Экспериментальные исследования функционирования системы - солнечный водоподогреватель + ветроэлектрический агрегат

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 662.992: 662.93 (088.8)

Экспериментальные исследования функционирования системы - солнечный водоподогреватель (СВП)+ ветроэлектрический агрегат (ВЭА), предназначенный для горячего водоснабжения сельского дома (дачи, виллы) в условиях Апшерона

В данной работе рассматриваются методика экспериментальных исследований, в натурных условиях, основных теплоэнергетических характеристик, предложенной системы горячего водоснабжения сельского (дачного) дома на основе совместного использования альтернативных источников энергии - Солнца и ветра.

Выбор совместного использования энергии Солнца и ветра связано с тем, что во многих регионах страны и, в частности, на Апшероне и Прибрежной полосе Каспийского моря интенсивность суммарной солнечной радиации составляет свыше 1800 , а среднегодовая продолжительность солнечного сияния 1800 часов, с уровнем солнечной радиации .

Расчеты показывают, что только за счет вовлечения в Аграрный комплекс республики низкопотенциального тепла солнечной радиации при помощи установки СК с суммарной площадью 10тыс.м2, обеспечивается экономия 13 тыс.т.у.т. В связи с этим следует отметить, что в настоящее время максимальной площадью СК располагает США-10млн.м2, Япония-8 млн.м2, Израиль-1,75 млн.м2. В ФРГ и Швейцарии-250 тыс.м2 и т.д. По площади СК на душу населения первое место занимает Израиль~0,6 м2, Австрия-0,08м2, Япония-0,07м2.

В Узбекистане, Туркменистане, Киргизии, Грузии и Азербайджане эта цифра просто мизерна.

На Апшероне наряду с высоким потенциалом солнечной энергии имеются весьма благоприятные условия для использования ВЭА.

В Прибрежной зоне часты ветры со скоростью и выше, а 226 дней в году и более.

Если принять во внимание общий потенциал энергии Солнца и ветра для целей горячего водоснабжения населения Апшерона и Прибрежной полосы Каспийского моря то он обеспечит экономию топлива за 10лет ~0,20 млн.т. у.т и уменьшение выброса CO2 как минимум на 250 тыс.т.

С учетом вышеизложенного в рамках Плана научно-исследовательских работ, утвержденных Президиумом НАНА на 2006-2010 гг., проводятся комплексные исследования совместного использования энергии Солнца и ветра с целью улучшении санитарно-гигиенических нужд населения Апшерона и Прибрежной полосы Каспийского моря. В связи с чем разработана и создана Гелиоветроэнергоустановка (СВП+ВЭА), позволяющая, обеспечить семью состоящую, из 4-х человек (200-250л горячей воды) посредством совместного комбинированного использования энергии Солнца и ветра.

Система предназначена для работы в ранее-весенний-летний и поздно-осенний периоды года, в течении которого отрицательные температуры наружного воздуха для данного региона республики согласно многолетним данным Министерства Экологии и Природных ресурсов Азербайджана маловероятны.

Применяется одноконтурная система отвода тепла. Целесообразность данного выбора функционирования системы СВП+ВЭА, согласуется также с литературными данными, как отечественных, так и зарубежных специалистов. Согласно этим данным [1-2] для регионов с высокой интенсивностью солнечной радиации свыше и более для нецелесообразно использование двухконтурной системы функционирования СВП, которое также рекомендуется СНиП.

Использование двухконтурной системы функционирования СВП с применением 1 или 2-х электронасосов, в виду расхода электроэнергии из Центральной электроснабжающей сети (ЦЭС), значительно понижает эффективность технологического процесса.

В данном случае также является весьма нежелательным технологическое понижение температуры горячей воды на выходе из СВП свойственное 2-х контурным системам из бака-аккумулятора СВП к потребителю.

Применение 2-х контурной системы функционирования СВП как правило рекомендуется для крупных объектов и регионов с холодным климатом, расположенных на широтах свыше [3-4].

Общий вид и принцип функционирования системы (СВП+ВЭА), представлен на Рис.1. СВП производства Турции стандартного типа включает 2 солнечных коллектора (СК), с общей площадью ~4,0м2 плоского типа с селективным покрытием на котором расположены трубки имеющие надежный контакт с поглощающей пластиной, объединяемые в патрубки подвода и отвода теплоносителя. Снижение тепловых потер лучепоглощающей поверхности (называемый абсорбером), в окружающую среду, достигается путем использования тепловой изоляции, закрывающей нижнюю поверхность абсорбера, а также светопрозрачной изоляции, (остекления), размещаемой над абсорбером на определенном расстоянии от него. Все названные элементы помещаются в корпус, где и производится уплотнение прозрачной изоляцией- остеклением.

Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель (в данном случае воду ~100 0С).

Абсорбер СК изготовлен из алюминия. Изоляция минеральная вата.

