Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные источники энергии. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
для отопления и горячего водоснабжения зданий в зимний период.
Для повышения потенциала низкотемпературного теплоносителя
применяется тепловой насос.
1.8. СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
Плоские солнечные коллекторы (рис. 8) состоят из стеклянного
или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к
солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).
Рис. 8. Плоский солнечный коллектор:
1 – солнечные лучи, 2 – остекление, 3 – корпус, 4 – тепловоспринимающая поверхность,
5 – теплоизоляция, 6 – собственное длинноволновое излучение
тепловоспринимающей поверхности
На рис. 9 представлена принципиальная схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с солнечными коллекторами, в которой предусмотрен автоматический дренаж коллекторов
при прекращении воздействия солнечной радиации.
В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать
любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются такие тепловоспринимающие панели из
алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели
(труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и бы-
21
строго старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой
теплопроводности не находят широкого применения.
Рис. 9. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного
отопления с плоскими коллекторами и их автоматическим дренажем
при прекращении циркуляции:
1 – солнечные плоские коллекторы, 2 – расширительный бак,
3 – дополнительный теплоисточник, 4 – теплообменник, 5 – отопительные приборы,
6 – циркуляционные насосы, 7 – бак-теплоаккумулятор
Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70–80 °С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения
на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально- селективными
слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца
и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой
части спектра. Такие конструкции на основе « черного никеля», « черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие
весьма дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью
самой тепловоспринимающей панели).
Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов
является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и
прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные
коллекторы четвертого поколения). Устройство теплоизоляции удорожает и утяжеляет конструкцию гелиоприемника.
22
Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных
коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем.
Прежде всего, это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы
охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от
пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из
строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных
участков стекла за счет нарушения целостности остекления.
Рис. 10. Жидкостная двухконтурная комбинированная низкотемпературная
система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом
и двумя жидкостными теплоаккумуляторами:
1 – солнечные коллекторы, 2 – воздухосборник, 3 – низкотемпературный жидкостный
теплоаккумулятор, 4 – испаритель теплового насоса, 5 – компрессор, 6 – дроссельный
вентиль, 7 – высокотемпературный жидкостный теплоаккумулятор, 8 – конденсатор
теплового насоса, 9 – дополнительный теплоисточник, 10 – магнитный вентиль,
11 – датчик температуры, 12 – отопительные приборы, 13 – циркуляционный насос
Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов
при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы
систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в
течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной ра-
23
диации (до 50 %) показал невозможность создания круглогодичной
автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют
устройства больших по объему баков- аккумуляторов и включения в
систему дополнительного источника энергии (рис. 10), что снижает
экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее
целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/ м2).
От технического совершенства коллектора и стоимости зависят
эффективность всей системы солнечного теплоснабжения и ее экономические показатели.
1.9. РАСЧЕТ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ
Поток лучистой энергии Q
, Вт, поглощаемой поверхностью
пов
приемника, составляет [1]:
где
=
пов
– коэффициент пропускания солнечного излучения прозрач-
пов
· · · ,
пов
ным покрытием, принимается равным 0,9 для одинарного стеклянного покрытия, 0,8 – для двойного стеклянного покрытия, 0,81 – для селективного стекла;
– коэффициент поглощения приемной поверхностью коллекто-
ра солнечного излучения, принимается равным 0,91 для одинарного
стеклянного покрытия, 0,9 – для двойного стеклянного покрытия,
0,81 – для селективного стекла;
А – площадь освещаемой поверхности коллектора, м2;
– облученность поверхности солнечного коллектора, Вт/
м2.
В процессе поглощения энергии температура поверхности приемника повышается и становится существенно выше температуры
окружающего воздуха. Это приводит к возникновению обратного теплового потока в окружающую среду, который можно определить
следующим образом:
= (п−
пот
24
о. с
)/
,
п
где Тп – температура приемной поверхности коллектора, К;
Т
– температура окружающего воздуха (среды), К;
о. с
– термическое сопротивление приемной поверхности коллек-
п
тора, для типичных коллекторов можно принять равным 0,13 м
для одинарного стекла, 0,22 м
0,4 м
2
·/Вт – для селективного стекла.
2
·/Вт – для двухслойного стекла,
Уравнение солнечного коллектора тогда можно представить в виде
2
·/Вт
ск = [
· · − (п−
пов
)/].
