Содержание к диссертации
Введение
1. Методы расчета систем солнечного теплоснабжения и перспективы развития солнечной энергетики 12
1.1. Перспективы развития солнечной и других видов нетрадиционной энергетики 12
1.2. Солнечная радиация: данные измерений и расчет 20
1.3. Типы и характеристики солнечных коллекторов 22
1.4. Обзор методов энергетического расчета систем солнечного теплоснабжения 27
1.5. Основные элементы систем солнечного теплоснабжения 58
1.6. Селективные покрытия и прозрачная сотовая тепловая изоляция 67
2. Расчет теплпроизводительности солнечных коллекторов 72
2.1. Методика оценки располагаемого количества солнечной энергии 72
2.2. Исследование теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой тепловой изоляции 76
3. Расчет тепловой мощности, отводимой от солнечного коллектора 84
4. Расчет теплопотерь коллектором и соединительными трубопроводами 95
5. Расчет теплопотерь из заглубленного межсезонного аккумулятора тепла в одномерном приближении
5.1. Постановка задачи 110
5.2. Методика расчета тепловых потерь межсезонным аккумулятором тепла 115
5.3. Результаты численного моделирования тепловых потоков из аккумулятора тепла в грунт 120
Заключение 123
Литература 126
Приложение 1 136
Приложение 2 143
Приложение 3 158
Приложение 4 175
Приложение 5 191
Приложение 6 193
- Солнечная радиация: данные измерений и расчет
- Исследование теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой тепловой изоляции
- Расчет тепловой мощности, отводимой от солнечного коллектора
- Методика расчета тепловых потерь межсезонным аккумулятором тепла
Введение к работе
Актуальность темы. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование - дело отдаленного будущего. На самом деле солнечная энергия - серьезная альтернатива традиционной энергетике уже в настоящее время.
Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана [95,78].
Несмотря на то, что Россия обладает существенными запасами ископаемых топлив и является одним из крупнейших поставщиков природного газа и нефти на мировой рынок, проблема рационального использования энергоресурсов в нашей стране не теряет своего значения.
Потенциальные запасы угля, природного газа, нефти в России действительно велики, но прирост добычи в дальнейшем будет осуществляться в основном за счет освоения новых месторождений в отдаленных и труднодоступных районах. Это требует очень больших капиталовложений в добычу и транспортировку топлива, что вызывает его существенное удорожание. Поэтому проблема снижения энергозатрат, утилизации всех видов вторичных энергоресурсов остается актуальной.
Растущая стоимость первичных энергоносителей повышает интерес к возобновляемым источникам энергии. Более 100 стран приняли участие во Всемирной конференции по проблемам возобновляемых источников энергии [37], которая состоялась в Бонне (Германия) в июне 2004 г.
Одним из путей снижения затрат топлива является использование возобновляемых источников энергии, особенно нетрадиционных, которые ранее либо совсем не использовались, либо использовались в очень ограниченных масштабах. К ним можно отнести солнечную энергию,
4 энергию биомассы, гидротермальную, приливную и многие источники низкопотенциального тепла природного и искусственного происхождения.
Ни в одной стране мира нетрадиционные возобновляемые источники энергии не составляют основу топливно-энергетического баланса. Однако существует большое количество примеров, показывающих, что нетрадиционные источники энергии могут покрывать определенное количество потребности тепловой, электрической энергии и органического топлива. Например, в странах Европейского Союза в 2004 г. доля возобновляемых источников (воды, ветра, солнца, биомассы) составляла 6%, атомной энергии-16%, а оставшуюся долю занимало ископаемое топливо [39]. К 2010 г. Европейская комиссия планирует увеличить использование экологически чистых источников энергии до 12% [39].
Выбросы тепловых электростанций состоят, в основном, из углекислого газа, который ответственен за тепличный эффект и изменение климата и, например, приводит к засухе в районах производства зерна и картофеля. Другие выбросы включают окислы серы и азота, которые в атмосфере превращаются в серную и азотную кислоты и возвращаются на землю со снегом или в виде кислотных дождей. Повышенная кислотность воды приводит к снижению плодородия почвы, уменьшению рыбных запасов и засыханию лесов, повреждению строительных конструкций и зданий. Токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть, свинец, могут растворяться кислотами и попадать в питьевую воду и сельскохозяйственные продукты [76].
