методические указания "солнечные устройства и установки для
advertisement
Казанский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра теплоэнергетики Солнечные устройства и установки для систем теплоснабжения методические указания к курсовому проекту по автономным системам ТГВ для студентов специальности 270109 Казань 2010 УДК 696/697 ББК 38.762.2;38.763 К57 К57 Солнечные устройства и установки для систем теплоснабжения: Мстодические указания к курсовому проекту по автономным системам ТГВ для студентов специальности 270109 / Сост. А. В. Кодылев, Казань КазГАСУ, 2010.-46с, Печатается по решению Редакционно-издательскош сонета Качан-ского государственного архитектурно-строительного университета В методических указаниях даны принципиальные схемы использования солнечной радиации с помощью установок по преобразованию солнечной энергии в тепловую, характер их работы. Показаны примеры расчета и приведены задания. Методические указания предназначены для студентов пятого курса специальности 270109 - Теплогазоснабжение и вентиляция. Табл. 3, библиогр. 10 наимен. Рецензент Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой котельных установок Казанского государственного энергетического университета М.А.Таймаров УДК 696/697 ББК 38.762.2;38.763 Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2010 ©Кодылев А.В., 2010 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 2.1. Интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли 2.2. Собирание солнечной энергии 3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 3.1. Плоские солнечные коллекторы 3.2. Параболические концентраторы 4. УСТАНОВКИ ПО ПРЕОБРАЗОВАНИЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 4.1. Паросиловые установки 4.2. Солнечные бассейны, или пруды 4.3. Прямое преобразование солнечной энергии 5. КОНСТРУИРОВАНИЕ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВКИ СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 6.1. Расчет годового (сезонного) КПД и суммарного количества теплоты, выработанной установкой солнечного горячего водоснабжения 6.2. Расчет интенсивности солнечной радиации ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Прим. 1 Численный расчет тепловой части солнечного коллектора (задание в прил. 2) ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Расчет установок солнечного горячего водоснабжения Расчет интенсивности солнечной радиации ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Задание для задачи по расчету тепловой части солнечного коллектора Задание для расчета установок солнечного горячего водоснабжения Введение Теплоснабжение объектов традиционными способами требует затрат большого количества природного топлива. Совершенствование теплогенерирующих установок дает возможность его экономии, но не полного отказа даже при работе над проблемой использования нетрадиционных источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной и т. д.) Практически они неисчерпаемы и обладают преимущество перед ископаемым топливом, так как экологически чисты, не имеет отходов, дешевы. Однако применение их связано с высокой стоимостью преобразующих устройств, периодичностью работы, специфичностью места расположения. Несмотря на все это география использования их быстро расширяется. Специалистам в области теплоснабжения в недалеком будущем придется сталкиваться с различными системами, создаваемыми на базе нетрадиционных топлив, одним из которых является солнечное излучение. Солнечная радиация - практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Мощность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы равна 1,7 • 1014 кВт, а на поверхности Земли-1,2*1014 кВт. Общее годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1,05*1018 кВт«ч, в том числе на поверхность суши приходится 2*1017 кВт-ч. Без ущерба для экологической среды может быть использовано до 1,5% всей поступающей солнечной энергии. Среднесуточная интенсивность потока солнечного излучения равна 210 - 250 Вт/м2 [18 - 21,2 МДж/ (м2'сут)] в тропических зонах и пустынях, 130 - 210 Вт/м2 [10,8 - 18 МДж/(м2«сут)] в центральной части России и 80 - 130 Вт/м2 [7,2-10,8 МДж/(м2«сут)] на Севере России, а максимальная величина достигает 1000 Вт/м7. Число часом солнечного сияния в год в странах Средней Азии составляет 2700 -3035, в Закавказье 2130 - 2520, на Украине и в Молдавии 2000 - 2080. Количество солнечной энергии, поступающей за год ни 1 м3 горизонтальной поверхности, в Ашхабаде равно 1720 кВт-ч. в Одессе 1345 кВт-ч, и Москве 1015 кВт-ч. С помощью гелиотехнических устройств может быть полезно использовано 10 50% 'этой энергии. 1. Перспективы развития солнечной энергетики Проблема использования солнечной энергии, которая являлась предметом изучения отдельных исследователей, сегодня привлекает пристальное внимание всей общественности ( ученых, государственных деятелей, журналистов и т.д.). Это объясняется конечным запасом ископаемого топлива и заставляет задуматься над получением энергии будущего. Кроме того, в последние годы остро встал вопрос о защите окружающей среды. Современная топливная энергетика загрязняет воздушный бассейн вредными выбросами, а также существует "тепловое загрязнение". Поэтому на современном этапе солнечная энергия является весьма перспективным энергоисточником. Если принять во внимание, что все виды энергии трансформируется, в конечном счете, в тепловую, то это может привести к необратимым изменениям теплового баланса и климата нашей планеты. По прогнозам тепловая энергия в количестве 5 7 от солнечной энергии может создать угрозу "теплового загрязнения" Несмотря на все преимущества солнечной энергии она не получила широкого применения даже в странах с жарким климатом. Объясняется это периодической облученностью в различные периоды времени к техническими трудностями при преобразовании. Солнечная энергия практически вечный и потенциальный огромный источник энергоснабжения, не вносящий каких-либо загрязнения в окружающую среду. В наше время надвигающейся экологической катастрофы использование ее может помочь избежать значительных неприятностей с точки зрения охраны среды. Основные проблемы применения солнечной энергии - высокая стоимость концентрации при использовании, рассосредоточенность и дискретность поступления по часам суток, времени года и географическим поясам. Ключевой проблемой применения солнечной энергии является проблема аккумулирования. Если рассосредоточенность излучения и необходимость создания устройства для концентрации определяются технико-экономическими характеристиками используемых для этого систем, то дискретность поступления энергии требует решения вопросов аккумулирования. Солнечная энергия является почти неограниченным источником, мощность которого, поступающая на поверхность Земли, оценивается в 20 миллиардов киловатт ( 20-10 12 Вт, или 2000 ГВт). Эта величина более чем в 1ОО раз превышает прогнозные значения требуемой электрической мощности для планеты в целом на уровне 2000 года. Годовой приход солнечной энергии эквивалентен 1,3.10 14 тоннам условного топлива. Для сравнения - мировые запасы органического топлива оцениваются в 6-1О 12 тонн условного топлива. В технических вопросах использования солнечной энергии следует выделить два аспекта - электроснабжение, теплоснабжение, горячее водоснабжение и опреснение. В первом случае идет получение электрической энергии, во втором - тепла. Осуществление подобных проектов связано с низкой плотностью солнечной медиации, которая составляет I киловатт на квадратный метр. В связи с этим требуется большая площадь энергоприемников. В настоящее время разработаны концентраторы энергии, для которых требуется поверхность в десятки квадратных километров. Кроме того, технология изготовления модулей концентраторов является дорогостоящей. Для создания постоянного поступления вторичного энергоносителя необходимо иметь аккумуляторы. Необходимость создания системы аккумулирования ВЫДВИГАЕТ дополнительные, но преодолимые трудности и увеличивает стоимость энергии. Поэтому во всем мире ведутся разработки солнечной электростанции по термодинамическому циклу преобразования, то есть с применением паросиловой установки, аналогичной применяемой на современных тепловых станциях. В большинстве высокоразвитых стран годовое количество солнечной энергии, падающей на крыши жилых домов, значительно превосходит величину энергии, необходимой для их отопления или охлаждения. Поэтому естественно прежде всего говорить об использовании солнечной энергии для подобных целей. Наибольший интерес представляет преобразование солнечной энергии в электрическую или механическую. КПД большинства этих установок чрезвычайно низок, но тем не менее перспективы применения весьма заманчивы. Даже при КПД 5 % солнечной энергии, собранной с 6м 2 горизонтальной поверхности в тропических .