CC BY
6СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Солнечные коллекторы
SOLAR ENERGY
Solar collectors
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ АРМЕНИИ*
К.П. Акопян, П.К.Акопян*
Армянская Сельскохозяйственная Академия * Ереванский Государственный Университет Тел.: +374 10 525416 , +374 10 242767, E-mail: kphakobyan@yahoo.com
Солнечные установки все больше используют для горячего водоснабжения и обогрева на фермах, теплоснабжения низкотемпературных производственных и бытовых процессов, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды и т. д.
Потребность в низкопотенциальной тепловой энергии сельскохозяйственного производства и быта сельского населения составляет около 30-40% общего энергопотребления в сельском хозяйстве. Для выполнения многих производственных и бытовых работ в сельском хозяйстве, как правило, необходимы низкотемпературные (до+65°С) теплоносители в виде жидкости (обычно вода) или воздуха.
Низкотемпературные солнечные нагреватели имеют достаточно высокий коэффициент преобразования энергии (0,4—0,85), просты по конструкции, могут функционировать без концентраторов лучей и систем непрерывной ориентации. Использование солнечных нагревательных систем позволяет покрыть 20-60% тепловой нагрузки, в зависимости от климатического расположения и вида применяемой системы солнечного теплоснабжения, а также предотвращает загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции.
За последние годы в мире сформировались сотни производителей солнечных водонагревателей. К сожалению, цены на них довольно высоки - в большинстве случаев от 200 до 300 долларов в расчете на 1 м2 площади солнечного коллектора. Высокая цена изделий в сочетании с относительно низкими ценами на топливо резко ограничивает спрос на солнечные коллекторы. Ситуация усугубляется также слабой информированностью потенциальных потребителей о возможности практического использования солнечных установок и их преимуществах. В отличие от ведущих зарубежных стран у нас пока еще отсутствует законодательство, учитывающее 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 водонагре-вательным установкам растет. В этой ситуации возникает необходимость вернуться к анализу проблемы и предоставить потенциальным потребителям и разработчикам объективную информацию о реальных возможностях использования солнечной энергии. В данной работе мы остановились на анализе эффектив-
Рис. 1. Солнечная водонагревательная установка
Статья поступила в редакцию 18.10.2005. The article has entered in publishing office 18.10.2005.
* Статья была представлена в виде доклада на Второй конференции по возобновляемой энергетики «Энергия будущего», проходившей в Ереване 27-28 июня 2005 г.
ности солнечных водонагревателей применительно к климатическим условиям Армении.
Рассматривается простейшая солнечная водонагревательная установка (СВУ) с объёмом бака 130 л (рис.1). Бак теплоизолирован. Циркуляция воды в контуре солнечный коллектор-бак может быть естественная или принудительная. На результаты анализа это обстоятельство не оказывает существенного влияния. Основная цель анализа состоит в определении возможности нагрева воды в баке в течение дня до определенной температуры, приемлемой для потребителя с учетом реальных климатических условий (интенсивность солнечной радиации, изменяющейся в течение дня, температура наружного воздуха). В качестве контрольных выбраны три уровня температуры нагрева воды в баке: 40, 45 и 55°С.
Площадь солнечного коллектора в проводимых расчетах варьировалась в пределах 1,5-3м2. Обработка полученных данных показала, что увеличение площади более 2,5 м2 в расчете на 130-литровый бак приводит к повышению максимальной температуры воды в баке и более раннему достижению выбранных контрольных температур, но вероятность ежедневного нагрева воды до требуемой температуры не возрастает. Таким образом, исходя из назначения установки, увеличение площади солнечного коллектора более 3 м2 оказывается нецелесообразным, так как это сопряжено с неоправданным увеличением стоимости установки.
< tí
Эффективность сельскохозяйственного применения солнечных водонагревателей в климатических условиях Армении К.П. Акопян к.т.н., П.К.Акопян_
Рассматривался простой плоский солнечный коллектор, площадь которого варьировалась от 1,6 до 3,5 м2, сопротивление теплопотерям Д^=0,13 м2-К-Вт-1, а коэффициент теплопередачи пТ=0,85; коэффициент пропускания стеклянной крышки т = 0,9; коэффициент поглощения пластины а=0,9.
Математическое моделирование солнечной водо-нагревательной установки основывалось на расчете её теплового баланса.
Суммарный поток тепла, поступающий к приёмной площадке коллектора, определялся балансом:
P =
■ A ■ G —
T-T0 )
R
(1)
P = Пт ■ Pс .
(2)
Учитывая , что в теплообменных устройствах энергия теплового потока [2]:
= Р'
T -т),
(3)
Р ^ С ^ (T2 -T )= VT
т ■ а ■ G —
T —T)
R
(4)
3 '
1 2
\
—
60
40
20
12 Время,ч
16
20
24
где А - площадь коллектора, м2, О - облученность приемника, Вт/м2; Тп - повышение температуры приемника над температурой окружающей среды Т0.
Поток тепла от приемника солнечнего излучения к теплоносителю (воде), с учетом коэффициента теплопередачи, определялся соотношением:
где Т1 и Т2- температуры входящей в приемник жидкости и исходящей из него соответственно; р, С - соответственно плотность и удельная теплоемкость жидкости; Q - объемный расход жидкости через коллектор.
Из соотношений (1) и (3) получим тепловой поток на единицу площади:
Рис. 2. Пример моделирования работы СВУ в течение одного типичного дня июня при средних условиях облачности: 1 - плотность потока солнечного излучения;
2 - температура окружающего воздуха;
3 - температура воды в баке СВУ
На рис. 2 представлены графики изменения суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуры воздуха и температуры воды в баке солнечной установки в течение одного типичного дня июня (по данным метеостанции «Ереван агро»). Приведенные результаты расчета относятся к одностекольному коллектору, площадью 2,4 м2 без селективного покрытия; объем бака 150 л.
На рис.3 представлены результаты статической обработки результатов моделирования работы солнечных водонагревателей в реальных климатических условиях станции «Ереван-агро». В период с декабря до марта в рассмотренном диапазоне расчетных параметров вероятность нагрева воды даже до минимальной контрольной температуры 40°С оказывается очень низкой. Использование солнечной водонагрева-тельной установки без электронагревателя в этот период неэффективно.
§ .
CL :
. я ю
Для упрощения анализа предполагалось, что нагретая за день вода вечером (после захода солнца) сливается из бака и установка вновь заполняется холодной водой с температурой 12°С. В качестве исходной климатической информации использовали так называемый типичный метео-год [1]. В [1] приведены данные на основе статистической обработки многолетних наблюдений метеостанций Армении в соответствии с принятой международной методологией. Данные типичного метеогода включают в себя ежечасную информацию о прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, о температуре воздуха, его влажности, о скорости и направлении ветра. Наличие такой подробной и достоверной климатической информации позволило выполнить достаточно детальный анализ влияния реальных местных климатических условий на работу солнечных установок. Целью проведенного анализа являлось определение количества дней в каждом месяце, в течение которых вода в баке нагревалась до контрольного уровня температуры.
240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
0
I
1,6 2,4 3,2
Площадь солнечного коллектора, м2
Рис. 3. Годовая характеристика СВУ в зависимости от площади солнечного коллектора
Эффективное использование солнечных водонагревателей возможно лишь в период с марта по ноябрь. С увеличением удельной площади солнечного коллектора количество дней нагрева воды до приемлемой температуры возрастает.
При площади солнечного коллектора 1,6-3,2 м2 в летние месяцы достигается в большинстве случаев (кроме пасмурных дней) температура воды не менее 55оС. Это означает, что фермер, имеющий простейшую солнечную водонагревательную установку с площадью солнечного коллектора 1,6-3,2 м2 и баком объемом 150 л, летом будет иметь горячую (не менее 55°С) воду с вероятностью примерно 90%. Анализ результатов моделирования показывает также, что в летнее время потребитель будет иметь достаточно нагретую
Солнечная энергетика
воду уже к 10 часам дня, а к концу дня с большой вероятностью вода в баке нагреется до 65°С. При выборе типа солнечного коллектора следует иметь в виду, что дополнительное остекление и применение селективного покрытия не приводят к кардинальному повышению теплопроизводительности солнечной установки, но сопряжены со значительным увеличением стоимости солнечной установки.
Выводы
В климатических условиях станции «Ереван-аг-ро» солнечные водонагревательные установки могут эффективно использоваться в фермерских и животноводческих хозяйствах и в бытовых целях в течение 89 месяцев в году (март/апрель - ноябрь).
Как с энергетической, так и с экономической точек зрения для создания солнечных водонагревателей сельскохозяйственого применения целесообразно использовать простейшие солнечные коллекторы
с одним прозрачным ограждением. Применение селективных покрытий приводит к увеличению стоимости установки.
Для успешного внедрения солнечных водонагревателей в сельское хозяйство Армении необхо- ^ димы технические решения и применение новых н материалов, обеспечивающих при высоком качест- £
с
ве и долговечности снижение стоимости солнечных о водонагревателей. ■§
■С
с с н
с
Литература |
1. Научно-прикладной справочник по климату и
ю
СССР. Серия 3. Многолетние данные Части 1-7: Вып. 16. 8 Армянская ССР. Ленинград: Гидрометеоиздат,1989. ®
2. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобнавляемые источники энергии. Пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1990.
<
