Экологическая эффективность локальных источников энергии (на примере плоских солнечных коллекторов)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. Большая часть мировой энергетики (95%) базируется на сжигании органического и «сгорании» атомного топлива. Эти способы получения первичного тепла подвергаются жесткой и справедливой критике в связи с недопустимым их воздействием на окружающую среду. Использование органического и атомного топлива приводит к критическому антропогенному потеплению климата из-за выброса в атмосферу добавочного тепла, количество которого начинает составлять заметную долю от общей солнечной радиации, и загрязнению атмосферы парниковыми газами. Принятый международным сообществом «Киотский протокол» предполагал реальное ограничение развития промышленности передовых в техническом отношении стран, достигших разумных пределов в выбросах в атмосферу парниковых газов. Однако возникший в последний год мировой экономический кризис, если не остановит действие «Киотского протокола», то в значительной мере затормозит его развитие, что чревато дальнейшим усугублением экологической обстановки.

В любом случае, потребности человечества в энергии будут возрастать с каждым годом, и при этом энергетика должна развиваться более быстрыми темпами, чем другие отрасли, поскольку она обеспечивает не только прогресс общественного производства, но и быстро растущую бытовую нагрузку населения, пропорциональную росту его численности и общего уровня жизни.

Ориентированная на преимущественное использование органического топлива, современная энергетика является самым сильным загрязнителем окружающей среды, воздействующим на биотопы, биоценозы и на производящего ее человека как часть биосферы.

Современная энергетика оказывает влияние на биосферу в целом и весьма значительно на геоэкологическую составляющую окружающей среды (на биотопы практически всех иерархических уровней): в планетарном масштабе на атмосферу, гидросферу, литосферу и локальном уровне: потреблением кислорода, выбросом газов, влаги, золы, тепла и т.д.; потреблением воды, созданием водохранилищ, сбросами загрязняющих и нагретых вод, жидких отходов и др.; изменениями почв и подстилающих грунтов, ландшафтов и их составляющих, потреблением ископаемых топлив, выбросами токсинов и т.д.

Но человечество не может существовать без использования ресурсов планеты, многие из которых, в частности, энергоносители, при нынешнем развитии техники и технологий по ряду прогнозов могут быть исчерпаны в исторически обозримой перспективе. Это, в свою очередь, окажет, без всяких сомнений, прямое негативное влияние на условия существования как будущих поколений, так и на дальнейшее функционирование биосферы как глобальной экосистемы. Исчерпание природных ресурсов имеет общегуманитарный аспект: нынешнее поколение не имеет права оставить будущих обитателей без любого, даже малозначимого составляющего планеты. Ответственность перед будущим - это одна из главнейших общечеловеческих проблем.

Удельная мощность солнечного излучения, падающего на нашу планету, равна 1,37 кВт/м2. С учетом размеров Земли суммарный поток энергии на нее составляет 187,27·1012 т условного топлива в год. По данным Мирового Энергетического Совета, общее потребление первичной энергии (нефть, газ, уголь, ядерная энергия и возобновляющиеся источники, включая гидроэнергию) на рубеже ХХ и ХХI вв. составляло 14970 млн. т.у.т./г. Следовательно, вся вырабатываемая и потребляемая человечеством энергия пока не превышает одной сотой доли процента того количества энергии, которой мы обязаны Солнцу.

Одним из самых актуальных направлений формирующейся во многих странах системы экологической безопасности и безусловного ресурсосбережения является реализация программ по освоению нетрадиционных источников энергии. Солнечное излучение с энергетической и термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (тепло-, электроэнергию и др.) с высоким коэффициентом полезного действия, включая обеспечение экологической безопасности нашей планеты и, в том числе, на фоне глобального потепления климата.

Использование солнечной энергии - это:

- экономия органических энергоресурсов, со снижением нагрузки на окружающую среду от вредных выбросов, в том числе группы газов, являющихся причиной парникового эффекта:

- исключение выбросов добавочного тепла в окружающую среду. Таким образом, использование солнечной энергии имеет двойной эффект относительно теплового баланса планеты.

Исследование повышения эффективности устройств, преобразующих солнечную энергию в энергию, удобную для использования человеком, есть задача прежде всего экологическая, а уже потом техническая. Массовое использование солнечной энергии - пока из известных единственный максимально эффективный способ замещения в тепловом балансе планеты части энергии и компенсации негативных воздействий от использования органических и атомного энергоресурсов.

