Содержание к диссертации
Введение
1. Системы солнечного горячего водоснабжения и методы анализа их эффективности 18
1.1 Исследования солнечных коллекторов 18
1.2 Системы горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов 29
1.3 Методы сквозного анализа затрат энергии и эксергии при создании энергетического оборудования 39
1.4 Выводы и задачи исследования 57
2. Исследование характеристик солнечного коллектора в лабораторных условиях 60
2.1 Описание солнечного коллектора 60
2.2 Определение гидравлических характеристик 62
2.3 Экспериментальная установка для исследования теплотехнических характеристик солнечного коллектора 66
2.4 Методика определения интенсивности искусственного излучения 68
2.5 Исследование теплотехнических характеристик солнечного коллектора 78
3. Исследования работы водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя в натурных условиях 89
3.1 Экспериментальная установка и методика проведения испытаний 89
3.2 Модель работы водогрейной гелиоустановки 96
3.3 Методика расчета производительности водогрейной гелиоустановки 102
3.4 Применение модели для расчета и оптимизации работы систем солнечного горячего водоснабжения 111
3.5 Исследование надежности работы коллектора в условиях длительной эксплуатации 116
4. Энергетический анализ установок возобновляемой энергетики 120
4.1 Методика определения затрат энергии на создание энергетической установки 120
4.2 Энергетический анализ-нетто водогрейной гелиоустановки 129
4.3 Экономическая эффективность
водогрейной гелиоустановки 140
Выводы 146
Литература
- Системы горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов
- Экспериментальная установка для исследования теплотехнических характеристик солнечного коллектора
- Модель работы водогрейной гелиоустановки
- Энергетический анализ-нетто водогрейной гелиоустановки
Введение к работе
Развитие современного общества и технологий усиливает зависимость человечества от энергоснабжения во всех областях деятельности. Становление современной отечественной энергетики начиналось со строительства как районных теплоэлектростанций, образующих энергосистемы, так и станций отдельных предприятий, нуждающихся, в надежном первоочередном энергоснабжении. Энергетика СССР стремилась к централизации, строительству станций большой установленной мощности, что обеспечивало снижение удельной стоимости оборудования и производимойэнергии. В XX веке в качестве основного топлива в энергетике широко использовался уголь, что существенно1 ухудшало экологическую обстановку в районе станций. Централизованное производство электрической и тепловой энергии позволяло вынести источники загрязнения за пределы населенных пунктов, тем самым, улучшая экологическую ситуацию. К сожалению, на сегодняшний день все более широкое распространение в качестве топлива получает природный газ, что связано с относительной простотой его применения и развитием сети магистральных и распределительных трубопроводов. С экологической точки зрения его использование на энергетических установках, расположенных вблизи мест с высокой концентрацией населения, возможно. Это позволяет приблизить источники энергии к потребителю.
Освоение* современных технологий использования природного газа, местных видов топлив и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет ставить, задачу о создании распределенной энергетической системы, состоящей из большого числа производителей энергии-работающих по графику тепловой нагрузки.
Во многих Европейских странах стремятся ввести системы автономного тепло- и электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Это делается с целью снижения зависимости от конъюнктуры топливного рынка, уменьшения экологической нагрузки, повышения
надежности и эффективности [1]. Несомненными достоинствами таких энергосистем являются: экологическая чистота, независимость от аварий в центральной энергосети, стимуляция для внедрения энергосберегающих технологий, рациональное использование природных топливных ресурсов, объективный и точный учет расхода энергии каждым потребителем. В России в связи с непрерывным ростом цен на энергоносители также намечается некоторый сдвиг в данном направлении. Это видно на примере увеличения объемов строительства новых объектов с использованием энергосберегающих технологий и собственных системами энергоснабжения, а также повышения интереса к возможности внедрения возобновляемых источников энергии.
Россия имеет обширную территорию, на большей части которой преобладает холодный климат, что влечет за собой повышенные затраты на теплоснабжение. Средний показатель градусо-суток отопительного периода для территории России и ряда стран показан на рис. 1. Отсюда очевидна необходимость надежного и эффективного теплоснабжения потребителей в данных климатических условиях.
