Оптимизация с-х энергетических установок - Солнечные установки для систем тепло- и электроснабжения

Глава 2
СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Обозначения:
а — высота канала, температуропроводность;
А — площадь поверхности; расчетная величина;
b — ширина канала;
В — расчетная величина;
с — изобарная удельная теплоемкость;
cf — коэффициент трения;
С, С — эмпирические коэффициенты;
D — рассеянная радиация;
Е — поток эксергии;
i — угол падения солнечного луча на поверхность;
I — сила тока;
f — формпараметр;
f — коэффициент эффективности коллектора;
F — поверхность теплообмена;
G — граф; расход теплоносителя;
J — плотность потока;
Jo, J1 — функции Бесселя;
h — энтальпия; высота Солнца над горизонтом;
k — коэффициент теплопередачи;
К — коэффициент потерь;
L — работа; контуры графа; мощность привода TH;
т — масса теплообменного аппарата;
т.. — матрица инциденций;
ч
N — внешняя энергетическая нагрузка;
р — давление;
Р — коэффициент положения солнечного коллектора;
П — потери эксергии;
R — расстояние от Земли до Солнца; газовая постоянная;
S — интенсивность радиации; энтропия; граница тела; площадь поверхности теплообменника; живое сечение;
S* — солнечная постоянная;
Т — температура;
U — коэффициент потерь коллектора;
UL — коэффициент потерь в окружающую среду;
v — скорость ветра;
V— объем;
W — водяной эквивалент расхода теплоносителя;
X — вектор входных параметров;
Y — вектор выходных параметров;
Z — стоимость показателей;
Z — целевая функция;
а — коэффициент теплообмена; коэффициент поглощения излучения; угол наклона поверхности земли;
β — угол наклона солнечного коллектора к горизонту;
δ — толщина материала;
δ* — толщина вытеснения;
δ — толщина потери импульса;
ε — степень черноты;
φ — угол наклона коллектора;
η — коэффициент полезного действия; переменная Лиза— Дордницина;
λ — теплопроводность;
μ — коэффициент динамической вязкости; эмпирический коэффициент;
р — коэффициент отражения излучения;
р0 — удельное поверхностное сопротивление;
ξ — параметр фазового превращения;
σ — постоянная Стефана—Больцмана;
τ — коэффициент пропускания излучения;
Θ — относительная избыточная температура;
Θ., Θ ^ — приведенные оптические коэффициенты.
Критерии подобия·.
Fo — Фурье;                 Ra — Рэлея;
Nu — Нуссельта;         Re — Рейнольдса;
Pd — Предводителева;
Re — Рейнольдса, построенный по толщине потери импульса.
Индексы·.
δ — диссипативный;
вх — на входе;
гк — гелиоколлектора;
г — грунта;
гор — горизонтальной поверхности;
ех — эксергетический;
ж — жидкости;

кип — кипения;
кол — коллектора;
кон — конденсатора;
норм — нормированный;
п — пластины; потери;
пад — падающий;

пол — полное;
погл — поглощаемое;
солн — солнечной энергии;
тр — при транспортировке;
пр — прочие;
о — окружающей среды;
оптический;
общ — общее;
р — равновесный; релаксационная;
г — отражение;
с — стекла;
ст — стенки;
ср — среднее значение;
сум — суммарное значение;
s — прямая; прозрачная изоляция;
т — теплоноситель.

АНАЛИЗ ИНТЕНСИВНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В результате термоядерных реакций Солнце выделяет огромную энергию. Поток ее составляет 3,7-102fi Вт. Из этого количества энергии на Землю попадает только 1,2-1017 Вт тепловой энергии, что соответствует за год 6-1024 Дж. Примерно 7 % общей солнечной радиации приходится на ультрафиолетовое излучение, 47,3 находится в спектре видимого света и 45,7 % приходится на спектр инфракрасного и теплового излучения.
Сверхатмосферное солнечное излучение равняется 1353 Вт/ м². Эта величина называется солнечной постоянной и с изменением расстояния от Земли до Солнца изменяется на ±3,4 %. Зависимость внеземного излучения от времени года представлена на рис. 2.1.
При прохождении через слой атмосферы часть солнечного излучения поглощается и рассеивается.
Рис. 2.1. Зависимость внеземного солнечного излучения от времени года

Плотность потока солнечного излучения на широтах, близких к экватору, равна 1 кВт/м² [1]. Средняя плотность потока солнечного излучения в большинстве регионов мира составляет 200...250 Вт/м². С точки зрения располагаемого энергетического ресурса это очень много.
Помимо полной энергии (т.е. солнечной постоянной) солнечного спектра нужно знать спектральное распределение солнечного излучения. На основе высотных и космических измерений построена стандартная кривая поверхностной плотности монохроматического потока излучения (рис. 2.2) [2], соответствующая среднему расстоянию между Землей и Солнцем при солнечной постоянной 1353 Вт/м².
К наиболее благоприятным южным регионам России для использования солнечной энергии относятся Нижнее Поволжье, Северный Кавказ, побережье Азовского и Черноморского бассейнов. В этих регионах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000 ч в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность — от 1280 до 1870 кВт/м². В летнее время количество энергии, приходящейся на 1 м² горизонтальной поверхности, составляет в этих регионах в среднем от 6,4 до 7,5 кВт-ч в день [3].
Количество солнечной энергии, которая может быть использована без ущерба для окружающей среды, т.е. технически реализуемые ресурсы располагаемой энергии, составляет около 1,5 % потенциальных ресурсов [4].

Рис. 2.2. Стандартная кривая поверхностной плотности монохроматического потока излучения в зависимости от длины волны
Зная суммарное количество суммарного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность Srop, можно определить технически реализуемые ресурсы солнечной энергии для определенного региона.
Данные интенсивности солнечной радиации могут быть представлены в следующем виде [5]:

1. по средним суткам, составляющим месяц, т.е. метеоданные усредняются за каждый час месяца и так составляются средние сутки;
2. по среднемесячным значениям, т.е. вычисляется одно среднемесячное значение параметра и оно используется для всех часов суток месяца;
3. по среднесуточным значениям, т.е. для каждых суток месяца вычисляется среднее значение, которое используется для всех часов этих суток;
4. по «типичному году», т.е. расчет выполняется по реальным данным каждого часа всех дней года, имеющего статистические характеристики, совпадающие со средними и многолетними.

В работе [6] было показано, что для достижения требуемой точности в системах солнечного теплоснабжения допустимо использовать усредненную за определенный период интенсивность солнечной радиации. На практике, как правило, применяется метод, основанный на среднемесячных значениях интенсивности солнечной радиации. Для расчетов годовых характеристик рекомендуется использовать метеоданные «типичного года». Исследования показывают, что месячные суммы солнечной радиации на горизонтальную поверхность изменяются из года в год, однако их средние многолетние значения устойчивы [7, 8].
решения практических задач является уравнение Блэка, которое построено по тому же принципу. Более конкретные уравнения приведены в работах [10-13]. Обзор методов оценки солнечной радиации изложен в работе [7].
Для северных широт 38-60° хорошее приближение дает формула Кострова—Савинова—Украинцева, уточненная Сивковым и Гойсой [14]. Она связывает плотность потока солнечной радиации S± с солнечной постоянной S и высотой Солнца над горизонтом Л:

(2.1)
где C() — эмпирическая константа, зависящая от высоты Солнца и прозрачности атмосферы для нормального луча.
Для других широт интенсивность солнечной радиации определяется в зависимости от среднего R(. и текущего R расстояний от Земли до Солнца:

(2.2)
Для оценки суммарной солнечной радиации пользуются различными расчетными выражениями. Формула Ангстрема связывает относительное значение среднемесячного дневного поступления солнечного излучения на горизонтальную поверхность с действительной и возможной продолжительностью солнечного сияния в регионе [10]. Более удобным для Существуют теоретические и полуэмпирические модели, основанные на корреляции плотности потока солнечной радиации с облачностью и прозрачностью атмосферы и на особенностях пропускания ею различных участков солнечного спектра [15, 16], а также на использовании для аппроксимации гармонических функций [17] или математического аппарата цепей Маркова [18, 19]. Расчеты по всем этим моделям требуют большого объема предварительной информации.
Удельную интенсивность суммарной радиации, падающей на наклонную плоскость коллектора, находят по выражению
(2.3)
где 8гор — интенсивность радиации, падающей на горизонтальную поверхность в случае ясного неба:

По данным экспериментальных исследований, значение коэффициента пропускания обычным стеклом нормально падающей прямой солнечной радиации колеблется от 0,75 до 0,89, а разработанные в последние годы специальные гелиотехнические стекла имеют коэффициент пропускания до 0,93 при почти полном отсутствии отражения.

Для измерения интенсивности солнечной радиации пользуются радиометрами, например типов РСП-100 и РСП- 200 [23].

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Солнечная энергия используется непосредственно для теплового, фото- и термоэлектрического превращения ее, т.е. на получение тепловой и электрической энергии от поступающего солнечного излучения.
Гелиоустановки, предназначенные для получения низкопотенциальной теплоты, используемой в системах тепло- и хладоснабжения зданий и сооружений, а также в технологических процессах (сушки сельскохозяйственной продукции, термообработки материалов и т.п.), классифицируются по следующим признакам:

1. сооружение — пассивные и активные;
2. назначение — системы отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования; комбинированные (отопление и горячее водоснабжение);
3. степень охвата потребителей — индивидуальные, групповые, централизованные;
4. время работы в течение года — сезонные и круглогодичные;
5. степень аккумулирования энергии — без аккумуляторов, с кратковременным, с долгосрочным аккумулированием;
6. характер движения теплоносителя — без циркуляции, с естественной или принудительной циркуляцией;
7. число контуров — одно-, двух-, многоконтурные;
8. тепловой режим — с постоянной или переменной температурой теплоносителя;
9. наличие дублирующего источника теплоты — с дублером, без дублера (автономные);
10. конструкция коллекторов — металлические, пластмассовые, трубчатые, вакуумированные;
11. конструктивные особенности — циркуляционные одноступенчатые или многоступенчатые гелиоколлекторы, выполненные из однородных элементов термосифонного типа или с насосной циркуляцией; гравитационные с одно- или многоступенчатыми коллекторами, выполненными из однородных материалов; циркуляционные с многоступенчатыми гелиоколлекторами, изготовленными из однородных материалов.

Особую группу составляют гелиоустановки гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами [3].
Каждая из систем теплохладоснабжения состоит, как правило, из трех элементов: коллектора, аккумулятора тепловой энергии и системы распределения теплоты.