Расчет систем солнечного теплоснабжения

Расчёт солнечных установок включает определение располагаемого количества солнечной энергии, теплопроизводительности солнечного коллектора и установки в целом, тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения, энергетических и геометрических характеристик гелиосистемы, в том числе площади поверхности коллектора, объёма аккумулятора теплоты, годовой доли солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки и годовой экономии топлива. Рассмотрим методику теплового расчета применительно к солнечной системе горячего водоснабжения (ССГВ). Площадь поверхности КСЭ для сезонной солнечной системы горячего водоснабжения, работающей с апреля по сентябрь, можно упрощенно определить по формуле [1]:

F_к=V_гв/(q_г.в. η_т), (11)

где V_гв – средний суточный расход горячей воды, л/день; q_г.в – среднесезонная суточная удельная производительность системы по горячей воде, л/(м²×день); η_т=0,8÷0,85 – коэффициент, учитывающий теплопотери трубопроводов.

Величину среднесезонной суточной удельной производительности системы по горячей воде q_г.в следует определять в зависимости
от суточного поступления солнечной энергии Е на горизонтальную поверхность согласно рис. 13.

Если в системе не предусмотрен резервный источник теплоты (РИТ), то расчет ССГВ ведется по величине Е для апреля, но при этом в летние месяцы будет возникать неиспользуемый избыток теплоты.

Если же резервный источник теплоты предусмотрен, то расчет ССГВ ведется для июня, тогда в остальной период года система обеспечит долю тепловой нагрузки f_ср на горячее водоснабжение Q_г.в., а резервный источник даст (1-f_ср)×Q_г.в. теплоты.

Пример расчета сезонной ССГВ в Ростове-на-Дону: V_г.в.=4,8 м³/день, t_г.в.=45°С и t_к.в.=15°С.

Выбираем КСЭ типа НПК-2, β=φ-15°=32°.

Вычислим F_к и экономию топлива.

Определяем Е=15,84 МДж/(м²·день) (апрель) и 23,62 МДж/(м²·день) (июнь). По рис. 13 находим q_г.в.=52,5 л/день (апрель) и 80 л/день (июнь) на 1 м² площади КСЭ.

Рис.13. Зависимость удельной суточной производительности системы

солнечного горячего водоснабжения от суточного суммарного поступления солнечной энергии Е_г на горизонтальную поверхность

По формуле (11) находим F_к=107,6 м² (апрель) и 70,6 м² (июнь). При отсутствии резервного источника энергии целесообразно использовать КСЭ с F_к=107,6 м², а при его наличии – F_к = 70,6 м². Месячные величины f равны: f_IV=0,66; f_V=0,83, f_VI=f_VII=1, f_VIII=0,82, f_IX=0,61, a средняя за сезон доля нагрузки солнечной системы горячего водоснабжения составляет f_ср=0,82.

Объем аккумулятора V_ак=0,05×V_к=3,5 м³. Расход энергии от резервного источника теплоты за сезон составит:

Q_РИТ=(1-f_ср)Q_г._в=0,18·110=19,8 ГДж.

Экономия топлива (при КПД теплогенератора, равном η_т.г.=0,55):

.

Расчет систем ССГВ рекомендуется проводить с помощью номограммы, представленной на рис. 14, согласно которой по исходным данным (φ, Е, Е_к, Т_в и Q_н) определяют F_к.

По номограмме на рис. 14 при φ=47° для июня (Е=23,62 МДж/(м²·день)) получим Е_к=22 МДж/(м²·день), по известным величинам φ, Е, Е_к и Т_в=19,2 °С при суточной тепловой нагрузке Q_н=V_r.в·ρ×c_p·Δt=4,8·1000×4,19×(47-15)=603 МДж/день находим F_к=72 м². Расхождение между величиной поверхности, полученной по формуле (11), и номограммой (рис. 14) составляет 2,1%, что позволяет рекомендовать номограмму для расчетов в инженерной практике.

В индивидуальных жилых зданиях гелиоустановки, как правило, используются в теплое время для нужд горячего водоснабжения. При этом избыточное тепло может подаваться с помощью жидкого теплоносителя в основание здания, с целью его аккумуляции и дальнейшего использования в холодный период года.

