Теплопроизводительность плоского солнечного коллектора SKN 4. 0 - s buderus при различных режимах эксплуатации гелиосистемы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 620.91

Горохов М.В., Маркин А.В., Перминов И.А.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Мысливец А.В.

Будерус Украина ООО «Роберт Бош ЛТД»

ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПЛОСКОГО СОЛНЕЧНОГО

КОЛЛЕКТОРА SKN 4.0 - S BUDERUS ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕЛИОСИСТЕМЫ

В работе исследована производительность солнечного коллектора SKN4.0-S производства компании Buderus в зависимости от угла наклона и сезонности периода работы солнечной установки. Определены оптимальные углы наклона коллектора для четырех режимов работы гелиосистемы проектируемой в Симферополе. Показано, что угол наклона солнечного коллектора принятый с учетом режима работы гелиосистемы существенно влияет на теплопроизводительность за сезон.

Гелиосистема, плоский солнечный коллектор, абсорбер, количество солнечной энергии, приведенная поглощательная способность, удельная теплопроизводительность.

ВВЕДЕНИЕ

Преобразование солнечного излучения в энергию связано со значительными капитальными затратами, и чем выше эксергический потенциал получаемой энергии, тем больше её стоимость. Поэтому в настоящее время практическое использование солнечной энергии идет в основном в направлении получения гелиосистемами низкопотенциального тепла, которое может быть использовано для низкотемпературных систем отопления и горячего водоснабжения. Недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность в течение года. При некорректном проектировании, это может привести к простою гелиоустановки при пиках солнечной радиации в летние месяцы и недостаточной теплопроизводительности зимой. В связи с этим угол наклона солнечного коллектора ß является важным параметром, изменяя который можно оптимизировать теплопроизводительность солнечной установки под конкретный сезонный режим работы, что способствует повышению эффективности использования солнечной энергии.

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Цель работы - определение оптимального угла наклона и удельной месячной теплопроизводительности коллектора для четырех режимов работы гелиосистемы проектируемой в Симферополе: горячее водоснабжение во время курортного сезон, период использования май-сентябрь; горячее водоснабжение сезонного типа, период использования март-ноябрь; горячее водоснабжение и поддержки отопления, период использования круглогодичный; отопление, период использования ноябрь-март. Вычисления выполнялись с помощью программы Excel, значения углов тригонометрических функций задавались значениями, выраженными в радианах.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПТИМИЗАЦИИ УГЛА НАКЛОНА ß* НА ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА SKN4.0-S

BUDERUS ЗА РАСЧЕТНЫЙ ПЕРИОД

Располагаемое удельное количество солнечной энергии q, Вт / м2 поступающей на наклонную светопрозрачную поверхность солнечного коллектора (СК) определялось методом, приведенным в работах [1,2]. Значения удельного теплового потока прямого и

рассеянного солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность на широте Симферополя, принимались по нормативу [3,4]; Оптический КПД определялся с учетом углового коэффициента пропускания солнечного излучения светопрозрачной изоляции коллектора. Эффективный коэффициент теплопотерь рассчитывался для каждого часа суток как отношение теплопроизводительности солнечного коллектора к падающему на абсорбер потоку солнечной радиации [5]. Расчетные значения теплотехнических параметров коллектора 8КК4.0-Б принимались по документации для проектирования компании Биёеш [6].

Максимальная теплопроизводительность солнечной установки достигается при оптимальном значении угла наклона солнечного коллектора в , значение которого зависит от сезона работы установки. При определении оптимального значения угла наклона рассчитывались усредненные значения удельной суточной теплопроизводительности Кср(в), кВт ■ час / сут для четырех режимов работы [7] при расчетных условиях

Симферополя за период использования гелиосистемы, с шагом угла наклона коллектора И = 10°:

К(в) = ж,

где г - количество месяцев в расчетном периоде работы гелиосистемы; г -количество дней в месяце; Жм - количество тепловой энергии, выработанное одним квадратным

метром солнечного коллектора при реальных условиях облачности , кВт ■ час / м2:

К = ■ г по ■ Пн-10-3, где г)0 - коэффициент, учитывающий реальные условия облачности; Т]н - коэффициент, учитывающий потери, обусловленные нестационарным теплообменом при переменной облачности, рекомендуется принимать т]н = 0,9 [2]; Жс - среднесуточный удельный тепловой поток расчетного месяца при безоблачном небе:

К = £ Чг,

где qi - удельный тепловой поток воспринимаемый коллектором за каждый час безоблачного дня расчетного месяца, Вт / м2.

