CC BY
44
УДК 674.047
Озарив 1.М., д-р техн. наук; проф., Данчук М.1., асп.
НЛТУ Украши, м.Лъвгв
АНАЛ13 СУЧАСНИХ КОНСТРУКЦ1Й ГЕЛЮТЕРМ1ЧНИХ КОЛЕКТОР1В СОНЯЧНИХ СУШИЛЬНИХ УСТАНОВОК
У робот1 описат основт види конструкщи / анал1з гел1отерм1чных установок / перспективы використання на терыторИ'Украгны.
Ключое1 слова: гелюсистема, гелюколлектор, розвиток, акумулювання, сонячна система.
Висою темпи росту витрат енергетичних ресурЫв, а також вичерпання запаЫв традицшних вид1в палива (природного газу, кам'яного вугшля, торфу тощо) на сьогодш визначили основш шляхи замши дефщитних техшчних вид1в енерги (пари, електроенерги) нетрадицшними та вщновлюваними джерелами енерги (сонячною, в1тровою й енерпею геотермальних джерел).
Широке використання регенеративних носив енерги та використання безпечних для довкшля енергетичних технологш е суттевим внеском до стабшьного розвитку як держави в цшому, так \ благополуччя окремих И громадян. Впровадження вщновлювальних технологш може стати запорукою гарант11 наступним поколшням високого р1вня статюв та життевих стандарта.
Вщновлювальна енерпя - це такий вид енерги, постачання яко! здшснюеться з постшних джерел, яю, вщповщно до людських уявлень, вважаються невичерпними. У якост1 регенеративних джерел енерги можуть розглядатися: енерпя сонячного св1тла \ тепла, в1тру, сила води, приплив1в та вщплив1в, а також теплова енерпя Землг
Виршальним е той фактор, що пщ час використання таких тривалих джерел енерги не утворюеться вуглекислий газ \ не нагромаджуються радюактивш атомш вщходи. Енерпя отримуеться пщ час постшних процеЫв, що вщбуваються у природ! \ використовуються для техшчних потреб. У ф1зичному сенс1 енерпя не вщновлюеться, а постшно отримуеться з названих джерел.
Людство впродовж свого цившзацшного розвитку постшно зверталося до використання природно! енерги - вам нам вщом1 в1тряш та водяш млини, а також 1хш бшьш осучаснеш наступники - в1трогенератори та гщроелектростанци.
Повноцшне використання ж головного нашого джерела вщновлювально! енерги - Сонця, завжди обмежувалося технолопчним р1внем цившзаци. Останш досягнення науково-техшчного прогресу в галуз1 приборкання сонячно! енерги за останш 20-30 роюв зробили можливим И масштабне використанням не лише з промисловою та науково-дослщницькою метою, а й на р1вш побутового застосування - для вироблення кшькост1 теплоти та отримання електроенерги.
343
У зв'язку з штенсивним розвитком технологш сонячно! енергетики, з'явилося безл1ч конструктивних ршень \ вар1анпв гелюсистем, що класифжуються за р1зними критер1ями.
У данш класифшаци наданий ттьки укрупнений список часто використовуваних вар1анлв гелюсистем, як1 можна застосувати в киматичних умовах Украши.
Принцип роботи систем з природною циркулящею теплонос1я : розир^ий теплоносш спрямовуеться у верхню частину колектора, в результат! чого виникае р1зниця гщростатичних тисюв.
А у системах з примусовою циркулящею у контур! колекторного кола встановлюеться малопотужний циркуляцшний насос, що змушуе циркулювати теплоносш. Його роботою керуе спещальний контролер. Споживана потужнють насоса незр1внянно мала пор1вняно з тепловою енерпею, що виробляеться системою.
Системи сонячного постачання
Рис.1. Укрупнена схема вар1ант1в гелюсистем
Гелюсистеми як ¿з природною, так \ з примусовою циркулящею теплонос1я одержали широке поширення, але ключовими факторами при вибор1 системи е: можлива температура повггря у найхолодтший перюд року \ кшьюсть ясних сонячних дшв. На всш територп Украши рекомендуеться використовувати гелюсистеми з примусовою циркулящею теплонос1я, тому що досить велика кшьюсть хмарних дшв приводить до значного зниження ефективносп систем з природною циркулящею (на 30%), а низью температури в зимовий перюд року змушують впроваджувати заходи по захисту вщ замерзания, що бувае неможливо з погляду надшностг
344
В пасивних гелюустановках здшснюеться пряма подача сонячних промешв без регулювання або з частковим регулюванням промешв у б1к зменшення густини променевого потоку. Таке виршення е найбшьш простим { дешевим, але теплопостачання е не р1вном1рним { неповним.
В активних системах сонячна енерпя направляеться на спещальш пристро!, де ця енерпя перетворюеться у теплову ¿з розрахунковими температурними параметрами, коли ¿з спещальних пристро!в - термоколектор1в теплова енерпя систематично подаеться до сушарок або до акумулятор1в.
Найбшьш поширеними на сьогодш е таю конструкцп гелютерм1чних колектор1в - парабол1чний обертальний, цилшдро-парабол1чний, плоский, вакуумний, концентрувальний { плоский водяний.
Параболопод1бш колектори, як1 за допомогою фотоелемент1в повертаються за траектор1ею руху Сонця, дозволяють досягати температури 300...1000°С, а нашвпарабол1чш - 80...120°С. Але колектори-поглинач1 випромшювання такого типу е дуже дороп, оскшьки вимагають використання спещальних автоматичних систем слщкування. Плосю пов1тряш колектори забезпечують температуру пов1тря 20...60°С, а плоский водяний - 40...80°С.
Просте одинарне засклшня гелюколектора дозволяе вловлювати також розаяне сонячне випромшювання \ забезпечуе р1вень температури 50...60°С. Простота конструкцп, добр1 економ1чш \ техшчш показники гелютерм1чного плоского колектора \ пщб1р вщповщного матер1алу для змщення спектру випромшювання в област1 спектра 5... 15 мкм дозволяе використати такий колектор в сонячнш сушарщ.
Плосю колектори через свою ушверсальшсть, надшшсть та свою невибагливють до слщкування за 1хшм станом та експлуатацшними умовами мають достатньо високу ефектившсть (наприклад, коефщент корисно! ди сучасних плоских колектор1в ККД=50%, бшьш застарших - ККД=20.. .40%).
Плосю сонячш колектори е найбшьш поширеним типом сонячних колектор1в. Слщ зазначити, що в результат! тривалого вдосконалення колектори даного типу, по всш видимое^, практично досягли найбшьш оптимальних показниюв ефективност1, термшу експлуатаци та вартостг
Плоский колектор являе собою рамну конструкцш, в яюй з одного боку знаходиться одинарне або подвшне засклшня, а з другого - поглинач сонячно! енерги. У зимовий перюд його встановлюють таким чином, щоб сонячш промеш падали на нього пщ прямим кутом. Вл1тку нахил колектора по вщношенню до сонячних промешв залежить вщ географ1чно! широти. Сонячш промеш, що проникають через скло, завдяки пов1тряному прошарку м1ж поверхнями нагр1вають його. Основна перевага плоского колектора полягае в тому, що вш поглинае пряме I розаяне сонячне випромшювання.
ККД колектор1в без врахування нелшшних, тобто випадкових втрат тепла можна розрахувати за даною формулою.
•
К-АТ
К-АТ
погл.покр. еф.пов.
випр.
випр.
345
де п0 - добуток оптичного ККД, тобто (АПогл'ОСКла) 1 коефшдента ефективност! поглинаючо! пан ел! колектора;
Апогл. покр. - коефшдент поглинання сприймаючо! сонячне випромшювання покриття (поверхш) гелюколектора;
0Скла - коефщент транспарентности тобто прозорост! (пропускания) скла або пл1вки;
Реф. пов. - коефщент ефективност! поглинаючо! поверхш
(Реф. пов=РопР/Р, де Ропр - площа опромшено! поверхш, м2);
К - добуток загального коефшдента теплових втрат колектора I коефшдента ефективност! поглинаючо! поверхн! панел! при нульовш швидкост! в!тру, Вт/(м2-°С);
АТ - р!зниця м!ж середньою температурою теплоноЫя в колектор! та температурою зовшшнього (навколишнього) середовища;Е - густина потоку сонячного випром!нювання, Вт/м2.
Чим нижча температура, до яко! потр!бно нагрей, тим вищий ККД гел!околектора.
Наприклад, т!льки через застосування б!льш ефективного поглинаючого покриття ( високоселективного ), у хмарну погоду, р!зниця в ефективност! сонячних колектор!в може досягати 45%.
Необх!дно в!дзначити, що ККД гелюколектора е нестаб!льним ! буде залежати в!д кл!матичних умов експлуатаци (тобто географ!чно! широти м!сцевост!) та моменту часу його експлуатац!!. Зокрема, для територ!! Укра!ни, тобто на географ¿чнш широт! 40... 60° гелюсистеми дозволяють стаб!льно нагр!вати пов!тря ! воду до 50°С.
Кл!мат нашо! планети визначае сонячна енерг!я. Потж !! досить ¿стотно зм!нюеться протягом року в залежност! в!д широти мюцевост! й обумовлюе кл!матичну зональшсть - р!зницю температур, вологост!, тиску ! в!тру на Земл!. Але досить щкавим е такий факт: кшькють сонячно! енерг!!, що потрапляе на Землю протягом дня в десятки тисяч раз!в б!льше, шж споживаеться населениям вс!е! Земл!.
