CC BY
51
Описано ефективтсть поеднання покрiвель-ного матерiалу будiвлi та сонячного колектора. Встановлено залежтсть мiж кутами встанов-лення комбтованого сонячного колектора вiд-носно надходження теплового потоку та його ефективтстю. Встановлено залежностi мiж рiзними швидкостями, напрямками повтряно-го потоку та ефективтстю сонячного колектора. Показано на скшьки зменшуеться ефективтсть комбтованого сонячного колектора при ди на нег втру
Ключовi слова: сонячний колектор, тепло-вий потш, сонячне випромтювання, повтря-ний потш
□-□
Описана эффективность сочетания кровельного материала здания и солнечного коллектора. Установлена зависимость между углами установки комбинированного солнечного коллектора относительно поступления теплового потока и его эффективностью. Установлены зависимости между различными скоростями, направлениями воздушного потока и эффективности солнечного коллектора. Показано на сколько уменьшается эффективность комбинированного солнечного коллектора при воздействии на него ветра
Ключевые слова: солнечный коллектор, тепловой поток, солнечное излучение, воздушный поток
УДК 620.97: 697.329
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.39429|
ПОР1ВНЯННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 КОМБ1НОВАНОГО СОНЯЧНОГО КОЛЕКТОРА ЗА Р1ЗНИХ РЕЖИМ1В ЙОГО ЕКСПЛУАТАЦП
О. М. Пона
Астрант* E-mail: ostap.pona@gmail.com Б. I. Гул а й
Кандидат техшчних наук, асистент* E-mail: 08bogdan1986@ukr.net *Кафедра теплогазопостачання i вентиляцп Нацюнальний уыверситет «Львiвська полЬехшка» вул. Ст. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013
1. Вступ
На сьогодшшнш день шнуе велика юльюсть джерел енергп, частина з яких освоеш i ефектив-но використовуються, iншi тiльки дослщжуються i впроваджуються в нашу енергетику. 1нтенсивне ви-користання традицiйних джерел енергп призвело до появи ряду еколопчних проблем, найб^ьш гострими з яких е: зб^ьшення викидiв в атмосферу вуглекис-лого газу i зменшення товщини озонового шару [1-3]. За останнi 100 рокiв концентращя вуглекислого газу в атмосферi Землi збiльшилась на 13 %. Тому необ-хiдно придiлити особливу увагу пошуку таких джерел тепла, ресурс яких був би невичерпний i легко доступний.
Одним з найб^ьш перспективних джерел тепла е Сонце, що зумовлено рядом факторiв: сонячна енер-гетика доступна в кожнш точцi нашо! Планети, яка вiдрiзняеться за густиною потоку сонячного випромтювання не б^ьше, нiж в два рази; також вона е еколопчно чистим та невичерпним джерелом теплоти без негативного впливу на навколишне середовище [4]. Як вщомо потенщальш можливостi сонячно! енергетики е надзвичайно великими. Використання близько 2 % кшькоси енергп Сонця могло б забез-печити в« сьогоднiшнi потреби свиово! енергетики.
2. Аналiз лггературних даних та постановка проблеми
Клiмат Укра!ни дае нам потенцiйнi можливост використання сонячно! енергп: рiчний потж сонячного випромiнювання складае 1080-1380 кВт год/м2 [5].
В зв'язку з цим виникае необхщшсть ефективного використання сонячно! енергп. На сьогодшшнш день шнуе велика кiлькiсть конструкцш сонячних колек-торiв, основними недолжами яких е: складнiсть кон-струкцп, велика залежнiсть тепла, що виробляеться вщ перiоду доби, висока варпсть [6].
Системи сонячного теплопостачання iз звичай-ними сонячними колекторами е достатньо дорогими [7-9]. Також iстотною вадою цих колекторiв е висока трудомштюсть виготовлення i недостатня ефектив-шсть перетворення сонячно! енергп в теплову внасль док втрат тепла. Крiм того плоска поверхня прямокут-но! форми великого розмiру призводить до трудношдв архiтектурно'i та технологiчно'i прив'язки необхвдно! кiлькостi сонячних колекторiв на спорудах [10]. А та-кож вони створюють додаткове масове навантаження на конструкцп споруд, на яких розмщено сонячний колектор [11].