Совершенствование способов преобразования солнечной энергии с увеличением эффективности солнечных коллекторов как локальных источников энергии есть основное направление настоящей диссертации.

Необходимость разработок в области совершенствования технологий преобразования солнечной энергии определяет актуальность тематики настоящего исследования.

Исследования во многих странах мира направлены на научное обоснование, разработку и создание новых технологий и оборудования для экономически эффективного использования солнечной энергии с учетом специфики конкретных потребителей и регионов.

Цель диссертации - повышение экологической эффективности локального теплоснабжения путем повышения эффективности плоского солнечного коллектора при его настенной установке за счет использования отражательной способности конструкций здания.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

- анализ литературных и фондовых источников по оценке основных тенденций развития мировой энергетики с учетом их глобального влияния на общую экологическую обстановку;

- обоснование применения солнечных энергоприемников в системах комплексного теплоснабжения на геоэкологических принципах;

- анализ разработанных и используемых в практике конструкций солнечных энергоприемников, их эффективности и перспектив использования в хозяйстве;

- теоретическое обоснование и разработка конструкции экспериментальной установки для исследования повышения тепловой эффективности плоских солнечных коллекторов (ПСК), использующих отражательную способность конструкций здания при его настенной установке, получение экспериментальных данных о поглощаемой тепловой энергии;

- обработка и анализ полученных экспериментальных данных о поглощаемой тепловой энергии, разработка рекомендаций по расчету тепловой эффективности плоских солнечных коллекторов при их установке на стене здания;

- оценка геоэкологической, энергетической и экономической эффективности установки солнечных энергоприемников на стенах зданий.

Методика выполнения исследований. Анализ литературы и фондовых источников, обобщение результатов отечественных и зарубежных исследований в области освоения различных способов преобразования и использования солнечной энергии в антропогенных экосистемах в рамках общих геоэкологических проблем, таких, как стабилизация биотопов и снижение негативного воздействия на них традиционных энергоустановок. Экспериментальное исследование повышения эффективности плоского солнечного коллектора за счет отражательной способности конструкций здания при его настенной установке на разработанном лабораторном стенде.

Исследования проводились с помощью приборов, отвечающих действующим нормативным документам и стандартам РФ. Всего было проведено 36 натурных экспериментов, с последующим анализом результатов.

Научная новизна работы.

- экспериментально подтверждено выдвинутое в работе предположение о повышении тепловой и геоэкологической эффективности ПСК при установке их на стене здания за счет отражательной способности конструкций самого здания;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая переменная, учитывающая поток отраженной энергии, поступающей на солнцеприемник от конструкции стены здания, на котором он установлен;

- разработаны рекомендации по повышению тепловой эффективности ПСК устанавливаемых на стенах зданий, за счет оптимизации угла наклона лучевоспринимающей поверхности к горизонту.

Практическая значимость диссертации.

В результате работы уточнены и дополнены существующие методики расчета потока солнечной энергии на наклонную поверхность, что позволяет при проектировании локальных систем теплоснабжения с ПСК учитывать возможность увеличения тепловой эффективности системы за счет установки лучевоспринимающих панелей на стене здания. Результаты исследований обобщены как инженерные рекомендации по установке коллекторов на стене здания с учетом оптимального угла наклона к горизонту для наибольшей эффективности использования прямой и отраженной энергии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экологическая и тепловая эффективность ПСК повышается при установке их на стене здания за счет отражательной способности конструкций самого здания.

2. Необходимость введения переменной, учитывающей поток отраженной энергии, поступающей на солнцеприемник от вертикальной конструкции, на которой он установлен.

3. Уточнение расчетов производительности солнечного преобразователя энергии путем учета дополнительного количества энергии.

Достоверность полученных результатов определяется применением современных методик измерения характеристик солнечных преобразователей и методов обработки результатов измерений; использованием в экспериментах «гостированных» методов и приборов; соответствием полученных характеристик с результатами исследований других авторов; близостью расчетных и опытных данных.

Апробация работы.

Основные положения, содержащиеся в диссертации, были доложены на VI региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2003 г.), на XXXIII научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003год (Ставрополь 2004 г.), на VI региональной научно-практической конференции «Вузовская наука: из настоящего в будущее» (Кисловодск 2005 г.), «IV-е Денисовские чтения» (Москва, 2008г), опубликованы в научно-техническом журнале «Вестник МГСУ» (2007, 2008 гг.)

