CC BY
10
ВЕСТНИК 4/2008
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАСТЕННОГО ПЛОСКОГО СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА ЗА СЧЕТ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ
Рахнов О.Е., Потапов А.Д., Волшаник В.В.
В настоящее время, как известно большая часть мировой энергетики (87%) основывается на сжигании органического и «сгорании» атомного топлива, что подвергается жесткой и справедливой критике в связи с негативным воздействием на окружающую среду. В частности, Использование органического и атомного топлива приводит к кризисному антропогенному потеплению климата и загрязнению атмосферы парниковыми газами. Принятый международным сообществом, Киотский протокол уже сейчас реально ограничивает развитие промышленности передовых, в техническом отношении, стран, достигших разумнык пределов в выбросах в атмосферу парниковых газов.
Выход из сложившейся ситуации - переход на экологические источники энергии. Наиболее перспективным с точки зрения экологической безопасности планеты является использование солнечной энергии, в частности, путем снижения темпов глобального потепления: за счет экономии традиционных энергоресурсов, и тем самым снижения нагрузки на окружающую среду от вредных выбросов, являющихся основной причиной парникового эффекта; если не сжигается топливо, то и исчезает источник добавочного тепла в окружающую среду; из теплового баланса Земли изымается часть солнечной энергии, поступившего на поверхность земли.
Исследование повышения эффективности устройств, преобразовывающих солнечную энергию в энергию, удобную для использования человеком, есть задача, прежде всего геоэкологическая, а уже потом техническая и если увеличение тепловой эффективности принять за единицу, то по ряду экспертных оценок достигается трехкратный экологический эффект. Рассмотрение энергоэффективности системы «устройство-конструкция здания» для использования солнечной энергии при решении задач энерго - теплоснабжения зданий является типичной геоэкологической задачей.
На основании результатов работы «Исследование теплосъема пассивным солнечным коллектором в системе комплексного теплоснабжения зданий» в г. Ставрополе [2, 3, 4] была определена цель исследования в определении оптимального угла наклона коллектора к горизонту при его настенной установке. В задачи экспериментов входило выявление возможных факторов и оценка величины их влияния на тепловоспринимающую способность коллектора. В результате получена интересная зависимость КПД солнечного коллектора от угла его наклона (рис. 1), показывающая, что при уменьшении угла наклона эффективность коллектора увеличивается.
Была проведена оценка причины вышвленного факта. КПД раасчитыва-лось по выражению:
Рис. 1. Зависимость эффективности коллектора от его угла наклона
4/2008
ВЕСТНИК _МГСУ
(В
а
о £
<и
ц ■ ц 1
о *
а: с
45,0 40,0 35,0
60° 45° 30° 15°
Угол наклона коллектора
& • 3,6
п =
1=п всЛ •ЮО' % (1)
'к I = т
гк
I щ
В этом выражении используется величина реально полученной тепловой энергии (1вс -3,6) и теоретически вычисленной приходящей энергии солнечного излучения Ик[.
Эффективность одного и того же солнечного коллектора величина постоянная и зависит только от конструктивных особенностей. В течение эксперимента использовался один и тот же коллектор, а количество снимаемой энергии оценивалась по стандартным измерительным приборам.
Дальнейший анализ выполнялся из следующего предположения: на плоскость коллектора поступает некоторое количество, неучтенной существующей методикой расчета [5, 6, 7], энергии, причем доля этой энергии увеличивается с уменьшением угла наклона. Наиболее вероятная составляющая часть солнечной энергии, которая может так значительно повлиять на эффективность коллектора, это отраженная энергия от стены, на которой был установлен коллектор (рис. 2).
Сформулированные задачи заключались в выяснении возможного увеличения экологической и тепловой эффективности за счет отраженной энергии от стены здания, на которой был установлен коллектор; математическом выражении переменной отраженной энергии.
Эксперименты проведены в период с 21-го сентября до 1О-го октября 2006 г. в г.Москве (55°45" с.ш.) Результатами явились графики изменения температур по подающей и обратной линии контура, снимаемые ежедневно и наблюдаемая средняя облачность в течение всего дня с данными по метеоусловиям в это время [14].
Переменной при проведении опытов, кроме погодных, угла склонения солнца и др., не зависящих от нас, условий, являлся угол наклона коллектора к горизонту. Именно угол наклона коллектора менялся при проведении опытов, т.е. какой-то определенный период времени в течение месяца коллектор находился под фиксированным углом к горизонту, производились замеры, затем угол наклона менялся и т.д. В течение всего времени исследования угол наклона менялся четыре раза.
Дни исследования: 21.09; 22,09; 23.09; 24.09; 25.09 - угол 60°;
1 — П
ВЕСТНИК
МГСУ
4/2008
26.09; 27.09; 28.09; 29.09; 30.09 - угол 45°;
1.10; 2.10; 3.10; 4.07; 5.10 - угол 30°;
6.10; 7.10; 8.10; 9.10; 10.10 - угол 15°.