На сьогодшшнш день широко використовуються настшш сонячш колектори, як одночасно виконують функщю огороджувальних конструкцiй [12]. Вiдомий
гелюпрофшь [13], який являе собою видовжений алю-мiнieвий профiль, який мае теплосприймаючу поверх-ню, канали для рщкого та повiтряного теплоносiя (в останньому може розмщуватись теплоакумулююча рщина) i ребра закрiплення з сусщшми елементами. Монтаж гелiопрофiля ведуть безпосередньо на каркас споруди. Однак гелюпрофшь мае низьку штенсившсть теплообмiну мiж теплоносieм та теплопоглинальною панеллю внаслшок невелико! площi контакту.
Одним iз шляхiв вирiшення цieí проблеми е поеднання сонячного колектора та гофрованого по-крiвельного матерiалу будiвлi. Це дозволяе шдвищи-ти ефективнiсть сонячного колектора та знизити його варткть.
3. Мета та задачi дослiдження
На енергетичну ефектившсть комбiнованого сонячного колектора впливае багато факторiв: затшення, хмарнiсть, вплив повiтряного потоку. Тому для !! пiдвищення важливим е дослш-ження всiх факторiв як вплива-ють на не!.
Метою роботи е визначення ефективност комбiнованого со-нячного колектора без прозоро-го покриття та вивчення впливу повiтряного потоку на його роботу та порiвняння отриманих результаив для визначення оп-тимальних характеристик ком-бшованого сонячного колектора.
Для досягнення поставлено! мети були поставлен таю завдання:
- експериментально дослши-ти ефектившсть комбшованого сонячного колектора з прозорим покриттям;
- експериментально визначи-ти вплив повiтряного потоку на ефектившсть комбшованого со-нячного колектора.
Для шдвищення ефективност комбiнованого соняч-ного колектора було запропоновано розташувати трубки контуру циркуляцп над гофрованим теплопоглиначем. Це дозволяе збшьшити площу поглинання сонячно! енергií, що вiдповiдно пiдвищуe ефектившсть сонячного колектора.
Експериментальна установка складалась iз комбшованого сонячного колектора, бака-акумулятора, джере-ла випромшювання та вимiрювальних приладiв. Розрiз комбiнованого сонячного колектора та схема експериментально! установки зображено на рис. 1.
4. Матерiали та методи дослщжень комбшованого сонячного колектора в лабораторних умовах
В основу комбшованого соняч-ного колектора поставлено завдан-ня удосконалити плоский соняч-ний колектор. Це здшснюеться завдяки тому, що теплопоглина-ючий матерiал комбшованого со-нячного колектора е одночасно
покрiвельним матерiалом будiвлi, що дозволяе знизити варткть, пiдвищити мщшсть та спростити конструкцiю сонячного колектора. Комбшований сонячний колектор дозволяе ефективно використовувати тепло покр^ вельного матерiалу.
Рис. 1. Схема експериментально! установки: а — схема комбшованого сонячного колектора; б — схема експериментально! установки; 1 — прозоре покриття; 2 — трубки контуру циркуляцп; 3 — теплопоглинач; 4 — теплоiзоляцiя; 5 — подаючий трубопровщ; 6 — бак-акумулятор гарячо! води; 7 — патрубок для подачi води споживачу; 8 — зворотнш трубопровщ; 9 — комбЫований сонячний колектор; 10 — патрубок для спуску води; 11 — термометри; 12 — джерело випромшювання; 13 — вентилятор
Верхне гофроване покриття кршиться до крокв, наприклад, за допомогою кронштейшв. Сонячне про-мшня попадае на поглинач сонячно! енергп 1 та трубки для теплоноая 2. При цьому вшбуваеться !х нагр^ вання. За рахунок рiзницi температур, та вiдповiдно
а
Р13НИЦ1 густин теплоноая в 30Н1 ВХ1ДН0Г0 1 ВИХ1ДН0Г0 патрубюв створюеться циркулящя теплоноия. Нагрь тий теплоносш через подаючий трубопровщ 5 подаеть-ся у бак-акумулятор гарячо! води 6. Нагриа вода через патрубок 7 подаеться споживачу. Охолоджений теплоносш по зворотньому трубопроводу 8 повертаеться у комбшований сонячний колектор 9, 1 нагр1ваеться. Спуск води з бака-акумулятора вщбуваеться через патрубок 10. Випуск повиря - через пов1тровипускний клапан. Тепло1золяцшний шар 4 забезпечуе зменшен-ня тепловтрат.
Розмщення шару променевщбиваючого матерь алу пщ теплополиначем дае можлив1сть зб1льшити ефектившсть використання сонячного випромшю-вання, частина якого пройшла повз нього. Шар променевщбиваючого матер1алу вщбивае сонячне ви-промшювання назад на поглинач сонячно! енергп, в результат! чого теплопоглиначем поглинаеться практично все сонячне випромшювання яке потрапляе на комбшований сонячний колектор. Для зменшення тепловтрат системи вс трубопроводи та бак-акуму-лятор були утеплеш.
Впродовж експерименту вим1рювалась температура теплоноая у трьох точках системи (на виход1 з комбшованого сонячного колектора, на вход1 в комбшований сонячний колектор та в бащ-акумулятор1) термометрами. 1нтенсившсть потоку енергп, що ви-промшювало джерело, вим1рювалась актинометром.
Була складена матриця планування трифакторно-го експерименту 1з врахуванням взаемодп фактор1в. Факторами були обраш:
- азимутальний кут повороту комбшованого сонячного колектора, а°, [30; 90];
- кут нахилу комбшованого сонячного колектора, в°, [30; 90];
- штенсившсть теплового потоку, I, Вт/м2 [300; 900].
5. Результати дослщжень ефективност комбшованого сонячного колектора з прозорим покриттям
Результати експериментальних дослщжень подано у табл. 1.
Таблиця 1
Кшьмсть тепла, що отримала гелюсистема при змЫ кулв падшня теплового потоку а i в та iнтенсивностi теплового потоку I
К = У,
Кеф - — ,
У
ст
(1)
Кути падшня теплового потоку а 1 р, ° Кшькють тепла, що акумулювалась в баку-акумулятор1, О;^, кДж
при 1=300 Вт/м2 при 1=900 Вт/м2
а=30° р=30° 334,9 418,7
а=90° р=30° 376,8 586,2
а=30° р=90° 418,7 628,1
а=90° р=90° 502,4 711,8
де уст - теплова енерпя отримана гелюсистемою при кутах падшня промешв - а=90о 1 р=90о та штенсив-ност теплового потоку 1в=900 Вт/м2; у; - отримана теплова енерпя гелюсистемою за шших кут1в падшня промешв.
Результати експериментальних дослщжень подано у граф1чнш форм1 (рис. 2).
Параметром оптим1зацп вибрано коефщ1ент ефек-тивност комбшованого сонячного колектора Кеф, як впливае змша кута падшня промешв на ефектившсть сонячного колектора.
Коефщ1ент ефективност комбшованого сонячного колектора Кеф визначаеться за формулою:
Рис. 2. Залежнють коефiцieнта ефективност1 комбiнованого сонячного колектора з прозорим покриттям Кеф у грав^ацшнш системi теплопостачання вщ кутiв падiння теплового потоку а i в при iнтенсивностi теплового потоку 1=900 Вт/м2
Проанал1зувавши результати експериментальних дослщжень бачимо, що ефектившсть комбшованого сонячного колектора без прозорого покриття за змши кут1в падшня теплового потоку а 1 в вщ 90о до 30о змен-шуеться на 40 %, тод1 як ефектившсть звичайного сонячного колектора зменшуеться на 60 %, що говорить про незначне падшня ефективност системи сонячного теплопостачання з використанням комбшованого сонячного колектора.
6. Дослщження впливу повггряного потоку на
ефектившсть комбшованого сонячного колектора
Важливим е вивчення роботи комбшованого сонячного колектора при вплив1 на не! р1зних фак-тор1в. Тому запропоновано дослщити як змшюеть-ся ефектившсть комбшованого сонячного колектора при наявност прозорого покриття та вплив1 на нього повиряного потоку.
Для визначення впливу повиряного потоку на ефектившсть сонячного колектора факторами було обрано:
- х1 - швидюсть повиряного потоку V, м/с [2; 6];
- х2 - напрям повиряного потоку ±а, °[0; 90], рис. 3;
- х3 - штенсившсть теплового потоку I, Вт/м2 [300; 900];
Швидюсть повиряного потоку змшювалась вщ 2 до 6 м/с, що вщповщае нормативним значенням се-редньо! швидкост виру в Укра!ш.