Рис. 1. Среднее значение градусо-суток отопительного периода для условий Екатеринбурга и ряда стран.
Потребление тепловой энергии в РФ в 2003 г. было на уровне 1405,2 млн. Гкал [2], в Свердловской области этот же показатель за 2006 г. равнялся 36,53 млн. Гкал из них на горячее водоснабжение (ГВС) 9,1 млн. Гкал (24,9%). Наличие ГВС повышает культуру жизни людей, обеспечивает комфорт, снижает риск возникновения заболеваний. В отличие от отопительной, данный вид нагрузки присутствует круглогодично. Между тем в России даже крупные города не могут полностью обеспечить все свое население горячей водой. По статистическим данным Правительства Свердловской области, средняя обеспеченность горячим водоснабжением жителей административных образований с численностью* населения более 100 тыс. человек составляет 65,4% (рис. 2а), с численностью населения от 50 до 100 тыс. человек - 51,2 % (рис. 26). В' более маленьких населенных пунктах этот процент еще ниже. В других субъектах Российской Федерации наблюдается аналогичная картина, что свидетельствует о необходимости внедрения новых эффективных систем ГВС.
Потребители, не обеспеченные горячим водоснабжением, довольно часто имеют небольшую мощность и территориально удалены от централизованных тепловых сетей и тепловых станций, что делает экономически неоправданным строительство теплотрасс. Выходом из данной ситуации может стать создание небольших тепловых источников, расположенных непосредственно у потребителя и использующих местные виды топлива или возобновляемые источники энергии. Во многих странах таким источникам энергии отводится все большая роль, с их помощью решаются разнообразные проблемы, такие как, снабжение электрической и» тепловой энергией отдаленных поселков, обеспечение бесперебойного питания ответственных потребителей, обеспечение экологической безопасности и другие [3].
0 21—in—
I « lis
Рис. 2. Обеспеченность населения административных образований Свердловской области горячим водоснабжением: а - численность населения более 100 тыс. человек; б -численность населения от 50 до 100 тыс. человек.
Многие территории РФ являются топливодефицитными. Так в Свердловской области доля использования собственных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляет менее 5%. В тоже время, практически повсеместно присутствуют те или иные виды возобновляемых источников энергии. Одним из таких ВИЭ является солнечная энергия, экономический потенциал которой на территории России оценивается в
12,5 млн. т у. т. в год [4], что равняется 1,2% от объема топливно-энергетических ресурсов, потребленных в России в 2006 г ( 973 млн. т у. т.)
И-
Одним из способов использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в солнечных коллекторах (СК). Подобного рода системы для обеспечения горячего водоснабжения потребителей нашли широкое применение во многих странах даже с относительно холодным климатом, таких как Дания и Швеция.» Однако общепризнано, что гелиоустановки, тем более малой производительности, пока не могут быть конкурентоспособными с традиционными энергоисточниками.
Для развития и освоения ВИЭ в Европе действуют две модели государственной поддержки возобновляемой энергетики. В основе британской модели - обязательные квоты на отпуск энергии от альтернативных источников. Этой модели придерживаются Франция и Ирландия, однако темпы развития нетрадиционной энергетики в этих странах значительно ниже, чем в государствах, работающих по германской модели. В Германии, Дании, Испании действуют гарантированные государственные дотации на реализацию проектов с использованием возобновляемых источников энергии.
Препятствиями на пути развития возобновляемых источников энергии в России стали отсутствие поддержки со стороны государства и обширные запасы углеводородных' ископаемых топлив, которых хватит на многие десятилетия. Именно по этим причинам считается более «рациональным» строительство традиционных энергетических установок, эффективность которых в ряде случаев- выше, чем у установок, использующих возобновляемые источники энергии.-
Традиционно считается, что возобновляемые источники энергии не могут гарантировать стабильное энергоснабжение, однако недостатком только двух видов - энергии ветра и солнца - является их стохастический характер и, отсюда, необходимость аккумулирования энергии. У всех других
возобновляемых источников энергии данный недостаток отсутствует. Следует отметить, что аккумулирование солнечной энергии в виде тепла уже имеет простые технические решения, опробованные на практике и доказавшие свою экономичность.
В- настоящее время, произошло выравнивание стоимости киловатта. установленной' мощности для ряда установок традиционной и нетрадиционной энергетики. Это стало следствием, ужесточения требований по экологии, предъявляемых к установкам традиционной' энергетики, ведущего к их удорожанию, и развития техники и технологии производства, ведущего.к удешевлению установок ВИЭ [6].
Опыт стран мира и данные по климатологическим исследованиям
показывают, что для РФ в перспективе возможно замещение органического
топлива солнечной энергией в достаточно широких масштабах. Они будут
определяться с одной стороны потенциалом прихода солнечной энергии, а с
другой - энергетическими затратами на создание оборудования солнечной
энергетики, которое на сегодняшний день является дорогостоящим* и
энергозатратным. Данных, позволяющих выполнить комплексную оценку
масштабов использования солнечной энергии недостаточно, несмотря на то,
что исследования по данной теме выполняются уже почти 100 лет. Поэтому
целью работы является проведение исследования по определению истинной
энергетической эффективности установок солнечного горячего
водоснабжения, поскольку солнечная энергия имеет наиболее
неравномерный и стохастический характер.
Работа выполнена на кафедре «Атомная энергетика» ГОУВПО «Уральский государственный технический, университет - УПИ» (УГТУ-УПИ).
Актуальность темы. В настоящее время, некоторые установки традиционной и возобновляемой энергетики близки по уровню их стоимости. Подорожание установок традиционной энергетики стало следствием ужесточения требований по экологии. В свою очередь развитие техники и
технологий привело к снижению стоимости установок возобновляемой энергетики. Традиционно эффект от внедрения энергоисточника оценивался экономическими параметрами. Однако они не могут в полной мере отразить эффективность энергетической технологии, поскольку на них воздействуют субъективные факторы такие как: рост цен на материалы, политическая конъюнктура, локальные войны и катаклизмы и т. д. Поэтому для объективного сравнения и выбора типа энергетических установок необходимо проводить не только экономический, но и энергетический анализ проектов, который заключается в сопоставлении энергии, затраченной на создание объектов, с энергией, вырабатываемой ими за весь срок эксплуатации. В некоторых странах, например США, такого рода анализ является неотъемлемой частью технико-экономического обоснования проекта, поскольку он показывает истинный эффект, который можно достичь в абсолютных энергетических единицах.
Проведение энергетического анализа особенно важно для установок солнечной энергетики, поскольку данный природный источник характеризуется стохастичностью и сильным рассеянием энергии в пространстве, что требует увеличения размера установки и соответственно повышенных затрат энергии на ее создание. Задача о необходимости проведении энергетического анализа таких установок была сформулирована еще в работах П. Л. Капицы.
В области энергетического анализа-нетто установок традиционной энергетики проведен ряд исследований. Количество работ по энергетическому анализу установок возобновляемой энергетики весьма ограничено. Выполненные исследования- имеют в основном теоретический характер и не подвергались процедуре верификации.
Цель работы. Комплексное исследование технических характеристик типового плоского солнечного коллектора, создание на его основе математической модели, описывающей работу систем солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя и позволяющей
определить их производительность. Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной гелиоустановки для ряда регионов РФ. Задачи исследования.
Проведение экспериментальных исследований солнечного коллектора для получения основных гидравлических и теплотехнических характеристик.
Проведение экспериментальных исследований работы водогрейной гелиоустановки с естественной* циркуляцией' теплоносителя в натурных условиях Уральского региона.
Построение модели прихода солнечной радиации на поверхность солнечного'коллектора в течение светового дня.
Построение математической модели для определения производства энергии и эксергии водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя в течение светового дня и создание методики определения производительности за весь срок службы.
Определение энергетических и эксергетических затрат на создание водогрейной гелиоустановки.
Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной-гелиоустановки для условий Урала и ряда регионов РФ.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов исследований с использованием цифровых систем измерений контролируемых параметров, хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна:
Разработана и экспериментально верифицирована методика оценки энергетической, эффективности солнечного коллектора при искусственном освещении с последующим приведением'результатов к характеристикам при спектре солнечного излучения:
Выполнены натурные исследования и разработана уточненная модель определения тепловой эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной циркуляции теплоносителя в
зависимости от основных конструктивных, теплофизических и режимных параметров.
3. Впервые выполнена оценка энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной' циркуляции, по методике энергетического анализа-нетто в зависимости от энергетического потенциала территории.
Практическая ценность работы. Построенная модель работы водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя позволяет уточнить и упростить расчет и проектирование систем солнечного горячего водоснабжения. Созданные методики и полученные экспериментальные данные используются ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» при проектировании водогрейных гелиоустановок. Отдельные материалы исследования использованы при разработке курса «Проектирование и эксплуатация установок НиВИЭ» и лабораторных работ для подготовки студентов УГТУ-УПИ.
Положения, выносимые на защиту.
Уточненная методика определения полезной* выработки теплоты водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя с учетом переменного во времени КПД установки и суточного изменения прихода солнечной радиации.
Модель работы водогрейной гелиоустановки в режиме естественной циркуляции теплоносителя для конкретных конструктивных, теплотехнических и режимных параметров, позволяющая выявить факторы, способствующие повышению интенсивности естественной циркуляции и эффективности установки.
Методика оценки затрат энергии и эксергии, необходимых для изготовления водогрейной гелиоустановки.
Коэффициенты энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки для условий Урала и другихрегионовРФ.
Личный вклад автора состоит в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, на основе которых построены математические модели и проведен энергетический анализ водогрейной гелиоустановки.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 2 международных и 5 всероссийских конференциях: на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006 г.), на VII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2006 г.), на X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), на VIII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Ecotechnologies of XXI century» (Екатеринбург, 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные энергетические технологии. Экология. Экономика, безопасность и подготовка кадров» (Екатеринбург, 2007 г.), на XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), на XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Международных и
Всероссийских конференций, в том числе 5 статей в реферируемых изданиях по списку ВАК.
Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, выводов, четырех приложений, списка литературы, включающего 140 наименования. Общий объем диссертации 167 страниц. Работа содержит 46 рисунков и 19 таблиц.
Системы горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов
Во многих странах широко применяются гелиоустановки горячего водоснабжения (ГВС). Всего в мире эксплуатируются 71,3 млн. м2 солнечных водонагревательных установок. В США на каждого человека приходится 0,4 м2 солнечных коллекторов, в Израиле - 0,6 м2, на Кипре - 0,8 м2. В странах объединенной Европы темпы ежегодного прироста гелиоустановок самые высокие и составляют 20% в год к 2010 г. ожидается прирост мощностей, обеспечивающий нагрев около 9,4 млн. м в год. Самая большая гелиоустановка в Европе с площадью солнечных коллекторов-» 8064 м2 эксплуатируется в Дании. В Германии 450 тыс. домовладельцев имеют установки для ГВС и отопления с общей площадью солнечных коллекторов свыше 2 млн. м2. На Кипре около 90% частных домов и больше 50% гостиниц оборудованы гелиоустановками. Ежегодно на острове выпускают солнечные коллекторы общей площадью 35 тыс. м . В США годовой выпуск коллекторов составляет 1,6 млн. м при общей площади эксплуатируемых гелиоустановок более 20 млн. м [48 - 52].
В России общая площадь эксплуатируемых гелиоустановок не превышает 10 тыс. м . Из них большая часть (7 тыс. м ) находится в Краснодарском крае и служит вюсновном для горячего водоснабжения [50] в виде отдельных модулей, либо»в виде гелио-топливных котельных в которых предварительный нагрев теплоносителя осуществляется при помощи солнечных коллекторов.
С 1995 по- 2001 г. в Краснодарском крае сооружено более 36 гелиоустановок ГВС производительностью от 1 до-10 м3 горячей воды в день общей площадью 1000 м . Самаяібольшая в Росси гелиоустановка (площадью 400 м) построена в 1997 г. в санатории «Лазаревское» (Сочи) под руководством д. т. н. П. В. Садилова. Работы по внедрению установок солнечного горячего водоснабжения проводятся и в Бурятии. За 2000 — 2001 гг. там изготовлено и смонтировано 15 гелиоустановок общей площадью 442 м [53].
