Будова теплових сонячних енергетичних установок

Системи, що перетворюють енергію сонячної радіації в теплову, умовно поділяють на дві групи:

– “пасивні” – приймачем служать самі об’єкти, що нагріваються. Використання енергії Сонця проводиться за рахунок планіровочного та архітектурно-будівельного розташування споруд;

– “активні” – енергія уловлюється, накопичується та транспортується в спеціальних пристроях. Основним елементом є геліоприймач. Як теплоносій, може виступати газ (повітря), або рідина (вода, розчин солей). В залежності від виду теплоносія будується подальша конструкція теплової сонячної енергоустановки. Для низькопотенційних установок найбільш розповсюдженим типом геліоприймача є плоский. Він побудований як ящик, в середині якого розташований колектор, конструктивно виконаний у вигляді трубопроводу різної конфігурації з гофрованою або чарунчастою поверхнею. Колектор має покриття з великою поглинаючою спроможністю. Стінки ящика обкладені тепловою ізоляцією. Один з боків має прозоре покриття, яке може бути одно–, дво– чи тришарове.

1 – прозоре покриття; 2 – плита або трубка; 3 – корпус

Рис. 2.1. Види плоских сонячних колекторів

За призначенням теплові сонячні енергоустановки застосовують, в основному, для гарячого водозабезпечення та кондиціювання як для індивідуальних споживачів, так і для групових, або будують централізовані системи.

Для надійності енергопостачання до сонячних енергоустановок додають акумулюючі пристрої з короткочасною або довгостроковою акумуляцією. Крім того, вони можуть мати дублюючий (резервний) нагрівач (наприклад, електронагрівач, що живиться від центральної мережі).

За характером руху теплоносія системи можуть бути з вільним або вимушеним режимом теплообміну, а за числом контурів теплообміну: одно–, дво– або багатоконтурними.

Таким чином, сонячні енергоустановки входять в фізичну систему узгодження енергопотоку надходження енергії сонячної радіації та потреб споживача, що діє протягом певного нормативного часу. В даній системі вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та енергія від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта в теплоті.

Припустимо, що існує і -та кількість (скінчена) об’єктів виробництва, що підлягає енергозабезпеченню від енергії сонячної радіації протягом періоду з j - тої кількості днів. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами, що побудовані за блочним принципом і містять первинні перетворювачі (сонячні нагрівачі), систему накопичення (теплові акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насоси для циркуляції теплоносія, електронагрівач). Тоді рівняння відносно використання енергії сонячної радіації буде становити:

при і=1,…,n, (3.1)

де - вектори, компоненти яких є

значеннями теплових потреб і-того об’єкта

в j-тий день експлуатації;

- вектори, компонентами яких є значення

енергії від утилізаторів сонячної радіації на

і-тому об’єкті в j-тий день експлуатації;

а – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації сонячної радіації.

Для окремої точки векторного простору співвідношення (3.1) буде складати:

де і=1,…n – номер об’єкта;

j=1,…m – номер дня експлуатації;

- потік енергії від утилізатора сонячної радіації;

де – величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню, що приймає значення в діапазоні [ 0, ];

де – середньостатистичне значення надходження енергії сонячної радіації в j - тий день експлуатації;

– площа сонячних колекторів в j-тий день експлуатації.

– ефективність сонячних колекторів

В таблиці 3.1 подані можливі варіанти сонячних енергоустановок, що охоплюють вищевказані ознаки.

Розглянемо методичні підходи для визначення конструктивних параметрів сонячних енергоустановок для кожного з наведених варіантів. Зазначимо, що в рівняннях х₁ – надходження сумарної енергії сонячної радіації, х₂ – енергія резервного (традиційного) джерела, у₁ – потреби споживача в тепловій енергії.

Тоді для першого варіанту сонячної енергоустановки, що складається із сонячних нагрівачів та акумулятора, рівняння буде становити:

(y₁)₁ = x₁(1 - a),

де х₁ = E_a × h_еф × L_S,

де Е_a - питома величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню;

h_еф - ефективність сонячного колектора;

L_S - площа сонячних колекторів;

а - коефіцієнт втрат акумулятора.

У другому варіанті в акумуляторі проходить поєднання двох потоків енергії - від сонячних колекторів і від теплоелектричного нагрівача:

(y₁)₂ =w₁ x’₁ (1 - a) + w₂ x₃а,

де x’₁ – потік енергії сонячної радіації при E_a < ;

w₁ = 1 - w₂,

де w₁,w₂ – вагові коефіцієнти потоків x₁ та x₂ відповідно.

х₂ = Р_ТЕ - потужність потоку енергії від традиційного джерела.

У третьому варіанті насос впливає на процес теплообміну в сонячному колекторі:

(y₁)₃ = k_Н x₁(1 - a),

де k_Н – коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимом теплообміну в сонячному колекторі.

Четвертий варіант об’єднує особливості другого та першого варіантів:

(y₁)₄ =w₁ x₁ k_Н (1 - a) + a w₂ x₂,

В 5...10 варіантах використовуються двоконтурні системи, застосування яких проводиться в тих випадках, коли пряме використання теплоносія неможливе (наприклад, при використанні в першому контурі розчинів з антикорозійними присадками). Тоді рівняння для цих варіантів будуть наступними:

(y₁)₅ = x₁ (1 – a’ – а”),

де a’, а” – коефіцієнти втрат акумуляторів відповідно першого та другого контурів;

(y₁)₆ =w₁ x₁ (1 – a’ – а”) + a’ w₂ x₂,

(y₁)₇ = k_Н x₁ (1 – a’ – а”),

(y₁)₈ = x₁ (1 – a’ – k_Н” а”),

де k_Н” = а”_вільн /а”_вим – коефіцієнт зниження втрат при застосуванні вимушеного режиму теплообміну в другому контурі.

