Гелиоколлекторная установка на основе полимерных материалов

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „ХАІ”

ГЕЛІОКОЛЛЕКТОРНА УСТАНОВКА НА ОСНОВІ ПОЛІМЕРНИХ

МАТЕРІАЛІВ

Пояснювальна записка до дипломного проекту на здобуття освітньо-кваліфікаційного рівня „бакалавр”

за фахом 6.090504 „Нетрадиційні джерела енергії”

Виконавець ст. гр. Чуйко Є.В.

Керівник Шепетов Ю.О

Харків 2009

Техническое задание

В конструкторской части данного дипломного проекта требуется спроектировать солнечный тепловой коллектор сезонного (с 15 мая по 15 октября) основного теплоснабжения дома отдыха. Система теплоснабжения должна удовлетворять следующим техническим требованиям:

. суточный расход воды 600 литров;

. размещение на здании, частично ориентируемая.

Район эксплуатации - 44 с.ш. в условиях ЮБК.

Обслуживание - сезонное.

Реферат

Страниц 81, рисунков 20, таблиц 5, источников 10.

Объект работы - система плоских гелиоколлекторов.

Цель работы - спроектировать систему горячего водоснабжения наземного объекта на базе солнечного коллектора.

Разработана функциональная схема СТК. Рассчитан энергоприход солнечной радиации на наклонную поверхность по месяцам года и проанализировано суточное потребление горячей воды. Произведен оптимизированный расчет площади СТК, а также спроектирован базовый модуль установки. Определены основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики и показатели. Обоснована целесообразность использования солнечной водонагревательной установки с экономической точки зрения.

Работа может быть использована в учебном процессе.

СОЛНЕЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ КОЛЛЕКТОР, БАК-АККУМУЛЯТОР, ЭНЕРГОПРИХОД, ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ.

Введение

В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется особое внимание. Эти источники энергии рассматриваются как существенное дополнение к традиционным. Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Использование возобновляемых видов энергии, в частности энергии солнца и ветра, приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более.

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

o  Солнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости.

o     Солнечная энергия - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.

o     Солнечная энергия - это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

Основными направлениями использования солнечной энергии считаются:

o  прямое превращение солнечной энергии в электрическую энергию;

o     получение тепла путем абсорбции солнечного излучения.

Солнечная энергия (см. табл. 1) используется в основном для производства низко потенциального тепла, коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения.

В районах с годовым приходом солнечной радиации не менее 1000 кВт∙ч/м² при эффективном использовании этого вида энергии можно будет обеспечить до 50% теплопотребления в системах горячего водоснабжения. Благодаря этому снизится расход органического топлива и загрязнение воздушного бассейна вредными газовыми выбросами, содержащими оксиды азота и серы. В удаленных от источников энергоснабжения районах использование солнечной энергии (наряду с энергией ветра) является практически единственной альтернативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Наиболее просты в конструктивном отношении солнечные водонагревательные системы, имеющие годовой КПД 30-50%.

На Украине существуют все необходимые и достаточные условия для широкомасштабного внедрения гелиоэнергетики в народное хозяйство.

Использование ВИЭ в Украине составляет на сегодняшний день 5,6 млн. т.у.т., что эквивалентно 2,8% ОППЭ (см. табл. 2).

Таблица 1.1 - Вклад различных ВИЭ в производство энергии в Украине

(2001 г.)

Основная проблема в использовании солнечной энергии для отопления индивидуальных домов в нашей стране - отсутствие массового производства солнечных коллекторов, аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования. Ключевой вопрос - разработка, оптимизация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих высокую эффективность при допустимых капиталозатратах.

1.  Расчет потребных параметров гелиоколлектора

1.1 Анализ водопотребления и мощности СТК

Разрабатываемая гелиоколлекторная установка должна обеспечивать горячей водой (T_гор=50°С) дом отдыха.

График потребления горячей воды состоит из трех частей (см. рис 1.1):

утреннее (100 л с 4.00 до 8.00 часов) - 25 л/ч;

дневное (220 л с 12.00 до 16.00 часов) - 55 л/ч;

вечернее (280 л с 16.00 до 20.00 часов). - 70 л/ч.

Рис 1.1 - Диаграмма водопотребления

В данной работе планируется использовать одноконтурную систему гелиоводоснабжения с принудительной циркуляцией, как более совершенную и производительную по сравнению с одноконтурными системами с естественной циркуляцией.

В расчете количества энергии, необходимого для нагрева 600 л. воды за день, в качестве верхнего и нижнего пределов температур берется максимальная температура антифриза и минимальная - холодной воды из водопровода.

