Гелиоустановки

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Оглавление

Введение

1. Математические модели конструктивных характеристик гелиоустановок

2. Гелиоустановка для базы отдыха «Кендерли»

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В Казахстане гелиоустановки не получили широкого применения, что связано с пока еще относительно низкими по сравнению с другими странами ценами на энергоносители и с недостаточной подготовленностью рынка.

Основные технические проблемы, стоящие на пути широкого практического применения солнечной энергии для тепло- и энергоснабжения в Казахстане связаны, прежде всего, с относительно низкой плотностью потока энергии (в полдень при ясном небе около 1 кВт/м2, а в среднем за год для территории Казахстане (150-250 Вт/м2), что обусловливает необходимость использования приемников солнечного излучения значительной площади, и его непостоянством во времени, что требует создания аккумуляторов энергии. В конечном итоге, несмотря на то, что солнечное излучение само по себе бесплатно, построение систем сбора, преобразования и аккумулирования энергии приводит к необходимости значительных затрат на создание солнечных установок и снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, особенно если последние используют дешевое органическое топливо.

Технико-экономические характеристики гелиоустановок зависят, главным образом, от следующих факторов: природно-климатические условия данной местности, определяющие количество вырабатываемой энергии (уровень солнечной радиации, облачность, количество солнечных дней в году и т.д.); удельные капиталовложения в гелиоустановку; наличие и стоимость топлива и энергии.

Малая плотность распределения солнечной энергии по территории, непостоянство поступления энергии во времени, зависимость от природно-климатических условий предопределяют увеличение размеров гелиоустановок и усложнение их конструкций, что, в свою очередь, вызывает повышение удельных капиталовложений и расход материалов в сооружение гелиоустановок. Следовательно, разработать математические модели для определения эффективных геометрических и оптических характеристик гелиоустановок являются актуальной проблемой.

Целью данной работы является разработка математических моделей плоских концентраторов для проектирования высокоэффективных и экологически чистых гелиоустановок для базы отдыха «Кендерли».

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. разработать математические модели конструктивных характеристик гелиоустановок;

2. на основе разработанной математической модели спроектировать гелиоустановку для базы отдыха «Кендерли».

1. Математические модели конструктивных характеристик гелиоустановок

Использование солнечной энергии для теплоснабжения потребителей заключается в замещении топлива в энергетических установках, что предопределяет разработку новых конструктивных и схемных решений. Трудности в создании гелиоустановок обусловлены рассеянностью солнечной энергии по территории. Для увеличения плотности потока применяются концентраторы солнечной энергии различных конструкций. Солнечный концентратор является основным компонентом любой солнечной системы. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы [1].

Основные свойства концентраторов солнечной энергии заключаются в том, что они фокусируют параллельно падающие лучи в линию или точку.

Параболоидные зеркала отличаются высокой концентрирующей способностью, однако сложность изготовления зеркальных поверхностей при выдерживании точных расчетных параметров и, следовательно, высокая стоимость делают их не всегда приемлемыми при разработках типовых конструкций гелиопреобразователей [2]. Поэтому многие зарубежные и отечественные ученые отмечают эффективность использования и простота изготовления плоских концентраторов, однако методов оптимизации размеров и оптической эффективности не приводится.

Для моделирования гелиоустановки для базы отдыха «Кендерли» требуются эффективные, простые по конструкции аппараты, в которых первостепенную роль играют концентрирующие элементы, фокусирующие солнечные лучи.

Концентрирующие системы применяют с целью повышения термодинамического потенциала и эффективности преобразования лучистой солнечной энергии [3].

В данной работе в качестве концентрирующих элементов мы использовали плоские зеркальные поверхности. Зеркальные поверхности в гелиоустановках устанавливаются не параллельно друг другу, а под определенным, обычно симметричным углом, образуя треугольное сечение, а поглощающая поверхность располагается в средней части зеркал, на биссектрисе угла между ними, в различных точках по высоте.

Так как зеркала плоские и трубка-поглотитель имеет одинаковые размеры по всей длине, целесообразно рассматривать при анализе исследования концентраторов только их сечение.

Под поверхностью поглощения будем понимать часть поверхности трубки, освещенной прямым солнечным излучением, направленным по оси концентратора к ней.

Геометрические параметры плоских концентраторов: высота конструкции концентраторов Н, поверхность раскрытия зеркал W, ширина зеркала L (L0 от точки раскрытия до начала попадания солнечных лучей, L1 - при однократном отражении лучей от одного зеркала). На рисунке 1 изображена трубка-поглотитель, представляющая собой поглощающую поверхность S круглого сечения с наружным радиусом R, расположенную между плоскими зеркальными поверхностями Q и G с углом раскрытия.

Рисунок 1 - Геометрические параметры плоских концентраторов

Проанализируем их при условии, что отраженная от зеркал радиация солнечной энергии целиком и однородно распределяется по поверхности поглощения.

В концентраторе луч (МД) имеет одинарное отражение. Так как пересечение биссектрис КНСКМ и МОДМКявляется центром вписанной окружности (точка О, из построения) [8], то ДМО = ОМК = /4. Из OMА находим катет МА = L1.

Из KАOOKА = /2 , тогда КА=

Отрезок МК = L1 + KA= , тогда

или

или

Геометрические характеристики концентраторов энергии в плоских зеркалах при различных углах раскрытия и для различных радиусом трубок-поглотителей приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Геометрические характеристики гелиоустановки

2. Гелиоустановка для базы отдыха «Кендерли»

База отдыха «Кендерли» находится на Казахском заливе Каспийского моря, расположенном в 70 км., южнее города Жанаозен Мангистауской области (рисунок 2).

«Кендерли» -- это современный архитектурный комплекс, основной задачей базы отдыха является обеспечение полноценного отдыха и высокого уровня питания и обслуживания отдыхающих.

Площадь, занимаемая базы отдыха 7,5 га

На территории Базы отдыха размещены следующие объекты:

«VIP» резиденция - площадь застройки - 652 м2

Коса Ада - имеются два деревянных коттеджа на острове;

Коттеджи семейного отдыха - 4 шт. площадь застройки одного - 185 м2.

Коттеджи молодежного отдыха - 13 шт., двухэтажные четырехкомнатные, площадь застройки коттеджа 122 м2.

Гостиница на 20 мест.

В мансардной части гостиницы расположены солярий и зимний сад.

Мангистаускую область отличает, резко континентальный климат, засушливое продолжительное лето, низкая относительная влажность, и наконец, малая облачность, что благоприятствует интенсивности проникновения лучей к земной поверхности.

Рисунок 2 - База отдыха «Кендерли»

Географическая широта города Жанаозен 41°с.ш., составляет 13 ккал/(см2·месяц), или 210 Вт/м2, что свидетельствует о самой наибольшей инсоляции по Казахстану. Отсутствие лесного покрова, весьма слабая облачность и продолжительность солнечного сияния обуславливает большой приток солнечного тепла.

Лето в зоне отдыха «Кендерли» жаркое и продолжительное, таких больших различий в температурах как в зимний период не наблюдается.

Повсеместно средняя температура июля не ниже 27,5°С. В отдельные годы температура воздуха повышалась до +45°С. Региону свойственны высокие температуры наружного воздуха в летнее время, иногда достигающие 47°С. Период с отрицательными температурами составляет 2,5-3,0 месяца. Осадков выпадает очень мало, среднее годовое количество их не превышает 121-152 мм. Максимум осадков приходится на теплый период года. Что касается снежного покрова, он непродолжителен или вовсе не образуется [4].

Проведенная краткая оценка климатических условий в зоне отдыха «Кендерли» показывает для горячего водоснабжения и тепло эффективно использовать альтернативные источники энергии.

На основе разработанной математической модели спроектирована гелиоустановка, для преобразования энергии солнечной радиации в теплоту посредством нагрева жидкого теплоносителя, который может использоваться затем для горячего водоснабжения и отопления для коттеджа молодежного отдыха.

Гелиоэнергетическая установка представляет собой герметичный изолированный ящик (рисунок 3) с верхней остекленной поверхностью расположенной перпендикулярно к солнечному потоку.

Рисунок 3 - Конструкция коллектора: 1 - корпус изолированный, 2 - трубки адаптирующие, 3 - плоские зеркальные поверхности, 4 - прозрачное солнцепропускающее покрытие

Внутри ящика находятся трубки, соединенные в различные конструкции (змеевиковые или коллекторные, вертикального или горизонтального расположения), в которых циркулирует теплоноситель или испаряются низкотемпературные жидкости. Под трубками находятся сужающиеся плоские зеркальные отражатели, концентрирующие лучи солнечной энергии на трубки.

Концентраторы солнечной энергии позволяют сфокусировать потоки солнечной радиации в мощный поток и направить непосредственно на адаптирующую поверхность, при этом увеличивается коэффициент полезного действия коллектора по преобразованию солнечной энергии в теплоту и повышается температура теплоносителя.

В основе работы солнечного концентратора лежат два предположения: солнечные лучи полностью отражаются от зеркальных поверхностей и подчиняются основным законом физики (угол падения равен углу отражения), а адаптирующая поверхность трубки полностью поглощает падающую на нее энергию солнечной радиации.

