Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Расчет плоского коллектора солнечной энергии

.pdf
Скачиваний:
117
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
325.41 Кб
Скачать

Тема 2. Расчет плоского коллектора солнечной энергии (КСЭ)

Коллекторы предназначены для преобразования солнечного излучения в тепловую энергию. Плоские коллекторы солнечной энергии (КСЭ) могут собирать как прямое, так и рассеянное (диффузное) и даже отраженное солнечное излучение.

Плоский КСЭ работает в комплекте с баком-аккумулятором.

Основными элементами плоского солнечного коллектора являются: 4 - поглощающая панель с каналами для теплоносителя; 2- прозрачная изоляция (обычно из стекла); 5- тыльная и боковая изоляция; 3- корпус.

Поглощающая панель. Теплота передается с поверхности панели жидкому теплоносителю через трубки. Обычно на панель наносится покрытие с селективными оптическими свойствами. Высокоселективное покрытие обеспечивает максимально возможное преобразование поступающего излучения в тепловую энергию (высокая поглощательная

способность, альфа ( ), при этом только малая часть теплоты теряется вследствие излучения панели (низкая излучательная способность, эпсилон ( )

– более высокий уровень рабочих температур.

Покрытие наносится либо гальваническим способом (черный хром), либо напылением (так называемые «синие слои»). Высокая селективность обеспечена в обоих случаях, покрытия отличаются устойчивостью к воздействию окружающей среды (например, хлоридосодержащий морской воздух), а также поглощательной и излучательной способностью при различных температурах.

Эффективность плоского КСЭ с селективным покрытием в 1,5-2 раза выше, чем без покрытия.

В зависимости от конструкции каналов для теплоносителя различают пластинчатые и сплошные коллекторы. Во втором случае трубка с теплоносителем проходит по всей поверхности панели в виде меандра.

Пластинчатые коллекторы в нормальных условиях эксплуатации имеют сравнительно небольшие потери давления, что создает риск неравномерного распределения теплоносителя. Панели с трубками в форме меандра

обеспечивают надежный отбор теплоты, поскольку теплоноситель протекает по одной трубке.

Изоляция предназначена для снижения тепловых потерь в окружающую среду. Прозрачная изоляция панели расположена на фронтальной поверхности панели и обычно состоит из одного или двух слоев стекла.

Площадь апертуры

Площадь апертуры коллектора - это максимальная проецируемая площадь, через которую может поступать солнечное излучение. В плоском коллекторе площадью апертуры является видимая зона защитного стекла, то есть область внутри рамы коллектора, через которую излучение попадает в коллектор.

Коэффициентом полезного действия солнечного коллектора называется доля солнечного излучения, попадающая на площадь апертуры коллектора, которая преобразуется в полезную тепловую энергию.

Коэффициент полезного действия зависит от рабочего состояния коллектора. Способ расчета КПД одинаков для всех типов коллекторов. Часть попадающего на коллектор солнечного излучения теряется вследствие отражения и поглощения на прозрачном покрытии и вследствие отражения от самой тепловоспринимающей панели. По соотношению интенсивности попадающего на коллектор излучения и мощности излучения, преобразующейся в теплоту, можно рассчитать оптический коэффициент полезного действия коллектора. Он обозначается, как η0(эта ноль).

Если коллектор нагревается солнечным излучением, то он теряет часть теплоты в окружающую среду вследствие теплопроводности материала коллектора, теплового излучения и конвекции (движения воздуха). Эти теплопотери можно рассчитать с помощью коэффициентов тепловых потерь k1 и k2 и разности температур ΔT (дельта Т) между поглощающей панелью и окружающей средой. Разность температур указывается в К (градусах Кельвина).

где η0 – оптический коэффициент полезного действия, доли от 1; k1 и k2 – коэффициенты тепловых потерь в окружающую среду;

Т – разность температур теплоносителя (воды) и наружного воздуха, К;

Еg – максимальная интенсивность (плотность) падающего на поверхность земли солнечного излучения, Вт/м2.