районах, достаточно для удовлетворения энергетической потребности на душу населения на современном уровне развития. Для этих целей можно использовать обширные неосвоенные пространства, не принося ущерба сельскому хозяйству. Наиболее подходящими районами сооружения энергостанций, работающих на солнечной анергии, являются огромные зоны пустынь, которые опоясывают почти весь земной шар в районах тропиков. Общая площадь этих безжизненных неплодородных районов составляет около 2-10 7 км 2 . Годовое количество солнечной энергии в этих областях достигает 5-10 16 кВт.ч. Если использовать хотя бы 5 % такого количества энергии, то существующие ныне энергетические потребности можно было бы перекрыть более чем в двести раз. Приведенные цифры могут показаться грандиозными, тем не менее перспективы получения солнечной энергии в достаточно больших масштабах в принципе вполне реальны. Однако (вследствие низкой интенсивности солнечного излучения) для этого потребуются коллекторы большой площади. Например, для производства энергии в объеме выработки современной электростанция необходим коллектор площадью около Зкм 2 . Значительные успехи. Достигнутые при прямом преобразовании солнечного излучения в электричество с помощью термо- и фото генераторов, относятся не к стационарным, а к специальным условиям использования. Все космические корабли и искусственные спутники Земли оснащены солнечными батареями, преобразующими солнечную энергию непосредственно в электрическую. Стоимость таких преобразователей велика для использования в большой энергетике. В вопросах теплоснабжения применение солнечной энергии продвинулось достаточно вперед. Это объясняется тем, что отопление и горячее водоснабжение являются низкотемпературными процессами и могут быть обеспечены более простыми техническим средствами. Солнечные водонагреватели уже используются для индивидуальных систем в южных климатических зонах. В настоящее время целый ряд фирм США выпускает различные конструкции солнечных водонагревателей в виде стандартных секций. С помощью таких секций могут набираться панели требуемой производительности. Важный результат применения солнечных установок - экономия органического топлива, но не менее важным является влияние на экологию в районах их использования. Сейчас центр тяжести переносится на совершенствование технологий и конструкций гелиоустановок, широкое промышленное развертывание программ выпуска. На повестке дня разработка научных методов учета положительных экологических последствий солнечного нагрева, что позволит обоснованно расширить рентабельные области его применения, так как при интенсивности солнечной радиации 800 Вт/м 2 можно получить в виде работы не более 200 Вт/м 2 Исследования в области солнечной энергетики занимают достаточное место в научном мире. В таких странах, как США, Япония, ФРГ, они проводятся на уровне национальной программы, рассчитанной на длительный период. 2.Теоретические основы процессов распространения солнечной радиации 2.1. Интенсивность солнечного излучения на поверхности земли Солнечное излучение, распространяясь со скоростью 300000км/с, через 8 мин достигает орбиты Земли, отстоящей от Солнца на 150*10 6 км. Его исходная интенсивность настолько велика, что даже на таком расстоянии она составляет около 1300 Вт/м 2 . Хотя Земле достается лишь малая доля солнечной энергии, но и ее достаточно, чтобы в десятки тысяч раз перекрыть существующую потребность в энергии всего земного шара. На поверхность Земля попадает лишь 50% радиации Солнца, остальная часть поглощается облаками и самой поверхностью Земли (рис. 1. ) [2]. Современные мировые энергетические потребности можно покрыть за счет солнечной энергии, падающей на площадь 20 тыс.км 2 , что составляет 0,005 % земной поверхности. Если принять КПД солнечных энергетических устройств не более 10% , то территория Белоруссии могла бы удовлетворить мировые энергетические потребности. В среднем годовое количество солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, составляет 2000-2500 кВт*ч/м 2 в зонах пустынь и 1000-1500 кВт*ч/м 2 в районах высоких широт. Необходимо отметить, что солнечная радиация распределяется на поверхности Земли гораздо равномернее, чем другие источники. По сравнению с традиционными источниками, солнечная энергия обладает малой плотностью и поэтому ее необходимо концентрировать для функционирования современных энергетических и технологических систем с помощью лиоконцентраторов. Интенсивность зависит от двух, факторов: угла наклона лучей к плоскости поверхности в данной точке и длины пути лучей в атмосфере. Оба эти фактора зависят от высоты Солнца h. Интенсивность облучения определяется выражением: Е =J· cos i, где J - интенсивность излучения, падающего на горизонтальную поверхность; i - угол наклона луча к нормали этой поверхности. В действительности полная энергия падающего излучения превышает прямую составляющую, так как присутствует еще и рассеянная (диффузная) составляющая, в которую входит излучение, рассеянное различными компонентами атмосферы. Верхние слои Атмосферы 1 5% 2 20% 3 25 % 4 25% 5 27% Рис.1. Прохождение солнечных лучей через атмосферу Земли: Т - отражение от поверхности Земли; 2 - отражение облаками; 3 - поглощение самой атмосферой, 4 - рассеивание атмосферой с достижением земной поверхности; 5 - доля излучения, достигающая поверхности Земли Рассеянное излучение составляет значительную долю полной энергии (при низких высотах Солнца она может достигать половины ее) ( табл.1 ). Энергетический спектр рассеянной составляющей излучения несколько сдвинут в сторону более коротких волн по сравнению со спектром прямой составляющей, поскольку именно в области коротких волн рассеяние излучения в атмосфере максимально. Обоснование использования солнечной радиации оценивается общей энергией, получаемой на поверхности земли в данное время дня и года. При этом учитывается вклад рассеянной компоненты излучения в общем объеме энергии. Интенсивность прямой составляющей рассчитывается с учетом временных колебаний воздушной массы и изменения пути лучей в атмосфере. Точность такого расчета зависят от состояния атмосферы (ее загрязнения, тумана, облачности и т.