Из-за вредного воздействия электростанций снижается продолжительность жизни людей, снижаются урожаи, необходимо восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы. Поэтому возобновляемые и нетрадиционные виды энергии привлекают внимание относительно высокой экологической чистотой по сравнению с традиционными.
5 Прежние исследования утилизации солнечной энергии недостаточны
для оценки возможности применения солнечных установок в различных
климатических условиях. В этой связи исследование процессов теплообмена
в системах «солнечный коллектор - аккумулятор тепла» является актуальной
проблемой.
Состояние и краткая история вопроса. Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн. лет [101]. Наблюдающиеся сейчас трудности вызваны высокими ценами на энергоресурсы, а не их дефицитом; поскольку размеры разведанных запасов нефти, природного газа, урана велики, то эти энергоресурсы будут продолжать играть важную роль в течение длительного времени. По мере истощения наиболее крупных и доступных запасов невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов будет сокращаться не только их удельный вес в общем потреблении энергии, но и объем их потребления, а запасы нефти и природного газа не в состоянии будут удовлетворять потребности в коммерческих энергоресурсах (к коммерческим энергоресурсам относят уголь, нефть, газ, ядерную, гидравлическую и геотермальную энергию). Маловероятно, что человечество останется совсем без угля, нефти и природного газа, однако в результате действия рыночных механизмов эти уменьшающиеся и все более дорогие ресурсы будут использоваться, скорее всего, только в тех случаях, где им не удастся подобрать альтернативу.
Пик развития «солнечного» рынка в мире, обусловленный разразившимся энергетическим кризисом и резким ростом цен на энергоресурсы, пришелся на середину и конец 70-х гг. Во многих странах были приняты специальные государственные программы прямой финансовой, законодательной и информационной поддержки и стимулирования развития технологий использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В настоящее время во многих странах мира технологии использования солнечных установок для бытовых целей достаточно хорошо
отработаны и широко доступны на рынке, например, в Германии, США, Израиле, Японии [23,25, 80, 85,107,113].
В бывшем СССР, несмотря на искусственно устанавливаемые цены на традиционные энергоресурсы, вопросам развития гелиотехники также уделялось определенное внимание со стороны государства. Действовали государственные программы по линии Минтопэнерго. Вместе с тем эти усилия были направлены преимущественно на южные республики (Туркмения, Узбекистан, Грузия, Армения, Украина и др.), где климатические условия, безусловно, являются наиболее благоприятными для использования солнечной энергии. В результате, сегодня в России число действующих солнечных установок весьма ограничено (Краснодарский край, Ростовская область [10-12, 14, 15, 56]). Тем не менее, за последние годы в России сформировалось около десятка потенциальных производителей солнечных коллекторов и водонагревателей. В основном производителями выпускаются опытные и мелкие партии. Как правило, сегодня это-акционерные компании, занимающиеся другими основными видами деятельности.
Ограниченное применение солнечных установок вызвано недостаточной информированностью потенциальных потребителей о возможностях практического использования солнечных установок и их преимуществ, а также отсутствием комплексного подхода к поставке систем солнечного теплоснабжения производителями солнечных коллекторов. Расширение рынка солнечных водогрейных установок во многом зависит от информированности потенциального покупателя о достоинствах и технических возможностях предлагаемых новых технологий. Покупателя наряду со стоимостными показателями, сроком службы, надежностью в эксплуатации в первую очередь интересует вопрос: «сколько воды и до какой температуры нагреет предлагаемая ему установка». Сколько дней летом, весной, осенью и, возможно, зимой приобретаемая установка гарантированно
7 обеспечит получение горячей (или хотя бы теплой) воды в реальных
климатических условиях места ее использования [85,94].
