Содержание к диссертации
Введение
1. Экологические проблемы развития современной энергетики 10
1.1. Энергетика и глобальная экосистема 10
1.2. Геоэкологическая характеристика возобновляющихся и невозобновляющихся источников энергии 20
1.3. Современное состояние и перспективы развития мировой энергетики. 30
Выводы по главе 1 45
2. Технологии преобразования энергии солнечного излучения 47
2.1. Краткая энергетическая характеристика солнечного излучения 47
2.2. Технологии преобразования солнечной энергии 52
2.3. Пути развития и современные тенденции в использовании солнечной энергии 70
2.4. Основные конструкции современных коллекторов солнечной энергии и их эффективность 82
Выводы по главе 2 91
3. Наблюдения и расчеты солнечного излучения 93
3.1. Климатологические характеристики солнечного излучения 93
3.2. Расчет потока солнечной энергии на наклонную поверхность 100
3.3. Оптимизация угла наклона лучевоспринимающей поверхности 110
3.4. Расчет потока солнечной энергии на нормальную к прямому излучению поверхность 115
3.5. Фототермическое преобразование солнечной энергии 117
3.6. Влияние условий эксплуатации на характеристики солнечных коллекторов 123
3.7. Экономические характеристики солнечных коллекторов 124
3.8. Социально-экономические потребности в солнечной энергии и экологический фактор 127
3.9. Алгоритм расчета тепловой энергии от солнечной энергетической установки 131
Выводы по главе 3 132
4. Экспериментальные исследования эффективности солнечных коллекторов 133
4.1. Задачи и методика экспериментальных исследований плоских солнечных коллекторов. Программа исследования 133
4.2. Экспериментальная установка для исследования 138
4.3. Расчет показателей работы экспериментальной солнечной установки по результатам измерений 143
4.4. Анализ показателей работы экспериментальной солнечной установки по результатам расчетов 160
4.5. Расчет тепловой эффективности плоских солнечных коллекторов при их установке на стене здания; установка и выбор оптимального угла 164
4.6. Оценка тепловой эффективности солнечного коллектора 166
4.7. Оценка геоэкологической эффективности солнечных коллекторов 168
4.8. Оценка экономической эффективности солнечных коллекторов 170
Выводы по главе 4 173
Основные выводы и рекомендации 174
Заключение. Проблемы развития солнечной энергетики в россии 177
Литература 182
- Геоэкологическая характеристика возобновляющихся и невозобновляющихся источников энергии
- Краткая энергетическая характеристика солнечного излучения
- Климатологические характеристики солнечного излучения
- Расчет показателей работы экспериментальной солнечной установки по результатам измерений
Введение к работе
Актуальность проблемы. Большая часть мировой энергетики (95%) базируется на сжигании органического и «сгорании» атомного топлива. Эти способы получения первичного тепла подвергаются жесткой и справедливой критике в связи с недопустимым их воздействием на окружающую* среду. Использование органического и атомного топлива'приводит к критическому антропогенному потеплению климата из-за выброса в атмосферу добавочного тепла, количество которого начинает составлять заметную долю от общей солнечной радиации, и загрязнению атмосферы парниковыми газами. Принятый международным* сообществом «Киотский. протокол» предполагал реальное ограничение развития промышленности передовых в техническом отношении стран, достигших разумных пределов в выбросах в атмосферу парниковых газов. Однако возникший в последний год мировой экономический кризис, если не остановит действие «Киотского протокола», то в значительной мере затормозит его развитие, что чревато дальнейшим усугублением экологической'обстановки.
В любом случае, потребности человечества в энергии будут возрастать с каждым годом, и при этом энергетика должна развиваться более быстрыми темпами, чем другие отрасли, поскольку она обеспечивает не только прогресс общественного производства, но и быстро растущую бытовую нагрузку населения, пропорциональную росту его численности и общего уровня жизни.
Ориентированная на преимущественное использование
органического топлива, современная энергетика является самым сильным загрязнителем окружающей среды, воздействующим на биотопы, биоценозы и на производящего ее человека как часть биосферы.
