Исследование теплотехнических характеристик солнечного коллектора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

по курсу «Возобновляемые источники энергии»



Лабораторная работа № 1 Исследование теплотехнических характеристик солнечного коллектора

Цель работы:

1. Ознакомление студентов с существующими методами преобразования солнечной энергии в тепловую.

2. Изучение устройства и принципа работы солнечных коллекторов.

3. Изучение методики расчёта мощности водонагревательных установок.

Назначение работы

Настоящая лабораторная работа ставит своей целью углубить знания по механизму процесса термодинамического преобразования солнечной энергии в солнечных коллекторах.

Теоретические основы.

Солнечный коллектор - установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий - люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Солнечный коллектор - наиболее известное приспособление, непосредственно использующее энергию Солнца, они были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них - плоский коллектор - был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.

Типы солнечных коллекторов

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Рис. 1 Внешний вид с разрезом плоского коллектора

Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор

В каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Вакуумированное пространство позволяет практически полностью устранить теплопотери. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя. К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120-160°С.

Рис. 2 Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор

Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой

Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними - вакуум, который представляет собой отличную теплоизоляцию. Благодаря ему потери на излучение, особенно заметные при повышенных температурах нагреваемой воды, очень низкие. В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа "труба в трубе". Соединение относится к так называемому "сухому" типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением. Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30°С (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45°С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).

Рис. 3 Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой.

Принцип действия плоского солнечного коллектора

Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования. Также в емкостном водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она догревала воду до заданной температуры.

Принцип действия прямоточного вакуумированного солнечного коллектора

Солнечная радиация проходит сквозь вакуумированную стеклянную трубку, попадает на поглотитель и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообменнику. Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком так называемым "коллектором" - системой из 2 медных труб. По одной из них нагретая вода передается в бак-накопитель, по другой - холодная вода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные трубки.

Принцип действия вакуумированного солнечного коллектора с тепловой трубкой

Это более сложный и более дорогой тип коллектора. Тепловая трубка - это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией.

Рис. 4 Устройство прямоточного вакуумированного трубчатого солнечного коллектора

Вакуумные коллекторы имеет наилучший теплоизолятор - вакуум.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Опыт эксплуатации коллекторов при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м2).

Общие потери тепла в коллекторе минимальны, так как в вакууме не происходит потерь на теплопроводность и конвекцию. Поэтому КПД вакуумного коллектора сохраняется стабильно высоким даже при неблагоприятных погодных условиях.

Передача тепла происходит через медную "гильзу" приемника, благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура теплообменника.

Расчёт теплового потока от приёмника солнечного излучения к теплоносителю.

Поток лучистой энергии, поглощаемой поверхностью приёмника составляет:

Р = G (1)

Где G - облучённость приёмника, т.е. плотность потока солнечной радиации на единицу площади; - площадь освещённой поверхности; - коэффициент поглощения приёмной поверхности; - коэффициент пропускания прозрачного покрытия, защищающего приёмную поверхность от ветра.

В процессе поглощения температура приёмной поверхности повышается. Повышение температуры приёмника над температурой окружающей среды приводит к возникновению потока тепла от приёмника,

( - )/ (2)

где - термическое сопротивление.

Суммарный поток тепла, поступающего к приёмной площадке, определяется балансом

= G - [( - )/ ] = G, (3)

Где -коэффиент захвата излучения (< 1).

Коэффициент теплопередачи определяет долю суммарного потока , передаваемую жидкости. В приёмниках хорошего качества разность между температурами приёмной площадки и жидкости мала и коэффициент теплопередачи лишь немного меньше единицы. Таким образом, поток тепла от приёмника солнечного излучения к теплоносителю определяется соотношением

= (4)

при нагревании статической массы жидкости m

= mcd; (5)

с - теплоёмкость жидкости;

при нагревании жидкости, массовый расход которой через приёмник

= c ( ) (6)

В последнем случае - температура входящей в приёмник жидкости, - температура выходящей из приёмника жидкости.

Эти соотношения чаще всего используют для определения теплового потока при заданной плотности потока излучения G.

Рис. 5 Схема нагрева жидкости в коллекторе солнечным излучением

Параметры A, ф, б приёмника, как правило, известны. , к/ Вт рассчитывается следующим образом.

Количество тепла Р, переносимого в результате теплопроводности через пластину толщиной ?х и площадью А при разности температур её поверхности ?Т, равно

Р = -л А ?Т/?х. (7)

Здесь л- коэффициент теплопроводности, Вт/м К, знак минус означает, что тепло переносится в направлении убывания температуры по толщине пластины. Сравнивая (7) с (2), получаем выражение для термического сопротивления

солнечный энергия коллектор тепловой

= (8)

Методика определения валового, технического и экономического потенциала тепловой энергии от солнечного излучения

В зависимости от объема и характера информации расчет валового потенциала солнечной энергии проводится по двум следующим вариантам.

Если имеются метеоданные по среднемноголетнему приходу солнечной энергии в каждый месяц года Еi=Eni+Eдi, то расчет производится по формулам:

(9)

где суммирование производится по всем месяцам в году. Валовый потенциал зоны равен:

(10)

Расчет технического потенциала тепловой энергии производится по формуле:

(11)

где суммирование производится по всем месяцам в году; технический потенциал i-го месяца

(12)

где (?-д)- угол наклона коллектора к Земле максимальная необходимая площадь коллекторов равна kT qS соs (?-д)); tci ч/мес., -- время работы коллекторов (число солнечных часов в месяце).

Фиксируются исходные данные: kT; q; температура горячей воды T= 60 °С; значения параметров солнечных тепловых коллекторов, характеризующие современный технический уровень:

F( фб)=0.9; FUL = 0.005 кВт/(м ? °С); (13)

экспериментально определенные среднемесячные температуры Тoi, для i= 1, 2,..., 12; угол д и время работы коллекторов tci,

Рассчитываются потенциалы WTTi для i= 1, 2,..., 12 с использованием значений Еi, полученных по метеоданных.

Суммированием по всем месяцам определяется потенциал WTT.

Экономический потенциал тепловой энергии от солнечного излучения в регионе Wэт, кВт?ч/ год, представляет энергию, которая может быть выработана в год соответствующими солнечными энергетическими установками при условии, что их экономический эффект положителен.

Расчет экономического потенциала тепловой энергии производится по формуле:

(14)

Экономический потенциал i-го месяца определяется выражениями:

- (15)

где объем выработки энергии единицей площади теплового коллектора в i-й месяц;

- среднемноголетний приход солнечной энергии на единицу поверхность, наклоненную под углом в к горизонту и ориентированную на юг в i-й месяц, tci, ч/мес. - эмпирическая продолжительность солнечного сияния для данной местности в течение i-го месяца (время работы коллектора).

- экономически целесообразная установленная площадь тепловых коллекторов.

(16)

где - общая потребность тепловой энергии.

- Размещено на http://www.allbest.ru/

экспериментально определенные среднемесячные температуры.

Т- температура горячей воды.

Экономическая эффективность систем солнечного теплоснабжения.

Оптимальные значения параметров систем солнечного теплоснабжения и области их использования в большой степени зависят от капитальных вложений в эти системы, которые складываются из стоимостей отдельных элементов. В гелиоустановках нестандартным элементом является только солнечный коллектор, на долю которого по различным оценкам может приходиться до 60 % стоимости всей установки. Поэтому экономическая эффективность использования солнечной энергии в системах теплоснабжения во многом определяется стоимостью солнечного коллектора, которая зависит от масштаба выпуска, материалов, используемых при изготовлении, конструктивных особенностей и области использования.

Для изготовления солнечных коллекторов применяются такие материалы, как сталь, алюминий, пластмассы, различные виды изоляции. Каждый из этих материалов обладает пределенными преимуществами и недостатками.

В последнее время для изготовления коллекторов все большее применение находят полимерные материалы (стеклопластики, полиакрилаты, поливинилхлориды, полиамиды и т. д.), которые легче и дешевле металлов, более устойчивы к коррозии, не подвержены разрушению при замерзании, дают большие возможности при конструировании. Эти материалы обладают достаточной устойчивостью к тепловым и атмосферным воздействиям и долговечностью (срок службы до 15 лет). Ведутся также исследования по использованию экструдированной резины и облегченных бетонов.

В условиях экспериментального производства удельная стоимость коллектора может меняться в широких пределах до 100--300 руб/м2. В этом случае при оценке сравнительной экономической эффективности гелиоустановки и традиционного источника теплоты нарушается сопоставимость вариантов по условиям производства оборудования. Поэтому представляет интерес оценка возможной удельной стоимости солнечного коллектора при серийном производстве на основе существующей технологии изготовления аналогичного оборудования (стальных отопительных радиаторов, пластинчатых теплообменников). Результаты оценки удельной стоимости солнечного коллектора в условиях серийного производства при использовании различных материалов представлены в табл. 1. Как видно из таблицы, удельная стоимость солнечного коллектора плоского типа в зависимости от конструкции и применяемых материалов меняется от 10 до 40 руб/м2. Наименьшую стоимость имеет солнечный коллектор, изготовленный из пластмассы, наибольшую -- коллектор в алюминиевом корпусе с поглощающей панелью из алюминия.

Следует отметить высокую технологичность коллектора из полимерных материалов и меньшие в 1,5--2 раза трудовые затраты на его изготовление по сравнению с теми же характеристиками конструкций из металла (трудозатраты на изготовление солнечных коллекторов плоского типа, представленных в табл. 2, в среднем составляют 2--4 чел?ч/м2).

В таблице приведены массы солнечных коллекторов. Наибольшую массу имеет коллектор, выполненный из стали на основе стального отопительного радиатора типа РСГ.

Таблица 1

Использование двухстекольного покрытия приводит к увеличению удельной стоимости коллектора в пределах 1-2 руб/м2 и увеличению массы коллектора на 7-8 кг/м2 (при толщине стекла 3 мм).

Большое значение имеет теплоемкость коллектора, которая определяет количество теплоты, идущей на прогрев коллектора до рабочей температуры после охлаждения за ночь. Наименьшую теплоемкость имеют коллекторы, содержащие пластмассовые элементы. Они же характеризуются меньшей массой и стоимостью. Для уменьшения количества теплоты, идущей на прогрев солнечного коллектора, и создания высокоэффективных установок необходимо стремиться к уменьшению массовых характеристик и применению элементов из малотеплоемких материалов.

В табл. 3 показана структура удельной стоимости солнечного коллектора плоского типа, рассчитанная по калькуляционным статьям затрат.

Таблица 2

В структуре удельной стоимости солнечного коллектора 40--60 % стоимости приходится на стоимость поглощающей панели (большее значение относится к панели, выполненной из алюминия), около 10% --на остекление, изоляцию, сборку, остальное -- на корпус коллектора.

Тепловая эффективность солнечного коллектора определяется его КПД, который может изменяться в широких пределах в зависимости от конструкции и условий эксплуатации. Повышение эффективности коллектора, особенно при значительной разности температур нагреваемой жидкости и окружающей среды, как указывалось ранее, редко может быть достигнуто без усложнения его конструкции, что приводит к увеличению удельной стоимости.

Одним из путей улучшения характеристик плоских коллекторов является обработка поглощающей поверхности, создание селективной поверхности с целью снижения ее степени черноты в длинноволновой части спектра без существенного уменьшения поглощательной способности в коротковолновом диапазоне. В качестве селективных покрытий, чаще всего используют оксидированную медь, черный никель, черный хром, применение которых оправдано только для коллекторов, работающих при температурах выше 333 К. По данным некоторых авторов применение селективных покрытий вызывает увеличение стоимости покрытия поглощающей поверхности коллектора в 3-4 раза, по сравнению с покрытием на основе черной краски. Поэтому можно ожидать, что использование селективного покрытия на основе существующих недорогих технологий приведет к увеличению удельной стоимости коллектора на 2-4 руб/м2. Использование селективных покрытий на основе черного никеля, хрома и других элементов может привести к увеличению удельной стоимости на 20-30 руб/м2.

Другим путем повышения тепловой эффективности плоского коллектора является применение вакуумированных коллекторов. Используя для создания таких коллекторов технологию изготовления вакуумированных люминесцентных ламп типа ЛБ с рефлекторным слоем, можно ожидать, что удельная стоимость коллектора составит 50-70 руб/м2 (в условиях серийного производства).

Теплотехническое совершенство солнечного коллектора определяется значением отношения .

Чем меньше это отношение, тем выше КПД коллектора. Однако повышение КПД, следовательно, уменьшение , связано чаще всего с усложнением конструкции и увеличением его удельной стоимости.

В дальнейшем при совершенствовании технологии изготовления солнечных коллекторов различных типов, уменьшении их удельной стоимости и повышении замыкающих затрат на органическое топливо области экономической эффективности применения более совершенных конструкций будут расширяться.

При удельной стоимости коллектора 18-22 руб/м2 (это соответствует уровню стоимости солнечного коллектора наиболее распространенного типа - на основе отопительного радиатора РСГ) структура затрат, %, в системе солнечного теплоснабжения в среднем по жилым домам приведена в табл. 3.

Таблица 3

Примечание. Числитель - значения для установок горячего водоснабжения, знаменатель-для комбинированных установок (отопление и горячее водоснабжение).

Удорожание объекта теплоснабжения за счет строительства гелиоустановки может изменяться для систем горячего водоснабжения в пределах 5-15%, причем меньшее значение относится к зданиям большей этажности. Для комбинированных систем удорожание в среднем составляет 20-30%.

В стоимость строительных работ входит подготовка территории или площадки на крыше здания под солнечные коллекторы, бойлерную, баки, теплообменники, возведение опорных конструкций, теплоизоляция оборудования и другие работы. Затраты на создание опорных конструкций составляют в среднем 8-15 % стоимости всей установки и входят в стоимость строительных работ.

В целом, около 40-50% общей стоимости систем солнечного теплоснабжения приходится на строительные и санитарно-технические работы. Это указывает на значительные резервы снижения капитальных затрат, которые могут быть реализованы на стадии проектирования и монтажа элементов гелиоустановки. Наименьшие капитальные вложения будут иметь системы солнечного теплоснабжения при совмещении солнечных коллекторов с конструкциями крыш и стен здания, упрощении системы автоматики, сокращении коммуникаций при транспортировке теплоносителя и т. д.

Описание опытной установки.

Опытная установка представляет собой прямоточный вакуумированный солнечный коллектор марки OPUS, принцип работы и разрез установки показан на рисунках 6 и 7.

Рис. 6 Схема прямого нагрева вакуумированным солнечным коолектором



Рис. 7 Разрез и принцип работы прямоточного вакуумированного солнечного коллектора

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250--300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Лабораторная установка представляет собой вакуумированный солнечный коллектор, состоящий из бака- аккумулятора и ряда вакуумных колб. Для сохранения теплоты воды в баке- аккумуляторе он снабжён тепловой изоляцией. Холодная вода подаётся по входному патрубку бака, а горячая вода выводится из выходного патрубка, расположенного в верхней части бака- аккумулятора.

Для измерения температуры теплоносителя на входе в коллектор и выходе из него используются ртутные термометры с ценой деления С. Интенсивность солнечной радиации измеряется универсальным пиранометром М- 80 М, сблокированным с гальванометром ГСА- 1.

Величины коэффициента поглощения приёмной поверхности и коэффициента пропускания прозрачного покрытия берутся из справочных данных.

Коэффиент захвата излучения принять равным 0,8.

Порядок проведения опыта.

1. В течении 4- х часов с интервалом 30 минут замерять температуру воды на входе и выходе из коллектора.

2. С помощью рулетки замерить площадь освещённой поверхности коллектора.

3. В течении 4- х часов с интервалом 30 минут замерять интенсивность солнечной радиации с помощью универсального пиранометра М- 80 М, сблокированным с гальванометром ГСА- 1.

4. Замеренные величины занести в таблицу 4.

5. Используя полученные при замерах данные, по формуле (1) для всех восьми опытов рассчитать поток лучистой энергии Р, поглощаемой поверхностью приёмника

6. По формуле (3) рассчитать суммарный поток тепла , поступающего к приёмной площадке коллектора для всех опытов.

7. Используя найденные значения по формуле (5) определить количество тепла , полученного теплоносителем от солнечного излучения.

8. Используя полученные данные рассчитать термический коэффициент сопротивления стенки коллектора.

9. Полученные расчётные данные занести таблицу.

10. Используя расчётные данные, построить график зависимости количества тепла, полученного теплоносителем от интенсивности солнечной радиации G, то есть зависимость

= f(G).

Контрольные вопросы.

1. Характерные особенности солнечного излучения, падающего на Землю.

2. Компоненты, содержащиеся в термодинамическом преобразователе солнечной энергии.

3. Конструкции плоских коллекторов и области их применения.

4. Классификация гелиоустановок:

а) по назначению;

б) по виду используемого теплоносителя;

в) по продолжительности работы.

5. Прямая и рассеянная солнечная радиация.

6. Формула суммарного потока тепла, поступающего к приёмной площадке и теплоносителю.

7. Основные области применения солнечных коллекторов.



Литература

1. Бекман У., Клейн С., Даффи Дэ/с. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. 80 с.

2. Щекип Р.В., Березовский В.А., Потапов В.А. Расчет систем центрального отопления. К.: Вища школа, 1975. 216 с.

3. Валов М.М., Казанджан Б.И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения. М.: Изд-во МЭИ, 1999. 140 с.

4. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоиздат, 1991. 208 с.

Размещено на Allbest.ru

...