Солнечные установки теплоснабжения недопустимо относить к экологически чистым видам энергии, в лучшем случае к экологически чистой можно отнести конечную стадию, то есть стадию эксплуатации солнечных установок, и то относительно. Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий и растительности.

Рис. 14. Номограмма для определения площади коллектора солнечной энергии F_к
и среднемесячного суточного поступлении солнечной энергии Е_к
на поверхность КСЭ с оптимальными углом наклона и ориентацией

Нежелательное экологическое воздействие вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями, что приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветра, в некоторых случаях возможны перегрев
и возгорание систем теплоснабжения, использующих солнечные концентраторы.

Применение низкокипящих жидкостей при неизбежной их утечке могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют нитраты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Солнечные станции являются достаточно материалоемкими и требуют отчуждения значительных территорий для своего размещения.

2. Использование энергии ветра
с помощью ветроэлектрогенераторов

Общие положения

Ветер является одним из наиболее мощных возобновляемых источников и может использоваться в народном хозяйстве России в значительно больших масштабах, чем в настоящее время.

К главным факторам, определяющим возможность использования энергии ветра, относятся метеорологические условия, выбор оптимального расположения ветроэнергетической установки (ВЭУ), метод преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, ее использование в общей системе энергоснабжения и, кроме того, экономическая эффективность [4].

Важнейшими характеристиками, определяющими энергетическую ценность ветра, являются его скорость и направление. Эти величины зависят от влияния сил, действующих как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях на движущиеся воздушные массы. В силу ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, количества тепловой энергии, поступающей на Землю), а также вследствие влияния рельефных условий, непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по случайному закону. Поэтому мощность, которую способна выработать ВЭУ в различные периоды времени, можно предсказать с малой вероятностью. В то же время суммарная выработка агрегата, особенно за длительный промежуток времени, рассчитывается с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распределения скоростей в течение года или сезона изменяются мало.

Причиной возникновения ветров являются поглощение солнечного излучения поверхностными слоями земли и дальнейшее нагревание и расширение воздуха в результате теплообмена с поверхностью грунта. В результате плотность воздуха уменьшается, он становится более легким, поднимается вверх в общей массе более холодного, а значит и более тяжелого воздуха. На место поднявшегося вверх воздуха, в результате создавшегося разрежения, из других местностей перемещаются новые воздушные массы, нагреваются и поднимаются вверх.

В глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих закономерностей, многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами.

Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая становится значительно больше вертикальной.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра: ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5-10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с очень большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 10 циклов за 20 лет эксплуатации).

Для использования энергии ветра наиболее пригодны места, обладающие следующими метеорологическими характеристиками:

- высокой среднегодовой скоростью ветра как наиболее важным фактором, определяющим годовую выработку на одну ВЭУ;

- редко встречающимися условиями с высокой интенсивностью турбулентности воздушных потоков, т.е. в среднем незначительными изменениями направления и скорости ветра как предпосылкой работы ВЭУ без помех;

- наличием доминирующего направления основных потоков ветра, что позволяет уменьшить площадь, необходимую для размещения ВЭУ.

Кроме метеорологических характеристик, существенную роль в окончательном выборе места для использования энергии ветра играют следующие факторы:

- наличие электротранспортной сети и возможность включения в действующую энергосистему;

- экономические факторы (стоимость ВЭУ, стоимость земли, срок окупаемости);

- законодательные факторы, такие, как Закон об охране природы, правила безопасности полетов, охрана здоровья населения, непосредственно проживающего в данном районе;

- отрицательное воздействие на окружающую среду (шум, нарушение природного ландшафта и помехи для приема радио- и телепередач).

Достоинства использования энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Недостатки использования энергии ветра: низкая плотность энергии, приходящаяся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц.

Крупные ВЭУ влияют на телесигнал. На расстоянии до 0,5 км они вызывают помехи в телесигнале. Это связано с тем, что лопасти ветрового колеса ВЭУ отражают сигнал, вызывая помехи при передаче телевизионного сигнала. Вследствие работы крупных ВЭУ больше 20 кВт возникает достаточное количество инфразвука, влияющего на состояние человека и животных.

При работе крупных ВЭУ возникает и естественный шум от работы ветрового колеса. Размещение ВЭУ мощностью выше 10 кВт нежелательно в пределах черты города.