Использование солнечной энергии в Ростовской области

Эффективность использования вакуумных и плоских солнечных коллекторов в Ростовской области.

Солнце – неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый источник энергии. В течение недели количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. В скором времени солнце станет доминирующим источником энергии на планете, и солнечная энергетика будет обеспечивать 20–25% мировых потребностей в электроэнергии. Во многих странах солнечная энергетика активно поддерживается государствами и стремительно развивается (СП 131.13330.2012. Строительная климатология).

В России имеется положительный опыт эксплуатации солнечных генераторов энергии. Территория нашей страны расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации существенно варьируются.

С точки зрения природного потенциала и ресурса солнечной инсоляции (уровень солнечной энергии приходящейся на 1 кв. м земной поверхности) Ростовская область территориально соответствует странам, где развитие солнечной энергетики экономически целесообразно.

Использование солнечной энергии зависит в первую очередь от того, для какой цели она будет применятся. Для системы горячего водоснабжения (далее ГВС) или сезонного нагревания бассейна достаточно иметь более дешевые коллекторы, а для продления купального сезона или систем дополнительного отопления приобретаются коллекторы с действием в течение круглого года. С целью повышения энергоэффективности и для эксплуатации при отрицательных температурах наружного воздуха лучшим решением является использование трубчатых коллекторов, которые по сравнению с плоскими имеют более высокое энергетическое извлечение.

В зимние месяцы, поступление солнечной энергии минимально за счет снижения угла восхождения Солнца над горизонтом и уменьшения количества прямого солнечного излучения, и её количество уменьшается из-за снижения коэффициента полезного действия (далее КПД) солнечного коллектора при отрицательных температурах наружной среды. Широко используется аккумуляция полученной энергии на 1 – 1,5 дневной расход, в период отсутствия солнечного излучения используются другие источники энергии. Системы, которая позволила бы скапливать полученную энергию летом и использовать её зимой, пока ещё не удалось сконструировать.

Солнечный коллектор должен соответствовать трем основным требованиям:

1. максимально эффективно поглощать как можно больше попадающей на него солнечной радиации;
2. эффективно передавать полученное тепло теплоносителю;
3. иметь низкие собственные теплопотери.

Эти показатели определяют главным образом область применения установки, и стоимость соответственно.

В Ростовской области пиковая интенсивность солнечной радиации составляет 0,9 кВт/м², а суммарная - более 1,0 кВт/м ², годовая сумма солнечной радиации - 1350 кВт/м², а среднее число солнечных часов в году - 2250 ч. Это создает комфортные условия использования солнечной энергии для нагрева теплоносителя до температуры 50 – 70°С. Число дней без солнца - не более 30, что дает возможность применять коллективные и индивидуальные установки с использованием тепловых аккумуляторов относительно малой мощности

Схема модернизированной циркуляционной системы горячего водоснабжения приведена на рис. 1. Система имеет два эксплуатационных режима. В теплый период года здание полностью отключается от теплогенератора и система горячего водоснабжения работает только за счет теплоты солнечной радиации.

Рисунок 1. Схема модернизированной циркуляционной системы ГВС

Разработанные схемы и конструкции солнечных коллекторов представляют несомненный интерес для инвесторов. При незначительных капитальных вложениях можно получить значительный экономический эффект

Расчёт необходимой площади солнечных коллекторов для ГВС дома.

Для примера рассмотрим систему горячего водоснабжения дома, в котором проживает семья из 4 человек.

Согласно СП 30.13330.2012, на одного человека приходится расход ГВС

V_норм = 60(л/сут), T_гвс = 55(°С) и T_хвс= 10 (°С)   [1]

Объём бойлера косвенного нагрева :

V_b= b x V_b,min = 1,5 x 240 = 360(л)   [1]

(л)  [2]

где, V_b – объем бойлера (л);

b – количество циклов нагрева воды (1,5 – 2,5);

V _b,min – дневной расход воды (л);

Т_w2 – температура воды в бойлере (°С), при V_b ≤400(л) →Т _w2 =50-60(°С), V_b>400(л) →Т _w2 =60(°С);

Т_w1 =Т_хвс +5 (°С)

Расход энергии на нужды ГВС:

Q_b,min =V_норм. x N x P x C x (T_гвс - T_хвс )    [3]

Q_b,min =60_. x 4 x 1 x 1,63 x (55 - 10) = 12,5 кВт/сут   

где, V_норм – расход ГВС на человека (м³); N – количество человек; P – плотность воды (≈1,00кг/л), С – удельная теплоемкость воды

Расчет мгновенного КПД современных коллекторов выражают характеристикой:

   [4]

Для расчета солнечных установок с дублером, используется следующая методика:

   [5]

где η₀ представляет собой КПД коллектора при ΔТ=0;

k1, k2 – коэффициенты тепловых потерь коллектора (Вт/м2*К);

U - коэффициент тепловых потерь (Вт/м2*К);

∑Qi – среднедневной падающий поток Вт/м2;

ΔТ – разность между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающей среды. В физическом смысле, КПД выражает отношение тепловой (полезной) энергии, отведенной от абсорбера с помощью циркулирующего через коллектор теплоносителя, к падающей на абсорбер суммарной лучистой энергии.

Необходимая площадь солнечных коллекторов:

     [6]

где, f – поправочный коэффициент (табл.1);

η_сист – КПД всей системы.

Таблица 1.

Поправочный коэффициент, зависящий от расположения солнечного коллектора.

КПД всей системы, от солнечного коллектора до потребителя:

η_{сист =}  η_кол х η _тр х  η_б      [7]

где, η_кол – КПД солнечного коллектора;

η _тр – потери тепла системой от коллектора до бойлера (0,8 – 0,95);

η_б – КПД бойлера.

Площадь теплообменника бойлера:

S_тб.б.= 0,3 х  S_кол-ра       [8]

Помимо интенсивности падающей солнечной энергии, учитывается и скорость теплоносителя. Чем ниже скорость, тем выше температура теплоносителя на выходе и ниже гидравлические потери. Но высокая температура не является абсолютным показателем эффективности – растёт температура абсорбера, и увеличиваются теплопотери.

Рисунок 2. Пример положения солнечного коллектора для выбора поправочного коэффициента.

Рассмотрим режимы плоского и трубчатого коллекторов в январе и июле в Ростов-на-Дону

Для подбора нам потребуются паспортные характеристики коллекторов, температура окружающей среды и интенсивность солнечного излучения (табл.2):

Плоский коллектор: η₀= 0,81; к₁=3,48; к₂=0,0164

Трубчатый коллектор: η₀= 0,838; к₁=1,18; к₂=0,0066

Таблица 2.

Температура окружающей среды и количество солнечной энергии, приходящейся на 1 м² облучаемой поверхности в Ростове-на-Дону ∑Qi, Вт*сут/м²

Подставляя данные в формулу [5], получены графики КПД при различных ΔТ, представленные на рис. 3.

Рисунок 3. Режимы работы солнечных коллекторов.

Исходя из полученных графиков видно, что для сезонного использования показатели коллекторов очень близки. Для круглогодичного использования наблюдается заметное различие – у плоских коллекторов в зимний период КПД существенно ниже, чем у вакуумированных.

Рассмотрим работу плоского коллектора для сезонного использования.

Температурный напор между выходной и входной температурой теплоносителя коллектора и соответствующими температурами ГВС и ХВС устанавливают равным 5 градусам (T_1’ – Tхвс T_2’ – T_Б= 5). Зная перепад температур ΔТ, и количество солнечной энергии, приходящейся на 1 м² облучаемой поверхности из таблицы 2, при помощи формулы [5] можно определить КПД солнечных коллекторов по месяцам.

Полученные данные сведены в таблицу 3. По полученным значениям производительности солнечных коллекторов из таблицы 3, можно определить тип солнечного коллектора, который удовлетворит потребности в зависимости от условий эксплуатации. 

Таблица 3

КПД и производительность солнечных коллекторов при заданном перепаде температур теплоносителя ΔТ: