CC BY
18Статья поступила в редакцию 24.10.12. Ред. рег. № 1421
The article has entered in publishing office 24.10.12. Ed. reg. No. 1421
УДК 621.47
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАКУУМНЫХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ДЛЯ МНОГОЭТАЖНОГО ДОМА В МЕГАПОЛИСЕ
В.И. Велькин, В.Ю. Данилов
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел.: (343) 375-47-78, e-mail: v.i.velkin@ustu.ru
Заключение совета рецензентов: 27.10.12 Заключение совета экспертов: 30.10.12 Принято к публикации: 02.11.12
Представлена схема использования вакуумных солнечных коллекторов для отопления и ГВС многоквартирного дома в мегаполисе. Выполнен расчет угла наклона СК для максимальной эффективности в зимнее время.
Ключевые слова: солнечная энергетика, солнечные коллекторы (СК), вакуумные СК.
USE OF VACUUM SOLAR COLLECTORS FOR MULTI-STOREY BUILDING IN THE METROPOLIS
V.I. Velkin, V.Yu. Danilov
Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin 19 Mira ave., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel.: (343) 375-47-78, e-mail: v.i.velkin@ustu.ru
Referred: 27.10.12 Expertise: 30.10.12 Accepted: 02.11.12
The scheme of vacuum solar collectors for heating and hot water of an apartment building in the city. The calculation of the angle of the SK for maximum efficiency in the winter.
Keywords: solar energy, solar collector (SC), vacuum SC.
Практическое использование солнечной энергии в России находит в настоящее время наибольшее применение в Краснодарском крае [1], имеющем высокий уровень ГСОП (градусо-суток отопительного периода) - 3500. Свердловская область имеет гораздо более суровый климат (ГСОП 6000) и, соответственно, высокий риск применения солнечных коллекторов.
Для исследования эффективности использования солнечной энергии в Уральском регионе была создана установка с вакуумными трубками [2]. Получены экспериментальные данные эффективности системы производства тепловой энергии для условий резко континентального климата, характерного для Урало-Сибирской климатической зоны. В ходе исследований определялись приходы солнечной радиации, изменение тепловых характеристик элементов установки; определялась энергетическая производительность и эффективность установки.
Исследования энергетических характеристик установки имели длительный (многомесячный) характер, сбор и накопление информации как по приходу солнечной радиации, так и по температурным характеристикам были максимально автоматизированы.
Для измерения температурных характеристик испытательного стенда был разработан и изготовлен специальный 16-канальный измерительный комплекс, позволяющий выполнять измерения в широком диапазоне температур [3]. Особенностями данного прибора являются высокое быстродействие (максимальная частота дискретизации составляет до 75 кГц), высокая точность измерений (разрешение АЦП - 12 бит), достаточно большое число каналов (с общей землей 16 шт.), входное сопротивление не менее 1 МОм, время преобразования не более 10 мкс, передача данных осуществляется посредством порта типа Я8-232. Алгоритм работы автоматического цифрового измерительного комплекса представлен на рис. 1.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Цифровой сигнал
U = 0,01. ..1,5 В
t = 1.150 °C
ЭВМ АЦП Датчики Солнечный
температуры коллектор
Рис. 1. Структурная схема автоматического цифрового измерительного комплекса Fig. 1. Block diagram of automatic digital measuring system
Рис. 2. Схема системы солнечного теплоснабжения многоквартирного жилого дома в мегаполисе (Екатеринбург, Родонитовая, 8): 1 - солнечные коллекторы (910 ед.); 2 - система автоматического контроля на базе м/п платы «Ардуано»; 3 - бак-теплообменник (2х5о0 л); 4 - насос циркуляционный; 5 - насос питательный Fig. 2. Diagram of a solar heating of apartment residential building in the city (Yekaterinburg, Rodonitovaya, 8): 1 - solar collectors (910 units); 2 - automatic control system based on microprocessor board "Arduan"; 3 - exchanger tank (2x500 l); 4 - circulating pump; 5 - feed pump
В апреле 2012 г. на основе расчетов и экспериментальных данных разработана схема и начался монтаж вакуумных солнечных коллекторов на 10-этажном многоквартирном доме в Екатеринбурге [4]. Схема системы вакуумных СК представлена на рис. 2.
Плоские СК, как известно, отдают больше тепла в окружающую среду по сравнению с вакуумными [5], и эти потери возрастают с ростом разницы температур. Вакуумные коллекторы имеют меньшую долю площади поглощения к общей (60-80%) в сравнении с плоскими. Исходя из значений эффективной площади на квадратный метр, вакуумные коллекторы являются более эффективными. Это позволяет ис-
пользовать их в условиях ограниченного пространства на крыше.
Выбор типа установки определяется с учетом климатических условий. В условиях умеренных широт и холодного климата (при любой солнечной радиации) плоские коллекторы будут нести значительные тепловые потери, обусловленные прежде всего конвекцией, что делает их применение нецелесообразным. С другой стороны, слой вакуума в трубчатом коллекторе позволяет сохранить полученную тепловую энергию.
С технологической точки зрения процесс изготовления вакуумных коллекторов (особенно с тепло-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (115) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Солнечная энергетика
выми трубками) является более сложным и, соответственно, более дорогим в сравнении с плоскими системами.
Системы с плоскими коллекторами широко применяются в странах с большими значениями дневных сумм солнечной радиации, а также в Краснодарском крае России, поскольку, с одной стороны, обеспечивают потребности в горячей воде (чаще всего индивидуальных домохозяйств), а с другой - являются наиболее эффективным вложением средств, поскольку имеют относительно малую стоимость.
Для решения задач не только обеспечения горячего водоснабжения, но и отопления необходимо иметь высокие температуры и возможность работать в зимних условиях, а также в облачную погоду.
В большей степени удовлетворяющим этим требованиям решением является система вакуумных коллекторов с тепловыми трубками. Теплопередача от тепловых трубок является более эффективной и позволяет установке работать в широком диапазоне погодных условий. На рис. 3 представлен фрагмент монтажа вакуумных СК на многоэтажном доме в Екатеринбурге.
вакуумных коллекторов (4, 5, 6) имеют более пологий вид, что позволяет судить о меньших теплопоте-рях при увеличении температуры.
Рис. 3. Фото монтажа каркаса для солнечных вакуумных коллекторов на многоквартирном доме в Екатеринбурге (март, 2012 г.) Fig. 3. Photo frame mounting for solar vacuum collectors apartment building in Ekaterinburg (March, 2012)
Зависимость полученной за день тепловой энергии (Э) от разности температур между теплоносителем в коллекторе и температурой окружающей среды (Тт - Та) при различных значениях приходов солнечной энергии за день (данные "SR.CC") представлена на рис. 4.
Представленная зависимость иллюстрирует основные различия двух типов систем. Так, у плоских коллекторов (кривые 1, 2, 3) большая энерговыработка при малой разности температур, однако по мере увеличения температуры в коллекторе тепловые потери растут и, следовательно, снижается полезная отдача мощности. С другой стороны, кривые
Рис. 4. Зависимость полученной за день тепловой энергии Э от разности температур между теплоносителем в коллекторе и температурой окружающей среды: 1 - плоский СК, солнечно, Эсолн = 6,4 кВтч/(м2день);
2 - плоский СК, переменная облачность,
Эсолн = 4,7 кВтч/(м2-день); 3 - плоский СК, облачно, Эсолн = 3 кВтч/(м2-день); 4 - вакуумный СК, солнечно, Эсолн = 6,4 кВтч/(м2день); 5 - вакуумный СК, переменная облачность, Эсолн = 4,7 кВтч/(м2-день); 6 - вакуумный СК, облачно, Эсолн = 3 кВтч/(м2-день) Fig. 4. The dependence of the thermal energy per day (Э) on the temperature difference between the coolant in the reservoir and the ambient temperature: 1 - flat SC, sunny, Эсолн = 6.4 kW-h/(m2-day); 2 - flat SC, partly cloudy, Эи - " ^ 1 -ln/ -2 -
3 - flat SC, cloudy, Эс< 4 - vacuum SC, sunny, Эсолн = 6.4-kWh/(m2-day);
-"соли
,солн = 4.7 kW-h/(m2-day);
.соли = 3 kW-h/(m2-day);
...............„2.
солн
5 - vacuum SC, partly cloudy, Э, 6 - VaCUUm SC ClOUdy, Эсолн
солн
: 4.7 kW-h/(m2-day); : 3 kW-h/(m2-day)
Таким образом, с учетом достоинств и недостатков обеих систем для проекта использования солнечной энергии на многоквартирном доме в качестве основных элементов гелиосистемы были выбраны вакуумные солнечные коллекторы с тепловыми трубками.
