О перспективах использования коллекторов солнечной энергии (КСЭ) в Московском регионе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

О ПЕРСПЕКТИВАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (КСЭ) В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ.

Рахнов О.Е.,

(МГСУ)

Возможности использования экологически чистой повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекают все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (энергия Солнца, ветра, биомассы) должны занять заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды [1, 2, 3].

В среднем по году в условиях средней полосы России солнечное излучение "приносит" на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг у.т./м2 в год. Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку. Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах.

Плоский солнечный коллектор представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны и боков ящик, внутри которого помещена тепловоспринимающая металлическая или пластиковая панель, окрашенная для лучшего поглощения солнечного излучения в темный цвет (или покрытая специальным оптическим селективным покрытием, хорошо поглощающим относительно коротковолновое солнечное излучение и мало излучающее в инфракрасной области) и закрытая сверху светопрозрачным ограждением (один или два слоя стекла или прозрачного стойкого под воздействием ультрафиолета пластика). Панель является теплообменником, по каналам которого прокачивается нагреваемая вода. Циркуляция воды в замкнутом контуре солнечный коллектор - теплообменник - солнечный коллектор может осуществляться принудительно с помощью небольшого циркуляционного насоса или естественным образом за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и нагретой воды.

В ряде стран солнечные водонагревательные установки стали обычным атрибутом жизни. Так, например, в Израиле горячее водоснабжение 80% всех жилых домов обеспечивается солнечными водонагревателями, что дает экономию более 5% производимой в стране электроэнергии. Многие десятки фирм-производителей различных типов солнечных коллекторов и водонагревательных установок успешно действуют в Европе, Америке, Австралии и других регионах мира. Суммарная площадь установленных в наше время солнечных коллекторов в мире превышает уже 50 млн. квадратных метров, что эквивалентно замещению традиционных источников энергии в объеме примерно 5-7 млн. тонн условного топлива в год [2, 3].

Пик развития "солнечного" рынка в мире, обусловленный разразившимся энергетическим "кризисом" и резким ростом цен на энергоресурсы, приходится на середину и конец 70-х годов. Во многих странах были приняты специальные государственные программы прямой финансовой, законодательной и информационной поддержки и стимулирования развития технологий использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Говоря о солнечных водонагревателях, можно утверждать, что в настоящее время во многих странах мира технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей солнечным излучением достаточно хорошо отработаны и широко доступны на рынке. Наиболее экономически эффективные сферы применения солнечных водонагревателей в значительной мере уже освоены. Например, в США более 60% частных и общественных плавательных бассейнов обогреваются за счет солнечной энергии (простейшие бесстекольные, без тепловой изоляции, как правило, пластиковые солнечные коллекторы) [4, 5].

ВЕСТНИК

МГСУ

4/2007

1ч 'Ь

В бывшем СССР, несмотря на искусственно устанавливаемые цены на традиционные энергоресурсы, вопросам развития гелиотехники также уделялось определенное внимание со стороны государства. Действовали государственные программы по линии Министерства науки и технической политики, Минтопэнерго. Вместе с тем эти усилия были направлены преимущественно на южные республики (Туркмения, Узбекистан, Грузия, Армения, Украина и др.), где климатические условия, безусловно, являются наиболее благоприятными для использования солнечной энергии. В результате, сегодня в России число действующих солнечных установок весьма ограничено. Тем не менее, за последние годы в России сформировалось около десятка потенциальных производителей солнечных коллекторов и водонагревателей с отработанными на выпуске опытных и мелких партий технологиями их массового производства. Как правило, сегодня это акционерные компании, занимающиеся другими основными видами деятельности. Следует отметить, что, как правило, разработанные российскими производителями, солнечные коллекторы отвечают современным техническим требованиям. Они изготавливаются из нержавеющей стали, в ряде случаев имеют селективные покрытия панелей, современную теплоизоляцию. К сожалению, крупных заказов производители не имеют и выпускают установки от случая к случаю, в связи с чем цена на них довольно высокая - в большинстве случаев от 200 до 300 долларов в расчете на 1 м2 площади коллектора. Высокая цена на изделия, в сочетании с относительно низкими, по сравнению с зарубежными, внутренними ценами на топливо, резко ограничивает спрос. Ситуация усугубляется также слабой информированностью потенциальных потребителей о возможностях практического использования солнечных установок, их преимуществах. В отличие от ведущих зарубежных стран у нас пока еще отсутствует законодательство, устанавливающее какие-либо льготы для производителей и потребителей экологически чистых энергетических установок. Вместе с тем в связи с тенденцией неуклонного роста цен на топливо и электроэнергию интерес к солнечным водонагревательным установкам растет. В этой ситуации возникает необходимость вновь вернуться к анализу проблемы и предоставить потенциальным потребителям и разработчикам объективную информацию о реальных возможностях использования солнечной энергии. В данной статье мы остановились на анализе тепловой эффективности солнечных водонагревателей и ее зависимости от влияющих факторов.

На основании всего вышеизложенного на кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляции» (ТГСиВ) Северо-Кавказского Государственного Университета (СевКавГТУ) в целях проведения научно-исследовательской работы студентов (НИРС) в области гелиотехники с непосредственным участием автора была изготовлена многоцелевая экспериментальная гелиотермическая установка на базе плоского коллектора солнечной энергии (КСЭ). Схематически установка выполнена по одноконтурной схеме, без бака - аккумулятора и включает в себя такие конструктивные элементы как:

1. Плоский КСЭ;

2. Конвектор;

3. Циркуляционный насос;

4.Счетчик циркулирующего теплоносителя;

5. Расширительный бак;

6. Запорная арматура.

Основной целью проведения исследования явилось определение оптимального угла наклона коллектора к горизонту. Помимо основной цели в процессе экспериментов предназначалось выяснить, какие возможные факторы могут оказывать влияние на тепловос-принимающую способность коллектора, а так же, на сколько велико влияние тех или иных факторов.

В период с 25-го июня и до 30-го июля 2003 г. был проведен ряд экспериментов, результаты которых обрабатываются в последующих расчетах. Результатами являлись диаграммы изменения температур по подающей и обратной линии контура, снимаемые каждый день в течение всего дня, наблюдаемая средняя облачность в течении всего дня, а также фиксированные до нескольких раз в день показания расходомера. Кроме этих

данных, полученных экспериментально, в расчетах использованы данные по метеоусловиям в это время [6].

Переменной при проведении опытов, кроме погодных, угла склонения солнца и др., не зависящих от нас, условий, являлся угол наклона коллектора к горизонту. Именно угол наклона коллектора менялся при проведении опытов, 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 времени исследования угол наклона менялся четыре раза:

• 25.06; 28,06; 29.06; 30.06; 06.07; 07.07; 08.07; 09.07; 12.07 - угол 45°

• 13.07; 14.07; 15.07; 16.07; 20.07; 25.09 - угол 30°

• 19.07; 21.07; 22.07; 23.07; 26.07 - угол 60°

• 27.07; 28.07; 29.07; 30.07 - угол 15°

Во время опытов была проведена поверка приборов и в результаты, по ходу их обработки, была введена систематическая погрешность.

Кроме этого была разработана методика обработки эксперементальных данных применительно к данной конструкции контура:

Определение полезной теплопроизеодителъности плоского КСЭ.

Энергия, воспринятая солнечным коллектором за ¡-тый час, в контуре распределяется на две части:

Нобщг = Нконг + Ннакг; КДЖ (1)

где: Нконг [КДж] - тепло, отданное в помещение поверхностью конвектора и трубами за 7-тый час;

Нкот = §Кг • (г1г - 1 2г); КДЖ (2)

где: gKi [кг] - количество воды, прошедшее за ¡-тый час через контур. Учитывая, что счетчик воды ведет учет расхода воды в м3, используем формулу перевода:

gкг = gК ■ Рг ; кг

(3)

где: gкг [л] - измеряемая величина; рг [кг/м3] - плотность воды при средней температуре в контуре в течение г-того часа, вычисляемой по формуле:

(4)

V = 1\г + ^2г ; °С

ср.кг 2 '

где: и V 2г [°С] - измеряемые величины, средняя температура в подающем и обратном трубопроводе в течении ¡-того часа соответственно.

г и и г 21 [КДж/кг] - средняя энтальпия воды в подающем и обратном трубопроводе в течении ¡-того часа.

Ннакг [КДж] - теплота, накопленная в контуре за счет увеличения средней температуры в течении ¡-того часа:

Н . = т • с •

накг е.к

С • (V,

ср.к.г+1 ^ср.к.г ); КДж

(5)

где: те к [кг] - масса воды в контуре, принимается по его внутреннему объему тек = 8 кг С [КДж/кг-°С] - средняя теплоемкость теплоносителя в коллекторе С = 4,17 КДж/ кг-°С

Определяем теоретически воспринятый удельный тепловой поток:

Н

И = ; КДж/м2 (6)

Рк

где: ¥к [м2] - площадь поверхности солнечного коллектора;

Определяем плотность воспринятого излучения, приходящуюся на 1 м2 поверхности солнечного коллектора:

= - • 1000 ; Вт/м2 (7)

где: г [сек.] - промежуток времени, в начале и в конце которого, зафиксированы значения расхода. Преимущественно г = 3600 сек. за исключением моментов начала работы установки утром и конца ее работы вечером.

г

ВЕСТНИК

МГСУ

4/2007

'дЬ

Определение теоретического КПД коллектора

Определяем отношение суммы воспринятой энергии к сумме, теоретически поступившей на плоскость коллектора, т.е. среднее теоретическое КПД коллектора во время проведения опыта:

11 • 3,6

Пк =■

• 100 ; %

(4.28)

I Н

В результате проведенной работы были выявлены зависимости тепловой эффективности коллектора от различных факторов; как зависимых, так и независимых от человека. В частности, зависимым явился угол наклона коллектора к горизонту, а независимыми - наружная температура воздуха, коэффициент ясности атмосферы и скорости ветра.

Факторы, влияющие на эффективность работы плоского солнечного коллектора (в порядке их значимости)

1. Угол наклона коллектора к горизонту

2. Температура наружного воздуха

3. Коэффициент ясности атмосферы

4. Скорость ветра

Экспериментально было установлено, что наиболее оптимальным углом наклона коллектора к горизонту в июле, из исследуемых в данной работе, в течение от 8:00 до 18:00 является угол равный 15°. Выяснилось так же, что скорость ветра от 0 до 8 м/с не оказывает существенного влияния на эффективность коллектора.

Независимыми факторами, оказывающими влияние на эффективность коллектора, являются коэффициент ясности атмосферы и температура наружного воздуха. Последнюю можно вывести из таковых за счет уменьшения коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции, но при условии, что применение того или иного теплоизоляционного материала и толщины его слоя должно быть обоснованно в соответствующем технико-экономическом расчете. Коэффициент ясности оказывает менее заметное влияние, но пренебрегать этим никак не следует. От коэффициента ясности напрямую зависит соотношение плотности рассеянной и прямой солнечной радиации, поступающей на плоскость КСЭ, следовательно, рассеянная и прямая радиация поглощаются неодинаково.

Объемы выполненных работ составили:

• Общее время работы лабораторной установки - 194 ч 12 мин

• Количество воды, прошедшей через счетчик - 2813 л

• Количество поступившего тепла - 229311 кДж

• Количество полученного тепла - 111048 кДж

• Мощность установки - 158,8 Вт

• Максимальная температура воды - 63,2 °С

• Средний КПД коллектора - 48,4 %

Учитывая все выше приведенные данные, коллектор подобного типа площадью 1,9 м2 сможет полностью обеспечить потребности одного человека в горячей воде в течение июля.

Полученные экспериментальные величины по количеству поступающей энергии и среднему коэффициенту ясности для июля в городе Ставрополе практически не отличаются от аналогичных данных, приведенных в справочнике [7]. Ниже представлены данные для сравнения:

Как видно из таблицы 1 справочные данные немного ниже, а именно на 24%. Это объясняется тем, что данные по справочнику являются среднестатистическими, а опытные величины - фактически измерены. Из сказанного следовала необходимость проведения дополнительных измерений, которые позволили бы составить представление о количестве энергии, поступающей на плоскость КСЭ и эффективности его работы в различные времена года. Данная работа была продолжена автором на кафедре Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ с участием сотрудников кафедры ИВЭ. Кроме задачи об оцен-

1 = п

вс.г

г=п

Таблица 1

Сравнительная таблица опытных и справочных данных

Сравниваемые величины Опытные данные Данные по справочнику /2/

1 2 3

Средний коэффициент ясности 0,7 0,585

Общее количество энергии, поступившей на наклонную поверхность КСЭ, кДж 193118,3 147237,8

ке количества поступающей на КСЭ солнечной энергии, решалась задача об общей эффективности получения энергии в климатических условиях средней полосы России и ряда технических вопросов об автоматизации «следования» КСЭ за движением Солнца в осенне-зимний период, для установления оптимального угла наклона КСЭ с целью максимального аккумулирования поступающей солнечной энергии. Частично была решена задача автоматического управления КСЭ. Однако главным результатом явилось установление факта того, что на той широте, что расположена Москва, общее количество энергии, поступившей на наклонную плоскость КСЭ отличается от данных полученных для Ставрополья корреспондирует с количеством дней ясности, хотя и меньше примерно на 10 % и в определенной степени зависит от условий эксплуатации КСЭ, оптимального их расположения с учетом наличия временного снежного покрова на элементах КСЭ. Последнее имеет значение в связи с тем, что в ясные дни при значительной инсоляции, занесенный снегом КСЭ фактически исключается из работы. Еще более важным фактом оказались предварительные результаты оценки «съема» энергии с КСЭ в зависимости от оптимального угла наклона его к горизонту, к направлению солнечного излучения для широтных условий Москвы в разрезе года наблюдений. В настоящее время проводится дополнительное изучение полученных результатов для иных погодных условий, нежели условия 2006 года. Наряду с вышеизложенным решается задача комплексирования КСЭ с традиционными источниками тепловой энергии и оценки экономической эффективности в сравнении с традиционными источниками теплоснабжения и подачи горячей воды в коттеджах и домах в малых поселках.

Литература

1. Клименко А.В., Клименко В.В. и др. Энергия, природа и климат. М.: Изд. МЭИ, 1997, 215 с.

2. Автономов А.Б. Мировая энергетика: состояние, масштабы, перспективы, устойчивость развития, проблемы экологии, ценовая динамика топливно-энергетических ресурсов. Электрические станции, 2000, №5.55.

3. Алексеев Т.Н. Развитие энергетики и прогресс человечества. М.: ИИЕТ РАН, 1997. 200 с.

4. Денисенко Г.И. Возобновляемые источники энергии. Киев: Изд. КГУ, 1983. 165 с.

5. Калашников Н.П. Альтернативные источники энергии. М.: О-во "Знание", РСФСР, 1987.46 с.

6. Сайт в интернете http://dyn.gismeteo.ru/cgi-bin/viewsarc.exe / «Дневник наблюдений за погодой» / Copyright © 2001-2003, НПЦ Мэп Мейкер.

7. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3ч. Ч.1. Отопление / В.Н.Богословский, Б.А.Крупнов, А.Н.Сканави и др.; Под.ред. И.Г.Староверова и Ю.А.Шиллера. - 4-е изд., перераб. И доб. - М.: Стройиздат, 1990. - 344 с. : ил. - (Справочник проектировщика).