CC BY
139
Кушнир В.Г. Kushnir V.G.
Кошкин И.В. Koshkin I. V.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины,
тракторы и автомобили», Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электроэнергетика и физика», Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
Нелепин В.С. Nelepin V.S.
магистрант, Костанайский
государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
УДК 621.668
ВЫБОР СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА ГЕЛИОСИСТЕМЫ
ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
На сегодняшний день, несмотря на то, что солнечная энергетика стремится к большим масштабам развития, все равно доля выработки как тепловой, так и электрической энергии от солнца находится на низком уровне. Поэтому для повышения эффективности использования солнечных панелей и коллекторов необходимо подбирать оборудование как можно с большей точностью. В статье рассматривается конструкция типового трубчатого солнечного жидкостного коллектора, его характерные особенности. Предлагается способ, при котором элементы замкнутой системы всесезонного солнечного коллектора получают электроэнергию не от традиционной сети 380/220 В, а от солнечного фотоэлемента. Проведены исследования активности солнечной радиации за характерные сутки года, по значениям которых впоследствии производятся расчеты по необходимому расходу теплоносителя по конструкциям коллектора. Расход теплоносителя непосредственно связан с работой циркуляционного насоса и, соответственно, с работой системы солнечной электростанции. В статье производится расчет мощности циркуляционного насоса системы горячего водоснабжения, который получает питание от автономной солнечной электростанции. Приведенный расчет позволяет с достаточной точностью определять электрическую нагрузку циркуляционного насоса в течение характерных суток года, что необходимо для выбора типа и мощности солнечного фотоэлемента для электропитания насосной установки. По расчетному графику нагрузки насоса формируются критерии выбора параметров всех элементов солнечной электростанции: фотоэлектрическая установка, контроллер, инвертор, аккумулятор. Предполагается одно допущение, что циркуляционный насос выбран на переменный род тока, для чего требуется инвертирующее устройство.
Ключевые слова: солнечная электрическая станция, система солнечного горячего водоснабжения, циркуляционный насос, солнечная радиация, мощность, график нагрузок.
CHOICE OF SOLAR CELLS FOR POWER MANAGEMENT OF THE CIRCULATION PUMP OF THE SOLAR HOT WATER SUPPLY SYSTEM
To date, despite the fact that solar energy seek large scale of production still share both thermal and electrical energy from the sun is at a low level. Therefore, to improve efficiency of solar collector panels and equipment should be selected as much as possible with higher accuracy. The article discusses the design of a model of the tubular solar collector fluid, its distinctive features. A method in which elements of a closed system multigrade
solar collector does not receive electricity from traditional networks 380/220 and from solar photocell. The research activity of solar radiation for specific day of the year, the value of which in consequence calculations on necessary expenses for the coolant reservoir structures. Flow rate is directly related to the operation of the circulation pump and, respectively, with the system of the solar power plant. The paper calculates the power of the circulation pump hot water system, which is powered by an autonomous solar power. These calculations can adequately determine the electrical load of the circulation pump for specific days of the year, it is necessary to select the type and capacity of solar cell to power the pump unit. According to the settlement graphics load pump formed the selection criteria parameters of all elements of the solar power plant: photovoltaic plant, controller, inverter, battery. It is assumed one assumption that the circulation pump is selected to alternating current type, which requires inverting device.
Key words: solar power station, solar hot water system, circulation pump, solar radiation, power load schedule.
Солнечная энергия является экологически чистой. Использование солнечной энергии позволяет сберегать природные невозобновляемые ресурсы. Применение электрической станции для питания циркуляционного насоса системы горячего водоснабжения позволит полностью сделать работу нагревателя автономной.
Сплит-система, произведенная на базе солнечного коллектора (рис. 1), представляет собой обычный солнечный коллектор, выполненный из набора тепловых трубок (heat pipe), которые подключаются к действующему источнику теплоснабжения. Частичное
покрытие внутреннего защитного слоя вакуумирован-ных трубок преобразует солнечную энергию в тепловую и передает ее тепловым трубкам по алюминиевым пластинам (ребрам). Жидкость, находящаяся в тепловой трубке, переходит в пар, который поднимается в конденсатор. Тепло проходит через теплообменник, и пар переходит в жидкое состояние, возвращаясь в основание трубки. По медной трубке тепло проводится в жидкий теплоноситель (антифриз, жидкость или вода). Сам солнечный коллектор подсоединяется к теплообменнику и циркуляционному насосу, питающемуся от сети переменного тока напряжением 220 В.
Рис. 1. Конструкция нагревательного элемента солнечного коллектора
Предлагаемый способ заключается в электропитании циркуляционного насоса как одного из элементов солнечной электростанции, являющегося неавтономным элементом, от возобновляемого источника - солнечной электростанции.
Всесезонный солнечный жидкостный коллектор подсоединяется к теплообменнику и циркуляционному насосу, который будет питаться электроэнергией от солнечной батареи. Функциональная схема конструкции представлена на рис. 2.
При расчете циркуляционного насоса вышеописанной системы горячего водоснабжения необходимо учитывать ряд факторов. Как правило, для обеспечения бесперебойной работы насоса необходимо знать значение напора теплоносителя (в нашем случае антифриза) и его расход. Для расчета параметров циркуляционного насоса будем исходить из максимальной производительности самих коллекторов.
Рис. 2. Система солнечного нагревателя: 1 - коллектор; 2 - бак-накопитель; 3 - насос; 4 - клапан; 5 - солнечная батарея; 6 - контроллер заряда аккумулятора; 7 - аккумуляторная батарея
Расчет расхода антифриза выполняется по формуле:
G =-Q-, (1)
С • (^ - О
где Q - параметр, характеризующий тепловую потребность; с - удельная теплоемкость жидкости; t2 - температура на выходе, для расчета в нашем случае возьмем за 70 °С; tl - температура на входе, для исследования данный параметр составит примерно 10 °С.
Параметры t1 и t взяты условно, так как на территории Костанайской области в холодное время года солнечный коллектор не сможет поднять температуру более чем на 60 градусов, поэтому для расчетов принимается разность температур в 60 градусов Цельсия, хотя параметр t1 имеет переменный характер.
Параметр Q характеризует тепловую потребность, в нашем случае это потребность горячей воды, стоит отметить, что тепловая потребность Q является переменной величиной. В сплит-системе имеется замкнутый контур, по которому движется теплоноситель. По этому контуру тепловая энергия передается на участке, находящемся в баке-накопителе (он же теплообменник), эта теплопередача является источником полезной энергии для нагрева воды. Поэтому за параметр Q мы принимаем ту часть энергии, которая забирается на нужды столовой из бака-накопителя солнечного водонагревателя. Для нужд столовой необходимо примерно 90-100 литров воды температурой 50-60 градусов Цельсия. Чтобы обеспечить данные требования, воспользуемся обыч-
ным постоянным числом - это теплоемкость воды, она составляет 4 200 Дж/кг*град. Если перевести джоули в ватты, то можно прийти к выводу: для нагрева одного килограмма воды на один градус Цельсия необходимо 1,2 Вт энергии.
Как отмечалось выше, потребность в горячей воде является величиной изменчивой, и определить ее точно невозможно. Поэтому для определения этого параметра будем исходить из максимальной энергии, которую может произвести солнечный коллектор в зависимости от солнечной радиации.
Для оценки потенциала солнечной энергии были проведены исследования по солнечной радиации. Значения по солнечной радиации были получены благодаря метеостанции, которая соединена непосредственно с компьютерными системами, а также при помощи архива данных по солнечной радиации. Все полученные значения радиации были усреднены за один летний месяц и сведены в таблицу 1, как за один день.
Расчет параметра Q производится из следующих соображений: исследуемая действующая система горячего водоснабжения имеет солнечный коллектор, площадь его составляет 2 м2. Из табл. 1 возьмем почасовую радиацию в Вт/м2, при этом учтем, что КПД коллектора составляет 0,6, таким образом, максимальная энергия складывается из площади коллектора, солнечной радиации на квадратный метр и КПД коллектора, то есть, например, найдем параметр Q по табл. 1 соответствующей радиации в 08 часов 03 минуты: Q = 3,1-2-0,6 = 3,72 Вт.