Для проведения экспериментов ыла сконструирована и изготовлена многоцелевая гелиотермическая установка на базе плоского коллектора солнечной энергии (рис. 3). Схематически установка выполнена по одноконтурной схеме, без бака-аккумулятора с конструктивными элементами :плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ); конвектор (для сброса воспринимаемого КСЭ тепла в помещение); циркуляционный насос; счетчик циркулирующего теплоносителя; расширительный бак; запорная арматура.
Рис. 2. Экспериментальная установка. Вид сверху
Площадь лучевоспринимающей поверхности КСЭ равна 2,3 м2. В результате экспериментов получена следующая зависимость эффективности коллектора от его угла наклона. (Рис.4)
Рассмотрение зависимости эффективности коллектора без учета отраженной энергии должно выполняться не как КПД коллектора, а как эффективность системы коллектор - стена здания. Эффективность коллектора значительно растет при уменьшении угла наклона, поскольку коэффициент альбедо стены здания заведомо выше, чем эта же величина для поверхности земли. В работах [5, 6, 7] рассматривались составляющие поступающей на наклонную поверхность энергии солнечного излучения: прямое излучение; рассеянное излучение; излучение, отраженное от земной поверхности.
В нашем случае к этим трем составляющим добавляется четвертая: излучение, отраженное от поверхности здания
График ( рис. 4) наглядно отображает, сколько энергии потерялось бы при установке коллектора с этими же характеристиками на крыше здания. При этом для замкнутого контура теплоносителя потребовался бы расход энергии на циркуляционный насос. Линия графика отображает реальное значение тепловой эффективности этой конструкции коллектора.
Как видно из рис. 4 при угле наклона коллектора в 15° выигрыш ваем КПД на 10,4% - что значительно при собственном КПД коллектора в 45%.
4/2008
ВЕСТНИК
_МГСУ
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки
Рис. 4. Зависимость эффективности коллектора от его угла наклона
60 55
50 45
40
Угол наклона колле ктор
Эффективность коллектора без учета отраженной энергии, %
При применении солнечных коллекторов как локальных источников теплоснабжения (для системы ГВС загородного коттеджа или дачи) имеет место установка не батареи коллекторов, а нескольких (2 или 3 шт.) на крыше здания с применением насосной циркуляции при теплосъеме. Теперь в этих случаях, пользуясь выводами проделанной работы, при монтаже кол-
ВЕСТНИК 4/2008
лекторов на стене здания и учете энергии, отраженной от стены здания мы можем либо установить коллекторы меньшей площади, тем самым сокращая срок окупаемости всей системы, или сократить затраты на энергию от традиционного источника, при использовании их совместной работы.
Литература
1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.
2. Воронин А.И. Рахнов O.E. "Инженерные аспекты децентрализованного теплоснабжения на основе солнечной энергии" Материалы VI региональной конференции "Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону". Том второй. Общественные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2003. 175с.
3. Воронин А.И. Рахнов O.E. "Анализ эффективности использования солнечной энергии в Ставропольском крае" Материалы XXXIII научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003год. Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2004.
4. Рахнов O.E. "О перспективах использования коллекторов солнечной энергии (КСЭ) в московском регионе" научно-технический журнал "Вестник МГСУ" №4 2007г.
5. Бекман У. и др. Расчет систем солнечного теплоснабжения: Пер.: с анг. /У Бекман, С.Клейн, Дж.Даффи. - М.: Энергоиздат, 1982, 80с.
6. Даффи Д. А., Бекман У А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977. - 429 с.
7. Кенисарин М.П., Ткаченкова Н.П., Шадеев А.И. Соотношение между диффузной и суммарной солнечной радиацией. Журнал "Гелиотехника", № 6, 1990.
8. Гринкевич Р. Тенденции мировой электроэнергетики. Мировая экономика и международные отношения, №4, 2003, 15-24.
9. Производственная технико - химическая рецептура. Справочная книга для техников, химиков и кустарей. Под ред. проф. Калачева А.А. - 3-е изд. Испр. и доп. Государственное издательство, Москва, Ленинград, 1931.
10. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат. 1990. 392 с.
11. Турова Н.Я. Справочные таблицы по неорганической химии. Под ред. Тамм Н.С. Л., "Химия", 1976.
12. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.
13. Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие. А.С.Клюев, Л.М.Пин, Е.И.Коломиец, С.А.Клюев; Под ред. А.С.Клюева. -2-е изд., перераб. и доп. - М.:Энергоатомиздат, 1990. - 400 с.
14. http:\\www.meteo.infospace.ru
Ключевые слова: плоский солнечный коллектор, солнечная энергия, эффективность, тепловая энергия, угол наклона, стена здания, солнечное излучение, прямое излучение, рассеянное излучение, отраженное излучение, геоэкологические факторы, тепловое загрязнение, глобальное потепление.
Соавтор статьи член Редакционного совета "Вестника МГСУ" профессор А.Д.Потапов