Современная энергетика оказывает влияние на биосферу в целом и весьма значительно на геоэкологическую составляющую окружающей среды (на биотопы практически всех иерархических уровней): в планетарном
5 масштабе на атмосферу, гидросферу, литосферу и локальном уровне: потреблением кислорода, выбросом газов, влаги, золы, тепла и т.д.; потреблением воды, созданием водохранилищ, сбросами загрязняющих и нагретых вод, жидких отходов и др.; изменениями почв и подстилающих грунтов, ландшафтов и их составляющих, потреблением ископаемых топлив, выбросами токсинов и т.д.
Но человечество не может существовать без использования ресурсов планеты, многие из которых, в частности, энергоносители, при нынешнем развитии техники и технологий по ряду прогнозов могут быть исчерпаны в исторически обозримой перспективе. Это, в свою очередь, окажет, без всяких сомнений, прямое негативное влияние на условия существования как будущих поколений; так и на дальнейшее функционирование биосферы как глобальной' экосистемы. Исчерпание природных ресурсов имеет общегуманитарный^ аспект: нынешнее поколение не имеет права оставить будущих обитателей- без любого, даже малозначимого составляющего планеты. Ответственность перед будущим — это одна из главнейших общечеловеческих проблем.
Удельная мощность солнечного излучения, падающего на нашу планету, равна 1,37 кВт/м". С учетом размеров Земли суммарный поток энергии на нее имеет мощность 147-105 Вт или 187,27-101" т условного топлива в год. По данным WEC (Мирового Энергетического Совета), общее потребление первичной энергии (нефть, газ, уголь, ядерная энергия и возобновляющиеся источники, включая» гидроэнергию) на рубеже XX и XXI вв. составляло 14970 млн. т.у.т. Следовательно, вся вырабатываемая и потребляемая человечеством энергия пока не превышает одной сотой доли процента того количества энергии, которой мы обязаны Солнцу.
Одним из самых актуальных направлений формирующейся во
многих странах системы- экологической безопасности и безусловного
ресурсосбережения является реализация программ по освоению
нетрадиционных источников энергии. Солнечное излучение с
энергетической и термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (тепло-, электроэнергию и др.) с высоким коэффициентом полезного действия, включая обеспечение экологической безопасности нашей планеты и, в том числе, на фоне глобального потепления климата. Использование солнечной энергии — это:
- экономия органических энергоресурсов, со снижением нагрузки на
окружающую среду от вредных выбросов, в том числе группы газов,
являющихся причиной парникового эффекта:
- исключение выбросов добавочного тепла в окружающую среду.
Таким образом, использование солнечной энергии имеет двойной эффект
относительно теплового баланса планеты.
Исследование повышения эффективности устройств, преобразующих солнечную энергию в энергию, удобную для использования человеком, есть задача прежде всего экологическая, а уже потом техническая. Массовое использование солнечной энергии — пока из известных единственный максимально эффективный способ замещения в тепловом балансе планеты части энергии и компенсации негативных воздействий от использования органических и атомного энергоресурсов.
Совершенствование способов преобразования солнечной энергии с увеличением эффективности солнечных коллекторов как локальных источников энергии есть основное направление настоящей диссертации.
Необходимость разработок в области совершенствования технологий преобразования солнечной энергии определяет актуальность тематики настоящего исследования.
Исследования во многих странах мира направлены на научное обоснование, разработку и создание новых технологий и оборудования для экономически эффективного использования солнечной энергии с учетом специфики конкретных потребителей и регионов.
Цель диссертации — повышение экологической эффективности локального теплоснабжения путем повышения- эффективности плоского солнечного коллектора при его настенной установке за счет использования отражательной способности конструкций здания.
