Подбор оптимальных параметров системы солнечного коллектора на основе климатических данных для выбранной локации Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 697.7

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-160-88-93

А. Ю. ФИНИЧЕНКО А. А. ТАРТАЧЕВ

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

подбор оптимальных параметров системы солнечного коллектора на основе климатических

данных для выбранной локации

Произведен сбор климатических ежедневных данных за годовой период для заданной локации, первичный анализ полученных данных и подробная визуализация положения Солнца в течение года, выбор оптимальных технических параметров системы солнечного коллектора на основе климатических данных для выбранной локации (г. Омск). Приведена методика подбора солнечного коллектора.

Ключевые слова: солнечный коллектор, энергосбережение, тепловая энергия, климат, гелиосистема, отопление, горячее водоснабжение.

Введение. Посчитать интенсивность потока солнечного излучения в произвольном месте на поверхности Земли невозможно, но есть данные наблюдений гидрометеослужб во множестве городов нашей планеты, на основании которых можно делать расчёты.

Рассеянное излучение, то есть отражённое от поверхности земли, воды и облаков, не теряется [1]. Солнечный коллектор его так же хорошо воспринимает. Доля рассеянного излучения в суммарном может превышать 50 %, даже в пасмурный день, когда Солнца не видно, коллектор всё равно работоспособен.

Максимальная производительность от солнечного коллектора можно получить, расположив его плоскость перпендикулярно солнечным лучам. Но в течение дня солнце движется по небосклону, и эффективность коллектора изменяется. Меняется положение Солнца и в течение года [2].

Задача расчёта как раз и состоит в том, чтобы определить оптимальные направление и угол наклона коллектора, чтобы получить от него максимальную эффективность в среднем за период использования.

Климатические данные за годовой период.

В данной работе данные принимаются для выбранной локации: Западная Сибирь, г. Омск (долгота: 73.37; широта: 54.99).

Исходный код всех упомянутых программ доступен в виде репозитория открытого ресурса «github. io» по адресу: «https://github.com/tartachyov/ SunProject».

Климатические данные получены через API* сервиса «Яндекс.Погода». Источником данных является компания «Яндекс Н.В.» по предварительному согласованию об использований данных в научных целях и с использованием соответствующего предоставленного ключа доступа. Полученные данные

представляют из себя таблицу расширения из 365 строк с ежедневными климатическими данными для годового периода города Омска, усредненных каждодневно для предыдущих семи лет. Результаты необходимы для расчета продолжительности солнечных суток и сопоставления времен восхода и заката с точным положением и траекторией движения Солнца. Проекция траектории движения и диаграмма положения Солнца для заданной локации (г. Омск) приведена на рис. 1, 2.

Первичный анализ полученных данных и подробная визуализация. Анализируя данные сервиса «Яндекс.Погода» для заданной локации можно построить годовой график распределения дневной температуры (рис. 3) и облачности (рис. 4). На диаграммах видно, что распределение минимальных температур имеет вполне логичный вид и в целом является примером нормального распределения без явных экстремумов и статистические данные пригодны для применения в расчетах далее.

Диаграмма облачности показывает, что в отопительный период облачность выше, чем в летнее время, что, в свою очередь, будет понижать эффективность коллектора в значительной степени [3-4].

График продолжительности светового дня (рис. 5) показывает, что в зимний (отопительный) период солнечный период меньше, нежели в летний, в то время как потребность использования тепловой энергии как раз и необходима в этот период, что явно указывает на то, что при компенсации потребностей будет возникать избыточная теплота в летний период, которую можно использовать для покрытия нужд горячего водоснабжения (ГВС).

Расчет удельных потерь тепла через ограждающие конструкции. Для текущего первичного расчета приминаются удельные потери через некоторую условную ограждающую конструкцию в виде сте-

Рис. 1. Проекция траектории движения Солнца от времени

Рис. 2. Диаграмма положения Солнца в течение года для заданной локации

ны, и задаемся следующими параметрами, которые сведены в табл. 1.