В нашей стране проектирование гелиоустановок выполняется «Южнорусской энергетической компанией» под руководством д. т. н. В. А. Бутузова, институтом1 «Ростовтеплоэлектропроект» под руководством к. т. н. А. А. Чернявского, а также «Центром энергоэффективных технологий» в Бурятии. Разработаны рекомендации по проектированию солнечных станций теплоснабжения, научные основы проектных решений разрабатывались докторами т. н. Б. В. Тарнижевским, М. Д. Рабиновичем, Р. Р. Авезовым, Н. В. Харченко, Б. И. Казанджаном и другими специалистами.
По данным 1990 г., в СССР эксплуатировались гелиоустановки общей площадью около 150 тыс. м", существовала система развития солнечного теплоснабжения. Разработкой конструкций солнечных коллекторов занимались в основном Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), Киевский зональный НИИ экспериментального проектирования» (КиевЗНИИЭП), объединение «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси). При этом стенды с имитаторами солнечного излучения имелись в ЭНИН, Институте высоких температур АН СССР (Махачкала), КиевЗНИИЭП. Полигон для натурных испытаний солнечных коллекторов находился в объединении «Спецгелиотепломонтаж». Ежегодно выпускалась 91 тыс. м солнечных коллекторов, основными их производителями были Братский завод отопительного оборудования и объединение «Спецгелиотепломонтаж». Основу конструкции их коллекторов, составляли штампосварные теплопоглощающие панели из низкоуглеродистой стали [48].
Ведущей организацией по проектированию гелиоустановок был КиевЗНИИЭП, в котором под руководством д. т. н. М. Д. Рабиновича разработано- более 20 типовых и повторно применяемых проектов. ТашЗНИИЭП выполнил 10 типовых проектов гелиоустановок, проект солнечно-топливной котельной площадью 903 м в г. Наримове. ТбилЗНИИЭП разработал 5 типовых проектов гелиоустановок, проект солнечно-теплонасосной установки площадью 980 м для дома отдыха «Гумиста». Московским институтом ЦНИИЭП инженерного оборудования были подготовлены проекты солнечно-топливной котельной площадью 766 м2 в Ашхабаде, солнечно-теплонасосной установки» площадью 690 м2 и мощностью тепловых насосов 1,2 МВт для гостиничного комплекса в Геленджике. [48]. В таблице 1.2.1 приведены примеры действующих на сегодняшний день установок солнечного горячего водоснабжения.
Экспериментальная установка для исследования теплотехнических характеристик солнечного коллектора
Для проведения эксперимента было выбрано пять значений расходов воды 14,2; 21,3; 28,3; 35,3 и 42,3 л/ч, соответствующих 20, 40, 60, 80 и 100 делениям по показаниям ротаметра 3. Выбор обусловлен тем, что по данным различных источников [8, 27, 88] именно в таких пределах изменяются расходы теплоносителя при работе солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции.
В ходе проведения эксперимента, помимо расхода теплоносителя, переменным параметром также являлась интенсивность излучения, падающего на ППСК. Она регулировалась путем изменения напряжения подаваемого на излучатель теплового потока 2 при помощи автотрансформатора 17. Было выбрано четыре контрольных значения напряжения: инои=220 В (номинальное значение напряжения), 082мНШ(, 0,64ииом и 0,45гінол„ при которых на поверхности ППСК интенсивность излучения аналогична интенсивности, наблюдаемой в реальных условиях эксплуатации солнечного коллектора.
В стандартных условиях эксплуатации солнечный коллектор принимает энергию солнечного излучения, которая по! своему спектру в видимой, и инфракрасной области близка к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 5900 К. В ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектр солнечного излучения описывается другими закономерностями, поскольку их излучение исходит из хромосферы (Т 104К), расположенной над фотосферой, и короны (Т 106 К) - внешней оболочки Солнца. Около 9% энергии в солнечном-спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400 - 760 нм) и инфракрасной (760 - 5000 нм) областями спектра. При прохождении через, атмосферу Земли спектр излучения Солнца значительно изменяется в результате рассеяния и поглощения света молекулами и частицами атмосферы: в его спектре практически полностью исчезает ультрафиолетовое излучение короче 300 нм. Таким образом, у поверхности Земли основная энергия излучения Солнца сосредоточена на длине волны вблизи 500 нм.
