Диссертация (1143334), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В связи с этим зимние условияне позволяют применять плоские солнечные коллекторы для нагрева воды с использованием одноконтурных схем [87]. Двухконтурные схемы, естественно, приводят к удорожанию выработки тепловой энергии. Однако, отсутствие транспортной и топливной составляющих все же создают благоприятный фон для внедрениясолнечных систем ГВС и отопления при условии применения современных технологий тепловой защиты, двухконтурных систем и вакуумных солнечных коллекторов.1414.2.4.1. Опыт использования и экспериментальные исследования солнечныхколлекторов на «Энергоэффективном доме»Солнечная энергия (помимо прямого преобразования на ФЭП) использоваласьна объекте «Энергоэффективный дом» посредством применения солнечных коллекторов Каменск-Уральского металлургического завода (Свердловская обл.) длявыработки тепловой энергии (рис.
52).Рис. 52. Солнечные коллекторы на объекте «Энергоэффективный дом»В течение эксплуатации объекта на нем были проведены измерения тепловойэнергии, потребляемой в течение года. Суммарная тепловая нагрузка, используемая втечение года на объекте для отопления и горячего водоснабжения, показана на диаграмме (рис.
53). А тепловая энергия, отпущенная солнечными коллекторами и необходимая для покрытия нагрузки ГВС представлена на диаграмме (рис. 54).Рис.53.Суммарная тепловаянагрузка системыРис.54. Тепловая энергия, отпущенная СКВывод: Плоские солнечные коллекторы могут использоваться в условияхз уральского региона (при ГСОП ~6000) при двухконтурной схеме в течение 8-9 месяцевв году, а по одноконтурной – только в месяцы, с гарантированными плюсовымитемпературами.1424.2.4.2.
Сравнительный анализ характеристик плоскихи вакуумных коллекторовНаучные исследования по сравнительному анализу плоских и вакуумныхколлекторов комплексно выполнены Амерхановым Р. А.[87], Бутузовым В. А.[88,89]. Интегрированно преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов предствлены в табл. 28.Таблица 28Характеристики плоских и вакуумных солнечных коллекторовВакуумные трубчатыеПлоские высокоселективные«плюсы»Низкие теплопотериВысокая производительность летомРаботоспособность в холодное время года до –30Соотношение цена/производительностьСдля южных широт и теплого климатаСпособность генерировать высокие температурыВозможность установки под любым угломДлительный период работы в течение сутокМеньшая начальная стоимостьУдобство монтажаСоотношение цена/производительностьдля умеренных широт и холодного климата«минусы»Неспособность к самоочистке от снегаВысокие теплопотериОтносительно высокая начальная стоимостьНизкая работоспособность в холодное времяпроектагода (неэффективность)Сложность монтажа связанная с необходимоРабочий угол наклона не менее 20°стью доставки на кровлю собранного коллектораПлоские СК обычно теряют больше тепла в окружающую среду по сравнению с вакуумными и эти потери возрастают с ростом разницы температур.
Вакуумные коллекторы имеют меньшую долю площади поглощения к общей (60–80%)в сравнении с плоскими. Исходя из значений эффективной площади на квадратныйметр, вакуумные коллекторы являются более эффективными. Это позволяет использовать их в условиях ограниченного пространства на крыше. Однако, сравнение цен того и другого типов СК всегда в пользу плоских коллекторов, что зачастую является определяющим фактором, особенно в теплых регионах.1434.2.4.3.
Исследования эффективности солнечных коллекторовс вакуумными трубками в условиях Уральского регионаДля исследования эффективности использования солнечной энергии в Уральском регионе в УрФУ была смонтирована экспериментальная установка с вакуумными трубками [90].Получены экспериментальные данные эффективности системы производстватепловой энергии для условий резко континентального климата, характерного дляУрало-Сибирской климатической зоны.
В ходе исследований определялись приходы солнечной радиации, изменение тепловых характеристик элементов установки; определялась энергетическая производительность и эффективность установки, внешний вид представлен на рис. 55.Для исследования радиационных характеристик в районе УрФУ применялись два независимых автоматических метеорологических комплекса (производства США), регистрирующих прямую и рассеянную радиацию, температуру ивлажность окружающей среды, силу и направление ветра в автоматическом режимес сохранением данных в памяти компьютера [90].
Солнечные коллекторы имелиюжную ориентацию и стационарный угол наклона к горизонту 450Рис. 55. Монтаж системы солнечных коллекторов на полигоне ВИЭ в УрФУИсследования энергетических характеристик установки имели длительный(многомесячный) характер, сбор и накопление информации, как по приходу солнечной радиации, так и по температурным характеристикам, были максимально автоматизированы.144Характерные данные по измерению приходов солнечной радиации приведены на рис. 56.Рис. 56.