(y₁)₉ = k_Н x₁ (1 – a’ – k_Н” а”),

(y₁)₁₀ = k_Н w₁ x₁ (1 – a’ – k_Н” а”) + w₂ x₂k_Н” а”.

Слід зазначити, що використання сумарної добової енергії сонячної радіації в теплових системах рекомендується при її рівні більше 15 МДж/м². Ця умова вказує на наявність доцільних періодів використання сонячних енергоустановок, інформація про які подана в таблиці 2.1

Таблиця 2.1

Величина перетворення енергії сонячної радіації в сонячних енергоустановках залежить від кута нахилу поверхні нагрівання, ефективності сонячного колектора, режиму теплообміну.

За відомим рівнянням Клейна, надходження сумарної енергії сонячної радіації на похилу поверхню складає:

де Е – питоме надходження сумарної енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню;

E_d – питома складова дифузної сонячної радіації;

j – широта місцевості;

s – кут нахилу нагрівача;

d – схилення Сонця;

w’_s – годинний кут заходу Сонця за похилу поверхню;

w_s – годинний кут заходу Сонця за горизонтальну поверхню;

r – альбедо Землі.

Вимірювання дифузної радіації (E_d) на станціях проводиться в окремих випадках, і тому її визначають розрахунковим способом з врахуванням коефіцієнта хмарності:

,

де k_х = Е / Е_о – коефіцієнт хмарності,

де Е_о – середньомісячне питоме добове надходження енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню за межами земної атмосфери. Для умов України його значення подане в таблиці 3.3 (МДж/м²)

Таблиця 2.3

Під час експлуатації сонячних енергоустановок приходиться вирішувати питання регулювання кута нахилу нагрівачів до горизонту. За цільової функції максимуму енергії, в умовах України, зміна кута нахилу нагрівачів протягом доцільного періоду не потрібне. Величина кута нахилу наведена в таблиці 2.4.

Коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимами теплообміну в сонячних енергоустановках визначається з умов наявності в них умов теплообміну другого та третього роду. Умовою другого роду є постійність надходження потоку енергії сонячної радіації на поверхню нагрівачів. Умовою третього роду є завдання величини коефіцієнта тепловіддачі та температури:

,

де t_c, t_p – температура відповідно стінки нагрівача та теплоносія;

q_c – потік енергії сонячної радіації;

a_р – коефіцієнт тепловіддачі теплоносія;

h – товщина стінки нагрівача;

l_c – коефіцієнт теплопровідності стінки нагрівача.

Згідно з узагальненими результатами дослідів М.А. Міхєєва за вільної конвекції під час нагрівання води до 100⁰С:

,

де Nu, Gr, Pr – відповідно критерії Нусельта, Грасгофа та Прандтля.

Під час вимушеного режиму теплообміну тепловіддача залежить від швидкості руху рідини (характеризується критерієм Рейнольда). Під час проектуванні сонячних енергоустановок, витрати рідини через колектори рекомендується забезпечувати в межах 2×10^-5 м³/с на 1м² поверхні (для повітря – (5...20)×10^-3 м³/с).

За таких витрат і зміни температури нагрівання від 20⁰С до 60⁰С критерій Рейнольдса становить Re = 1272,4...2677,8, що відповідає перехідному процесу від ламінарного до турбулентного руху.

,

де k_o = f(Re,Gr).

Тоді коефіцієнт пропорційності двох режимів буде складати:

.

Прагнення підвищити продуктивність колектора шляхом збільшення витрат теплоносія без зміни його геометричних розмірів при наявності умов другого та третього роду теплопровідності на справджується, так як різниця температур “стінка-теплоносій” і коефіцієнт тепловіддачі знаходиться в гіперболічній залежності. Наприклад, при збільшенні витрат теплоносія в 2 рази a пропорційно збільшується в 1,7 рази, виходячи з умов переходу бігу рідини в турбулентний стан. За подальшого збільшення витрат теплоносія зростання кількості теплоти буде незначним в той час як витрати потужності на утворення такого потоку ростуть в кубічному ступені.

Сумарна ефективність двоконтурної системи складає:

,

де q_пад – потік енергії сонячної радіації, що падає на поверхню нагрівача;

k_вх – коефіцієнт входження енергії сонячної радіації через світлопрозоре покриття установки;

e – коефіцієнт променепоглинання поверхні теплоприймача;

h_ТС2 – термічна ефективність двоконтурної системи сонячного теплопостачання:

Чисельник: дані за змінного куту нахилу. Знаменник: дані за постійного куту нахилу:

,

де h_ТП – термічна ефективність теплоприймача;

k_пр – приведений коефіцієнт теплопередачі огорожі елементів сонячного нагрівача;

F – площа сонячної енергоустановки;

k_зм, F_зм – коефіцієнт теплопередачі та загальна площа змійовика теплообмінника;

t_в2 – температура води на виході другого контуру;

t₀ – температура навколишнього середовища.

У порівнянні з одноконтурною системою, сумарна ефективність двоконтурної системи складає близько 0,74.

Величина ємності акумулюючого пристрою для сонячної енергоустановки складає:

,

де S₀ – середньодобова питома величина надходження сумарної енергії сонячної радіації з урахуванням коефіцієнта ефективності;

L _s – площа колекторів сонячної енергоустановки;

с – питома теплоємкість акумулюючого матеріалу;

t_п, t_к – початкова та кінцева температура нагрівання води;

m_{min доб} – мінімальна добова величина використання теплоносія.

Рис. 2.2. Залежність місткості акумулятора на 1м² поверхні геліоустановки від середньодобової величини надходження енергії сонячної радіації (коефіцієнт ефективності установки 0,6)

Поиск по сайту: