Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса, постановка цели и задачи исследованиий 11
1.1 Низкопотенциальные теплоэнергетические преобразователи солнечной энергии излучения на базе солнечного коллектора 11
1.2 Системы солнечного теплоснабжения 21
1.2.1. Солнечный коллектор как теплообменник 24
1.2.2. Бак-аккумулятор и теплообменники 25
1.3. Система солнечного электроснабжения 29
1.3.1 Типы солнечных фотоэлектрических систем 29
1.3.2 Электрический аккумулятор и инвертор 30
1.3.3 Солнечные фотоэлектрические преобразователи 31
1.4. Гибридные солнечные коллекторы в системах теплоэлектроснабжения 34
1.4.1. Гибридные коллекторы, охлаждаемые воздухом 37
1.4.2. Гибридные коллекторы, охлаждаемые жидкостью 41
1.5. Климатические характеристики солнечного излучения 44
Выводы 48
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования характеристик солнечного гибридного коллектора 50
2.1. Описание экспериментальной установки 50
2.2. Результаты и их анализ 52
2.3. Методика расчета коэффициента теплоотдачи 55
2.4. Задача оптимизации прямоугольного ребра 59
Выводы 64
ГЛАВА 3. Математическое моделирование элементов системы солнечного теплоэлектроснабжения 65
3.1 Одномерная математическая модель ГСК 65
3.2. Двухмерная математическая модель СГК 67
3.3. Сравнение результатов моделирования с данными эксперимента 71
Выводы 74
ГЛАВА 4. Моделирование работы системы солнечного теплоэлектроснабжения автономного объекта 75
4.1. Исходные данные для системы энергообеспечения автономного объекта 75
4.2. Теплотехнический расчет 79
4.3. Расход тепла на горячее водоснабжение 82
4.4. Расход тепла на отопление 83
4.5. Разработка системы тепло и электроснабжения автономного объекта 85
4.6 Расчет эффективности модуля ГСК 90
4.7 Расчет коэффициента замещения (f - метод) 91
4.8. Результаты и их технико-экономический анализ 98
4.9 Эффективность модуля ГСК 104
Выводы 107
Заключение 109
Литература 110
Приложение 118
- Низкопотенциальные теплоэнергетические преобразователи солнечной энергии излучения на базе солнечного коллектора
- Гибридные коллекторы, охлаждаемые жидкостью
- Сравнение результатов моделирования с данными эксперимента
- Разработка системы тепло и электроснабжения автономного объекта
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Низкий коэффициент самообеспеченности Кыргызской Республики источниками энергии, высокие цены на мировом топливном рынке и наличие экологических проблем, связанных с использованием традиционных энергоносителей, приводит к поиску альтернативных решений, одним из которых является применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и, в частности, энергия солнечного излучения. По масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности она является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и электроэнергии, особенно в области невысоких температур. По предварительным расчетам, возможная суммарная тепловая мощность солнечных коллекторов, смонтированных на различных объектах побережья озера Иссык-Куль, может составить 60 Гкал/час с выработкой 175 тыс. Гкал в год, что позволит сэкономить до 60 тыс. т.у.т.
Необходимость более широкого использования ВИЭ в энергетике Кыргызской Республики обусловлено тем, что в периоды маловодия гидроэлектростанции работают не на полную мощность и системы электроснабжения функционируют в веерном режиме. Перерывы в энергоснабжении дезорганизуют жизнь регионов, наносят ущерб, оцениваемый в миллионы долларов в год. По примерным оценкам в непрерывных производствах перерабатывающей промышленности, ущерб от недоотпуска электроэнергии в 25-30 раз превышает стоимость недопоставленной энергии.
До недавнего времени практическое использование ВИЭ сдерживалось высокой стоимостью получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками и относительно низким КПД. Сейчас наблюдается устойчивая тенденция снижения стоимости ВИЭ, обусловленная научными достижениями в совершенствовании методов их использования, и повышением стоимости традиционных ископаемых источников энергии, вызванная их истощением и усложнением технологии добычи.
Поэтому в национальных целевых программах и принятых нормативно-правовых актах Кыргызстана предусматривается, что основным источником покрытия прироста потребности Республики в топливе и энергии должны стать энергосберегающие мероприятия и замещение дефицитных видов органического топлива возобновляемыми источниками энергии, которые предполагается использовать по двум направлениям:
производство низкопотенциального тепла для отопления и горячего водоснабжения, основанное на применении энергии солнца и геотермальных источников;
производство электроэнергии, предполагающее освоение ветровой энергии, гидроэнергии малых водотоков, а также фотоэлектрических преобразователей.
