопластов: фенолформальдегидный (рабочая температура до 200-250 град), на базе полиуретановой пены (мой баллон с полиуретановой пеной говорит, что ее термостойкость 100 град) и др.

— Минеральные плиты: пеностекло (толщина 8-15 см), пенобетон (18-30 см), перлит (10-18 см) и др.

— Минеральные гранулы (под слоем ровного бетона): керамзит (8-18 см), шлак (15-30 см) и др.

(ЭТО   ЕСТЬ   ВСЕ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 37)

18) Приложение 7: Ограничение длины ряда коллекторов-концентраторов:

Мои эксперименты имели один ряд коллекторов из трех секций. Эти эксперименты не показали «проблем ряда», но я думаю, что увеличение длины ряда (до нескольких десятков секций) даст несколько неприятностей. Я вижу следующие три проблемы, которые ждут нас:

 

1) Температурное расширение труб 12. Изменение температуры от -20 (это зимний минимум) до + 140 град (максимальный нагрев стенок труб 12 во время солнца) увеличивает длину 191 м стальных труб ряда на 37 см. Если мы жестко закрепляем середины труб на корпусе центральной секции коллектора (и остальные секции коллекторов разрешают трубам 12 свободное движение по своим осям), концы труб двигаются по 18,5 см на каждом краю ряда. Существует возможность компенсировать эти движения через изгибы шлангов 25, 34 (они были описанные в главе 2). Но существуют сомнения, что эти шланги могут компенсировать больше чем по 5-10 см на каждом краю ряда. Поэтому мы должны использовать иные методы компенсации температурного расширения труб, например следующий: базовый вариант соединения труб 12 (он описан в Докладе 12) – это их соединение черными резиновыми шлангами (через 6-24 м). Они являются аналогами шлангов 25, 34 тоже, и они дают нужную компенсацию расширению труб

 

2) Гидравлическое сопротивление труб 12. Сейчас (191 м длины ряда из 4 шт. труб с внутренним диаметром 33 мм) гидравлическое сопротивление труб ряда (без учета сопротивлений гребенок 24, 26, 30 и шлангов 25, 34, 21-22) – есть падение напора на 10,8 м при потоке 80 литр / мин (и средней температуре воды 110 град): поток идет по двум трубам (по 40 литр / мин) в одну сторону, и затем он возвращается обратно по иным двум трубам (по 40 литр / мин). Это находится в пределах технического смысла (он разрешает падение напора до 10-15 м при максимальном потоке воды насосов 43)

Наиболее простой путь  увеличения длины ряда – это увеличение внутреннего диаметра труб 12 (и оно требует уменьшения количества труб 12, чтобы коллектор имел активную высоту 20 см). Следующая таблица описывает варианты коллекторов с различным количеством труб 12 (сумма их наружных диаметров – есть 141 мм, и это соответствует активной высоте 20 см):

 

Максимальная длина ряда

Максимальный поток через ряд

Внутренний диаметр труб

Гидравлическое сопротивление труб (без гребенок и шлангов)

4 шт. труб

210 м

88 литр / мин

33 мм

14,4 м напора

3 шт. труб

260 м

109 литр / мин

44,5 мм

15,3 м напора

2 шт. труб

440 м

184 литр / мин

67,5 мм

14,9 м напора

Кроме этого, «проблема гидравлического сопротивления» может решаться через иные методы, например:

— Поток двигается в одну сторону по всем трубам коллектора (а не по половине этих труб). Затем этот поток возвращается по широкой трубе, которая располагается за пределами коллекторов (экономический смысл предлагает использовать одну трубу на несколько рядов). Этот метод разрешает увеличить длину ряда в 1,6-1,9 раз

— Коллектор имеет одну широкую трубу и несколько обычных труб. Поток двигается в одну сторону по всем обычным трубам, и затем он возвращается по одной широкой трубе. Этот метод разрешает увеличить длину ряда в 1,1-1,4 раз

 

3) Проблема стока воды из труб 12: стандартный метод решения этой проблемы был описан в главе 2: ряд коллекторов имеет небольшой наклон в сторону гребенок 24, 26 (1-2 см изменения высоты на длину 2,12 м одной секции), и это гарантирует сток воды из его труб 12, если насосы 43 окажутся выключенными. Этот метод прошел экспериментальную проверку на моем ряду из трех концентраторов (зимой 2011 / 2012). Я могу предложить два метода изменения высоты коллекторов (для организации наклона при переходе от одной секции к другой

Первый метод: различные секции имеют различную высоту колов 9 над землей: они поднимают свои оси 8 на различную высоту (над гравитационной горизонталью). Установка ряда концентраторов требует различных номеров колов 9 (с различной длиной и толщиной), но остальные детали различных концентраторов ряда являются одинаковыми. Возможности метода – разница высоты (над землей) краев ряда может достигнуть 20-40 см; это соответствует ряду до 20-30 секций (до 60 м)

Второй метод: различные секции имеют различное расстояние от оси 8 до нижней планки 5 нижних зеркал (Рис. B показывает вариант наименьшего расстояния). Изменение этого расстояния поднимает коллектор. Установка ряда концентраторов требует различных номеров рычагов 7 (с различной длиной и иногда с различной толщиной) и различных номеров верхних частей приспособлений 10 (с различной длиной), но остальные детали являются одинаковыми. Возможности метода – разница высоты (над землей) краев ряда коллекторов может достигнуть 40-80 см; это соответствует ряду до 40 секций (до 85 м)

Комбинация двух этих методов дает возможность увеличения длины ряда до 60 секций (до 130 м). Этот метод требует различных номеров колов 9 и различных номеров рычагов 7 (с верхними частями приспособлений 10)

Но это есть для ровного (относительно гравитационной горизонтали в направлении восток-запад) поля концентраторов. Неровные поля требуют уменьшения длины ряда. Например, максимальные неровности 0,5 м на длине 50 м (в направлении запад-восток) уменьшают максимальную длину рядов до 30-40 секций (для комбинации обоих методов)

 

Но мы используем (в наших проектах СТС) иные методы организации наклона ряда: мы используем холмистый (или горный) рельеф поля коллекторов. Возможности этих методов не имеют ограничений: рельеф поля может разрешить ряду иметь любую длину. Оптимальный вариант для поля (именно этот вариант используется в наших проектах) – это «долина между двумя возвышенностями». Она есть показанная на рис. L: 88 – это указание сторон света, 89 – это линия низа долины, 90 – это примеры рядов (ячеек). Трубопроводы 39 идут вдоль линии 89. Наклоны коллекторов на ровных участках организовываются двумя стандартными методами (и их комбинацией). Склоны долины могут иметь любой наклон, но очень большой их наклон требует увеличения напора насосов 43

Рис. M показывает иной вариант рельефа («возвышенность между двумя долинами»): 91 – это линия верха возвышенности, 92 – это примеры рядов. Ряды располагаются только с одной стороны от их трубопроводов 39, и ячейки располагаются в два столбца (по различным сторонам от линии 91). Участки 37 (трубопроводы 39, 41, будки 40, аккумуляторы 38) первого столбца ячеек располагаются вдоль линии 93, и их ряды идут в сторону линии 91. Участки второго столбца ячеек располагаются вдоль линии 94, и его ряды идут в сторону линии 91 тоже

Рис.N показывает расположение СТС на наклонном поле. Это есть пример более высокого западного края поля: это восточный склон возвышенности или западный склон углубления (северный или южный склон возвышенности есть аналогичный рис.M; северный или южный склон углубления есть похожий на рис.L обычно): 95 – это примеры рядов. Ряды ячеек СТС располагаются только с одной стороны (от их трубопроводов 39) тоже. Рис.N показывает пример из трех столбцов ячеек (хотя количество столбцов может быть 1, 2 и больше). Ячейки этих столбцов располагаются вдоль линий 96, 97, 98, и их ряды идут в сторону увеличения высоты

СТС на более сложных рельефах проектируется после топографической съемки поля, и она планируется согласно нескольким правилам, например:

— Каждая «линия низа» должна иметь столбец ячеек, и центры этих ячеек (их участки 37, будки 40, аккумуляторы 38, трубопроводы 39, 41) располагаются на этой линии. Иначе сток воды из труб 12 может не быть

— Ряды не должны пересекать «линии верха», они должны заканчиваться на этих линиях

— Участки с хорошей ровностью имеют стандартную организацию рядов и ячеек (согласно началу п.3)

— Поле может иметь участки, которые не имеют рядов коллекторов-концентраторов. Например, это могут быть участки с очень сложным рельефом

(ОКОНЧАНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 36)

17) Приложение 6: Сельское хозяйство на поле СТС:

Существует большое заблуждение, что концентраторы делают невозможным растениеводство и исключают землю из сельского хозяйства. Это совсем не так

Концентраторы исключают «метод большого поля» для растениеводства, однако они 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 различных растений):

А) «Северная полоса» начинается с расстояния 30-60 см (на север) от линии колов 9 и идет 2-4 м на север до линии колов 11. Она есть накрытая тенью от листов 4. Однако тень отсутствует утром, она отсутствует вечером, рассеянная солнечная радиация присутствует полностью. Кроме этого, солнечный свет частично проходит через щель между нижним и верхним листами 4 (через полосы, которые не накрываются коллектором); это две полосы высотой до 3-7 см. Таким образом, «северная полоса» получает около 50 % обычного солнца. Еще одна особенность «северной полосы»: движения по ней есть ограниченные из-за приспособления 10 и колов 11

Б) «Южная полоса» есть очень узкая: это 0,5-1 м около линии колов 9 (на север и на юг). Она получает 80-100 % солнца, но растениеводство затрудняется из-за колов 9, планок 16 и листов 4 (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 4)

В) «Центральная полоса» идет от линии колов 11 на север до расстояния 20-50 см от линии колов 9. «Центральная полоса» получает 100 % солнца и является свободной для проезда техники

Ширина «центральной полосы» (на 50 град сев. широты) – 3-5 м. Хотя более северные СТС имеют ширину больше (12-15 м около Хельсинки), но более южные СТС имеют узкую «центральную полосу» (1-3 м на 43 град сев. широты). СТС южнее 35-40 град сев. широты не имеют «центральной полосы» (если мы не используем следующие два метода)

Мы можем увеличить расстояние между рядами концентраторов (больше, чем рекомендации из начала Главы 3). Это увеличивает ширину «центральной полосы» до прохода нужных сельскохозяйственных машин. Но плата за это (кроме увеличения расходов на аренду земли) – это увеличение стоимости трубопроводов 41 и 39

Кроме этого, мы можем изменить конструкцию приспособлений 10, чтобы колы 11 приблизились к колам 9. Несколько вариантов этого – в Приложении 9 Доклада 17

 

Проекты СТС этого Доклада есть плохо приспособленные под движение транспорта по «центральной полосе», поскольку трубопроводы 41 и 39 (и аккумуляторы 38) препятствуют их свободному проезду. Но:

— Машина может двигаться до этих препятствий (по «центральной полосе») и затем вернуться через свой «задний ход»

— Широкие «центральные полосы» северных СТС (или увеличение расстояния между рядами на любых СТС) дают машине возможность развернуться перед препятствием для возращения назад

— Небольшие машины (мини-тракторы) могут развернуться на узкой «центральной полосе» (с использованием «северной полосы»)

— Существуют несколько простых идей (они будут описанные в конце этого Приложения) изменения конструкции СТС для свободного проезда машин

Если мы отказываемся от свободного проезда, то следующие варианты могут быть:

— Поле СТС используется для растений, которые не требуют технику (или она используется раз в несколько лет): виноград, плодовые деревья, многолетние растения, ягоды, некоторые овощи, саженцы деревьев и др.

— Поле СТС – это земля с дикими или многолетними кормовыми травами, и она используется как луг для животных

— Поле СТС – это земля не для сельского хозяйства (пустыня, свалка, много камней, бесплодная почва и др.)