Используя заданные параметры [5], определяется коэффициент теплопередачи стены (условной ограждающей конструкции) по формуле:

к =

1

"2

& 1

+ + -

^2 ^2

плопередачи, заданной температуры внутреннего воздуха и статистической минимальной температуры окружающей среды из климатических данных определяются по формуле:

(1)

=(—Т . ),

* ^ шт''

(2)

где а — коэффициент теплоотдачи поверхности стенки воздуху.

Удельные потери на единицу площади, для каждого дня исходя из полученного коэффициента те-

где Т — минимальная статистическая температура, °С.

Результатом являются значения удельных потерь для каждого дня в диапазоне отопительного периода для заданной локации. По удельным потерям определяются значения потерь (Вт) для принятой площади стены за один час по формуле:

1

+

а

О и д • 5.

(3)

Рис. 3. Годовой график минимальных дневных температур г. Омска

Рис. 4. Годовой график облачности г. Омска

Рис. 5. Годовой график продолжительности светового дня г. Омска

Расчет выполняетоя прн еомнщи написанной программы «деНоББеБ.до» для вычисления фактических потерь от каждодневной минимально+ стате-стической температурыГшт.

В результате имеем значения потерь для г. Омска для отопительного периода (221 день) через условную ограждающую конструкциюдля выбранной локации, основанные на статистических климатических данных, которые даиее сопоставляются с поступающим количеством тепловой энергии от системы солнечного коллектора заданных параметров также в зависимости от лоиальных статистических данных для оп еделения размерности оптимальных параметров.

Расчет необходимого тепла иа нужды ГВС.

Средний расчетный за сутки отопительного периода объем потребления горячей воды в жилом здании УЬж опредеоют по формуле:

°йе и Н • ф • Н • 1Д

(4)

где д — среднии за ойепительаыи +ертот десход воды одним пользоватеием, (105 л/сут для жилых зданий с централизованным ГВС и оборудованных устройствами стабилизаци и ддвления воды на минимальном уровне (рееуляторы давления на вводе в здание, зонировани е си селмы по вы соте, иетанов-ка квартирных еегулеторов савления); шч — число пользователей, чел.; к — коэффициент, принимаемый 0,6 в случае для мно5оквартирн ого дома с учетом оснащенноети квертир счетчииами воды.

При расчете на условное количество потребителей, равное одасм° челоовку, обте+ оотрв-бления горячей воды в жилом здании составит У^=0,063 м3/с^т.

Среднедневн ой за отопительный период расход тепловой вниргии на ГВС ОЬж, кВт, определяют согласно [6]. Допускается определение среднечасового расходо О по формуле:

О^ и

Ойе (ТТ е 1еС ) • (1 + к,,, )т„С„ в^о

(5)

Таблица 1

Параметры для расчета потерь через ограждающую конструкцию

Параметр Обозначение Значение

Постоянная температура внутреннего воздуха, °С г 20

Коэффициент теплопроводности несущего материала (кирпич), Вт/м2 К К 0,6

Коэффициент теплопроводности теплоизолирующего материала (минеральная вата), Вт/м2 К К2 0,044

Толщина несущей составляющей стенки (кирпич), м ¿1 0,5

Толщина теплоизолирующей составляющей стенки (минеральная вата), м 0,2

Площадь стены, м2 Б 20

где Уш — сиедний расчдтный зет иукки отопительного периода объем плтребления горячей воды в жилом здании, и3/с^г.; ^ — темиерттурт итлодной воды, °С; Иу — соэффициент, учитывающий потери теплоты трубопроводами систем ГВС; р^ — плотность воды, кг/лд С^ — удельная теплоемкость воды, Дж/ (кг°С).

Таким оНразом,ежвднввнао птт+ вбоесть количества теплоты на нужды ГВС для заданных параметров составит С( = 4,9е еВт.

Расчет полученного тепла посредством статической снстемы солнечного коллектора. Расчет выполняется для наиболее распространенной принятой площади активной пов+рке ости солнечного коллектора, ровнтй 0,5 м2 любого сипа конструкции коллектора без учета КПД установки и дополнительных конструктивных оовнрь для каждого часа каждого дни мо ио5ющимся статистическим данным и производится суммирование для каждого дня за солнечный перивд, униквльный для каждого дня, исходя из имеющихся данных восходов и закатов [7].

Теплота, полученная за один час, находится по формуле:

О = 0,8си 1-

С1 100

(6)

-Сравнение динамической и статической с оптимальным положением систем

где С1 — статистическая величина облачности в процентах; Сы — спроецированная величина радиационной энергии на плоскость в зависимости от ее абсолютного тоиижения.

(7)

где СЬп — прямая величин а р тдиацион ной энергии при тетущих условиях пиложеооя солнца; 0 — угол светового потока по отношению к орт-вектору плоскости.

Рис. 6. Сравнительный график динамической и статической систем

ИСп =

аь

0,9+9,4 аяsЛ,

(8)

где Сс— с0лиеанпо пос^яянноя, раваяя 136я Вф/м2; Т — коэффициент К1)ягнс4е;ти атмос(иеры, принятый по статистичесейм днннрш и усредненный помесячно; 0г — угол пмо,енияс в стоиого снести кх по отн ошению к плоскости ес+ли ы свкневн+й точке в крайнем верхнем таннжетии со^те^пг^^ ион данпнго дня.

аяя Л и аяя ф • аяя Д • оят со + я2в ф • а2в Д >

(9)

где ф — постеянна1Я ширвоо сязоданной локации в градусах (г. Омск — 54°.°9); 5 — угол наклона оси земного шарт т иоинеаной нистеме; (в — +асокой угол.

- —т н Т' + о - о') -

(12)

где Р, у — угот_ ^оао:вож1гзе-]^я и аоимуа Соянра, зно виоящий ои вртмонс и гфинимаом ыйяо стат21е^рсч^) ским данным; Т', о' — орт-вектор и азимут стати-чеекой плоьктст^и соуоеТногн коллектора.

Д о ГГН,4:Ы в:;! Н60

где п

0084 к- н

36Ы5

номер расчевного одя я ]га,гг"н.

пав о <о (я иТ

н и Аве !т2п

аояХ

(12)

(12)

Рдсчят выполфяптсд ох™ сонио]3 программой «8о1аг1псоше. до» многокравно я телькз нах-идеиия наиболее эффекиииново паoажeнпя с максимальным суммарным годовым полученитм оеплоты по параметрам Т' ао о' в диапазонах(0:90) и (.50:306) градусов соответственно, исходя из экстремумов азимутк п угла восхождениязаданной локации [0].

В результате находим каждодневныо иаооыо получаемой теплоты посредством статической систе-мыс максимальным годовым получением теплоты инаилуч шие параметры азимута и угла наклона поверхности коллектора для г. Омска, равные Т' и 183 и о' и 23 с суммарным годовым уделькдш кууыче-ством теплоты 244 кВт/м2 и годовое количество получаемой тепловой энергии 610 кВт для заданной активной площади коллектора.

Расчет полученного тепла посредством динамической системы. Выполняется аналогичным о 0-разом, но без угла поправки на абсолютное положение солнечного коллектора в пpncео80стти и тем самым позволяет достичь получения большего количества теплоты в сравнении с статической

системой. Временной картой положения поверхности коллектора в пространстве будет являться диаграмма перемещения солнца в течение года с ее значениями азимута и угла восхождения, как постоянным перпендикуляром к поверхности коллектора [9].

Результат годового количества теплоты составляет 658 кВт, что на 48 кВт, или 7,8 % эффективнее в сравнении с наиболее оптимально расположенной статической системой.

Комплексное сравнение динамической и статической систем. Динамическая система на столь длительном промежутке показывает преимущество всего в 7,8 %, что, на первый взгляд, говорит о том, что применение дина ической системы имеет смысл. Но полученный результат не учитывает постоянных затрат электроэнергии на привод электродвигателя для вращения системы солнеч-сого коллектора, что снижает преимущество даи-и ой системы над статической или даже уравнивает в зависимости от общего веса системы о октивной площади поверхности коллектора.