Таблица 1
Усредненные значения солнечной радиации
Время измерения Ток, А Напряжение, В Температура, °С Влажность воздуха, % Солнечная радиация, Вт/м
1:00:00 - - 8,1 18,0 0
1:00:02 0,2138 0,053 8,1 18,0 0
2:00:02 0,2136 0,0583 7,4 18,8 0
3:00:03 0,2132 0,0549 6,9 19,0 0
4:00:05 0,211 0,0724 6,9 19,0 0
5:00:05 0,2089 0,0777 6,3 19,0 0
6:00:05 0,2074 0,5553 5,9 19,0 0
7:03:16 0,2298 21,1663 5,5 19,0 0
8:03:16 0,3147 31,4682 5,0 19,1 3,1
9:03:16 0,2075 34,58 4,9 20,0 54,9
10:03:17 0,2058 34,9485 5,5 20,0 168,6
11:03:17 0,2089 34,4924 6,7 20,0 328,1
12:03:30 0,2097 34,0861 8,6 20,0 524,8
13:03:31 0,2084 33,9667 10,8 20,0 640,8
14:03:32 0,2121 33,8586 12,0 20,0 712,2
15:07:36 0,212 33,8755 12,9 20,0 767,1
16:07:37 0,218 33,907 13,4 19,5 695,8
17:07:37 0,221 33,8808 14,3 18,5 680,3
18:07:37 0,2231 33,1502 14,7 17,3 587,7
19:07:37 0,2275 32,2757 14,9 16,3 472,5
20:07:38 0,2283 31,5812 14,6 16,0 303,4
21:07:39 0,2242 28,797 14,3 16,3 143,1
22:07:39 0,2193 9,4751 13,6 17,5 27,4
23:07:45 0,2193 9,4751 12,2 19,0 0
23:08:19 0,2174 0,0788 12,2 19,0 0
Таким образом, полученные значения являются максимальной тепловой потребностью. Аналогичным способом рассчитываем параметр Q для всех значений суточной радиации и результаты сводим в табл. 2.
Расчет расхода жидкости выполняется для каж-
дого значения Q по формуле (1):
О =-31-= 1,2• 10 'Кг/с.
4200 • (70 -10) Аналогично рассчитываем следующие значения и сводим в табл. 2.
Таблица 2
Данные по расходу жидкости в зависимости от солнечной радиации
КПД коллектора Солнечная радиация, Вт/м2 Теплопотребность Q, Вт/м2 Расход жидкости в контуре водонагревателя, Кг/с
0,6 3,1 3,7 1,210-5
0,6 54,9 65,9 2,6 10-4
0,6 168,6 202,3 8 10-4
0,6 328,1 393,6 1,5 10-3
0,6 524,8 629,7 2,4 10-3
0,6 640,8 769 3 10-3
0,6 712,2 854,4 3,3 10-3
0,6 767,1 920,5 3,7 10-3
0,6 695,8 835 3,3 10-3
КПД коллектора Солнечная радиация, Вт/м2 Теплопотребность Q, Вт/м2 Расход жидкости в контуре водонагревателя, Кг/с
0,6 680,3 816,4 3,310-3
0,6 587,7 705,2 2,810-3
0,6 472,5 567 2,3 10-3
0,6 303,4 364,8 1,410-3
0,6 143,1 171,7 6,710-4
0,6 27,4 32,9 1,310-4
Как отмечалось выше, одним из немаловажных параметров для выбора насоса для исследуемой установки является напор жидкости. Этот параметр является важным потому, что в самом замкнутом контуре имеется сопротивление, которое образуется от самых разных факторов. Например, сопротивление в трубах контура, сопротивление, вызванное изгибами трубопровода, и др. То есть эти факторы вызывают потери давления в сплит-системе. Таким образом, напор можно рассчитать по выражению:
Н = (2)
где Я - потери давления в водопроводе; Ь - длина трубопровода - 8 м; X - коэффициент запаса, выбирается по справочным данным и составляет 2,2.
Общая длина водопровода для исследуемой установки составляет 8 м.
Расчет напора:
Н = 1,3 • [22 • 8] * 2,2)/10000 = 0,05 м.
Рассчитываем подачу жидкости:
V = О / (1,16 • ДТ), (3)
где ДТ - разность температур, для нашего случая она составляет 60 °С.
V = 0,012 / (1,16 • 60) = 0,00017 м3/ч.
Аналогичным способом рассчитываем подачу для остальных значений расхода жидкости.
Производим расчет мощности насоса по выражению:
Р = 1,5 (р • Н • V • g) / п, (4)
где р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; п - КПД насоса = 0,7.
Р = 1,5 (1000 • 0,05 • 0,00017 • 9,8) / 0,7 = 0,17 Вт.
