Диссертация (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 9

Результаты сравнения показали, что данные NASA имеют погрешность неболее чем на 15 %, что вполне приемлемо для инженерных расчетовэффективности использования солнечных установок. Если произвести поправкуна 15 %, то значение солнечной активности станет равным 4,24 кВт∙час/м2∙день ипопадает в диапазон от 4 до 4,5 кВт∙час/м2∙день.

Среднемесячные значениясолнечной энергии, падающей на оптимально ориентированную поверхность, сучетом поправочного коэффициента для каждого месяца представлены в таблице2.2:Таблица 2.2 - Данные NASA с учетом поправкиСреднемесячные значения солнечной энергии, падающей на оптимально ориентированнуюповерхность, кВт∙час/м2∙деньЯнв.Февр.МартАпр.МайИюньИюльАвг.Сен.Окт.Ноя.Дек.Ср.знач.2,483,945,496,266,175,404,704,314,143,402,582,024,24В Гонконгской обсерватории [77] собраны климатические данные городоввсего мира за 30-ти летний период (1961-1990 г.г.). Данные по Иркутскупредставлены в таблице 2.3:Таблица 2.3 - Климатические данные по Иркутску по данным ГонконгскойобсерваторииЯнв.

Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сен. Окт. Ноя. Дек.Средняя темпер.воздуха, oCУровень осадков,ммКол-во пасм. днейСр. прод. солн.сияния, час-18,8-16,7-7,41,49,315,017,515,18,70,9-8,4-16,012,08,512,818,932,961,9120,1 82,650,229,918,319,14,32,63,14,56,68,111,19,57,75,65,65,33,05,06,77,48,68,87,87,06,14,93,12,050 Зная количество пасмурных дней и среднюю продолжительность световогодня можно определить суммарные месячные и часовые показатели солнечнойактивности для каждого месяца.

От общего количества дней в месяце нужноотнять количество пасмурных дней, предположив, что в эти дни солнечнаяактивность либо очень мала, либо отсутствует вовсе. Рассеянное излучение вданном случае не играет роли, т.к. его можно использовать в основном прифотоэлектрическом преобразовании. Для осуществления термодинамическогопреобразования рассеянного солнечного излучения не достаточно. Расчеты будутпроведены для оптимально ориентированной поверхности и сведены в таблицу2.4:Таблица 2.4 - Расчетные данные по солнечной активности г.ИркутскаЯнв.Февр.МартАпр.МайИюнь ИюльАвг.Сен.Окт.

Ноя.Дек.Год31365Продолжительность месяца, день3128313031303131303130Среднемесячные значения солнечной энергии, падающей на оптимально ориентированнуюповерхность, кВт∙час/м2∙день2,483,945,496,266,175,44,74,314,143,42,582,024,245,65,65,374,04,93,125,9Среднее за 30 лет количество пасмурных дней4,32,63,14,56,68,111,19,57,7Средняя продолжительность солнечного дня, час356,77,48,68,87,876,1Суммарное значение солнечной энергии за месяц, кВт∙час/м266,22100,08 153,17 159,63150,55 118,2693,5392,67 92,32 86,36 62,95 51,91 1233,8Среднесуточное значение солнечной энергии, кВт∙час/м20,830,790,820,850,720,610,600,620,680,690,831,010,72Зная величину отклонения минимального и максимального значениясолнечной активности можно определить максимальное и минимальное значение51 среднемесячного значения солнечной энергии, падающей на оптимальноориентированную поверхность.

