Оценка экономичности и экологичности солнечного коллектора

                                                         Содержание

Задание………………………………………………………………………………2

Ведение……………………………………………………………………………....4

1 Использование энергии солнца, как нетрадиционного источника энергии…….5

2 Горячее водоснабжение дома с помощью альтернативной энергии солнца…………………………..………………………………………………………….7

3 Схема водоснабжения и ее принцип действия ………………………………….8

4 Расчет и подбор элементов системы горячего водоснабжения на основе солнечных коллекторов …………………………………………………….……………..10

5 Оценка экономичности и экологичности солнечного коллектора…………………………………………………………….……………………….15

6 Вывод………………………………………………………………………………16

7 Список литературы………………………………………………………………..17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               Ведение

 

Нетрадиционными источниками энергии являются солнце, ветер, энергия биомассы, геотермальная энергия, энергия H2 ,энергия мирового океана. Эти варианты получения энергии как дополнительной используются в последнее время всё чаще. Многие учёные убеждены, что к 2030—2050 гг. нетрадиционные (возобновляемые) источники энергии будут основными, а традиционные потеряют своё значение.

С каждым годом факт дефицита энергоресурсов становиться все более очевидным. А потому, по самым оптимистическим прогнозам, уже через 200-300 лет людям будет просто нечем отапливать свои жилища.

 Единственный вероятный выход  из положения – задействовать  альтернативные источники энергии, которые помогут человечеству  избежать энергетического кризиса. Кроме того, внедренные  нетрадиционные источники энергии помогут улучшить экологическую ситуацию, так как они более эффективны и экологичны, чем обычное топливо.

Сегодня подавляющее большинство людей знают о том, что запасы углеводородов не беспредельны, что органическое топливо нужно беречь. Вот почему изучение и использование нетрадиционных источников энергии является актуальным. Многие страны довольно широко используют  нетрадиционные источники.                 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 1 Использование энергии солнца, как нетрадиционного источника энергии

 

Энергия солнца является одним из наиболее доступных и перспективных возобновляемых источников энергии. Рост интереса к использованию именно этого вида энергии обусловлен с одной стороны, постоянным ростом цен на органическое топливо, в частности на природный газ и нефть, с другой - постоянно набирающим силу движением за охрану окружающей среды. Немаловажным фактором является и, своего рода, мода в мире на использование возобновляемых источников энергии, которая, как можно констатировать, дошла и до Украины.

Использование тепловой энергии для получения полезной теплоты обеспечивается установками, которые называются солнечными коллекторами. Принцип их действия достаточно прост: энергия солнца используется для нагрева некоего теплоносителя, энергия которого затем полезно используется. Можно выделить следующие основные направления использования этой теплоты:

· горячее водоснабжение (ГВС),

· теплоснабжение,

· промышленное использование.

Солнечный коллектор - установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую. Основные функции солнечной тепловой системы является поглощение, передача, хранение и отдача тепла, выполняются множеством различных устройств. Но главными элементами, характеризующими систему использования солнечного тепла, служат коллектор и тепловой аккумулятор. Эти два элемента составляют главное звено солнечной тепловой системы, и можно сказать, что качество солнечного устройства непосредственно зависит от высокого качества его коллектора и аккумулятора. