Пример расчета гелиоустановки

Пример расчета гелиоустановки

Расчет  гелиоустановки выполнен для ЛДП  КРС, расположенного в Аргаяшском районе Челябинской области. Суточная потребная энергия Q^дн_{п =} 475 МДж. Гелиоустановка рассчитана на работу с марта по сентябрь, горячая вода используется для голов КРС два раза в день. Температура воды 323 К.  Гелиоустановка выполнена по схеме с естественной циркуляцией и параллельно последовательным соединением коллекторов. Каждый параллельный контур имеет два последовательно соединенных коллектора.

1. Суммарная солнечная радиация, поступающая  на горизонтальную и наклонную  поверхности: 

а) величина солнечной энергии, поступающей  на горизонтальную поверхность, в среднем  за день данного месяца

МДж/м².

Где Н – суммарная энергия  на горизонтальной поверхности.

Н_о – эталонное (условное) значение суммарной энергии.

S и S₀ – действительная и возможная продолжительность солнечного сияния.

a и b – постоянные коэффициенты.

   По данным табл.2.2 и 2.3 рассчитываем уровень солнечной энергии по месяцам (1 кВт·ч=3,6 МДж):

             Н3 =1,360·5,2(0,2+0,4·5,2/12)=2,62 кВт·ч/м²=9,4 МДж/м²;

             Н4 =1,360·7,4(0,17+0,45·7,4/14)=4,1 кВт·ч/м²=14,7МДж/м²;

             Н5 =1,360·8,6(0,12+0,54·8,6/16)=4,79 кВт·ч/м²=17,3 МДж/м²;

  Н6 =1,360·9,6(0,10+0,54·9,6/16)=5,29 кВт·ч/м²=19,05 МДж/м²;

  Н7 =1,360·9,4(0,18+0,40·9,4/16) =5,3 кВт·ч/м²=19,1МДж/м²;

  Н8 =1,360·7,4(0,11+0,48·7,4/14)=3,66 кВт·ч/м²=13,2 МДж/м²;

  Н9 =1,360·5,6(0,14+0,44·5,6/11)=2,77 кВт·ч/м² =9,98 МДж/м².

б) уровень солнечной энергии, поступающей  на наклонную поверхность в среднем  за день данного месяца:

Поскольку R зависит от угла наклона  поверхности гелиоустановки к горизонтальной плоскости, расчет следует провести для всех возможных углов наклона. Однако анализ табл.2.3 показывает, что  для определения оптимального угла наклона достаточно просчитать искомые  значения для углов наклона от 10 до 30^o, когда ожидается максимум солнечной энергии в рассматриваемые месяцы. Результаты расчета сведены в табл.1.                                                           Таблица 1.

Угол наклона,0	Интенсивность солнечной  энергии на наклонной поверхности  в среднем за день месяца Нт , МДж/м2
	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь
10	11,03	15,73	17,65	19,05	19,29	13,73	11,08
15	11,66	16,17	17,65	19,05	19,29	13,99	11,48
20	12,31	16,46	17,65	18,86	19,1	14,12	11,87
25	12,97	16,76	17,65	18,67	19,1	14,26	12,27
30	13,44	17,05	17,47	18,29	18,72	14,26	12,47

 

Так как в рассматриваемом периоде  времени (март - сентябрь) разное количество дней в месяце и разная обеспеченность продолжительности солнечного сияния, то для более точного расчета  величины оптимального угла следует  просуммировать теплопроизводительность гелиоустановки за все месяцы.

  2. Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки в i-м месяце:

 

.

Принимаем: F_R =0,89; =0,7; U_L=6 Вт/(м²·^oК); температуру окружающего воздуха Т_O для марта 273⁰ К (0⁰С),  для апреля 279⁰ К (6⁰С),  для мая и сентября принимаем 288^oК (15^oС), для июня-августа - 293^oК (20^oС).

 

Температуру на входе в коллектор  определяем по выражению 

.

где Т_б – температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня.

Тогда дневная выработка тепловой энергии гелиоустановкой с углом  ее наклона  =10^o:

Q_3УД=0,89[11,03·0,7-6·5,2(323-273)3,6·10-3] = МДж/м²;

Q_4УД=0,89[15,73·0,7-6·7,4(323-279)3,6·10-3] = МДж/м²;

            Q_5УД=0,89[17,65·0,7-6·8,6(323-288)3,6·10-3] = МДж/м²;

Q_6УД=0,89[19,05·0,7-6·9,6(323-293)3,6·10-3] = МДж/м²;

Q_7УД=0,89[19,29·0,7-6·9,4(323-293)3,6·10-3] = МДж/м²;

Q_8УД=0,89[13,73·0,7-6·7,9(323-293)3,6·10-3] = МДж/м²;

Q_9УД=0,89[11,08·0,7-6·5,6(323-288)3,6·10-3] = МДж/м².

Аналогичный расчет выполняем для  углов наклона гелиоустановки 15, 20, 25 и 30 градусов, результаты сводим в табл.2.

Таблица 2.

Угол   наклона, o	Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки, МДж/м2
	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	За сезон
10	1,87	3,48	5,2	6,3	6,6	4	3,7	523
15	2,26	3,8	5,2	6,3	6,6	4,1	3,4	656,9
20	2,6	4	5,2	6,2	6,5	4,25	3,6	672,5
25	3,03	4,18	5,15	6,1	6,47	4,3	3,9	690
30	3,4	4,4	5,1	6	6,2	4,3	4	693

 

         Для выбора оптимального угла наклона гелиоустановки сравниваем ее теплопроизводительность за сезон при различных углах наклона и определяем ее максимальное значение.

 Анализ полученных данных  показывает, что для рассматриваемой  задачи оптимальным углом наклона  следует считать 30⁰. При этом удельная суммарная за сезон теплопроизводительность гелиоустановки составляет 693 МДж/м².

Общее потребное количество энергии  за сезон составляет 101650 МДж.

3. Необходимая площадь гелиоустановки  в i-м месяце:

,м².  = 475/3,4 = 140 м².  

По потребной площади гелиоустановки определяем количество солнечных коллекторов, принимая во внимание, что один коллектор  Братского завода отопительного  оборудования имеет площадь 0,8м². Желательно принимать четное количество коллекторов для соединения их по параллельно-последовательной схеме. Результаты расчета сводим в табл.3.

Таблица 3

Показатели	Месяц							за сезон
	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь
Потребное количество энергии  за месяц Qп, МДж	14725	14250	14725	14250	14725	14725	14250	101650
Дневная потребность в  энергии Qднп , МДж	475	475	475	475	475	475	475
Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки, МДж/м2	3,4	4,4	5,1	6	6,2	4,3	4
Потребная площадь гелиоустановки, м2	140	108	93	79	78	110	119
Выбранное количество коллекторов, шт.	176	136	116	100	100	138	150
Площадь м2	140	109	93	80	80	110	120

 

                 Анализ результатов показывает, что для каждого месяца требуется своя площадь гелиоустановки: например. в июне требуется 79м² площади гелиоустановки, или 100 солнечных коллекторов, в сентябре – 119 м² площади, или 150 коллекторов. При площади 79 м² можно обеспечить потребность в тепловой энергии только в июне, и за сезон замещение органического топлива за счет гелиоустановки будет минимальным. Если выбрать приведенную площадь 119 м², в отдельные месяцы будут вырабатываться излишки энергии и эффективность гелиоустановки будет снижаться.

В системе горячего водоснабжения  предусматривается дополнительное, дублирующее устройство. Заметим, что  дублер необходим в любом варианте, так как возможны дни, когда интенсивность  солнечной радиации окажется недостаточной  для нагрева необходимого количества воды до требуемой температуры. Мощность дублирующего источника выбирается из условия полного отсутствия нагрева  за счет солнечной энергии.

5. Оценка энергетических показателей  системы горячего водоснабжения 

Для выбора оптимальной площади  производится оценка энергетических показателей  каждого варианта, т.е. необходимо рассмотреть  энергетические показатели для каждой площади, рекомендуемой в табл.3.

5.1. Коэффициент использования энергии,  вырабатываемой гелиоустановкой 

Данный коэффициент рассчитывается для каждого месяца при различной  площади гелиоустановки. Так, в мае  при площади А=93 м², вырабатываемой энергии Q_в= 473 МДж и потребной Q_п = 475 МДж полезно используемая энергия Q_пол = 474 МДж.

 Подобным образом рассчитываются  все варианты. Результаты заносятся  в табл.4.

5.2. Коэффициент обеспеченности  потребителя солнечной энергией  Расчеты также ведутся для  каждого месяца при различной  площади гелиоустановки. Рассмотрим  пример расчета коэффициента  обеспеченности для площади A =80м². В мае при Q_пол = 408 МДж и Q_п = 475 МДж коэффициент обеспеченности

K_об^гу =Q_пол / Q_п = 80*5,1/475 = 0,86.                                                                                                                                                                         Таблица 4

Площадь, м2	март		апрель		май		июнь		июль		август		сентябрь		За сезон
	Кисп	Коб	Кисп	Коб	Кисп	Коб	Кисп	Коб	Кисп	Коб	Кисп	Коб	Кисп	Коб	Кисп	Коб
80	1	0,57	1	0,74	1	0,86	0,98	1	0,95	1	1	0,72	1	0,67	0,99	0,79
93	1	0,66	1	0,86	1	0,99	0,85	1	0,82	1	1	0,84	1	0,78	1	0,76
109	1	0,78	0,98	1	0,85	1	0,72	1	0,7	1	1	0,99	1	0,92	0,89	0,95
110	1	0,78	0,98	1	0,85	1	0,73	1	0,7	1	1	0,99	1	0,92	0,89	0,95
120	1	0,86	0,9	1	0,77	1	0,66	1	0,64	1	0,92	1	0,99	1	0,84	0,98
140	0,99	1	0,76	1	0,66	1	0,57	1	0,55	1	0,79	1	0,85	1	0,74	1

 

Полученные результаты показывают, что с ростом площади установки  и вырабатываемой энергии в отдельные  месяцы рассматриваемого сезона появляются избытки энергии и снижается  коэффициент использования гелиоустановки, а обеспеченность энергией - увеличивается. В целом за сезон снижение коэффициента использования и рост обеспеченности происходят не линейно, т.к. в отдельные  месяцы наблюдается избыток, а в  другие – недостаток энергии от гелиоустановки.

5.3. Коэффициент замещения потребной  энергии 

Использование солнечной энергии  не позволяет полностью заменить традиционный источник энергии и  отказаться от органического топлива из-за непостоянного количества поступающей энергии. Коэффициент замещения для каждого месяца при различной площади гелиоустановки рассчитывается с учетом вероятности солнечного сияния (см.рис.2.2.).

В мае, например, продолжительность  солнечного сияния 9 часов ожидается с вероятностью p(s)=0,6 и коэффициент замещения f согласно (2.24) при площади гелиоустановки A=9,6м² составляет 0,56·0,6 = 0,34, а при площади A=16м² f=0,56. Результаты расчетов всех вариантов заносим в табл.5

         F_{i =} К_об*p(S)                                                                 Таблица 5

Площадь, м2          А	март p(s)=0,62	апрель p(s)=0,61	май  p(s)=0,60	июнь  p(s)=0,52	июль  p(s)=0,5	август  p(s)=0,55	сентябрь  p(s)=0,6	За сезон
80	0,35	0,45	0,52	0,52	0,5	0,4	0,4	0,45
93	0,4	0,52	0,59	0,52	0,5	0,46	0,47	0,49
109	0,48	0,61	0,6	0,52	0,5	0,54	0,55	0,54
110	0,48	0,61	0,6	0,52	0,5	0,54	0,55	0,54
120	0,53	0,61	0,6	0,52	0,5	0,55	0,6	0,56
140	0,62	0,61	0,6	0,52	0,5	0,55	0,6	0,57