Расчеты будут сведены в таблицу 2.5:Таблица 2.5 - Анализ среднемесячной солнечной активностиЯнв.Февр. МартАпр.МайИюнь ИюльАвг.Сен.Окт. Ноя. Дек.ГодСреднемесячные значения солнечной энергии, падающей на оптимально ориентированнуюповерхность, кВт∙час/м2∙день2,483,945,496,266,175,44,74,314,143,42,582,024,24Величина отклонения минимального и максимального значения солнечной активности,падающей на оптимально ориентированную поверхность, от среднемесячного значения, %Минимальное значение-35-22-22-12-20-21-25-35-34-38-40-53-304241304430Максимальное значение3322181022374520Максимальное значение среднемесячной солнечной энергии, падающей на оптимальноориентированную поверхность, кВт∙час/м2∙день3,304,816,486,897,537,406,825,175,884,793,352,915,51Минимальное значение среднемесячной солнечной энергии, падающей на оптимальноориентированную поверхность, кВт∙час/м2∙день1,613,074,285,514,944,273,532,802,732,111,550,952,971,811,962,54Разница между максимальным и минимальным значением1,691,732,201,382,593,133,292,373,152,69Данные из таблицы 2.5 представим в виде диаграммы (Рисунок 2.1).Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что солнечнаяэнергия, падающая на оптимально ориентированную поверхность, достигаетнаибольшего значения в мае (7,53 кВт∙час/м2∙день) и июне (7,40 кВт∙час/м2∙день).Наименьшее значение зафиксировано в декабре (0,95 кВт∙час/м2∙день).

Однако,если проанализировать среднемесячные показатели солнечной активности, то52 можно увидеть, что наивысшего значения она достигает в апреле (6,26кВт∙час/м2∙день) и мае (6,17 кВт∙час/м2∙день).8,007,006,005,004,003,00Макс. значениеСред. значениеМин. значение2,001,000,00Рисунок 2.1 - Среднемесячные значения солнечной энергии, падающей наоптимально ориентированную поверхность, кВт∙час/м2∙деньПроанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что солнечнаяэнергия, падающая на оптимально ориентированную поверхность, достигаетнаибольшего значения в мае (7,53 кВт∙час/м2∙день) и июне (7,40 кВт∙час/м2∙день).Наименьшее значение зафиксировано в декабре (0,95 кВт∙час/м2∙день).

Однако,если проанализировать среднемесячные показатели солнечной активности, томожно увидеть, что наивысшего значения она достигает в апреле (6,26кВт∙час/м2∙день) и мае (6,17 кВт∙час/м2∙день).Если обратить внимание на данные, представленные на диаграммесреднечасового значения солнечной энергии (Рисунок 2.2), построенной наоснове данных из таблицы 2.4, то можно увидеть, что наибольшее среднечасовоезначение наблюдается в декабре (1,01 кВт∙час/м2). Однако среднемесячноезначение солнечной радиации в декабре ниже, чем во все остальные месяцы (2,0253 кВт∙час/м2∙день). Это обусловлено тем, что в декабре самый короткий световойдень (2 часа).1,201,000,800,600,400,200,00Янв.

Февр. Март Апр.Май Июнь Июль Авг.Сен.Окт.Ноя.Дек.Рисунок 2.2 - Среднесуточные значения солнечной энергии, падающей наоптимально ориентированную поверхность, кВт∙час/м2На рисунке 2.3 представлена диаграмма суммарной солнечной энергии,падающей на оптимально ориентированную поверхность, за каждый месяц.180,00160,00140,00120,00100,0080,0060,0040,0020,000,00Янв. Февр. Март Апр.Май Июнь Июль Авг.Сен.Окт.Ноя.Дек.Рисунок 2.3 - Среднее суммарное значение солнечной энергии, падающей наоптимально ориентированную поверхность за месяц, кВт∙час/м254 По рисунку 2.3 заметно, что больше всего полезной солнечной энергииможно получить в период с марта по май. При этом самое максимальноесреднесуточное значение наблюдается в зимнее время, а самое максимальноезначение солнечной активности было зафиксировано в мае, июне и июле.

Такаянестабильность показателей возникает по ряду нижеприведенных причин.Как видно из таблицы 2.2, в зимнее время наблюдалась самая низкаяоблачность за 22 года (62,7-69,2 %), поэтому в это время среднесуточное значениесолнечной активности достигало самых высоких показателей в году. Однаковвиду того, что зимой самая низкая продолжительность солнечного дня,среднемесячное и среднее суммарное значение за месяц в этот периодминимальны.В период с марта по май зафиксировано самое большое среднее суммарноезначение за месяц, а именно в апреле (159,63 кВт∙час/м2).