Вместе с тем в связи с тенденцией неуклонного роста цен на топливо и электроэнергию интерес к солнечным установкам растет. Проблемам использования возобновляемых источников энергии посвящено большое количество исследований российских и зарубежных ученых. Научные исследования в области солнечной энергетики проводятся в Институте теплофизики СО РАН, Институте высоких температур РАН, Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе, в Алтайском региональном центре нетрадиционной энергетики и энергосбережения и др. В рамках государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» проводили исследования П.П. Безруких, В.И. Доброхотов, Э.Э. Шпильрайн. Значительный вклад в исследования возобновляемых источников энергии внесли ученые: Д.С. Огребков (НИИ электрификации сельского хозяйства), В.М. Казанджан, В.И. Виссарионов (МЭИ) -разработка энергосистем на основе возобновляемых источников энергии; В.Е. Накоряков, И.М. Калнинь, Г.П. Васильев (Институт теплофизики СО РАН) - использование тепловых насосов; Терехов В.И., Терехов В.В., Низовцев М.И., Грищенко В.В., Трушковская А.А. (Институт теплофизики СО РАН) - пассивное солнечное отопление через оконные стеклопакеты; О.С. Попель (Институт высоких температур РАН) - солнечные водонагревательные установки; Б.В. Тарнижевский (ЭНИН им. Г.М. Кржижановского) - использование солнечной энергии для теплоснабжения; Е.С. Панцхава, Л.В. Зысин (Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН) - энергетическое использование биомассы. Из зарубежных ученых стоит отметить таких германских ученых как V. Wittwer, К. Voss, A. Goetzberger, которые внесли вклад в разработку солнечных энергетических систем теплоснабжения зданий.
8 Целью данной работы является разработка методики прогноза
теплопроизводительности систем солнечного отопления и горячего
водоснабжения с учетом местных метеоусловий.
Задачами данной работы являются:
Разработка метода расчета прихода солнечной энергии на произвольно ориентированную . площадку, максимально учитывающего местные метеоусловия.
Проведение измерений коэффициента пропускания прозрачной сотовой теплоизоляции в зависимости от угла падения излучения.
Разработка методики оценки и численное моделирование теплопотерь из рекуперативного теплообменника.
Разработка методики оценки и численное моделирование теплопотерь из заглубленного межсезонного аккумулятора тепла в одномерном приближении.
Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании, обеспечивается использованием убедительных качественных физических соображений, сочетанием достаточно точной модели, описывающей движение плоскости закрепленного в наклонном положении солнечного коллектора на поверхности Земли относительно Солнца, и достоверных метеорологических данных по интенсивности солнечного излучения, по поступлению суммарного, прямого и рассеянного излучения на горизонтальную поверхность, по облачности и по альбедо земной поверхности. В диссертационной работе использованы хорошо известные уравнения нестационарного теплообмена и граничные условия, а также стандартные инженерные методики для расчета потерь в подводящих трубопроводах.
Личный вклад автора заключается в: -выполнении математического моделирования процессов теплообмена системы «солнечный коллектор - аккумулятор тепла» для заданного диапазона варьирования параметров (температура на входе в коллектор,
температура окружающей среды, толщины теплоизоляции всех элементов
системы);
-разработке балансовой модели системы «солнечный коллектор -
аккумулятор тепла»;
-предложении методики оценки располагаемого количества солнечного
излучения на произвольно ориентированную поверхность с учетом
метеорологических данных многолетних наблюдений для метеоусловий
Алтайского края;
-выполнении экспериментальных исследований теплоизоляционных свойств
прозрачной сотовой теплоизоляции, перспективной для применения в
конструкции коллекторов солнечной энергии.
Научная новизна работы заключается в разработке усовершенствованной методики оценки и прогноза прихода тепловой энергии солнечного излучения, учитывающей местные климатические факторы и все основные виды тепловых потерь; измерении коэффициента пропускания прозрачной сотовой теплоизоляции в зависимости от угла падения излучения; в создании комплекса программ и проведении компьютерного моделирования системы «солнечный коллектор -аккумулятор тепла». Впервые получены формулы для расчета результирующей энергетической освещенности наклонной поверхности с учетом облачности, теплопроизводительности солнечных коллекторов с учетом диффузного излучения, потерь тепла в грунт за сутки через боковые стены и дно аккумулятора тепла. Предложены рекомендации для использования установок солнечной энергии в условиях Алтайского края.
Научная и практическая ценность работы. Результаты исследования могут служить теоретической основой расчета баланса энергии при разработке систем солнечного теплоснабжения, дополняющих традиционные системы, применительно к жилым зданиям и зданиям производственного назначения, направленных на существенное сокращение использования ископаемых топлив.
Результаты исследования использовались в Алтайском региональном
центре нетрадиционной энергетики и энергосбережения (об этом имеется справка).
На защиту выносятся:
методика оценки располагаемого количества энергии солнечного излучения, падающего на произвольно ориентированную поверхность;
математическая модель баланса энергии в системе «солнечный коллектор -аккумулятор тепла» с учетом всех основных видов тепловых потерь;
- результаты моделирования тепловых потоков в системе «солнечный
коллектор - аккумулятор тепла» для условий Алтайского края.
Публикации. По результатам работы опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: седьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2001 г., Российский национальный симпозиум по энергетике, Казань, 2001 г., международная научно-техническая конференция, Тверь, 2001 г., восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2002 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 193 страницах, содержит 38 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 117 наименований и 6 приложений.
После введения следует Глава 1, посвященная обзору нетрадиционных видов энергии, в частности солнечной, а также обзору методов расчета систем солнечного теплоснабжения и определению располагаемого количества солнечной энергии. В первой главе описываются основные типы солнечных коллекторов и их характеристики, рассматриваются основные элементы систем солнечного теплоснабжения, селективные, покрытия и
>
прозрачная сотовая тепловая изоляция. В Главе 2 описывается методика оценки располагаемого количества солнечной энергии, и приводятся результаты исследования теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой тепловой изоляции. В Главе 3 приводится разработанная методика расчета тепловой мощности солнечных коллекторов и результаты тестирования соответствующего программного модуля. В Главе 4 приводится расчет теплопотерь коллектором солнечной энергии и соединительными трубопроводами и результаты расчета при заданных параметрах. В Главе 5 описывается методика расчета теплопотерь из заглубленного межсезонного аккумулятора тепла в одномерном приближении и результаты расчета. В заключении приведены основные результаты и выводы. В приложениях представлена справка об использовании результатов диссертационной работы, а также: усредненные по годам метеорологические данные для-Алтайского края; коды программных модулей для расчета: альбедо; прихода располагаемого количества солнечной энергии на наклонную площадку с учетом облачности; кпд неселективного солнечного коллектора с однослойным покрытием; потерь в межсезонном аккумуляторе тепла; графики зависимости теплопроизводительности различных типов солнечных коллекторов от угла наклона коллектора; спектральные характеристики различных светофильтров; зависимости относительных суммарных потерь для разных типов коллекторов от площади коллектора при различных энергетических освещенностях; зависимости относительных суммарных потерь в трубопроводах от скорости теплоносителя при различных энергетических освещенностях; зависимости относительных суммарных потерь в трубопроводах от толщины теплоизоляции.
Солнечная радиация: данные измерений и расчет
При количественном описании солнечной погоды и прихода солнечной радиации для расчета систем отопления возникает ряд проблем. Испытывается сравнительный недостаток в надежных метеорологических данных, но основная трудность связана с большим количеством переменных факторов, которые влияют на режим поступления радиации в месте размещения коллектора. Некоторые факторы поддаются непосредственной количественной оценке, однако большинство факторов должно рассматриваться в статистическом плане на основе долгосрочных средних величин наблюдений [3,16, 17, 80, 88, 91]. Качество или интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность, зависит от многих факторов. При движении Земли по орбите расстояние ее от Солнца меняется: в январе Земля ближе к Солнцу, а в июле-дальше. Реальная радиация, падающая на внешнюю границу земной атмосферы, таким образом, наиболее интенсивна в январе. Однако в то же время изменяется и склонение солнца.
