Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих коллекторов и методов расчета энергетических характеристик 17
1.1. Основные типы воздушных солнечных коллекторов 17
1.2. Характеристики и примеры использования прозрачной тепловой изоляции 21
1.3. Определение тепловых характеристик солнечных коллекторов 25
1.4. Методы расчета систем солнечного теплоснабжения 29
1.5. Выводы 33
Глава 2. Исследование гидродинамики воздушного коллектора с прозрачной изоляцией капиллярного типа 35
2.1. Постановка задачи 35
2.2. Гидродинамика течения в канале с переменным расходом 36
2.3. Гидравлика каналов прозрачной изоляции 41
2.4. Коэффициент гидравлического сопротивления 43
2.5. Разработка компьютерной модели 44
2.6. Моделирование различных вариантов и оптимизация конструкции 47
2.7. Выводы 52
Глава 3. Экспериментальное определение тепловых характеристик солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией 54
3.1. Создание экспериментальной установки 54
3.2. Методика проведения измерений и оценка погрешностей 57
3.2.1. Краткое описание измерительных приборов 57
3.2.2. Определение суммарной радиации, приходящей па наклонную поверхность 59
3.2.3. Распределения полей скоростей и температур 60
3.2.4. Определение тепловых характеристик 61
3.2.5. Описание процессов измерения и обработки данных 62
3.3. Анализ полученных результатов 65
3.3.1. Сравнение эффективности использования прозрачной изоляции 65
3.3.2. Обобщенные результаты испытаний 67
3.3.3. Приведение тепловых характеристик к нормативным зависимостям 70
3.3.4. Построение экспериментальных номограмм 73
3.4. Выводы 77
Глава 4. Оптимизация систем солнечного теплоснабжения домов коттеджного типа 79
4.1. Актуальность проблемы и постановка задачи 79
4.2. Оценка гелиопотенциала Республики Калмыкия 82
4.2.1. Природные и климатические условия 82
4.2.2. Продолжительность солнечного сияния 83
4.2.3. Солнечная радиация 85
4.2.4. Районирование территории Калмыкии по природным гел иоресурсам 8 7
4.2.5. Оценка гєлиорєсурсов, принципиально доступных для технического использования
4.3. Моделирование тепловой нагрузки здания 95
4.3.1. Представление исследуемого объекта 95
4.3.2. Тепловой расчет здания поСНиП 97
4.3.3. Моделирование тепловой нагрузки с применением программы Gombis/Praxoges 102
4.3.4. Сравнительный анализ 112
4.4. Системы солнечного теплоснабжения 114
4.4.1. Принципиальные схемы воздушных систем 114
4.4.2. Аккумулирование энергии 118
4.5. Оптимизация систем солнечного теплоснабжения здания 120
4.5.1. Оптимизация основных параметров 120
4.5.2. Технико-экономический анализ 126
4.5.3. Результаты оптимизации заданного объекта 128
4.6. Выводы 133
Оглавление
Заключение 135
Список литературы 137
Приложения 146
- Характеристики и примеры использования прозрачной тепловой изоляции
- Гидродинамика течения в канале с переменным расходом
- Определение суммарной радиации, приходящей па наклонную поверхность
- Оценка гелиопотенциала Республики Калмыкия
Введение к работе
В последнее десятилетие во многих странах проявляется все большая озабоченность в связи с ухудшением экологической обстановки в мире, вызванным увеличивающимся количеством сжигаемого ископаемого топлива и, как следствие, ростом концентрации парниковых газов в атмосфере. Статистика, накопленная за последние 30 лет, показывает четкую зависимость роста концентрации СО? в атмосфере и средней температуры па Земле с ростом количества сжигаемого топлива. Пока речь идет о повышении средней температуры на десятые доли градуса, но и этого оказывается достаточным для нарушения сложившегося равновесия в атмосферных процессах, сопровождающегося природными катаклизмами с большими, в конечном счете, материальными потерями. Рис. В.1 наглядно демонстрирует эту зависимость [1].
Ископаемые топлива
Температура
Сжигаемые ископаемые Концен-
Глобальная
температура, Ущерб,
С млрд. S
14.6 . ТОО
-:
1970 19ЭЭ 1990 20СО
Рис. В.1. Влияние количества сжигаемого топлива на мировое сообщество
Международное энергетическое агентство и Мировой Энергетический Совет предсказывают 40%-ное увеличение потребления энергии в мире к 2010 году и 400%-нос к 2050 году, что приведет к дальнейшему изменению климата
ІШКДКІІИК
[2]. Одним из путей сдерживания этой угрозы является более широкое использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Внимание, которое уделяется в настоящее время развитию ВИЭ и достигнутые успехи дают основания надеяться, что оптимистические сценарии дальнейшего развития топливно-энергетического комплекса на нашей планете, один из которых показан на рис. В.2 [3], могут быть осуществлены на практике.