о. с
Однако воде передается не вся энергия, получаемая коллектором, а
только ее часть, характеризуемая коэффициентом перехода солнечной энергии, который показывает, какая доля теплового потока
ск
пе-
редается жидкости. Данный коэффициент принимается равным 0,85:
ж = ·
ск
.
Количество тепла, требуемого для нагрева жидкости на опреде-
ленную разницу температур
ж = в·· с(к−
, Вт, можно записать в виде
ж
),
н
где Тк – конечная температура воды, К;
Тн – начальная температура воды, К;
– плотность воды, кг/
с – теплоемкость воды, Дж/(кг·К);
м3;
– объемный расход воды, м3/ с.
в
Уравнение теплового баланса коллектора можно записать в виде
· (
· · − (п−
пов
)/) = в · · с(к−
о. с
).
н
Из уравнения баланса солнечного коллектора определяются все
основные характеристики.
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛУ 1
1. На крыше жилого дома установлен плоский пластинчатый на-
греватель одинарного остекления с размерами 2,2 × 0,8 м2.
Определить требуемый объемный расход воды через приемник
, м3/ с, для обеспечения условия повышения температуры воды на
в
25
выходе из коллектора на 10 °С при следующих исходных данных:
температура окружающего воздуха Т
= 25 °С, температура прием-
о. с
ной поверхности коллектора Тп увеличивается на 24 °С, облученность
поверхности солнечного коллектора = 700 Вт/
м2, начальная темпе-
ратура воды Тн = 20 °С.
2. Для условий задачи 1 ответить на вопросы:
a) Как изменится расход воды, если использовать двойное остек-
ление?
b) Как изменится расход воды, если использовать селективное
покрытие?
c) Как изменится расход воды, если поток лучистой энергии в
плоскости коллектора станет I = 1000 Вт/ м2?
d) Как изменится расход воды, если поток лучистой энергии в
плоскости коллектора станет I = 400 Вт/ м2?
e) Как изменится температура воды на выходе, если при том же
расходе воды поток лучистой энергии в плоскости коллектора станет
I = 1000 Вт/ м2?
f) Какова должна быть площадь коллектора, чтобы обеспечить
водоснабжение коттеджа, в котором проживают пять человек, из условия потребления 100 литров воды на человека в сутки?
3. Построить зависимость расхода воды по условиям задачи 1:
a) от площади коллектора А = 2; 3; 6; 10; 20; 40; 100; 200 м2;
b) от температуры входящей жидкости Тн = 12; 15; 18; 20; 24 °С;
c) от температуры окружающего воздуха Т
= 20; 24; 28; 32;
о. с
36 °С;
d) от температуры выходящей жидкости Тк = 30; 35; 40; 45 °С;
e) от температуры поверхности коллектора Тп = 40; 45; 50; 55;
60 °С.
4. Построить зависимость температуры воды на выходе из кол-
лектора по условиям задачи 1:
a) от площади коллектора А = 2; 3; 6; 10; 20; 40; 100; 200 м2;
26
b) от температуры входящей жидкости Тн = 12; 15; 18; 20; 24 °С;
Наименование
Варианты
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
Облученность
G, МДж/ м2
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10 9 8 7 6
c) от температуры окружающего воздуха Т
= 20; 24; 28; 32;
о. с
36 °С;
d) от расхода воды = 10; 15; 20; 25; 30; 35, 10
–3
кг/ с;
e) от температуры поверхности коллектора Тп = 40; 45; 50; 55;
60 °С;
f) от интенсивности солнечной радиации = 450; 500; 600; 700;
800; 900 Вт/ м2.
5. Разлитое в бутылки молоко пастеризуется в потоке горячей во-
ды (70 °С) в течение 10 мин. Для качественной пастеризации необходимо на каждую бутылку подавать 48 л горячей воды. Вода циркулирует так, что ее минимальная температура составляет 40 °С. Для подогрева воды используется солнечная энергия.
Определить минимальную требуемую площадь приемника в отсутствие потерь, если производительность завода составляет 65000
бутылок за 8-часовую рабочую смену. Облученность приемника ,
МДж/м
2
, за 8 часов, = 1; = 1; r = ∞.
ВЫВОД
Таким образом, в данной главе рассмотрены вопросы, касающиеся использования солнечной энергии, приведены теоретические основы данной тематики. Для проверки усвоения материала очень важно
разобрать каждый контрольный вопрос и задачу.