Для условий Кыргызской Республики наиболее перспективными областями применения ВИЭ следует считать децентрализованные сельскохозяй-
ственные районы, расположенные в отдельных горных и предгорных районах, животноводческие комплексы, личные подсобные хозяйства, лечебно-оздоровительных учреждения, дома отдыха и детские лагеря.
В настоящее время в некоторых указанных зонах используются водяные солнечные коллекторы для обеспечения горячего водоснабжения, а также фотоэлектрические коллекторы, которые компенсирует потребности потребителей в электроэнергии в период веерных отключений. Однако существующая система тепловых и фотоэлектрических коллекторов пока не может обеспечить гарантированного минимума энергоснабжения потребителей в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения.
Альтернативой тепловым и фотоэлектрическим коллекторам может служить гибридный коллектор, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую и электрическую энергию.
По сравнению с фотоэлектрическими коллекторами он обладают более длительным сроком службы, меньшей стоимостью единицы вырабатываемой энергии, низкими эксплуатационными расходами и более высоким термоэлектрическим КПД. Кроме того, применение гибридной системы вместо совместно используемых тепловых и фотоэлектрических коллекторов для обеспечения потребителя одновременно тепловой и электрической энергией, требует существенно меньшей площади для её установки.
Учитывая, что Кыргызский химико-металлургический завод является одним из крупнейших мировых производителей монокристаллического кремния, сырьевого материала для производства солнечных фотогальванических элементов, в стране может быть налажен выпуск современных ГСК. Для этого необходимы исследования и разработка энергоэффективных технологий с гибридными солнечными системами теплоэнергообеспечения. С их помощью возможно обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения сельского населения и сельскохозяйственного производства в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения и предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений. Решение этой актуальной задачи позволит улучшить экологическую, энергетическую и экономическую безопасность страны.
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности системы обеспечения теплом и электроэнергией автономных объектов в климатических условиях Кыргызской Республики, посредством использования солнечного гибридного коллектора с дискретной, оптически сложной поверхностью. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) Создание математической модели гибридного коллектора с оптически сложной поверхностью.
2). Численное и экспериментальное исследование локальных характеристик полей температур и скоростей в канале плоского солнечного гибридного коллектора с воздушным теплоносителем.
3) Разработка модели системы солнечного тепло- и электроснабжения
автономного объекта, учитывающей климатические и экономические факторы.
4) Определение экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных регионах Кыргызской Республики.
Научная новизна:
Впервые на модульно-экспериментальной установке получены тепловые и электрические характеристики солнечного гибридного коллектора с оптически сложной поверхностью при разных вариантах охлаждения его фотоэлектрических преобразователей.
Впервые разработан метод регулярного режима охлаждения СЭ и получены коэффициенты теплоотдачи в ГСК для случая, рабочая поверхность которого обладает дискретными терморадиационными характеристиками.
Разработана адекватная математическая модель ГСК и получены данные о температурных полях и потоках, позволяющие определить оптимальные значения КПД и коэффициента замещения для административно-бытовых объектов, расположенных в Кыргызской Республике.
4. Показано, что применение в условиях Кыргызской республики,
рассмотренного в работе, ГСК в место ФЭСК и ТВСК с одинаковой пло
щадью приемной поверхности позволяет увеличить количество замещае
мого первичного топлива в диапазонах 20-25 и 10-12 %, соответственно.
Достоверность подтверждается удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных методик и вычислительных комплексов, а также удовлетворительным соответствием результатов исследования с данными других авторов.
Практическая значимость. Данные экспериментов, математические модели и результаты численных расчетов могут быть использованы при разработке и проектировании конструкций гибридных солнечных коллекторов и систем автономного тепло- и электроснабжения объектов, отдаленных на значительное расстояние от центральных магистралей.
Результаты работы используются при чтении курсов по специальности промышленная теплоэнергетика.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель расчета локальных характеристик гибридного солнечного коллектора.
Результаты экспериментальных и численных расчетов гибридного солнечного коллектора.
Данные о влиянии режимов работы гибридного солнечного коллектора на его КПД.
