Определение оптимального угла наклона солнечного коллектора в зависимости от длительности работы в течении года

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение оптимального угла наклона солнечного коллектора в зависимости от длительности работы в течение года

Введение

Улучшение экологического состояния может быть достигнуто энергосбережением и использованием альтернативных источников энергии. Сейчас во всем мире осуществляется интенсивное развитие солнечных энергоустановок [1]. Основным сдерживающим фактором на пути широкого внедрения солнечной энергетики является ее высокая стоимость. Поэтому все усилия должны быть направлены на снижение цены и увеличение производительности солнечных установок (СУ).

Постановка задачи

При конкретном проектировании СУ сталкиваются с некоторыми недостаточно определенными параметрами. Так в некоторых рекомендациях для проектирования солнечных установок для горячего водоснабжения приводится, что угол наклона коллекторов, ориентированных на юг, должен быть 30-45° [2].

Указанные рекомендации, вероятно, обоснованы для районов Германии, где разработаны соответствующие документы. Однако следует отметить, что для конкретной местности должны быть свои рекомендуемые оптимальные параметры. Поэтому целью настоящей работы является разработка методики определения и расчет оптимального угла наклона солнечного коллектора в зависимости от режима работы на примере
г. Одессы. Под режимом работы понимается круглогодичная работа установки или сезонная работа в течение теплой половины года.

Определение количества энергии, падающей на наклонную поверхность солнечного коллектора

Оптимальным углом наклона коллектора будет угол, обеспечивающий максимальное количество теплоты, передаваемое теплоносителю за определенной отрезок времени. Часть объектов коммунально-бытового сектора работает только в теплую часть года, например, оздоровительные детские лагеря. Имея данные по прямому H_B и рассеянному H_D излучению, падающему на горизонтальную поверхность в зависимости от широты местности [3], были определены соответствующие данные для широты г. Одесса, табл. 1.

Таблица 1

Данные по прямому H_B и рассеянному H_D излучению на горизонтальную поверхность в безоблачный день для широты г. Одессы (=46,47°), Вт/м²

Величина удельного теплового потока q', Вт, падающего на 1 м² наклонной поверхности солнечного коллектора в каждый час безоблачного дня, определяется по формуле [4]:

, (1)

где -- широта местности;

s -- угол наклона плоскости солнечного коллектора к горизонту;

д -- склонение, величина которого для каждого месяца приведена в табл. 1;

щ -- часовой угол, равный нулю в полдень для коллекторов, ориентированных на юг; через каждый час значение часового угла меняется на 15° со знаком плюс (от 12 часов к утру) или минус (от 12 часов к вечеру);

-- угловой коэффициент, зависящий от перечисленных углов.

В табл. 2 в качестве примера, приводятся данные по удельному тепловому потоку, падающему на наклонную поверхность коллектора при угле наклона 40°, рассчитанные по формуле (1).

Таблица 2

Удельный тепловой поток, Вт/м², падающий на наклонную поверхность в безоблачный день для широты г. Одессы (=46,47°), и соответствующий угловой коэффициент при угле наклона коллектора 40°

Среднесуточное количество энергии, падающее на 1 м² солнечного коллектора в каждом месяце, определяется суммированием данных соответствующей строки в табл. 2 и умножением полученного значения на 2. Суммирование значений в строке дает количество энергии, полученное до полудня, в Вт•ч. Количество солнечной энергии, падающей на коллектор за месяц, определяется произведением среднесуточного значения на количество дней в месяце, табл. 3. Полученные данные соответствуют падающей энергии в безоблачный день.

Таблица 3

Количество падающей энергии в безоблачный день

Определение количества солнечной энергии, переданной теплоносителю

Удельный тепловой поток q, Вт/м², переданный в систему горячего водоснабжения в каждый час дня определяется по формуле:

q=q'•з_о•з_к•з₁•з₂•з₃ (2)

где з_O -- коэффициент, учитывающий реальные условия облачности. Для района г. Одессы значения з_O приводятся в табл. 4.