— Земля под полем СТС проходит через операцию своего длительного восстановления

— Поле СТС имеет сложный рельеф (горные районы), который запрещает движение машин

— Машины не могут добраться до поля СТС из-за отсутствия дорог или проездов

— Это есть дешевая земля (меньше 50-150 USD годовой аренды за гектар), и поэтому использование идей организации свободного проезда (они требуют дополнительных инвестиций и постоянных расходов) теряет свой экономический смысл

СТС использует два типа участков земли:

— Земля между рядами концентраторов. Это есть 27,5 га, которые имеют проходы (для людей и животных) по трубопроводам 39, и они могут иметь проезд машин по «центральным полосам». Аренда этой земли требует 50 USD / га в год. Это есть  разница между ставкой аренды земли и ставками субаренды «полос», которые сдаются для сельского хозяйства иных предпринимателей

— Земля центральных участков 37 ячеек. Это 32 шт. участков по 0,039 га. Участки 37 есть занятые аккумуляторами 38 и будками 40. Это исключает сельское хозяйство на этой земле, и поэтому их аренда происходит согласно полной ставке (150 USD / га в год)

 

«Северная» полоса требует специальной техники для обработки прямоугольников между соседними колами 11 (и приспособлениями 10): 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 обычная, но ее оборудование должно быть на высоте больше 2 м (чтобы оно не зацепило приспособления 10 или концентраторы). Хотя «северная полоса» может оказаться целесообразной только для овощей и ягод, которые не требуют техники

«Северная полоса» может использоваться 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 др. Круг возможных растений «северной полосы» для южных СТС есть более широкий, 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 они не будут получать жесткую радиацию дневного солнца. Эта тень может оказаться более безвредной, чем деревья и кусты, которые привлекают разнообразных, например, майского жука (я не видел его на своих концентраторах, в отличие от соседних деревьев)

Солнечный свет через промежутки между листами 4 и коллектором может оказаться вредным для этого случая. Мы избавляемся от него полностью, если листы 4 будут иметь дополнительные 5-8 см высоты, которые закрывают эти промежутки и которые не имеют зеркал

Дополнительные преимущества земли СТС над другими полями:

— Наши концентраторы — это хороший штатив для полива путем разбрызгивания воды. Разбрызгиватели закрепляются на рычаге 7 или на верхней планке 5 верхнего листа 4. 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 они требуют давление около 2-3 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. Их шланги доставки воды могут быть закреплены на планках 5 вдоль ряда концентраторов

— Поле с концентраторами – это есть лучше, чем луг. Трава (дикая или многолетние кормовые травы) растет одинаково, однако поле концентраторов имеет два преимущества. Во-первых, оно имеет много удобной тени от концентраторов, где коровы, телята, овцы, ягнята, козы могут отдыхать. Во-вторых, животные могут укрыться под концентраторами от дождя и южного ветра. Недостаток: круг животных ограничен теми, которые не будут ломать приспособления 10 и листы 4

— Существует идея оживления пустынь или остановки их наступления: колы 9 и 11 удерживают почву, листы 4 уменьшают ветер и дают тень для жизни растений в жарком климате, растения получают всю воду от операций мойки зеркал и пленки 15, концентраторы являются хорошим штативом для полива, трубы и вода системы могут использоваться для орошения. Кроме этого, существует следующий открытый вопрос: использование большого количества СТС на какой-то территории дает ей охлаждение или дополнительный нагрев?; с одной стороны, коэффициент поглощения радиации системой «зеркала-коллекторы» есть большой (около 60 % солнечной радиации попадает в воду коллекторов, и это тепло окажется в атмосфере около завода, плюс 20-30 % — это разнообразные утечки тепла и поглощение радиации иными поверхностями на поле СТС, и только 10-20 % солнечной радиации отражается зеркалами в небо), но с другой стороны, 80-95 % солнечной радиации отражается зеркалами в небо утром и вечером (мимо коллектора)

 

Одна из идей свободного проезда машин (по «центральным полосам») есть комплект следующих решений:

— Трубопроводы 39 размещаются в узкой траншее, которая не есть препятствие для переезда машины через нее

— Трубопроводы 41 размещаются под теплоизоляцией трубопроводов 39. Это защищает трубопроводы 41 от замерзания, и поэтому они получают право быть заполненные водой все время

— Ширина аккумуляторов 38 есть небольшая, и она разрешает (машинам) движение по «центральным полосам»

Другая идея свободного проезда предлагает иную структуру центральных участков 37 ячеек. Эта структура есть показанная на рис.K:

— Аккумулятор 38 имеет иное расположение, и поэтому длинный трубопровод 42 становится ненужный

— Ячейка имеет две пары трубопроводов 41, которые идут по разным сторонам аккумуляторов 38, соединяются с будкой 40 и имеет наклон в сторону нее для стока воды из них

— Ячейка имеет три коротких трубопровода 42 (с длиной по 5-10 м), которые соединяют трубопроводы 41 с тремя рядами коллекторов; остальные три ряда коллекторов соединяются с трубопроводами 41 без трубопроводов 42. Трубопроводы 42 устанавливаются на временные опоры (их пример – это деревянные тетраэдры из Главы 3 Доклада 19) с наклоном в сторону трубопроводов 41 для стока воды из них

Мы имеем возможность быстро отсоединять трубопроводы 42 (от трубопроводов 41) и класть их около ряда концентраторов (с поворотом на гибких шлангах 21-22), плюс мы убираем временные опоры трубопроводов 42. Это разрешает (машине) проехать из одной «центральной полосы» в соседнюю «центральную полосу», и далее машина едет по ней в обратном направлении

Проезд машин разрешается в несолнечный день: рабочие удаляют трубопроводы 42 утром, и затем (вечером) они установят временные опоры и трубопроводы 42 обратно. Еще один вариант организации и ликвидации проезда: несколько часов утром (до 10.00), или несколько часов вечером (после 16.00), или организация проезда вечером и его ликвидация утром

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 35)

16) Приложение 5: Гарантия подачи нужного объема тепла в нужное время и варианты соединения СТС с заводом (Окончание):

О вариантах устройств, которые могут располагаться между СТС и заводом (они не учитывались в стоимости СТС, стоимости тепла и др. характеристиках; хотя я учел (в «производительности СТС» в Главе 6) 3 % потерь полезного тепла из-за этих устройств):

А) Тепловая трасса: это две трубы (подающая и обратная) с тепловой изоляцией. Подающая труба начинается в точке 81, и она ведет (на завод) горячую воду СТС с температурой 75-135 град. Завод берет тепло из этой воды, и затем он возвращает более холодную (на 5-20 град) воду по обратной трубе в точку 82

Доклад 19 описывал пример тепловой трассы длиной 2 км: это были две стальных трубы диаметром по 300 мм и с теплоизоляцией толщиной 20 см. Их стоимость – 309 тысяч USD. Утечки тепла из трассы (если она не есть остановленная из-за отсутствия тепла на СТС или из-за остановки завода ночью, в выходные или в праздники) – около 120 кВт; это есть утечка 250-1000 МВт-час в год (0,8-3 % всего производства СТС)

Кроме того, эта трасса имела насосы с общей мощностью (потребление электроэнергии) 130 кВт и стоимостью 32 тысяч USD. Они давали поток воды (через трассу) в диапазоне от 0,9 т / мин до 8,8 т / мин. Поток 3,6 т / мин передает (на завод) 60 тысяч кВт-час тепла за 24 часа, если температурная разница (между выходом подающей трубы и входом обратной трубы) – есть 10 град. Если мы хотим увеличить поток тепла, то мы увеличиваем поток воды (через увеличение производительности насосов трассы и увеличение производительности насосов 44) или увеличиваем температурную разницу.

Если наши насосы 43 работают, насосы трассы могут не включаться, поскольку насосы 43 обеспечивают передачу воды по трассе полностью. Но мы делаем так, чтобы трасса брала только часть воды насосов 43, поскольку потребность трассы и производительность насосов 43 не совпадают обычно (все насосы 43 могут дать до 15 т / мин). Это делается через пропуск части воды из подающей трубы трубопроводов 39 в обратную трубу трубопроводов, например по трубе 77

Б) Разнообразные теплообменники около разнообразного оборудования завода. Первая цель этих теплообменников – передача температуры от грязной воды СТС в чистую воду оборудования. Их вторая цель – обеспечение нужной температуры воды оборудования и возможность управления этой температурой

Теплообменники не являются дорогими устройствами: 1 кВт их мощности имеет стоимость 10-15 USD (без НДС, пластинчатые теплообменники) на температурной разнице 10 град (между водой СТС и водой оборудования). Это 20-60 тысяч USD для всех теплообменников завода, но увеличение температурной разницы уменьшает эти расходы пропорционально

Кроме этого, существует следующая идея уменьшения потока воды по тепловой трассе (и расхода электроэнергии для этого): завод использует (для работы своего оборудования) несколько уровней температуры, например 100-135 град, 85-100 град и 70-85 град. Вода из трассы проходит через теплообменники этих уровней по очереди (от более высокой температуры до более низкой), и поэтому температурная разница (между водой прихода на завод и водой ухода) достигает 30-50 град. Это  уменьшает требования к потоку воды трассы в несколько раз

В) Тепловая трасса для чистой технической воды. Этот вариант отличается от варианта п.А следующим:

— Мы устанавливаем (в точке 80) большой теплообменник стоимостью 10-50 тысяч USD, который передает температуру от воды СТС в чистую техническую воду, которая двигается по тепловой трассе между заводом и СТС

— Чистая вода – есть большое желание стальных труб трассы и ее насосов, поэтому их срок жизни становится дольше

— Многие теплообменники п.В становятся лишними. Нужная температура (на заводском оборудовании) формируется через изменение потока воды через него или через смешивание воды входа (в оборудование) с частью более холодной воды их выхода

— Вода аккумуляторов 38 (или более горячая вода коллекторов) не покидает пределы трубопроводов 39, и она проходит через точку 80, где передает свое тепло воде трассы. Проблема иного потока воды насосов 43 (это описано в конце п. А) есть отсутствующая

— Утечки тепла из трассы есть меньше (в 1,1-1,2 раз) из-за более низкой температуры воды

Г) Дополнительные тепловые аккумуляторы: каждая тонна описанного раньше (в Главе 3 и в Докладе 9) типа аккумуляторов имеет стоимость 22 USD (с теплоизоляцией толщиной 30 см) и требует эксплуатационных расходов 0,4 USD в год. Удвоение объема всех аккумуляторов (когда объем дополнительных аккумуляторов становится равным объему 32 шт. аккумуляторов 38, которые установлены в ячейках) требует инвестиций около 170 тысяч USD. Дополнительные аккумуляторы могут устанавливаться на заводе или на СТС (около точек 80 энергетических блоков). Возможные смыслы этого (по сравнению с решением по увеличению объема аккумуляторов ячеек): их эксплуатация – есть проще, их безопасность (от насекомых, урагана и др.) обеспечивается лучше, они могут использоваться для чистой воды, решение о дополнительных аккумуляторах принималось после строительства СТС (и поэтому перестройка аккумуляторов ячеек есть дороже), плотное расположение дополнительных аккумуляторов уменьшает утечки тепла из них, возможность строить очень большие аккумуляторы (с объемом больше 1000 тонн) с низкой стоимостью на тонну объема, возможность использовать различные температуры из различных аккумуляторов. Кроме этого, расположение аккумуляторов на заводе имеет разнообразные буферные смыслы, например это уменьшает требования к пропускной способности тепловой трассы в несколько раз (трасса работает 24 часа и наполняет аккумуляторы запасом воды для 4-8 часов работы завода)

Д) Небольшой напорный тепловой аккумулятор на каждом энергетическом блоке. Он используется для работы во время переменной облачности с целью гарантии стабильной температуры воды на уровне 115-135 град: вода коллекторов заполняет его во время солнца, и завод берет эту воду во время туч (поскольку вода коллекторов охлаждается до 80-95 град в это время). Напорный аккумулятор (для давления 2-3 бар) есть необходимый для запрета кипения воды в нем. Но эти аккумуляторы – есть очень дорогие: 200-1000 USD за каждую тонну воды (заводские пластиковые баки, стальные емкости заводского или самостоятельного изготовления, бетонные емкости самостоятельного изготовления). Каждые 20 тонн емкости этих аккумуляторов обеспечивают потребность завода (в температуре 115-135 град) на протяжении 5-10 минут

Е) Большие напорные аккумуляторы (на заводе или около точек 80 энергетических блоков): они хранят воду с температурой 115-135 град. Хранение 20 тысяч кВт-час тепла (около 30 % суточной потребности завода) требует около 700 тонн этих аккумуляторов (ми считаем, что их вода имеет право охладиться до 100 град, когда они теряют преимущества перед безнапорными аккумуляторами 38)

