Диссертация (1143334), страница 23
Текст из файла (страница 23)
60. Зависимость прихода солнечной радиации (для февраля-марта)Графики на рис. 61 иллюстрируют поведение системы при запуске из холодного состояния и позволяют оценить время переходного процесса до выхода на режим (порядка 10 мин.).Рис.61. Температурные характеристики системы при пуске(начальная температура бака 36 оС, расход – 3 л/мин)(ХОЛ. СК – температура на входе в СК; ГОР.
СК – температура на выходе из СК;ГОР. БАК - температура горячей воды на входе в бак; ХОЛ. БАК – температура водына выходе из бака перед насосом; БАК – температура в верхней точке бака)Зависимость является типовой для запуска в период отрицательных температур и позволяет оценить, какое количество тепловой энергии из аккумулированнойбаком теряется при запуске (здесь бак остыл на 3 градуса).149Последующиезависимости(рис.62)иллюстрируютработусистемыв режиме нагрева бака-аккумулятора, позволяющего накапливать тепловую энергию в солнечные периоды и поддерживать температуру в пасмурные.Кривая «БАК» на представленном рисунке постепенно возрастает и достаточно инертно реагирует на колебания температур на выходе коллектора (обусловленное разным уровнем мощности потока солнечной радиации).Рис.62.
Температурные зависимости в облачную погоду с прояснениямипри относительно большом расходе в 3 л/минДля пасмурной погоды, когда солнечный коллектор не в состоянии обеспечить требуемую температуру (рис. 63), целесообразно «отключать» контур солнечного коллектора и пускать по нему рециркуляцию с целью увеличения температуры до необходимой. Такой режим позволяет, с одной стороны сохранить теплобака, с другой, даже при наличии малой освещенности получать тепловую энергиюнеобходимой температуры.150Рис.63. Температурные характеристики системыв пасмурную погоду при расходе в 3 л/минВажной мерой поддержания заданной температуры является регулированиерасхода.
Уменьшение расхода с 3 л/мин до 1 л/мин позволило достичь более высоких значения разностей температур на коллекторе.Данная задача может быть решена с помощью автоматики. Контроллер, имеющий уставку по температуре, регистрирует разность показателей температурныхдатчиков на выходе из коллектора и в баке, и подает сигнал на изменение мощностициркуляционного насоса.При функционирповании подобной системы автоматики (и наличии бесперебойного источника питания) исключается ситуация перегрева системы вследствиетемпературной стагнации.На рис. 64 начальный участок графика характеризует запуск системы: учетэтой части работы коллектора имеет смысл с точки зрения оценки эффективностифункционирования системы в течение дня.В период с 13 до 14:30 имеет место увеличение мощности солнечной радиации, что отражено ростом температур на выходе коллектора (ГОР.
СК) и входе горячей трубы в бак (ГОР. БАК).151Рис. 64. Температурные зависимости в точках экспериментальной установкив ясную погоду при малом расходе (1 л/мин)Режим работы установки (рис.64) иллюстрирует естественные условия работысистемы в солнечный день и подтверждает эффективность ее использования.Как видно из графика, в течение дня происходит нагрев бака до 50 градусов.Достижение подобных относительно высоких температур обусловлено снижениемрасхода теплоносителя до 0,6 л/мин.Рис.65. График температур в режиме нагрева бака в ясную погодуи при температуре окружающего воздуха в пределах (–5...–2 оС),расход 0,6 л/минДальнейший анализ ведется для этого режима работы: оцениваются мощность и КПД установки (рис. 66 и 67) [91].152Q = G Cp (Tг - Tx)(4.5)где Q мощность, кВт;G расход теплоносителя, м3/с;Cp теплоемкость воды, 4200 кДж/(кгград)Tг температура прямой воды на выходе из коллектора;Tx температура обратной воды на входе в коллектор.η= ∙(4.6)где η КПД установки, о.е.;I величина прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность,Вт/м2;S эффективная площадь солнечных коллекторов, м 2.Мощность, Вт500,0400,0300,0200,0100,00,09:36:0010:48:0012:00:0013:12:0014:24:00Рис.66.
График изменения мощности в течение дня в режиме нагрева бакав ясную погоду и при температуре окружающего воздуха в пределах (–5...–2 оС), расход –0,6 л/минРост мощности СК обусловлен увеличением мощности солнечной радиациии прогревом системы. Потери в системе определялись, в основном, разностью температур между окружающей средой и выходом с коллектора.(2.9)153КПД системы (рис.67) также возрастает по мере увеличения мощности солнечной радиации к полудню, что обусловлено конструктивными особенностями вакуумной трубки данного коллектора: лучи перпендикулярны поверхности абсорбера в полдень и, таким образом, достигается наибольшая эффективность.КПД0,80,70,60,50,40,30,20,109:36:0010:48:0012:00:0013:12:0014:24:00Рис.
67. График изменения КПД в течение дня в режиме нагрева бакав ясную погоду и при температуре окружающего воздуха в пределах (–5...–2 оС),расход 0,6 л/минТаким образом, В условиях отрицательных наружных температур осуществлен нагрев бака-аккумулятора с 35 до 50 градусов в течение солнечного дня, чтосоставило 15 МДж тепловой энергии.Потери в трубопроводах составляли около 1 градуса. КПД системы достигал значений в 67%.В ходе исследований определены приходы солнечной радиации, изменение тепловых характеристик элементов установки; энергетическая производительность иэффективность установки.Рекомендации: системы с вакуумными коллекторами могут быть использованы в регионах с высокими значениями ГСОП, так как конструкция коллектора свакуумными трубками препятствует потерям тепла вследствие отсутствия конвекции.154Используя солнечные вакуумированные коллекторы (при наличии качественнойтеплоизоляции) возможно эффективное преобразование солнечной энергии в условиях относительно небольших (до 5-7 0С) отрицательных температур.4.2.4.5.