новая неизвестная
геотермальная и океанская
солнечная
новая биомасса
ветровая
гидро традиционная биомасс?
атомная
природный газ
нефть
уголь 2060
Рис. В.2. Прогноз мирового потребления энергии
Среди ВИЭ солнечная радиация по масштабам ресурсов. ЖОЛОГИЧЄСКОЙ чистоте и повсеместной распространенности является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и холода, особенно в области небольших температур [4]. Природно-климатические условия России, особенно юга страны, где бывает до 300 солнечных дней в году, позволяют использовать энергию солнца для покрытия значительной доли потребностей в теплоте [5]. На нужды теплоснабжения ежегодно расходуется до 25 % всего добываемого топлива, из них около 22 % приходится на долю децентрализованных источников теплоты [6]. Так как коэффициент полезного использования топлива в мелких котельных и у децентрализованных потребителей низок, то внедрение нетрадиционных источников энергии здесь особенно эффективно.
1(1
ВВЕДЕНИЕ
Одним из первых решений, принимаемых при выборе системы солнечного энергоснабжения, является выбор типа рабочего тела для переноса тепловой энергии. В качестве теплоносителей могут рассматриваться жидкости и газы. В настоящее время преобладают жидкие теплоносители: вода, антифриз, водные растворы этилен- и пропиленгликоля, масло. Единственным газом, получившим распространение в качестве теплоносителя, является воздух.
При выборе теплоносителя необходимо рассматривать совокупность различных факторов. Причинами сложностей с жидкостными системами являются:
проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе;
необходимость учитывать расширение жидкости при ее нагреве в системе, включая возможность мгновенного перехода жидкости в газообразное состояние;
возможность протечки системы;
коррозия металлических водопроводных труб.
Поэтому с экономической точки зрения солнечные воздухонагреватели обладают некоторыми существенными преимуществами:
практически отсутствуют проблемы с коррозией, что позволяет применять более дешевые конструкционные материалы и ведет к уменьшению стоимости коллекторов;
воздух не замерзает, что позволяет использовать его в открытой и закрытой системе без дополнительного обслуживания;
последствия от утечки воздуха менее значительные, т.е. существует возможность сэкономить на монтаже и обслуживании;
меньшее количество входящих в комплект оборудования элементов (запорные вентили, вытяжки, расширительные камеры и т.д.);
воздушные коллекторы более легкие, что позволяет интегрировать их в существующие конструкции с удобными архитектурными решениями;
ВВЕДЕНИЕ
никакой опасности контакта с вредными и токсичными жидкостями,
которые часто используются в жидкостных системах.
Основными же недостатками воздуха в качестве теплоносителя являются его низкая удельная теплоемкость, теплопроводность и плотность. Из этого следует, что для отвода одного и того же количества тепла необходимо предусматривать воздуховоды большего сечения или обеспечивать высокие скорости воздуха в сочетании с мощными вентиляторами. Это приводит к увеличению первоначальных и эксплуатационных расходов. Все вышесказанное обобщено в таблице В.1 [7].
Таблица В.1 Сравнение воздушных и водяных систем
Если проанализировать совокупность всех факторов, то коллекторы воздушного типа обычно дешевле идентичных жидкостных, но в целом имеют более низкий температурный уровень теплоносителя и КПД (см. рис. 1.9). Однако
ВВЕДЕНИЕ
область применения воздушных коллекторов (благодаря температурной стратификации в аккумуляторах или благодаря тому, что воздух забирается снаружи или из жилых помещений) размещается в районе низких значений приведенной температуры и высоких КПД (рис. 1.9), в то время как водяные коллекторы приходится применять при более высоких значениях приведенной температуры и, следовательно, при более низких значениях КПД [8].
Общая направленность работ по созданию воздушных солнечных коллекторов состоит в нахождении путей уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, интенсификации теплообмена на абсорбере и уменьшении затрат на прокачку воздуха через коллектор. В данной работе для достижения этих целей рассматривается вариант с использованием прозрачной тепловой изоляцией капиллярного типа, расположенной над абсорбером. Основной идеей, заложенной в конструкцию такого солнечного коллектора, является создание «абсолютной» тепловой изоляции со стороны прозрачного окна. Если принять, что обратное тепловое излучение от нагревательной пластины полностью поглощается ячеистой структурой прозрачной изоляции, а затем отдается потоку теплоносителя при протекании через систему поперечных каналов прозрачной изоляции, то мы действительно получаем эффективное устройство, в котором вся поступающая солнечная энергия передается теплоносителю и ничего не переизлучается наружу.