В апреле такжезафиксировано самое большое среднемесячное значение солнечной радиации(6,26кВт∙час/м2∙день),активностизагододнакосамоенаблюдалосьвмаксимальноемае(7,53значениесолнечнойкВт∙час/м2∙день).Такуюнестабильность месячных показателей можно объяснить тем, что в мае числопасмурных дней и процент облачности выше, чем в апреле.Вывод:ВИркутскойобластиэффективнеевсегоиспользоватьгелиоустановки в период с марта по октябрь. Наибольшего эффекта отиспользования энергии солнца можно достичь в период с марта по май.

Именно вэтот период положение солнца и угол падения солнечных лучей на нормальноориентированную поверхность наиболее оптимальны для Иркутской области. Впериод с ноября по февраль использовать солнечную энергию малоэффективноввиду того, что в этот период продолжительность светового дня очень мала [78].Полученные расширенные исходные данные будут использованы во всехдальнейших расчетах.55 2.2 Влияние полного коэффициента теплопроводности плоского солнечногоколлектора на его эффективностьВ главе 1 были описаны различные способы повышения эффективностиплоских гелиоустановок. Одним из основных способов является уменьшениеполного коэффициента теплопроводности солнечного коллектора.Как упоминалось в разделе 1.4, величина полного коэффициентатеплопроводностиплоскогоколлекторазависитоттолщиныеготеплоизоляционного слоя и количества светопрозрачных слоев.

Чем большетолщина теплоизоляции и количества стеклянных покрытий, тем ниже значениеполного коэффициента теплопроводности.Воспользовавшись выражением 1.27 и найдя значение QU, можно ввестикоэффициент преобразования тепловой энергии (COP - Coefficient of performance)плоского солнечного коллектора. Данный коэффициент позволит нагляднопродемонстрировать влияние конструктивных особенностей плоского солнечногоколлектора на его эффективность.

Выразим COP через формулу (2.1):COP = QU/(A∙Eg∙ηопт )(2.1)Если увеличить толщину теплоизоляционного слоя и при этом не изменятьколичество светопрозрачных слоев, то полный коэффициент тепловых потерь ULувеличится, а следовательно увеличится и COP коллектора. Зависимость COP отUL при неизменном количестве светопрозрачных слоев наглядно показана нарисунке 2.4.При увеличении количества светопрозрачных покрытий уменьшаетсякоэффициент тепловых потерь солнечного коллектора. Однако, как ужеупоминалось в разделе 1.4, увеличение количества стеклянных покрытийуменьшит светопрозрачность коллектора.

Это приводит к снижению ηопт., что всвою очередь негативно влияет на общий КПД коллектора. Поэтому необходимоопределитьоптимальноеколичествосветопрозрачныхмаксимально снизит значение UL и минимально снизит ηопт..слоев,которое56 78Величина COP, %777776767575747401234567Полный коэффициент тепловых потерь, Вт/8(м2910∙град.)Рисунок 2.4 - Зависимость COP солнечного коллектора от полного коэффициентатепловых потерь при неизменном количестве светопрозрачных слоевНа рисунке 2.5 представлена зависимость величины UL от количествасветопрозрачныхоптическогопокрытий.КПДНаплоскогорисункесолнечного2.6представленаколлектораотзависимостьколичестваПолный коэффициент тепловыхпотерь, Вт/ м2 ∙град.светопрозрачных покрытий.76543210123Количество светопрозрачных покрытий, шт.4Рисунок 2.5 - Влияние количества светопрозрачных покрытий полныйкоэффициент тепловых потерь57 Величина оптического КПД,%1009080706050403020100012345Количество светопрозрачных покрытий, штРисунок 2.6 - Зависимость оптического КПД плоского солнечного коллектора отколичества светопрозрачных покрытийВлияние оптического КПД и полного коэффициента тепловых потерьКПД солнечного коллектора, %солнечного коллектора на его полный КПД η представлена на рисунке 2.7.10090807060Оптический КПД63 %5040Оптический КПД70 %30Оптический КПД79 %2010Оптический КПД89 %001234567Полный коэффициент тепловых потерь, Вт/ м2 ∙град.Рисунок 2.7 - Зависимость КПД плоского солнечного коллектора от егооптического КПД и полного коэффициента тепловых потерь58 Из рисунка 2.7 видно, что КПД солнечного коллектора уменьшается сувеличением UL, а также с уменьшением ηопт..Вывод: Конструктивные особенности плоского солнечного коллекторавлияют на его эффективность и КПД.