Проект использования солнечной энергии для ГВСи отопления многоквартирного дома с использованием вакуумных коллекторовв условиях Уральского регионаВ апреле 2012 г. на основе расчетов и экспериментальных данных исследованийфункционирования вакуумных коллекторов была разработана схема и выполнен монтаж вакуумных СК на 10-этажном многоквартирном доме в Екатеринбурге [92].Характеристики дома:Год ввода в эксплуатациюЭтажностьПлощадь квартир (м 2)ПодъезовКоличество квартирЧисло жителей19961019985124321301Потребл.тепла на отопление, Гкал/годПотребление на ГВС, Гкал/годОтопление +ГВС, Гкал/годСтоимость за тепловую эн.(тыс. р./год)Стоимость ГВС (тыс.
р./год)Стоимость отопления (тыс. руб./год)267817854464428817152573Схема системы вакуумных СК для многоэтажного дома представлена на рисунке 68,а их монтажа на объекте на рисунках 69 и 70.Рисунок 68. Схема системы солнечного теплоснабжениямногоквартирного жилого дома в мегаполисе (Екатеринбург, Родонитовая, 8)(1 – солнечные коллекторы (910 ед.); 2 – система автоматического контроляна базе м/п платы «Ардуано»; 3 – бак-теплообменник (2 х 500 л);4 – насос циркуляционный ;5 – насос питательный)155Рис. 69. Фото монтажа каркаса для солнечных вакуумных коллекторовна многоквартирном доме в Екатеринбурге (март, 2012 г.)Рис.
70. Монтаж вакуумных солнечных коллекторов на многоквартиром10-ти этажном доме в Екатеринбурге (июнь 2012г., студенты кафедры АС и ВИЭ УрФУ на практическом занятии по монтажу. Руководитель – автор настоящего исследования)Зависимость полученной за день тепловой энергии (Э) от разности температур между теплоносителем в коллекторе и температурой окружающей среды (TmTa) при различных значениях приходов солнечной энергии за день (данные“SRCC”- Solar Rating and Certification Corporation) представлена на рис. 71, гдепредставлены графики для плоских и вакуумированных коллекторов.156Рис.
71. Зависимость полученной за день тепловой энергии (Э) от разности температур междутеплоносителем в коллекторе и температурой окружающей среды(1 – плоский СК, солнечно, Эсолн = 6,4 кВт·ч/(м2·день) ; 2 – плоский СК,переменная облачность, Эсолн = 4,7 кВт·ч/(м2·день) ; 3 – плоский СК,облачно, Эсолн = 3 кВт·ч/(м2·день) ; 4 – вакуумный СК, солнечно, Эсолн = 6,4 кВт·ч/(м2·день) ;5 - вакуумный СК, переменная облачность, Эсолн = 4,7 кВт·ч/(м2·день) ; 6 – вакуумный СК,облачно, Эсолн = 3 кВт·ч/(м2·день))Представленная зависимость иллюстрирует основные различия двух типов систем. Так у плоских коллекторов (кривые 1,2,3) большая энерговыработка при малойразности температур, однако по мере увеличения температуры в коллекторе, тепловые потери растут и, следовательно, снижается полезная отдача мощности.С другой стороны кривые вакуумных коллекторов (4, 5, 6) имеют более пологий вид,что позволяет судить о меньших теплопотерях при увеличении температуры.Таким образом, с учетом достоинств и недостатков обоих систем, для проектаотопления многоэтажного дома за счет солнечной энергии в Уральском регионе вкачестве основных элементов гелиосистемы были выбраны вакуумные солнечныеколлекторы с тепловыми трубками.1574.2.4.6.
Расчет оптимального угла наклона стационарной установки солчныхвакуумных коллекторов для условий Уральского регионаНа рис. 72 представлена теоретическая зависимость мощности солнечной радиации, не учитывающая облачность и являющаяся идеальной для данного месяца.Iянв, Вт/м2Рис. 72. Расчетная зависимость мощности потока солнечной радиациина горизонтальную поверхность от времени суток (для января месяца)Кривые на рис. 73 отражают сравнительные характеристики приходов солнечной радиации для 4-х времен года (для января, апреля, июля и октября соответственно). Кроме этого, на рис. 73 отчетливо наблюдаются различия в продолжительности солнечного дня за сутки.I, Вт/м2Рисунок 73. Расчетная зависимость мощности потока солнечной радиацииот времени суток (на горизонтальную поверхность)(1 – январь, 2- апрель, 3 – июль, 4 – октябрь)158Дальнейший расчет ведется с целью выявления наиболее оптимального угланаклона солнечных коллекторов к горизонтальной поверхности.
Выбор осуществляется из ряда углов: 1=300, 3=450, 4= 650,5=900.На графиках рисунка 74 представлено сравнение мощности потока солнечной радиации для 4-х значений углов. Наибольшее количество энергии в летнийпериод наблюдается для углов меньше широты местности (здесь 56о), тогда как длязимнего периода – для больших.Для гелиосистем, основной задачей которых служит отопление, наиболее целесообразными являются «зимние» углы (от 60 до 70). Например, для угла 65 о дляянваря наблюдается удельный приход мощности порядка 400 Вт/м 2, тогда как ваналогичное время для угла в 30 градусов IН = 180 Вт/м2. Дальнейшее увеличениеугла нецелесообразно, так как при угле в 90о IН = 415 Вт/м2 для января, но в летнийпериод существует значительный недобор энергии, поскольку солнечное излучение попадает на вертикальную поверхность лишь частично.IН, Вт/м2Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