Для достижения цели В:работе решались следующие задачи: -анализ литературных; и фондовых источников по оценке основных тенденций развития мировой энергетики с.учетом:их глобальногошлиянияша общую экологическую обстановку;
-обоснование применения солнечных энергоприемников в системах комплексного теплоснабжения на геоэкологических принципах; -анализ разработанных, иtиспользуемых в. практике конструкций солнечных энергоприемников, их эффективности? и перспектив: использования) в хозяйстве;
-теоретическое обоснование ш разработка конструкции? экспериментальной установки для? исследования повышения тепловой? эффективности плоских солнечных коллекторов» (ПЄК); использующих отражательную способность; конструкций, здания при; его- настенной установке, получение экспериментальных»данных о«поглощаемой:тепловой энергии; -обработка и анализ полученных экспериментальных данных о поглощаемой тепловой энергии, разработка рекомендаций по расчету тепловой эффективности плоских солнечных: коллекторов при их установке на стене здания;
-оценка геоэкологической; энергетической*: иі экономической: эффективности установки солнечныхэнергоприемников настенахзданиш
Методикавыполненияисследований.^Анализ литературы и фондовых источников, обобщение результатов- отечественных и зарубежных исследований^ в области*: освоения различных способов преобразования и использования солнечной энергии в антропогенных экосистемах В' рамках общих геоэкологических проблем, таких, как стабилизация биотопов и снижение негативного воздействия на них традиционных энергоустановок.
8 Экспериментальное исследование повышения эффективности плоского солнечного коллектора за счет отражательной способности конструкций здания при его настенной установке на разработанном лабораторном стенде.
Исследования проводились с помощью приборов, отвечающих действующим нормативным документам и стандартам РФ. Всего было проведено 36 натурных экспериментов, с последующим анализом результатов.
Научная новизна работы.
- экспериментально- подтверждено выдвинутое в работе предположение о
повышении тепловой и геоэкологической эффективности ПЄК при
установке их на стене здания \ за счет отражательной» способности
конструкций самого здания;
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая
переменная, учитывающая поток отраженной энергии, поступающей на
солнцеприемник от конструкции стены здания, на котором ошустановлен;
- разработаны рекомендации- по повышению тепловой эффективности ПСК
устанавливаемых на стенах зданий, за счет оптимизации угла наклона
лучевоспринимающей поверхности к горизонту.
Основные положения, выносимые на защиту:
Экологическая и тепловая эффективность ПСК повышается при установке их на стене здания за счет отражательной способности конструкций самого здания.
Необходимость введения переменной, учитывающей поток отраженной энергии, поступающей на солнцеприемник от вертикальной конструкции, на которой он установлен.
3. Уточнение расчетов производительности солнечного преобразователя
энергии путем учета дополнительного количества энергии.
Практическая значимость диссертации.
В результате работы уточнены и дополнены существующие методики расчета потока солнечной энергии на наклонную поверхность, что позволяет
9 при проектировании локальных систем теплоснабжения с ПСК учитывать возможность увеличения тепловой эффективности системы за счет установки лучевоспринимающих панелей на стене здания. Результаты исследований обобщены как инженерные рекомендации по установке коллекторов на стене здания с учетом оптимального угла наклона к горизонту для наибольшей эффективности использования прямой и отраженной энергии.
Достоверность полученных результатов определяется применением современных методик измерения характеристик солнечных преобразователей и методов обработки результатов измерений; использованием в экспериментах «гостированных» методов и приборов; соответствием полученных характеристик с результатами исследований других авторов; близостью расчетных и опытных данных.
Геоэкологическая характеристика возобновляющихся и невозобновляющихся источников энергии
Диоксид серы является причиной гибели растительности и обитателей водоемов, разрушения почв. Двуокись углерода антропогенного происхождения, образовавшаяся в результате сжигания органического топлива, составляет примерно 16% от всех выбросов углекислого газа в атмосферу, равных 86 млрд. т, твердые частицы — 11% от 2,25 млрд. т, серосодержащие 32% от 0,2 млрд. т, азотосодержащие около 1% от 1,43 млрд. т всех природных, первичных и вторичных, и антропогенных выбросов, содержащих данный компонент [74, 78, 90, 114, 118, 129, 130].
Сжигание органического топлива означает вовлечение в энергетический оборот источников, которые в своем естественном состоянии не оказывают влияния на энергетический (тепловой) баланс планеты. Количество тепла, дополнительно к естественным процессам выбрасываемого- в атмосферу Земли, в последние- годы достигает колоссальных значений, и это заставляет серьезно задуматься над проблемой ее теплового загрязнения. В связи с этим во всех странах мира возрос интерес к использованию недобавляющей (дополнительно не нагревающей планету)энергии.
