Водяной аккумулятор солнечной энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт энергетики Академии наук Молдовы

Водяной аккумулятор солнечной энергии

Капралов А.И.

Аннотация

солнечный нагреватель сельский бытовой

Представлена конструкция простого солнечного нагревателя воды на санитарно-бытовые нужды для сельских и пригородных потребителей в весенне-летний период и результаты натурных испытаний такого полномасштабного нагревателя.

Ключевые слова: солнечная радиация, прозрачная теплоизоляция.

Abstract

It is presented the construction of a simple solar water heater for sanitary needs of the rural and suburban consumers and its field tests results.

Key words: solar radiation, transparent heat insulation.

Несмотря на интенсивное проникновение природного газа во все города и сёла республики, что, безусловно, является положительным явлением, не следует пренебрегать альтернативными источниками теплоснабжения.

В сельских усадьбах, частных подворьях, на дачных участках всегда существует потребность в горячей воде с температурой до 40…45єС. Покрывать эту потребность за счёт электроэнергии или сжигания газа обходится недёшево, тем более что цена и электроэнергии, и газа неизменно растёт. Мы покажем, что большая часть этой потребности за сезон апрель-сентябрь может быть удовлетворена за счёт использования солнечной энергии.

Постановка задачи

Мы задались целью создать устройство, использующее солнечную энергию для нагрева воды на санитарно-бытовые нужды, т.е. до температуры 40…45єС для указанных выше категорий пользователей. Условием являлись простота, надёжность, долговечность и небольшая стоимость. Местом установки считалось дворовое пространство усадьбы или территория дачного участка. Количество требуемой подогретой воды определялось 25…30 литрами на человека для семьи из 4-х человек, т.е. 100…120 литрами в день. При установках большей ёмкости возрастают трудности в изготовлении, транспортировке и эксплуатации.

Имеющиеся в продаже установки солнечного горячего водоснабжения, основанные на металлических коллекторах, баках-аккумуляторах с теплообменниками, соединяющих их трубопроводах и поддерживающих всё это металлических опорах, не могли служить прототипом ни по материалоёмкости, ни по сравнительной сложности, ни по стоимости. Требовался другой подход.

Обоснование принципиальной схемы устройства

Наше внимание привлёк сравнительно новый конструкционный материал - листовой сотовый поликарбонат, обладающий ценными качествами: прозрачностью для солнечных лучей, лёгкостью, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, доступностью в приобретении и сравнительно невысокой стоимостью. Если широкую ёмкость заполнить водой, накрыть листом поликарбоната так, чтобы он плавал на поверхности, закрывая всю площадь, и выставить ёмкость на солнце, - можно нагреть эту воду.

Мы провели расчёт количества тепла от солнечной радиации, поглощаемой водой, закрытой прозрачной плавающей крышкой в течение светового дня. Поскольку прозрачная плавающая крышка пропускает как прямое, так и рассеянное излучение, расчёт вели на суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность.

Приведём этот расчёт:

- количество воды в аккумуляторе, m ……………………100 кг;

- площадь облучаемой водной поверхности ………………1кв.м;

- коэффициент пропускания солнечных лучей

листовым поликарбонатом толщ. 10мм, к? ……………….0,8;

- кпд аккумулятора (по опыту и литературным данным), з ……0,7;

- начальная температура воды, єС …………….................16…20;

- среднемесячная дневная величина суммарной

солнечной радиации на горизонтальной

поверхности с 9єC до17єєC ………………………………в таблице 1.

Из формулы количества тепла Q = mc(tєнач- tєкон), принимая во внимание к? и з , находим превышение температуры Дtє к концу дня по месяцам:

Q · к? · зУ q · 0,8 · 0,7· 3600

Дtє= ---------------= ------------------------------------

m · c 100 · 4,19

и сводим результаты в таблицу 1.

Таблица 1. Расчёт количества тепла от солнечной радиации

Из таблицы видно, что за период с апреля по сентябрь получаемая температура удовлетворяет потребностям санитарно-бытовых нужд, т.е. данное устройство имеет перспективы использования.

Таким образом, принципиальная схема аккумулятора определилась как плоский резервуар (ванна) площадью 1мІ, содержащий 100…120 литров воды, закрытой плавающей крышкой из прозрачного поликарбоната.