Годовая удельная выработка тепла (СК) Жг, кВт ■ час / м2, определялась как суммарное количество тепловой энергии, выработанной в каждом месяце:

К

Для расчетных условий города Симферополя количество тепловой энергии, выработанное квадратным метром солнечного коллектора при реальных условиях облачности для четырех режимов работы гелиосистемы в зависимости от угла наклона, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Удельное количество среднесуточной тепловой энергии для различных углов

наклона СК 8КШ.0-8

Период работы Удельное количество среднесуточной тепловой энергии Жм, Вт ■ час / м2 в зависимости от угла наклона плоскости солнечного коллектора, в град

10° 200 300 400 500 600 700 800 900

год 1647 1853 1973 2008 1952 1810 1583 1294 957

с мая по сентябрь 2385 2451 2416 2282 2044 1724 1311 878 432

с марта по ноябрь 1973 2139 2209 2190 2071 1863 1565 1209 814

с ноября по март 874 1214 1468 1670 1783 1821 1764 1652 1448

На рис.1 приведена зависимость средних значений удельной суточной теплопроизводительности плоского солнечного коллектора 8КК4.0-Б от угла его наклона для различных режимов работы гелиоустановки при расчетных условиях Симферополя.

.0

"8 а

Я

к

I

0

С и

Б * Б Л

Ё Р а .0

1

т

I 8

а

О

2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400

Год

Май-сентябрь Март- ноябрь Ноябрь-март

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Угол наклона плоскости солнечного коллектора, град.

Рис.1 Зависимость усредненных значений удельной суточной теплопроизводительности плоского солнечного коллектора 8К^.0-8 производства фирмы В^егш от угла наклона коллектора.

Из графиков видно, что рассматриваемые значения Жм для каждого режима работы

при прочих равных условиях имеет свой, явно выраженный максимум, который соответствует оптимальному значению угла наклона солнечного коллектора. Рекомендованные значения углов наклона (СК), приводится в справочной литературе [8]. Для систем круглогодичного действия угол в равен широте местности р, для систем,

работающих только в отопительный сезон в = р +15°, и для систем, работающих только в летний период в = Р —15°. Оптимальные значения углов наклона в* солнечного коллектора представлены в табл. 2.

Таблица 2

Оптимальные углы наклона солнечного коллектора для расчетных условий

Способ вычисления Оптимальные углы наклона (в) солнечного коллектора, для разных режимов работы установки.

С мая по июнь С марта по ноябрь В течение года С ноября по март

Традиционный 300 30° 450 600

Приведенный в работе 220 340 380 620

На рис.2 приведена зависимость удельной суммарной месячной теплопроизводительности солнечной установки от угла наклона солнечного коллектора с шагом к = 2° для режима работы апрель-сентябрь.

га о ш I о _

Е. 3 | 3 5

1| -& § ш

!5

* I

5 & ¿5 §

с

ш

85000

80000

75000

о

га н

70000

65000 апрель

/ у + А'- ¿К ' // ■•ч % - - __ _ ^ ч ч\ ч\

\ч\ V». V

Vч * V4

Угол наклона коллектора.

----в=32

--в=30

— - р=28 — - - р=26 . . . р=24 -в=22

май июнь июль август сентябрь

Период работы солнечной установки

Рис.2 Зависимость теплопроизводительности Жм от угла наклона солнечного коллектора в с шагом к = 2° для летнего сезона.

Анализируя зависимости, представленные на рисунке можно сделать вывод, что для летнего режима работы сезонная выработка тепловой энергии солнечной установкой СК которой расположены под оптимальным углом наклона, определенным по выше представленной методике в = 22° выше, чем под углом в = 30°, рекомендованным в справочной литературе. Это различие можно объяснить тем, что методика, позволяет учесть дополнительные условия, при которых работает установка, (реальные условия облачности, изменение оптического КПД от угла падения солнечных лучей на плоскость и др.), а также оптимизировать выбор угла наклона коллекторов для повышения общей выработки тепловой энергии гелиоустановкой в течение расчетного периода.

