Диссертация (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 8

Такое техническое решение можнореализовать при помощи стеклопакета, но это приведет к значительномуудорожанию и увеличению веса устройства.Теплопотери в окружающую среду можно уменьшить, не внося изменения вконструкцию плоского солнечного коллектора. Для этого нужно обратиться кформуле (1.25). Если увеличить расход теплоносителя через трубный узелколлектора, то перепад температур на входе в коллектор и на выходе из негоуменьшится.

В свою очередь это приводит к уменьшению общей температурыколлектора, а, следовательно, и к уменьшению теплопотерь в окружающую среду.С учетом формулы (1.27) можно сделать вывод, что полезная энергия коллекторапри этом увеличится.При разработке плоских гелиоколлекторов стараются добиться того, чтобысоотношение полезная площадь/общая площадь коллектора была как можно44  меньше. Это позволяет поглотить максимальное количество солнечной энергии,падающей на имеющуюся общую площадь устройства.Влияние пыли на работу солнечного коллектора трудно обобщить. Всоответствии с данными А.

Дитца [70], при углах наклона 0 — 50° влияниезагрязнения может достигать 5 %. Длительные исследования коллекторов,проведенные Г.Ц. Хоттелем и Б.Б. Вёрцем [59] в районе Бостона, показали, чтозагрязнение стекла ухудшает характеристики коллектора примерно на 1 %. Спомощью исследований, проведенных в Индии в течение 30 засушливых дней, Г.Гарг [71] установил, что при угле наклона 45° пыль снижает пропускнуюспособность стекла в среднем на 8 %. При проектировании без предварительныхиспытанийвлияниепылирекомендуетсяучитыватьпутемуменьшенияизлучения, поглощаемого пластиной, в (1—d) раз, где d равно 0,02.

В связи с этимвозникает необходимость периодической очистки светопрускающего слоя, как отпыли, так и от снега.Такие природные явления как перемена погоды и климата, восход и закатсолнца, чередование дня и ночи, ветер и сезонное изменение угла падениясолнечных лучей оказывают значительное влияние на эффективность коллектора.Данные факторы невозможно контролировать, однако можно снизить ихвоздействие. Этого можно добиться несколькими способами.

Во-первых,эффективность солнечного коллектора можно повысить, изменяя угол егонаклона. Это позволит подстроиться под сезонное изменение угла падениясолнечных лучей и добиться того, чтобы они всегда падали на поверхностьколлектора под углом 90о, что в свою очередь обеспечит эффективную работугелиоустановки.

В летнее время необходимо увеличить угол наклона, а в зимнее,соответственно - уменьшить. Однако для изменения этого угла необходимыдополнительные финансовые и трудовые ресурсы и не всегда имеетсявозможность осуществлять данный процесс (например, если плоский коллекторприкреплен крыше без регулируемой рамы). Поэтому в качестве оптимальногоугла наклона солнечных коллекторов рекомендуется принимать значение, равноегеографической широте места установки устройства. В таком случае не нужно45  будет регулировать наклон гелиоустановки, хотя её эффективность при этом ибудет несколько ниже.

Также на солнечные коллекторы можно установитьсистему слежения за положением солнца [72], которая будет поворачиватьустановку вслед за ним, что позволит повысить дневную выработку коллектора. Восновном такие системы применяются на фотоэлектрических установках [73],однако их можно адаптировать и для солнечных коллекторов, например,применив гибкие трубы для подвода и отвода теплоносителя. Но при этом стоитпонимать, что, во-первых, данную систему можно реализовать только в томслучае, если гелиоустановки установлены на открытой местности, а во-вторых,она требует немалых финансовых затрат. Поэтому солнечные коллекторы безсистемы слежения за солнцем, как правило, ориентируют на юг.

Это позволитполучить большую производительность устройства при минимальных затратах.Выводы по главе 1Самым дешевым и простым типом солнечных коллекторов являетсяплоский солнечный коллектор. При этом, имея ряд недостатков, они являютсявесьма наукоёмким объектом исследования. Применив уже известные методыповышения эффективности плоских жидкостных солнечных коллекторов, а такжепроведяновыеисследованияпроцессовтепломассопереносавданныхгелиоустановках, благодаря приведенным в данной главе формулам, можноположить основу для разработки нового типа коллектора [74], который будетиметь высокую эффективность в климатических зонах, близких к условиямКрайнего Севера, в частности в Восточной Сибири.46 Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В СИСТЕМАХТВЕРДОЕ ТЕЛО-ТВЕРДОЕ ТЕЛО И ТВЕРДОЕ ТЕЛО-ЖИДКОСТЬВПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ2.1 Исследование потенциала солнечной энергетики в Восточной СибириСогласно книге Магомедова А.М.