Описание конструкции и выбор материалов

Аккумулятор представляет собой ванну размером 1х1м высотой 16см, выполненную из стеклопластика, чёрную внутри и белую снаружи. В целях теплоизоляции дно и боковые стенки ванны внутри проложены упаковочным одинарным гофрокартоном. Отогнутые стенки ванны опираются на трубчатую поддерживающую конструкцию таким образом, что ванна висит внутри этой конструкции на высоте 0,9м от земли. Вблизи одной из боковых стенок в дне ванны устроено сливное отверстие, имеющее выход через гибкий шланг, служащее для залива холодной и разбора горячей воды.

Высота установки ванны (90см) принята для удобства отбора воды путём простого опускания шланга ниже уровня воды в ванне, поднятие шланга выше этого уровня прекращает разбор воды, простое устройство фиксирует шланг в верхнем положении.

При разработке конструкции ванны предусматривались два ребра жёсткости под дном. В процессе изготовления было принято решение отказаться от них, поскольку жёсткость дна показалась достаточной, однако при натурных испытаниях и нагреве воды до 45…50єС происходило размягчение дна, и вследствие этого обнаружился его прогиб не менее чем на 2см, что делало невозможным полное опорожнение ванны. Таким образом, предусмотренные вначале рёбра жёсткости оказались необходимы.

Налитая в ванну вода (от 100 до 130 литров) накрывается прозрачной плавающей крышкой из сотового поликарбоната толщиной 10мм. Размеры листа поликарбоната выбраны на 1...1,5см меньше, чем внутренние размеры ванны, с тем, чтобы при разборе или заливе воды крышка свободно опускалась и поднималась, повторяя ход поверхности воды.

Для нас было проблемой заделать торцевые отверстия в листе поликарбоната так, чтобы вода не поступала внутрь каналов. Проникновение воды в каналы нарушает теплоизоляционные свойства поликарбоната, а также затрудняет прохождение солнечных лучей сквозь крышку, вызывая дополнительное рассеяние и отражение. Поэтому непременным условием эффективной работы аккумулятора является полная и надёжная герметизация торцевых отверстий всех 90 каналов плавающей крышки из сотового поликарбоната.

Эта задача оказалась довольно трудной. Клеи и герметики на основе силикона не давали надёжной герметизации, уже через несколько часов вода начинала проникать внутрь каналов и уменьшала эффективность устройства. Пришлось использовать клеящую плёнку, герметизировавшую торцы каналов на время эксперимента с приемлемой надёжностью, но недостаточной для массового применения.

Кардинальным решением, по-видимому, будет спайка торцевых отверстий путём нагрева их в струе горячего (300…500єС) воздуха, размягчение и обжатие отверстий в текучем состоянии. Эксперименты, проведённые на небольших образцах поликарбоната, показали надёжность и технологичность этого способа герметизации. Отсутствие у исполнителя подходящего технического фена не позволило провести полномасштабный эксперимент, в связи с чем пришлось ограничиться небольшими образцами.

Для изготовления ванны применялась технология, использующая стеклопластик. Мы перебрали несколько вариантов материала для ванны. Последовательно были рассмотрены полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид и фторопласты. Некоторые из них (полиэтилен, поливинилхлорид) неустойчивы к солнечному излучению, другие (полипропилен, фторопласты) поступают в республику в виде листов разной толщины и изготовить из них ванну нужного размера и конфигурации сложно. Кроме того, обеспечить низкую теплопроводность стенок и днища, используя эти материалы, технологически сложно, - остаётся только обкладывать снаружи дно и стенки теплоизолирующим материалом и как-то крепить его. Это представляется нам нетехнологичным и ненадёжным.

В конце концов, мы остановились на стеклопластике. Эта технология позволяет формовать изделие нужных размера и формы и одновременно вводить внутрь дна и стенок теплоизолирующий материал (картон, вспенённый полистирол, стекломаты и др.). Натурные испытания показали приемлемый уровень теплоизоляции, выполненной из одинарного гофрокартона, хотя следует испробовать и другие материалы. Устройство представляемого аккумулятора показано на рис.1.