В экспериментальной установке в качестве источника излучения использовались лампы накаливания. Принцип их действия основан на нагреве вольфрамовой спирали, поэтому 95% процентов энергии переходит в тепловую и лишь 5% в световую. Они излучают сплошной спектр, максимум, излучения-которого зависит от температуры.
Для изучения спектральных свойств излучения- лампы накаливания температура вольфрамовой нити определялась, двумя способами. Первый способ заключался в. расчете температуры при помощи температурного коэффициента удельного сопротивления вольфрама который фавен 6 0,0046 1/К [89]: По формуле. [89]. Rl=R0[l + ap(Tl0)\, (2.4.1) из которой следует р/р _ 1 Г,= l +Т0, (2.4.2) где R0, Ri — начальное и конечное сопротивление,- То, Т} — начальная и конечная температуры. Начальное сопротивление было измерено при комнатной температуре 70=20 С электронным мультиметром Mastech MAS-345 и для каждой электролампы равнялось R =4,7±0;5 Ом,, а для соединительных проводов RW06 =0,2 Ом (последовательное соединение всех проводов до соединения их параллельно). Поскольку сопротивление проводов. пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением всех ламп в расчетах оно не учитывалось. Сопротивление всего осветительного прибора состоявшего из восьми параллельно соединенных ламп Ro=0,59i Ом. В- ходе проведения эксперимента замерялось напряжение и сила тока на клеммах трансформатора 17 (рис. 2.3.1), впоследствии по закону Ома и формуле 2.4.2 вычислялись сопротивление и температура нити . Результаты замеров и расчеты, представлены в таблице2.4.1.
Второй способ- определения! температуры нити накала заключался в прямом- ее замере при помощи оптического пирометра ОППИР109, с допускаемой погрешностью измерения ±30С. Впоследствии по известной температуре нити накала пирометра производился пересчет в действительную температуру объекта измерения по формуле [91]:
Модель работы водогрейной гелиоустановки
Поскольку данные по изменению интенсивности солнечного излучения в течение светового дня (3.2.12) и соответствующие изменения КПД коллектора (3.2.14) аппроксимированы экспоненциальными функциями, дальнейшие расчеты, связанные с интегрированием величины за суточные, месячные и годовые периоды удобно вести с помощью интеграла вероятности [109, 111] Ф (г) = -±= jVa5r2 dr. (3.3.4) \J27T -«, Для этого необходимо ввести новую переменную интегрирования в виде (- \ т = ЗЪ2- - -—1 , (3.3.5) \TcJ \Тм J что позволяет записать решение (3.3.1) как Qnp =q„- c-l&4T2)-&4h)l (з.з.б) где Ф {тх) и Ф (г2) - табличные значения интегралов вероятности. При помощи выражения (3.3.6) можно рассчитать сумму солнечной радиации, пришедшей на поверхность солнечного коллектора, начиная с начала светового дня и до любого момента.
Для т1тм от 0,5 до 1,5, что отвечает граничным значениям эффективности работы СК при 7 0,05 кВт/м2, расчетные значения Ф (т) в зависимости от времени светового дня, приведены в таблице 3.3.1, а приход солнечной радиации за световой день определяется по выражению [109] CL = 0 987.0 /_.ге. (3.3.7)
В. справочных данных [17, 19, 20] обычно приводятся годовые и месячные суммы радиации для условий ясного неба и средней облачности, т. е: данные условия должны соблюдаться на протяжении всего периода. Прш реальной; эксплуатации солнечного коллектора погодные условия не постоянны; поэтому не корректно проводить расчет только для одного погодного режима. Данный; фактор учитывался при проведении расчетов.