По теме диссертации всего опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 в реферируемом журнале по списку ВАК.

1. Результаты аналитического обзора различных литературных и фондовых источников по экологическим проблемам развития современной энергетики

Выполненный анализ показал, что основной поток загрязнений в производстве исходит от потребителей и производителей энергии, связанных с использованием органического топлива.

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережают темпы развития других отраслей деятельности. И при всем этом современная энергетика - одно из мощнейших техногенных воздействий на окружающую среду и на человека как часть биосферы.

На локальном уровне выбросы при сжигании топлива (фотохимические смоги) наносят серьезный ущерб здоровью людей, на глобальном - сжигание органического топлива - это вовлечение в энергетический оборот источников, не оказывающих в естественном состоянии влияния на энергетический (тепловой) баланс планеты. Кроме этого, важнейшую роль в тепловом балансе играют парниковые газы, молекулы которых способны пропускать коротковолновые и поглощать длинноволновые лучи. Все это - проблема теплового загрязнения Земли.

Прогнозы повышения среднеглобальной температуры к концу наступившего столетия приводят к значениям в 4-6°С по сравнению с доиндустриальной эпохой (до 1850 г.), что существенно выше наблюдавшихся в течение всего четвертичного периода геологической истории (последние 2 млн. лет). Беспрецедентный рост температуры в течение столь короткого времени вызывает обоснованную тревогу за устойчивость климатической системы в целом и состояние, находящихся от нее в полной зависимости, гидросферы, биосферы и системы мирового хозяйства. Мировое сообщество понимает необходимость защиты климата, т.е. предотвращения нагревания земной атмосферы и, как следствие, необходимость тотального сокращения выбросов диоксида углерода, а это может быть реально достигнуто лишь за счет уменьшения потребления ископаемого топлива.

Вопросами тепловой устойчивости Земли посвящено множество различных работ, и к настоящему времени установлено, что любой из факторов, который воздействует на нее, может при соответствующих условиях привести к сдвигу теплового равновесия земной системы, и, как правило, в негативную для биосферы сторону.

Энергия, заключенная в ископаемых топливах (дрова, уголь, нефть, газ) - это энергия солнца, ранее накопленная природой. В естественно-искусственном цикле традиционной энергетики «растительный фотосинтез - органическое топливо (дерево, уголь) - паровая турбина - электрогенератор» КПД составляет всего 0,001 %! А это прямое следствие многостадийного непрямого преобразования. Длительность цикла: десятки лет - по древесине, миллионы - по углю.

Рассмотрена и проблема дефицита ископаемых энергоресурсов. При существующем уровне потребления энергии в мире современная обеспеченность традиционной нефтью оценивается в 35-65 лет, газом в 44-70 лет и углем в 320-400 лет, а, с учетом реальной динамики экономического роста, исчерпаемость ископаемых топлив неизбежно будет нарастать в геометрической прогрессии. По данным разных источников, все геологические (а не только разведанные) запасы органического топлива на Земле будут исчерпаны к концу XXI века. Значит, необходим поиск путей перехода к новым источникам энергии, способным на длительный период обеспечить растущие потребности человечества, - к источникам более высокого экологического качества. Это возобновляющиеся источники энергии (гидроэнергия, энергия солнца, ветра и биомассы). Они в своем естественном состоянии принимают участие в формировании энергетического (теплового) баланса планеты, а, значит, их использование не приведет к изменению баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любого разумного, требуемого соответствующим этапом развития индустриального общества, значения.

Использование солнечной энергии, как отмечено выше, производит двойной экологический эффект: сокращение количества выбросов от традиционных источников энергии, которые являются парниковыми газами; изъятие части тепла из теплового баланса земли, которая была воспринята лучеприемником.

2. Результаты анализа технологий преобразования энергии солнечного излучения

Прямое использование солнечной энергии - самое безопасное с экологических позиций. С экономической точки зрения солнечная энергетика (СЭ) существенно опережает другие альтернативные источники. Энергию приливов можно получать только на побережье больших водоемов. Энергию ветра можно добывать повсеместно, но при этом большие площади выводятся из землепользования.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах: системах отопления и охлаждения зданий, для получения горячей воды, опреснения морской или минерализованной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п.