Важнейшую роль в тепловом балансе играют так называемые парниковые газы. Молекулы этих газов обладают способностью пропускать коротковолновые и поглощать длинноволновые лучи. Таким свойством обладают молекулы водяного пара и углекислого газа (СО2). ССЬ задерживает инфракрасное излучение земной поверхности в области длины волн от 12 до 18 мкм [11, 12, 74, 114, 130]. В этой области спектра лежит максимум излучения Землей энергии во Вселенную. В результате парникового эффекта в. настоящее время в атмосфере задерживается 78%-земного излучения, причем 60% водяным паром и 18% углекислым газом. Содержание С02 в атмосфере около 0,03% (в 1956 г. его было 0,028 объемных процента; 1985 г. - 0,034; 1989 г. - 0,035. За 33 года рост на 25%) [74, 90]. Основным природным регулятором содержания углекислого газа в атмосфере служит океан, в котором содержится в 100 раз больше С02, чем в атмосфере. Согласно закону Генри, если концентрация ССЬ в атмосфере (а следовательно, и давление) окажутся выше установленного значения, то океан поглотит большую часть этого избытка, и наоборот (при 0 градусов в 1 л морской воды содержится 50 см углекислого газа и 8 см кислорода при давлении соответственно 158,8 мм ртутного столба). Недавно довольно точно вычислили скорость обмена углекислым газом между атмосферой и поверхностным слоем океана: за год океаном поглощается 100 млрд. т ССЬ [74, 90]. Однако эта способность не беспредельна и определяется, медленным процессом погружения и перемешивания океанических вод. Антропогенное загрязнение, помимо двуокиси углерода, привносит в тропосферу и другие крупные агенты парникового эффекта - метан, оксид азота, хлорфторуглероды (фреон).
В последнее десятилетие не только в научном, но и в широком общественном сознании достаточно прочно укрепилась следующая схема взаимодействия энергетики и климата: образующийся при сжигании органического топлива (угля, нефти и газа) углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, задерживает часть отраженного поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры последней (так называемый парниковый эффект). Прогнозы повышения среднеглобальной температуры к концу наступившего столетия приводят к значениям в 4-6С по сравнению с доиндустриальной- эпохой (до 1850 г.), что существенно выше наблюдавшихся в течение всего четвертичного периода геологической истории (последние 2 млн. лет) [55, 56]. Беспрецедентный рост температуры в течение столь короткого времени вызывает обоснованную тревогу за устойчивость климатической системы в целом и состояние, находящихся от нее в полной зависимости, гидросферы, биосферы и системы мирового хозяйства. Мировое сообщество понимает необходимость защиты климата, т.е. предотвращения нагревания земной атмосферы и, как следствие, необходимость тотального сокращения выбросов диоксида углерода, а это может быть реально достигнуто лишь за счет уменьшения потребления ископаемого топлива.
Тепловое загрязнение окружающей среды тесно связано с парниковым эффектом. Чем больше парниковый эффект, тем большее количество дополнительного тепла задерживается в атмосфере.
Та часть потепления климата, которая вызывается обычным в истории Земли потеплением, менее всего вызывает беспокойство: очередное потепление климата- приносит лишь временные трудности, оно обязательно сменится похолоданием. Наибольшее внимание специалистов и ученых, привлекает к себе парниковый эффект. Развитые страны призывают к снижению выбросов в атмосферу углекислого газа, метана и других веществ, вызывающих парниковый эффект. В 1992 г. 140 государствами;подписана всеобъемлющая рамочная Конвенция по климату. В декабре 1997 г. в Киото (Япония) прошла конференция ПО сохранению климата. Межправительственная группа экспертов по изменению» климата (МГЭИК) согласилась, что изменение климата, несомненно, наблюдается [38]: о с конца девятнадцатого столетия средняя температура поверхности планеты увеличилась на 0,3-0,6С; о последние годы, в период с 1960 г. по 1999 г., были в числе самых теплых, несмотря на охлаждающий эффект аэрозолей; о- уровень Мирового океана повысился с конца девятнадцатого столетия на 10-25 см, и это повышение, вероятно, во многом связано с температурными процессами; о в некоторых регионах в 20-м столетии наблюдались необычные экстремальные погодные явления (сильные ливни, ураганььи др.), хотя ученые еще не пришли к единому мнению о том, насколько это статистически серьезный феномен и связан ли он с глобальным изменением климата.