Результаты расчетов коэффициента замещения и экономической эффективности воздушных гибридных коллекторов в Иссык-Кульской области Кыргызской Республике для обеспечения потребителей тепловой и электрической энергией.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались: в 2007 г. на XXII международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество"; в 2009 и 2010 гг. на XIV и XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»; в 2011 г на семинаре Исполнительного комитета ЭЭС СНГ «Возобновляемая энергетика и эффективное использование энергетических ресурсов - потенциал и перспективы инновационного сотрудничества государств Содружества».
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 5 опубликованных работах, две из них в изданиях рекомендованных ВАК. Список указанных работ приведен на 20 странице автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, состоящего из 85 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.
Низкопотенциальные теплоэнергетические преобразователи солнечной энергии излучения на базе солнечного коллектора
Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удалённого источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае 1100 Вт/м2и является переменой величиной. Длины волн заключены в интервале 0.3-З.Омкм [2]. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.
Солнечные коллекторы могут применяться как с концентрацией так и без концентрации солнечного излучения. В плоских коллекторах поверхность воспринимающая солнечное излучение, является одновременно поверхностью, поглощающей излучение. Фокусирующие коллекторы, обычно имеющие вогнутые отражатели, концентрируют падающее на всю их поверхность излучение на теплообменник с меньшей площадью поверхности, увеличивая тем самым плотность потока энергии. Плоские коллекторы могут применяться для нагрева теплоносителя до умеренных температур, не превышающих температуру окружающей среды более чем на 100С. В конструктивном отношении они проще чем система, состоящая из концентрирующих отражателей, поглощающих поверхностей и механизмов слежения. Основными элементами коллектора являются: поглощающая пластина, обычно из металла, с неотражающим черным покрытием, обеспечивающим максимальное поглощение солнечного излучения; трубы или каналы, по которым циркулирует жидкость или воздух и которые находятся в тепловом контакте с поглощающей пластиной; тепловая изоляция днища и боковых кромок пластина; один или несколько воздушных промежутков, разделенных прозрачными покрытиями в целях теплоизоляции пластины сверху; корпус, обеспечивающий долговечность и устойчивость к воздействию погодных факторов. 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 надо 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; 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. 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. 1.2 [?]).
В регионах с малой солнечной радиацией и температурой окружающей среды рекомендуется использовать воздушные коллекторы [3]. Кроме того, для гибридных коллекторов, в которых используют фотоэлементы в качестве поглощающей поверхности коллекторов для получения электрической и тепловой энергии одновременно, чаще всего используются воздушные коллекторы. Поэтому в данной работе для моделирования системы солнечного теплоснабжения выбраны воздушные виды солнечных коллекторов. Но надо отметить, что разработанные методы моделирования в настоящей работе для солнечных установок с небольшими изменениями можно использовать и для систем с водяными коллекторами. Для иллюстрации основных принципов работы в первую очередь будет рассмотрена простая конструкция, показанная на рис. 1.1 Представленный анализ базируется на результатах работ Хоттеля, Уиллера и Блисса [2].
Тепловые характеристики солнечного коллектора можно рассчитать из уравнения баланса энергии, которое позволяет определить долю энергии падающего излучения как полезную энергию, передаваемую теплоносителю. Для плоского коллектора площадью Ас уравнение баланса энергии имеет вид:
Гибридные коллекторы, охлаждаемые жидкостью
Традиционно устройства для использования солнечной энергии разделяются на два больших принципиально различных по физике преобразования солнечной энергии класса: тепловые коллекторы и фотоэлектрические модули. Однако в настоящее время можно говорить о появлении нового направления, включающего оба вида преобразования, которое можно назвать фототермопре-образованием.
Этот подход следует различать от давно известного термофотоэлектрического метода преобразования тепловой энергии в электрическую. Термофотоэлектрический метод преобразования, основан на фотоэлектрическом преобразовании энергии теплового излучателя, нагреваемого в полости через отверстие, например, концентрированным солнечным излучением. При этом конструкция фотопреобразователей, расположенных на внутренней полости, предусматривает возвращение нефотоактивного излучения ИК диапазона с помощью зеркал, находящихся за фотопреобразователями, обратно на излучатель, обеспечивая более полное преобразование всего спектра излучения [15]. В случае фототермопреобразования солнечный элемент (в современной литературе термин «фотопреобразователь» используется реже) работает как генератор электрической энергии, и как тепловой абсорбер, что позволяет получать одновременно электричество, и тепло (гибридный коллектор).