Еg = 1000 Вт/м2 при безоблачном небе.

η0, k1 и k2 – справочные величины для конкретного типа коллектора.

Как видно из формулы, коэффициент полезного действия падает при росте разности температур между коллектором и окружающей средой.

Если отбор теплоты из коллектора прекращается (т.е. насос не работает, а теплоноситель не циркулирует), коллектор нагревается до температуры стагнации – тепловые потери равны поглощенному излучению, а производительность равна нулю. Для плоских КСЭ это примерно 200 °С.

Методика расчета:

1) Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность плоского КСЭ определяется по формуле:

Eк RE , кВт·ч/м2·день

где Е - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, кВт·ч /м2·день;

R - коэффициент пересчета суммарной среднемесячной дневной солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности КСЭ;

 

 

Ед

R п

1 cos

 

Eд

1 cos

,

R 1

 

2

 

 

 

2

 

 

E

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

где Е д - среднемесячное дневное количество диффузионной (рассеянной)

солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, кВт·ч /м2·день;

R п - среднемесячная величина коэффициента перерасчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

- угол наклона КСЭ к горизонту, град, (Оптимальный угол наклона солнечного коллектора β к горизонту принимается для систем ГВС круглогодичного действия равным широте местности φ, для системы сезонного действия – равным широте φ минус 15°)

κ - коэффициент отражения (альбедо) для подстилающей поверхности Земли (от 0,2 до 0,8). Обычно летом 0,2, а зимой при наличии снежного покрова 0,7.

Среднемесячная величина коэффициента перерасчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность определяется по формуле:

 

 

cos

cos

sin

/

 

 

/

sin

 

 

sin

 

з

180

з

 

 

R п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

cos

cos

sin

з sin

sin

 

 

 

 

 

 

 

з

 

180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где φ - широта местности, град; δ - угол склонения солнца, град;

γз и γ/з - часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтального и наклонного положения КСЭ, град. За γ/з принимается меньшее из 2-х значений, а за γз – большее.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности определяется по формуле:

зarccos tg tg , град.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для наклонной поверхности определяется по формуле:

зarccos( tg( ) tg ) , град.

Угол склонения солнца определяется по формуле:

23,45 sin 360 284 n ,

365

где 23,45 – угол наклона условной земной оси относительно нормали к плоскости вращения Земли вокруг Солнца, град;

(Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23.45° (21 июня) до -23.45° (21 декабря). Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.)

360 – значение полного оборота Земли вокруг Солнца за год, град; 284 – число суток от 21 марта до 31 декабря.

n – порядковый номер последнего дня рассматриваемого месяца.

2) Максимальное количество теплоты, получаемое в день с 1 кв. метра площади КСЭ определяется по формуле:

 

 

 

 

Qк

 

Ек , кВт·ч /м2·день

где η – кпд КСЭ, доли от 1.

 

 

 

3) Определяется среднемесячная удельная теплопроизводительность

КСЭ, кВт·ч /м2·мес

 

 

 

Qм

Qк nд , кВт·ч /м2·мес

где пд - число дней в рассматриваемом месяце.

4) Определяется необходимая площадь апертуры КСЭ

FQтреб , м2

Qм

где Q треб- тепловая нагрузка системы, кВт·ч /мес.

Тепловая нагрузка системы горячего водоснабжения рассчитывается исходя из требуемой температуры нагрева воды и количества потребителей:

Qтреб Nч Vв q0 треб ТТН ),кВт ч / мес

где Nч – количество человек, потребляющих воду; Vв – расход воды на 1 человека в месяц, л/мес;

q0 – удельный расход энергии на нагрев 1 литра воды на 1 градус, Вт·ч/л;

Ттреб – требуемая температура воды, °С; ТТН – температура теплоносителя, °С.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.