Целью диссертационной работы является исследование и создание воздушного солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией капиллярного типа, рассмотрение практических вопросов применения данного коллектора и оптимизация систем солнечного отопления и горячего водоснабжения зданий.
Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи: 1. Исследовать гидродинамику воздушного солнечного коллектора с сотовой
прозрачной изоляцией для определения оптимальной конструкции.
ВВЕДЕНИЕ
Разработать конструкторскую документацию и изготовить демонстрационный образец коллектора для проведения экспериментальных исследований.
Провести натурные испытания созданного коллектора в различных режимах работы и переменных климатических условиях.
Сравнить полученные результаты с существующими стандартами и современными коллекторными системами.
Выбрать схему солнечного теплоснабжения здания на базе разработанного коллектора и провести оптимизацию основных параметров системы. Научная новизна работы:
Создана и реализована математическая модель гидродинамики воздушного коллектора как системы, состоящей из параллельных каналов, связанных структурой поперечных каналов прозрачной изоляции, через которые осуществляется переток теплоносителя.
Предложена методика определения тепловых характеристик в переменных условиях и проведены комплексные испытания воздушного солнечного коллектора нового типа.
Разработан метод графического представления тепловых характеристик, основанный на экспериментальных номограммах, который облегчает моделирование и проектирование солнечных систем в переменных режимах работы.
Обоснованы рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения и оптимизации основных параметров. Практическая ценность: Технико-экономический анализ показал, что
разработанный воздушный солнечный коллектор может тиражироваться на профильных предприятиях России и реализовываться как коммерческий продукт. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании новых систем с прозрачной тепловой изоляцией.
ВВЕДЕНИЕ
Предложенная методика представления тепловых характеристик коллекторов может быть полезна при моделировании различных режимов работы в переменных условиях и определении необходимых недостающих параметров установки. Обработанные климатические данные, программные средства для определения тепловых нагрузок и методика оптимизации солнечных систем также могут использоваться проектировщиками. Положения» выносимые на защиту:
Математическая модель гидродинамики воздушного солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией капиллярного типа.
Рекомендации по конструктивному исполнению коллекторных систем с сотовой прозрачной изоляцией и оптимизации с точки зрения гидравлики.
Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований и выводы по практическому применению разработанного коллектора.
Метод представления тепловых характеристик с помощью экспериментальных номограмм для определения недостающих параметров и проектирования солнечных систем.
Метод оптимизации основных параметров системы солнечного отопления и горячего водоснабжения зданий коттеджного типа.
Апробация работы: По материалам диссертации было сделано 5 докладов на научно-технических конференциях и научных школах, опубликовано 3 тезиса докладов, 2 текста докладов и 2 статьи в научных журналах (всего 7 научных трудов [96-102]).
Структура диссертационной работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, иллюстрированных 44 рисунками и 28 таблицами, и снабжена 6 приложениями; список литературы включает 102 наименования.
Изложение результатов исследований производится следующим образом. Глава 1 посвящена анализу существующих воздушных солнечных систем и
ВВЕДЕНИЕ
методов определения тепловых характеристик, и представляет собой обзор литературы и общее состояние вопроса на данный момент.
В Главе 2 рассматривается математическая модель гидродинамики воздушного солнечного коллектора с прозрачной изоляцией капиллярного типа, представленная в форме краевой двухточечной задачи для системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка. С помощью разработанных программ проводится моделирование различных вариантов и определение оптимальной с точки зрения гидравлики конструкции.
На основании проведенных теоретических исследований в Главе 3 разрабатывается опытный образец нового типа воздушного солнечного коллектора, имеющего трехходовую схему с прозрачной тепловой изоляцией, и проводятся комплексные испытания в различных режимах работы и переменных климатических условиях, которые наглядно демонстрируют преимущества созданного солнечного коллектора. В данной главе также предлагается новый способ представления тепловых характеристик с помощью экспериментальных номограмм, который может быть полезным при предварительном проектировании солнечных систем и сравнительном анализе различных вариантов.