Краткая энергетическая характеристика солнечного излучения
Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. Очевидно, что при использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя. Этот показатель называется коэффициентом концентрации - К. Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен четырьмя зеркалами того же размера-(что облегчает компоновку и сборку устройства), установленными под углом 60, то в этом случае коэффициент концентрации равен 3. На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее; значение К, как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного типа достигает 180С (для нейтрального поглотителя) и 332 С (с селективным покрытием).
При концентрации солнечного излучения с помощью параболического зеркала усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным. Ві результате коэффициент концентрации значительно увеличивается. На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует непараллельность солнечных лучей: Если для плоского зеркального отражателя подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае параболического концентратора оно ограничивает значение коэффициента концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. Поэтому.
Доля рассеянного (диффузного) излучения в общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатических факторов и изменяется в течение года. Так, например, в Москве она изменяется от 0,54 в июле до 0,8 в декабре. В табл. 2.1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энергии на 1 м2 горизонтальной поверхности на всех широтах - от экватора до северного полюса.
На рис. 2.2 показано спектральное распределение интенсивности прямого солнечного излучения Г Вт/(м" мкм) у верхней фаницы атмосферы и на уровне моря в сравнении с излучением абсолютно черного тела при температуре 5900К. получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы принять все лучи, отраженные от концентратора. Кроме того, с ухудшением оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а, следовательно, и равновесная температура.
При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К (1660С) [24, 102].
Кроме обычных плоских коллекторов и коллекторов с концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например, солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водное зеркало, который при необходимости можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды пoвышaeтcя как за счет непосредственного поглощения1 водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим-излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода» расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. Было обнаружено, что в некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды! оказываются! скорее на дне, чем на поверхности. Как предполагают, это явление обусловлено высоким содержанием соли в таких водоемах и температура изменяется с глубиной бассейна так же, как И концентрацияі соли, которая у поверхности воды оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100 С.
Процесс поглощения солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Для простоты можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями [22, 24].
Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов. Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии, и, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.
Климатологические характеристики солнечного излучения
В России регистрация прихода солнечного излучения осуществляется государственной метеорологической службой с использованием сети актинометрических станций. Измерения проводятся стандартными термоэлектрическими приборами: интенсивность прямого солнечного излучения - актинометром» АТ-50; интенсивность суммарного излучения (прямого плюс рассеянного) — пиранометром баллометрического типа М-80. Данные регулярно публикуются, с 1961 г. в ежемесячниках и справочниках [2, 3, 54]. Работььпо созданию солнечного кадастра-на территории бывшего СССР проводятся систематически на протяжении десятков лет в Главной геофизической обсерватории (РТО)им. А.И.Воейкова в Санкт-Петербурге. Разработаны методы долгосрочного прогноза поступления солнечной энергии, созданы карты распределения солнечной энергии по всей территории бывшего СССР. ,
В тех случаях, когда в рассматриваемом регионе отсутствуют или недостаточно актинометрических станций, для расчета прихода солнечного излучения применяется косвенный метод, основанный на репрезентативности данных по излучению на близлежащих станциях и соседних территориях с применением формулы Ангстрема [ИЗ], усовершенствованной Пейджем и представленной в работе [77]:
В работе [21] представлены некоторые оценки непрерывной продолжительности солнечного сияния для ряда пунктов, расположенных в различных климатических зонах бывшего СССР. С этой целью учитывалась (в % от общего количества дней наблюдений) непрерывная продолжительность солнечного сияния более 6 часов в сутки.