подтряний пот/'к Рис. 3. Змша напряму пов^ряного потоку ±а°
Параметром оптимiзацп було вибрано Кеф - вщ-ношення кiлькостi тепла, що отримав комбшований сонячний колектор при рiзних швидкостях та напряму повiтряного потоку та штенсивност теплового потоку до юлькост тепла, що отримав сонячний колектор при найменшому впливi виру.
Для максимального виявлення впливу факторiв на функцiю вiдгуку складено матриця планування iз врахуванням ефекту взаемоди факторiв, табл. 2.
Таблиця 2
Матриця планування експерименту
№ Х0 Х1 Х2 Х3 Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3 Кеф
1 + - - - + + + - 0,72
2 + + - - - - + + 0,61
3 + - + - - + - + 0,67
4 + + + - + - - - 0,44
5 + - - + + - - + 1,00
6 + + - + - + - - 0,78
7 + - + + - - + - 0,83
8 + + + + + + + + 0,56
У результат опрацювання експериментальних да-них було отримано рiвняння регресп:
Кеф= 0,701 -0,104• х, -0,076• х2 +
+0,091-х3 -0,021^х,х2 -0,019• х4х3 -0,021-х2х3.
(4)
Проаналiзувавши коефiцiенти рiвняння регресп можна зробити висновок, що найбшьший вплив на ефективнiсть комбшованого сонячного колектора без прозорого покриття у гравиацшнш системi теплопо-стачання мае швидюсть повiтряного потоку, а напря-мок повiтряного потоку та штенсившсть теплового потоку впливають менше. Також можна стверджувати,
що при чисельному збшьшент факторiв, енергетична ефективнiсть комбшованого сонячного колектора з прозорим покриттям буде зменшуватись.
Результати експериментальних дослщжень подано у графiчнiй формi (рис. 4, 5).
Рис. 4. Температури теплоноая на входi та виходi tвих з комбшованого сонячного колектора i в баку-акумулятор1 tбак за час Т, при напряму пов^ряного потоку а=0° i швидкостi повiтряного потоку V=2 м/с та штенсивносп теплового потоку 1=600Вт/м2
Рис. 5. Температури теплоносiя на входi tвх та виходi ^их з комбiнованого сонячного колектора i в баку-акумуляторi tбак за час Т, при напряму пов^ряного потоку а=90° i швидкостi повiтряного потоку ^6 м/с та iнтенсивностi теплового потоку 1=600Вт/м2
Проаналiзувавши результати експериментальних дослщжень, зображених на рис. 4, 5, бачимо, що ефектившсть комбшованого сонячного колектора зменшуеться при зб^ьшенш напряму та швидкост повиряного потоку. Так, температура теплоносiя в баку-акумуляторi при швидкостi повiтряного потоку 2 м/с та напряму повиряного потоку 0° досягла 21 °С, тодi як температура в баку-акумуляторi при швидкостi повiтряного потоку 6 м/с та напряму повиряного потоку 90° досягла 17,5 °С.
За результатами експериментальних дослщжень побудовано номограму залежност коефiцiента ефек-тивност гелi покрiвлi без прозорого покриття Кеф вiд швидкостi повiтряного потоку V, напряму повиряного потоку а та штенсивносп теплового потоку 1в (рис. 6).
З номограми (рис. 6) видно, що найбшьше ефектившсть комбшованого сонячного колектора зменшуеться при напрямку повиряного потоку перпендикулярному до сонячного колектора. Ефектившсть комбшованого сонячного колектора без прозорого покриття у гравиацшнш системi теплопостачання при впливi на не! повиряного потоку знижуеться на 45 %.
Рис. 6. Номограма залежност коефщieнта ефективносп K0M6iH0BaH0r0 сонячного колектора з прозорим покриттям Кеф вiд швидкостi V, напряму а пов^ряного потоку та штенсивносп теплового потоку 1в
7. Обговорення результаив дослщження порiвняння ефективносп K0M6iH0BaH0r0 сонячного колектора за рiзних режимiв його експлуатацп
Дослiдження показали ефективну роботу комбь нованого сонячного колектора, при значних кутах падшня випромшювання (ранiшнi i вечiрнi години). Так юльюсть тепла, що отримав комбшований сонячний колектор, за штенсивносп теплового потоку 1в=300 Вт/м2,змшюеться вщ 334,9 кДж до 502,4 кДж при 3Mirn кутiв падшня вщ 30° до 90°, що говорить про можлившть ïï широкого застосування в гелюсистемах та ефективноï роботи впродовж дня.