д.). Эти явления уменьшают прямую составляющую, однако рассеянная компонента может значительно возрасти. При плотной облачности до Земли доходит лишь рассеянная компонента. Наилучшим методом оценки мощности солнечной радиации является непосредственное долговременное измерение ее интенсивности в различных зонах земного шара. В настоящее время существует несколько метеорологических станций, на которых непрерывно регистрируют инсоляцию. Однако ориентировочные расчеты можно произвести для горизонтальной поверхности в любой точке земного шара. Для любого времени суток, заданного углом τ из уравнения (1); можно получить высоту Солнца h [1]. sinh = cos ϕ * cos τ + sin ϕ * sin δ , (1) Где: h - высота Солнца; ϕ - широта, соответствующая расчетной точке; τ - угол, характеризующий угловые перемещения Солнца вокруг оси с широтой ϕ в зависимости от времени после полудня τ= t t 2π = 0,252 t рад . = * 360 = 15t Град , 24 24 (2) δ - сезонное изменение кажущегося положения Солнца (угол склонения). Он изменяется от + 23,5° в летнее солнцестояние до (-23,5°) в зимнее солнцестояние. Для других времен года эту величину нужно брать из таблиц. Ее также можно найти из соотношения δ = 23 ,5 sin( 2πd ) град , 365 (3) δ - изменяет свой знак в соответствии со знаком Функции.. d - число дней, прошедших с момента весеннего равноденствия. Интенсивность прямого излучения J определяется исходя из величины воздушной массы, единице которой соответствует путь, пройденный лучами при вертикальном падении. Тогда для любой высоты Солнца h воздушная масса равна М =I/sin h. Интенсивность для любой данной поверхности равна Е=J·sin i, а для горизонтальной Е=J·sin h. Результаты вычислений инсоляции для различных широт при чистой атмосфере сведены в табл.1 Таблица 1 Инсоляции для различных широт при чистой атмосфере Инсоляция, кВт ч / м2 Место-полоШирота жение наибольшее значение за день наименьшее значение за день годовое значение Экватор 0 6,5 (7,5) 5,8 (7,8) 2200 (2300) Тропики 28,5 7,1 (8,3) 3,4 (4,2) 1900 (2300) Средние широты Центральная Англия Полярный круг 45 7,2 (8,5) 1,2(1-7) 1500(1900) 52 7,0 (8,4) 0,5 (0,8) 1500(1700) 66,5 6,5 (7.9) 0(0) 1200(1400) Первое значение соответствует прямой составляющей излучения, второе (в скобках) учитывает вклад рассеянной энергии. При восходе я заходе Солнца h= 0, На экваторе интенсивность солнечного излучения достигает максимума при равноденствии, когда азимут Солнца в течение всего дня равен 90° - оно как бы висит над головой. В период летнего и зимнего солнцестояний интенсивность солнечного излучения на экваторе минимальна. Летнее солнцестояние 22 июня, зимнее - 22 декабря. Моменты равноденствия 21 марта и 23 сентября (день равен ночи). Общее количество солнечного излучения за год определяет путем суммирования суточных данных. Изменение солнечной радиации в течение года описывается кривой, по форме близко к синусоиде, максимум и минимум которой распределены симметрично в двух полугодиях. Из табл.2 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи широты 40°. Это следствие наклона земной оси к плоскости ее орбите. Интенсивность солнечного излучения в зимнее время с потаенней широты резко падает, поэтому полное его количество за год в районе полярного круга составляет лишь половину его значения на экваторе. В таблице представлены данные для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнении атмосферы промышленными отходами приведенные данные следует уменьшить, по крайней мере, вдвое. 2.2. Собирание солнечной энергии Рассмотрим тело, освещаемое Солнцем. При конвективном теплообмене (естественная конвекция) воздух нагревается от тела и поднимается вверх, забирая тепло. При неподвижном воздухе интенсивность конвективного потока составляет d= 4 Вт/м2 К, а при движении воздуха резко возрастает и составляет d= 30Вт/м2 К, если скорость ветра около 10 м/с. Другим важннм фактором, влияющим на собирание солнечной энергии, является длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается главным образом молекулами углекислого газа ( С02) и водяного пара при поглощении ими прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от Земли и обусловленного конвекцией. Общая интенсивность этого излучения существенно зависит от содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности. При повышенной влажности и сплошной облачности атмосфера ведет себя как черное тело с температурой около 280 К ( 7°С ); соответствующая интенсивность излучения на горизонтальной поверхности составляет около 300 Вт/м 2. Но тем не менее общая интенсивность атмосферного излучения не падает ниже 100 Вт/м2, благодаря чему ночью на поверхности Земли температура остается вполне приемлемой. В отсутствие подобного излучения температура земной поверхности в ночные часы должна резко падать ( вследствие излучения энергии в пространство), как на Луне, где атмосфера отсутствует ( + 120, -120°С). Температура поверхности Земли в течение ночи иногда снижается настолько, что появляется иней, но, за исключением полярных районов, она редко опускается ниже 0°С. 3. Устройства для поглощения солнечной радиации 3. 1. Плоские солнечные коллекторы. Одной из разновидностей гелиоприемника является плоский солнечный коллектор. Солнечный коллектор, являясь основным компонентом солнечной энергетической установки, преобразует лучистую энергию солнца в полезную тепловую энергию и отдает это тепло теплоносителю. Теплоноситель переносит тепло в здание или в аккумулятор для дальнейшего использования. Его также можно использовать в цикле охлаждения (кондиционирования воздуха) или в нагреве воды для хозяйственных нужд. Коллектор представляет собой тонкую пластину, лежащую на теплоизолирующем основании. Получая энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь излучением с окружающей средой. Такая конструкция является самой простой и дешевой. 2 2 1 3 4 5 6 7 Рис.2 Плоский солнечный коллектор: 1 - солнечные лучи; 2 - потери вследствие отражения 3 - стеклянное покрытие: 4 – поглощающее покрытие; 5 - тепловая изоляция; 6 - вход холодной жидкости 7 - выход нагретой жидкости β Рис.3 коллектор с плоскими зеркалами Для уменьшения потери тепла теплоприемником к тыльной его поверхности крепится слой изоляции. Если коллектор устанавливается на ограждающей конструкции здания (стене, крыше), то тепло не теряется, а передается самому зданию. Зимой это является преимуществом, а летом — недостатком. За исключением районов с низкими летними температурами, коллектор должен иметь изоляцию для сведения к минимуму этого добавочного тепла и повышения его КПД. Обычным для коллекторов, устанавливаемых на крыше, является слой стекловолокнистой или эквивалентной изоляции толщиной до 150 мм; для вертикальных коллекторов толщину ее можно уменьшить до 100 мм. Если же коллектор представляет собой отдельно стоящее сооружение, то толщина изоляции должна составлять 150...200 мм. Стекловолокнистая изоляция предпочтительнее стирофомной или уретановой благодаря устойчивости при повышенных температурах. Некоторые виды уретанов деформируются, вспучиваются и выделяют потенциально токсичные газы. Воспламеняемость также должна приниматься во внимание. По возможности изоляция должна быть отделена от поверхности теплоприемной пластины поглотителя воздушным промежутком. Благодаря этому тепло отражается обратно к теплоприемнику, снижая температуру изоляции и повышая КПД коллектора. Кромки поверхности коллектора по периметру необходимо изолировать для уменьшения концевых потерь. Не следует злоупотреблять изоляцией, если она уменьшает потенциальную поверхность коллектора. Для коллекторов, которые отделены от зданий или прикреплены своей собственной конструкцией к кровле, ветровые нагрузки являются основным фактором в конструктивном расчете опорной системы. Для уменьшения стоимости конструктивной системы и парусности коллектора площади поверхности должны быть небольшими, чтобы обеспечить низкий аэродинамический профиль. Этого можно добиться, расположив длинные низкие коллекторы друг за другом. 