• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Загальні підходи до побудови теплових сонячних енергетичних установок

Системи, що перетворюють енергію сонячної радіації в теплову, умовно поділяють на дві групи:

– пасивні, приймачем у яких служать самі об’єкти, що нагріваються, використання енергії Сонця уможливлюється за рахунок планувального та архітектурно-будівельного розташування споруд;

– активні, у яких енергія уловлюється, накопичується та транспортується в спеціальних пристроях, основним їх елементом є геліоприймач, теплоносієм може виступати газ (повітря) або рідина (вода, розчин солей). Залежно від виду теплоносія будують подальшу конструкцію теплової сонячної енергоустановки. Для низькопотенційних установок найбільш поширеним типом геліоприймача є плаский. Він має вигляд ящика, всередині якого міститься колектор, конструктивно виконаний у вигляді трубопроводу різної конфігурації з гофрованою або чарункуватою поверхнею. Колектор має покриття з великою поглинальною спроможністю. Стінки ящика обкладені тепловою ізоляцією. Один з боків має прозоре покриття, яке може бути одно-, дво- чи тришаровим.

Теплові сонячні енергоустановки застосовують переважно для гарячого водозабезпечення та кондиціювання як для індивідуальних споживачів, так і для групових, чи будують централізовані системи.

Для надійності енергопостачання до сонячних енергоустановок додають акумулювальні пристрої з короткочасною або довготривалою акумуляцією. Крім того, вони можуть мати дублювальний (резервний) нагрівник (наприклад, електронагрівник, що живиться від центральної мережі).

За характером руху теплоносія системи можуть бути з вільним або вимушеним режимом теплообміну, а за кількістю контурів теплообміну – одно-, дво- чи багатоконтурними.

Рис. 3.4. Види плоских сонячних колекторів:

1 – прозоре покриття; 2 – плита або трубка; 3 – корпус

Отже, сонячні енергоустановки входять у фізичну систему узгодження енергопотоку надходження енергії сонячної радіації та потреб споживача, що діє протягом певного нормативного часу. В цій системі вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та енергія від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта в теплоті.

Припустімо, що є і-та кількість (скінченна) об’єктів виробництва, що підлягає енергозабезпеченню від енергії сонячної радіації протягом періоду з j-ї кількості днів. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами, побудованими за блочним принципом, які містять первинні перетворювачі (сонячні нагрівнки), систему накопичення (теплові акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насоси для циркуляції теплоносія, електронагрівник). Тоді рівняння відносно використання енергії сонячної радіації буде таке:

за і=1, ..., n, (3.1)

де – вектори, компоненти яких є значеннями теплових потреб і-го об’єкта в j-й день експлуатації;

– вектори, компонентами яких є значення енергії від утилізаторів сонячної радіації на і-му об’єкті в j-й день експлуатації; а – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації сонячної радіації.

Для окремої точки векторного простору співвідношення (3.1) ста­новитиме:

,

де і = 1,… n – номер об’єкта; j = 1,… m – номер дня експлуатації; – потік енергії від утилізатора сонячної радіації, де – сумарна сонячна радіація на похилу поверхню, що набуває значення в діапазоні [0, ], де – середньостатистичне значення надходження енергії сонячної радіації в j-й день експлуатації; – площа сонячних колекторів в j-й день експлуатації; – ефективність сонячних колекторів.

Можливі варіанти сонячних енергоустановок, що охоплюють наведені ознаки, подано у табл. 3.1.

Розглянемо методичні підходи до визначення конструктивних параметрів сонячних енергоустановок для кожного з наведених варіантів. Зазначимо, що в рівняннях х₁– надходження сумарної енергії сонячної радіації, х₂ – енергія резервного (традиційного) джерела, у₁ – потреби споживача в тепловій енергії.

Таблиця 3.1. Варіанти структурних схем енергозабезпечення об’єктів від енергії сонячної радіації

Найменування складових блоків схеми	Основні технічні параметри установок
Сонячний водонагрівник	Тепловий акумулятор	Насос для прокачування теплоносія	Електронагрівник
		–	–	Lс – площа сонячних колекторів; a – кут нахилу до горизонту; Va – місткість бака-акумулятора
				Lc; a; Vа ; Рен – потужність електронагрівника
				Lc; a; Va; Pнас – потужність насоса; g – витрати теплоносія
				Lc; a; Va; Pнас; Pен; g.
		–	–	Lc; a; Va; – ємність бака-акумулятора другого контура
				Lc; a; Va; ; Pен
			–	Lc; a; Va; ; Pнас; g

Закінчення табл. 3.1

			–	Lc; a; Va; ; – потужність насоса другого контура
			–	Lc; a; Va; ; Pнас; ; g
				Lc; a; Va; ; ; Pен; g

Для першого варіанта сонячної енергоустановки, що складається із сонячних нагрівників та акумулятора, рівняння матиме вигляд

(y₁)₁ = x₁(1 – a),

де х₁ = E_ah_ефL_с, де Е_a – питома величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню; h_еф – ефективність сонячного колектора; L_с – площа сонячних колекторів; а – коефіцієнт втрат акумулятора.

У другому варіанті в акумуляторі відбувається поєднання двох потоків енергії – від сонячних колекторів та від теплоелектричного нагрівника:

(y₁)₂ = w₁x¢₁(1 – a) + w₂x₂а,

де – потік енергії сонячної радіації при E_a <; w₁ = 1 – w₂, де w₁,
w₂ – вагові коефіцієнти потоків x₁ та x₂ відповідно; х₂ = Р_т.е – потужність потоку енергії від традиційного джерела.

У третьому варіанті насос впливає на процес теплообміну в сонячному колекторі:

(y₁)₃ = k_n x₁(1 – a),

де k_n – коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимами теплообміну в сонячному колекторі.

Четвертий варіант об’єднує особливості другого та першого варіантів:

(y₁)₄ = w₁x₁k_n(1 – a) + aw₂x₂.

У варіантах 5–10 використовують двоконтурні системи, застосовані тоді, коли пряме використання теплоносія неможливе (наприклад, у разі використання в першому контурі розчинів з антикорозійними присадками). Тоді рівняння для цих варіантів набудуть вигляду

(y₁)₅ = x₁(1 – a¢ – а²),

де a¢, а² – коефіцієнти втрат акумуляторів першого та другого контурів;

(y₁)₆ = w₁x₁(1 – a¢ – а²) + a¢w₂x₂, (y₁)₇ = k_nx₁(1 – a¢ – а²),

(y₁)₈ = x₁ (1 – a¢ – k_n²а²),

де k_n² = /– коефіцієнт зниження втрат у разі застосування вимушеного режиму теплообміну в другому контурі.

(y₁)₉ = k_nx₁(1 – a¢ – k_n²а²), (y₁)₁₀ = k_nw₁x₁(1 – a¢ – k _n²а²) + w₂x₂k _n²а².

Слід зазначити, що використання сумарної добової енергії сонячної радіації в теплових системах рекомендується за її рівня понад 15 МДж/м². Ця умова вказує на наявність доцільних періодів використання сонячних енергоустановок, інформацію про які подано у табл. 3.2.

Величина перетворення енергії сонячної радіації в сонячних енергоустановках залежить від кута нахилу поверхні нагрівання, ефективності сонячного колектора, режиму теплообміну.

Таблиця 3.2. Доцільні періоди використання сонячних енергоустановок

За відомим рівнянням Клейна, надходження сумарної енергії сонячної радіації на похилу поверхню становить:

де Е – питоме надходження сумарної енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню; E_d – питома складова дифузної сонячної радіації; j – широта місцевості; s – кут нахилу нагрівника; d– схилення Сонця; – годинний кут заходу Сонця за похилу поверхню; w_s – годинний кут заходу Сонця за горизонтальну поверхню; r – альбедо Землі.

Вимірювання дифузної радіації (E_d) на станціях проводиться в окремих випадках, тому її визначають розрахунковим способом з урахуванням коефіцієнта хмарності:

,

де k_х = Е / Е₀ – коефіцієнт хмарності, Е₀ – середньомісячне питоме добове надходження енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню за межами земної атмосфери. Для умов України його значення подане в табл. 3.3 (МДж/м²).

Таблиця 3.3. Середньомісячне питоме добове надходження енергії сонячної
радіації на горизонтальну поверхню за межами земної атмосфери, (МДж/м²)

Під час експлуатації сонячних енергоустановок доводиться вирішувати питання регулювання кута нахилу нагрівників до горизонту. У разі цільової функції максимуму енергії в умовах України зміна кута нахилу нагрівників протягом доцільного періоду не потрібна. Кути нахилу наведено в табл. 3.4.

Коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимами теплообміну в сонячних енергоустановках визначається наявністю в них умов теплообміну другого та третього роду. До умов другого роду належить сталість надходження потоку енергії сонячної радіації на поверхню нагрівників. Умовою третього роду є задавання коефіцієнтів тепловіддачі та температури:

,

де t_cт, t_p – температура відповідно стінки нагрівника та теплоносія; q_c– потік енергії сонячної радіації; a_р – коефіцієнт тепловіддачі теплоносія; h – товщина стінки нагрівника; l_cт – коефіцієнт теплопровідності стінки нагрівника.

Згідно з узагальненими результатами дослідів М. А. Міхєєва за вільної конвекції у разі нагрівання води до 100 °С

де Nu, Gr, Pr – відповідно, критерії Нусельта, Грасгофа та Прандтля.

За вимушеного режиму теплообміну тепловіддача залежить від швид­кості руху рідини (характеризується критерієм Рейнольда). Під час проектування сонячних енергоустановок, витрати рідини через колектори рекомендується забезпечувати в межах 2×10^–5 м³/с на 1м² поверхні (для повітря – (5...20)×10^–3 м³/с).

За таких витрат і зміни температури нагрівання від 20 °С до 60 °С критерій Рейнольдса становить Re = 1272,4...2677,8, що відповідає перехідному процесу від ламінарного до турбулентного руху.

де k₀ = f(Re, Gr).

Тоді коефіцієнт пропорційності двох режимів становитиме:

.

Прагнення підвищити продуктивність колектора збільшенням витрат теплоносія без зміни його геометричних розмірів за наявності умов другого та третього роду теплопровідності не справджується, оскільки різниця температур «стінка-теплоносій» і коефіцієнт тепловіддачі перебувають у гіперболічній залежності. Наприклад, у разі збільшення витрат теплоносія у два рази a пропорційно збільшується в 1,7 разу, виходячи з умов переходу рідини в турбулентний стан. У разі подальшого збільшення витрат теплоносія зростання кількості теплоти буде незначним, тоді як витрати потуж­ності на утворення такого потоку збільшуються в кубічній залежності.

Сумарна ефективність двоконтурної системи становить:

,

де q_пад – потік енергії сонячної радіації, що падає на поверхню нагрівника; k_вх– коефіцієнт входження енергії сонячної радіації через світлопрозоре покриття установки; e – коефіцієнт променепоглинання поверхні тепло­приймача; h_т.с2 – термічна ефективність двоконтурної системи сонячного теплопостачання:

де h_тп – термічна ефективність теплоприймача; k_пр – зведений коефіцієнт теплопередачі огорожі елементів сонячного нагрівника; F – площа сонячної енергоустановки; k_зм, F_зм – коефіцієнт теплопередачі та загальна площа змійовика теплообмінника; t_в2 – температура води на виході другого контура; t₀– температура навколишнього середовища.

Порівняно з одноконтурною системою, сумарна ефективність двоконтурної системи становить близько 0,74.

Ємність акумулювального пристрою для сонячної енергоустановки становить:

де S₀– середньодобова питома величина надходження сумарної енергії сонячної радіації з урахуванням коефіцієнта ефективності колекторів сонячної енергоустановки; L_с – площа колекторів сонячної енергоустановки; с – питома теплоємність акумулювального матеріалу; t_п, t_к– початкова та кінцева температури нагрівання води; m_{min д} – мінімальна добова величина використання теплоносія.

Таблиця 3.4. Величина надходження сумарної сонячної енергії на похилу поверхню, МДж/м²

Метеостанція	Кут нахилу, град.	Місяць року
IV	V	VI	VII	VIII	IX
Ковель		–	320,9	403,0	337,3	217,3	–
–	320,7	401,9	336,9	215,1	–
Нова Ушиця		–	344,3	454,7	482,1	228,4	–
–	343,8	463,9	480,7	227,5	–
Вликоанадоль		–	371,3	614,3	619,5	568,5	–
–	370,9	610,2	617,8	559,3	–
Асканія Нова		–	564,0	648,2	612,0	496,7	175,8
–	562,4	640,6	619,6	490,6	166,0
Бориспіль		110,3	589,4	662,0	642,7	458,6	–
109,1	588,9	660,1	642,4	452,5	–
Полтава		–	506,6	647,2	626,2	500,0	83,3
–	505,0	628,4	659,0	476,8	96,2
Одеса		–	591,5	666,1	660,1	624,0	345,1
–	590,1	657,5	676,7	636,6	335,5
Болград		–	604,2	692,4	681,1	631,9	358,4
–	586,2	680,8	660,9	619,3	360,4
Євпаторія		411,7	662,3	731,8	758,8	692,2	486,2
411,3	656,8	713,4	747,1	716,1	459,4
Карадаг		291,6	652,4	721,4	709,1	674,6	501,7
289,3	647,8	706,9	701,1	709,0	496,6

Примітка: чисельник: дані за змінного кута нахилу;

знаменник: дані за постійного кута нахилу.

Залежність місткості акумулятора води на 1м² поверхні колекторів сонячної енергоустановки від середньодобової величини надходження енергії сонячної радіації (коефіцієнт ефективності установки 0,6) подано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Залежність місткості акумулятора на 1м² поверхні геліоустановки
від середньодобової величини надходження енергії сонячної радіації
(коефіцієнт ефективності установки – 0,6)

3.2. Розрахунок фотоелектричних перетворювачів
(сонячних батарей)

Фотоелектричне генерування енергії зумовлене просторовим розподіленням носіїв позитивного та негативного зарядів у напівпровідниках. У зоні дії електричного поля ці заряди здатні створювати електричний струм у зовнішній мережі. Пристрої на напівпровідникових переходах називають фотоелементами (ФЕ) або фотобатареями (ФБ), сонячними елементами (СЕ), сонячними батареями (СБ), сонячними фотоелектричними перетворювачами (СФЕП).

Промислові СФЕП мають ККД 10...20 % і можуть виробляти в день 1...2 кВт × год електроенергії на 1м² робочої поверхні. Сонячні елементи генерують електричний струм прямопропорційно інтенсивності сонячного випромінювання.

Сучасні сонячні елементи мають такі переваги: у них немає рухомих частин, що зношуються, вони мають необмежений термін експлуатації, вимагають мінімального обслуговування (або взагалі не вимагають такого), не забруднюють навколишнього середовища. На відміну від електрогенераторів інших типів, їх можна застосовувати у широкому діапазоні потужності – від одного вата до декількох тисяч мегават.

Сонячні енергоустановки з фотобатареями найчастіше будуються за такою схемою:

сонячна батарея–аккумулятор–навантаження
(або перетворювач роду струму–навантаження).

Сонячна батарея являє собою паралельно-послідовну комбінацію сонячних елементів.

Послідовне сполучення елементів потрібне для отримання робочої напруги:

де U_ш – напруга на виході шин сонячної батареї; U_д – спад напруги на блокуючих діодах, увімкнутих прямо; U_п – спад напруги в проводах між сонячними елементами та електрохімічним акумулятором.

Паралельні кола послідовно з’єднаних елементів забезпечують отри­мання необхідного струму, що потребує навантаження.

Загальна площа сонячної батареї, що працює на акумулятор, становить:

,

де Q – кількість електрики, потрібної споживачу, А×год; k – коефіцієнт, що враховує кількість електрики, яку акумулятор віддає під час розряд­ження; N_г – тривалість добового зарядження; N_д.з – кількість діб зарядження; j_з.с – щільність зарядного струму.

Читайте також:

1. II. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ.
2. Автоматизація насосних установок.
3. Аксіоматичний метод у математиці та суть аксіоматичної побудови теорії.
4. Алгоритм побудови сітьових графіків.
5. Алгоритми побудови дерев екстремальної ваги
6. АЛЬТЕРНАТИВНІ ПІДХОДИ ДО ВИДІЛЕННЯ МЕТОДІВ УПРАВЛІННЯ
7. Банківська система: сутність, принципи побудови та функції. особливості побудови банківської системи в Україн
8. Банківська система: сутність, принципи побудови та функції. Особливості побудови банківської системи в Україні.
9. Банківська система: сутність, принципи побудови та функції. Особливості побудови банківської системи в Україні.
10. Безпека при експлуатації компресорних установок.
11. Безпека при експлуатації котельних установок.
12. Білковий обмін: загальні відомості

Переглядів: 1084