2.5 Характеристические линии кпд и области применения коллекторов

В зависимости от сферы применения и данной области температур к коллекторам ставятся различные требования. На Рис. 2.5 изображены характеристические линии наиболее часто встречающихся видов коллекторов при силе облучения в 800 Вт/м2. Показатели КПД коллекторов указывают на то, какая доля излучения может быть выделена теплоносителем в качестве тепловой мощности коллектора.

Рис. 2.6 Сравнение КПД и рабочая температура различных коллекторов при облучении в 800 Вт/м².

Различия показателей КПД обусловлены различным качеством теплоизоляции. Только при незначительной разности температур между поглотителем и внешней средой тепловые потери не имеют большого значения. При более существенной разнице температур, напротив, качество защиты от теплопотерь в значительной степени определяет полезную мощность.[7]

Для подогрева воды в бассейнах в летнее полугодие разница температур между поглотителем и внешней средой составляет около 15 К. В этой области температур главным преимуществом простых солнечных поглотителей (отсутствие стеклянного покрытия) являются небольшие оптические потери. В этом случае КПД более дорогих коллекторов со стеклянным покрытием едва превышал бы КПД простых поглотителей, хотя установка первых связана с более высокими финансовыми расходами.

Рабочая температура коллекторов для подогрева водопроводной воды составляет 20-60°С. Наиболее распространенные плоские коллекторы, с селективным покрытием поглотителя, имеют приемлемый для данной области температур КПД, который лишь незначительно уступает КПД вакуумных коллекторов. Простые солнечные поглотители, наоборот, в виду своих высоких потерь при таких температурах обладают недостаточной производительностью.

При отоплении помещения поглотитель должен нагреться до температуры 40-60°С, для того чтобы передать тепло теплораспределительной системе либо накопителю. Понижение температуры окружающей среды во время отопительного сезона приводит к

тому, что разницы температур между поглотителем и наружным воздухом становится больше, чем при подогреве воды, функционирующем преимущественно в летние месяцы.

Тем самым преимущества вакуумных коллекторов становятся здесь очевидным. Для производства технологического тепла, напр. для чистки бутылок на пивоваренных заводах, необходимы еще более высокие температуры. В этих областях предпочтение отдается вакуумным коллекторам, т.к. по сравнению с другими гелиоустановками они несут наименьшие потери тепла.

Глава 2.

3.Расчетная часть

3.1Описание стенда с плоским коллектором

Теплоноситель вода циркулируя через коллектор, нагревается и передает тепловую энергию в бак водонагревателя. Циркуляция воды происходит естественным образом из-за разности температур в коллекторе и баке аккумуляторе, который располагается выше. Бак должен располагаться не ближе чем 600 мм к солнечному коллектору. Солнечный водонагреватель состоит из бака холодной воды, короба со змеевиком, и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 45 ℃. В качестве имитации солнечного потока лучей использованы 6 прожекторов мощностью по 150 Вт каждый, общей мощностью 900 Вт.

Рис. 2.7.Демонстрационная установка.

3.2 Расчет КПД установки с плоским коллектором

Мощность излучения

где интенсивность

(1)

Где - коэффициент преобразования в энергетическую единицу из фотометрической, E – плотность излучения.

(2)

где S – площадь солнечного коллектора

(3)

где

При наклоне плоского солнечного коллектора на ,иопределен наиболее эффективный КПД установки.

1) при угле (4)

= 12.85℃ (5)

= 20.4℃

(6)

Где v – объём бака, Q – теплота полученная водой, c – теплоёмкость воды, ρ – плотность воды.

Для расчета КПД коллектора при воспользуемся данной формулой:

% (7)

2) при угле

= 15.45℃

Где v – объём бака, Q – теплота полученная водой, c – теплоёмкость воды, ρ – плотность воды.

Для расчета КПД коллектора при воспользуемся данной формулой (7):

%

3) при угле

= 25.45℃

Где v – объём бака, Q – теплота полученная водой, c – теплоёмкость воды, ρ – плотность воды.

Для расчета КПД коллектора при воспользуемся данной формулой (7):

%

3.3 Диапазоны излучения солнца

Солнце излучает определенное количество энергии во всем диапазоне волн, получаемое в единицу времени единичной площадкой на расстоянии между Землей и Солнцем, перпендикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы. Это значение называется солнечной постоянной l₀, получено за счет измерений с космических аппаратов и стандартно принимается l₀= 1353 Вт/м² . Эффективная солнечная постоянная l_0эф учитывает сезонные колебания расстояния между Землей и Солнцем и рассчитывается по формуле:

(8)

где n – порядковый номер дня отсчитанный от 1-го января.

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Она частично отражается от земной поверхности, а в большей степени поглощается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство. В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному (рис. 2.8).

Рисунок 2.8 Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации на границе атмосферы.

От того на какую поверхность попадает солнечное излучение зависит часть отражаемого тепла. Для сухого чернозема эта доля будет равна 0,14, вспаханного поля, водной поверхности 0,2…0,78 в зависимости угла падения солнечных лучей. В пустынях и субтропиках среднегодовое значение будет равно 210…250 Вт/м². В центральной части Европы 130…210 Вт/м².(5)

Для расчетов в таблице №1 приведены средние значения плотности теплового потока лучистой энергии q л по временам года для отдельных территорий России.

Средняя плотность теплопоступления от солнечной радиации q л, Вт/м².

Таблица 2. Определение прихода солнечной радиации.

Широта	Регион	Весна	Лето	Осень	Зима
45	Северный Кавказ	180,6	265,1	134.2	47,4
50	Нижняя Волга	160,9	255,8	112,3	27,8
55	Москва, Южный Урал, Прибайкалье	121,5	245,4	91,4	8,1
60	Верхняя Волга, Якутия	118,0	234,9	70,6	2,3
65	Север России	98,4	218,7	67,1	0,1

В России общая площадь работающих гелиоустановок не превышает 15тыс.м². В то же время предстоящее удвоение в ближайшие три года тарифов на природный газ и электрическую энергию существенно сократит сроки окупаемости гелиоустановок и будет способствовать повышению их востребованности.

Основным параметром, определяющим целесообразность использования солнечной энергии, является значение интенсивности суммарной солнечной радиации. Среднемесячный приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность южной ориентации определяется по формуле:

(9)

где H₀ - среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность; R - отношение среднемесячных дневных приходов суммарной солнечной радиации на наклонную и горизонтальную поверхности.

Величина R в зависимости от широты местности, месяца, значения K₀ и угла S приведены в специальной таблице в том же справочнике. При этом величина K₀ определяется как отношение действительного прихода радиации к суточному приходу радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы.

где величину H₀ определяют в зависимости от широты и месяца года. Преобразование и улавливание солнечной радиации в теплоту происходит с помощью систем отражателей и приемника сконцентрированной солнечной энергии.