Рассчитанные и эмпирические данные в формуле (3.10) по территории СССР представлены в виде карт и опубликованы в Метеорологическом ежемесячнике. В работе [77] приведена разбивка на 5-градусные (по широте) трапеции к югу от 70 северной широты в количестве трапеций. Ошибка экстраполирования погодных данных по продолжительности солнечного сияния на расстоянии до 200 км (характерное расстояние для трапеций) составляет до 5 % от натурных в летний период и до 10 % — в зимний период. На рис. 3.2 приведена карта распределения продолжительности солнечного сияния в наиболее светлый месяц для России — июль. Как видно, максимум продолжительности, соответствующий 320 часам, приходится на районы Сибири. В то же время данные по. суммарной годовой5 продолжительности солнечного сияния, представленные на рис. 3:3, включают максимальные значения 2400-2600 часов, приходящиеся на южные районы Сибири и Дальнего Востока. На- рис. 3.4 показано распределение средней многолетней годовой суммы плотностей потоков энергии солнечного излучения от значений -3000 МДж/м для северных широт России! до -5000 МДж/м — для южных. Соответствующая сумма-плотностей потоков энергии прямого солнечного излучения на горизонтальную поверхность и вклад рассеянного излучения представлены на рис. 3.5 и, 3.6. Приведенные карты, показывают, что по довольно обширным территориям, России фактические данные о солнечном излучении отсутствуют.
Для задач прогнозирования в области солнечной энергетики важное значение имеют не только средние значения., сумм потоков солнечной энергии, но и их изменения от года к году, что в первую очередь характеризуется многолетними среднеквадратичными отклонениями, значений. В работе [94] выполнена оценка точности нахождения средних значений потоков солнечной энергии, используемая в гелиотехнике, в зависимости от числа лет наблюдений. В работе [77] приведены составленные карты среднеквадратичных отклонений суммарных приходов солнечной энергии. При. этом обнаружено, что суммарный, годовой приход солнечной энергии более устойчив от года к году, чем месячный, а тем более суточный, что вполне объяснимо значительно большим объемом статистических данных в первом случае. Показано также, что распределения суточных суммарных потоков солнечной энергии, вообще говоря, отличаются от нормального распределения, включая асимметрию и эксцесс, причем их можно четко сгруппировать в определенные 6 типов распределений. В данной работе предложено районирование территории на основе принципа ранжирования по следующим приоритетам: суммарный поток солнечной энергии, вклад прямого излучения в суммарную, повторяемость ежедневных сумм потоков энергии-излучения, годовое число часов солнечного сияния с интенсивностью более 600 Вт/м , коэффициент вариации годовых сумм потоков энергии излучения.
Приведенные в- предыдущем разделе данные актинометрических измерений и расчетов относятся- к потокам солнечной энергии на горизонтальную поверхность. В то же время при проектировании солнечных энергоустановок возникает необходимость расчета данных по приходу энергии на наклонную поверхность приемника солнечного излучения, поэтому возникает задача установления соотношений между потоками солнечной энергии на эти поверхности.
В общем случае на наклонную поверхность падают все три отмеченные выше компоненты суммарного солнечного излучения: прямого солнечного излучения с интенсивностью ІЬІ, рассеянного диффузного солнечного излучения с интенсивностью Idi и отраженного от поверхности Земли с интенсивностью 10т = р (1ы + Idi), которые имеют различные угловые характеристики. Прямое излучение является узконаправленным, представляющим практически параллельный поток.
Расчет показателей работы экспериментальной солнечной установки по результатам измерений
Корпус КСЭ выполнен герметичным. Все деревянные части корпуса проолифлены и окрашены масляной краской за 2 раза. Технологические пазы и отверстия герметизированы силиконовым герметиком. Наружная теплоизоляция прошпаклевана и пропитана эпоксидной композицией. Для снижения радиационных теплопотерь внутреннее теплоизолирующее покрытие облицовано алюминиевой фольгой ГОСТ 22233 — 83 толщиной 0,2 мм, тыльная сторона абсорбера и наружная поверхность корпуса КСЭ окрашена «под хром» нитрокраской фирмы ABRO Jndastries.Inc.(CUIA). Для предотвращения внутреннего запотевания остекления КСЭ в холодное время года и предохранения деталей от влаги во внутреннюю полость корпуса помещены 4 пакета с прокаленным силикагелем общей массой 100 г. Для возможности слива теплоносителя из полости абсорбера предусмотрен сливной вентиль.
Конвектор представляет собой блок - секцию из 4-х оцинкованных труб длиной 900 мм каждая по ГОСТ 3262 - 75 , с условным,проходом 15 мм, имеющих спирально навивное оребрение и объединенных двумя сборными коллекторами. Наружный диаметр оребрения 41 мм, шаг оребрения 3,5 мм. Оребренные трубы расположены в блок-секции в шахматном порядке.
Насосный блок включает в себя стандартный центробежный насос от бытовой стиральной машины марки «Чайка-3» и коллекторный электродвигатель электрической мощностью 40 Вт, смонтированных на единой текстолитовой платформе. Крутящий момент от электродвигателя к насосу передается посредством пружинной муфты. Управление частотой вращения- электродвигателя осуществляется с лабораторного стенда при помощи регулятора. Регулятором служит бытовой, тиристорный регулятор мощности марки РТ - ЗМ1 - УХЛ - 4.2 максимальной мощностью 350 Вт. Во время экспериментов насосный блок не использовался, циркуляция осуществлялась естественно, за счет разности высот нагреваемой и охлаждаемой части контура.
Счетчик объема циркулирующего теплоносителя применен марки СГВ - 15 ГОСТ Р50601 - 93 в соответствии с техническими условиями ВИАД 2.833.002 ТУ и имеет следующие основные технические данные и характеристики: диаметр условного прохода 15 мм; диапазон изменения температуры воды 1 - 90С; расход воды : наименьший 0,03 м /ч (ниже погрешность не нормируется); номинальный 1,50 м /ч (половина от наибольшего); наибольший 3,00 м /ч (работа не более 1 часа в сутки); порог чувствительности 0,015 м,/ч; пределы среднеквадратичной относительной погрешности Циркуляционный контур экспериментальной установки выполнен из водогазопроводных труб с условным проходом 20 мм — основные участки, 15 мм - обводной участок с насосным блоком. Контур имеет открытый расширительный бак и гибкие резинокордовые вставки для подключения КСЭ и насосного блока. Средства измерения температуры включают в себя ртутные жидкостные термометры с линейной шкалой ГОСТ, 16590 - 71, систему из первичных термоэлектрических преобразователей марки ТХК 2088 и вторичного измерительного прибора — автоматического потенциометра КСП 4 — 0,65 — УХЛ 4.2 ГОСТ 7164 — 78, расположенного на лабораторном стенде, соединенные между собой посредством медных проводников. Отмеченный потенциометр имеет заводскую градуировку ПР и, согласно данным [67], в. нем отсутствует встроенная- компенсационнаягманганиновая катушка для. автоматической- поправки на температуру свободных концов термопар (температуру воздуха в помещении). Учитывая эти- особенности, кроме двух основных термоэлектрических преобразователей, фиксирующих температуры , теплоносителей! на входе и выходе КСЭ; к колодкам потенциометра подключен» дополнительный датчик, свободные концы КОТОРОГО НаХОДЯТСЯ В Непосредственной, блИЗОСТИ ОТ СВОбоДНЫХ КОНЦОВ основных термопар; что- позволяет автоматически фиксировать изменение температуры, воздуха в. помещении- и вводить соответствующую поправку. Однако, следует отметить, что в- тех, случаях, когда температура теплоносителя ниже температура- свободных концов термоэлектрических преобразователей, равно- как И) температуры воздуха в помещении (что возможно в начальные периоды выхода установки на- рабочий режим, особенно в холодное время года), автоматический контроль за изменением температур невозможен без смены полярности подключениям датчиков, и контроль за указанными параметрами следует осуществлять посредством жидкостных термометров Полученные экспериментальные значения по количеству поступающей энергии и среднему коэффициенту ясности ДЛЯ" ИЮЛЯ В г.Ставрополе, где были начаты эксперименты, практически не отличаются от аналогичных данных, приведенных в справочнике под редакцией И.Г.Староверова. Ниже представлены данные для сравнения (см. табл. 4.2). Как видно из таблицы 4.2, справочные данные немного ниже, а именно на 24%. Это объясняется тем, что данные по справочнику являются среднестатистическими, а опытные значения — фактически измерены. Следовательно, для упомянутых местных условий, необходимо провести дополнительные измерения, которые позволили бы составить представление о количестве энергии, поступающей на плоскость КСЭ и эффективности его работы в различные времена года.
Похожие диссертации на ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛОКАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ (на примере плоских солнечных коллекторов)