В Главе 4 рассматриваются практические вопросы применения разработанного воздушного коллектора в системах солнечного теплоснабжения зданий. Для этого первоначально проводится анализ климатических данных и расчет тепловой нагрузки малоэтажного жилого дома различными программными средствами, а затем рассматриваются схемы солнечного отопления и горячего водоснабжения и проблемы аккумулирования тепловой энергии. Окончательно проводится оптимизация с технико-экономической точки зрения системы теплоснабжения на базе созданного воздушного солнечного коллектора.
В Заключении формулируются основные выводы работы. Приложения содержат не вошедшие в основную часть схемы, чертежи и рисунки.
Характеристики и примеры использования прозрачной тепловой изоляции
В качестве прозрачной тепловой изоляции изучены и апробированы три типа структур: сотовая структура с различными размерами ячеек и толщиной стенок; пенообразные прозрачные структуры; аэрогели (полупрозрачные сыпучие гранулы).
Все эти структуры детально исследованы в лабораторных условиях и технически освоены. Основным недостатком пенообразных структур и аэрогелей является низкий коэффициент пропускания видимого света, а преимуществом — более низкая стоимость [12-14]. Но наибольшее практическое распространение получили сотовые структуры из поликарбоната или полиметилметакрилата, к тому же они воздухопроницаемы (состоят из множества параллельных каналов), что актуально для воздушных коллекторов, так как возможен процесс протекания теплоносителя через эти структуры.
Солнечный свет, пройдя через стекло и сотовую структуру, попадает на стену и нагревает ее. Потери тепла от стены во внешнюю среду оказываются в значи ГЛАВА тельной степени подавленными за счет того, что ПТИ не пропускает тепловое излучение и предотвращает конвективный перенос тепла. В результате этого в зимний день при температуре наружного воздуха, например, -5 С внешняя поверхность стены способна нагреться до 50-60 С. По толщине стены температура убывает и на внутренней стене дома составляет 25-27 С. Возникновение обратного по знаку градиента температур в толщине стены приводит к тому, что тепловой поток при наличии на стене ПТИ направлен не из дома наружу, а внутрь дома и служит для его отопления. Стена, нагреваясь в течение дня за счет солнечной энергии, служит аккумулятором тепла и в ночное время продолжает отдавать тепло внутрь помещений. В пасмурные дни стена с ПТИ служит ловушкой для энергии рассеянного света. В отсутствии поступления солнечной радиации ПТИ выполняет роль дополнительной эффективной тепловой изоляции стены [21].
Интересные варианты жидкостных коллекторных систем с сотовой прозрачной тепловой изоляцией были разработаны во Фраунгоферском институте солнечных энергосистем (Фрайбург, Германия) (рис. 1.7) [22,23]. На рис. 1.7а ПТИ перекрывает полуцилиндрическую поверхность, внутри которой находится бак-аккумулятор из нержавеющей стали, выполняющий функции абсорбера. А на рис. 1.76 поглощающая пластина выполнена по классической схеме (теплоноситель протекает по трубкам, припаянным к пластине), но отражение солнечного излучения от двух полуцилиндров увеличивает площадь абсорбера в два раза.
Температурные зависимости КПД коллекторов (рис. 1.6, 1.9) принято определять при нормальном падении солнечных лучей на поверхность коллектора. Однако коллекторные системы не всегда работают в таком режиме, и основным недостатком использования прозрачной тепловой изоляции является уменьшение коэффициента пропускания с увеличением угла падения солнечного излучения [24]. На рис. 1.8 показано преобразование солнечных лучей в сотовой структуре при некотором угле падения, отличном от нормального. Так как толщина такой структуры на порядок больше диаметра капилляров, то ПТИ ГЛАВА ж поглощает не только обратное инфракрасное излучение абсорбера, но и часть прямой солнечной радиации. Данный эффект можно нивелировать
Поэтому в данной работе предлагается использовать ПТИ в воздушных коллекторных системах и разрабатывается схема солнечного коллектора, в которой воздух первоначально распределяется по каналам изоляции, а затем обтекает абсорбер. Применение ПТИ в такой схеме позволяет не только подавить тепловые потери излучением и конвекцией через прозрачное окно, но и увеличить поверхность нагревательных элементов. Но для решения поставленной задачи равномерного распределения потока воздуха по каналам изоляции необходимо исследование гидродинамики такого коллектора (глава 2).
Результаты испытаний установок и тепловых расчётов удобно представлять в виде температурной зависимости КПД от климатических и конструктивных факторов, таких как тип солнечного коллектора, температура окружающей среды, интенсивность солнечной радиации и т.д. В качестве примера на рис. 1.9 [26] приведена такая зависимость для некоторых типов солнечных коллекторов. Угловой коэффициент кривых равен F# U, а точки их пресечения с вертикальной осью соответствуют FR- t]0.
