Диссертация (1141522), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для оценки степени автономности и применимости в установленных условиях системы в течение всего года необходимо43учитывать динамику изменения внешних условий в течение всего периода эксплуатации [77].Наиболее полно функциональная связь между интенсивностью потока солнечной радиации и количеством тепловой энергии, преобразованной солнечнымколлектором, описана в [3].Количество преобразованной солнечным коллектором радиации в тепловуюэнергию Qс.к.определяется по формуле:Qс.к . = E рад nS колηопт(2.2)где Eрад – поток солнечной радиации, приходящий на единицу площади поверхности коллектора от Солнца в рассматриваемый временной интервал,МДж/м2; nкол – количество солнечных коллекторов; Sкол – площадь поглощающейповерхности солнечного коллектора, м2; ηопт – оптический КПД солнечного коллектора;Интенсивность потока солнечной радиации, попадающей на поверхностьколлектора, для любого его пространственного положения и каждого часа светового дня определяется соотношением:=E рад ( PS I S + PD I D )(2.3)IS, ID – интенсивность потока, падающей на горизонтальную поверхностьсолнечной радиации – прямой и диффузной (рассеянной) соответственно,МДж/м2; PS, PD – коэффициенты положения коллектора для прямой и диффузнойрадиации соответственно.Коэффициенты положения коллектора определяются по следующим формулам:PS =cosψsin αPD = cos 2β кол2(2.4)(2.5)где βкол – угол наклона солнечного коллектора к горизонту; ψ – угол падениясолнечного луча на поверхность коллектора; α– угол высоты солнца над горизонтом.44Угол падения прямого солнечного луча на наклонную поверхность коллектора ψ определяется по следующему соотношению:cosψ = sin δ ⋅ sin ϕ ⋅ cos β кол − sin δ ⋅ cos ϕ ⋅ sin β кол ⋅ cos γ ++ cos δ ⋅ cos ϕ ⋅ cos β кол ⋅ cos ω + cos δ ⋅ sin ϕ ⋅ sin β кол ⋅ cos γ ⋅ cos ω +(2.6)+ cos δ ⋅ sin β кол ⋅ sin γ ⋅ sin ωгде ψ – угол падения прямого солнечного излучения измеряется междунаправлением излучения и нормалью к приемной площадке; φ – географическаяширота местности; δ – склонение, т.е.
угловое положение Солнца в солнечныйполдень относительно плоскости экватора; γ– азимутальный угол наклона приемной площадки, т.е. отклонение нормали от местного меридиана (за начало отсчетапринимается южное направление, отклонение к востоку считается положительным, к западу – отрицательным); ω – часовой угол, определяющий отклонениенаправления на солнце от этого направления в полдень (в солнечный полдень этотугол равен нулю; за каждый час угол изменяется на 15° долготы, причем значениячасового угла до полудня считаются положительными, а после полудня – отрицательными).Солнечное склонение δ для j-го дня года может быть найдено по приближенной формуле Купера [78]: 284 + j =δ δ 0 ⋅ sin 360 ⋅ 365 (2.7)где j = 1,2,…365 – порядковый номер дня года;δ0 = 23°27’=23,45° для северного полушария – угол наклона земной оси.Для круглогодичных систем угол наклона рекомендуется [3] принимать равным широте местности, в которой предполагается использование коллектора.
Дляповышения уровня восприимчивости коллектора к солнечным лучам в зимнийпериод, их следует располагать под углом β+15°.Для повышения эффективности работы коллекторов в полуденные часы – часы наибольшей солнечной активности – их принято ориентировать на юг. Отклонения угла ω от южного направления приемлемы в пределах 15°, при этом, данное отклонение влияет на эффективность работы коллектора.45Конструкция солнечного коллектора и применяемые изоляционные материалы и технологии определяют величину тепловых потерь.
При моделировании работы коллектора его тепловые потери характеризуются коэффициентом k1,Вт/м2°C, который указывается в паспорте коллектора производителем. Тепловыепотери коллектора определяются по формуле:=Qпот.кол k1nS кол ( tкол − tн.в. )t(2.10)где k1 – коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/м2°C; tкол – средняятемпература теплоносителя в коллекторе, °C; tн.в. – температура наружного воздуха; τ – временной интервал, с.Для анализа работы ССТ нужно определить площадь поверхности солнечныхколлекторов Sкол, необходимую для преобразования достаточного количества солнечной радиации в тепловую энергию, доступную потребителю.Величина необходимой площади коллекторов зависит от радиационных ресурсов местности и тепловой нагрузки на систему [76]. Справочные и нормативные данные о поступлении солнечной радиации представлены следующими периодами: сутки, месяц, год. В качестве расчетного периода для определения площади коллекторов целесообразно использовать данные за период равный месяцу.Расчет на суточные значения нецелесообразен, так как охватывает слишком короткий временной промежуток, не характеризующий длительную работу системы.