В настоящее время наибольшее практическое применение получили системы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, фотоэлектрические преобразователи и солнечные водонагревательные системы.

Наиболее просты в конструктивном отношении солнечные водонагревательные системы, имеющие среднегодовой КПД 30-50 %. Повышение эффективности гелиосистем отопления и охлаждения зданий связано с применением более совершенного гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальными архитектурно-техническими решениями, направленными на сокращение тепловых потерь и соответствующее снижение потребности в энергии, а также на использование конструкций самого здания для улавливания солнечной энергии.

Основная проблема в использовании солнечной энергии для отопления индивидуальных домов в нашей стране - отсутствие массового производства солнечных коллекторов (КСЭ), аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования.

Наибольшее влияние на эффективность плоского КСЭ оказывают:

1. Метеорологические параметры - интенсивность солнечной энергии I [Вт/м2], измеряемая на горизонтальной поверхности, и температура наружного воздуха tв [0C].

2. Конструктивные характеристики КСЭ и свойства лучепоглощающей поверхности абсорбера - материал и толщина листа, толщина и коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб, число слоёв остекления и его пропускная способность.

3. Рабочие параметры КСЭ - расход теплоносителя и его температура на входе в КСЭ.

Повышение тепловой эффективности КСЭ может быть достигнуто путём применения: селективно - поглощающего покрытия абсорбера; вакуумирования пространства внутри коллектора; нескольких слоёв прозрачной изоляции; сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением; антиотражательных покрытий на остеклении; концентраторов солнечного излучения. Применение этих мер снижает тепловые потери КСЭ и повышает его КПД.

3. Результаты анализа методик расчета поступающей солнечной энергии

На его базе принят простой для практического применения алгоритм расчета.

На поверхности Земли солнечное излучение включает следующие компоненты:

ш прямое солнечное излучение с интенсивностью Ibi, Вт/м2, которая меньше внеатмосферной и с измененным спектральным составом, в основном за счет обеднения коротковолновой части спектра, что вызвано поглощением излучения при прохождении через атмосферу IН1, Вт/м2;

ш рассеянное диффузное солнечное излучение с интенсивностью Idi, Вт/м2, которое определяется рассеянием излучения в атмосфере и проявляется в изменении яркости неба или облаков IН2, Вт/м2;

ш отраженное от земной поверхности излучение с интенсивностью IН3, Вт/м2, которое определяется коэффициентом отражения (альбедо) с.

Плотность потока солнечной энергии, поступающей на наклонную относительно земной поверхности, произвольно ориентированную плоскость солнечного коллектора, вычисляется по формуле, опубликованной в работе «Расчет систем солнечного теплоснабжения» У. Бекман, С.Клейн, Дж.Даффи:

(1)

где: - угол наклона поверхности коллектора к горизонту (при = 0 - горизонтальное расположение), град.;

- коэффициент отражения (альбедо) земной поверхности и окружающих КСЭ тел. Значение изменяется от 0,2 летом до 0,7 ,усл.ед., - зимой, в зависимости от относительной площади снежного покрова; - средний за час угол падения солнечных лучей на наклонную поверхность КСЭ, то есть угол между направлением солнечного луча и перпендикуляра к плоскости коллектора, град.; - средняя за час интенсивность прямого солнечного излучения в плоскости коллектора по направлению солнечного луча, Вт/м2. Для расчета воспринятой энергии была разработана методика расчета, подходящая для конструкции используемой лабораторной установки. Энергия, воспринятая солнечным коллектором за i-й час, в контуре , с учетом того, что в схеме отсутствует бак-аккумулятор, отвод тепла идет неравномерно и температуры в обратной и подающей трубе в течении дня постоянно меняются, распределена на две части:

, кДж, (2)

где - полезное тепло, отданное в отапливаемое помещение поверхностью конвектора и трубами контура лабораторной установки за i-й час, КДж:

солнечный экологический теплоснабжение

, кДж, (3)

где - количество воды, прошедшее за i-й час через контур, кг. Так как счетчик воды ведет учет расхода воды в м3, использована формула перевода:

, кг, (4)

где: - измеряемая величина, л; - плотность воды при средней температуре в контуре в течение i-го часа, кг/м3, вычисляемой по формуле:

, °С, (5)

где: и - измеряемые величины, средняя температура в подающем и обратном трубопроводе в течении i-го часа соответственно, °С; и - средняя энтальпия воды в подающем и обратном трубопроводе в течении i-го часа соответственно, кДж/кг; - теплота, накопленная в контуре за счет увеличения средней температуры в течении i-го часа, кДж:

, кДж, (6)

где - масса воды в контуре, принятая по его внутреннему объему;

С - средняя теплоемкость теплоносителя в коллекторе: С = 4,17 кДж/ кг·°С. Воспринятый удельный тепловой поток определяется теоретически как:

,КДж/м2, (7)

где - площадь поверхности солнечного коллектора, м2.

Плотность воспринятого излучения, приходящаяся на 1 м2 поверхности солнечного коллектора, определяется как:

, Вт/м2, (8)

Где r - промежуток времени, с, в начале и в конце которого зафиксированы значения расхода. Преимущественно r = 3600 с, кроме моментов начала работы установки утром и конца ее работы вечером.

Определяем отношение суммы воспринятой коллектором энергии к сумме энергии, теоретически поступившей на плоскость коллектора, то есть среднее теоретическое тепловое КПД коллектора во время проведения опыта:

, %. (9)

4. Результаты экспериментов по разработанной методике

Целью первого этапа исследования теплосъема пассивным солнечным коллектором в системе комплексного теплоснабжения зданий, проведенного в г. Ставрополе, было определение оптимального угла наклона коллектора к горизонту, а также выяснение факторов, влияющих на тепловоспринимающую способность коллектора, и границы влияния разных факторов. В результате была получена зависимость КПД солнечного коллектора от угла его наклона, показывающая, что при уменьшении угла наклона коллектора к горизонту его эффективность увеличивается (рис.1). КПД определялось по выражению (9), в котором используется значение реально полученной тепловой энергии и теоретически вычисленной приходящей энергии солнечного излучения.

Эффективность одного и того же солнечного коллектора - значение постоянное и зависит только от конструктивных особенностей. В эксперименте использован один и тот же коллектор; в значениях измеренного количества снимаемой энергии сомнений не было, так как оно было определено по показаниям стандартных поверенных приборов.

Для объяснения увеличения КПД коллектора с уменьшением угла его наклона к горизонту была выдвинута гипотеза: на плоскость коллектора поступает некоторое количество неучтенной существующей методикой расчета энергии, причем доля этой энергии увеличивается с уменьшением угла наклона. Наиболее вероятной значительно влияющей на эффективность коллектора составляющей частью солнечной энергии является отраженная энергия от стены, на которой был установлен коллектор (рис. 2).

Рис. 1. Зависимость эффективности коллектора от его угла наклона

Рис. 2. Экспериментальная установка. Вид сверху

Для подтверждения этой гипотезы сформулированы задачи эксперимента:

- определить значение повышения тепловой эффективности ПСК за счет отраженной энергии от стены здания;

- математически описать количество отраженной энергии в зависимости от условий установки ПСК.

Основные эксперименты проведены в период с 21.09 до 10.10 2006 г. в Москве (55°45” с.ш.). В период с 18.12 до 29.12 2006 г. и с 17.04 до 28.04 2007г. проведён ряд дополнительных экспериментов для подтверждения полученных результатов.

Результатами явились графики изменения температур по подающей и обратной линии теплового контура, снимаемые ежедневно в течение всего дня; оценка наблюдаемой средней облачности; также в расчетах использованы данные по метеоусловиям в это время.

Переменной при проведении опытов, кроме угла склонения солнца, погодных и других, не зависящих друг от друга условий, являлся угол наклона коллектора к горизонту. Именно угол наклона в эксперименте менялся, т.е. определенный период времени в течение месяца коллектор находился под фиксированным углом к горизонту, производились замеры и снятие данных с приборов, затем угол наклона менялся и т.д. В течение всего исследования угол наклона менялся четыре раза.

Таблица 1. Область исследования

Период	Угол наклона КСЭ
	60°	45°	30°	15°
Осень 2006	21.09ч25.09	26.09ч30.09	1.10ч5.10	6.10ч10.10
Зима 2006	27.12ч29.12	24.12ч26.12	21.12ч23.12	18.12ч20.12
Весна 2007	26.04ч28.04	23.04ч25.04	20.04ч22.04	17.04ч19.04

Все данные, полученные экспериментально, и значения величин для каждого дня обрабатывались и сводились для расчетов в табличные формы.