Теплоноситель циркулирует внутри трубок нагревается до высоких температур, а разогретые трубчатые поверхности, контактируя с аккумулирующим материалом нагревает его, в результате чего материал из твердого состояния переходит в жидкое накапливая в себе тепловую энергию фазового превращения, и благодаря своей большей вязкости удерживается внутри выделенного пространства. Солнце, проходя по горизонту с востока через юг на запад при указанном расположении конструкции постоянно свои лучи направляет на зеркальные концентраторы и адаптирующие поверхности днем. Солнечной энергии достаточно, чтобы нагреть теплоноситель до высоких температур и часть энергии накопить в аккумулирующий материал фазово-физического превращения.

В основу водонагревательной установки положены хорошо известные в технике принципы. Гелиоустановка использует «парниковый эффект». Солнечные лучи беспрепятственно проходят сквозь прозрачное стекло и, превратившись в тепловую энергию, уже не могут покинуть замкнутое пространство. В гидравлической системе работает термосифонный эффект. Жидкость при нагревании поднимается вверх, вытесняет более холодную воду и перемещает ее к месту нагрева. Кроме того, «уловленная» солнечная энергия аккумулируется и сохраняется в установке длительное время.

Коллектор представляет собой трубчатый радиатор, заключенный в короб, одна из сторон которого застеклена. Радиатор сварен из стальных труб. Для подвода и отвода теплоносителя используются водопроводные трубы на Ф22мм или Ф38мм.

Короб коллектора деревянный, собран из досок толщиной 25...35 мм и шириной 120 мм. Днище -- из фанеры или оргалита, усиленное рейками сечением (50х30)мм. Короб тщательно теплоизолировали с помощью упаковочного материала, можно использовать строительной пенопласт, или стекловаты. Сверху теплоизоляции закрепляли лист оцинкованного кровельного железа, поверх которого укладывали сам радиатор. Крепили его в коробе хомутами из стальной полосы.

гелиоустановка концентратор конструкция

Рисунок 5 - Общий вид экспериментальный установки

Рисунок 6 - Экспериментальная гелиоустановка с вертикальным и горизонтальным расположением трубок

Рисунок 7 - Экспериментальная гелиоустановка в молодежном коттедже «Кендерли»

Размер солнечного коллектора зависит от суточной потребности отдыхающих в горячей воде. В одном коттедже отдыхают 8 человек. Норма расхода горячей воды с температурой 55…60°С на 1 человека - 100 литров в сутки. Производительность 1м2 солнечного коллектора - 250-500 литров горячей воды за световой день. Для молодежного коттеджа установили 3 гелиоустановки.

Благодаря простоте солнечных водонагревательных установок уход за ними требуется минимальный. Необходимо один-два раза в год проверять количество жидкости в системе и давление, раз в год с помощью индикаторной бумаги смотреть, не окислилась ли жидкость-теплоноситель. При соблюдении рекомендаций солнечные коллекторы работают не менее 50 лет.

Заключение

В данной работе решена актуальная задача моделирования различных конструкции и концентрирующих способностей плоских концентраторов и получены следующие основные результаты:

Получены аналитические выражения, связывающие геометрические параметры плоских концентраторов энергии с характерными параметрами адаптирующих поверхностей. Уравнения отражают физические параметры движения солнца с ориентацией концентраторов относительно поверхности Земли. Для оценки эффективности подобных концентраторов использованы оптические и оптико-энергетические коэффициенты. Под оптическим коэффициентом принималось отношение прямой и отраженной от зеркал солнечной радиации, падающей на адаптирующую поверхность при наличии концентраторов, к радиации, падающей на ту же поверхность без использования концентраторов. Расчеты по этим коэффициентам различных конструкций плоских концентраторов дают возможность оптимизировать и совершенствовать разработанные конструкции;

На основе разработанной математической модели спроектирована экспериментальная гелиоустановкадля коттеджа молодежного отдыха «Кендерли».

Список использованной литературы

1. Анистратов А. В., Виссарионов В. П. Солнечная энергетическая уста-новка со световодами и концентраторами/Московский энергетический институт. М., 2006. - 10 с.

2. Захидов Р.А., Умаров Г.Я., Вайнер А.А. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем. - Ташкент.: ФАН, 1977.- 149с.

3. С.Г. Кусаинов, Н.С. Буктуков, А.С. Кусаинов и др. Голографические концентраторы солнечной энергии // Материалы 2-Международного научно-практического семинара. Физико-химические основы преобразования солнечной энергии.- Алматы: 2006. - С. 119-128

4. Стребков Д.С., Кивалов С.Н., Тверьянович Э.В. Метод расчета стационарных концентраторов с отражающими поверхностями в форме окружности // Гелиотехника. - 2000. - №1.- С.76-81

Размещено на Allbest.ru