На метеостанциях ведется статистический учет количества дней с различными условиями; облачности для1 каждого месяца. С учетом этих данных была получена зависимость для расчета энергии, приходящей на поверхность солнечного коллектора за месяц [109] где QdeHb и Q Hb - значения суммарной радиации, приходящей на поверхность солнечного коллектора за; средний день месяца, рассчитанные по (3.3.1) для условий ясного, неба- я средних условий: облачности, Ммес количество дней в,месяце, Ыобл - среднее число пасмурных дней по общей облачности за данный І месяц [17, 18 21]. Нарис. 3.3.1 приведено изменение суммы радиации, приходящей на плоскость СК, за.каждый месяц в течение года, рассчитанное по формуле (3.3.8), по данным [17], для метеостанции в г. Верхнее Дуброво.
Для оценки производительности солнечного коллектора в расчетах помимо суточного изменения прихода радиации учитывалось и изменение КПД солнечного коллектора, при помощи соотношений (3.2.12), (3.2.14). Производительность солнечного коллектора в течение светового дня в режиме постоянного нагрева теплоносителя определялась по формуле [106, 109] 05Г = МЛ]е р -18,6 ґ- V \TcJ \Ти J ( -2,2 \Т ч 1,2 dr, (3.3.9) где FK — площадь солнечного коллектора. При проведении расчетов за максимальный КПД rjM достигаемый данным СК в течение суток принимался максимальный КПД для режима работы с естественной циркуляцией теплоносителя по рис. 3.2.2 т]к1 0,6. Полученное выражение (3.3.9) было также проинтегрировано с использованием интеграла вероятности (3.3.4) [109, 111] аас=0,915 . -7л- -те.[ф (г2)-Ф (г1)]. (3.3.10)
При помощи данного выражения можно вычислить полезную энергию, выработанную солнечным коллектором начиная с начала дня и до любого момента времени. При граничных условиях т/т,( от 0,5 до 1,5 было получено выражение для энергии вырабатываемой СК за весь световой день [109] ійень Л ЛЛ . I 71 2 =0,903 — .gi(.77M-F.rc. (3.3.11) Расчет производительности солнечного коллектора за .месяц осуществлялся с учетом количества пасмурных дней No6l по формуле [109] QZT =QcTm{Nvec-NoJ + Q HbN0 (3.3.12) где Qde"b и Q de"" - производительность водогрейной гелиоустановки за средний день месяца для условий ясного неба и условий облачности. Годовая производительность водогрейной гелиоустановки определялась по формуле [109] Qc0K=tQcer,- (3.3.13) I=I
При расчете гелиоустановок, особенно работающих по одноконтурной схеме, когда теплоносителем является вода, необходимо учитывать температурный фактор. Выработка гелиоустановки за период эффективной эксплуатации (период со среднемесячной температурой выше +3С) в течение года рассчитывалась по формуле [109] 2сГд=ЕЄсГ, (3-3.14) где иг - количество месяцев эффективной эксплуатации солнечного коллектора. На территории Свердловской области СК можно использовать 6 месяцев с апреля по сентябрь (рис. 3.1.2).
Особенностью работы солнечного коллектора является то, что он вырабатывает тепловую энергию низкого потенциала, т. е. температура нагрева теплоносителя не превышает 90 - 100 С, а в большинстве случаев колеблется в районе 50 - 60 С. Поэтому очень важно оценить качество вырабатываемой им энергии. Для этого были применены методы эксергетического анализа.
В приемниках солнечного излучения осуществляется передача эксергии солнечной радиации теплоносителю, но для анализа эффективности этого процесса достаточно знать эксергию не излучающего тела (Солнца), а эксергию радиации Еприход, достигающей поверхности солнечного коллектора. Шаргут и Петела [77, 109] предложили определять плотность потока эксергии солнечной радиации ЕприХ0д по формуле
Энергетический анализ-нетто водогрейной гелиоустановки
Энергетический и эксергетический анализ любой энергетической установки целесообразно начинать с определения границ объекта, который подвергается анализу, а также всех составных частей, входящих в этот объект или необходимых для его функционирования. В данном случае предметом исследования является одноконтурная водогрейная гелиоустановка, работающая по принципу естественной циркуляции теплоносителя, в состав которой входят плоский солнечный коллектор КСА-1,6 производства ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», бак-аккумулятор тепловой энергии с теплоизоляционным покрытием, соединительные шланги и опорные конструкции. Установка предназначена для обеспечения горячего водоснабжения небольших не ответственных потребителей.
