Розрахунок і проектування геліоколектора дачного будинку

Зміст

Вступ

1. Аналіз водорозбору та потужності геліоколектора

2. Розрахунок надходження сонячної енергії на поверхню сонячного колектора

3. Витрата теплоносія в першому та другому контурі та ККД установки

4. Розробка компоновки водонагрівальної установки

Висновки

Перелік посилань

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

б — кут висоти Сонця над горизонтом;

в — кут встановлення теплосприймаючої поверхні геліоколектора до горизонту;

д — кут схилення Сонця;

— поглинаюча здатність абсорбера;

зо — оптичний ККД сонячного колектора;

— пропускна здатність забруднення скла;

— пропускна здатність скла;

с — альбедо (коефіцієнт відбиття) поверхні Землі і довколишніх предметів;

ц — географічна широта місцевості, де повинен працювати сонячний колектор;

— часовий кут заходу Сонця для горизонтальної поверхні;

— часовий кут заходу Сонця для похилої поверхні геліоколектора;

F —загальна активна площа сонячного колектора;

Fакт — активна площа базового модуля;

B — ширина абсорбуючої пластини;

cтн — питома ізобарна теплоємність теплоносія;

E — середньомісячне денне надходження сумарної сонячної радіації;

Eк — середньомісячна денна кількість сонячної енергії, що надходить на похилу поверхню сонячного колектора;

Eк роб — робоча середньомісячна денна кількість сонячної енергії, що надходить на похилу поверхню сонячного колектора;

Eр — середньомісячне денне надходження розсіяної сонячної радіації;

g — масова витрата теплоносія;

i — порядковий номер місяця;

L — довжина абсорбуючої пластини;

N — необхідна кількість модулів;

n — порядковий номер від початку року середнього дня місяця;

nтр — кількість вакуумованих трубок в одному модулі;

Р — необхідна теплова потужність сонячного колектора;

Qд — наявна потужність геліоколектора;

R — коефіцієнт відношення середньомісячної денної кількості сонячної енергії, що надходить на горизонтальну поверхню та похилу поверхню сонячного колектора;

Rп — коефіцієнт перерахунку прямого сонячного випромінювання для поверхні похилого сонячного колектора;

Ттн вх — температура теплоносія на вході в колектор;

Ттн р — рівноважна температура теплоносія;

tн с — середня температура навколишнього середовища;

tтн ср — середня температура теплоносія у сонячному колекторі;

z — зенітний кут;

ВСТУП

Сонячна енергетика вивчає шляхи перетворення сонячної енергії на теплову та електричну, а також способи їх технічного втілення. Найактуальнішими є проблема зниження вартості електричної та теплової енергії, яка виробляється сонячними енергетичними станціями і установками, а також проблема підвищення надійності сонячних електрогенеруючих та водонагрівальних систем.

1. Аналіз водорозбору та потужності геліоколектора

Водорозбір за добу

Таблиця 1.1

Мал. 1.1 Графік водорозбору

Qi = Сmi (tгор-tхол); tгор=80; tхол=15;

C-питомна теплоємкість, C=4180 Дж/кг С

Визначення сумарної енергії.

.

Визначення потрібної потужності

;

де — часовой кут заходу Сонця для горизонтальної поверхні;

— широта місцевості;

— кут схилення Сонця.

Для літнього періоду:;: ;

Для осінньо-весняного періоду:;: ;

Визначення тривалості світлового дня

Враховуючи, що, маємо наступну тривалість світлового дня:

Для літнього періоду: годин;

Для осінньо-весняного періоду: годин.

Знайдемо тривалість світлового дня в годинах:

ч;

ч;

Визначення реальної потужності.

2. Розрахунок надходження сонячної енергії на поверхню сонячного колектора

Розрахунок надходження сонячної енергії на поверхню сонячного колектора має за мету визначити середньомісячну потужність сонячного випромінювання, віднесену до одиниці площі поверхні колектора. Щоб провести розрахунок необхідно знати:

— географічну широту місцевості ц;

— кут встановлення сприймаючої поверхні до горизонту в (приймається за рекомендаціями);

— кліматичні дані щодо середньостатистичної потужності сонячної радіації в даній місцевості (наводиться в довідковій літературі).

Розрахунок проводиться за методикою. За середньомісячне значення потужності сонячного випромінювання приймається її величина, розрахована для геометричних характеристик положення сонця для середнього дня місяця.

Кліматичні дані щодо середньомісячної потужності сонячної радіації

а визначаємо середньомісячне денне надходження сумарної та розсіяної сонячної радіації для даної широти місцевості (таблиця 4.1).

Таблиця 2.1 — Середньомісячне денне надходження сумарної та розсіяної сонячної радіації

Визначення схилення Сонця д (таблиця 4.2) для середнього дня кожного місяця за формулою [1]

°,

де i — порядковий номер місяця;

n — порядковий номер від початку року середнього дня місяця.

Таблиця 2.2 — Схилення Сонця для розрахункових днів року

Обчислення часового кута заходу Сонця для горизонтальної та похилої поверхонь для середнього дня кожного місяця:

де — розрахункова величина;

де в — кут встановлення колектора до горизонту; приймемо

в = ц + 13° = 48° + 13° = 61°.

Таблиця 2.3 — Часовий кут заходу Сонця

Обчислення середньомісячного коефіцієнта перерахунку прямого сонячного випромінювання для поверхні похилого сонячного колектора Rп та відношення середньомісячної денної кількості сонячної енергії, що надходить на горизонтальну поверхню та похилу поверхню сонячного колектора R (для проведення розрахунків усі величини необхідно підставляти до формул у розмірностях СІ):

де с — альбедо (коефіцієнт відбиття) поверхні Землі і довколишніх предметів, який зазвичай приймають рівним 0,7 коли є сніговий покрив і 0,2 — коли його немає.

Таблиця 2.4 — Коефіцієнти перерахунку сонячного випромінювання

Обчислення середньомісячної денної кількості сонячної енергії, що надходить на похилу поверхню сонячного колектора (малюнок 4.1 і таблиця 4.5):

.

Малюнок 2.1 — Діаграма надходження сонячної енергії на похилу поверхню колектора

Таблиця 2.5 — Надходження сонячної енергії на похилу поверхню колектора

Обчислення робочого значення середньомісячної денної кількості сонячної енергії:

.

Результати розрахунків наведено у таблиці 2.5.

3. Витрата теплоносія в першому та другому контурі та ККД установки

Витрата теплоносія в II контурі

Для визначення витрати теплоносія необхідно значення добового об`єма гарячої води і сумарний час водорозбору або водоспоживання

Середнє значення водо розбору

;

Уточнене значення водорозбору.

Де V-cуточный об`єм води, л; Ut — орієнтовний час водоспоживання (з 4.00 до 20.00), година

Загальний водорозбір.

Потужність для підігріву води.

Потужність геліоколектора

Витрати теплоносія

tвых=tгор+5…10 С

tвх=tхол+5…10 С

Визначення площі геліоколекторного простору.

9.28 м2

Усю площу сонячного колектора необхідно розбити на модулі. З погляду зручності експлуатації довжину трубки L можна взяти рівною 1,6 м, зовнішній діаметр D — 10 см. Тоді ширина абсорбуючої пластини становитиме приблизно 9,2 см. У одному модулі розміщено 14 вакуумованих трубок. (виберемо вакумний геліоколектор т.я. у нього найвищий ККД)

Таким чином, площа поглинаючої поверхні одного модуля становитиме

сонячний колектор геліоводопостачання

Fмод = 1,6•(0,092•14)=2,06 м².

Тоді необхідна кількість модулів прийнято N=5

Тоді загальна площа сонячних колекторів складатиме 10,3 м²

Матеріали, що використовуються в основних конструктивних елементах:

— прозорі трубки — боросилікатне скло високої якості;

— абсорбуючі пластини — мідні із селективним покриттям чорним нікелем;

— канали для руху теплоносія — мідь;

— ущільнення на кінцях вакуумованих трубок — ущільнювальна ґума;

— корпус — алюміній.

Теплоносій — етиленгліколь (50%), який має такі властивості [1]:

— питома теплоємність Ср=3 300 Дж/(кг· К);

— температура кипіння Ткип=110°С;

— температура замерзання Тзам= -36°С.

Потужність і ККД модуля за стандартних умов.

За інсоляції Eк ст=1000 і зовнішньої температури tн с ст=20°С при температурі на виході колектора tтн вих=100°С потужність одного модуля становитиме

Q = Aакт •(зо•Eк ст — Кт втр•(tтн ср — tн с ст))=

== 1700 (Вт),

що еквівалентно 18,2 л/год нагрітої від 20°С до 100°С води.

ККД становитиме

ККД= Q / (Aакт •Eк ст)= 1700 / (2,06•1000)=82,5%.

4. Розробка компоновки водонагрівальної установки

Установка складається із таких блоків:

а) сонячні теплові колектори — 5 шт;

б) теплообмінник з циркуляційним насосом і розширювальним баком;

в) акумулятор теплоти;

г) електричний тен 2 кВт;

д) бак-накопичувач;

е) блоки системи автоматичного регулювання та контролю.

Розробка фунціональної схеми геліоводопостачання

Виберемо двуконтурну схему водонагріваючих установок тому, що в холодному кліматі доцільно її використовувати.

У першому контурі, що складається з сонячного колектора і теплообмінника з циркуляційним насосом і розширювальним баком, використовується незамерзаючий теплоносій — антифриз. Другий контур утворюють бак-акумулятор, теплообмінник і електричний або газовий нагрівач. Холодна вода підводиться в нижню частину бака-акумулятора, а вода, нагріта в теплообміннику, надходить у верхню частину бака, а звідти через автоматичний клапан і нагрівач подається до споживачів. Все устаткування, окрім сонячного колектора, що встановлюється ззовні, розміщується в будівлі, тому подібні системи можуть експлуатуватися і в холодну пору року. Електронагрівач призначений для доведення температури гарячої води, заздалегідь нагрітої за рахунок сонячної енергії, до необхідного значення. За відсутності сонячної радіації або недостатньому її надходженні все теплове навантаження гарячого водопостачання забезпечується електронагрівачом.

На мал. 4.1 показана функціональна схема сонячної установки гарячого водопостачання з необхідною арматурою і вимірювальними приладами. Для видалення повітря у верхній крапці встановлений воздушник В, з нижніх крапок передбачений злив рідини через дренажні вентилі Д, на лінії гарячої води встановлений запобіжний клапан П, на лінії повернення теплоносія в СТК є замочні вентилі ЗВ (до і після насоса Н), розширювальний бак РБ і зворотний клапан ОК, на лінії подачі водопровідної води встановлюються регулятор тиску РД, замочний вентиль ЗВ, зворотний ОК і запобіжний П клапани. Включення і виключення насоса відбувається автоматично по різниці температур в СТК і баке-акккумуляторі. На схемі також показані система автоматичного управління (САУ), вимірювальні прилади — манометр М і термометри Т, лінії холодної (ХВ) та гарячої води (ГВ).

Мал. 4.1. Функціональна схема геліоводопостачання

Для досягнення високої ефективності всієї геліосистеми гарячого водопостачання слід уникати зсуву гарячіше і холодній рідині в баку-акумуляторі, для чого в нім необхідно підтримувати температурне розшарування (стратифікацію) рідини. Гаряча рідина має меншу щільність, чим холодна, і тому вона знаходиться у верхній частині бака, а температура в нім зменшується зверху вниз. Рідина подається в сонячний колектор з нижньої частини бака, де вона має найбільш низьку температуру, і завдяки цьому забезпечується вищий ККД колектора. Нагріта рідина з колектора спрямовується у верхню зону бака. Для забезпечення температурної стратифікації рідини в баку можна, зокрема, використовувати перфоровані горизонтальні перегородки, що розділяють бак на дві або декілька зон і що запобігають перемішуванню шарів рідини з різними температурами. Відводити гарячу воду до споживача необхідно з верхньої частини бака, а після нього встановлюється додатковий нагрівач, який забезпечуватиме необхідну температуру гарячої води за будь-яких погодних умов.

З економічних міркувань, за рахунок сонячної енергії доцільно покривати до 80% навантаження гарячого водопостачання, тому необхідно використовувати разом з СТК також додаткове джерело енергії (ДДЕ). Існують різні схеми підведення енергії від ДДЕ: 1) безпосередньо у бак-акумулятор; 2) до гарячої води на виході з бака-акумулятора; 3) до холодної води на байпасній лінії. Як ДДЕ може використовуватися електронагрівач. Циркуляція теплоносія в контурі СТК здійснюється насосом. Зміна ефективності системи залежно від вживаного способу підведення додаткової енергії пов’язана з середнім рівнем температури води в колекторі. При підводі додаткової енергії безпосередньо в бак-акумулятор підвищується середня температура теплоносія в колекторі, а отже, знижується його ККД і в результаті збільшується споживання додаткової енергії. Це означає, що сонячна енергія використовується недостатньо ефективно. Якнайкраще сонячна енергія використовується при послідовній схемі підключення дублюючого джерела енергії. В цьому випадку вода заздалегідь підігрівається за рахунок сонячної енергії, тому середній рівень температури теплоносія в колекторі нижчий, а ККД колектора високі.

Можна визначити наступні вимоги щодо схемного вирішення комбінованих сонячних установок гарячого водопостачання. По-перше, необхідно забезпечувати уловлювання максимально можливої кількості сонячної енергії, що досягається зниженням середнього рівня температури теплоносія в колекторі і використанням ефективного колектора. По-друге, слід виходити з того, що сонячна енергія повинна використовуватися для попереднього підігрівання теплоносія, тоді як додаткове джерело енергії (паливо або електроенергія) — для доведення теплоносія до необхідної температури. При такому підході забезпечується максимальна економія пального завдяки найбільш ефективному використанню сонячної енергії. По-третє, необхідно уникати змішення середовищ із різними рівнями температури в акумуляторі теплоти, зокрема, з цієї точки зору не рекомендується розміщувати електронагрівач в нижній частині бака-акумулятора або здійснювати підведення теплоти від дублера безпосередньо в бак-акумулятор геліоустановки.

ВИСНОВКИ

Результати, отримані у даній роботі, є прийнятними, відповідними сучасним можливостям вироблення теплової енергії вакуумованими геліоколекторами. Отримані дані можуть бути уточнені подальшими розрахунками, якщо того потребуватиме дослідження установки.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1 Харченко Н. В. Индивидуальные солнечные установки. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 208 с.

2 Бекман У. и др. Расчёт систем солнечного теплоснабжения: Пер. с англ. / У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 80 с.

3 Сиворакша В. Ю., Марков В. П., Петров Б.Є. та ін. Теплові розрахунки геліосистем. Моногр. — Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2003. — 132 с.