Аналогичным способом рассчитываем мощность насоса для остальных значений подачи и напора жидкости, сводим полученные значения в табл. 3.
Таблица 3
Значения мощности насоса в зависимости от переменных параметров подачи жидкости
Расход жидкости в контуре водонагревателя, Кг/с Напор жидкости, м Подача жидкости насосом, м3/ч Мощность насоса, Вт
1,210-5 5 10-2 1,7 10-4 1,710-1
2,6 10-4 5 10-2 3,7 10-3 3,9
8 10-4 5 10-2 1,110-2 11,6
1,5 10-3 5 10-2 2,110-2 22,1
2,4 10-3 5 10-2 3,4 10-2 35,7
3 10-3 5 10-2 4,3 10-2 45,2
3,3 10-3 5 10-2 4,7 10-2 49,4
3,7 10-3 5 10-2 5,3 10-2 55,7
3,3 10-3 5 10-2 4,7 10-2 49,4
3,3 10-3 5 10-2 4,7 10-2 49,4
2,8 10-3 5 10-2 4 10-2 42
2,3 10-3 5 10-2 3,3 10-2 34,7
1,410-3 5 10-2 2 10-2 21
6,7 10-4 5 10-2 9,6 10-3 10,1
1,3 10-4 5 10-2 1,810-3 1,9
Для большей наглядности изменения мощности системы горячего водоснабжения можно построить циркуляционного насоса от тепловой потребности суточный график нагрузки насоса (рис. 3).
Рис. 3. Суточный график нагрузки насоса
Из рис. 3 видно, что нагрузка плавно растет и затем плавно падает. Это происходит потому, что работа насоса прямо пропорциональна параметру тепловой потребности, который, в свою очередь, пропорционален солнечной радиации.
Для оценки подбора солнечной батареи для циркуляционного насоса необходимо знать не только установленную мощность, но и количество энергии, потребляемой насосом в сутки. В табл. 3 мощность насоса приводится по каждому часу в течение суток. Поэтому энергию, потребленную за сутки насосом, можно определить по выражению:
Р = ЕР- , (5)
потр ^^ г 4 '
где Р. - мощность, соответствующая каждому часу работы.
Р = 432,1 Вт/ч.
потр у
Еще одним немаловажным критерием выбора насоса является рабочее напряжение насоса. Рабочее напряжение насосной установки является переменным 12 В, что предполагает наличие гибридного коллектора, совмещенного с инвертором.
Таким образом, после получения полной картины нагрузки циркуляционного насоса выбирается солнечная электростанция.
Выбор солнечной батареи производим по условию:
Р , > или = Р .
вырабат потр
(6)
Потребляемая мощность из предыдущих расчетов уже известна и составляет 432,1 Вт-ч в сутки. Для расчета выработанной мощности используется значение инсоляции. Для исследуемого региона, то есть для Костанайской области, значение дневной
инсоляции находим, суммируя последнюю колонну табл. 1, и получаем К = 6 109,8 Вт-ч/м2.
^ J дневная у
Находим энергию, выработанную солнечной батареей:
Р = Ел • Р , /1000, (7)
вырабат дневная с.б ' 47
где Рсб - предполагаемая мощность солнечной батареи -8 0 Вт.
Р , = 6109,8 • 80 / 1000 = 488,8 Вт.
вырабат
Окончательно выбираем одну стандартную солнечную панель мощностью 80 Вт.
Для обеспечения должной работы солнечного водонагревателя необходимо обеспечить правильный тепловой баланс. Данный баланс обеспечивается наличием в системе циркуляционного насоса, который, в свою очередь, питается электрической энергией, выработанной от солнечной станции. Следовательно, работа всей системы горячего водоснабжения напрямую зависит от солнечной электростанции, а точнее от солнечных элементов. Естественно, солнечная активность носит изменчивый характер. Например, если на улице кратковременно стало пасмурно, то, соответственно, солнечная радиация падает. Эта кратковременная затененность на сам солнечный коллектор большого влияния не окажет, так как вода долго остывает, почти в 10 раз дольше, чем железо, однако в солнечной батарее при затененности резко снижается вырабатываемая электроэнергия, и если в этот момент работал циркуляционный насос, то он может перестать работать. Для недопущения такого явления необходимо использовать аккумулятор электрической энергии. Причем аккумулятор должен быть с неким запасом электрической энергии. Расчет аккумулятора произведем с опре-
деления необходимой емкости. Она определяется по выражению:
P
(8)
C = P At .