Годовые значения охватывают достаточный временной промежуток, однакоперепады в интенсивности солнечной радиации в разные периоды года характеризуются значительными колебаниями.Количество солнечной радиации, приходящей на поверхность земли в зимние и летние месяцы значительно отличаются, в связи с этим актуальным становится вопрос, на какие условия следует производить расчет.В первую очередь должна быть обеспечена безопасность работы системы:необходимо исключить возможность перегрева системы в летнее время и замерзания в зимнее.
Замерзание системы в зимнее время можно предотвратить подключением к системе дублирующих источников тепла. Предотвратить перегревколлекторов и воды в баке представляется возможным путем сливания перегретой46воды из бака, сопровождающегося подпиткой бака холодной водой, и включенияциркуляционного насоса для съема тепла с коллекторов, что является экономически неэффективным.При расчете площади солнечных коллекторов на летние условия, в периоднаибольшего поступления солнечной радиации, срок окупаемости системы будетминимальным, так как в этом случае исключается экономически неэффективныйрежим работы системы «вхолостую».
Наиболее длительным срок окупаемостисистемы будет при расчете площади поверхности солнечных коллекторов на период наименьшего поступления солнечной радиации. Однако данная система будет наиболее автономной, не зависящей от дублирующих источников энергии.Современные средства автоматизации [51, 52] проектирования ССТ предлагают три варианта подбора площади поверхности коллекторов, среди них описанные выше – система с быстрой окупаемостью, автономная система и комбинированный вариант.Исходя из вышеперечисленного, требуемая площадь поверхности солнечныхколлекторов определяется по формуле:SобщколмQсист= мE радηопт(2.11)мм– тепловая нагрузка на систему за рассматриваемый месяц, Дж; E радгде Qсист– интенсивность потока солнечной радиации за рассматриваемый месяц, Дж, рассчитывается по формуле (2.3) с использованием среднемесячных значений интенсивности прямой IS и рассеянной ID солнечной радиации и табличных значенийкоэффициентов PS и PD [3]; ηопт – оптический КПД коллектора, являющийся паспортной характеристикой.Тепловая нагрузка на систему в летнее время включает в себя, как правило,только нагрузку на систему ГВС и определяется по следующей формуле:м=QсистNcвGсут ∆t м(2.12)47Где N – количество дней в месяце, cв – табличное значение теплоемкости воды, Дж/кг∙°C; Gсут – суммарный суточный расход воды, кг/сут; Δtм – разница температур горячей и холодной воды в рассматриваемом месяце, °C.Температура холодной воды меняется в течение года и принимает значенияприблизительно от 3±2°C зимой до 20±2°С летом в зависимости от рассматриваемой местности.Согласно действующим нормам [79] температура горячей воды в местах водоразбора независимо от применяемой системы теплоснабжения должна быть нениже 60°C и не выше 75°C.
Местом водоразбора в ССТ является бак-аккумулятор.Для определения необходимой площади солнечных коллекторов принимаетсямаксимально допустимое значение температуры горячей воды 75°C.Таким образом, расчет требуемой площади воспринимающей поверхностисолнечных коллекторов следует производить исходя из требуемых срока окупаемости и степени автономии системы.2.3.2 Математическая модель климатических условийДля моделирования процесса поступления на поверхность коллектора солнечной радиации используются среднемесячные часовые значения прямой и рассеянной радиации, время восхода и захода солнца, количество облачных, солнечных и пасмурных дней в месяце, характерные для конкретной географическойточки. На рисунке 2.3.1 представлено распределение количества прямой солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность единичной площадив течение суток для разных городов России.
График демонстрирует существенныеотличия в значениях данного показателя в зависимости от географической широты точки наблюдения.48МДж/м21,00Архангельск0,80ПетрозаводскСанкт-Петерберг0,60Москва0,40Уфа0,20ОмскБарнаул0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23Часы суток, чБлаговещенскРисунок 2.3.1 – Прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность,при ясном небе в январеКоличество облачных, солнечных и пасмурных часов каждого месяца определяется по справочным данным, однако информация о распределении их в течение каких-либо периодов отсутствует.
В связи с этим, для оценки работоспособности системы, принято допущение, что в течение суток степень чистоты небосвода постоянна и интенсивность потока солнечной радиации определяется поформуле (2.3) для ясных и облачных дней, и равна 0 для пасмурных дней.Необходимые сведения о часовых значениях интенсивности солнечной радиации и температуре наружного воздуха содержатся в Научно-прикладном справочнике по климату СССР.Для более детального анализа работы системы солнечного теплоснабжениянеобходимы более подробные исходные данные. Для получения минутных значений интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха из часовых применяется метод линейной интерполяции, в соответствии с которым значение функции в рассматриваемой точке определяется по формуле:y −yy=y0 + 1 0 ( x − x0 )x1 − x0(2.13)где y0, y1 – известные значения функции; x0, x1 – известные значения аргумента; x, y – искомые значения аргумента и функции.Для интенсивности солнечной радиации аргумент представлен моментомвремени, а значение функции в указанный момент времени определяется по формуле:49I − IjI j ,i =I j + j +1(ττj ,i − j )ττj +1 − j(2.14)Для температуры наружного воздуха аргумент также представлен моментомвремени, а значение функции в указанный момент времени определяется по формуле:−tttн.в.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