График отношения динамичесеой и ст ятв рос к ой 00стем (рис. 6) представляется как функциональная зависимость в виде синусоиды с из^стний ымыми-муд о

Стоит отметить, что среднее годовое значение дневной выработки энергии у динамической и ста-ттаеской систем при различной суммарной Г0Д000Й еыработке практически не отличаются (1,6 кВт/ день), это обусловлено тем, что 1—я ститиавпкой истемы наблюдается больший диапазон значений в сравнении с динамической, в которой погоожениа системы всегда стремится быть нeиес[eиеeIM по отношению к световому потоку.

Посезонное регулирование положени я системы (азимута, наклона) и его преимущества. Ппоизво-дотсо расчет посезонного регулирования системы с нахождением оптимальных полэжений для зимнего (отопительного) и летнего сезонов для улучшения суммарного годового получения энергии у гуак+чеакой системы при помощн {зазденниия входных климатических данных на сезоны в программе «Яо1аг1псоше.до».

ПоТучаем результат с максимнльные пвл^ени-ем теплоты в течение сезонов и наилучшие па°а-иятры азимута и угла наклона поверхности коллектора , отличные от ранее найденного наилучшего годового положения и равные о' = 180 и (3' = но и о ' и 184 и Т' и Ы для зимнего и летнего периодов соответственно с суммарным годовым удельным количеством теплоты 254 кВт/м2 и суммарное годовое

Sun go run FINAL annual: beta: 23 sumQ: 244101, FINAL winter: beta: 37 sumQ: 140661, FINAL summer: beta: 5 sumQ: 114621,

main.go azimuth: 183

14718677913 azimuth: 180

63247123305 azimuth: 184

1043044286

Рис. 7. Результат выполнения программы

Рис. 8. Сравнительный график тепловых потерь через ограждающую конструкцию и полученной тепловой энергии от Солнца

Рис. 9. Покрытие теплопотребления на нужды ГВС

Рис. 10. Доля компенсации тепловых потерь

количество получаемой тепловой энергии 632 кВт для заданной активной площади коллектора, что на 22 кВт или 3,6 % больше от ранее найденного наилучшего годового положения без посезонного регулирования. Таким образом, регулирование положения дважды за год значительно снижает преимущество динамической системы над статической.

При этом среднее значение дневной выработки энергии для сезонов становится равным 1,58 кВт и 1,98 кВт для зимнего и летнего режимов, соответственно, а суммарное же годовое, в свою очередь, становится 1,74 кВт, что на 4,8 % больше, чем среднее годовое значение дневной выработки энергии без посезонного регулирования [10].

Анализ полученных расчетных данных, выделение оптимизируемых параметров и нахождение их экстремумов. Фактическим результатом программы расчета является сводная таблица «д1оЬа1Ехрогг.с8У» в директории «./¿ага/СБУБ» (экспортированный файл для г. Омска доступен в репозитории, адрес которого был предоставлен вначале) из 365 строк со значениями для каждого дня тепловых потерь через ограждающие конструкции, результаты поступления тепловой энергии от динамической системы, статических систем с наилучшим годовым и сезонными положениями, а также значения процентов компенсации потерь при использовании систем различных типов с наилучшими положениями и, помимо этого, затраты на нужды ГВС и их возможное процентное покрытие.

Также результат программы отображает в консоли найденные наилучшие положения (азимут и угол восхождения) и удельную выработку теплоты за период, приведенные на рис. 7.

На приведенном графике (рис. 8) можно видеть, что значительная доля полученной тепловой энергии приходится на летний период, в который полностью отсутствует потребность в отоплении, поэтому имеет смысл применение системы солнечного коллектора для покрытия нужд тепловой энергии на ГВС в этот период, что показано на рис. 9.

Доля компенсации теплопотерь (рис. 10) в среднем составляет 39 % потребности на отопление, при этом на всем промежутке сильно варьируется, но и в некоторых точках (днях) превышает даже необходимую, то есть 100 % потерь. Максимальное значение составляет 147 %, а минимальное 2 %, что обусловлено высокой степенью облачности [11 — 13].