Таблица 4

Значения среднедневной температуры воздуха t₀ и показателя з_O, учитывающего облачность для г. Одессы

з_K -- коэффициент полезного действия солнечного коллектора, который зависит от его конструкции. При разности температур теплоносителя в коллекторе и окружающего воздуха 20…50 °С эта зависимость следующая

з_K = 0,82 - 0,007•(t_K - t₀) (3)

t_K -- температура подогретой в коллекторе воды, а t₀ -- температура окружающего коллектор воздуха. Среднемесячные значения температуры наружного воздуха также приводятся в табл. 4. Температура t_к обычно принимается равной 50 °С. Температура t₀ -- это средняя температура воздуха атмосферы в дневные часы расчетного месяца, которую рассчитывают по формуле:

t₀= t_ср + 0,3•А_t, (4)

t_CP и A_t -- среднесуточная температура воздуха и максимальная амплитуда колебаний суточных температур расчетного месяца, принимаемые по [5];

з₁ -- коэффициент, учитывающий степень прозрачности атмосферы, величина которого колеблется от 0,8 в промышленных районах до 1 в курортной зоне. Принято з₁=1;

з₂ -- коэффициент, учитывающий потери тепла от солнечного коллектора до потребителя. Величина этого коэффициента колеблется от 0,85 для крупных централизованных систем горячего водоснабжения до 0,98 для локальных водоподогревателей [6]. Принято з₂ =0,98;

з₃ -- коэффициент, учитывающий потери, обусловленные нестационарным теплообменом при переменной облачности. Рекомендуется з₃ = 0,9.

Общий КПД передачи теплоты может быть получен как

з=з_о•з_к•з₁•з₂•з₃.

Значение общего КПД зависит только от месяца и приводится в табл. 5.

Таблица 5

Значения общего КПД передачи теплоты потребителю

солнечный коллектор энергия теплоноситель

Оптимизация угла наклона коллектора для СУ, работающей теплую половину года

Зависимость количества теплоты, переданной потребителю, в зависимости от угла наклона коллектора для теплой половины года, приводится на рис. 1. Из приведенных данных видно, что максимальное количество теплоты соответствует углу наклона 25°.

Таблица 6

Энергетические характеристики солнечных коллекторов в зависимости от угла наклона

Рис. 1 Зависимость количества теплоты, переданной в солнечной установке горячей воде за теплую половину года, от угла наклона солнечного коллектора

Оптимизация угла наклона коллектора для СУ, работающей в течение всего года

Рассмотрим зависимость полученного количества теплоты от СУ в зависимости от угла наклона за весь год. В табл. 6 приводятся необходимые данные по месяцам, а на рис. 2 - зависимость общего количества полученной энергии за год в зависимости от угла наклона коллектора.

Таблица 6

Энергетические характеристики солнечных коллекторов в зависимости от угла наклона

В результате анализа полученных данных было определено, что оптимальный угол наклона при круглогодичной эксплуатации солнечной установки лежит в диапазоне 38-40° (при s=38° q_год=925,38 кВт•ч, при s=39° q_год=925,44 кВт•ч). Общий КПД передачи теплоты при этом равен 38,0 %, что несколько не совпадает со средним КПД, рассчитанным по табл. 4.

Выводы

1. Предложена методика оптимизации угла наклона плоского солнечного коллектора для горячего водоснабжения в зависимости от широты местности и длительности эксплуатации в течение года. Критерием оптимизации является максимум количества теплоты, переданного теплоносителю за заданный промежуток времени.

2. При длительности эксплуатации в течение теплой половины года в районе г. Одессы оптимальным углом наклона коллектора при южном направлении является угол 25°. При этом с учетом всех потерь теплоты годовое количество полезной энергии равно 615 кВт•ч/м² солнечного коллектора

3. При круглогодичной эксплуатации солнечной установки оптимальным является угол 40°. При этом с учетом всех потерь теплоты годовое количество полезной энергии равно 925,38 кВт•ч/м² солнечного коллектора. Суммарный КПД равен 38 %.

Список использованной литературы

1. Черкасов М.И., Борячок В.В., Хафизов А.Д. Проблемы и пути решения фотоэнергетики России /Energy Fresh. 2011. №3/5. С. 16-18.

2. Гелиотехника Logasol для горячего водоснабжения и поддержки отопления. Документация для проектирования. Одесса: Buderus, 04/2008. 120 с.

3. Руководство по строительной климатологии. М.: НИИ строительной физики, 1977. 414 с.

4. Даффи Дж. А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии // Перевод с английского под. ред. Ю.Н. Малевского. M.: Мир, 1977. 470 с.

5. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. Госстрой России. 2003.

6. Гершкович В.Ф. Энергосберегающие системы жилых зданий. Пособие по проектированию. Часть. 6. [Электронный ресурс] / http://www.journal.esco.co.ua/cities/2013_3/art118.html.

Размещено на Allbest.ru