Ж) Тепловые насосы, которые (не во время солнца) преобразуют температуру 75-100 град (из аккумуляторов 38) в температуру 115-135 град. Таким образом, наш завод будет иметь воду с температурой 115-135 град все время. Кроме этого, тепловые насосы уменьшают требования к объему тепловых аккумуляторов, поскольку теперь они имеют право охлаждаться ниже 70-80 град

Стоимость современных тепловых насосов большой мощности – 500-800 USD на кВт электрической мощности (на 3-6 кВт мощности производства тепла). Их СOP (это отношение производства тепла к потреблению электроэнергии) – это около 50 % от результата формулы H / (H – C), где С – температура холодной воды (вход насоса), H – температура горячей воды (выход насоса), эти температуры – в градусах Кельвина, температурные разницы теплообменников учитываются в коэффициенте 50 %

Получение 1 кВт-час воды с температурой 125 град (на выходе теплового насоса) требует 0,18 кВт-час электроэнергии и 0,82-0,84 кВт-час тепла с температурой 90 град (COP = 5,7). Поэтому стоимость 1 кВт-час (с 115-135 град) оказывается в диапазоне 2,5-3 центов (с учетом эксплуатационных расходов, амортизации и нормы прибыли теплового насоса). Это есть дешевле, чем тепло из альтернативных источников (газ и др.), но злоупотребление тепловыми насосами не есть желательное. Иногда (если технология базируется на нагреве с 10-30 град, и это не есть поддержка температуры 115-135 град) оборудование 4-го типа дает более дешевое тепло. Кроме этого, следующие являются желательные: максимальное удовлетворение потребностей завода через температуру 75-100 град, перенос потребления 115-135 град на время солнца (под температуру воды коллекторов), активное использование напорных аккумуляторов пп. Д, Е

Наш завод нуждается в 510 кВт электрической мощности тепловых насосов (= 70 тысяч кВт-час / (24 час х 5,7)), если он потребляет воду с температурой только 115-135 град, и если его потребность есть равномерная все время. Но необходимая мощность уменьшается, если завод потребляет воду с температурой 75-100 град, и если мы имеем возможность перенести потребление 115-135 град (под воду коллекторов). Но неравномерное потребление завода может увеличить требования к мощности тепловых насосов

Существует несколько смыслов разместить тепловые насосы на заводе (а не на СТС). Поэтому завод получает возможность дать своему оборудованию два источника тепла:

— вода с температурой 75-100 град: мы подаем ее из трассы не во время солнца, и мы подаем смесь воды трассы и более холодной воды во время солнца

— температура 115-135 град (вода, пар, масло): мы берем это тепло из трассы во время солнца, и мы берем его с выхода тепловых насосов не во время солнца

З) Тепловые насосы (на заводе), которые поднимают температуру до 150-250 град:

— Увеличение с температуры с 120 град до 150 град имеет COP = 6,3 (45 % от результата H / (H – C)). Стоимость 1 кВт тепловой мощности – около 120 USD. Стоимость 1 кВт-час (с 150 град) – 2,8 цент (тепло 120 град – по 1 цент, электроэнергия – по 10 цент, учет эксплуатационных расходов, амортизации и нормы прибыли теплового насоса)

— Увеличение с температуры с 120 град до 200 град имеет COP = 3,0 (50 % от результата H / (H – C)). Стоимость 1 кВт тепловой мощности – около 220 USD. Стоимость 1 кВт-час (с 200 град) – 4,6 цент

— Увеличение с температуры с 120 град до 250 град имеет COP = 2,2 (55 % от результата H / (H – C)). Стоимость 1 кВт тепловой мощности – около 250 USD. Стоимость 1 кВт-час (с 250 град) – 5,9 цент

Таким образом, выход этих тепловых насосов – есть еще один источник тепла (в дополнение к источникам п. Ж) с температурой 150-250 град, который передает ее через воду (с давлением до 20 бар), пар или масло

К) Устройства для производства пара, например:

— Кипение воды (на давлении до 2 бар выше, чем атмосферное) с температурой 115-135 град. Это может быть кипение воды СТС или кипение технической воды. Оно может происходить в точке 80 (но только во время солнца), в напорных аккумуляторах п.Е (на заводе или в точках 80), за выходом тепловых насосов п. Ж (на заводе или в точках 80). Затем этот пар может быть сжат (компрессором) до более высокого давления и / или нагрет (тепловым насосом п.З, газом, углем, др.)

— Кипение (на давлении ниже, чем атмосферное) воды СТС (или технической воды) с температурой 75-100 град: эта вода испаряется в точке 80 перед входом компрессора. Компрессор может располагаться на СТС, и наш пар передается (на завод) по паропроводу. Компрессор может располагаться на заводе, и его вход соединяется с точкой 80 паропроводом низкого давления. Выход нашего компрессора дает пару нужное давление, затем мы можем нагреть этот пар и / или дополнительно увеличить его давление

— Аналогичное (через кипение на низком давлении) формирование пара на заводе. Без паропровода между СТС и заводом (но с тепловой трассой)

— Тепловой насос п.З может быть использован для формирования пара с давлением до 20 бар и с температурой 150-250 град

Л) Паропровод: это есть одна труба с теплоизоляцией. Паропровод используется (вместо тепловых трасс пп. А, В), если пар формируется на СТС (а не на заводе). Паропровод может быть дополненный более тонкой трубой (с насосами) для перемещения конденсата с завода на СТС

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 34)

16) Приложение 5: Гарантия подачи нужного объема тепла в нужное время и варианты соединения СТС с заводом (Начало):

Об этих гарантиях:

1) Тепловые аккумуляторы 38: они держат 7 680 тонн горячей воды. Если завод берет тепло СТС со скоростью 2 000 кВт, аккумуляторы охлаждаются со скоростью 0,22 град / час. Отбор 179 тысяч кВт-час тепла охлаждает аккумуляторы на 20 град. Если потребность завода – меньше 50 тысяч кВт-час тепла в сутки, аккумуляторы 38 дают хорошие гарантии стабильных поставок тепла на протяжении девяти месяцев в году (февраль-октябрь); исключения из этого правила – это периоды из пяти (и больше) несолнечных дней, когда (на пятый-седьмой день этих периодов) аккумуляторы охлаждаются до 70 градусов; обычно, это 3-6 шт. периодов (за год) в феврале, октябре, марте и первой половине апреля (плюс один период за 5-10 год с середины апреля до начала октября). Это есть статистика для климата моего Миргорода (50 град сев. широты). Южные СТС есть способные гарантировать стабильные поставки тепла на протяжении 11-12 месяцев в году с до 3-5 шт. небольших перерывов на несолнечные периоды (обычно, проблемный месяц – это декабрь, иногда – стык декабря с январем, который попадает на остановку завода во время рождественских праздников; но СТС в тропиках имеют проблемные месяцы летом из-за «сезона дождей»). Кроме этого, увеличение объема тепловых аккумуляторов (и уменьшение нижнего предела температуры их воды) – это стандартные методы усиления гарантий стабильных поставок тепла

2) Все оборудование завода (которое требует снабжения теплом из нашей СТС) делится на четыре типа:

— 1-й тип: Оборудование, которое снабжается только горячей водой или паром с нашей СТС, и мы не имеем иной возможности дать ему тепло через газ, электричество или другие альтернативы. Обычно, оно будет требовать чистой горячей воды (а не грязной воды наших аккумуляторов 38), поэтому мы должны иметь теплообменники для передачи тепла от воды СТС в чистую техническую воду

— 2-й тип: Оборудование, которое (кроме получения тепла от нашей СТС) имеет резервные возможности нагрева с признаками дешевых нагревателей, но на дорогих энергоносителях. Электроэнергия есть лучший метод этого альтернативного нагрева, поскольку она дает очень-очень небольшое добавление до стоимости оборудования (несколько USD за кВт мощности); кроме этого, мы можем использовать мазут или иные жидкие топлива (например, спирт или газойль). Но использование резервного нагрева должно быть очень-очень ограниченным из-за высокой цены альтернативных энергоносителей

— 3-й тип: Оборудование, которое имеет два источника тепла: от нашей СТС и от альтернативного энергоносителя (сравнительно дешевого): газ, горючие отходы завода, уголь и др. Это может быть система из нового оборудования (на дешевом тепле нашей СТС) и старого оборудования (на газе и др.), которое не было выброшено нами (после перехода на тепло СТС), а было установлено рядом с новым. Это может быть система из единственного оборудования, но с несколькими источниками тепла (аналогично современным печам, которые могут нагреваться газом, мазутом и др.)

— 4-й тип: Оборудование, которое использует начальный нагрев (до 70-110 град) теплом нашей СТС, а остальной нагрев (до необходимой температуры) делается газом, электричеством или другими альтернативами. Это оборудование может не требовать нужной температуры воды нашей СТС (аналогично современным системам горячего водоснабжения на солнечных коллекторах), поскольку оно может работать и на воде СТС с низкой температурой (30-70 град) и без тепла СТС вообще

Очевидно, что эти четыре типа строят иерархию: если СТС имеет дефицит тепла (зимой или во время несолнечных периодов), оборудование 4-го типа отключается (от СТС) в первую очередь. Если этот дефицит усиливается, мы отключаем (от СТС) оборудование 3-го типа, а оборудование 2-го типа отключается во время очень большого дефицита. Это дает возможность изменять потребность завода (в тепле СТС) без влияния на его технологические процессы

Если доля оборудования 1-го типа (в потребности тепла СТС) – есть 20-50 %, максимальная длительность несолнечных периодов (когда СТС является способной обеспечить оборудование 1-го типа теплом полностью) увеличивает в 1,5-3 раз (до 8-15 несолнечных дней)

Оборудование 4-го типа есть интересное из-за того, что оно может работать (на воде СТС) в периоды, когда аккумуляторы 38 охладились ниже 70-80 град, и поэтому мы есть вынужденные остановить оборудование типов 1, 2, 3

3) Иногда существует смысл добавить (к нашей СТС) резервную котельную на газе, угле, горючих отходах завода, мазуте, др. Эта котельная может располагаться на заводе или на СТС, и она имеет возможность нагревать (или превращать в пар) воду, которая идет от СТС на завод (это грязная вода аккумуляторов 38 или чистая техническая вода, которая нагревается водой СТС через теплообменники). Мощность этой котельной должна быть равная потребности всего оборудования 1-го типа. Система «СТС-котельная» дает 100 % гарантии поставок тепла на оборудование 1-го типа. Кроме того, эта котельная гарантирует работу оборудования 1-го типа, если наша СТС попадет в длинную остановку из-за повреждений от града, урагана и других погодных явлений. Но:

— Эта котельная требует дополнительных инвестиций. Мощность резервной котельной (для соответствия мощности нашей СТС) должна быть в диапазоне 1-3 МВт. Это соответствует ее стоимости около 0,4 миллиона USD. Но эти инвестиции могут не требоваться, если СТС строится для завода, который уже обслуживается такой котельной. Кроме этого, стоимость новой котельной может оказаться меньше, поскольку она будет работать только 3-20 % времени, и это уменьшает наши требования к ее КПД, долговечности и экологической чистоте

— Тепло этой котельной (стоимость этого тепла будет примерно в 10 раз больше, чем тепло нашей СТС) увеличивает стоимость всего тепла системы «СТС-котельная». Например (для климата моего Миргорода) если суточная потребность завода – 120 тысяч кВт-час и доля оборудования 1-го типа – есть 30 %: СТС дает (оборудованию всех четырех типов) 29 179 МВт-час тепла по цене 0,64 цент / кВт-час, и необходимость включения котельной (для оборудования 1-го типа) возникает только в ноябре-январе для производства 1 438 МВт-час тепла (например, по цене 5 цент / кВт-час); таким образом, смесь тепла (из обоих источников) имеет стоимость 0,84 цент / кВт-час. Но доля котельной на более южных СТС оказывается очень-очень низкой, и это уменьшает стоимость тепловой смеси почти до стоимости тепла СТС. Кроме того, использование пп.4-7 уменьшает стоимость кВт-час тепловой смеси и требования к мощности котельной

4) Выбор оптимального размера СТС:

Третий столбец следующей таблицы описывает потребление (оборудованием всех четырех типов) тепла нашей СТС по месяцам (второй столбец таблицы совпадает с последним столбцом второй таблицы Главы 6), если суточная потребность завода – есть 120 тысяч кВт-час. В скобках – доля тепла СТС в оборудовании всех четырех типов (остальное тепло идет от газа, электричества и др.). Мы можем видеть, что:

— Четыре месяца в год (май, июнь, июль, сентябрь) завод имеет избыток тепла от СТС. Поэтому СТС выбрасывает лишнее тепло (1 469 МВт-час) через два метода, которые были описанные в Главе 4 (через кипение аккумуляторов 38 и через ночное включение насосов 43)

— Теперь завод принимает от СТС только 29 179 МВт-час тепла в год. Учет этого увеличивает стоимость тепла (для стеклянных СТС) до 0,643 цент / кВт-час

— Завод имеет дефицит солнечного тепла (14 741 МВт-час) на протяжении остальных восьми месяцев. Он накрывает этот дефицит через альтернативные источники тепла оборудования типов 2, 3, 4 и через резервную котельную п.3

— кВт-час смеси из 29 179 МВт-час дешевого солнечного тепла (по 0,643 цент / кВт-час) и 14 741 МВт-час дорогого альтернативного тепла (по 5 цент / кВт-час) имеет общую стоимость 2,11 цент

Месяц

Производство СТС (МВт-час)

Потребление завода (МВт-час), если 120 МВт-час в день

То же, если 80 МВт-час в день

То же, если 40 МВт-час в день

Январь

727

727            (20 %)

727            (29 %)

727            (59 %)

Февраль

2 005

2 005            (58 %)

2 005            (86 %)

1 160 (100 %)

Март

2 546

2 546            (68 %)

2 480 (100 %)

1 240 (100 %)

Апрель

3 020

3 020            (84 %)

2 400         (100 %)

1 200         (100 %)

Май

4 097

3 720         (100 %)

2 480         (100 %)

1 240         (100 %)

Июнь

3 780

3 600         (100 %)

2 400         (100 %)

1 200         (100 %)

Июль

4 464

3 720         (100 %)

2 480         (100 %)

1 240         (100 %)

Август

3 434

3 434           (92 %)

2 480         (100 %)

1 240         (100 %)

Сентябрь

3 768

3 600         (100 %)

2 400         (100 %)

1 200         (100 %)

Октябрь

1 682

1 682           (45 %)

1 682           (68 %)

1 240         (100 %)

Ноябрь

694

694           (19 %)

694           (29 %)

694           (58 %)

Декабрь

431

431           (12 %)

431           (17 %)

431           (35 %)

Итого в год

30 648 МВт-час

29 179 МВт-час

(66 %)

22 659 МВт-час

(77 %)

12 812 МВт-час

(88 %)

Четвертый столбец этой таблицы описывает аналогичное, но теперь суточная потребность завода – есть 80 тысяч кВт-час. Теперь:

— Избыток тепла СТС продолжается семь месяцев (март-сентябрь), и СТС есть вынужденная выбросить 7 989 МВт-час лишнего тепла (это есть 26 % от производства тепла СТС)

— Дефицит солнечного тепла уменьшается больше чем в 2 раза (до 6 621 МВт-час)

— Завод принимает от СТС только 22 659 МВт-час тепла в год, и это увеличивает стоимость тепла (для стеклянных СТС) до 0,828 цент / кВт-час. Но стоимость кВт-час тепла смеси (22,659 млн. кВт-час по 0,828 цент и 6,621 млн. кВт-час по 5 цент) уменьшается до 1,77 цент / кВт-час

Пятый столбец этой таблицы описывает аналогичное, но теперь суточная потребность завода – есть 40 тысяч кВт-час. Теперь:

— СТС полностью обеспечивает завод на протяжении девяти месяцев (февраль-октябрь). Сбросы тепла достигают 17 836 МВт-час лишнего тепла (это есть 58 % от производства тепла СТС)

— Дефицит солнечного тепла уменьшается до небольших 1 828 МВт-час. Необходимость резервной котельной п.3 может оказаться сомнительной, поскольку СТС накрывает больше 30 % потребности завода по всем месяцам

— Стоимость тепла (для стеклянных СТС) увеличивается до 1,464 цент / кВт-час. Стоимость кВт-час тепла смеси (12,812 млн. кВт-час по 1,464 цент и 1,828 млн. кВт-час по 5 цент) увеличивается до 1,91 цент / кВт-час

Таким образом, экономическая целесообразность рекомендует использовать нашу СТС для завода с суточной потребностью 60-70 тысяч кВт-час тепла (это есть средняя потребность завода по всем дням года; это солнечное и альтернативное тепло для оборудования всех четырех типов), поскольку это дает минимальную стоимость тепла смеси (солнечное + альтернативное) – около 1,7 цент / кВт-час

Движение на юг уменьшает долю альтернативного тепла (в этой смеси), и это уменьшает стоимость кВт-час смеси; кроме этого, южные СТС имеют более низкую цену солнечного тепла, и доля их сбросов лишнего тепла (в производстве СТС) – есть меньше. Поэтому стоимость кВт-час смеси на южных заводах оказывается в несколько раз меньше (чем 1,7 цент для 50 град сев. широты)

Кроме этого, стоимость тепловой смеси зависит от сезонной потребности завода в тепле. Минимальная стоимость смеси достигается для большой потребности летом и небольшой потребности зимой; это есть многие заводы пищевой промышленности. Кроме этого, северные заводы требуют тепло для зимнего отопления своих цехов, складов и офисных помещений; это увеличивает стоимость тепловой смеси для них. Учет остановки завода на рождественские праздники дает небольшое уменьшение стоимости смеси

5) Перенос энергоемких технологий с ноября-января на лето: это есть очень хорошее решение для многих северных заводов, и иногда экономический смысл будет рекомендовать делать это. С одной стороны, стоимость тепловой смеси очень-очень заметно уменьшается (до нескольких раз для северных заводов). Но с другой стороны, завод будет требовать инвестиции для создания дополнительных производственных и складских мощностей, плюс требование увеличения оборотных средств завода, плюс небольшие проблемы с графиками использования рабочих рук

6) Некоторые энергоемкие технологии разрешают свою остановку на несколько дней (во время несолнечных периодов). Это уменьшает стоимость тепловой смеси и уменьшает требования к объему тепловых аккумуляторов СТС

7) Некоторые технологии разрешают изменять свою потребность в тепле. Например, иногда технология разрешает изменить температуру воды, и более высокий поток тепла является только желательным, поскольку он ускоряет технологический процесс или улучшает его качество. Уменьшение потока тепла является желательным зимой и во время несолнечных периодов, максимальный поток тепла рекомендуется летом (если это тепло не будет использовано, оно будет выброшено). Это уменьшает стоимость тепловой смеси тоже

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 33)

15) Приложение 4: Мои эксперименты и методы оценки производительности (Окончание):

Кроме этого, существуют следующие пять групп причин, которые уменьшают производительность СТС через течение времени: каждый год будет забирать до 1,5-2 % производительности, и через 20-30 лет работы уровень производительности СТС упадет до 60-80 % от уровня новой станции:

14) Старение стеклянных зеркал: они будут терять 0,5-1,5 % своего КПД в год. Существует несколько причин этого (эти причины есть описанные в Главе 4 Доклада 18): старение зеркального слоя, повреждения из-за градов, потери полос 1. П.14 не охватывает пленочные зеркала, поскольку они периодически меняются на новые, и их старение учитывается в п.8. Но если скорость уменьшения КПД стеклянных зеркал есть больше, чем 1,5 % в год, возникает экономический смысл их замены (например, через 15 или 10 год), поскольку доход от дополнительного тепла (из-за увеличения производительности СТС с новыми зеркалами) становится больше, чем стоимость замены стеклянных зеркал

15) Старение коллекторов: время постепенно (но очень-очень медленно) уменьшает КПД коллекторов из-за старения стекловаты 14, нарушения ее стыков с пленкой 15, разрушения досок 13. Эти детали меняться не будут (в отличие от пленки 15 и труб 12)

16) Старение концентраторов, которое увеличивает высоту зайчика от зеркал. Но влияние этого (на производительность СТС) – есть очень небольшое, хотя существует гипотеза, что время прогибает рычаг 7 (и планки 4), и это увеличивает высоту зайчика

17) Мы отказываемся от ремонта концентраторов: сломанные рычаги 7 и сломанные щиты (это листы 4 с планками 5 и зеркалами) удаляются с поля 84 (чтобы ветер не бросил их на концентраторы и коллекторы). Поэтому СТС постепенно теряет производительность. Ожидаемая скорость потери щитов (с зеркалами) – 0,5-1 % в год

18) Течение времени будет увеличивать частоту аварий (из-за износа оборудования станции), и это будет увеличивать потери КПД из-за п.13 (простои и временные уменьшения КПД)

 

«Таблицы производительности» для разнообразных городов (кроме Миргорода) формировались (в Главе 9) через следующие методы:

— «Пиковая мощность» (это третий элемент уравнений «таблиц производительности») на примере января для Малаги: 15 января Малаги и 27 февраля Миргорода имеют одинаковую высоту солнца над горизонтом в полдень (31,4 град); поэтому малагский январь получил «мощность» миргородского 27 февраля (это 490 Вт). Остальные «пиковые мощности» были получены аналогично, поскольку высота солнца в полдень – это одна из двух основных причин, которые формируют «мощность». Вторая причина (прозрачность атмосферы) имеет небольшое влияние, и она учитывается трудно

— «Приведенное время работы» (это второй элемент уравнений «таблиц производительности») рассчитывалось на базе «солнечного on-line калькулятора» через разнообразные тригонометрические вычисления, которые учитывают попадание зайчика в коллектор, изменение горизонтального угла падения радиации, изменение силы солнца на протяжении года и дня (из-за изменения его высоты), распределение радиации по высоте зайчика, распределение коэффициента поглощения по высоте коллектора и др. Оказалось, что все города имеют примерно одинаковые «времена работы» в летнее солнцестояние (21 июня). «Времена» для весеннего и осеннего равноденствий (21 марта, 21 сентября) отличаются мало: 5,81 час на 60 град сев. широты, 5,95 час на 50 град, 6,09 час на 40 град, 6,21 час на 25 град. Но «времена» для зимнего солнцестояния имеют заметные отличия (поскольку зимнее северное солнце быстро теряет свою силу при движении от полудня в сторону вечера или утра): 2,17 час на 60 град сев. широты, 3,82 час на 50 град, 4,83 час на 40 град, 5,12 час на 25 град

— Первые элементы уравнений («количество солнечных дней») были получены через следующую процедуру. Сначала я взял данные о количестве солнечных часов в день по различным месяцам (для разнообразных городов) из www.climatemps.com (Но Lhasa – из Hong Kong Observatory). Затем я поделил эти «количества солнечных часов» на продолжительность дня в различные месяцы этих городов (эта продолжительность зависит только от географической широты города; я брал эту продолжительность из «солнечного on-line калькулятора»). Затем я умножил все результаты на «коэффициент К» (его смысл – в следующем абзаце); результаты этого – есть «коэффициенты солнечного сияния». «Количество солнечных дней» — это умножение «коэффициента сияния» на количество дней в месяце

Коэффициент К устраняет разницу между моим методом получения «коэффициента солнечного сияния» (поскольку остальные элементы «таблиц производительности» опираются на этот метод, и он есть описанный в начале этого Приложения) и методом из www.climatemps.com. Следующая таблица показывает процедуру вычисления «коэффициента К»:

— Ее второй столбец – это «количество солнечных дней» для Киева (это есть аналог моего Миргорода) на базе www.climatemps.com

— Ее третий столбец – это мои реальные измерения «количества солнечных дней» для Миргорода в 2010 (с октября)

— Ее четвертый столбец – аналогичные измерения в 2011

— Ее пятый столбец – аналогичные измерения в 2012

— Ее шестой столбец – аналогичные измерения в 2013 (Это пишется в начале июля 2013)

— Ее последний столбец – это есть среднее столбцов 3, 4, 5, 6

Киев

(по www. climatemps. com)

Миргород 2010

Миргород 2011

Миргород  2012

 

Миргород  2013

Мой метод (среднее четырех столбцов)

Январь

5,1

5,1

7,4

1,6

4,7

Февраль

6,4

8,8

13,2

6,9

9,6

Март

9,4

15,4

13,5

7,6

12,2

Апрель

11,8

10,6

15,3

13,1

13,0

Май

16,7

19,5

21,7

23,2

21,5

Июнь

16,7

16,2

20,9

21,8

19,6

Июль

18,1

18,5

24,5

21,5

Август

17,3

19,4

18,4

19,8

Сентябрь

14,9

20,3

19,8

20,0

Октябрь

11,5

8,8

13,5

10,6

11,0

Ноябрь

5,6

6,0

6,4

6,5

6,3

Декабрь

3,7

4,1

3,8

5,6

4,5

T O T A L

137,2 день

 