Данные по приходу солнечной радиации в многодневном циклеВнешний вид графика, представленного на рисунке 56, показывает наличиециклической (суточной) составляющей прихода энергии солнца, однако маскируетстохастический характер, связанный с облачностью, прозрачностью атмосферы ипрочими факторами.На рис. 57 приведен детальный суточный график прихода солнечной радиации, учитывающий упомянутые выше явления.Рис. 57.
Характерный суточный график прихода солнечной радиацииНа рисунке 58 представлены данные по инсоляции для района «Энергоэффективного дома» по данным NASA и метеостанции в пос. В. Дуброво (3 км дообъекта).145Рад, Вт/м2среднесуточный график инсоляции за 18.11.2011200180160140120100806040200по метеостанциипо NASAРис. 58. Сравнительные показатели инсоляция для района «Энергоэффективного дома» по даннымNASA и метеостанции в пос. В. Дуброво (близ п. Растущий).Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоских коллекторов, имеет вид:q FR A I U L Ti T0 где q – полезная энергия, отводимая из коллектора в единицу времени, Вт;A – площадь коллектора, м 2;FR– коэффициент отвода тепла из коллектора;I – плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м2;– пропускательная способность прозрачных покрытии по отношению ксолнечному излучению;– поглотительная способность пластины коллектора поотношению к солнечному излучению;UL– полный коэффициент тепловых потерьколлектора, Вт/(м 2 °С);Ti– температура жидкости на входе в коллектор, °С;T0– температура окружающей среды, °С.В результате исследований и экспериментов было подтверждено, что применение плоских солнечных коллекторов в условиях Уральского региона имеет ограничительный характер, обусловленный низкой температурой и необходимостьюлибо отключать системы на отопительный период, либо применять двухконтурную146схему.
В связи с указанным обстоятельством возник вопрос о потенциальной возможности использования вакуумных солнечных коллекторов и необходимости егоэкспериментальной апробации в условиях высоких значений ГСОП.4.2.4.4.Экспериментальные исследования вакуумных СК для определениявозможности их использования в зимний периодЭкспериментальная установка была смонтирована на полигоне ВИЭ УрФУ(кафедра атомных станций и возобновляемых источников энергии). Схема и технические характеристики экспериментальной установки с вакуумным СК (для исследований зимнего режима работы) представлена на рис.59.Рис.
59. Принципиальная схема экспериментальной установки(1 – двухконтурный бак-аккумулятор объемом 250 л.; 2 – циркуляционный насос Wilo 48 Вт стремя регулировками мощности; 3 – вакуумный солнечный коллектор AristonKairos VT-15; 4 – расходомер; 5- запорная арматура; 6 – аналого-цифровой преобразователь)При использовании данного бака было принято решение о последовательномсоединении контуров с целью увеличения поверхности теплообмена и, как следствие, интенсификации теплопередачи. Поскольку система работала в условиях отрицательных температур в качестве рабочего тела использовалась смесь воды сэтиленгликолью. Данная система работает с вакуумным коллектором Ariston KairosVT-15, имеющим следующие характеристики (табл. 29):Таблица 29Технические характеристики СК «Ariston Kairos VT-15»Масса без теплоносителя, кгОбъем рабочей жидкости в коллекторе, л64,3147Площадь апертуры, м 21,58Площадь поглощения м 21,51КПД0,816k1, Вт/м2К2,737k2, Вт/м2К0,0074Температура стагнации, оС206Принцип действия данной установки состоит в постоянном нагреве теплоносителя (здесь смесь воды с этиленгликолью), циркулирующего внутри трубок коллектора.
Внутри каждой трубки располагается поглотитель с селективным покрытием, накотором солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию. Поглотитель конструктивно соединен с каналами для прохождения теплоносителя. Таким образом, рабочее тело воспринимает тепло от поглотителя и поднимается вверх, где циркулируетдальше по контуру, отдавая свое тепло в баке аккумуляторе.В необходимых точках смонтированной схемы расположены датчики температуры (два на коллекторе и два на прямой и обратной трубах возле бака, и одинвнутри бака), представляющие собой термометры сопротивления (AD22100STZ),которые подключаются к аналого-цифровому преобразователю. В данном случае вкачестве АЦП была использована плата Arduino Uno, имеющая 10-битный преобразователь и возможность подключения до 6 каналов.Опыты производились в течение недели в середине марта 2012 г.
как в солнечную погоду, так и в облачную, и пасмурную. Основным режимом был нагревводы в баке-аккумуляторе. Исследования производились по дням и представленына графических зависимостях.На рис. 60 представлена характерная зависимость прихода солнечной радиации от времени суток. Данные получены с метеостанции, расположенной в Екатеринбурге; измерения производились в солнечный день. Представленная зависимость является типичной для исследуемого периода времени. Максимальныезначения лежат в пределах 600 Вт/м 2 и приходятся на солнечный полдень. С помощью подобных данных возможно определить количество солнечной энергии, приходящей на горизонтальную поверхность за день.148I, Вт/м2700600500400300200100010:4813:1215:3618:0020:2422:48Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