3.4. Параболические концентраторы Наиболее совершенной конструкцией обладает параболический концентратор (рис.4), который фокусирует солнечные лучи. В результате коэффициент концентрации значительно увеличивается. На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике атому препятствует не параллельность солнечных лучей. С Земли мы можем рассматривать Солнце как источник излучения, имевший форму диска с угловым размером 32. Степень не параллельности солнечных лучей оценивается как отношение диаметра Солнца к его расстоянию от Земли, выраженное в угловых единицах. Оно составляет около 0,0093 радиана. Обозначим этот угол через γ. Если для плоского отражателя подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента концентрации. Вследствие не параллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 5 показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного диска и попадающих в точки А и Б. Лучи, отраженные в середине зеркальной поверхности (точка А), создает в фокусе изображение солнечного диска диаметром d=2ƒtdγ/2 или ƒγ в силу малости угла γ ( при фокусном расстоянии ƒ = 2 м размер изображения составляет около2 см ). Лучи , отраженные в другой, более удаленной от фокуса точке зеркала, например в точке Б, создает изображение большего размера. Кроме того, это изображение лежит в плоскости, повернутой относительно вокальной на краевой угол δ , а его проекция на фокальную плоскость имеет эллиптическую форму. Результирующее изображение, создаваемое всеми отраженными от параболической поверхности лучами, представляет собой множество налагающихся друг на друга эллипсов, размеры которых увеличивается по мере смещения точек падения и отражения образуемое эти эллипсы лучей. При равномерной яркости солнечного диска центральная область изображения освещена равномерно, а по мере удаления от центра освещенность уменьшается. Можно заметить, что с увеличением угла δ вклад лучей, отраженных более удаленными от центра параболической поверхности точками, становится меньше. Создаваемые этими лучами изображения оказываются более размытыми. С другой стороны, чем больше угол δ, тем больше площадь зеркальной поверхности концентратора. Учитывая эти факторы, можно построить график зависимости К (коэффициента концентрации) в окрестности центра изображения от краевого угла δ (рис. 5). Из графика видно, что для зеркал с краевыми углами до 25° величина К возрастает очень медленно, а при углах выше 70% она практически не меняется. Тем не менее величина К для центральной области (в окрестности фокуса) довольно велика: от 10 4 до 4*10 4 , при двух упомянутых выше значениях краевых углов соответственно. На самом деле вследствие неравномерной яркости солнечного диска значения К оказывается несколько ниже. Вели небольшое тело разместить в фокусе параболического концентратора, то его равновесная температура будет в основном определяться его радиационными потерями. Конвективные тепловые потери в этом случае незначительны. Для черного тела, излучающего F Б A δ Рис.4. Параболический концентратор K 5*10 4*10 3*10 2*10 10 4 4 4 4 4 0 20 40 60 80 100 120 δ Рис.5. Зависимость коэффициента концентрации в окрестности центра изображения краевого угла. только с лицевой стороны, справедливо уравнение: P ⋅ K = εσT 4 (4) Тогда при Р - 800 Вт/м , К = 10 и К = 4 ·10 равновесные температуры соответственно равны 3440 °К и 4850°К. Радиационные потери зависят от температуры в четвертой степени, однако зависимость равновесной температуры от К оказывается значительно слабее, чем можно было ожидать. Так, при прочих равных условиях для К=5000 равновесная температура составляет 2890°К. Даже с помощью невысокого качества зеркал можно получить достаточно высокую температуру. Однако высокая равновесная температура является не единственным критерием качества солнечного коллектора. Для получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы принять все лучи отраженные от концентратора. Интенсивность отраженного излучения уменьшается по мере удаления от центра концентратора, Кроме того, с ухудшением оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а следовательно, и равновесная температура. Введение эффективного коэффициента концентрации значительно упрощает расчеты величин в уравнении (4). Таким образом, интенсивность на входе приемника равна произведению: 2 4 P⋅K = E, F 4 (5) где F - площадь поверхности приемника. Определенный таким образом коэффициент К зависит как от состояния воспринимающей поверхности коллектора, так и степени ее перекрытия солнечным изображением. При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930°К. 4. УСТАНОВКИ ПО ПРЕОБРАЗОВАНИЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 4.1. Паросиловые установки Одним из способов преобразования солнечной энергии в электрическую является создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел заменяется солнечный паровым котлом. На рис.6 представлена принципиальная схема паросиловой установки, работающей на солнечной энергия, собираемой и фокусируемой гелио концентраторами. Задачей гелиоконцентраторов является фокусировка солнечной энергии, то есть повышение ее плотности , а следовательно, повышение температуры нагреваемого объекта (солнечного котла). Даже теоретически температура нагреваемых поверхностей не может быть выше температуры поверхности Солнца (около 6000°К). Если бы это было не так, то получилось бы противоречие со вторым законом термодинамики, согласно которому невозможно нагреть тело до температуры выше, чем температура источника тепла. Зеркала гелиоконцентратора должны быть подвижными в зависимости от географического расположения солнечного котла, времени года и времени суток и должны занимать соответствующую позицию. Лучше всего это сделать с помощью ЭВМ. Однако стоимость установленного киловатта мощности солнечной энергии станции рассматриваемого типа очень велика. В Крыму построена такая электростанция мощностью 5 тыс. кВт (5 МВт). В нашей стране разрабатывается солнечная электрическая станция (СЭС) мощностью 200 МВт. Конструкция станции основывается на башенном принципе расположения теплоприемных поверхностей котла. В центре поля зеркал-концентраторов находится башня высотой 250 м, на которой монтируется котел-парогенератор. Система слежения и ориентации предусматривает постоянную концентрацию солнечных лучей от отражающих зеркал на поверхности парогенератора. Следует заметить, что из-за низкой плотности солнечного излучения для солнечных электростанций требуются значительные земельные площади под систему зеркал - концентраторов. Так, например, для мощности -200 мВт необходимы площади от 9 до 13 квадратных километров. Опытно - экспериментальная установка в Италии имеет паропроизводительность 150 кг/ч при давлении 150 бар и температуре 500С° 3 5 ∝ 2 4 1 9 8 6 7 Рис.6 Схема солнечной паросиловой установки 1-гелиоконцентраты, 2-паровой котел, 3-парапровод, 4-турбина, 5электрогенератор, 6-конденсатор, 7-градирня, 8-питательный бак, 9питательный насос. 4.2. Солнечные бассейны, или пруды Сотрудниками Национальной физической лаборатории Израиля разработана и исследована разновидность плоского коллектора -солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит водный бассейн, который можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. В таком виде солнечный бассейн, казалось бы, не имеет никаких преимуществ перед обычным поглотителем на основе твердого тела. Однако было обнаружено, что в некоторых природные водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. По предположению, это явление обуславливается высоким содержанием соли в таких водоемах. Повышенное содержание в воде некоторых определенных солей препятствует уменьшению плотности растворителя, обусловленному расширением последнего. Таким образом достигается устойчивое состояние, при котором более нагретые слои жидкости уплотняются и остаются на дне бассейна. Следовательно, температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100°С. Процессы, протекающие в солнечном бассейне достаточно сложны с точки зрения тепломассообмена. Поглощение солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает промежуточное положение между нейтральным и селективным поглотителем. Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов . Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии, обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии благодаря высокой теплоемкости. В бассейнах малого размера теплообмен между водой и окружающей атмосферой, а также близлежащими слоями почвы протекает интенсивнее, чем в больших бассейнах, поэтому наиболее эффективны бассейны площадью 50 м. В бассейнах этих размеров волнение воды под действием ветра вызывает нарушение устойчивости в распределении температуры и концентрации соли, поэтому в них приходится устанавливать специальные защитные приспособления. Однако, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение. Основное условие работы прудов - наличие градиента концентрации соли по толще воды. Обычно глубина водоемов не должна превышать нескольких метров. В искусственных водоемах концентрация соли в различных слоях воды регулируется путем введения солевых растворов различной концентрации на различные глубины так, чтобы нижние слои воды обладали максимальным ее содержанием (рис. 7). 6 t=30° 3 1% солн 2 1 4 15% солн при t=90°C 5 Рис.7 Солнечный пруд: 1-вода, 2-вход воды, из слоев с пониженной концентрацией соли,3 – выход воды из слоев с пониженной концентрацией соли , 5- выход горячей воды,6солнечные лучи. Если данный водоем находится под воздействием солнечного излучения, его вода прогревается по всей толще, но в разной степени. Верхние слои прогреваются до меньшей температуры, поскольку они находятся в прямом контакте с воздухом, а так как в верхних слоях воды наблюдается повышенная конвекция, это приводит к дополнительной теплоотдаче. Солнечные лучи проникают на дно и нагревают воду нижних слоев. Любые конвективные потери сокращаются благодаря наличию градиента плотности. Поэтому - нижние слои, прогреваются значительно сильнее, чем верхние. Этот эффект позволяет получить в нижних слоях воду с температурой, близкой к 100°С, тогда как в верхних слоях температура будет близкой к температуре окружающего воздуха. Подсчитано, что водоем площадью I км 2 может дать около 6О м 3 с температурой до 96°С. Наряду с искусственными солнечными прудами существуют и естественные соляные озера или водоемы с подсоленной водой, в которых наблюдается такой же эффект. Например, в озере Балатон в Венгрии. Солнечные пруды относятся к классу активных солнечных систем. Существуют проекты больших энергетических установок по производству электроэнергии на базе "Солнечных прудов". В такой установке (рис. 8) горячая вода поступает из слоя Ш в теплообменник испаритель при помощи насоса D 3 и возвращается снова в свой слой. В парогенераторе Г образуется низкотемпературный пар из низкокипящей органической жидкости, который поступает в турбину В, вращающей электрогенератор Б. После турбины пар направляется в конденсатор А ,| куда также идет холодная вода из слоя I. В Б А C Г Д1 I II III Д2 Д3 Рис.8 Электростанция на базе солнечного пруда: 1,2,3 –слои с низкой, средней и высокой концентрацией соли С-солнце; А- конденсатор, Б- электрогенератор, В – турбина, Г- теплообменникиспаритель(парогенератор, Д1, Д2, Д3 - насосы p-min n-min α Рис.9 Схема полупроводника с запирающим слоем насоса D2 Вся схема работает в замкнутом цикле, позволяя многократно использовать низкокипящую жидкость. Эффективность данной системы во многом зависит от перепада температур между слоями I и Ш. Несмотря на то, что данная схема не отличается от обычных теплоэлектрических, однако необходима разработка конструкции турбин, работающих при низких параметрах (давлениях и температурах). Поскольку в парогенератор поступает вода п.повышенной засоленностью, необходимы специальные высококоррозийные материалы. Существуют в настоящее время экспериментальные электростанции мощностью до ЗСО кВт, работающие по данному принципу. 5. Конструирование установок солнечного горячего водоснабжения Выбор установок солнечного горячего водоснабжения в зависимости от типа и назначения здания производится по таблице 2. Таблица 2 № Тип зданий п.п. 1. Кемпинги, летние душевые, жилые дома с котельной для отопления 2. 3. Пансионаты сезонного действия, пионерские лагеря Больницы, гостиницы, санатории, детские сады, Установки солнечного горячего водоснабжения Сезонные без дублера Сезонные с дублером для покрытия расхода горячей воды на технологические нужды Сезонные со 100% обеспеченностью горячей 4. 5. бани, прачечные и предприятия общественного питания водой от дублера Здания, подключенные к постоянно-действующим системам теплоснабжения Сезонные и круглогодичные с использованием источника энергии в качестве догревателя Жилые здания с автономным теплоснабжением Сезонные и круглогодичные с дублированием от автономного источника тепла Рис. 10. Основные принципиальные схемы установок солнечного горячего водоснабжения а) - с естественной циркуляцией; б) - одноконтурная; в) -двухконтурная; г) - двухконтурная с постоянной температурой воды; д) -трехконтурная; е) - с двумя змеевиками в баке-аккумуляторе 1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - дублер нагрева воды; 4 -циркуляционный насос; 5 - теплообменник; 6 - регулятор температуры Установки солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией, как правило, следует применять при площади солнечных коллекторов до 10 м2. В качестве теплоносителя в теплоприемном контуре двухконтурных установок следует применять, как правило, деаэрированную воду или нетоксичный и негорючий антифриз. Допускается применение антифризов на основе этиленгликоля. При этом следует применять бакиаккумуляторы с двумя независимыми теплообменниками или трехконтурную установку. Установки солнечного горячего водоснабжения должны быть взаимосвязаны с дублирующими тепловыми источниками (котельной, ТЭЦ, электрокотлом и т.п.), используемыми в качестве догревателя воды предварительно нагретой установкой солнечного горячего водоснабжения. В летних душевых располагаемый (свободный) напор у смесителя душа следует принимать не менее 1,5 м. При этом к каждому смесителю должна осуществляться самостоятельная подводка горячей и холодной воды, коллекторное распределение воды в этом случае не допускается. Оптимальной ориентацией солнечных коллекторов считается юг с возможными отклонениями на восток до 20°, на запад - до 30°. Угол наклона солнечных коллекторов к горизонту следует принимать для установки, работающей круглый год, равным широте местности; в летний период - широте местности минус 15°; в отопительный период -широте местности плюс 15°. Следует предусматривать тепловую изоляцию баков-аккумуляторов, теплообменников и трубопроводов. Термическое сопротивление тепловой изоляции трубопроводов и оборудования должно обеспечивать потерю тепла не более 5%, Следует предусматривать устройства для опорожнения и заполнения гелиоприемного контура. В каждой установке солнечного горячего водоснабжения следует предусматривать устройства для удаления воздуха из нее. В установках с естественной циркуляцией следует: трубопроводы, подающие воду в солнечные коллекторы, а также водопроводную воду, присоединять к нижней части бака-аккумулятора; трубопроводы, отводящие нагретую воду от солнечных коллекторов и подающие ее в систему горячего водоснабжения, присоединять к верхней части бака-аккумулятора. Для соединения солнечных коллекторов с баком-аккумулятором следует использовать трубы с диаметром условного прохода не менее 25 мм. Прокладку магистральных трубопроводов установок солнечного горячего водоснабжения следует предусматривать с уклоном не менее 0,01 -для установок с естественной циркуляцией теплоносителя; 0,002 для установок с насосной циркуляцией теплоносителя. Уклоны труб подводок к солнечным коллекторам следует принимать равными 5-10 мм на всю длину подводки. При проектировании установки солнечного горячего водоснабжения следует предусматривать возможность мойки солнечных коллекторов. В проекте, как правило, следует предусматривать возможность измерения температуры перед входом и на выходе теплоносителя из групп солнечных коллекторов (при параллельном присоединении этих групп), теплообменников, баков-аккумуляторов, а также установки манометров в нижней точке теплоприемного контура. Для обеспечения постоянной температуры горячей воды, выходящей из установки солнечного горячего водоснабжения, следует использовать автоматические регуляторы температуры. Для управления циркуляционными насосами установки солнечного горячего водоснабжения, работающей с постоянным расходом теплоносителя в теплоприемном контуре, следует применять дифференциальные терморегуляторы, 'один датчик которых устанавливается на нижней поверхности пластины солнечного коллектора последнего по ходу теплоносителя, а второй - в баке-аккумуляторе на уровне входного патрубка холодной воды, а в скоростном теплообменнике - на патрубке выхода горячей воды из него. Для более эффективной работы солнечные коллекторы следует соединять в группы по смешанной схеме. Движение теплоносителя в солнечных коллекторах следует предусматривать снизу вверх. В установках солнечного горячего водоснабжения с большой площадью солнечных коллекторов следует предусматривать возможность отключения отдельных секций в случае выхода их из строя без остановки всей установки. 6. Определение экономической целесообразности применения установки солнечного горячего водоснабжения 6.1. Расчет годового (сезонного) КПД я суммарного количества теплоты, выработанной установкой солнечного горячего водоснабжения Годовой (сезонный) КПД (ή)) определяется по графику в зависимости от площади солнечных коллекторов Â; м 2 /(ГДж-сут), вместимостию бака-аккумулятора ,V ^ ; м 2 /(ГДж-сут), приходящейся на единицу суточной тепловой нагрузки горячего водоснабжения, которые вычисляются по формулам: Â=10 6 А/[4,19G(t w2 -t w1 )]; (6) ^ 6 V =10 V/[4,19G(t w2 -t w1 )]; (7) Суммарное количество теплоты Q, ГДж, выработанной установкой, определяется по формуле: Q = Α⋅η∑q i , (8) z , j .i где z - число месяцев работы установки; j - число дней в месяце. Установка солнечного горячего водоснабжения считается экономически целесообразной при выполнении условия: f ≤η, (9) где η- сезонный или годовой коэффициент полезного действия установки солнечного горячего водоснабжения, определяемый по графикам; f - критерий экономической эффективности установки солнечного горячего водоснабжения, определяемый по формуле 10 6 ( EW + a ) ⋅ K f = , 3,6 ⋅ C ⋅ ∑ qi (10) z , j ,i где - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; а - норма отчисления на покрытие эксплуатационных расходов (при отсутствии нормативных данных принимать в размере 0,1 от капитальных затрат); К - удельные капитальные затраты на установку солнечного горячего водоснабжения, руб/м 2 , солнечных коллекторов; С - удельная стоимость замещаемой теплоты, руб/ГДж. При f ≤η, расчет экономической эффективности выполняется по СН 545-82 и СН 547-82. EW 20 40 60 80 100 120 140 ג Рис. 11. Зависимость сезонного (а) и годового (б) КПД установки солнечного горячего водоснабжения от величин Â и V ^ 6.2. Расчет интенсивности солнечной радиации Расчет установки солнечного горячего водоснабжения выполняется по часовым суммам прямой и рассеянной солнечной радиации и температуре наружного воздуха. Величина интенсивности солнечной радиации, температура наружного воздуха принимаются, как правило, по [11]. Интенсивность падающей солнечной радиации для любого пространственного положения солнечного коллектора и каждого часа светового дня qi , Вт/м 2 следует определять по формуле: qi = PS ΙS + PD ΙD (11) где ΙS - интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м 2 ; ΙD - интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м 2 ; PS , PD - коэффициенты положения солнечного коллектора для прямой и рассеянной радиации соответственно. Коэффициент положения солнечного коллектора для рассеянной радиации следует определять по формуле: PD = cos 2 b 2 где b- угол наклона солнечного коллектора к горизонту. Коэффициент положения солнечного коллектора PS для прямой солнечной радиации следует определять по таблице данного приложения. Приведенную интенсивность поглощенной солнечной радиации q , Вт/м 2 следует определять по формуле: qθΙ = 0,96 ⋅ ( PSθS Ι S + PDθD Ι D ) (12) где θS , θD - соответственно приведенные оптические характеристики солнечного коллектора для прямой и рассеянной солнечной радиации. При отсутствии паспортных данных могут быть приняты: θS = 0,74 , θD = 0,64 - для одностекольных и θS = 0,63 , θD = 0,42 - для двустекольных солнечных коллекторов. Таблица 3 Среднее значение PS для солнечных коллекторов южной ориентации при различных углах наклона к горизонту Угол Месяцы наклона коллектора к горизонту I II III IV V VI VII VII IX X XI XII b , град I 25 40 55 90 30 45 60 90 35 50 65 1,7 6 2,2 4 2,4 6 2,3 0 2,1 4 2,8 6 3,1 3 3,0 4 2,7 7 4,0 6 4,4 6 Широта местности 40° 1,49 1,3 1,13 1,0 1 1,01 1,0 0 4 8 1,72 1,3 1,11 0,9 0,90 0,93 1,0 6 7 3 1,79 1,3 1,03 0,8 0,78 0,81 0,9 3 6 4 1,48 0,9 0 0 0 0 0 1 Широта местности 45° 1,71 1,42 1,1 1,0 1,02 1,04 1,1 9 7 3 1,99 1,49 1,1 1,0 0,92 0,95 1,0 7 0 8 2,07 1,45 1,0 0,8 0,8 0,84 0,9 9 9 9 1,81 0,99 0,7 0 0 0 0 1 Широта местности 50° 2,01 1,57 1,2 1,1 1,05 1,08 1,1 7 1 9 2,38 1,56 1,2 1,0 0,95 0,98 1,3 4 4 3 2,47 1,61 1,1 0,9 0,82 0,87 1,0 6 3 4 1,22 1,4 1,66 1,85 1,24 1,55 2,03 2,45 1,17 1,56 2,18 2,72 0,75 1,17 1,96 2,61 1,30 1,56 1,96 2,31 1,33 1,74 2,47 3,27 1,26 1,76 2,66 3,64 0,89 1,37 2,5 3,63 1,42 1,79 2,44 3,12 1,44 2 3,22 5,27 1,37 2,02 3,47 5,9 90 40 55 70 90 45 60 75 90 4,4 2,26 1,3 0,8 0 0 0 0,7 6 4 2 Широта местности 55° 4 2,47 1,79 1,3 1,1 1,09 1,12 1,2 7 7 6 3,3 2,99 1,87 1,3 1,0 0,99 1,03 1,2 7 4 9 1 9,2 3,11 1,83 1,2 0,9 0,87 0,91 1,1 9 6 8 1 9,5 2,95 1,57 1 0,7 0 0 0,8 3 Широта местности 60° 7,5 3,23 2,08 1,4 1,2 1,15 1,19 1,3 3 9 5 6 8,8 4,11 2,18 1,4 1,1 1,04 1,09 1,3 5 6 6 0 9,5 4,28 2,13 1,3 1,0 1,92 0,97 1,1 7 8 5 2 9,6 4,16 1,92 1,1 0,8 0,74 0,77 1,0 4 6 5 1 1,06 1,77 3,36 6,04 1,56 2,11 3,27 4,91 1,59 2,38 4,81 5,85 1,51 2,41 5,2 6,4 1,26 2,2 5,17 6,45 1,76 2,59 5,03 14,4 2 1,80 2,96 13,7 17,2 1 9 1,7 3,01 15 18,9 9 1,52 2,85 15,2 19,3 6 9 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Прим. 1 Численный расчет коллектора (задание в прил. 2) тепловой части солнечного Рассмотрим пример расчета солнечного коллектора, схема которого показана на рис.4, по основным тепловым величинам со следующими исходными данными: vед = 0.0001 м 3 с = 0.1кг с с плотностью 1) объемный расход воды ρвд = 1000 кг м 3 и теплоемкостью свд = 4182 Дж кг 2) площадь поглощающей пластины F = 2 x 2 = 4 м 2 ; 2 3) площадь поверхности змеевика FTp = 2πR = 2πR ⋅ 20 ⋅ 2 + 2πR 20 ⋅ 0.076 = 3.13 м , tα воз вов1 δ вов2 f, Стекляные покрытия Поглощающая пластина tR 76 t δ кв δ 2R tα f, q воз кв. Рис.12 Солнечный коллектор 4)Скорость воды в змеевике ω = Vad 0.0001 = = 0.221 м с ; 2 πR 3.14 ⋅ 0.012 q = 400 Вт м 2 ; 5) мощность поглощаемой энергии пластиной 6) температура на входе в коллектор в начальный момент работы ( с учетом температуры в баке аккумуляторе ) составляет t нач = 30 С ; λад = 0.646 Дж м 7) коэффициент теплопроводности воды −7 2 8) вязкость воды vад = 5.56 ⋅10 м с ; ; 9) критерий Прандтля Рч0.48 =1.72 ; 10) критерий Рейнольдса Re = ωd 0.221 ⋅ 0.024 = = 9.519 ⋅10 3 , −7 v 5.56 ⋅10 Re 0.8 = 1.526 ⋅10 3. 