«Нетрадиционные возобновляемыеисточники энергии» [75] количество лучистой энергии Солнца во всем диапазонедлинволн,получаемойвединицувремениединичнойплощадкой,перпендикулярной солнечным лучам, вне земной атмосферы на расстоянии однойастрономической единицы от Солнца, называется солнечной постоянной.Значение солнечной постоянной, полученное в результате прямых измерений скосмических аппаратов и рекомендованное NASA в качестве стандартной:1о= 1353 Вт/м2± 1,5%При этом, в результате прохождения через атмосферу Земли, частьизлучения солнца отражается, и в итоге земной поверхности достигает около 80 %от значения солнечной постоянной.

Количество солнечной энергии, достигающейповерхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время –менее чем на 0,8 кВт∙ч/м² в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт∙ч /м² вдень в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мереприближения к экватору. Количество солнечной энергии зависит и отгеографического положения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше.Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее нагоризонтальную поверхность, приблизительно составляет: в Центральной Европе,Средней Азии и Канаде 1000 кВт∙ч/м²; в Средиземноморье 1700 кВт∙ч /м²; вбольшинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии 2200кВт∙ч/м².Такимобразом,количествосолнечнойрадиациисущественноразличается в зависимости от времени года и географического положения.По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциалсолнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд.

тонн условного47 топлива, экономический потенциал – 12,5 млн. т.у.т. Потенциал солнечнойэнергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышаетэнергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране. Ввидурасположения России (между 41 и 82 градусами северной широты) уровеньсолнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт∙час/м2 в год вотдаленных северных районах до 1400 кВт∙час/м2 в год в южных районах. Науровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания:на широте 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт∙час/м2, ав июле – 11,41 кВт∙час/м2 в день.Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (СеверныйКавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на ДальнемВостоке.Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечнойэнергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарскийкрай, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на югозападе, Алтай, Приморье, Иркутская область, Читинская область, Бурятия идругие регионы на юго-востоке.

Причем некоторые районы Западной иВосточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиацииюжных регионов. Если обратиться к приложению 1 данной диссертационнойработы [14], то можно увидеть, что в Иркутске (52 градуса северной широты)среднегодовой уровень солнечной радиации достигает значения от 4 до 4,5кВт∙час/м2∙день. Однако в [14] не содержится информации о средних значенияхсолнечной энергии в каждом месяце, которая необходима для дальнейшихрасчетов.

Для этого воспользуемся данными Национального управления повоздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA).В базе данных NASA [76] хранится информация по солнечной активностилюбой точки мира за 22 года (июль 1983 – июнь 2005). Для получения данных поИркутску необходимо ввести его географические координаты в специальномразделе на сайте NASA [76] и база данных выдаст всю необходимуюинформацию. В таблице 2.1 будут приведены полученные данные по48 среднемесячным значениям солнечной энергии, падающей на нормальноориентированную поверхность, расположенную в г.

Иркутске.Таблица 2.1 - Данные NASA по Иркутску за 22 годаЯнв.Февр.МартАпр.МайИюньИюльАвг.Сен.Окт.Ноя.Дек.Ср.знач.Среднемесячная солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность,кВт∙час/м2/день1,152,203,734,835,555,495,004,263,282,151,300,883,32Величина отклонения минимального и максимального значения солнечной активности,падающей на горизонтальную поверхность, от среднемесячного значения, %Минимальное значение-10-9-10-7-11-12-13-17-13-13-14-16-1219156912Максимальное значение98761319219Среднемесячные значения солнечной энергии, падающей на оптимально ориентированнуюповерхность, кВт∙час/м2∙день2,163,434,785,445,374,704,093,753,602,962,241,763,69Величина отклонения минимального и максимального значения солнечной активности,падающей на оптимально ориентированную поверхность, от среднемесячного значения, %Минимальное значение-35-22-22-12-20-21-25-35-34-38-40-53-30424130443070,669,269,268,6Максимальное значение3322181022374520Среднемесячный уровень облачности, %62,762,764,074,273,571,569,268,167,5Если обратить внимание на среднегодовое значение солнечной активности,падающей на оптимально ориентированную поверхность из таблицы 2.1, томожно заметить, что значение 3,69 кВт∙час/м2∙день не попадает в диапазон от 4 до4,5 кВт∙час/м2∙день, указанный в атласе ресурсов солнечной энергии натерритории России.

Согласно [14], это обусловлено тем, что агентство NASA присоставлении своей климатологической базы данных пользовалась обширнымколичеством собственных метеостанций, среди которых всего 6 российских. Это49 вызывает необходимость верификации данных NASA, по данным метеостанцийРоссии. Вышеупомянутый атлас ресурсов солнечной энергии [14] был составленпо данным 50 метеостанций России. При этом авторами атласа было проведеносравнение полученных ими данных с отечественных станций с показаниямиNASA.