U
где P - мощность солнечной батареи; V - номинальное напряжение; ДtНВ - время, за которое аккумулятор заряжаться не будет, например, ночью, при загрязнении или заснеженности солнечных панелей.
В проведенных исследованиях параметр составляет 12 часов, то есть это средняя цифра между зимним и летним временем: 80
С = —12 = 80 Ач. 12
Естественно, емкости 80 А-ч будет достаточно для обеспечения должной работы циркуляционного насоса, но при этом аккумуляторная батарея разрядится полностью. Таким образом, необходимо руководствоваться паспортными данными аккумуляторов, например: аккумулятор, в котором используется электролит, способен выдерживать глубину разряда 50 %, а AGM-аккумуляторы имеют глубину разряда порядка 70-80 %. Таким образом, с учетом вышесказанных доводов выводится формула для определения емкости аккумулятора:
100 Р
С =--A tK
гР и
(9)
где ГР - глубина разряда = 80 %.
С = ^|?12 = 100Ач.
80 12
Еще одним важным фактором при выборе аккумуляторных батарей является расчет по графику нагрузок. Многие электрические приемники работают в разных режимах. Например, режим полной нагрузки, режим частичной нагрузки, режим холостого хода и так далее. При расчете аккумуляторов по режимам работы электрического потребителя выражение (9) запишется в следующем виде:
100 ; (Р, + Р2 Д(( ) , (10)
С =
гри
где P1, P2 - нагрузка; Дt1, Д^ - временные периоды работы циркуляционного насоса при нагрузке P P2 соответственно.
Согласно графику электрических нагрузок известно, что нагрузка меняется каждый час, таким образом, Дt будет составлять 1 час:
С = -Ш-(0,17 + 3,9 + 11,6 + 22,1 + 35,7 + 45,2 + 49,4 + 80 • 12
+ 55,7 + 49,4 + 49,4 + 42 + 34,7 + 21 +10,1 +1,9) = 45 А-ч.
При определении количества аккумуляторных батарей необходимо выбрать рабочее напряжение системы. Так как общая потребляемая мощность циркуляционного насоса невысокая - 432,1 Вт, то есть эта мощность лежит в пределах 0-1 000 Вт, то рабочее напряжение выбираем 12 В.
Для безотказной работы автономного питания циркуляционного насоса, помимо аккумуляторных и солнечных батарей, необходим еще один немаловажный компонент - это контроллер заряда аккумулятора. Данный компонент выполняет связную функцию между солнечными и аккумуляторными батареями, изменяя род тока и осуществляя функцию контроля заряда аккумуляторов. Из предыдущих расчетов стало известно, что напряжение системы было выбрано 12 В, таким образом, контроллер тоже должен иметь напряжение 12 В с последующим инвертированием для электропитания циркуляционного насоса.
Список литературы
1. Ключев В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов [Текст] / В.И. Ключев, В.М. Терехов. - М.: Энергия, 1980. - 360 с.
2. Виссарионов В.И. Солнечная энергетика [Текст] / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 276 с.
3. Алферов Ж.И. Фотоэлектрическая солнечная энергетика [Текст] / Ж.И. Алферов / В сб.: Будущее науки. - М.: Знание, 1978. - С. 92-101.
4. Якубчик П.П. Насосы и насосные станции: учебное пособие [Текст] / П.П. Якубчик. - СПб.: ПГУПС, 1997. - 107 с.
References
1. Kljuchev V.I. Jelektroprivod i avtomatizacija obshe-promyshlennyh mehanizmov [Tekst] / V.I. Kljuchev, V.M. Terehov. - M.: Jenergija, 1980. - 360 s.
2. Vissarionov V.I. Solnechnaja jenergetika [Tekst] / V.I. Vissarionov, G.V. Derjugina, V.A. Kuznecova, N.K. Malinin. - M.: Izdatel'skij dom MJel, 2008. -276 s.
3. Alferov Zh.I. Fotojelektricheskaja solnechnaja jenergetika [Tekst] / Zh.I. Alferov / V sb.: Budushhee nauki. - M.: Znanie, 1978. - S. 92-101.
4. JakubchikP.P. Nasosy i nasosnye stancii: ucheb-noe posobie [Tekst] / P.P. Jakubchik. - SPb.: PGUPS, 1997. - 107 s.