11) критерий Нуссельта Nu =0.021 ⋅1.526 ⋅10 3 ⋅1.72 =55 .12 ; 12) коэффициент теплоотдачи внутри труб от воды к стенке змеевика α = Nu λад 55.12 * 0.646 = = 1484 Вт м 2 d 0.024 1З) коэффициент теплопроводности изоляции δиз = 0.05 м; 14) коэффициент теплопроводности стекла δст = 0.005 м; λиз = 0.05 Вт м с λст = 0.7 Вт м ^ толщиной с толщиной 15) приведенная степень черноты стекла εп = 0.8; 16) расстояние между поглощающей пластиной и покрытием δвозд = 0.01 м. Последующие покрытия устанавливаются с шагом δвоз 2 = 0.01 м; 17) средняя температура по поверхности изоляции и на поверхности труб t R ( на расстоянии R от черной поверхности); 18) температура окружающего воздуха (атмосферного) t f = 0 C ; 19) коэффициент α воз = 25 Вт м теплоотдачи с учетом ветра и лучеиспускания 2 Количество теплоты, передаваемое от изоляции qив =αпов (t пов .ив −t f ) = 25 (t пов .ив −0) = 25 t пов .ив . Средняя температура на поверхности изоляции tR = t − t − t пов .ив q R = t − 0.24t + ив ⋅ 0.24 = 0.76t + q ив * 0.0096 , δ ив 25 где t – средняя температура поглощающей пластины. Количество теплоты, проходящее через изоляцию qив = t − tR δ ив 1 + λив α воз = t = 0.961t; 0.05 1 + 0.05 25 t R = 0.76t + 0.961t ⋅ 0.0096 = 0.769t = 0.77t. Уравнение теплообмена Cед ρбдνвд (t вх −t вых ) =αвд ⋅ FTP ∆t cp . - температура воды на выходе и на входе в коллектор соответственно ,С t вх , t вых ∆t cp = P= ln (t R − t вх ) − (t R − t вых ) , t R − t вх ln t R − t вых C вд ρ вдν вд = α вд FTP t R − t вх 1 1 = = = 11 .1 t R − t вых P 0.09 t R − t вх = e11 .1 , tR − tK tК = tR tR − tK = t R − t вх = 0, e11.1 t K = 0.77 t. или Общий баланс тепла: Q = q⋅F = + Где 1 , t R − t вх ln tR − tK (t − t f )( F − F∗ ) (t − t f ) F∗ + + δ из 1 0.5 R δ в 0.05 − 1.5R 1 + + + + λиз α в λиз λв λиз αв (t − t f ) F + С вд ρ вдν вд (t k − t n ). 2δ ст δ δ 1 ( ) воз1 + ( ) воз 2 + + λ λ λст α в F∗ = 4 − 3,13 + 2πR 20 ⋅ 0,076 , λв ≈ 0.07 Вт / м 0 С После выяснения Q = q ⋅ F = 400 ⋅ 4 =1600 BT располагаемого количества тепла и подсчета C B ρBν B = 418 .2 становиться ясно, что t не может быть равен 400С, так как 0,77х40=30,80С, то есть почти дает нуль с t n = 30 , чего не может быть. Ясно, что t не может быть и 50 град.С, так как тогда 418,2 х 8.5=3554,7 Вт, что больше располагаемого тепла 1600 Вт 0 Зададим t итер .1 ≈ 43 С t ст 2 = t + t1 43 = = 21 C , 2 2 t + t CT 2 43 + 21 = = 32 C , 2 2 t + 273 t + 273 4 εС ( ) − ( cт1 ) ⋅δ B 100 100 λвоз 1 = + λB = t − t CT 1 43 + 273 4 32 + 273 4 0.0456 ( ) −( ) 100 100 = + 0.025 = 0.0796 BT M C 11 t CT 1 = λвоз 2 4 21 + 273 0,456 86 ,5 − 100 = + 0,025 = 0,0729 11 ( 4 − 0.96 ) t ⋅ 0.96 + + 0.05 1 0.5 0.01 0.05 −1.5 ⋅ 0.012 1 + + + + 0.05 25 0.05 0.025 0.05 25 4t 418 .2(0.77 t − 30 ) + + 0.01 0.01 2 ⋅ 0.005 1 322 t −12546 ( ) +( )+ ⋅ 0.0796 0.0729 0.7 25 1600 +12546 = 2.923 t +1.168 t +12 .62 t + 322 t 1600 = тогда t = 41 .76 Температура на выходе из коллектора t k = 0,77 t ; t = 0,77 * 41,76 = 32 ,15 0 C , то есть нагрев при q = 400 Вт / м 2 получается только на 2,15 град.С. Можно все уточнить (но не на много) при второй интерации. t ст 2 = t CT 1 = t + t1 41,76 = = 20 C , 2 2 t + t CT 2 41,76 + 20 = = 30 ,9 C , 2 2 λBO 31 = 0.0456 (( 41 .76 + 273 4 30 ,9 + 273 4 ) −( ) ) 100 100 + 0.025 = 0.0787 BT M C 10 ,9 ( 20 + 273 ) ) 4 41,76 + 273 4 0.0456 ( ) −( 100 100 λBO 32 = + 0.024 = 0.098 BT M C 21 0 t = 41 .8 C . После второй итерации t = 41 .8 0 c t k = 0.77 t = 0.77 ⋅ 41 .8 = 32 .186 C , то есть нагрев составил 2,186 град С. Если поток тепла составит q = 800 Bт / м 2 тогда t= 46,580С t k = 0,77 ; t = 35 ,80 C ,то есть нагрев составит 5,80С. Последовательно ставить второй коллектор нет смысла, так как поверхность и α велики , а отсюда t k = t R 3 0 при медленном движении жидкости с VВД . = 0,00001 м / с(10 С / с ) q =400 BT, ω= ν Ed = 5.56 ⋅ 10 −7 m 2 c , ν ВД = 0.0221 M C , πR 2 λBД = 0.646 BT m C Pч =1.72 , Re 0.8 = 242 8.74 ⋅ 0.646 α= = 235 BT / M 2 Nu = 0.021 ⋅ 242 ⋅ 1.72 = 8.74 0.024 C BD ρBDνBD (t n −t n ) =αBD FTP ∆t CP , (t − t ) − (t R − t n ) C AD ρ ADν AD (t n − t n ) = R n t −t α AD FTP ln R n tR − tn или ln t R − tn 1 = , t R − tn P tR − tn = e17 .6 , tR − tn tK = tR , q = 400 BT 4182 ⋅1000 ⋅ 0.00001 = 0.0568 , 235 ⋅ 3,13 1 1 = =17 .66 , P 0.0568 tR − tK = tR − tn tR − tn = = 0. e n. B ∞ следовательно, второй коллектор ставить бесполезно, при / M 2 , так как у первого коллектора хватает поверхности, чтобы выйти на t K Примем P= = t R = 0.77 t t + t ст 2 60 + 30 60 + 0 = = 45 0 C = 30 0 C t ст1 = 2 2 2 2 60 + 273 4 45 + 273 4 0.0456 (( ) −( ) ) 100 100 λcT 1 = + 0.025 = 0.088 BT / M 0 C 15 30 + 273 4 0.045 102 − ( ) 100 + 0.024 = 0.0778 BT / M ⋅ C. λcT 2 = 15 t итер 1 = 60 с, Тогда баланс получится t ст 2 = t +t f = 4t + 0.01 0.01 + + 0.0143 + 0.04 0.0888 0.0778 4182 ⋅1000 ⋅ 0.00001 (0.77 ⋅ 60 − 30 ) = 2.923 t +1.173 t + 32 .2t −1225 , была принята t итер 1 = 60 с, то t 2 = 58 C , t K = 44 .6 0 c, 1600 = 2.923 t +1.173 t + Так как Нагрев ∆t =14 .66 C. Примечания: 1) При необходимости иметь большой расход ставят несколько коллекторов, q = 400 Вт / м 2 каждый. работающих параллельно при t k = 44 ,6 0 C ;V3 = 3 ⋅V1 м 3 / с 2)Возможно нагрев производится лентами: одновременно выпускается нагретая «стоящая» в трубках вода и впускается новая порция, которая стоит некоторое время, пока не нагреется от Солнца. ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Расчет установок солнечного горячего водоснабжения Основные термины: Дублер - традиционный источник теплоты для догрева воды, полученной в установке солнечного горячего водоснабжения. Теплоприемный контур - контур, в котором происходит нагрев теплоносителя непосредственно солнечной энергией. Все типы установок с дублирующими источниками рассчитываются по данным месяца с наибольшей суммой солнечной радиации за период работы, а системы без дублирующего источника - с наименьшей. Площадь солнцепоглощающей поверхности коллекторов установки без дублеров А, м2, следует определять по формуле A = G / ∑ gi , (1) i где G – часовой расход горячей воды в системе горячего водоснабжения G, кг, принимается по СНиП 2.04.01-85 ; gi - часовая производительность установки, отнесенная к 1 м2 поверхности солнечного коллектора, кг/м2; i - расчетные часы работы установки. При неравномерном потреблении горячей воды по месяцам в установках без дублеров расчет площади солнечных коллекторов следует выполнять по величине суточного расхода горячей воды каждого месяца и принимать наибольшую из полученных площадей. Часовая производительность установки gi , кг/м2, определяется по формуле gi = 0,86U , t −t ln max i 1 tmax i − t2 ( 2) где U - приведенный коэффициент теплопотерь солнечного коллектора, Вт/ (м2⋅К), в случае отсутствия паспортных данных может быть принят 8 Вт/ (м2⋅К) для одностекольных коллекторов и 5 Вт/(м2⋅К) - для двустекольных; t1, t2 - температура теплоносителя на входе и на выходе солнечного коллектора, °С Температура на входе t2 определяется по формуле t2 = tw2 + 5°C, где tw2 - требуемая температура горячей воды. Температура на выходе определяется по формуле t1 = tW 1 + 5 C , где tW 1 - температура холодной воды. В одноконтурных системах t1 = tW 1 и t2 = tW 2 . Равновесная температура каждого часа tmax i определяется по формуле tm axi = qθ i / U + tei, (3) qθi - приведенная интенсивность поглощенной солнечной радиации, Вт/м2, определяется по прил. 1; tei - температура наружного воздуха, °С. Примечание. При отсутствии в технических характеристиках солнечных коллекторов величины солнцепоглощающей поверхности ее следует принимать равной 0,9 - 0,95 габаритной площади коллектора. В первый час работы установки температура на входе принимается равной температуре воды в баке-аккумуляторе. При отклонении солнечных коллекторов от южной ориентации до 15° количество поглощенной радиации снижается на 5%, при отклонении до 30° - 10%. Площадь солнцепоглощающей поверхности установок с дублером А, м2, следует определять по формуле A= 1,16G ( tW 2 − tW 1 ) , η ∑ qi (6) i где qi - интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2, определяется по прил. 1 в интервале от 8 до 17 ч для солнечных коллекторов южной ориентации. При отклонении от юга к востоку или западу на каждые 15 интервал