СВП включает также бак холодной воды с дозатором и бак аккумулятор горячей воды (в котором размещен теплоэлектронагреватель (ТЭН), питаемый как от ВЭА, так и при отсутствии ветра от Центральной электроснабжающейсети ЦЭС).

Рис. 1 Система горячего водоснабжения сельского (дачного) дома на основе альтернативных источников энергии (Солнца+ветра)

энергия водоснабжение ветер

ТЭН для догрева воды, снабжен терморегулятором установленным на отметке ~750C и располагается горизонтально в верхней части бака-аккумулятора. При соблюдении указанных условий обеспечивается благоприятное температурное расслоение (стратификация) воды по высоте бака.

При нагреве воды, вода в СК расширяется становится менее плотной и поднимается по коллектору вверх и через трубу поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора. В результате более прохладная вода у днища бака-аккумулятора вытесняется и перетекает по трубе в нижнюю часть СК. Эта вода в свою очередь нагревается и поднимается в бак. Пока светит Солнце вода будет постоянно циркулировать по этому контуру, все более нагреваясь.

Расположение бака-аккумулятора относительно СК в СВП обеспечивает циркуляцию теплоносителя в дневное время, предотвращая циркуляцию воды в обратном направлении - в ночное время. Для устранения этого нежелательного процесса, вызывающую потерю энергии, бак установлен так, чтобы его днище было выше верхней отметки СК на мм.

СВП является саморегулирующимися и расход теплоносителя в нем полностью определяется интенсивностью СР, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками СК, бака-аккумулятора тепла и соединительной коммуникации.

ВЭА - производства США. Диаметр ветроколеса ~3,0м. Ориентиро- вочная мощность при скоростях ветра 1000 ватт и более.

Система (СВП+ВЭУ) размещена на крыше Радиобиологического подразделения ИРП НАНА. Высота размещения ВЭУ около 5,0 метров, ветроколеса 12,0 м, что естественно благоприятствует работе ВЭА, т.к. на высотах свыше 10 м скорость ветра значительно возрастает и число часов работы ВЭА значительно увеличивается, способствуя повышению эффективности и теплопроизводительности технологического процесса подогрева воды. При наличии ветра (от 3,5 до 710м/сек) и выше (Рис.2), вырабатываемая энергия ВЭА проходя через выпрямительное устройство, подается на управляющий контакт транзистора. При этом срабатывает обмотка реле K1, замыкаются контакты K1.1 и K1.2 и питание потребителей осуществляется от энергии ВЭА. Потребители (бытовые приборы и т.д.) обеспечены автоматическими защитными устройствами: при достижении температуры 750С терморегулятор отключает нагреватель, и энергия расходуется бытовой аппаратурой.

При отсутствии ветра уменьшается ток подаваемый на управляющий контакт транзистора, VT1обесточивается обмотка реле K1 и контакты K1.1, K1.2 размыкаются, при этом обеспечении электроэнергией осуществляется от ЦЭС.

Для контроля переключения предусмотрена схема, которая подпитывается током вырабатываемым пониженным напряжением, с прохождением выпрямления и стабилизации.

В процессе длительных экспериментальных и исследований (2007-2008 г.г.) тепловых характеристик (СВП+ВЭА), проведенных в натурных условиях регистрировались нижеследующие параметры системы:

- плотность потока суммарной солнечной радиации Q;

- температура наружного воздуха, tн;

- температуры воды на входе и выходе из СК, tвх и tвых;

- скорость ветра, Vв;

- температура поверхности СК, tn;

- температуры стекла tc, изоляции tиз и воздушной прослойки tвозд.пр;

-температура воды в баке-аккумуляторе, tб.акк в двух сечениях от днища;

- температура воды к потребителю, tпотреб;

- расход воды к потребителю Gп.

Интенсивность суммарной солнечной радиации Q производились посредством Пиранометра М-80 контроль показаний измерений, производился фотоэлектрическим методом.

Рис. 2 Электрическая схема совместной работы системы (СВП+ВЭА) для горячего водоснабжения

Рис. 3 Схема электронного блока для измерения распределения температуры

Температура воды на входе и выходе из СК, а также температура окружающей среды измерялись образцовыми ртутными термометрами с ценой деления 0,1 0С, скорость воздушного потока замерялась по показаниям образцового анемометра.

Расход воды через СК определялся объемным методом. Средняя температура теплопоглощающей панели, воздушного промежутка между теплопоглощающей панелью и остеклением, а также температура остекления и изоляции СК измерялось посредством датчиков (кремниевых диодов), подключаемых и регистрируемых посредством специально собранного нами электронного блока (Рис.3), позволяющею эффективное измерение температур различных узлов СК (Таблица), к преимуществом которого относятся:

а) в отличии от термопор эти датчики не нуждаются в усилителе;

б) отпадает необходимость в использовании холодного спая термопары;

в) упрощается измерительная схема;

г) стоимость измерительного блока гораздо ниже используемых.

Одной из основных и главных характеристик СК является , который определяется расчетным путем, а также по результатам натурных испытаний. СК зависит от режимных и метеорологических параметров.

Результаты натурных испытаний СК обычно представляют в виде зависимости от , где q - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора; - разность между средней температурой абсорбера tn и температурный наружного воздуха. tв В методике Национального бюро стандартов США (NBS) вместо tn используется полусумма температур рабочей жидкости tж на входе и выходе из СК .

Наиболее приемлемым, на наш взгляд, является обработка результатов экспериментальных исследований по следующей методике [4-10]. По тепловому балансу в любой момент времени количество солнечной радиации, поглощаемое поверхностью абсорбера СК , равно сумме полезно используемой для нагрева воды теплоты Qпол, теплоты расходуемой на разогрев СК - Qнагр, и теплопотерь в окружающую среду, т.е.

(1)

С момента стабилизации температуры и поступления солнечной радиации теплоту Qнагр можно считать небольшей.

С учетом Qпот=Kпол(tж-tо.с.) уравнение можно записать в виде:

(2)

Где ; и Kвх - коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью абсорбера и светопропускания прозрачного ограждения (остекления), Kпр - суммарной коэффициент теплопотерь, Вт/м2K.

Полезная теплота СК определялась как Qпол=Gср(t2-t1). При определенной интенсивности солнечной радиации СК,

(3)

Тогда (2) можно представить в виде:

(4)

Таким образом уравнение (4) связывает основные тепловые параметры СК с внешними условиями окружающей среды и представляет собой полную информативную характеристику СК.

По экспериментальным, расчетным и опытным данным Kпр=7,88,0Вт/м2К, СК различных модификаций (крупных, автономных и др.) колеблется в широких пределах 37-60%, достигая в некоторых случаях, по мнению авторов 80-70% [11-12].

Для наших условий (Таблица) колеблется в пределах 47-52%. Полученные данные Рис.4, практически хорошо согласуется с расчетными [13].

Продолжительные испытания системы (СВП+ВЭА+ЦЭС), позволяют сделать однозначный вывод о практической эффективности технологического процесса горячего водоснабжения удовлетворения санитарно-гигиенических нужд сельской семьи в природных условиях Апшерона и Прибрежной полосы Каспийского моря. Эксплуатация установки показала также целесообразность и эффективность дублирования системы в зависимости от погодных условий путем комбинированного совместного использования и замены одного возобновляемого источника энергии Солнца, другим ветра.

Рис. 4 Зависимость от разности средней температуры воды и окружающей среды (tж-tо.с.) при различных интенсивностях падающей на СК солнечной радиации q

Литература

1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М. Энергоатамиздат. 1991, с.210.

2. Назарова Г.Р. Конкурентоспособность гелиосистемы: методы конструкции решения. Часть 1, Аш, 1990, с.160.

3. Назарова Г.Р. Конкурентоспособность гелиосистем: методы, конструкции, решения. Часть 2, Аш, 1990, с.116.

4. Close D.J. The performance Solar Water Heaters with Natural Circulation. “Solar Energu” №6, 1962, p.33-40, 279-283.

5. Coxos De Wayne. Патент США. кл. 126/437, F24J3/02 №4235223; заявлено 21.02.78. № 879382 опубл. 25.11.80г.

6. “Modelling of Thermall Storage for Solar Heating Systems”. Solar Energy Appl. Dwellings. Proc. E.C. Contract Mett. Athers, 11-13 Now, 1981, Dordrecht, e.a., 1982, p.118-123.

7. Weltrangliste for Solarkollektoren. Bauphysik, 1988, №10, №3, p.87

8. Wer Hat die Meisen Solarkollektoren? Weber Rudolf. “Electrotechnic” (Schweiz), 1988, 39, №4, p.16-17

9. Малевский Ю.Н., Мышко Ю.Л., Смирнов С.Н., Тарнижевский Б.В. Методика определения тепловых характеристик солнечных коллекторов в лабораторных условиях. «Гелиотехника», №4, Издание АН Уз. ССР, 1980, Тш, с.50-54.

10. Батмунх С., Умаров С.Г., Энхжаргал Х., Издендамбал Л. Результаты испытания солнечного водонагревателя в условиях Монгольской Народной Республики «Гелиотехника», №6, Издание АН УзССР, 1987. Тш, с.72-73

11. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (под редакцией Виссарионова В.В.), М, Фирма ВИЭН, 2004, с.448.

12. Шадыев О.М., Якубов Ю.Н., Имомкулов А.И. Солнечный водонагреватель с полуцилиндрическим котлом. «Гелиотехника», №1, Издание АН УзССР, 1978, Тш, с.78-79.

13. Керимов М.А., Салманова Ф.А. Горячее водоснабжение сельского дома с использованием энергии Солнца. Теплоэнергетический анализ системы. ж. «Новости теплоснабжения», Электронная версия. http.www.rosteplo.ru/stat.1-php2id=88poz-f110, м, 2007.

Размещено на Allbest.ru