Одной из первых была методика расчета гелиоустановок на основе мгновенных значений, разработанная в результате обобщения экспериментальных данных за длительный период [29]. На основе часовых значений интенсивностей солнечной радиации и температуры наружного воздуха вычислялась суточная тепловая мощность установки для условий ясного дня. Месячная тепловая мощность для действительных условий эксплуатации определялась умножением суточной тепловой мощности на число дней в месяце и на коэффициент облачности (отношение фактического числа часов солнечного сияния к числу дней в месяце, умноженному на среднюю продолжительность дня). Затем на основе месячных значений тепловой мощности определялось ее значение за сезон или год. Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышало 8-12%. Основным недостатком метода являлось то, что для определения тепловой мощности необходимо было выполнить графическое построение зависимостей интенсивности солнечной радиации и тепловых потерь солнечного коллектора от времени дня. Кроме того, методика не учитывала влияния некоторых факторов (вместимости бака-аккумулятора, характера тепловой нагрузки объекта, конструкции солнечного коллектора) на характеристики гелиоустановки.
Правильно поставленное моделирование может служить мощным и точным расчетным инструментом при изменяющихся условиях эксплуатации. Однако моделирование требует значительных затрат времени, в частности, в подготовительном периоде, которые часто мешают исследованию при разработке небольших систем, и проводится, как правило, для заданных климатических и конструктивных условий. Поэтому с целью упрощения и унификации расчетов систем солнечного теплоснабжения в различных условиях были разработаны методы, основанные на использовании усредненных долговременных характеристик. Одним из первых распространенных методов был метод «Utilization» [30]. Основным недостатком метода является необходимость знания температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор; ее приходится задавать заранее [5].
Гидродинамика течения в канале с переменным расходом
Исходные для анализа дифференциальные уравнения плоского несжимаемого течения в длинном канале записываются следующим образом [35]. Переход к одномерной формулировке осуществляется посредством интегрирования уравнения (2.1) по поперечной координате у в пределах толщины канала. Предварительно, с целью последующего исключения зависимостей от поперечной координаты, к уравнению движения (2.1) прибавляют уравнение неразрывности (2.3), умноженное на продольную составляющую скорости м, что дает.
Далее необходимо учесть возможное изменение расхода по длине канала. Для обобщенной схемы коллектора, показанной на рис. 2.1 переменность расхода связана с частичным отбором теплоносителя в поперечные каналы изоляции. Вообще говоря, возможными причинами переменности расхода могут быть специально организованные процессы вдува или отсоса через щелевые устройства или перфорированные стенки, а в схемах с двухфазными потоками - процессы конденсации или испарения.
Соотношения (2.15) и (2.16) для канала с переменным сечением и наличием вдува или отсоса образуют систему обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка относительно неизвестных величин скорости и давления в канале. Это существенно нелинейная система, с квадратичными членами в уравнении движения. Следует заметить, что поток вдува (или отсоса) jF является ГЛАВА 2 основным источником нелинейности для ламинарных течении, поскольку его величина заранее неизвестна и определяется локальным перепадом давления между холодным и горячим каналами коллектора. Если задача ставится как расчет давления и скорости в двух связанных каналах, как в схеме на рис. 2.1, то необходимо решать систему четвертого порядка.
Уравнения (2.19) и (2.20) должны быть снабжены индексами, поскольку в общей схеме солнечного коллектора (рис.2.1) имеется два канала, холодный и горячий, связанные между собой проницаемой для поперечного потока теплоносителя структурой - прозрачной изоляцией. Поэтому математическое описание получаюшеися сопряженной задачи задается системой из четырех обыкновенных дифференциальных уравнений.
В целях обеспечения достаточной общности разрабатываемой модели, заранее не делается каких-либо предположений относительно режимов течения -ламинарного или турбулентного - как в основных каналах коллектора, так и в системе поперечных каналов. Режим течения должен диагностицироваться логическими операторами программы. Формально это несложная задача, если рассчитывается перепад давления при заданной скорости теплоносителя, поскольку в этом случае заранее известно число Рейнольдса, в соответствии, со значениями которого решается вопрос о режиме течения и выборе нужных формул для расчета. Однако в нашем случае постановка задачи более сложная, поскольку необходимо выразить расход (или скорость) через перепад давления, и, следовательно, число Рейнольдса для локального течения в канале изоляции заранее не известно- Соответствующий алгоритм реализуется на встроенном языке программирования математического пакета Mathcad и приведен в приложении 1.
