CC BY
81
УДК 629.92
К. В. МАХОТІЛО, канд. техн. наук
Національний технічний університет «Харковський політехнічний інститут», м. Харків Д. М. КОСАТИЙ, директор ТОВ «БУРЕНЕРГО», м. Харків
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ СОНЯЧНИХ КОЛЕКТОРІВ
Проанализированы архивные данные о суточной выработке тепла плоскими и вакуумными солнечными коллекторами, установленными на экспериментальных гелиоустановках в Харьковской области. Предложено аппроксимирующее аналитическое выражение для расчета суточной выработке тепла коллекторами в зависимости от продолжительности светлого времени суток и облачности.
Проаналізовано архівні дані про добове вироблення тепла пласкими та вакуумними сонячними колекторами, встановленими на експериментальних геліоустановках в Харківській області. Запропоновано апроксимуючий аналітичний вираз для розрахунку добового вироблення тепла на колекторах в залежності від тривалості світлого часу доби та хмарності.
Вступ
Використання сонячної енергії для гарячого водопостачання та обігріву є одним з пріоритетних напрямків розвитку відновлюваної енергетики в Україні. Завдяки широкому розповсюдженню та масовому виробництву сонячних колекторів (СК) в Європі та Китаї їх вартість знизилась до рівня, що вже зараз дозволяє розглядати їх як самоокупну технологію для українських споживачів. Проте досягнення терміну окупності системи теплопостачання на базі СК в межах 1G-15 років можливо лише при її вірному проектуванні, зокрема виборі потужності. При цьому виникає проблема відповідності номінальних технічних показників СК тим, які вони демонструють в реальних умовах експлуатації в Україні.
В країнах ЄС номінальні технічні показники СК визначаються згідно стандарту EN 12975 [1] підчас незалежної сертифікації. При цьому необхідні дослідження ефективності СК проводять при сприятливих погодних умовах, таких як ясний день, безвітряна погода, або всередині спеціально обладнаних приміщень. Втім в Україні, за винятком півдня, кліматичні умови для СК часто далекі від ідеальних. Тому метою даного дослідження було обрано практичне оцінювання ефективності СК в залежності від метеоумов та періоду року.
База експериментальних досліджень
Базою для проведення досліджень став Демонстраційно-освітній центр «Енергоострів» ТОВ «БУРЕНЕРГО», розташований неподалік м. Харкова. Дослідження виконувалися спільно співробітниками ТОВ «БУРЕНЕРГО» та кафедри електричних станцій НТУ «ХПІ». Об’єктом дослідження стали пласкі та вакуумні СК фірми Vaillant серії auroTHERM (див рис. 1). Технічні характеристики СК наведені в табл. 1 згідно [2].
На даху будівлі центру встановлено дві незалежні геліоустановки, кожна з яких містить по два СК одного типу. Обидві геліоустановки приєднані до багатофункціонального накопичувача allSTOR VPS 1GGG/2 ємністю 1GGG л. СК орієнтовані строго на південь під кутом 3G° до горизонту. Географічні координати місця розташування центру: 49°6G' північної широти, 36°28' східної довготи.
Вимірювання добового вироблення тепла кожною геліоустановкою здійснюється на сонячних станціях VPM 2GS (автоматизована насосна група геліоустановки). Зібрані дані про добове вироблення тепла на геліоустановках з різними типами СК в період з липня по жовтень представлені на рис. 2.