Таблица 2. Объемы выполненных экспериментов

Общее время работы лабораторной установки	440 ч
Количество воды, прошедшей через счетчик	13200 л
Количество поступившего тепла	1139499 кДж
Количество полученного тепла	509087 кДж
Максимальная температура воды	66,0 °С
Мощность установки	220 Вт
Средний КПД коллектора	45,0 %

Расчет показателей работы экспериментальной солнечной установки по результатам измерений.

Расчет проведен по поступающей и воспринимаемой энергии для каждого дня с расчетом средних значений для каждого часа. При этом мгновенные средние значения вычислены для середины каждого часа (8:30; 9:30 и т.д.), а значения количества энергии определялись за текущий час, то есть если мгновенное значение определено для 8:30, то значение энергии будет равно энергии, поступившей, начиная с 8:00 и заканчивая 9:00. В таблицах 3-6 представлен частный случай расчетов для 25-го сентября и угле наклона ПСК к горизонту 60° (см. рис. 3).

Таблица 3. Расчет энергии, поступившей на наклонную поверхность КСЭ, 25 сентября, угол наклона коллектора к горизонту 60є. Общие данные для всего дня

	cos	sin
Широта местоположения ц,град.	55,75	0,563	0,827
Коэффициент ясности атмосферы Кт	0,8
Коэффициент отражения от земли сз/ от стены сст	0,2/0,7
Угол наклона коллектора в, град.	60	0,500	0,866
Азимут поверхности КСЭ аК , град.	0	1,000	0,000

Таблица 4. Расчет поступающей энергии

Исходные, вычисленные величины	9:30	10:30	11:30	12:30	13:30	14:30	15:30	16:30
Излучение на горизонтальную поверхность I, Вт/м2	577,0	698,3	774,6	800,6	774,6	698,3	577,0	418,9
Рассеянное излучение Id, Вт/м2	86,8	105,0	116,5	120,4	116,5	105,0	86,8	63,0
Прямое излучение Ib, Вт/м2	490,2	593,3	658,1	680,2	658,1	593,3	490,2	355,9
Плотность излучения (без учета отраженной от стены) на 1м2 поверхности ПСК IT, Вт/м2	710,5	871,1	972,1	1007	972,1	871,1	710,5	501,1
Плотность излучения, отраженного от стены здания на 1 м2 поверхности ПСК Iот, Вт/м2	27,1	32,8	36,4	37,6	36,4	32,8	27,1	19,7
Плотность полного излучения на 1м2 поверхности ПСК IT, Вт/м2	737,6	903,9	1009	1044	1009	903,9	737,6	520,7

Таблица 5

Средняя наружная температура tн, °С	16,1
Осадки	Дымка
Направление, скорость ветра, м/с	Зап-1
Масса воды в коллекторе mв.кс., кг	1,46
Масса воды в контуре mв.к., кг	8,0
Площадь поверхности КСЭ Sк, мІ	2,3

Таблица 6

Исходные, измеренные, вычисленные величины	9:30	10:30	11:30	12:30	13:30	14:30	15:30	16:30
Температура после ПСК t1, °C	36	47	57	63	61	54	43	33
Температура до ПСК t2, °C	19	21	24	26	25	23	20	19
Разница температур Дt, °С	17	26	33	37	36	31	23	14
Тепло, воспринятое Нобщ, кДж	2339	3457	4239	4547	4315	3614	2672	1471
Плотность воспринятого излучения Iвс, Вт/мІ	282	417,5	512	549,2	521,1	436,5	322,7	177,7

Средний тепловой КПД для этого дня без учета отраженной энергии от стены здания равен:

То же, с учетом отраженной энергии от стены здания:

Отраженная энергия от стены здания дала прибавку к КПД коллектора в 1,7% при угле наклона к горизонту 60°.

Частный случай распределения плотности поступившей и снятой энергии по часам 25 сентября показан на рис. 4. Из него видно распределение восприятия солнечной энергии в течение дня.

Рис. 3. Положение плоскости ПСК при угле наклона к горизонту 60є

Для анализа полученных и рассчитанных экспериментальных данных они были сведены в общую сравнительную таблицу (см. табл. 8), составленную на основании выполненных расчетов.