времени начинается раньше или позже на 1 ч; η- КПД установки солнечного горячего водоснабжения. Коэффициент полезного действия установки определяется по формуле η = 0.8 ⋅ θ − 9U [ 0,5(t1 − t 2 ) − t e ] ∑q i (7) где θ - приведенная оптическая характеристика коллектора. При отсутствии паспортных данных может быть принята равной 0,73 для одностекольных коллекторов и 0,63 - для двухстекольных; te - средняя дневная температура воздуха °С. При переменном расходе теплоносителя в теплоприемном контуре и контуре нагреваемой воды подбор насосов производится по максимальной величине расхода. При постоянном расходе теплоносителя его удельный расход должен приниматься в пределах 20-40 кг/м2⋅ч. При проектировании установок с переменным расходом теплоносителя расчет теплообменников следует производить по среднечасовым значениям расходов воды и теплоносителя. Расчет интенсивности солнечной радиации Расчет установки солнечного горячего водоснабжения выполняется по часовым суммам прямой и рассеянной солнечной радиации и температуре наружного воздуха. Величина интенсивности солнечной радиации, температура наружного воздуха принимаются, как правило, по "Справочнику по климату СССР", Гидрометеоиздат, Л., 1966. Интенсивность падающей солнечной радиации для любого пространственного положения солнечного коллектора и каждого часа светового дня qi , Вт м2 , следует определять по формуле qi = PS I S + PD I D , где I S - интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт м 2 в [11] табл. 2.4; I D - интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт м2 ; PS , PD - коэффициенты положения солнечного коллектора для прямой и рассеянной радиации соответственно. Коэффициент положения солнечного коллектора для рассеянной радиации следует определять по формуле PD = cos2 b 2 , где b - угол наклона солнечного коллектора к горизонту. Коэффициент положения солнечного коллектора PS для прямой солнечной радиации следует определять по таблице данного приложения. Приведенную интенсивность поглощенной солнечной радиации q, следует определять по формуле Вт м 2 , qθi = 0,96( PS θ S I S + PD θ D I D ) , где θS и θ D - соответственно приведенные оптические характеристики солнечного коллектора для прямой и рассеянной солнечной радиации. При отсутствии паспортных данных могут быть приняты: θS = 0,74 ; θ D = 0,64 - для одностекольных и θS = 0,63; θ D = 0,42 - для двустекольных солнечных коллекторов. Пример расчета При неравномерном потреблении горячей воды по месяцам в установках без дублеров расчет площади солнечных коллекторов следует выполнять по величине суточного расхода горячей воды каждого месяца и принимать наибольшую из полученных площадей. Рассчитаем площадь для 6 месяца года Часовая производительность установки gi , кг/м2 q= 0,86 ⋅ 5 =5 96 ,1 −30 ln 96 ,1 − 70 Температура на входе t2=300С Температура на выходе t1=700С U - 5 Вт/(м2⋅К) - для двустекольных коллекторов; Приведенная интенсивность поглощенной солнечной радиации q, Вт м 2 , qθ = 0.96 (0.9 ⋅ 0.63 ⋅ 558 + 0.88 ⋅ 0.42 ⋅ 93) = 336 .7 Вт / м 2 Равновесная температура каждого часа t max i = tmax i 336 ,7 + 28 ,8 = 96 ,10 C 5 Площадь солнцепоглощающей поверхности коллекторов установки без дублеров А, м2, А= где 200 = 40 м 2 5 G – суточный расход горячей воды в системе горячего водоснабжения G, кг, принимаем среднечасовой – 200л/ч Площадь солнцепоглощающей поверхности установок с дублером А, м2, А= 1,16 ⋅ 200 (70 −30 ) =19 ,8 = 20 м 2 0,8 ⋅ 584 Коэффициент полезного действия установки определяется по формуле 9U [0,5(70 + 30 ) − 28 ,8] η = 0.8 0,63 − = 0.8 584 где qi qi = 0,9 ⋅ 558 + 0,88 ⋅ 93 = 584 Вт / м 2 где θ - 0,63 - для двухстекольных; ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Задание для задачи по расчету тепловой части солнечного коллектора № варианта Расход Площадь мощность теплоносителя, поглощающей пластины,м 2 кг/с поглощаемой энергии пластиной 1 0.1 3х3 400 2 0.2 3х2 420 3 0.15 2х2 450 4 0.12 3х4 500 5 0.9 4х4 600 6 0.95 3х3 450 7 0.98 2.2х2.2 400 8 0.85 2х2 410 9 0.18 1.5х1.5 380 10 0.14 2.5х2.5 480 11 0.11 3х3 460 12 0.115 2х2 400 13 0.13 3х2 430 14 0.96 3х3 470 15 0.99 1.5х1.5 370 16 0.17 2.5х2.5 440 17 0.18 2.3х2.3 410 18 0.1 3.1х3.1 500 19 0.15 3.4х3.4 510 20 0.1 3х3 410 21 0.2 3х2 430 22 0.15 2.5х2.5 450 23 0.11 3х4 500 24 0.172 4х4 600 25 0.995 3х3 450 26 0.98 2.2х2.2 450 27 0.85 2х2 420 28 0.17 1.5х1.5 380 29 0.15 2.5х2.5 480 30 0.11 2.6х2.6 460 31 0.115 2х2 410 32 0.153 3х2 450 33 0.156 3х3 470 34 0.89 1.5х1.5 370 35 0.17 2.5х2.5 430 36 0.18 2.3х2.3 420 37 0.1 3х3 470 38 0.15 3.4х3.4 480 39 0.142 3х4 500 40 0.18 4х4 600 41 0.115 3х3 450 42 0.98 2.2х2.2 390 43 0.105 2х2 400 44 0.104 1.5х1.5 380 45 0.107 2.5х2.5 470 46 0.11 3х3 450 47 0.115 2х2 420 48 0.12 3х2 430 49 0.116 3х3 460 50 0.99 1.5х1.5 380 51 0.16 2.5х2.5 440 52 0.165 2.3х2.3 410 53 0.1 3.1х3.1 480 54 0.15 3.4х3.4 495 55 0.88 1.5х1.5 370 56 0.175 2.5х2.5 430 57 0.181 2.3х2.3 420 58 0.108 3х3 470 59 0.151 3.4х3.4 480 60 0.143 3х4 500 61 0.181 4х4 600 62 0.114 3х3 450 63 0.986 2.2х2.2 390 64 0.104 2х2 400 65 0.107 1.5х1.5 380 66 0.108 2.5х2.5 470 67 0.1078 3х3 450 68 0.1139 2х2 420 69 0.119 3х2 430 70 0.115 3х3 460 71 0.998 1.5х1.5 380 72 0.161 2.5х2.5 440 73 0.164 2.3х2.3 410 74 0.103 3.1х3.1 480 75 0.152 3.4х3.4 495 76 0.102 2х2 400 77 0.106 1.5х1.5 380 78 0.107 2.5х2.5 470 79 0.108 3х3 450 80 0.18 2.5х2.5 470 Задание для расчета установок солнечного горячего водоснабжения Угол наклона коллектора к горизонту b , град 50 № варианта город 1 Киев 2 Тбилиси 60 3 Кишинев 90 4 Ростов-на-Дону 45 5 Сочи 25 6 Туапсе 60 7 Ереван 55 8 Баку 65 9 Ашхабад 40 10 Минск 35 11 Краснодар 40 12 Львов 50 13 Ялта 45 14 Ташкент 60 15 Душанбе 25 16 Севастополь 60 17 Харьков 65 18 Одесса 60 19 Симферополь 45 20 Саратов 70 21 Астрахань 90 22 Душанбе 25 23 Минск 55 24 Вильнюс 70 25 Брест 70 26 Брянск 55 27 Алма-Ата 45 28 Самарканд 55 29 Киев 65 30 Тбилиси 45 31 Кишинев 70 32 Ростов-на-Дону 60 33 Сочи 40 34 Туапсе 45 35 Ереван 40 36 Баку 90 37 Ашхабад 55 38 Минск 65 39 Краснодар 55 40 Львов 70 41 Ялта 60 42 Ташкент 45 43 Душанбе 55 44 Севастополь 45 45 Харьков 50 46 Одесса 45 47 Симферополь 60 48 Саратов 40 49 Астрахань 60 50 Душанбе 40 51 Сочи 40 52 Туапсе 45 53 Ереван 40 54 Баку 90 55 Ашхабад 55 56 Минск 65 57 Краснодар 55 58 Львов 70 59 Ялта 60 60 Ташкент 45 61 Душанбе 55 62 Севастополь 45 63 Харьков 50 64 Одесса 45 65 Симферополь 60 66 Саратов 40 67 Астрахань 60 68 Душанбе 69 Киев 40 50 70 Тбилиси 60 71 Кишинев 90 72 Ростов-на-Дону 45 73 Сочи 25 74 Туапсе 60 75 Ереван 55 76 Баку 65 77 Ашхабад 40 78 Минск 35 79 Краснодар 40 80 Львов 50 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бринкворт Б.Дж. Солнечная энергия для человека: М.: Мир, 1976. 278с. 2. Берковский Б. М. , Кузьмин В. А. Возобновляемые источники энергии на службе человека. М.: Наука, 1987. 125 с. 3. Богословский В.Н, Энергия окружающей среды и строительное проектирование. М.:Стройиздат, 1983. 125 с. 4. Даф Дж. А., .Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М: Мир, 1971. 420 с. 5. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. М.: Знание, 1990. 121с. 6. Внутренние санитарно-технические устройства: Справочник проектировщика. Ч I. Отопление. М.:Стройиздат, 1990. С. 175-191. 7. Хамид Г., Бекман У. Характеристики набранных из проволочных сеток матриц при радиационном обогреве и воздушном охлаждении// Тр. Амер. об-ва кн. - мех. Сер.- А: Энергетические машины и установки. 1971. №2, С.57. 8. Михеев М.А. , Михеев И.М. Основы теплопередачи: М.: Энергия, 1973.318с. 9. И. Исаченко В.П., Осином В. А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. 439с. 10. Внутренние санитарно-технические устройства: Справочник проектировщика. Ч П. Отопление. М.:Стройиздат, 1990. С. 175-191. 11. Справочнику по климату СССР . Гидрометеоиздат, Л., 1966.