а) б)
Рис. 1. Сонячні колектори УаіІІаП аигоТНЕКМ на даху центру «Енергоострів»: а) плаский УБК 145 У; б) вакуумний УТК 1140/2
Таблиця 1
Технічні характеристики СК
Назва аигоТНЕЯМ УБК 145 V аигоТНЕЯМ ехсішіу VTK 1140/2
Тип Плаский Вакуумний (12 труб)
Розміри вхшхг, мм 2033x1233x80 1392x1652x111
Площа колектора, м 2,51 2,28
Абсорбуюча поверхня, м2 2,35 2
ККД згідно ЕК 12975, % 84 64,2
Мінімальна продуктивність, кВт-год/м2/рік 525 525
*—плаский ---о--- вакуумний
Рис. 2. Експериментальні дані про добове вироблення тепла на СК
Апроксимація експериментальних даних
Головним фактором, що впливає на вироблення енергії СК, є обсяг сонячної інсоляції в конкретну добу. Спрощено цей чинник можна вважати функцією двох незалежних параметрів: тривалості світлого часу доби (СЧД) та хмарності. Температура, вологість та запиленість повітря, напрям та швидкість вітру також впливають на ефективність СК, але їх вплив є меншим. Тому в даному дослідженні задля спрощення ці фактори окремо не розглядались.
Тривалість СЧД визначалась за астрономічними таблицями у годинах. Хмарність оцінювалась за даними гідрометеоцентру по Харківській області у відсотках, де 0 % - це ясно, а 100 % - суцільна хмарність.
Для аналізу ефективності СК календарні дані про добове вироблення тепла були розділені на вибірки, диференційовані за тривалістю СЧД і хмарністю. В одну вибірку об’єднувались дані, що відносяться до одного діапазону тривалості СЧД та хмарності. Ширина діапазонів по тривалості СЧД була обрана в 0,5 г, а по хмарності - в 20 %. В кожній вибірці дані були усереднені. Результати такої обробки експериментальних даних наведені в табл. 2.
Таблиця 2
Усередненні значення добового вироблення тепла пласкими/вакуумними СК, кВт-год
Тривалість СЧД, г Хмарність, %
0 20 40 60 80 100
12,5 - 10/10 11/9 8/9 - 2/3
13 - - 8/8 8/8 5/5 4/4
13,5 10/9 -/12 11/9 8/7 - -
14 - - 10/8 5/5 3/4 3/3
14,5 12/10 - 9/9 10/8 6/7 3/3
15 - - - 8/10 5/6 4/3
15,5 12/10 - 11/- 10/7 8/9 4/4
16 13/11 12/10 -/9 7/9 -/4 -/5
Незважаючи на нещільне заповнення табл. 2, пов’язане з відносно невеликим періодом спостереження за СК, отримані дані можна використати для побудови апроксимуючих функціональних залежностей.
Аналіз залежності вироблення тепла Q, кВт-год від хмарності у, % при кожному значення тривалості СЧД /счд, г (див. рис. 3) показує, що для обох типів СК вона досить
точно (з Я2 > 0,9) описується поліномом другого ступеня виду:
Q = а2 У2 + аіУ + ао. (1)
Причому коефіцієнти а2, а1 в (1) можуть бути прийняті однаковими для всіх значень /счд, а вільний член а0 змінюється в залежності від /счд (див. табл. 3, 4).
у,%
счд
♦ 12,5 ж 14,5
13 а 13,5 х 14
15 +15,5 -16
'счд
У,%
♦ 12,5 ■ 13 а 13,5 х 14
ж 14,5 *15 +15,5 -16
а)
б)
Рис. 3. Вироблення тепла а) пласкими і б) вакуумними СК в залежності від хмарності для різної тривалості СЧД
Таблиця 3 Значення коефіцієнтів а2, а1 в (1)
Тип СК а2 а1
Плаский —0,0008 —0,0039
Вакуумний —0,0009 0,025
Таблиця 4
Значення вільного члена а0 в (1)
Тин СК / г *СЧД 5 1
12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16
Плаский 9,5 10 11 11,8 12 12,5 12,8 13
Вакуумний 9 9,5 10 10,3 10,5 10,8 11 11,3
Аналіз залежності вільного члена а0 від /счд, г показує (див. рис. 4), що вона також добре апроксимується (Я2 « 0,99) поліномом другого ступеня:
а0 ~ Ь21СЧД + Ь11СЧД + Ь0 . (2)
Значення коефіцієнтів Ьі в (2) наведені в табл. 5.