Важливим фактором, що впливае на енергетичну ефектившсть сонячного колектора е повггряний потж. Дослiдження показали, що ефективнiсть комбшованого сонячного колектора без прозорого покриття при дп на нього повиряного потоку зменшуеться на 45 %, що говорить про важливкть ïï захисту вiд вiтрy
8. Висновки
Дослвджено ефективнiсть комбiнованого сонячного колектора при рiзних режимах його роботи, а саме з прозорим покриттям та при впливi на не'1 повиряного потоку рiзноï швидкост та напрямку. Отримано графiчнi та аналиичш залежностi змiни ефективностi комбшованого сонячного колектора без прозорого покриття вщ купв падiння теплового потоку та його штенсивносп, а також залежносп ефективносп комбшованого сонячного колектора вщ швидкоси та напряму повиряного потоку. Отримаш залежносп дозволяють моделювати роботу гелiосистеми в цшому при впливi на не'1 рiзних факторiв, а саме: проводити розрахунки температури на^ву теплоносiя у гелюустановщ протягом цiлого дня (в будь-який перюд доби) при наявноси чи вiдсутностi вiтру. Проведенi дослщження показують перспективнiсть
10.
11.
12.
13.
використання комбшованого сонячного колектора у системах теплопостачання. Поеднання систем теплопостачання та покрiвлi будинку дозволяе ефективно використовувати тепло по^вельного матерiалу будiвлi.
Лiтература
1. Гальчак, В. Альтернативы джерела енергй [Текст]: навч. посiб. / В. Гальчак, В. Боярчук. -Л. : Арал, 2008. - 135 с.
2. Туяхов, А. И. Возобновляемые и альтернативные источники энергии [Текст]: учеб.-ме-тод. пос. / А. И. Туяхов. - Донецк : Вебер, Донец. отд-ние, 2007. - 184 с.
3. Renewables Global Status Report [Text] / Paris: Global Status Report, 2009. - 32 р.
4. Hazami, M. Thermal Performance of a Solar Heat Storage Accumulator Used For Greenhouses Conditioning [Text] / M. Hazami,
5. Kooli, M. Lazaar, A. Farhat, A. Belghith // American Journal of Environmental Sciences. -2005. - Vol. 1, Issue 4. - P. 270-277. doi: 10.3844/ajessp.2005.270.277
Viessmann. Книга о «солнце» [Текст] / Руководство по про« ектированию систем солнечного теплоснабжения, 2010. Шаповал, С. П. Проблеми енергетики Украгни [Текст]: зб. матер. I мiжн. конгресу / С. П. Шаповал, А. С. Ромашв, О. С. Дацько // Захист навколишнього середовища. Енер-гоощадшсть. Збалансоване природокористування. - Л. : В-во НУ «ЛП», 2009. - С. 112.
Maczulak, A. E. Renewable energy: Sources and Methods [Text] / A. Maczulak. - NY : Infobase Publishing, 2010. -206 p.
Pluta, Z. Sloneczne instalacje energetzczne [Text] / Z. Pluta. -Warsyava : Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2007. - 246 p.
Чайковська, 6. 6. Технiко-економiчна оцшка енергоз-бер^аючо! технологи комбшованого теплопостачання [Текст] / 6. 6. Чайковська, Н. Ф. 1щук // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - Т. 4, № 8 (52). - С. 45-48. - Режим досутпа: http://journals. uran.ua/eejet/article/view/1464/1362 Piotrowski, R. Katalog Projektow Domow Pasywnych i Energooszcz^dnzch [Text] / R. Piotrowski // Warszawa. -2006. - Vol. 1, Issue 1. - P. 71.
Wisniewski, G. Kolektorz Sloneczne : energia sloneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnzm pryemysle [Text] / G. Wisniewski, S. Gol^biowski, M. Grzciuk et. al. - Warsza-wa : Medium, 2008. - 201 p.
Одинцов, А. Н. Целесообразность использования вертикальных солнечных коллекторов для терморегуляции помещений [Текст] / А. Н. Одинцов // Вюник СевДТУ: Мехашка, енергетика, еколопя: зб. наук. пр. - 2009. -Вип. 97. - С. 204-209.
Патент № 103003 UA МПК (2006), F24J 2/26, F24J 2/52. Гелюпрофшь [Текст] / Страшко В. В., Собюв Д. I., Голов-ченко В. К. // Промислова власшсть. - 2006. - № 17.