На рис. 5 представлено сравнение мощности потока солнечной радиации для 4-х значений углов. Наибольшее количество энергии в летний период наблюдается для углов меньше широты местности (здесь 56°), тогда как для зимнего периода - для больших.
Для гелиосистем, основной задачей которых служит отопление, наиболее целесообразным являются «зимние» углы (от 60 до 70). Например, для угла 65° для января наблюдается мощность порядка 400 Вт/м2, тогда как в аналогичное время для угла в 10
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
градусов 1Н = 180 Вт/м . Дальнейшее увеличение угла нецелесообразно, так как при угле в 90° 1Н = = 415 Вт/м2 для января, но в летний период существует значительный недобор энергии, поскольку солнечное излучение попадает на вертикальную поверхность лишь частично.
Таким образом, для системы солнечных коллекторов, использующихся для нужд отопления и ГВС многоквартирного жилого дома в условиях Уральского федерального округа, был принят угол, равный 65°.
L, Вт/мг
1100
900'
700
500
300
100
2
у s —* ---- " S К 3
? / < ».-■-л -с
/ -:"J п. у. 1 „ J \ с î- ' \ L
А ( / ¡7 < / 4 \ Л
\ к N
1 Г 's
>
Рис. 6. Блок-схема системы сбора данных, где tc5, ..., ¿с10 - температуры каждой секции коллекторов; (бшерх, tб1.низ, tб2.верх, tб2.низ - температуры в баках-аккумуляторах;
^оо., tXC
- температуры в трубопроводах, p - давление
в системе, I - мощность потока солнечной радиации Fig. 6. Block diagram of the data collection where tc1, tc5, ..., tc10 - temperature of each section of the reservoir;
^ор., tXC
б1.низ, ^б2.верх, 'б2.низ
5 - temperature in the tanks, batteries; - temperature in the pipes; p - pressure in the system;
■ power of solar radiation
1 3 6 9 12
Месяц
Рис. 5. Расчетная зависимость мощности потока солнечной радиации от месяца для углов наклона СК: 1 - 10°; 2 - 45°; 3 - 65°; 4 - 90° Fig. 5. Calculated dependence of the power flux of solar radiation on the month for angles SC: 1 - 10°; 2 - 45°; 3 - 65°; 4 - 90°
Рис. 7. Монтаж вакуумных солнечных коллекторов на 10-этажном доме в Екатеринбурге (июнь 2012 г., студенты кафедры АС и ВИЭ УрФУ на практическом занятии по монтажу. Руководитель - доц. В.И. Велькин) Fig. 7. Installation of vacuum solar collectors on the lot of apartments 10-storey building in Ekaterinburg (June, 2012, students of the AS and the RES UrFU on practical training on installation. Head - ass. prof. V.I. Velkin)
Помимо автоматической системы регулирования насоса по температуре реализована система сбора данных (рис. 6), которая позволяет выводить на диспетчерский экран данные по температурам отдельных секций вакуумных СК, а также общие параметры, такие как давление и температура прямого трубопровода. Вывод такой информации позволяет следить за работоспособностью как системы в целом, так и отдельных ее элементов. В дальнейшем информация поступает в компьютер, где обрабатывается и хранится в базе данных, что позволяет собирать статистическую информацию о работе системы.
Монтаж вакуумных СК на многоквартирном доме в мегаполисе представлен на рис. 7.
Список литературы
1. Бутузов В.В., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. Гелиоустановки Краснодарского края // Промышленная энергетика. 2011. № 7. С. 45-47.
2. Щеклеин С.Е., Коржавин С.А., Данилов В.С., Велькин В.И. Экспериментальное исследование эффективности комбинированной системы солнечной теплогенерации // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2012. № 3. С. 77-81.
3. Жуков С.В., Лекомцев А.А., Щеклеин С.Е., Немихин Ю.Е. Применение многоканального аналого-цифрового преобразователя // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сб. матер. Всеросс. студенческой олимпиады, н.-практ. конф. и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых. 6-9 декабря 2005 г. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.
4. Дом на солнечном отоплении «Родонитовая 8». TV Вести-Урал., 04.2012 г.
5. Бутузов В.А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии // Дисс. ... д-ра техн. наук. М.: ВИЭСХ, 2004.
- TATA — I >
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (115) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