Рис. 4. Поступление и теплосъем поступающей энергии 25 сентября, угол наклона коллектора к горизонту 60є



Рис. 5. Зависимость КПД коллектора от наружной температуры воздуха

На рис. 5 показана зависимость КПД коллектора от средней наружной температуры воздуха. Видно, что в пределах изменения температуры от минус 8 до 16,5°С КПД коллектора падает при низких (от 0°С) температурах, что свидетельствует о тепловых потерях через теплоизоляционную конструкцию коллектора, кроме того во время проведения экспериментов в зимний период на лучевоспринимающую поверхность коллектора периодически попадали осадки в виде снега.

Рис. 6. Зависимость эффективности коллектора от его угла наклона

Далее была оценена эффективность коллектора от его угла наклона.

Линия на рис. 6 «Эффективность коллектора без учета отраженной энергии, %» фактически характеризует не КПД коллектора, а эффективность системы «коллектор - стена здания». Эффективность коллектора значительно растет при уменьшении угла наклона, поскольку коэффициент альбедо стены здания заведомо выше, чем это же значение для поверхности земли. Напомним, что в гл. 3 рассматривались составляющие поступившей на наклонную поверхность энергии солнечного излучения: прямое излучение; рассеянное излучение; излучение, отраженное от земной поверхности. В нашем случае к этим трем составляющим добавляется четвертая: излучение, отраженное от поверхности здания IН4, Вт/м2.

Формула (1) для вычисления полного солнечного излучения теперь примет вид:

, Вт/м2, (10)

где: - составляющая, характеризующая значение отраженной энергии от стены здания, Вт/м2;

сз - коэффициент альбедо земли;

сст - коэффициент альбедо стены;

Сводная таблица результатов расчетов

Таблица 7

Дата	Кол-во поступившей энергии (без учета отражен- ной), кДж/м2	Кол-во полной поступившей энергии, кДж/м2	Кол-во воспринятой энергии, кДж/м2	Влияющие факторы	КПД средний без учета отраженной энергии, %	КПД ср. полный, %	Выигрыш КПД за счет учета отраженной энергии, %
				Коэф. ясности атмосферы	Ср. темп-ра наружного воздуха, °С	Скорость ветра, м/с	Направление ветра
Угол наклона коллектора к горизонту 60°
21.09.06г.	24389,34	25538,04	11487,64	0,9	13	1	Зап	46,8	45,0	1,8
22.09.06г.	31058,76	32204,67	14483,76	0,9	12,5	1	Зап
23.09.06г.	16242,03	16940,28	7684,393	0,55	14,8	1	Зап
24.09.06г.	31101,82	32241,78	14499,4	0,9	14,8	1	Зап
25.09.06г.	26543,63	27553,64	12403,37	0,8	16,1	1	Зап
Угол наклона коллектора к горизонту 45°
26.09.06г.	19116,36	20766,24	9354,24	0,6	10,9	1	Сев	48,8	45,0	3,8
27.09.06г.	23255,64	25175,88	11319,48	0,7	9,3	1	Сев
28.09.06г.	25412,4	27463,32	12362,76	0,75	13,3	1	Ю
29.09.06г.	27633,24	29815,2	13413,56	0,8	12,7	1	Ю
30.09.06г.	11483,64	12571,92	5666,904	0,4	12,8	1	Сев
Угол наклона коллектора к горизонту 30°
1.10.06г.	8352,72	9740,16	4420,861	0,3	11,2	1	Сев	52,5	45,1	7,4
2.10.06г.	8334,72	9718,56	4366,839	0,3	9,8	1	Ю
3.10.06г.	11628	13469,76	6096,512	0,4	12,6	1	Ю
4.10.06г.	11607,48	13442,4	6042,414	0,4	12,6	2	Ю
5.10.06г.	8282,52	9653,76	4357,362	0,3	13,6	2	Ю
Угол наклона коллектора к горизонту 15°
6.10.06г.	11234,66	13938,54	6301,839	0,4	11,1	2	Ю	55,4	45,0	10,4
7.10.06г.	14366,33	17736,7	7986,455	0,5	10,3	1	Ю
8.10.06г.	11181,63	13869,9	6257,857	0,4	11	0
9.10.06г.	5254,411	6594,447	2941,915	0,2	11	0
10.10.06г.	6642,361	7769,688	3482,931	0,25	9,8	1	Вос

Рис. 6 наглядно показывает, сколько энергии потерялось бы при установке коллектора с этими же характеристиками на крыше здания. При этом для замкнутого контура теплоносителя потребовался бы расход энергии на циркуляционный насос. Линия на рис. 6 «Эффективность коллектора с учетом отраженной энергии, %» показывает реальное значение тепловой эффективности этого коллектора.