Результаты натурных испытаний

Результаты натурных испытаний представлены на рисунках 2…5. Графики на этих рисунках показывают рост температуры tє залитой в аккумулятор воды в зависимости от величины солнечной радиации I, измеряемой в Вт/мІ, а также текущее значение кпд з, - всё это в течение дня.

На рисунке 2 приведены показатели работы аккумулятора (tє и з) при первом его заполнении. Можно видеть, что даже при позднем (13.30) начале эксперимента вода в количестве 100 литров успевает нагреться до 41єС.

На рисунке 3 представлен процесс нагрева воды на следующий день с 8.00. Вода с температурой 41єС была оставлена на ночь, и к утру её температура снизилась до 27є при ночной температуре воздуха 22є, т.е. часть тепла, накопленного в предыдущий день, была сохранена. В условиях солнечного дня температура воды к 16.00 поднялась до 50є; такая температура требует осторожности при разборе. На графике видно, что КПД з установки имеет наибольшее значение в утренние часы, достигая 75% , в дальнейшем по мере нагревания воды кпд снижается вплоть до 10%. Это объясняется увеличивающимися потерями тепла при одновременном падении интенсивности солнечного излучения.

Рисунок 4 демонстрирует работу аккумулятора при начальной температуре воды 16,5є и залитых 110 литрах. Несмотря на переменную облачность, снижающую суммарную величину солнечной радиации, температура воды поднялась до 44є. Общий кпд з за этот день составил 74%.

Рисунок 5 показывает обычный ход нагревания воды в солнечный день, в течение которого температура 100 литров воды поднялась с 18 до 45є, кпд з за день составил 68%. Натурные испытания показали, что главным условием эффективной работы всего устройства является прозрачная и хорошо загерметизированная крышка. При изготовлении и использовании плавающей крышки необходимо иметь в виду, что одна сторона поликарбоната имеет защиту от солнечного ультрафиолетового излучения, именно этой стороной вверх всегда должна быть обращена крышка при эксплуатации аккумулятора. По настоящей разработке было принято положительное решение №8155 от 6.08.2009г. о выдаче патента на изобретение.

Ожидаемые технико-экономические показатели

Стоимость аккумулятора складывается из двух слагаемых:

- ванна;

- плавающая крышка.

На стадии опытного образца изготовление ванны из стеклопластика на фирме SRL “Polies CM” обошлось в 1386 леев. Крышка из прозрачного поликарбоната толщиной 10мм обходится в 180 леев; эта стоимость складывается из стоимости 1мІ поликарбоната - 150 леев и работы по герметизации каналов - 30 леев. Итого стоимость аккумулятора в сборе составила 1566 леев.

По расчётам фирмы SRL “Polies CM” при серийном изготовлении ванн из стеклопластика их себестоимость может быть снижена в 3 раза, т.е. доведена до 460 леев. Тогда вся себестоимость аккумулятора составит 460+180=640 леев. Продажная цена при 20% прибыли изготовителя и 10% -ной торговой наценке составит 845 леев.

За сезон аккумулятор вырабатывает тепло в количестве 1108 МДж. Для получения такого количества тепла при электронагреве с кпд 90% потребуется 345 кВт.ч электроэнергии на сумму 380 леев.

Окупаемость составит 845/380=2,2 года

Выводы

Можно констатировать, что полученные результаты по достигнутой температуре и эффективности полностью удовлетворяют заданным требованиям, превосходя их при наиболее благоприятных погодных условиях, совсем не редких в летний период.

Простота, надёжность, эффективность и приемлемая стоимость изготовления предлагаемого солнечного аккумулятора дают надежду, что потенциальный изготовитель при правильной рекламной политике сумеет привлечь внимание потребителей к этому устройству и обеспечить изготовление и реализацию необходимого количества этого нового для республики товара.

Литература

1. Климат Кишинёва./Под ред. В.Н. Бабиченко, Т.Г. Шевкун. - Л.: Гидрометиздат, 1982.

Капралов Анатолий Иванович - научный сотрудник лаборатории нетрадиционных источников энергии Института энергетики АНМ. Научные интересы связаны с исследованиями в области использования солнечной энергии.

Приложения

Размещено на Allbest.ru