При решении системы дифференциальных уравнений для давления и скорости в каналах солнечного коллектора (2.21) - (2.24) потребуются значения коэффициентов гидравлического сопротивления . и . &. Эти величины рассчитывались по стандартным зависимостям для плоских щелевых каналов [36]. В приложении 1 представлен блок программы для расчета коэффициентов сопротивления в зависимости от режима течения. Предполагается, что переход к развитому турбулентному режиму совершается при критическом числе Рейнольдса, а переходная область отсутствует из-за дестабилизирующего влияния шероховатости стенок канала.
Следует отметить, что коэффициент сопротивления может зависеть от поперечного потока (в рассматриваемой конструкции, от перетока теплоносителя из холодного канала в горячий по системе поперечных каналов изоляции). Как известно, вдув уменьшает сопротивление благодаря перестройке профиля скорости вблизи стенки. Формируется так называемый -образный профиль, и поперечный градиент скорости на стенке уменьшается. Такой эффект может наблюдаться в горячем канале. Напротив, при отсосе, как в холодном канале, профиль скорости «прижимается» к стенке, вследствие чего растет поперечный градиент скорости и, соответственно, трение на стенке. При необходимости эти эффекты можно учесть в расчетах, однако в настоящее время мы пренебрегаем этими воздействиями, принимая во внимание приближенный характер разрабатываемой модели, а также возможную взаимную компенсацию эффектов противоположного знака для двух каналов.
Определение суммарной радиации, приходящей па наклонную поверхность
Дальнейшая задача заключалась в создании экспериментальной установки, включающей в себя опытный образец воздушного солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией и необходимую инфраструктуру для проведения измерений. Для подачи воздуха использовался радиальный вентилятор ВР-180-125-1,6 [38], который позволяет проводить испытания в различных режимах, так как обладает широким диапазоном производительности и напора. Геометрические размеры разработанной конструкции и спецификация деталей приведены на сборочном чертеже (приложение 3), а основные, с точки зрения гидродинамики, параметры представлены ниже: длина коллектора (каналов) / = 1,56 м; ширина коллектора (каналов) Ъ = 0,61 м; толщина горячих каналов дь= 0,02 м; толщина холодного канала бс= 0,01 м; длина капилляров изоляции lins = 0,05 м; диаметр капилляров изоляции dins = 0,005 м. Так как испытания солнечных коллекторов и определение тепловых характеристик проводят при нормальном падении солнечной радиации ( 1.3), то данная конструкция была снабжена подвижной рамой» установленной под углом плоскости коллектора к горизонту 5, равном широте местности для Москвы (р = 5545 , и оборудованной домкратом для изменения этого угла.
В приложении 4 показан общий вид разработанного в настоящей работе воздушного солнечного коллектора и расположение прозрачной тепловой изоляции капиллярного типа внутри коллектора. ГЛАВА З
Так как технически сложно воссоздать в лабораторных условиях полный спектр солнечного излучения, приходящего на земную поверхность, и воздействие окружающей среды, то для достоверности получаемых данных испытания солнечных коллекторов проводят в естественных условиях [39]. Поэтому в данной работе все экспериментальные исследования проводились в натурных условиях.
Для определения суммарной радиации от солнца и неба и отдельно рассеянной радиация, приходящей на горизонтальную поверхность, использовался универсальный пиранометр М80. Для измерения рассеянной радиации пиранометр снабжен теневым экраном, который исключает действие на приемную поверхность прибора прямой и околосолнечной рассеянной радиации в зоне неба вокруг солнца радиусом 5 [40].
Приемной частью пиранометра служит квадратная термобатарея из манганиновых и константановых полосок, соединенных между собою последовательно. Поверхность термобатареи покрыта черной краской (сажей) и белой (магнезией) таким образом, чтобы четные спаи были окрашены в один цвет, а нечетные - в другой. При изготовлении термобатареи термоэлементы группируются так, чтобы черные и белые поля чередовались в шахматном порядке и граница окраски проходила посредине между спаями.
Сажа и магнезия обладают одинаковой поглощательной способностью в отношении длинноволновой радиации. Коротковолновую радиацию сажа поглощает в большей степени, чем магнезия. Поэтому при действии на приемник пиранометра коротковолновой радиации между спаями появляется разность температур и в цепи пиранометр - вольтметр возникает термоэлектрический ток [41]. ГЛАВА З
Для регистрации проводимых измерений суммарной и диффузной солнечной радиации в паре с пиранометром использовался комбинированный цифровой прибор Щ-4316-М 1, рекомендованный Главной Геофизической обсерваторией (ГГО, С-Петербург) [42].