27
РАЗДЕЛ 2. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
2.1. ЭНЕРГИЯ МОРСКИХ ВОЛН
Огромные количества энергии можно получить от морских волн
[3]. Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорцио-
нальна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший ин-
терес представляют длиннопериодные (Т 10 с) волны большой амплитуды (2 м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в
среднем от 50 до 70 кВт/ м.
Возможность преобразования энергии волн в электроэнергию доказана уже давно. Существует множество технических решений, позволяющих реализовать эту возможность. В последние годы интерес
к волновой энергетике существенно повысился, особенно в Японии,
Великобритании, странах Скандинавии, в результате чего экспериментальные исследования переросли в стадию реализации проектов.
Современная тенденция разработки таких установок, как и вообще
установок на возобновляемых видах энергии, связаны с использованием единичных модулей умеренной мощности (около 1 МВт) размером порядка 50 м вдоль фронта волны. Подобные устройства уже
сейчас могут принести определенные экономические выгоды в случае
замены дизельных генераторов, снабжающих энергией удаленные поселки, особенно на островах.
Развитие волновой энергетики сопряжено со значительными
трудностями. В основном они сводятся к следующему.
Волны нерегулярны по амплитуде, фазе и направлению движения.
Всегда есть вероятность возникновения экстремальных штормов
и ураганов, во время которых образуются волны очень большой интенсивности. Конструкции волноэнергетических устройств должны,
разумеется, им противостоять. Примерно раз в 50 лет возникают волны, амплитуда которых в 10 раз превышает среднюю. Следовательно,
во время штормов конструкции должны выдерживать нагрузки, примерно в 100 раз большие, чем при нормальной работе.
28
Подобные пиковые величины мощности присущи, главным образом, именно волнам на глубокой воде, приходящим со стороны открытого моря. Трудности, связанные с созданием энергетических
устройств для таких волновых режимов, их обслуживанием, удержанием в заданном положении, передачей энергии на берег, связаны с
большими финансовыми затратами [3, 4].
Обычно период волн Т ≈ 5–10 с (частота порядка 0,1 Гц). Достаточно трудно приспособить это нерегулярное медленное движение к
генерированию электроэнергии промышленной частоты, которая в
500 раз выше.
Выбрать подходящий тип устройства для преобразования энергии из всего их многообразия – сложная, часто просто непосильная
задача. Привычка мыслить категориями крупномасштабной энергетики промышленно развитых районов ведет к искушению создавать
лишь крупные волновые электростанции в местах с высокими волновыми потенциалами. При этом существует тенденция игнорировать
зоны умеренных потенциалов, где зачастую использование волновой
энергии оказывается экономически более оправданным.
Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на
любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния. Например, крупные волны, достигающие побережья Европы, зарождаются во время штормов в центре Атлантики и
даже в Карибском море.
Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глу-
бина моря превышает величину половины длины волны /2. Например, при характерной длине волны 100 м и амплитуде
волна
м
ведет себя так же, как на глубокой воде, при глубине моря, превышающей 30 м. Амплитуда кругового движения с глубиной уменьша-
29
ется экспоненциально и становится пренебрежимо малой при
≥ /2. В волне на мелководье частицы движутся по эллиптическим
орбитам, движение охватывает придонный слой, приводя к диссипации энергии волны.
Поверхностные волны на глубокой воде имеют характерные особенности. Волны являются неразрушающимися синусоидальными с
нерегулярной длиной, фазой и направлением прихода.
Движение каждой частицы жидкости в волне является круговым.
В то время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о
распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении. Поверхностный слой жидкости остается на поверхности.
Амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально умень-
шается с глубиной. На глубине /2 от среднего положения уровня
поверхности амплитуда кругового движения частиц уменьшается в е
раз (е = 2,72 – основание натурального логарифма). На глубине /2
перемещение частиц жидкости становится пренебрежимо малым, составляя менее 5 % поверхностного.
Существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины ,
скорости распространения с, периода Т, а зависит лишь от характера
предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью.
В то же время редко создаются условия, при которых амплитуда дос-
тигает значения /10.
Разрушение волны в виде белого буруна происходит, когда наклон ее поверхности составит примерно 1:7. Энергетический потенциал волны при этом рассеивается.
Теоретически анализ волнового движения в жидкости достаточно
труден, однако он детально выполнен в ряде специальных изданий.
Здесь из теории использованы лишь те результаты, которые необходимы для понимания работы наиболее простых волноэнергетических
устройств.
Для волн на глубокой воде силы трения, поверхностного натяжения и инерции малы по сравнению с двумя доминирующими силами
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]