. (1.1)

В пересчете на киловатт-часы:

. (1.2)

В виду того, что для обеспечения утра сегодняшнего дня горячей водой, её нужно нагреть с вечера, то необходимо учитывать потери тепла в результате хранения горячей воды за ночь (примем эти потери в размере 10%):

. (1.3)

. (1.4)

В сумме за весь день с учетом ночных потерь:

. (1.5)

КПД установки определяем из графика [9, с. 33] для селективного плоского коллектора с однослойным остеклением при средней плотности потока солнечного излучения для Харьковской области около 600 Вт/м² (см. ниже) и разности температур на входе и выходе коллектора около 40°С. Оно составит приблизительно 56%. Тогда мощность СТК будет равна:

. (1.6)

Положение точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей в данный момент времени определяется тремя основными углами - широтой местоположения точки φ, часовым углом ω и склонением солнца δ (см. рис. 1.2). Широта φ - это угол между линией, соединяющей точку А с центром Земли О, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол ω - это угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол ω = 0 в солнечный полдень, а в 13.00 часов соответствует 15°. Склонение Солнца δ - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора.

Рис. 1.2 - Углы, определяющие положение точки А на поверхности

Земли

Склонение Солнца δ в течение года непрерывно изменяется - от -23°27' в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение Солнца в данный день определяется по формуле:

, (1.7)

где n - порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января.

Наряду с тремя основными углами φ, ω и δ в расчетах солнечной радиации используют также зенитный угол z, угол высоты α и азимут Солнца а (рис. 1.3).

Угол высоты Солнца α - это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Зенитный угол z - это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной поверхности в точке А. Сумма α и z равна 90°. Азимут Солнца а - это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.

Рис. 1.3 - Углы, определяющие положение точки А на поверхности

Земли относительно солнечных лучей

Связь между дополнительными и основными углами устанавливается соотношениями:

-    зенитный угол:

z = cos ω·cos φ·cos δ, + sin φ·sin δ, (1.8)

-    угол высоты Солнца:

α = 90 - z, (1.9)

поэтому sin α = cos z. (1.10)

-    азимут Солнца:

sin a = sec α·cos δ - sin ω. (1.11)

При пользовании приведенными формулами для северного полушария широта φ берется со знаком «+», а для южного - со знаком «-», склонение Солнца δ имеет знак «+» для лета (от весеннего до осеннего равноденствия) и знак «-» в остальное время года. Угол ω изменяется от 0° в солнечный полдень до 180° в полночь, при ω < 90° он имеет знак «+», а при ω > 90° - знак «-». Азимут Солнца а изменяется от 0° до 180°.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность, имеющую азимут a_n и угол наклона к горизонту β, определяется по формуле:

cos i = sin β[cos δ(sinφ·cos a_n·cos ω + sin a_n·sin ω) - sin δ·cosφ·cos a_n] +

+ cos β[cos δ·cosφ·cos ω + sin δ·sinφ]. (1.12)

Угол падения лучей на горизонтальную поверхность (β = 0°):

cos i = cos δ·cosφ·cos ω + sin δ·sinφ. (1.13)

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (β = 90°):

cos i = cos δ(sinφ·cos a_n·cos ω + sin a_n·sin ω) - sin δ·cosφ·cos a_n. (1.14)

Азимут вертикальной поверхности a_n в том случае, если она ориентирована на юг, равен 0°, на запад 90°, на восток -90°, на север -180°. Подставляя эти значения a_n в последнюю формулу, получаем выражения для угла падения лучей на вертикальную поверхность данной ориентации.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией (a_n = 0) имеем:

cos i = sin(φ - β)·sin δ + cos(φ - β)·cos δ·cos ω. (1.15)

.2.2 Расчет солнечной радиации, поступающей на поверхность

СТК

Для обеспечения улавливания максимального количества солнечной энергии (за расчетный весенне-летне-осенний период) СТК обычно устанавливают в наклонном положении с оптимальными углами наклона к горизонту для каждого сезона.

Среднемесячное среднее дневное значение плотности солнечного излучения, поступающего на наклонную поверхность СТК, определяется по формуле:

_H = R·E, (1.16)

где E - среднемесячное среднее дневное значение плотности солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, Вт/м²;

R - отношение значений плотности солнечного излучения, поступающего на наклонную и горизонтальную поверхности.

Коэффициент пересчета количества солнечной энергии с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность СТК с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению:

, (1.17)

где  - среднемесячная доля рассеянного солнечного излучения;

R_n - среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность, градус;

β - угол наклона освещаемой поверхности к горизонту, градус;

ρ - альбедо поверхности Земли и окружающих тел, обычно его принимают равным 0,7 для зимы и 0,2 для лета.

Коэффициент R_n определяется выражением:

, (1.18)

где φ - широта местности, градус;

δ - склонение Солнца в средний день месяца, которое будет определяться по формуле:

, (1.19)

где n - количество дней с 23 марта текущего года.

Часовой угол захода Солнца для горизонтальной поверхности:

ω_з = arcos(- tgφ·tgδ). (1.20)

В качестве часового угла захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией принимают меньшую из двух величин: ω_з или величину ω_з.н, рассчитываемую по формуле:

ω_з.н = arcos[- tg(φ - β)·tgδ]. (1.21)

Значения перечисленных углов приведены в табл. 1.2 (для широты φ = 50°).

Таблица 1.2

Оптимальное значение угла установки панелей β различны для каждого месяца. Целесообразно изменять угол установки посезонно: в марте β =48°, в июне β = 58° и в октябре β = 54°. Если же коллектора при монтаже крепятся жестко (это является наиболее простым, дешевым и распространенным способом), то берут средний угол установки 50-55°.