Згщно останн!х десяти рок!в метеоролог!чних спостережень, на Укра!ну припадае 100-200 сонячних дшв в роц!, в залежност! вщ рег!ону.
Середньор!чна к!льк!сть сумарно! сонячно! рад!ац!!, що поступав на 1 м2 поверхн!, на територи Укра!ни знаходиться в межах: вщ 1000кВт год/м2 до 1400кВт год/м2 . Щоб приблизно зор!ентуватись про що йдеться мова, то можна ц! цифри охарактеризувати так - сонячна енерпя, що реально надходить за три дш на територш Укра!ни, перевищуе енерг!ю всього р!чного споживання електроенерг!! в наш!й кра!ш.
Констатуемо факт, що середньор!чний потенщал сонячно! енерг!! в Укра!н! (1235 кВт год/м2), що в!дпов!дае енергоемност! приблизно 100 л!тр!в дизельного палива або 100м3 природного газу, е достатньо високим ! набагато вищим н!ж наприклад в Н!меччин! - 1000 кВт год/м2 чи навпъ Польщ! - 1080 кВт год/м2. Отже, ми маемо хорош! можливост! для ефективного використання теплоенергетичного обладнання на територ!! Укра!ни.
Терм!н «ефективне використання» означав, що гел!оустановка
346
працюватиме з вщдачею в 60% i бшьше, а це 9 мюящв в твденних областях Украши (з березня по листопад), i 7 мшящв - в швшчних областях (з кв1тня по жовтень). Взимку ефектившсть роботи падае, але не зникае. Отже, i в умовах нашого кл1мату, сонячш системи працюють цший piK, правда, - з дещо перемшною ефектившстю.
Залежно вщ потреб у гарячш вод1 чи опаленш, визначаеться необхщна кшьккть сонячних колектор1в, що поеднуються в групи i працюють у единш систем!.
Колектор е елементом системи i не може ефективно функцюнувати, якщо неправильно пдабране шше устаткування i комплектуючг Якють монтажу, а також кшькють колектор1в, обрана для конкретно! системи, значно впливае на ефектившсть i над1йн1сть роботи сонячних колектор1в i системи у цшому.
Оск1льки на територй' Укра!ни, значною м1рою, сонячне випром1нювання складаеться з розс1яного (на 40-60% в середньому за piK), необх1дно використовувати сонячш колектори з високоселективним покриттям поглинаючо! панелг
В1д ефективност! сонячного колектора в значнш Mipi залежить ефектившсть роботи Bciei системи. Чим бшьше сонячно! енерги поглине гел1околектор i чим менше в1н И втратить, тим ефективн1ше буде працювати система.
yd принципи конструювання сонячних колектор1в зводяться до забезпечення максимального поглинання сонячно! eHepri! i максимальному зниженню теплових втрат. Максимальне поглинання сонячно! eHepri! здшснюеться у в!дкритих колекторах (без скла), як! використовуються тшьки для нагр!вання води у вщкритих басейнах у теплий i сонячний пер!од року, а найм!н!мальн!ш! теплов! втрати у вакуумних колекторах. Але згадаш колектори мають ряд суттевих недол!к!в, що обмежують повсюдне !х використання.
Незважаючи на розма!ття сонячних кoлeктopiв, найб!льше поширення одержали плосю колектори через свою yнiвepcaльнicть, надшшсть i нeвибaгливicть. Також дан! гелюколектори мають досить високу eфeктивнicть.
Згщно з укра!нською енергетичною стратег!ею до 2030 р., частку альтернативно! енергетики на загальному енергобаланс! кра!ни буде доведено до 20 %. Основними та найбшьш ефективними напрямами вщновлювано! енергетики в Укра1н! е: вкроенергетика, сонячна енергетика, 6ioeHepreTHKa, г!дроенергетика, геотермальна енергетика.
За вщновлюваними джерелами енерги - майбутне. Вони чист!, безпечш для клiмaтy i, практично, невичерпш.
Л1тература
1. Застосування сонячно! eHepri! у житловому rocnoflapcTBi та деревообробщ: Наукове видання /03apKiB I.M., Мисак Й.С., Криницький Г.Т., Максим!в В.М., Konift Л.1., Соколовський I.A., Озарюв O.I., Козар B.C. - Львiв: НВФ « yKpai'HCbKi технолог!! »,2012-338с.
2. Озарк!в I.M., Мисак Й.М., Копинець З.П. Використання сонячно! eHepri! в промисловостк Навч.пос!бник, - Львiв: НВФ « yKpai'HCbKi технолог!! », 2008.-276с.
Рецензент - д.т.н., професор Б1лонога Ю.Л.
347