Цифровой портативный анемометр АТТ-1003 предназначен для измерения параметров вентиляционных и нагревательных систем, измерения скоростей воздуха, определения силы ветра и температуры [43].
Основными измерительными элементами являются датчик скорости воздуха в виде крыльчатки с шарикоподшипниками низкого трения, обеспечивающими высокую точность и при высоких и при низких скоростях воздушного потока, и температурный датчик в виде прецизионного термистора. Диаметр сенсорной головки крыльчатки 72 мм.
Термоанемометр АТТ-1004 предназначен для измерения скорости воздушного потока и температуры. Прибор может применяться для измерения скорости ветра, скорости воздушного потока в вытяжных шкафах, системах вентиляции и т.п. с одновременным измерением температуры [44].
Основными измерительными элементами являются выдвижной телескопический зонд с миниатюрным стеклянным термистором, имеющий возможность измерения очень низких скоростей воздушного потока, и температурный датчик в виде прецизионного термистора. Минимальная длина телескопического зонда - 280 мм, максимальная длина - 940 мм.
Для соблюдения общепринятых стандартов проведения испытаний солнечных коллекторов [45] исследования проводились в дневное время и ясную погоду при нормальном падении солнечного излучения на плоскость коллектора ( 3.1). Так как пиранометр определяет приход суммарной радиации на горизонтальную поверхность, а угол наклона плоскости коллектора к горизонту s постоянно изменялся, то необходим пересчет измеряемых величин на наклонную поверхность.
Распределения полей скоростей и температур Целью эксперимента было не только определение основных тепловых характеристик солнечного коллектора, но и подробное изучение процессов, проходящих в каналах воздушного коллектора при различных режимах работы и внешних условиях. Для этого проводились измерения не только параметров на входе и выходе из системы, но и распределения скорости и температуры по сечениям коллектора.
Схема подключения измерительных приборов следующая: ГЛАВА З Для измерения температуры на входе в коллектор (температуры окружающей среды) использовался термоанемометр АТТ 1004, который устанавливался по диаметру воздухозабора радиального вентилятора. Измерения температуры и скорости на выходе (определение расхода воздуха через систему) проводились анемометром АТТ 1003. В приложении 4 (вид спереди) можно наблюдать общий вид анемометра АТТ 1003, прикрепленного к подвижной раме установки, и крыльчатку, встроенную в выходной короб с помощью кожуха. Распределения скорости и температуры в различных сечениях по длине коллектора определялись термоанемометром АТТ 1004. Для этого с боковой стороны по длине коллектора было проделано шесть отверстий, которые можно увидеть в приложении 4 (вид сзади). С помощью телескопического зонда термоанемометра, передвигаемого по ширине коллектора через отверстия, фиксировались величины температур и скоростей в верхнем горячем канале и на выходе из поперечных каналов изоляции. Все приборы соединялись по кабелю RS-232 с портативным ноутбуком (приложение 4). Таким образом, обеспечивалась непосредственная передача измеряемой информации в память компьютера для последующей обработки программой АТТ-1000-РО, которая преобразует ее в базы данных в виде mdb-файлов.
Оценка гелиопотенциала Республики Калмыкия
Калмыкия расположена на юге Европейской территории России. Она занимает западную часть Прикаспийской низменности, большую часть возвышенности Ергени, высота которой не превышает 220 м над уровнем моря, Сальско-Манычскую гряду, высота которой также около 220 м и Кумо-Манычскую впадину.
На Прикаспийской низменности и Кумо-Манычской впадине встречаются лишь мелководные солёные озёра (Сарпинские, Маныч-Гудило и др.). Короткие водотоки, стекающие весной по балкам Ергеней, образуют на Прикаспийской низменности обширные полувысыхающие летом лиманы.
Преобладающая часть территории Калмыкии находится в полупустынной зоне, в западной части встречаются сухие пески.
Климат Калмыкии отличается хорошо выраженной континентальностью из-за ослабленной циклонической деятельности. Зимой континентальность проявляется в пониженной для данной географической широты температуре воздуха. Средняя температура января в Элисте (- 6,8 С) близка к таковой в Санкт-Петербурге (- 7,9 С) и Пскове (- 7,5 С). Смягчающее влияние Каспийского моря на зимние температуры даже южной части Калмыкии не сказывается, т.к. северная мелководная часть моря замерзает. Зимний температурный режим благоприятствует образованию относительно устойчивого снежного покрова (в Элисте - 73 дня со снежным покровом). В восточной части Калмыкии снежный покров неустойчив, однако оттепели могут сменяться резкими похолоданиями с сильными ветрами.