Как видно из табл. 8 и рис. 6, при угле наклона коллектора в 15° выигрыш КПД составляет 10,4%, а это очень существенно при собственном КПД коллектора в 45%.

Рис. 7. Зависимость стоимости тепловой энергии от ПСК

Рис. 8. Экономический эффект от установки коллектора на стене, руб./м2

Стоимость солнечной энергии в зависимости от широты положения отображает график на рис. 6. Стоимость рассчитана при всех равных условиях: угол наклона коллектора - 30°; коэффициент ориентация плоскости коллектора - южная; коэффициент отражения стены - 0,7; средний коэффициент ясности атмосферы - 0,65. При учете всех местных условий возможно снижение стоимости. Эффект от установки коллектора на стене очевиден, к примеру в Московской области (55° с.ш.), даст экономический эффект 650 руб./м2 (см. рис. 8.).

Заключение

Основные выводы:

1. Подтверждено, что при использовании солнечной энергии, как самой экологически безопасной и универсальной, легко преобразуемой в другие виды энергии, повышение эффективности гелиосистем отопления и охлаждения зданий связано с необходимостью совершенствования гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальными архитектурно-техническими решениями, направленными на сокращение тепловых потерь и на соответствующее снижение потребности в энергии, а также на использование конструкций самого здания для улавливания солнечной энергии. Использование экологичных возобновляющихся первичных источников не приводит к выбросу в атмосферу дополнительного тепла.

2. На основании анализа существующих методик расчета поступающей солнечной энергии в диссертационной работе разработан алгоритм расчета, отличающийся простотой, который можно рекомендовать для практических расчетов. Эффективность разработанного алгоритма подтверждена экспериментально.

3. Выявлены зависимости тепловой эффективности коллектора от различных факторов, как зависимых, так и независимых от человека. В частности, зависимым является угол наклона коллектора к горизонту и отражательные способности стены, а независимыми - наружная температура воздуха, коэффициент ясности атмосферы и скорости ветра.

4. Предложено уравнение для вычисления оптимального угла наклона поверхности, ориентированной на юг в любой точке северного полушария, в любой день года. Математически определен и подтвержден экспериментально оптимальный угол наклона коллектора к горизонту для условий исследования.

5. Обоснована экологическая и экономическая эффективность солнечных коллекторов как локальных источников энергии; оценена степень влияния конструкций здания на количество поступающей на наклонную поверхность солнечной энергии; разработаны рекомендации по интеграции плоских солнечных коллекторов в системы комплексного теплоснабжения зданий с учетом полученных экспериментальных зависимостей.

Литература

1. Рахнов О.Е., Воронин А.И. «Инженерные аспекты децентрализованного теплоснабжения на основе солнечной энергии». Материалы VI региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». Том второй. Общественные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2003, с.175.

2. Рахнов О.Е., Воронин А.И. «Анализ эффективности использования солнечной энергии в Ставропольском крае». Материалы XXXIII научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003год. Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2004, с. 115.

3. Рахнов О.Е. «Исследование эффективности работы плоского солнечного коллектора». Материалы VI региональной научно-практической конференции «Вузовская наука: из настоящего в будущее» 21-24 апреля 2005г - Кисловодск: изд-во филиала СевКавГТУ в г. Кисловодске, 2005, с.166.

4. Рахнов О.Е. «О перспективах использования коллекторов солнечной энергии (КСЭ) в московском регионе». Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», №4, 2007, с.111.

5. Рахнов О.Е. «Геоэкологическая эффективность от использования солнечной энергии». Сб. «IV-е Денисовские чтения» М.МГСУ. 2008 г., с.218

6. Рахнов О.Е., Потапов А.Д., Волшаник В.В. «Повышение эффективности настенного плоского солнечного коллектора за счет отражательной способности конструкции здания». Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», №4, 2008, с. 144.

Размещено на Allbest.ru

...