Другие факторы связаны с изменением интенсивности радиации по временам года и день ото дня. Вообще прозрачность атмосферы зимой выше, т.к. в воздухе меньше пыли, цветочной пыльцы и дымки, чем летом. Отражение радиации от окружающей среды также непостоянно: отражательная способность снега зимой выше, чем травы летом. Географическое местоположение также может характеризоваться различной прозрачностью атмосферы и величиной отражения: на большой высоте воздух чище, чем у поверхности земли, особенно вблизи промышленных предприятий; дом на пляже получает больше отраженного света, чем коттедж в лесу. Влияние этих факторов трудно предсказать иначе, как в самом общем виде, но и игнорировать их нельзя [3, 17, 91].
Факторы, влияющие на количество поступающей радиации, также носят переменный характер. Очевидным фактором является облачность, которая меняется не только день ото дня, но час от часу. (Поскольку сама по себе радиация существенно меняется на протяжении дня, то недостаток метеоданных по дневному изменению облачности может внести существенную ошибку в предсказание режима поступления радиации) [3, 8, 17,29,88,91].
Другим фактором, который необходимо учитывать при оценке интенсивности излучения, является отношение диффузной радиации к прямой. Прямая солнечная радиация представляет ту часть суммарной радиации, которая отбрасывает тень. Диффузная составляющая является
результатом рассеяния света молекулами воздуха, пылью, облаками, озоном, водяными парами и т.п. Это рассеяние делает небо голубым в ясные дни и серым в присутствии дымки. Диффузная радиация довольно равномерно распределена по небосводу. Измерить диффузное излучение трудно, и мало что известно о его плотности и изменчивости, хотя эта радиация может составлять 10-100% суммарной падающей радиации [3, 8, 17,29, 88, 91].
Для расчета полной радиации на наклонную поверхность привлекаются справочные данные по условиям облачности и по прямой, рассеянной и суммарной радиации, падающей на горизонтальную поверхность за несколько лет [3, 8,17,29, 88, 91]. Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев теплоносителя [17, 52]. Конструктивно солнечные коллекторы отличаются значительным разнообразием как формы (плоские, параболические), так и технологических параметров (с прозрачным одинарным и двойным покрытием, селективные, вакуумированные и т.д.), работающие с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя [6, 17, 45]. Основным показателем эффективности солнечного коллектора является его КПД. Наибольшее влияние на КПД, как известно, оказывают: 1) метеорологические факторы-интенсивность солнечной радиации и температура наружного воздуха; 2) конструктивные характеристики - поглощательная способность абсорбера, пропускательная способность прозрачного покрытия, теплоизоляционные свойства материалов и конструкции; 3) монтажно-технологические параметры - ориентация, температура теплоносителя на входе в коллектор, расход теплоносителя.
В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих - с концентрацией, то есть с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии [11,17, 69, 91]. Наиболее часто применяемые теплоносители в системах солнечного теплоснабжения - жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечкой и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям [17, 52, 91].
Исследование теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой тепловой изоляции
В работе исследовался прозрачный теплоизолирующий материал из пол и метил метакри лата, имеющий сотовую структуру [110]. Толщина слоя составляла 42 мм, диаметр соты- около 5 мм, толщина стенки - 0.1 мм, с эффективным термическим сопротивлением 1.4 м К/Вт. Этой ПСТИ был теплоизолирован с одной стороны нагреваемый излучением образец, представляющий собой прямоугольную пластину из фанеры размером 250 ж 100x3 мм.
В представленной на схеме установке источник света мощностью 250 Вт имел спектр излучения преимущественно в видимой и инфракрасной областях длин волн. Для измерения разности потенциалов на термопарах использовался милливольтметр G- 1202.010. Приемники излучения (разработаны М.А. Утемесовым) представляли собой медные пластины толщиной 0.2 мм и диаметром 15.5 мм, к которым были припаяны хромель-алюмелевые термопары. Они размещались заподлицо на пластине из четырехслойной фанеры. Для увеличения коэффициента поглощения лицевая сторона приемников излучения и пластины чернилась сажей, смешанной с клеем БФ. Сигнал от термопары через переключатель передавался на милливольтметр.