Заключение. Итоговая автоматизированная программа расчета солнечного коллектора доступна к использованию в репозитории по адресу: «ИНрБ:// github.com/tartachyov/SunProject» и позволяет на основе фактических статистических климатических данных реализовать расчет (подбор):

— фактических теплопотерь через ограждающие конструкции в зависимости от климатических каждодневных показателей для заданной локации;

— необходимой площади системы коллектора (-ов) для круглогодичного ежедневного частичного фиксированного процентного или полного покрытия нужд ГВС по заданным параметрам потребления для заданной локации;

— необходимой площади для полного покрытия нужд ГВС и частичного покрытия отопления по заданным параметрам теплопотерь для заданной локации;

— процента возможного покрытия нужд ГВС для заданной суммарной активной площади коллектора (-ов);

— процента возможного покрытия отопления при полном покрытии нужд ГВС для заданной суммарной активной площади коллектора (-ов);

— наиболее эффективного круглогодичного положения активных плоскостей коллектора (-ов) в пространстве (азимут и угол восхождения);

— наиболее эффективного положения для посезонного регулирования;

— сравнительных показателей прироста эффективности по теплопоступлению для технико-экономического расчета систем со статическим положением, посезонным регулированием, динамическим положение для заданной локации.

А также возможно смоделировать систему с произвольно заданным положением активной поверхности коллектора и наиболее точно рассчитать поступление теплоты для необходимого периода для заданной локации.

Библиографический список

1. Günther M. Ch. 2. Solar Radiation // Advanced CSP Teaching Materials. Institute for Electrical Engineering, University of Kassel, 2008. 88 p. URL: http://www.energy-science.org/ bibliotheque/cours/1361470275Chapter%2002%20radiation.pdf (дата обращения: 15.01.2018).

2. Cooper P. I. The absorption of radiation in solar stills // Solar Energy. 1969. Vol. 12, no. 3. P. 333-346. DOI: 10.1016/0038-092X(69)90047-4.

3. Origill J. F., Hollands K. G. T. Correlation equation for hourly diffuse radiation on a horizontal surface // Solar Energy. 1977. Vol. 19, Issue 4. P. 357-359. DOI: 10.1016/0038-092X(77)90006-8.

4. Федоров В. Н. Солнечная радиация и климат Земли. М.: Физматлит, 2017. 324 с. ISBN 978-5-9221-1785-2.

5. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М. Конструкции гражданских зданий. М.: АСВ, 2002. 272 с.

6. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий / Минстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1996. 60 с.

7. Расторгуев И. П., Неижмак А. Н. Методика оценки климатического потенциала солнечной и ветровой энергетики // Гелиогеофизические исследования. 2014. Вып. 9. С. 150-160.

8. Сервис Яндекс.Погода. URL: https://yandex.ru/pogoda/ omsk (дата обращения: 15.01.2018).

9. Дмитриева-Арраго Л. Р., Трубина М. А., Толстых М. А. Роль фазового состава облаков в формировании потоков ко-

ротковолновой и длинноволновой радиации // Труды Гидрометцентра России. 2017. № 363. С. 19 — 34.

10. Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. М.: Наука и Техника, 2011. 320 с. ISBN 978-5-94387-838-1.

11. Дроздов О. И., Васильев В. А. [и др.]. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 568 с.

12. Cano D., Monget J. M., Albuisson M. [et al.]. A method for the determination of the global solar radiation from meteorological satellite data // Solar Energy. Vol. 37, Issue. 1. P. 31-39. DOI: 10.1016/0038-092X(86)90104-0.

13. Quaschning V. Unstete Plangröße. Wo Sie Daten für die Sonneneinstrahlung finden // Sonnenenergie. 2001. Vol. 6. S. 24-27.

ФИНИЧЕНКо Александра Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». БРНЧ-код: 6318-3905 АиШогГО (РИНЦ): 662766

Адрес для переписки: [email protected] ТАРТАЧЕВ Александр Андреевич, студент гр. 34-ж теплоэнергетического факультета. Адрес для переписки: [email protected]

Для цитирования

Финиченко А. Ю., Тартачев А. А. Подбор оптимальных параметров системы солнечного коллектора на основе климатических данных для выбранной локации // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 88-93. БОН 10.25206/1813-82252018-160-88-93.

Статья поступила в редакцию 09.05.2018 г. © А. Ю. Финиченко, А. А. Тартачев

р

о