Результаты расчета солнечной радиации на наклонную поверхность по вышеизложенной методике приведены в табл. 1.3 и на рис. 1.4. Значения E и E_p взяты из работы [9] для широты φ = 50°.

Таблица 1.3

Рис. 1.4 - Диаграмма поступления солнечного излучения в весенне-

осенний период

Средняя мощность потока солнечной радиации для этих месяцев равна:

E_Нср=598,25 Вт/м². (1.22)

1.3 Определение коэффициента вхождения прямой солнечной

радиации в СТК

Солнечные лучи, падающие на коллектор, не доходят полностью до рабочей поверхности, так как слой пыли и грязи препятствует проникновению части солнечных лучей, а стекло, которое служит защитой СТК, частично отражает и поглощает солнечную энергию. Поэтому вводят понятие общего коэффициента вхождения прямой солнечной радиации в коллектор:

 (1.23)

Тогда средняя мощность потока солнечной радиации для всех месяцев периода весна-лето-осень составит:

E_Нср=598,25·0,68=406,8 Вт/м.² (1.24)

1.4 Определение площади СТК

В первую очередь подсчитаем среднюю продолжительность светового дня в период весна-лето-осень. Для этого возьмем длительность светлого времени суток в средний день среднего месяца по каждому сезону (данные можно взять в любом астрологическом календаре):

-    15 апреля день длится 14 часов;

-        15 июля - 17 часов;

         15 октября - 10 часов.

Тогда средняя продолжительность светового дня составит:

. (1.25)

Учитывая среднемесячное поступление солнечной энергии на наклонную площадку, можно рассчитать количество энергии, поступающее на 1 м² наклонной площадки за день:

. (1.26)

Требуемая площадь СТК определяется следующим образом:

. (1.27)

Выбирая в качестве модулей СТК спроектированный гелиоколлектор размером 1600х1250 мм, определяем их количество для обеспечения необходимого водопотребления:

 (1.28)

Из удобства размещения коллекторов в три ряда окончательно принимаем количество модулей - 27 шт.

1.5 Определение установок СТК

На рис. 1.6 представлены схемы подвода и отвода жидкого теплоносителя в СТК, абсорбер которого выполнен из ряда трубок (а и б) или змеевика (в). Соединение по схеме б менее удачно, чем по схеме а, так как не обеспечивает равномерного распределения жидкости по трубкам. В змеевике (схема в) должен быть уклон, обеспечивающий вытеснение воздуха при его заполнении водой.

Рис. 1.6 - Схемы подвода и отвода жидкого теплоносителя в СТК

Солнечный тепловой коллектор может содержать несколько отдельных модулей, соединенных параллельно. При параллельном соединении весь массив СТК разбивается на несколько подмассивов, состоящих из определенного числа рядов, включающих по 5-10 модулей. Принятая в данной работе схема соединения представлена на рис. 1.7. Она включает в себя 3 подмассива, в каждом из которых насчитывается 14 модулей СТК. При большом числе модулей в СТК (более 50 штук) осуществляется их параллельно-последовательное или последовательно-параллельное соединение.

Рис. 1.7 - Схема параллельного соединения модулей СТК

Коллекторы солнечной энергии могут быть установлены на крыше дома, на земле, на козырьке над окном или на навесе. Целесообразно устанавливать коллектор в плоскости наклонной крыши, тем более если углы наклона крыши и СТК совпадают. При монтаже СТК на горизонтальной крыше они устанавливаются на опорной конструкции, обеспечивающей оптимальный угол наклона. Коллектор может служить ограждением балкона или быть частью стеньг. Однако совмещение коллектора с крышей дает ряд преимуществ: 1) удешевляется строительство, так как не потребуется специальная опорная конструкция; 2) компенсируются силовые воздействия ветра на СТК, их испытывает конструкция двускатной крыши. Недостатком является то, что угол наклона крыши может не совпадать с оптимальным углом наклона коллектора. При свободной установке коллектора или гелиоустановки в целом облегчается монтаж и ремонт, обеспечивается оптимальная ориентация и наклон коллектора, но требуется устойчивая опорная конструкция, а это повышает стоимость строительства, увеличивает теплопотери от коллектора и труб и при этом не всегда удается удовлетворить эстетические требования при размещении гелиоустановки на крыше дома.

При прохождении труб через крышу или стену отверстия должны быть тщательно уплотнены. Осуществляя монтаж СТК, следует соблюдать меры предосторожности, чтобы не повредить остекление.

На чертеже показан пример расположения солнечного коллектора на крыше жилого дома. Обращает на себя внимание рациональное архитектурное решение, обеспечивающее хорошее эстетическое восприятие гелиосистемы.

Крыша должна выдерживать вес гелиоустановки. Для уменьшения локальной нагрузки под ножки опорной конструкции подкладывают настил или швеллеры. При необходимости несущая способность крыши должна быть усилена. Гелиоустановка должна быть надежно закреплена с помощью проволочных растяжек, анкерных болтов (заделанных в бетонное основание), чтобы она могла выдерживать ветровую нагрузку.