В предварительных измерениях были проведены оценки освещенности ПСТИ отраженным в обратном направлении светом. В качестве источника направленного излучения использовался гелий-неоновый лазер (HNA - 111). Сравнивались освещенности расположенной вблизи (на расстоянии 0.1 м) поверхности диффузно-отраженным излучением через ПСТИ и исходного излучения, ослабленного различными светофильтрами. По результатам сравнений примерно такая же освещенность соответствовала нейтральному (серому) светофильтру НС-11 (толщина 3 мм, показатель поглощения 1.79 мм"1). За единицу была принята освещенность исходного лазерного излучения. Относительная освещенность диффузно отраженного света Е/Е0яе превышает 10 31 79=4.27-10 6, т.е. энергетическая освещенность диффузно-отраженным излучением более чем на 5 порядков меньше интенсивности падающего на ПСТИ направленного излучения. При радиусе лазерного пятна 0.002 м исходный (относительный) световой поток FQ равен 3.14-0.002 = 1.26-10" м , а отраженный в полусферу поток F не превышает 4.27-10 -2-3.14-0.1=2.7-10 м . Для коэффициента диффузного отражения получаем F/FQ 0.021, что выгодно отличает ПСТИ от типичных прозрачных пористых материалов.
Источник света и приемники излучения устанавливались таким образом, чтобы приемники находились в световом конусе на равном расстоянии от центра. Идентичность показаний термопар проверялась в предварительных экспериментах. Изменения температур в ходе экспериментов наблюдались в двух режимах - при нагревании и охлаждении. Показания милливольтметра снимались с интервалом 5 мин. С помощью таблицы градуировки термопары данные э.д.с. переводились в температуру.
В серии экспериментов тыльная поверхность была теплоизолирована слоем пенополистирола, и в части из них внешняя поверхность ПСТИ дополнительно покрывалась защитным слоем стекла. Из рисунка 2.6 видно, что наклон прямой 3 больше наклона прямой 2, который в свою очередь больше наклона прямой 1. Тепловое сопротивление между нагретой поверхностью и окружающим воздухом наименьшее в отсутствие ПСТИ и наибольшее при применении ПСТИ со стеклом. Из сравнения полученных результатов видно, что быстрее и на большие температуры нагревается пластина, защищенная ПСТИ со стеклом, затем просто ПСТИ, и медленнее нагревается незащищенный образец. Этот результат показывает, что защитная оболочка в какой-то мере задерживает инфракрасное излучение, испускаемое пластиной, и позволяет нагреваться интенсивнее. Кроме того, пластина с ПСТИ, покрытой стеклом, дает большую эффективность использования солнечной энергии.
В отсутствие прозрачной теплоизоляции отношение освещенностей при разных углах падения лучей пропорционально отношению соответствующих косинусов, и при углах поворота пластины на 15 и 30 равно 1.12, что соответствует ослаблению светового потока ПСТИ на 10%.
В диапазоне углов от 7 до 30 наименьший коэффициент пропускания падает до 80% от случая нормального падения. До 5 коэффициент пропускания в красной и инфракрасной области спектра близок к 100%. При повороте до 10 уменьшается до уровня 80-85%, затем коэффициент пропускания меняется слабо, из чего можно сделать вывод, что при прохождении света через материал стенок происходит его частичное рассеяние и поглощение (при наклонном прохождении длина пути в стенке может быть ощутимой).
Расчет тепловой мощности, отводимой от солнечного коллектора
Методика расчета тепловой мощности, отводимой от коллектора солнечной энергии, базируется на модификации программного модуля для расчета прихода солнечной энергии на различно ориентированные площадки.
На основе известной в оптике формулы Френеля, описывающей зависимость коэффициента пропускания от угла падения, нами были получены формулы для расчета теплопроизводительности солнечных коллекторов с учетом диффузного излучения.
