Расчет плоского коллектора солнечной энергии
.pdfТема 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 (Ттреб 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.