В англоязычной литературе даже появился новый термин PV/T (PV — photovoltaic, Т - thermal), для русскоязычного читателя можно рекомендовать для использования аналогичную аббревиатуру — ФЭ/Т, что соответствует фотоэлектрическому и тепловому преобразованию солнечной энергии. Пока число коммерческих ФЭ/Т (PV/T) систем мало, но по уже установленным и разрабатываемым системам, можно выделить четыре направления использования таких систем. Это жидкостные ФЭ/Т модули, вентилируемые ФЭ фасады, воздушные ФЭ/Т модули и концентраторные ФЭ/Т системы [16].
Фотоэлектрические преобразователи (солнечные элементы) поглощают энергию в большей части спектра солнечного излучения и часть её преобразуют (около «15% в зависимости от материала [17,18]) в электрическую энергию. Остальная часть энергии рассеивается в виде тепла. В связи с этим представляется возможным использовать фотоэлементы в качестве поглощающей "черной" поверхности плоских солнечных коллекторов для получения электрической и тепловой энергии одновременно. Очевидное преимущество использования такой комбинации состоит в том, что коллекторы становятся частью конструкции системы защиты солнечных элементов. К недостаткам можно отнести то, что при повышении температуры эффективность солнечных элементов снижается, а при слишком высоких температурах возможно их разрушение. Поэтому комбинированная работа солнечных элементов допускается лишь при низких температурах (для элементов из сульфида кадмия не выше 70 С).
Вольф в работе [19] предложил создать систему на основе кремниевых фотоэлементов. В работе Боэра [20] исследована система на основе элементов из сульфида кадмия применительно к экспериментальному дому Делавэрского университета, оборудованному солнечным воздухонагревателем в комбинации с такими элементами. Конструкция коллекторов этого дома предусматривает вентиляцию пространства между прозрачным покрытием и солнечными элементами во избежание их перегрева в период высокой интенсивности солнечной радиации (особенно летом). Перспективы применения таких комбинированных коллекторов связаны с ожидаемым снижением стоимости солнечных элементов по сравнению с уровнем 1973 г.
Чтобы получить тепловую и электрическую энергию мы разработали новый гибридный коллектор, где перед входом в канал находится панель, состоящая из фотоэлементов, позволяющих получать электроэнергию. Такой фотоэлемент может быть использован для обеспечения требуемой электрической нагрузки или питания вентилятора, обеспечивающей прокачку воздуха (жидкости) через гелиосистему.
Особенность этого фотоэлемента такова, что при работе без охлаждения возможен перегрев и нарушение работы устройства. Однако в реальных условиях при естественном воздушно-конвекционном охлаждении СЭ и концентрированном солнечном излучении равновесная температура СЭ может превышать 100 С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зоны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фото ответа в длинноволновую область [21].
Эффективность использования гибридных коллекторов рассмотрена экспериментом в работах [22,23,24]. В работе [23] Хуанг и др. сравнили эффективность работы гибридных коллекторов с обычной солнечной водонагреватель-ной системой. В работе [25] представлена тепловая модель для одного фотоэлемента в гибридном коллекторе. Экспериментальные сравнения эффективности этих коллекторов для разных конфигураций представлены в работе [24]. Экспериментальные и численные исследования течения и теплообмена в канале гибридного коллектора приведены в [26].
Математическая модель Чао [27, 28], описывает нестационарный характер работы гибридного коллектора при применении в фасадах зданий.
Задача исследований и разработки гибридных преобразователей солнечного излучения особенно актуальна при встраивании концентраторных ФЭ/Т систем в систему жизнеобеспечения здания [29, 30]. Однако расчётных моделей, основанных на экспериментальных данных для анализа проектных характеристик в литературе явно недостаточно. Проводя анализ гибридных коллекторов плоской конструкции, их можно свести к трем типам. Это установки с воздушным, жидкостным и воздушно-жидкостным теплоносителем.