1СЧД, Г ІСЧД,Г
а) б)
Рис. 4. Апроксимація залежності а0 від тривалості СЧД для а) пласких і б) вакуумних СК
Таблиця 5
Значення коефіцієнтів Ьі в (2)
Тип СК ъ2 Ьі
Плаский -0,2189 7,2714 -47,275
Вакуумний -0,0905 3,2024 -16,843
Об’єднуючи (1) і (2), можна отримати повну формулу для опису добового вироблення тепла СК в залежності від тривалості СЧД і хмарності:
= а2У + аЦ + Ь2ІСЧД + Ь1ІСЧД + Ьо • (3)
Формула (3) досить точно апроксимує значення 0, наведені в табл. 2. Середнє
відхилення складає близько 0,3 кВт-год, стандартне відхилення - 1,5 кВт-год. Це дозволяє використовувати її для дослідження ефективності СК і проведення технічних розрахунків геліосистем.
На рис. 5 представлено енергетичні характеристики досліджених геліоустановок на пласких та вакуумних СК, розраховані за (3). Як видно, влітку в безхмарну погоду геліоустановка на пласких СК виробляє в середньому більше 13 кВт-год тепла, а восени або навесні в хмарну погоду - близько 1 кВт-год. В той же час для геліоустановки на вакуумних
СК ці показники складають 11 кВт-год і 2,5 кВт-год, відповідно. Влітку навіть за
несприйнятливих погодних умов продуктивність СК обох типів не знижується нижче 40 % відносно максимально можливої. А в осінні і весняні місяці середня продуктивність СК зменшується в 2 рази відносно літньої.
Висновки
Виконані експериментальні та теоретичні дослідження дозволили отримати формулу для оцінки продуктивності СК для будь-якого дня періоду весна-літо-осінь при різній
хмарності. Подальше накопичення архівних даних про роботу геліоустановок дозволить підвищити її точність та область достовірності.
14,5 13,5
lcчд, г
15
12
о
[-
t-
ра
*
15
12
з
0 12,5
ч
о
f-
S-
ра
9
9
б
б
з
а) б)
Рис. 5. Вироблення тепла а) пласкими і б) вакуумними СК в залежності від хмарності та тривалості СЧД
Загалом проведені дослідження та досвід експлуатації СК в Демонстраційно-освітньому центрі «Енергоострів» ТОВ «БУРЕНЕРГО» підтверджують відомі конструктивні, монтажні і експлуатаційні переваги та вади пласких і вакуумних СК. З енергетичної точки зору пласкі СК забезпечують більш високу продуктивність при теплій сонячній погоді, а вакуумні СК здатні видавати більш гарячий теплоносій при низьких температурах повітря і хмарній погоді.
Оцінюючи ефективність досліджених СК, необхідно відмітити, що за період експлуатації в центрі їх річна продуктивність склала лише близько 60 % від мінімального рівня, вказаного виробником. Такий результат, безперечно, пов’язаний з невідповідністю стандартизований випробувальних умов, в яких здійснював оцінку виробник, і реальних умов, в яких експлуатуються СК. Це необхідно враховувати при використанні в Україні рекомендації по проектуванню геліосистем, розроблених для центральної Європи. Тим не менш, обидві геліоустановки на пласких і вакуумних СК показали себе як надійні системи постачання гарячої води, здатні забезпечити споживачу необхідний рівень комфорту й економічності.
EXPERIMENTAL EVALUATION OF SOLAR COLLECTORS EFFICIENCY
K. V. MAKHOTILO, PhD, D. M. KOSATIY, director
The daily heat production of flat plate and evacuated tube solar thermal collectors installed in the experimental solar system in Kharkiv region is analyzed. An approximated analytical expression for estimation of the daily heat production, depending on the length of daylight and cloudiness is proposed.
Поступила в редакцию 15.11 2012 г.