С-расходная теплоемкость теплоносителя через коллектор; после чего по соотношению Qk = 1]Es рассчитывается тепловая мощность солнечного коллектора ? Тепловая мощность интегрируется по времени для интервала один час, что дает часовую теплопроизводительность. Численное интегрирование выполняется методом Симпсона с шагом интегрирования 0.1 часа. Суммирование тепловых производительностей для одного времени суток дает месячную, сезонную, годовую теплопроизводительность для этого времени суток; суммирование часовых теплопроизводительностей дает суточную величину.
Для сравнения эффективности солнечных коллекторов разных типов (с различными Fflia и FRU) были рассчитаны их тепловые производительности для каждого месяца года при различных наклонах коллектора с учетом суточного изменения температуры (но без учета потерь тепла в подводящих трубопроводах). Код программного модуля приведен в приложении 2. Результаты расчетов приведены на рисунках приложения 3 для плоского солнечного коллектора с однослойным остеклением, плоского солнечного коллектора с двойным остеклением, вакуумированного коллектора, селективного коллектора при температуре теплоносителя на входе в коллектор 50 С.
Для использования коллектора в период с марта по октябрь, как следует из рисунков приложения 3 и рисунка 3.3, оптимальный результат дает угол наклона коллектора 45. Плоский коллектор с однослойным остеклением неработоспособен, поэтому для круглогодичной эксплуатации коллектор такого типа не подойдет и для зимних месяцев необходимо применять более сложные конструкции коллектора, такие как вакуумированные. Использование дешевых коллекторов, например, имеющих однослойное остекление, для горячего водоснабжения и накопления тепла в межсезонном аккумуляторе тепла оптимизировано на теплое время года, а более дорогих, например, вакуумированнных коллекторов - для отопления и горячего водоснабжения в зимнее время года.
Помимо оптимизации угла наклона солнечного коллектора можно повысить КПД коллектора путем снижения теплопотерь в нем, подавая на вход теплоноситель при меньшей температуре. Поскольку реальные системы с солнечными коллекторами включают в себя дополнительно накопители тепла и подводящие трубопроводы, то прогноз теплопроизводительности должен учитывать как потери тепла в подводящих трубопроводах, так и изменения температуры теплоносителя вследствие изменения температуры в накопителе тепла. В качестве накопителей тепла обычно применяют резервуары различной емкости (в зависимости от требуемого запаса тепла) с водой. Теплоноситель поступает в солнечные коллекторы при температуре, близкой к температуре воды в соответствующем резервуаре, которая, вообще говоря, меняется с течением времени.
Солнечные коллекторы, используемые в системе теплоснабжения и горячего водоснабжения, соединяются с аккумулятором и теплообменниками подводящими трубопроводами. Учет тепловых потерь должен включать потери тепла и аккумулятором тепла, и соединительными трубопроводами. Тепловые потери коллектора будут тем выше, а его КПД тем ниже, чем выше температура теплоносителя в коллекторе, причем температура входящего в коллектор теплоносителя Гвх зависит не только от эффективности теплообменника, передающего тепло от горячего теплоносителя к холодному, но и от температуры теплоносителя на выходе из коллектора.
Нами выполнен расчет суточной тепловой производительности системы «солнечный коллектор - аккумулятор тепла», включающей в себя солнечные коллекторы, имеющие однослойное остекление, и вакуумированные коллекторы (при углах наклона 45 у коллекторов, имеющих однослойное остекление, и 75 у вакуумированных), и межсезонный аккумулятор тепла (резервуар емкостью порядка 450 м ) при входной температуре в коллектор, равной температуре воды в резервуаре. В расчете учтены потери тепла в подводящих трубопроводах при общей их длине на открытом воздухе Юм, диаметре - 0.016 м, коэффициенте теплопередачи теплоизоляции трубопроводов-1 Вт/(м -К).