Сравнение результатов моделирования с данными эксперимента
Вольф в работе [19] предложил создать систему на основе кремниевых фотоэлементов. В работе Боэра [20] исследована система на основе элементов из сульфида кадмия применительно к экспериментальному дому Делавэрского университета, оборудованному солнечным воздухонагревателем в комбинации с такими элементами. Конструкция коллекторов этого дома предусматривает вентиляцию пространства между прозрачным покрытием и солнечными элементами во избежание их перегрева в период высокой интенсивности солнечной радиации (особенно летом). Перспективы применения таких комбинированных коллекторов связаны с ожидаемым снижением стоимости солнечных элементов по сравнению с уровнем 1973 г.
Чтобы получить тепловую и электрическую энергию мы разработали новый гибридный коллектор, где перед входом в канал находится панель, состоящая из фотоэлементов, позволяющих получать электроэнергию. Такой фотоэлемент может быть использован для обеспечения требуемой электрической нагрузки или питания вентилятора, обеспечивающей прокачку воздуха (жидкости) через гелиосистему.
Особенность этого фотоэлемента такова, что при работе без охлаждения возможен перегрев и нарушение работы устройства. Однако в реальных условиях при естественном воздушно-конвекционном охлаждении СЭ и концентрированном солнечном излучении равновесная температура СЭ может превышать 100 С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зоны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фото ответа в длинноволновую область [21].
Эффективность использования гибридных коллекторов рассмотрена экспериментом в работах [22,23,24]. В работе [23] Хуанг и др. сравнили эффективность работы гибридных коллекторов с обычной солнечной водонагреватель-ной системой. В работе [25] представлена тепловая модель для одного фотоэлемента в гибридном коллекторе. Экспериментальные сравнения эффективности этих коллекторов для разных конфигураций представлены в работе [24]. Экспериментальные и численные исследования течения и теплообмена в канале гибридного коллектора приведены в [26].
Математическая модель Чао [27, 28], описывает нестационарный характер работы гибридного коллектора при применении в фасадах зданий.
Задача исследований и разработки гибридных преобразователей солнечного излучения особенно актуальна при встраивании концентраторных ФЭ/Т систем в систему жизнеобеспечения здания [29, 30]. Однако расчётных моделей, основанных на экспериментальных данных для анализа проектных характеристик в литературе явно недостаточно. Проводя анализ гибридных коллекторов плоской конструкции, их можно свести к трем типам. Это установки с воздушным, жидкостным и воздушно-жидкостным теплоносителем.
Плоского воздушного гибридного коллектора теплопоглощающая пластина с фотоэлектрическими элементами размещена посередине металлического корпуса с тепловой изоляцией, сверху находится стекло, а сверху и снизу пластины находятся каналы для воздуха, который является в этой конструкции тепловым носителем. Циркулирующий теплоноситель охлаждает фотоэлементы, за счет чего растет эффективность их работы и увеличивается суммарная выработка электроэнергии, а нагретый теплоноситель используется потребителем.
Для анализа эффективности использования солнечных установок для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии необходимо провести эксперименты и сравнить результаты исследований фотоэлектрических элементов и абсорберов (поглощающих пластин) плоских гелиоколлекторов, из которых состоят комбинированные установки.
Для серийного производства фотоэлектрических модулей для наземного применения в настоящее время в основном используются солнечные элементы из монокристаллического или поликристаллического кремния планарной кон 38
струкции. Так как фотоэлектрические модули и гелиоколлекторы имеют плоскую форму, то и комбинированные гелиоустановки имеют преимущественно плоские конструкции. Сами же установки представляют комбинацию абсорберов плоских гелиоколлекторов, на приемной стороне которых находятся кремниевые элементы различных размеров. Фотоэлектрическая мощность системы определяется мощностью солнечных элементов, а тепловая мощность - площадью и эффективностью абсорбера. Как упоминалось в работе [31], в результате работы комбинированного теплофотоэлектрического модуля можно в 2 раза увеличить выработку электрической энергии солнечными элементами.
В работе [30] был исследован гибридный солнечный коллектор с водо-воздушным охлаждением. Данные, полученные в результате исследований, позволили оценить увеличение не только КПД фотоэлектрического преобразования, но и всей системы в целом. Проведенные исследования показали, что воздушное охлаждение фотоэлектрического модуля дает заметное улучшение выходных электрических характеристик. Использование нагретого воздуха существенно увеличивает общий КПД установки.
Существенное увеличение КПД всей системы связано с использование комбинированной установкой значительной части солнечного спектра излучения. Если тепловой коллектор использует в основном инфракрасную и ближнюю видимую часть, то кремниевые элементы используют фиолетовую и коротковолновую видимую часть спектра.