 

 

 

163,7 день

Таким образом, коэффициент К равен 1,179 (= 163,7 / 137,2)

Иногда (это есть несколько месяцев в Phoenix, Allahabad и Lhasa) месяц имеет больше солнечных дней, чем календарных. Мы можем интерпретировать это, как много солнечных дней с аномальной прозрачностью неба (эти дни получают оценки по 1,05 и больше), которая есть очень часто в пустынях, горах и тропиках. Хотя, возможно, это есть следствие использования различных (а не одного одинакового) методов измерения солнечных сияний в www.climatemps.com для различных городов (и это уменьшило киевский результат по www.climatemps.com) и / или 2011 и 2012 были аномально солнечные в моем Миргороде (и это увеличило миргородский результат согласно моему методу). Использование «коэффициента К» есть обязательное, поскольку он согласовывает «солнечные сияния» с нашим пониманием «пиковой мощности» и «приведенного времени и работы»; кроме того, это устраняет влияние различий в понимании «длительности дня» между www.climatemps.com и «солнечным on-line калькулятором»

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 32)

15) Приложение 4: Мои эксперименты и методы оценки производительности (2-е продолжение):

Но реальная производительность нашей СТС окажется меньше, чем сообщения «базовой таблицы производительности», поскольку следующие 13 шт. групп причин будут влиять на производительность СТС:

1) Утечки тепла: кроме утечек через пленку 15 и стекловату 14 (они уже есть учтенные в «таблице производительности»), утечек из аккумуляторов 38 и утечек во время передачи тепла с СТС на завод (эти утечки учитываются в «таблицах теплового баланса»). Сейчас мы учитываем остальные утечки:

 

Средняя площадь утечки

Толщина теплоизоляции

Утечка за сезон

Шланги 21-22

60 кв. м

1 см

30,6 МВт-час

Трубопроводы 42

280 кв.  м

5 см

28,6 МВт-час

Трубопроводы 41

340 кв. м

8,5 см

20,4 МВт-час

Трубопроводы 39

940 кв. м

15 см

156 МВт-час

Трубы будки 40 (и емкость 46)

160 кв. м

9 см

44,2 МВт-час

С У М М А

 

 

280 МВт-час

Но насосы 43-44 расходуют 114 МВт-час электроэнергии в год. Примерно половина этой энергии (КПД этих насосов – 50-60 %) станет кинетической энергией воды, и она будет рассеяна (через трение) в тепло воды аккумуляторов 38 (остальная половина из 114 МВт-час станет теплом корпусов насосов и их электродвигателей, и она будет рассеяна в воздух будки 40). Таким образом, 57 МВт-час этого тепла компенсируют часть тепловых утечек 280 МВт-час

Итого, потеря 223 МВт-час в год – это потеря 0,6 % производительности СТС.

2) Потери тепла при включении системы: отсутствие работы охлаждает коллекторы (и трубопроводы 41-42) до температуры уличного воздуха (хотя трубы 12 обычно будут на 5-20 градусов теплее улицы из-за их нагрева рассеянной солнечной радиацией и других причин). Затем включение системы забирает полезное тепло воды на нагрев холодных деталей

Больше 80 % этого тепла идет на нагрев 110 т стальных труб 12. Их нагрев на 85 град требует 1,1 МВт-час тепла. Плюс 0,15 МВт-час на нагрев 13 т стали трубопроводов 41-42 на 95 град. Плюс частичный нагрев стекловаты 14 и теплоизоляции трубопроводов 41-42. Итого – 1,3 МВт-час потерь полезного тепла. Эта потеря компенсируется на протяжении 2-5 минут работы системы под солнцем. Поэтому единичное появление солнца из-за туч на протяжении этого времени оказывается бесполезным для нас (а более короткое единичное появление солнца только забирает полезную энергию). Но серия коротких появлений солнца дает положительный нагрев, поскольку система не успевает полностью охладиться за промежуток времени между соседними появлениями солнца

Существует следующий метод уменьшения этих потерь. За 7-9 минут до окончания работы насосов 43, они включаются на полную мощность. Это уменьшает температуру их воды внутри труб 12 (из-за увеличения ее потока), но это не мешает работе турбогенераторов, поскольку новый поток еще не дошел до них через путь всех труб 12 и трубопроводов 39. Насосы 43 выключаются, когда этот поток достигает турбогенераторов. Этот метод уменьшает (на 5-20 град) температуру стенок труб 12 и трубопроводов 41-42, и это дает уменьшение наших потерь тепла на 0,1-0,2 МВт-час за одно выключение

Мой анализ миргородского сезона 2012 дал следующее:

— Система имеет 110 включений (в год) после полного охлаждения с потерей по 1,2 МВт-час. Итого – 132 МВт-час потерь

— Плюс 710 включений после частичного охлаждения (через 10-40 минут после выключения, или на фоне хорошего нагрева коллекторов слабым солнцем, или во время первого утреннего включения, когда солнце нагрело верхние (зимой) или нижние (летом) трубы коллекторов). Это еще 400-500 МВт-час потерь

— Плюс потери из-за медленного ухода воды из коллекторов: эта вода задерживает уменьшение тепловой утечки из коллекторов (она задерживает уменьшение разницы температур между внешней поверхностью труб 12 и воздухом улицы). Наши насосы 45 удаляют воду (из труб 12) на протяжении 7 минут; это добавляет около 0,2 МВт-час потерь для каждого из 820 шт. выключений в год. Итого, все дополнительные потери – 164 МВт-час

— Кроме этого, система будет работать около 28 часов на коротких исчезновениях солнца длительностью от 1 до 10 минут; оператор не будет выключать систему во время этих «исчезновений», и вода аккумуляторов 38 (с температурой 75-100 град) будет идти по трубам 12, а СТС будет терять тепло со скоростью около 4 МВт. Таким образом, наши дополнительные потери – 112 МВт-час

Итого, все эти потери – около 858 МВт-час. Это потеря 2,3 % производительности СТС

3) Тени и заслонения:

— Тень от планки 16 (на нижнем зеркале концентратора) забирает 0,9 % производительности СТС

— Заслонение планки 17 (она заслоняет коллектор от фотонов с нижнего зеркала концентратора) забирает 0,5 % производительности

— Тени и заслонения рычага 7: они появляются только ранним утром и поздним вечером, и их влияние на производительность СТС есть очень слабое – меньше 0,1 % потери

— Тени от коллектора: они могут появиться утром и вечером на нижнем краю верхнего зеркала, а в полдень – на верхнем краю нижнего зеркала. Они забирают меньше чем 0,3 % производительности

— Тень от более южного ряда концентраторов (на нижнем краю нижнего зеркала в декабре). Ее влияние зависит от расстояния между рядами концентраторов. Наше расстояние (7,5 м для 50 град сев. широты) – это потеря 0,55 % производительности (см. начало главы 3)

— Тени от диагональных планок усиления ряда планок 16: три планки усиления на один ряд из 90 шт. секций – это потеря 0,05 % производительности СТС

— Разнообразные тени на краю ряда (это тот край, который располагается около трубопровода 39): тени от шлангов 21-22, тени от трубопроводов 41-42, тень от аккумуляторов 38. Эти тени падают только на 1-5 крайних секций, и их влияние есть очень небольшое – меньше 0,05 % производительности СТС

4) Потери на краях рядов:

— В полдень солнечный зайчик (от зеркал ряда концентраторов) полностью попадает в пределы ряда коллекторов, но он весь день двигается по горизонтали в направлении востока. Поэтому после полудня зайчик начинает выходить за пределы восточного края ряда коллекторов. Утром он тоже выходит за пределы ряда коллекторов (но за западный край ряда): сначала его промах по горизонтали – есть 1-2 м, но этот промах постепенно уменьшается до полудня. Средний (по всему солнечному дню) промах зайчика мимо коллекторов – около 0,5 м с учетом большего веса полуденных часов по сравнению с утренними и вечерними. Поэтому потери производительности нашей СТС – это 0,26 % (= 0,5 м / 190,8 м длины ряда). Но мы уменьшаем эти потери, если расстояние между соседними (в направлении запад-восток) рядами будет минимальным, поскольку потерянный зайчик ряда концентраторов будет попадать в соседний ряд коллекторов. Еще один метод уменьшения этих потерь – это увеличение ширины крайних секций коллекторов (крайние коллекторы выходят за пределы ряда концентраторов)

Кроме этого, существует еще несколько небольших причин потери КПД (их влияние – около 0,02 % потери производительности): потери из-за изгиба шлангов 25, 34, потери из-за тени от выхода обратного клапана 32 на улицу, из-за утечек тепла через металл клапана 32 и через доски 27 с слоем 28, из-за заслонения стекловаты 28

5) Влияние окружения СТС: сила солнца может уменьшаться из-за городского смога, дыма из труб промышленных предприятий, горения леса или торфяников. Это с южной стороны поля 84. Плюс возможность солнечного затмения

6) Качество изготовления зеркал, концентраторов и коллекторов. «Таблица производительности» формировалась на базе уровня качества этих устройств в моих экспериментах. Если качество зеркал и коллекторов СТС окажется хуже, это уменьшит ее производительность. Если это качество окажется лучше, это увеличит производительность СТС. Если высота зайчика наших зеркал окажется меньше, чем 8-12 см, производительность СТС увеличится. Но если высота зайчика окажется больше, наша производительность будет меньше

7) Временная пыль и грязь на зеркалах и пленке 15:

— Стеклянные зеркала собирают много грязи (но этот процесс замедляется зимой), которая не смывается дождями (но она хорошо смывается снегом во время зимних оттепелей). Поэтому мы делаем «малые мойки» зеркал (эта операция учитывалась в «эксплуатационных расходах» стеклянных зеркал). 3 шт. «малых моек» в год (май, июль, сентябрь) – это 2 % средней (по всему году) потери производительности СТС из-за пыли и грязи на зеркалах. Если мы увеличиваем количество «малых моек», эти потери уменьшаются

— Кроме этого, существует «большая мойка» стеклянных зеркал (эта операция есть учтенная в «эксплуатационных расходах» зеркал): она удаляет сложную грязь, которая не может быть удалена «малыми мойками». Наша периодичность «больших моек» (раз в 3-7 год) – это 0,7 % средней (по всем годам) потери производительности СТС из-за сложной грязи

— Пленочные зеркала моются дождем (или снегом) очень хорошо, и поэтому они не нуждаются в дополнительных мойках. Средний уровень пыли на них – меньше 1 % потери производительности СТС

— Пыль на внешней стороне пленки 15 – это есть проблема, поскольку пленка 15 смотрит вниз, и поэтому она плохо моется дождями, а снег не попадает на нее. Поэтому существует операция периодической мойки пленки 15 (эта операция учитывалась в эксплуатационных расходах коллекторов)

8) Старение пленки 15, покраски труб 12 и зеркал. Коэффициент пропускания пленки 15 постоянно ухудшается из-за разрушения ее полимерной структуры, накопления волосков стекловаты и пыли на внутренней стороне, накопления несмываемой грязи на внешней стороне. Поэтому пленка 15 периодически заменяется на новую, а средняя потеря нашей производительности из-за ее старения – около 0,5 %

Черная краска труб 12 (и стекловаты 14) стареет тоже: время (и солнце) уменьшает коэффициент ее поглощения до новой перекраски. Средняя потеря нашей производительности из-за этого – около 0,2 %

Старение пленочных зеркал дает очень большую потерю производительности СТС (старение стеклянных зеркал учитывается в п.14). Мы меняем их на новые зеркала тогда, когда коэффициент отражения старых зеркал опустится до уровня 0,85-0,9 от коэффициента отражения новых зеркал. Поэтому средняя потеря производительности СТС (по всем месяцам жизни пленочного зеркала) – 5-6 % в год

9) Влияние природных явлений на производительность СТС:

— Роса: она не является проблемой для коллектора, хотя появляется на пленке 15 часто. Утром солнечный зайчик (от наших зеркал) постепенно накрывает ее и испаряет (уменьшение производительности отсутствует). Кроме этого, роса очень любит стеклянные зеркала, и она может уходить с них очень долго (до нескольких часов). Пленочные зеркала накрываются росой тоже, но утреннее солнце быстро убирает ее до начала работы системы