Весна отличается быстрым нарастанием тепла, в среднем на 10 С за один месяц. Лето в Калмыкии жаркое и сухое. Средняя температура июля составляет 24 - 25 С. Абсолютный максимум температуры приходится на август и достигает 43 - 44 С. За три летних месяца число дней с осадками составляет в Элисте около 20, вблизи Каспийского моря около 16, а в западной части Калмыкии (у границ с Ростовской областью) около 26 дней.
Ослабление циклонической деятельности, и связанное с этим малое количество осадков, обильная солнечная радиация являются причиной частых засух.
На территории Калмыкии расположено 13 метеорологических станций, список которых приведен в таблице 4.1, а схема распределения по территории республики - в приложении 5. Средний период наблюдения за климатическими параметрами, анализируемыми в этой работе, составляет 41 год (с 1949 по 1980 года), что удовлетворяет всем рекомендациям по обработке климатической информации [52].
Продолжительность солнечного сияния в том или ином регионе зависит от широты и места, физико-географических условий, а также от особенностей атмосферной циркуляции. При прочих равных условиях продолжительность солнечного сияния возрастает с севера на юг, однако в ряде случаев условия рельефа и связанные с ним местные особенности климата значительно перекрывают влияние астрономических факторов. Так на территории Калмыкии изменение продолжительность солнечного сияния происходит не с севера на юг, а с запада на восток, причём по абсолютной величине это изменение не превышает 200 часов за год. Наибольшее число часов солнечного сияния отмечается на восточной части Калмыкии (более 2365 час), наименьшее число - на юго-западе (менее 2165 час) вблизи восточных отрогов Ставропольской возвышенности. Все это обобщено в таблице 4.1, где представлены осредненные данные с метеорологических станций.
Для решения многих практических вопросов гелиоэиергетики важно знать не только среднюю продолжительность солнечного сияния, но и непрерывную ГЛАВА 4 продолжительность. На основании данных о непрерывной продолжительности солнечного сияния можно отметить, на территории Калмыкии вероятность непрерывной продолжительности солнечного сияния 6 часов и более составляет в январе 35 - 45 % и около 65 % в июне - июле (от числа случаев с непрерывным сиянием).
Приведённые выше данные свидетельствуют о том, что вся территория Калмыкии благоприятна для использования солнечной энергии. Однако при оценке эффективности работы солнечных систем основную роль играет не столько факт наличия солнечного сияния, сколько энергетическая мощность солнечной радиации, устойчивость её поступления в течение дня и месяца.
Средние месячные и годовые суммы суммарной Н коротковолновой солнечной радиации, состоящей из прямой Щ и рассеянной Н радиации, позволяют количественно оценить гелиоэнергетический потенциал местности. Суммарная солнечная радиация является источником для наиболее распространенных гелиоконструкций — плоских солнечных коллекторов и фотоэлектрических батарей.
Анализ представленных данных показывает, что наибольшее количество суммарной солнечной радиации получают юго-восточные районы Калмыкии, расположенные на Прикаспийской низменности - 1380 - 1410 кВт- ч/м2 (4950 -5090 МДж/м ) в год. По направлению к западу и северо-западу суммарная радиация уменьшается и составляет 1280 -1320 кВт ч/м2 (4600 - 4740 МДж/м2). В целом годовой приход суммарной радиации, характерный для Калмыкии является практически наибольшим для России, что ещё раз подтверждает перспективность использования солнечной энергии.
При оценке гелиоэнергетических ресурсов района, использовании гелиотехнических сооружений важно знать не только общее число благоприятных дней, но и сколько дней подряд такие периоды сохраняются в отдельные годы и с какой вероятностью. В таблице 4.3 приводится пример повторяемости периодов с суточным приходом радиации выше 21 МДж/м2 различной длительности.
Расчёт количества солнечной энергии, поступающей на наклонные поверхности, проводился по данным о часовых суммах прямой, рассеянной и отражённой радиации. Вариантные расчеты проводились для трех случаев: поверхность, следящая за солнцем, ориентированные на юг и наклонённые под углом, оптимальным для каждого месяца и закреплённые неподвижно под углом, равном широте местности.