Разработка системы тепло и электроснабжения автономного объекта
Параметры систем солнечного теплоэлектроснабжения зависят не только от режимных и конструктивных факторов, они в большой степени определяются климатическими условиями: интенсивностью и продолжительностью солнечной радиации, температурой наружного воздуха, скоростью ветра. Солнечное излучение вблизи поверхности Земли имеет спектр, близкий к спектру черного тела с температурой 6000 К, Интенсивность внеатмосферного солнечного излучения несколько изменяется при годовом движении Земли и в среднем составляет Gsc =1353 Вт/ м1 (солнечная постоянная) [35]. Солнечное излучение, поступающее на любую поверхность, складывается из прямой и рассеянной радиации и излучения, отраженного от поверхности Земли и различных близко расположенных от этой поверхности предметов. Обычно наибольшую долю в суммарной радиации составляет прямая радиация.
Солнечное излучение зависит от географической широты точки на земной поверхности, ее высоты над уровнем моря, времени года и суток, облачности. Наибольшее значение интенсивности излучения может превышать 1000Вт/м2 [36]. Суммарная солнечная радиация изменяется в течение дня и года и от года к году, однако ее среднее многолетнее значение достаточно устойчиво. Периодичность поступления солнечной радиации и ее зависимость от большого числа случайных факторов обусловливают трудности, возникающие при расчете и проектировании гелиоустановок.
Разработке полуэмпирических моделей, описывающих характер изменения солнечной радиации, посвящено много работ. На основании анализа отечественных и зарубежных работ по методам расчета интенсивности солнечной радиации можно сделать вывод, что опубликованные методики в большинстве случаев имеют частный характер. Они применимы для конкретных условий в данной географической точке и требуют большого объема специально подготовленной климатической информации, которая имеется не всегда, и обработки ее на ЭВМ. Это часто затрудняет разработку и оптимизацию систем солнечного теплоснабжения.
В [37] было показано, что для достижения заданной точности определения приведенных затрат в системах солнечного теплоснабжения допустимо использовать усредненную за определенный период интенсивность солнечной радиации. Это подтверждается результатами многочисленных исследований, а также данными [2], где отмечается, что эффективность рассматриваемых систем не зависит от распределения радиации в течение дня, важна ее общая сумма. Кроме того, использование при расчете средней за длительный период кривой распределения часовых приходов солнечного излучения всегда дает осторожную оценку характеристик системы.
Усредненная за месяц суммарная плотность суточной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, имеется для большинства географических точек [38]. Однако подобных данных для наклонной к горизонту поверхности, что обычно соответствует условиям работы солнечных коллекторов, в справочниках не содержится. Метод расчета усредненной плотности потока суточной радиации, приходящейся на наклонную поверхность, разработан Луи и Жорда-номв1962г. [2].
Чтобы рассчитать поток солнечного излучения, падающий на поверхность заданного наклона и ориентации, необходимо дать определение некоторым основным терминам. Склонение Солнца- угловое положение Солнца относительно плоскости земного экватора. Из-за того, что ось вращения Земли наклонена на угол 23.5 относительно оси плоскости орбиты вращения вокруг Солнца, величина склонения будет меняться в течение года между +23.5 и -23.5. Значение угла солнечного склонения можно определить по формуле:
Часовой угол движения Солнца, равный 0 в солнечный полдень; каждый час времени t соответствует 15 долготы, причем значения часового угла до полудня считаются положительными, а после полудня - отрицательными:
Моменты восхода и захода Солнца выражаются одной и той же величиной, которая считается положительной для восхода и отрицательной для захода:
Суточная внеатмосферная инсоляция горизонтальной поверхности, можно определить по Поток солнечного излучения, достигающий поверхности Земли, зависит не только от времени года, место расположения и времени суток, но также и от погоды. Практически невозможно предсказать заранее величину инсоляции для данного момента времени, но, исходя из опыта и имеющихся данных, можно предсказать величину инсоляции, ожидаемую в среднем в течение данного периода времени.
Для инженерного проектирования систем преобразования солнечной энергии необходимо знать не только полную инсоляцию, но и какую долю от нее составляет прямое и какую диффузное излучение. Ключевым параметром этого разложения является месячный показатель чистоты неба (коэффициент облачности), определяемый в виде:
