Технические науки/5.Энергетика
Бекалай Нурипа Кыргызбайкызы
Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан
ТЕПЛО-ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ
Возможности использования экологически чистой
повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекают
все большее внимание. Существуют недостатки использование такой энергии.
Основные недостатки таких систем: высокое капиталовложение, зависимость от
окружающих факторов, техническое несовершенство.
На кафедре Промышленная теплоэнергетика функционирует
учебная лаборатория: «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии», где проводятся
научно-исследовательские работы с привлечением студентов и магистрантов в направлении
«Энергосбережение и нетрадиционные источники энергии».
Одна из таких работ: «Экспериментальное определение
тепло-гидравлических характеристик солнечных коллекторов». В работе были
рассмотрены различные установки и схемы для получения тепловой энергии с
использованием солнечных коллекторов и способы повышение
теплопроизводительности.
Цель работы экспериментальное определение
тепло-гидравлических характеристик солнечных коллекторов. В данной работе
разработана программа в приложении LabVIEW8.2, задачей которой является расчет
солнечных коллекторов. В разработанной программе проведено исследование
факторов влияющих на коллектор и степень их влияния. Исследование коллектора
проведено в городе Алматы.
В данной исследовательской работе рассматриваются
вопросы определения факторов и условий, влияющих на эффективность солнечных
коллекторов и определения оптимальных
условий для получения более высоких КПД. Изучение этих факторов исследовано на
лабораторном стенде с использованием программного обеспечения LabView. При помощи
данного программного продукта было детально исследовано работа солнечного
коллектора.
Эффективность солнечного коллектора зависит от многих
факторов и для ее повышения должны выполняться следующие требования:
- стекло должно иметь максимальную пропускную
способность;
- теплоотдача в окружающую среду должна быть
минимальной;
- поверхность теплоприемника солнечного коллектора
должна обладать максимально возможной поглощательной способностью;
- степень черноты пластины по отношению к
длинноволновому излучению должна быть минимальной;
- температура теплопрёмной поверхности должна
поддерживаться на минимальном, удовлетворяющем потребителя уровне, поскольку
тепловые потери при этом будут минимальны.
Экспериментальные результаты показывают, что КПД
солнечного коллектора, т.е. выраженное в процентах отношение полезного тепла ко
всей поступающей радиации, зависит: от режима поступления радиации; внешней
температуры; конструкции солнечного коллектора; температуры и расхода
теплоносителя в солнечном коллекторе.
Исследуемая экспериментальная установка, использует
солнечную энергию для выработки тепла, имеет следующие характеристики:
- назначение установки - система теплоснабжения
комбинированная (отопление и горячее водоснабжение);
- по типу преобразования солнечной энергии - система активная;
- время работы в течение года – сезонные;
- степень охвата потребителей – индивидуальное или
групповое;
- время аккумулирования энергии - с долгосрочным
(сезонным) аккумулированием;
- характер движения теплоносителя в процессе нагрева -
принудительная циркуляция;
- число контуров – многоконтурная;
- режим отбора тепла - переменная температура
теплоносителя;
- наличие дублирующего источника энергии - тепловой
насос.
Исследование проводится на солнечном коллекторе.
Выбор оборудования:
- солнечный коллектор – плоский, исследуется с
одностекольным и двухстекольным покрытием;
- тепловой насос – WW036-8USC (вода-вода),TH-EC;
- теплообменники – медные;
- вентили – солиноидные, со штурвалом и
электродвигателем;
- циркуляционные насосы;
- тепловой аккумулятор – бак с водой (400 литров);
- клапаны;
- электродвигатель с поворотными механизмами.
Выбор измерительных приборов:
- расходометры:
ультразвуковой расходомер
Метран-303ПР; массовый кориолисовый расходомер Сенсор: Серия Elite;
преобразователь: Модель IFT9701, IFT9703 – измерение массового и объемного
расхода.
- термометры: датчики температур Rosemount 248 состоят
из первичного преобразователя сопротивления или термоэлектрического
преобразователя и измерительного преобразователя Rosemount 248; диапазон
измерений: -50…450°С; погрешность: 0.1% от интервала измерения.
- манометры: малогабаритные датчики давления
Метран-55; диапазон измерений: минимальный 0 - 0,06 МПа; максимальный 0 - 100
МПа; погрешность измерений: 0.15%.
- метеостанция: (пиранометр М-80м, анемометр,
термометр).
Программное обеспечение, применяемое в расчетах -
LabView или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (Среда
разработки лабораторных виртуальных приборов) представляет собой среду
графического программирования, которая широко используется в промышленности,
образовании и научно-исследовательских лабораториях в качестве стандартного
инструмента для сбора и управления приборами. LabView – мощная и гибкая
программная среда, применяемая для проведения измерений и анализа полученных данных.
LabView – многоплатформенная среда. С помощью графического языка
программирования LabView, именуемого Джей, можно программировать задачу из
графической блок-диаграммы, которая компилирует алгоритм в машинный код.
Являясь превосходной программной средой для
бесчисленных применений в области науки и техники, LabView поможет решить
задачи различного типа, затрачивая значительно меньше времени и усилий по
сравнению с написанием традиционного программного кода.
Минимальные требования к системе для работы со средой
LabVIEW:
- Windows XP/NT/Me/9x;
- 32 Mb ОЗУ;
- 65 Mb свободного дискового пространства;
- Процессор класса Pentium – 166 и выше.
Используя программный продукт (LabView 8.2), проведено
три эксперимента.
1-ый эксперимент.
Цель работы: определение эффективности использования
плоского коллектора с одинарным и двойным остеклением, в условиях Казахстана
(Алматы) за год.
Условия эксперимента:
- коллектор неподвижен (азимут коллектора и угол
наклона - постоянные);
- эксперимент проводится ежемесячно в полдень (данные
берутся среднемесячные);
- температура на входе и расход теплоносителя
постоянен;
- обычный плоский коллектор;
- число слоев остекления – 1 и 2;
- широта Алматинская – 43.4º;
- интервал времени – год.
Определеляются следующие параметры: количество
тепловой энергии падающей на коллектор; удельная мощность коллектора;
температура теплоносителя на выходе; КПД коллектора; тепловые потери.
Вывод: определив параметры солнечного коллектора при
данных условиях, можно сделать вывод, что данная установка эффективно работает
с апреля по сентябрь. На эффективность установки существенно влияет окружающая
температура, время года, коэффициент теплопроводности и местоположение
установки.
2-ой эксперимент.
Цель работы: определение тепловых потерь в
атмосферу, изменяя температуру
теплоносителя на входе в коллектор.
Условия эксперимента:
- изменяем температуру на входе от t=-5°C до t=60°C
- коллектор активный (максимальное поглощение
солнечной радиации)
- азимут коллектора = 0°, угол наклона коллектора =
21°;
- эксперимент проводится 22 июля в полдень;
- окружающая температура t0=20°C;
- расход теплоносителя постоянен g = 0.03(кг/м2·с);
- обычный плоский коллектор;
- число слоев остекления – 1;
- широта Алматинская – 43.4º;
Определеляются следующие параметры: удельная мощность
коллектора; тепловые потери.
Вывод: результаты эксперимента показывают, что
температура теплоносителя на входе существенно влияет на эффективность
коллектора. Для получения максимального эффекта от солнечного коллектора,
температура теплоносителя на входе должна быть не выше температуры окружающего
воздуха.
3-ий эксперимент.
Цель работы: исследовать влияние положения солнечного
коллектора на теплопроизводительность.
Условия эксперимента:
- коллектор активен (варьируется параметры - азимут
коллектора, угол наклона коллектора относительно горизонта);
- эксперимент проводится 22 июля в полдень 12:00;
- окружающая температура t0=20°C;
- температура на входе t1=20°C;
- расход теплоносителя постоянен g = 0.03(кг/м2·с);
- плоский коллектор;
- число слоев остекления – 1;
- широта Алматинская – 43.4º;
Определеляются следующие параметры: количество
тепловой энергии падающей на коллектор; удельная мощность коллектора;
температура теплоносителя на выходе; КПД коллектора; тепловые потери.
Вывод: исследовав данные, можно сделать вывод, что
положение солнечного коллектора относительно солнца существенно влияет на
теплоэффективность. В данном случае
работа коллектора будет наиболее эффективно при следующих данных: азимут αп=
0° (коллектор направлен на юг) и угол наклона β = 30°.
В заключение можно сделать вывод, что использование
солнечной энергии в качестве теплоснабжения весьма эффективно с апреля по
сентябрь для условий Алматы. Солнечная энергетика имеет перспективы, но как
дублирующий источник тепла. В работе, было исследовано довольно много факторов влияющих на
коллектор и их степень влияния на теплопроизводительность коллектора.
Основные факторы, влияющие на теплопроизводительность:
режим поступления радиации; внешняя температура; конструкция солнечного
коллектора; температура и расход теплоносителя в солнечном коллекторе;
географическое местоположение; используемые материалы.
Для теплоснабжение рекомендуется использовать
комбинированную систему, например солнечный коллектор, котел, тепловой
аккумулятор.
Для освоения солнечной энергии в
энергодефицитных районах, прежде всего, необходимо преодолеть психологический барьер потребителей.
Активное информирование потенциальных пользователей о возможностях и особенностях новых предлагаемых технологий,
наглядная демонстрация энергетических, экономических и экологических
преимуществ использования солнечных установок может способствовать успешному
развитию данного вида возобновляемой энергии.
Литература:
1. Агеева Г.М.,
Лантух Н.Н., Щербатый В.С. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка //
С.О.К. — 2005. — № 12. — с. 36.
2. Разработка
и внедрения автоматизированной системы солнечного горячего водоснабжения на
базе ЯУМЦЕ г. Ялта: Отчет по НИР // Киев: КиевЗНИИЭП, 1992 г.
3. В.И.
Ляшков, С.Н. Кузьмин. Нетрадиционные и
вознобновляемые источники энергии.
Учебное пособие для студентов теплоэнергетических специальностей вузов. Тамбов - Издательство ТГТУ -2003
4. Джеффри
Тревис. «LabVIEW для всех» перевод Клушина.
М.- 2005