Методика расчета тепловых потерь межсезонным аккумулятором тепла
При расчете были приняты следующие допущения: -отсутствуют градиенты температуры в воде в аккумуляторе тепла; -плотность теплового потока в грунт по всей площади контакта с грунтом одинакова, и процесс распространения тепла рассматривается как одномерный; -плотность теплового потока в теплоизоляции всюду принимается одинаковой: теплоемкость единицы объема теплоизоляции мала по сравнению с теплоемкостью грунта и теплоизоляция имеет ограниченную толщину, поэтому теплоизоляция практически не накапливает тепло; -на удалении от аккумулятора тепла температура грунта Ттт всюду одинакова и постоянна; -начальная температура воды в аккумуляторе тепла равна температуре грунта Ггрунт.
По этим формулам вычисляется безразмерная температура на поверхности раздела теплоизоляции и грунта и на поверхности раздела дна аккумулятора и грунта соответственно для т = 1,2,... где 10 и 1\ рассчитываются по соотношениям (5.24) и (5.27). Входящие в (5.24) и (5.27) значения 0,- и 0а вычисляются по соотношениям (5.29) и (5.30) на предыдущих шагах.
В течетние суток температура аккумулятора меняется на малую величину. В то же время, удобно задавать суточное потребление энергии, поэтому в расчетах был выбран шаг дискретизации равным одним суткам.
Результаты расчетов по формулам (5.31) представлены на рисунках 5.3 и 5.4: на рисунке 5.3 на верхней кривой- потери тепла через днище аккумулятора, на нижней - потери через теплоизолированные (шлаковая засыпка, толщина слоя-2.4 м, =0.1275 Вт/(м-К)) боковые стены аккумулятора тепла (при приблизительно одинаковых площадях контакта с грунтом). По оси абсцисс отложено время в годах. Как видно из рисунка, теплоизоляция на порядок снижает тепловые потери. По мере прогрева грунта под днищем аккумулятора тепла амплитуда колебаний теплового потока в грунт уменьшается более чем в два раза (за расчетный период). На рисунке 5.4 представлены зависимости, также от времени, температуры на поверхностях теплоизолирующего слоя: верхняя кривая отвечает температуре на поверхности контакта с аккумулятором тепла, нижняя-с грунтом. За расчетный период среднегодовой перепад температуры на теплоизолирующем слое практически не изменяется, поэтому поток тепла в грунт через теплоизоляцию со временем практически не уменьшается.
Соответствующий программный код приведен в приложении 2. Необходимо отметить, что использованное в работе одномерное приближение не учитывает сезонного колебания температуры грунта, значительного на малых глубинах. Кроме того, по мере проникновения тепловой волны в грунт толщина области, вовлеченной в процесс теплопередачи, становится сопоставимой с поперечными размерами аккумулятора тепла, что приводит к дополнительному отклонению параметров реального объекта от параметров его математической одномерной модели. Последнее обстоятельство ограничивает временной интервал, в течение которого одномерное приближение может корректно описывать распределение температуры и тепловые потоки, несколькими годами при характерном размере днища аккумулятора 10-20 м. С помощью соответствующего программного модуля (приложение 2) был проведен тестовый расчет для межсезонного заглубленного на 3 м в землю под здание аккумулятора со следующими параметрами: объем аккумулятора - 450 м3, температура аккумулирующего вещества (вода) 60 К, теплоемкость воды 4154 кДж/(м К), средний тепловой поток в грунт 2 кВт. При этом в расчете предполагалось использование в системе «солнечный коллектор - аккумулятор тепла» двух типов солнечных коллекторов: для теплого времени года - сравнительно дешевых с однослойным остеклением, площадью 100 м2, размещенных на крыше здания под углом 45, и для зимнего времени - более дорогих вакуумированных коллекторов площадью 20 м2, размещенных на крыше здания под углом 75.
Расчет показал, что за 21 месяц будет выработано 1.12-10 кДж, при потреблении 4.18 кВт этой энергии хватит на 10 месяцев. Если тепло будет только накапливаться, и не будет расходоваться, то запасенного тепла хватит на период свыше 2 лет. Т.о., объема аккумулирования достаточно для сезонного накопления и потребления тепла при средней потребляемой мощности 4 кВт.