— Иней: аналогичная ситуация, но солнце удаляет иней в несколько раз дольше. Пленочные зеркала имеют мало потерь производительности из-за инея, но стеклянное зеркало остается покрытым инеем (после появления солнца) дольше. Интересная ситуация с инеем на пленке 15: он может остаться на нижней части пленки до 10-11 часов утра, когда солнечный зайчик опустится полностью на коллектор и не растопит иней там

— Дождь: он оставляет большие капли на поверхности зеркал, которые могут уменьшить нашу производительность во время первого (после дождя) появления солнца из-за туч. Солнце удаляет эти капли с пленочных зеркал быстро. Но стеклянные зеркала остаются с каплями дольше

— Ветер: он незначительно увеличивает утечки тепла из коллекторов (через пленку 15 и стекловату 14)

— Снег: он любит налипнуть на поверхность нижних зеркал слоем с толщиной несколько сантиметров. Верхние зеркала  располагаются более вертикально, но и они могут покрыться снегом. Но появление солнца быстро удаляет снег с пленочных зеркал; например, результаты от 25 января 2012: через 10 минут снег сполз с 60 % поверхности нижних зеркал, еще 20 % поверхности освободились от снега в следующие два часа, но 20 % поверхности остались со снегом (до вечера, когда я убрал его метелкой). Но стеклянные зеркала освобождаются от снега дольше. Поэтому существует операция удаления снега с стеклянных зеркал (она есть учтенная в «эксплуатационных расходах»)

10) Запотевания внутренней стороны пленки 15: они появляются, если вода попала внутрь коллектора. Обычно запотевания покрывают не всю пленку, а только ее участки. Солнечный зайчик убирает эти запотевания с огромным трудом, и этот процесс может достигнуть несколько часов. Эти запотевания уменьшают производительность СТС (из-за уменьшения коэффициента пропускания пленки 15)

Поэтому крепления нижнего края пленки 15 (на нижней доске 13) располагаются с увеличенным интервалом, чтобы стык «пленка-доска» оказался немного неплотным. Это дает небольшую вентиляцию коллектора уличным воздухом, который уносит влагу из него. Но эта вентиляция является утечкой тепла, которая уменьшает производительность СТС тоже

11) Вертикальные перестройки концентраторов: «таблицы производительности» думают, что мы каждый день делаем вертикальную перестройку для нацеливания солнечного зайчика на середину коллектора (это пример для весеннего и осеннего равноденствий) в полдень. Но мы решили делать вертикальные перестройки через 3-4 град изменения высоты солнца в полдень (попадание зайчика в середину коллектора происходит в середине мартовских и сентябрьских периодов между двумя перестройками). Это дает среднюю (по всем периодам года) потерю около 0,6 % производительности СТС (для нашего фокусного расстояния концентратора, высоты коллектора и высоты зайчика)

12) Ошибки настройки концентраторов: идеально настроенные концентраторы – это одновременное попадание зайчиков всех секций концентраторов в одинаковую высоту коллекторов. Но реальная настройка будет иметь отклонения от этих правил, 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 2 см», то мы теряем меньше 0,2 % нашей производительности

13) Простои (и временные уменьшения КПД) из-за разнообразных аварий. Наиболее частая авария – это «перегрев коллекторов» (когда коллекторы остаются под солнцем и без воды дольше, чем на 15-50 минут): черная краска труб 12 становится серой, а пленка 15 мутнеет, получает дырки и растягивается. Эти коллекторы будут работать с уменьшением КПД (на 5-40 %) до тех пор, пока мы заменим краску и пленку. Простои (станции, блока, ячейки) возникают из-за разнообразных причин, например, аварии аккумуляторов 38 и насосов 43, замерзания трубопроводов 41-42 и труб будок 40, аварии трубопроводов 39, 41-42

Далее моя оценка потерь производительности СТС по пп.1-13:

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Стеклянные зеркала

0,6 %

2,3 %

2,3 %

0,3 %

0,1 %

0

3 %

0,7 %

0,4 %

0,2 %

0,6 %

0,1 %

0,2 %

Пленочные зеркала

0,7 %

2,6 %

2,3 %

0,3 %

0,1 %

0

1 %

6 %

0,3 %

0,2 %

0,6 %

0,1 %

0,2 %

Таким образом:

— «Таблица производительности» (для реальной СТС с стеклянными зеркалами) получается из умножения «базовой таблицы производительности» на коэффициент 0,897. Этот коэффициент есть результат умножения КПД всех 13 шт. пунктов (по правилу: КПД = 1 – «потеря производительности»)

— Результат умножения всех 13 шт. пунктов (для случая пленочных зеркал) – есть 0,864. «Таблица производительности» (для СТС с пленочными зеркалами) – есть умножение «базовой таблицы производительности» на коэффициент 0,800 (= (6,25 / 6,75) х 0,864)

— Производительность 1 кв.м пленочного зеркала – это 89,2 % производительности 1 кв. м стеклянного зеркала (= (6,25 х 0,864) / (6,75 х 0,897))

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 31)

15) Приложение 4: Мои эксперименты и методы оценки производительности (1-е продолжение):

Один кв. метр стеклянного зеркала производит следующую энергию (это тепло, которое усваивается водой коллекторов и заходит в тепловой аккумулятор) на протяжении года в моем г.Миргород (это есть «базовая таблица производительности»):

Месяц

 

Итого за месяц

Январь

7,4 дней        х 4,06 час    х 472 Вт =

14,2 кВт-час

Февраль

13,25 дней    х 5,08 час    х 526 Вт =

35,4 кВт-час

Март

13,45 дней    х 5,85 час    х 567 Вт =

44,6 кВт-час

Апрель

15,25 дней    х 5,82 час    х 587 Вт =

52,1 кВт-час

Май

21,75 дней    х 5,41 час    х 594 Вт =

69,9 кВт-час

Июнь

20,9 дней      х 5,20 час    х 594 Вт =

64,6 кВт-час

Июль

24,55 дней    х 5,26 час    х 587 Вт =

75,8 кВт-час

Август

18,4 дней      х 5,57 час    х 574 Вт =

58,8 кВт-час

Сентябрь

19,8 дней      х 5,89 час    х 553 Вт =

64,5 кВт-час

Октябрь

10,6 дней      х 5,44 час    х 520 Вт =

30,0 кВт-час

Ноябрь

6,5 дней        х 4,43 час    х 466 Вт =

13,4 кВт-час

Декабрь

5,6 дней        х 3,69 час    х 439 Вт =

9,1 кВт-час

Итого за сезон

 

532,4 кВт-час

, где (на примере январского уравнения «7,4 дней х 4,06 час х 472 Вт =»):

«472 Вт» — это есть пиковая мощность одного кв. метра стеклянного зеркала в январские дни. Обычно, это есть около полудня в обычный солнечный день в середине января. Ее теоретическое объяснение: это есть полное КПД нашей системы (это 55-65 %), которое есть умноженное на мощность потока солнечной радиации в полдень обычного солнечного дня месяца (это 700-1000 Вт / кв. м на протяжении года)

Мои эксперименты (в 2013) измерили отношение пиковой мощности 1 кв. м стеклянного зеркала к силе солнца (которая измерялась через мой люксометр). Ее среднее значение – это есть 6,82 на средней разнице температур (между водой коллектора и воздухом улицы) около 46 град. Это есть для следующих условий: высота зайчика 14-20 см, активная высота коллектора – 17,5 см, фокусное расстояние концентратора 110 см. Но изменение наших условий немного ухудшает наш коэффициент (до 6,7-6,8), поскольку:

— Мы будем иметь проигрыш КПД (по сравнению с моими экспериментами) из-за увеличения утечки тепла через пленку 15. Эта утечка увеличивается из-за увеличения свободной высоты пленки (с 27 см до 30 см), но мы имеем более низкую утечку тепла через стекловату 14 из-за увеличения ее толщины (5-10 см вместо 5 см в моих экспериментах). Все это увеличивает коэффициент утечки тепла из коллектора с 0,808 Вт / (град х кв. м зеркала) до 0,86 Вт / (град х кв. м)). Это дает дополнительную потерю мощности около 2,4 Вт на кв. м зеркала (это есть потеря около 0,4 % КПД) на разнице температур 46 град

— Кроме того, эта утечка тепла (из коллектора) увеличивается из-за увеличения разницы температур между водой и воздухом: с средних 46 град (в моих экспериментах) до средних 85 град (в нашей СТС). Это дает дополнительную потерю мощности 37,8 Вт на кв. м зеркала (около 5,6 % КПД)

— Но активная высота наших коллекторов будет больше (20 см), а высота наших зайчиков будет меньше (8-12 см из-за более качественного изготовления зеркал и концентраторов, плюс возможно из-за НИОКР). Это уменьшает потери радиации зайчика (из-за промаха мимо коллектора) с 3-6 % до 0,2-0,5 %

— Увеличение фокусного расстояния концентратора (с 110 см до 115 см) немного улучшает наш КПД (на 0,5 %) из-за уменьшения влияния пп. 3, 4 Главы 6 Доклада 17 и п.5 Главы 4 Доклада 18

Таким образом, мы используем коэффициент 6,75 (это есть для стеклянных зеркал; пленочные зеркала имеют иной коэффициент). Этот коэффициент умножается на силу солнца в обычный солнечный день месяца (эта сила измерялась моим люксометром в Миргороде на протяжении сезонов 2011 / 12 и 2012 / 13): январь – 70, февраль – 78, март – 84, апрель – 87, май – 88, июнь – 88, июль — 87, август — 85, сентябрь – 82, октябрь – 77, ноябрь – 69, декабрь – 65. Результат этого умножения – это есть «пиковая мощность», которая используется в миргородской «таблице производительности»

— «4,06 час х 472 Вт» — это есть тепло (в кВт-час), которое производится через 1 кв. м зеркала на протяжении обычного январского солнечного дня. «4,06 час» — это не есть время реальной работы системы от ее включения до ее выключения (система реально работает около 6 часов в январе); обычно это называют «приведенное время работы». Это есть объем производства тепла на протяжении солнечного дня (1,916 кВт-час в середине января), который есть деленный на пиковую мощность. Выводы о «приведенном времени работы» (для различных месяцев миргородского года) — это были компромиссы между следующими двумя методами. Во-первых, объем тепла дается экспериментом, который измеряет мощность 1 кв. м зеркала на протяжении всего дня, как было описано выше; но улучшение наших условий по сравнению с моими экспериментами до марта 2012 (уменьшение фокусного расстояния концентратора, увеличение высоты коллектора, уменьшение высоты солнечного зайчика) дает более длинное «приведенное время работы» (на 5-15 % больше по сравнению с результатами моих экспериментов), поскольку зайчик находится внутри коллектора дольше. Во-вторых, это теоретические расчеты на базе «солнечного on-line калькулятора» (из Internet) через разнообразные тригонометрические вычисления, которые учитывают попадание зайчика в коллектор, изменение горизонтального угла падения радиации, изменение силы солнца на протяжении года и на протяжении дня (из-за изменения его высоты), распределение радиации по высоте зайчика, распределение коэффициента поглощения по высоте коллектора и др. Эти два метода дают очень близкие результаты

— «7,4 дней» — это количество «солнечных сияний» в январских днях сезона 2012. Я измерял «сияния» не по «правилам гелиографа», а по результатам измерений потока радиации на мои экспериментальные коллекторы, по измерениям мощности системы, по измерениям силы солнца моим люксометром и по результатам наблюдений за поведением солнца каждый день на протяжении сезона 2012. Обычный солнечный день без облаков – это 1,0, если результат люксометра был около 70 (это есть для полудня середины января). Солнечный день с аномальной прозрачностью неба – это до 1,05-1,1; но это есть очень большая редкость; например, только 4 шт. дней сезона 2012 получили оценки 1,05. Но существуют части дня с очень большой аномальной прозрачностью (например, люксометр показывал до 96 в полдень 2 апреля 2012, хотя обычный день начала апреля – это 85-86); обычно аномальная прозрачность неба появляется между облаками после дождя; мороз дает улучшения прозрачности тоже. Солнечный день без облаков, но с ухудшением прозрачности неба (дымка) – это от 0 до 0,95 в зависимости от мощности потока радиации на коллекторы (граница «нулевого результата» — это когда тени есть, но они очень слабые). Туман, мгла и полупрозрачные облака считались как дымка аналогичной интенсивности. Облака с просветами солнца давали 0,05-0,95 пропорционально коэффициенту их просветов, но я учитывал только время работы системы (с 9.00 до 15.00 в середине января), и вес времени около полудня был больше, чем утром или вечером. Периоды аномальной прозрачности, дымки, полупрозрачных облаков, мглы, тумана считались аналогично и согласно их интенсивности. Короткий просвет в облаках (меньше 1-3 минут) игнорировался, поскольку оператор СТС не будет включать насосы 43 из-за этого. Но серии коротких просветов считались как дымка аналогичной интенсивности. Все короткие облака и их серии учитывались в уменьшении коэффициента сияния

Наши «таблицы производительности» не учитывают утечки тепла из аккумуляторов 38, и они не учитывают сбросы лишнего тепла. Сейчас мы интересуемся только теплом, которое вошло в аккумуляторы 38, а эти утечки и сбросы учитываются в «таблицах балансов» из глав 6, 9

Другие условия составления «таблиц производительности»:

— Это есть таблица для 20 см активной высоты коллектора и 115 см фокусного расстояния концентраторов. Высота солнечного зайчика – это 8-12 см

— Мы думаем, что наши зеркала есть новые, и они имеют качество моих экспериментальных стеклянных зеркал, и они не имеют грязи и пыли

— Наши коллекторы имеют качество на уровне моего последнего коллектора, со свежей перекраской труб-стекловаты и с новой чистой пленкой 15

— Попадание середины солнечного зайчика в коллектор в полдень: в летнее солнцестояние – 6-7 см выше середины коллектора, в зимнее солнцестояние – 5-6 см ниже середины коллектора, в весеннее и осеннее равноденствия – в середину коллектора

Пленочные зеркала опираются на коэффициент 6,5-6,7, который был достигнутый в моих экспериментах августа-октября 2012 (в конце моих работ по улучшению пленочной системы). Это для следующих условий: высота зайчика 14-22 см, активная высота коллектора – 17,5 см, фокусное расстояние концентратора – 125 см,  разница температур между водой и воздухом – 20-25 град. Но изменение наших условий уменьшает этот коэффициент (до 6,2-6,3) для «таблиц производительности» пленочных зеркал, поскольку:

— Дополнительная потеря КПД (на 0,2 % на разнице температур 20-25 град) возникает из-за увеличения коэффициента утечки тепла из коллектора с 0,808 Вт / (град х кв. м зеркала) до 0,86 Вт / (град х кв. м)), поскольку свободная высота пленки 15 увеличивается (с 27 см до 30 см), хотя это частично компенсируется через уменьшение утечки тепла через стекловату 14 из-за увеличения ее толщины (5-10 см вместо 5 см в моих экспериментах)

— Кроме того, эта утечка тепла (из коллектора) увеличивается из-за увеличения разницы температур между водой и воздухом: с средних 20-25 град (в моих экспериментах) до средних 85 град (в нашей СТС). Это дает дополнительную потерю КПД около 9,6 %

— Увеличение активной высоты коллекторов (до 20 см) и уменьшение высоты наших зайчиков (до 8-12 см из-за уменьшения фокусного расстояния концентратора, из-за более качественного изготовления зеркал и концентраторов, плюс возможно из-за НИОКР) уменьшают потери радиации зайчика (из-за промаха мимо коллектора) с 3-8 % до 0,2-0,5 %

— Уменьшение фокусного расстояния концентратора (с 125 см до 115 см) делает наш КПД меньше (на 0,7 %) из-за увеличения влияния пп. 3, 4 Главы 6 Доклада 17

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 30)

15) Приложение 4: Мои эксперименты и методы оценки производительности (Начало):

Измерения мощности моих солнечных систем начались в октябре 2011. Затем я потратил один год, чтобы увеличить КПД системы почти в 2 раза: 17 октября 2011 один кв. м зеркал давал 276 Вт в полдень, а 22 октября 2012 – уже 498 Вт

Таким образом, я делал замеры мощности в следующих девяти различных ситуациях (это были замеры с пленочными зеркалами):

1) Начало октября 2011: я установил три секции концентратора 3-го типа (Доклад 5) с коллектором 1-го типа (Доклад 7) длиной 4,3 м и активной высотой 17 см (но коллектор имел много ошибок). Плюс новые зеркала, но с очень плохим качеством. Высота зайчика – 20-30 см (форма зеркал была очень далекая от идеала). Аккумулятор (объем – 55 литр) стоял в подвале дома и соединялся с коллекторами через два шланга по 8 м. Точность учета тепловых утечек (из шлангов и аккумулятора) – низкая

2) Середина октября: я переделал коллектор для исправления нескольких ошибок его конструкции

3) Начало ноября: я опять переделал коллектор для исправления его ошибок. Кроме этого, тень от коллектора начала падать на низ зеркал (это особенность концентратора 3-го типа) и до конца ноября она накрывала около 15 % площади зеркал. Помимо этого, концентратор 3-го типа имеет неподвижный коллектор, и поэтому высота зайчика постепенно увеличивалась (в конце ноября было 25-35 см) из-за нарушения фокусировки

4) Декабрь: я переделал все три секции в концентратор 4-го типа (Доклад 11). Его фокусное расстояние 150 см. Кроме этого, я сделал корректировку формы зеркал, и это уменьшило высоту зайчика до 15-25 см. Помимо этого, я установил новый коллектор: 2-й тип (Доклад 8), длина 2,6 м, активная высота 18 см. Плюс, 20-22 января я увеличил объем аккумулятора до 240 литр

5) Конец января 2012: более точный учет тепловых утечек

6) Конец февраля: я уменьшил фокусное расстояние концентратора до 130 см и сделал новую корректировку формы зеркал. Кроме этого, я установил новые зеркала с лучшим качеством, чем в пп.1-5. Высота зайчика уменьшилась до 12-20 см.

7) Апрель: я разобрал все три секции концентратора и установил одну секцию на новом месте. Это был концентратор, который есть очень близкий к 1-му типу (это наш тип концентраторов из Главы 1). Плюс половина новых зеркал (но их качество не отличалось от зеркал п.6). Плюс новая корректировка формы зеркал. Высота зайчика – 12-18 см. Фокусное расстояние концентратора – 125 см. Кроме этого, я сделал и установил новый коллектор 3-го типа (Это наш тип коллекторов из Главы 1) длиной 121,5 см и активной высотой 17,5 см. Но без черной покраски стекловаты (она имела светлую желтую поверхность). Аккумулятор (объем – 55 л) был установлен под концентратором и соединялся (с коллектором) через два шланга по 2,5 м. Плюс более точный учет утечек тепла, и экспериментальное измерение нагрева воды насосом

8) Июль: я переставил концентратор-коллектор-аккумулятор на новое место. Плюс новая корректировка формы зеркал. Но высота зайчика увеличилась до 14-20 см. Плюс черная покраска стекловаты коллектора

9) Начало октября 2012: я установил новые зеркала, но их качество не превысило зеркала пп.6-8. Плюс новая корректировка формы зеркал, но зайчик оказался высоким (15-22 см)

Далее мои замеры мощности системы в этих девяти ситуациях. Это есть мощность системы (я вычитал утечки теплоты аккумулятора и шлангов его соединения с коллектором и учитывал влияние насоса), которая есть разделенная на площадь работающих зеркал концентратора (я вычитал площади разнообразных теней, но не вычитал тень от коллектора до января 2012 – см п.3). Это пиковые (максимальные) мощности в измерениях разнообразных дней:

Дата

Ситу-ация

Время пика

Сила солнца (по люксо-метру)

Темпе-ратура воды в коллекторах

Темпе-ратура воздуха улицы

Мощ-ность 1 кв. м зеркала

Эта мощность на едини-цу силы солнца

17.10.11

№ 1

11.03-11.13

Х

+ 62

+ 10

276 Вт

х

23.10.11

№ 2

12.40-12.54

Х

+ 63

+ 12

340 Вт

х

18.11.11

№ 3

11.15 -11.28

Х

+ 52

+ 2

218 Вт

х

23.11.11

№ 3

12.00-12.16

Х

+ 49

+ 3

240 Вт

х

24.11.11

№ 3

10.04-10.16

Х

+ 59

— 4

246 Вт

х

16.01.12

№ 4

12.37-12.58

Х

+ 23

— 2

313 Вт

х

27.01.12

№ 4

12.00-13.00

Х

+ 32

— 11

294 Вт

х

28.01.12

№ 4

10.50-11.54

Х

+ 40

— 12

302 Вт

х

01.02.12

№ 5

13.00-14.00

Х

+ 57

— 15

290 Вт

х

02.02.12

№ 5

10.00-11.00

Х

+ 48

— 18

303 Вт

х

07.02.12

№ 5

11.09-12.03

Х

+ 28

— 14

310 Вт

х

16.02.12

№ 5

11.01-11.48

Х

+ 19

— 9

315 Вт

х

10.03.12

№ 6

12.22-13.00

Х

+ 45

+ 4

434 Вт

х

13.03.12

№ 6

11.14-12.00

Х

+ 38

+ 7

427 Вт

х

25.04.12

№ 7

12.54-13.12

87

+ 37

+ 23

534 Вт

6,14 Вт

26.04.12

№ 7

13.08-13.28

85

+ 39

+ 27

487 Вт

5,73 Вт

19.05.12

№ 7

13.07-13.26

87

+ 40

+ 28

486 Вт

5,59 Вт

20.05.12

№ 7

12.39-13.01

86

+ 43

+ 28

486 Вт

5,65 Вт

21.05.12

№ 7

12.55-13.11

87

+ 49

+ 28

514 Вт

5,91 Вт

06.08.12

№ 8

13.03-13.25

80

+ 59

+ 38

500 Вт

6,25 Вт

11.08.12

№ 8

13.16-13.31

90

+ 55

+ 30

607 Вт

6,75 Вт

26.08.12

№ 8

12.49-13.09

84

+ 47

+ 29

528 Вт

6,29 Вт

02.09.12

№ 8

13.39-13.58

85

+ 51

+ 26

546 Вт

6,42 Вт

22.10.12

№ 9

13.31-13.54

74

+ 38

+ 16

498 Вт

6,73 Вт

Увеличение разницы температур (между водой системы и воздухом улицы) уменьшает мощность кв. метра зеркала, поскольку это увеличивает утечки тепла из коллектора (85-90 % этих утечек идет через пленку 15). Экспериментальное измерение утечек тепла для моего третьего коллектора (он работал в ситуациях №№ 7-9): мощность 1 кв. м зеркала уменьшается на 0,808 Вт, если разница температур увеличивается на 1 град. Экспериментальное измерение утечек из моего первого коллектора (он был в ситуациях №№ 1-3) – 0,841 Вт / (град х кв. м)

Эти результаты согласуются с моими тестами (19-20 марта 2012) с вторым коллектором (Эти эксперименты были описанные в Докладе 8). Я оставил его без воды под зайчиком хорошего солнца. Термопары (я временно установил их в коллекторе) показывали температуру до 300 град воздуха около труб 12 (температура около пленки 15 доходила до 180 град, но пленка плавилась не из-за этого, поскольку другая ее сторона охлаждалась уличным воздухом с 5 град и хорошим ветром). Это соответствует температуре до 400 град внутри труб

 

Кроме этого, до середины марта 2012 я делал замеры мощности на протяжении солнечного дня. Далее результаты нескольких этих замеров. В скобках – температура воды системы

17 октября 2011 (воздух: утром – +5 град, после обеда — +12 град):

9.00 – 66 Вт (32 град)                       12.15 – 258 Вт (53 град)

9.15 – 104 Вт (34 град)                     13.10 – 275 Вт (64 град)

9.25 – 112 Вт (36 град)                     14.15 – 257 Вт (60 град)

10.05 – 208 Вт (49 град)                   15.15 – 174 Вт (48 град)

11.10 – 276 Вт (62 град)                   15.45 – 59 Вт (51 град)

27 января 2012 (воздух: утром – -15 град, после обеда — -10 град):

9.07 – 82 Вт (19 град)                       12.30 – 294 Вт (32 град)

9.23 – 184 Вт (20 град)                     13.30 – 237 Вт (36 град)

9.46 – 245 Вт (21 град)                     14.15 – 113 Вт (38 град)

10.30 – 265 Вт (24 град)                   14.40 – 88 Вт (38 град)

11.30 – 284 Вт (28 град)

7 февраля 2012 (воздух: утром – -18 град, после обеда — -11 град):

8.33 – 0 (19 град)                               11.36 – 310 Вт (28 град)

8.48 – 36 Вт (19 град)                        12.39 – 306 Вт (32 град)

9.10 – 92 Вт (19 град)                        13.40 – 221 Вт (36 град)

9.30 – 183 Вт (20 град)                      14.13 – 134 Вт (37 град)

9.47 – 251 Вт (21 град)                      14.33 – 48 Вт (37 град)

10.12 – 270 Вт (23 град)                    14.57 – 1 Вт (37 град)

10.50 – 255 Вт (25 град)

10 марта 2012 (воздух: утром – -9 град, после обеда — +5 град):

8.02 – 47 Вт (26 град)                      12.41 – 434 Вт (45 град)

8.17 – 74 Вт (26 град)                      13.15 – 404 Вт (49 град)

8.39 – 152 Вт (26 град)                    13.45 – 365 Вт (51 град)

9.06 – 194 Вт (27 град)                    14.15 – 286 Вт (53 град)

9.39 – 259 Вт (29 град)                    14.45 – 253 Вт (55 град)

10.15 – 345 Вт (32 град)                  15.10 – 182 Вт (55 град)

10.45 – 386 Вт (35 град)                  15.31 – 148 Вт (56 град)

11.30 – 383 Вт (39 град)                  15.51 —  37 Вт (56 град)

12.11 – 378 Вт (42 град)

 

В мае 2013 я начал аналогичные эксперименты со стеклянными зеркалами: одна секция концентратора с 4 шт. стеклянных зеркал шириной по 63 см. Каждое зеркало имело по 12 шт. полос высотой 6 см и по 3 шт. полос высотой 8 см: общая высота этих полос (96 см) есть эквивалент зеркала (из Доклада 18) с высотой 98 см. Зеркала были новые (около 1 месяц после установки в концентратор) и чистые (я мыл их перед каждым днем измерений). Концентратор имел фокусное расстояние 110 см, зайчик имел высоту 14-20 см. Коллектор был старый (с активной высотой 17,5 см), но с новой пленкой 15 и новой черной перекраской труб и стекловаты

Далее мои замеры мощности системы с этими стеклянными зеркалами:

Дата

Время пика

Сила солнца (по люксометру)

Температу ра воды в коллекторе

Темпе-ратура воздуха улицы

Мощ-ность 1 кв. м зеркала

Эта мощно сть на еди ницу силы солнца

30.05.13

12.29-13.11

86

+ 78

+ 29

588

6,84 Вт

9.06.13

12.36-13.10

88

+ 77

+ 29

598

6,80 Вт

11.06.13

12.29-12.44

89

+ 70

+ 28

608

6,83 Вт

(ПРОДОЛЖЕНИЕ   СЛЕДУЕТ)

Доклад 20: Очень дешевое солнечное тепло (в 5-15 раз дешевле тепла из газа и др. топлив) для разнообразных заводов (Часть 29)

13) Приложение 2: Стоимость тепла с учетом погодных форс-мажоров и разнообразных аварий (Окончание):

Пленочные СТС: Сценарий № 3 (все зеркала, концентраторы и коллекторы есть уничтоженные, но аккумуляторы 38, будки 40, трубопроводы 39 и др. остаются). Он есть аналогичный Сценарию № 3 стеклянных СТС, но его третий столбец состоит из двух элементов:

— Первый элемент (до знака «-») – стоимость установки новых зеркал, концентраторов и коллекторов (с коэффициентом дисконтирования года сценария). Но новые концентраторы и коллекторы – есть более дешевые (на 2-10 %), поскольку они используются на меньший срок работы

— Второй элемент (после знака «-») – это экономия расходов из-за отмены операции «Коллекторы: замена труб 12» и из-за отмены замен приспособлений 10 (в рамках операций «Концентраторы: остальные 6 шт. операций»). Они с коэффициентом дисконтирования 15-го года. Но эта экономия есть только для годов 10-15

Годы аварии

Вероятн

ость аварии

Убыток в случае аварии

Статистический убыток

(USD)

Дополнительная производительность в случае аварии

Статистическая дополнительная производительн ость (МВт-час)

1-3

0,3 %

632786 – 0

1898

3894

12

4-6

0,345 %

546624 – 0

1886

7870

27

7-9

0,397 %

472195 – 0

1875

10054

40

10-12

0,456 %

407899 – 109278

1362

10854

49

13-15

0,525 %

352359 – 109278

1276

10599

56

16-18

0,603 %

304381 – 0

1835

9546

58

19-21

0,694 %

262936 – 0

1825

7902

55

22-24

0,798 %

227134 – 0

1813

5831

47

 

 

 

13 770

 

344

Таким образом, учет Сценария № 3 увеличивает стоимость кВт-час тепла пленочной СТС до 0,628 цент (= (2 788 651 + 13 770) / (446 202 + 344)). Это увеличение – есть 0,4 %

 

Пленочные СТС: Сценарий № 4 (вся СТС есть уничтоженная; плюс учет прихода Сценариев №2 и №3 в последние 3-6 год срока жизни СТС). Он есть аналогичный Сценарию № 4 стеклянных СТС, но мы не учитываем приход Сценария № 1 в последние 1-2 год жизни СТС:

Годы аварии

Вероятн

ость аварии

Экономия расходов в случае аварии

Статистический убыток

(USD)

Потеря производ ительности в случае аварии

Статистическая дополнительная производительн ость (МВт-час)

1-3

0,06 %

1 458 531

-875

389 376

-234

4-6

0,06 %

1 222 736

-734

314 814

-189

7-9

0,06 %

1 019 182

-612

251 362

-151

10-12

0,06 %

838 754

-503

197 363

-118

13-15

0,06 %

681 860

-409

151 410

-91

16-18

0,06 %

435 679

-261

112 304

-67

19-21

0,06 %

268 828

-161

79 024

-47

22-24

0,06 %

172 594

-104

50 702

-30

25-27

0,978 %

87 364

-854

26 600

-260

28-30

7,447 %

19 688

-1466

9 348

-696

 

 

 

-5 979

 

-1 883

Таким образом, учет Сценария № 3 увеличивает стоимость кВт-час тепла пленочной СТС до 0,626 цент (= (2 788 651 – 5 979) / (446 202 – 1 883)). Это увеличение – есть 0,2 %

 

14) Приложение 3: Долговечность труб 12 и расходы ликвидации их аварий

Я встречал следующие две причины аварий стальных труб 12 с тонкой стенкой (эти трубы есть установленные на моем уличном дровяном котле, который работает уже 4 года, и он имеет 120 м стальных труб с наружным диаметром 22 мм и стенкой 1 мм):

А) Стенка одной трубы прогнила (через 3,5 год работы), но:

— Я использовал трубы без защиты от коррозии. Но мы планируем защищать наши трубы 12: защита внутренней поверхности – оцинковка, защита наружной поверхности – оцинковка, два слоя заводской краски и постоянные (через 1,5-3 год) перекраски

— Эта труба гнила через наружную поверхность

— Эта труба стояла в месте, где температура достигает 400-600 град (температура в наших коллекторах – 130-140 град, и наша среда есть менее агрессивная, чем огонь моего котла)

— Авария этой трубы – есть следствие брака ее изготовления: она имела очень тонкую стенку (я пробивал ее отверткой) по своей оси на участке шириной 20-50 % своего диаметра

Б) Три моих трубы получили аварии из-за гидравлических испытаний давлением 2-3,5 бар: их сварной шов разомкнулся (я использовал электросварные прямошовные трубы согласно советским стандартам 10704, 10705). Методы уменьшения этих аварий: более прочный сварной шов, двойной сварной шов, гидравлические испытания труб (на заводе или после покупки), увеличение толщины стенки

 

Доклад 12 (он описывает наш тип коллекторов) предлагал отказ от ремонта труб 12; он предлагал отключать аварийный ряд труб от воды (они будут отключенные до операции замены труб 12 или до окончания работы СТС). Но этот метод имеет экономическую целесообразность только на коротких рядах коллекторов (до 10-30 секций). Мы используем длинные ряды коллекторов (90 секций), и поэтому экономическая целесообразность предлагает ремонт труб 12 (и их соединений)

Доклад 12 предлагает использовать участки труб длиной 6-18 м и соединять их черными резиновыми шлангами. Мои эксперименты подтвердили хорошее качество этого соединения, особенно если шланг фиксируется на окончании трубы через два стальных хомута. Мы заменяем аварийный участок трубы 12 через последовательность следующих операций:

А) Два человека приносят новую трубу (с шлангами на обоих ее краях) от домика СТС

Б) Нижний край пленки 15 снимается, и старая труба удаляется из коллектора (вместе со старыми шлангами на обоих краях)

В) Новая труба устанавливается в коллектор, и ее шланги соединяются с соседними трубами

Г) Нижний край пленки 15 может быть закреплен позже, когда ветер полностью высушит стекловату 14 (обычно она есть мокрая из-за утечки воды во время аварии)

Расходы замены одной аварийной трубы (длиной 12 м) – около 22 USD:

— 12-16 USD зарплат за 60-80 человеко-минут

— 8 USD за новую трубу и два шланга с хомутами

— до 1 USD электроэнергии для компенсации воды, которая была потерянная из-за аварии (до 20 т)

Ожидаемая вероятность аварии одной трубы длиной 12 м (за 15 год работы) – 5 %. Таким образом, СТС будет иметь 595 шт. аварий за 15 год, которые потребуют расходов 13 090 USD. Это 873 USD расходов в год (321 USD материалов и электроэнергии, плюс 46 человеко-часов). Очевидно, эти расходы будут меньше в первые годы новых труб, но они будут больше в последние годы старых труб

Если эти расходы окажутся больше, возникает экономический смысл делать операцию плановой замены труб 12 (на всей СТС) чаще, чем через 15 год; например, через 10 год или через 7,5 год

Расходы ликвидации аварий труб 12 уменьшаются, если мы используем более короткие участки труб (например, 6 м). Кроме того, эти расходы уменьшаются через традиционные методы уменьшения вероятности аварий: увеличение толщины стенки, увеличение качества защиты поверхности труб, улучшение марки стали, увеличение качества сварного шва труб, уменьшение давления воды. Кроме этого, мы можем упростить технологию замены труб (например, их крепление в коллекторе или соединение с соседними трубами). Помимо этого, мы можем изменить тактику и стратегию ликвидации аварий, например, запасы новых труб могут располагаться в 4-10 точках на поле СТС; другой пример – мы можем ждать 2-3 аварий, чтобы начать их ликвидацию (цена потери воды может оказаться меньше, чем экономия времени)

 

Кроме этого, наша СТС будет иметь расходы, которые есть связанные с авариями соединений труб 12 (хотя я не встретил этого в своих экспериментах): резиновые шланги могут давать течи, стальные хомуты могут ржаветь и ломаться, шланги могут уйти с труб (ликвидация протеканий соединения шлангов с трубами уже учтена в «эксплуатационных расходах и была описана в Докладе 12). Ликвидация одной аварии (замена одного шланга с 2-4 шт. хомутов) требует 15-25 человеко-минут и 0,5 USD стоимости материалов (и электроэнергии для компенсации потерь воды). Если мы используем трубы длиной 12 м, и вероятность аварии одного соединения – есть 8 % за 15 год работы, СТС будет иметь 950 шт. аварий за 15 год, которые потребуют 4275 USD расходов. Это 285 USD расходов в год (33 USD материалов и электроэнергии, плюс 21 человеко-часов): эти расходы будут меньше в первые годы работы труб, но они будут больше в последние годы

Если эти расходы окажутся больше, то мы используем более длинные трубы (например, увеличение их длины до 18 м уменьшает эти расходы в 1,5 раз) или увеличиваем надежность соединений:

— более дорогие шланги и хомуты (например, советские шланги с диаметром более 32 мм дают впечатление массивности и долговечности)

— защита шлангов от солнца и / или температуры (например, мы можем оборачивать шланги алюминиевой фольгой, хотя это даст до 1 % потери производительности СТС)

— уменьшение изгибов шлангов и др.

(ПРОДОЛЖЕНИЕ    СЛЕДУЕТ)