Основным элементом гелиоустановки является солнечный коллектор, который состоит из поглощающей панели (рис. 4.2.1), корпуса, слоя теплоизоляции, отводящего и подводящего патрубков.
Поглощающая панель солнечного коллектора (рис. 4.2.1) изготовлена из коррозионно-стойкого алюминиевого сплава методом диффузионно-прокатной сварки двух листов толщиной 1 мм с последующим раздутием каналов. Поверхность ППСК окрашена в черный цвет. С обеих сторон поглощающей панели приварены подводящий и отводящий патрубки, имеющие наружную трубную резьбу ЪА дюйма.
Корпус солнечного коллектора имеет габаритные размеры 1850x950x98 мм. Наружная и внутренняя поверхности корпуса окрашены полиэфирной порошковой краской белого цвета. Верхняя стенка корпуса выполняется из стекла размерами 1845x945x4 мм, остальные из специального профиля алюминиевого сплава. Применение алюминия при изготовлении корпуса сильно удорожает конструкцию и в значительной мере повышает ее энергоемкость, поскольку энергоемкость алюминия более чем в 11 раз выше энергоемкости стали [66, 121]. При проведении энергетического анализа в качестве материала корпуса рассматривалась сталь, т. к. КУМЗ прорабатывает данный вариант изготовления для снижения себестоимости продукции. В качестве сортамента заготовок корпуса рассматривались лист, уголок и шестигранник.
Для уменьшения тепловых потерь между корпусом и тыльной стороной поглощающей панели располагается слой теплоизоляции из пенополиуретана. Применение данного материала, обусловлено тем, что он имеет большой срок службы, плохо впитывает влагу и не теряет своих теплоизолирующих свойств. Однако при качественном исполнении СК в соответствии с [15] корпус коллектора должен быть герметичен, поэтому в качестве теплоизоляции ряд производителей использует минеральную вату, что снижает себестоимость энергоемкость установки.
В мировой практике в системах подобного типа используются баки-аккумуляторы объемом 80 - 100 л. Это обусловлено тем, что в течение одного солнечного дня при помощи коллектора данный объем воды нагревается до температуры 50 - 60 С и ее можно использовать для горячего водоснабжения; В составе анализируемой гелиоустановки рассматривался бак объемом 80 л. из нержавеющей стали. Данный материал имеет повышенную энергоемкость по сравнению с обычными сталями. В то же время он обеспечивает долгий срок службы, поскольку при изготовлении бака из обычных сталей даже при нанесении защитных покрытий не удается обеспечить долговременную устойчивость к коррозии, которая ухудшает качество и потребительские свойства воды, может привести к засору и поломке установки. В качестве теплоизоляции бака рассматривалась минеральная вата, а в качестве гидроизолирующего покрытия препятствующего намоканию теплоизоляции вследствие атмосферных осадков — слой рубероида.
При; сезонном использовании солнечного коллектора на территориях с холодным климатом, для предотвращения поломок ЄК вследствие влияния температур и атмосферных осадков, в зимний период рекомендуется1 убирать коллектор в помещение: По этой причине для- простоты монтажа и демонтажа установки возможно использование гибких шлангов. В; анализируемой установке в; качестве соединительных трубопроводов рассматривались пластмассовые трубы из поливинилхлорида, поскольку они более надежны и не подвержены коррозии при длительной эксплуатации.
Для размещения солнечных коллекторовчасто используют имеющиеся в наличии конструкции: крыши, навесы и т. п. Однако для эффективной работы установки необходимо соблюдать ориентацию СК. По этой причине в составе установке рассматривалась опорная рама, на которой под оптимальным углом крепился» коллектор и бак-аккумулятор, располагавшийся; на 0,5 м: выше уровня верхнего патрубка (Ж, для обеспечения устойчивого режима; естественной циркуляции теплоносителя; Конструктивно рама выполнена из стального уголка.