о о

80000

ц

о о

.0 &

о

I5

¿Ё ° I

о &

О £0

.0 §

5

70000

60000

50000

40000

30000

20000

* ч ч ^ \

7/ К * >

/ II / / / / * * / \ \ \ / / / » \ \ % ч \

/ / и 1 г ! \ ч > \ ч \ \ 1

/ # / \ ч

1 \

_0 ср го ш

с; го ср

ш

ф

-&

ГО

с; ф ср

X 2

с; 2

о ^

ш

го

Ю К

н

X

ф

о

Ю К

_0 СР

ю к о

-О

ср

ю

го ^

ф

Удельное суммарна за год теплопроизводительно сть солнечного коллектора, кВт*час/м.кв. Wг(P=22) =687,6 Wг(P=38) =733,4 Wг(P=62) =646,7

р=22 ■ р=38 р=62

Период работы солнечного коллектора.

Рис.3 Теплопроизводительность, Жг, одного квадратного метра солнечного коллектора БК^.О-Б при оптимальных углах наклона.

Теплопроизводительность одного квадратного метра солнечного коллектора SKN4.0-S за год, Wz при расчетных параметрах Симферополя, с оптимальными углами наклона, ß * для трех сезонных режимов работы солнечной установки приведена на рис.3. Из графика видно, что увеличивая угол наклона солнечного коллектора можно снизить мощность теплового потока снимаемого гелиоустановкой в летние месяцы и повысить в зимние. Удельная суммарная теплопроизводительность солнечного коллектора за год при этом изменяется незначительно. Оптимизировать производительность гелиоустановки в расчетный период возможно изменением угла наклона солнечных коллекторов или устройством систем, следящих за движением солнца и изменяющих положение коллекторного поля в соответствии с этим движением.

ВЫВОДЫ

1. В результате расчетов были получены усредненные значения удельной суточной теплопроизводительности плоского солнечного коллектора SKN4.0-S для четырех режимов работы при расчетных условиях Симферополя. На основании этих данных было показано, что функция Жср (ß) имеет максимум, который соответствует оптимальному

значению угла наклона ß* солнечного коллектора. Получены следующие значения: горячее водоснабжение во время курортного сезона, период использования май-сентябрь ß* = 22° ; горячее водоснабжение период использования март-ноябрь ß* = 34° ; горячее водоснабжение и поддержки отопления, период использования круглогодичный ß* = 38° ; отопление, период использования ноябрь-март ß* = 62°.

2.Были получены значения годовой суммарной теплопроизводительности одного квадратного метра солнечного коллектора SKN4.0-S для Симферополя при оптимальных значениях угла наклона солнечного коллектора для трех сезонов работы солнечной установки W (ß_22°)=687 кВт ■ час/м2; W(=38°)=733 кВт ■ час/м2 ;

W (ß=62° ) =646 кВт ■ час / м2 ;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Даффи Дж., Бекман У. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977. - 414с.

2. Гершкович В. Ф. Солнечные установки горячего водоснабжения. Пособие по проектированию. Изд. КиевЗНИИЭП, 2006.

3. СНиП II-Ä.6-72. Строительная климатология и геофизика - Москва, 1973.

4. НИИ строительной физики. Руководство по строительной климатологии. -Москва, 1977.

5. Солнечный коллектор REHAU SOLECT. Документация для проектирования. 2008.

6. Гелиотехника Logasol для горячего водоснабжения и поддержки отопления. Buderus Документация для проектирования. 2006.

7. Денисова А.Е. Оптимизация угла наклона солнечных коллекторов в гелиосистеме / Денисова А.Е. Дорошенко О.В., Jamal Kamal Husain. - Труды Одесского политехнического университета. - 2008. -Вып. 1 (29), с.133-137.

8. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч 1. Отопление./В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов, А.Н. Сканави. - М.: Стройиздат, 1990.-344с.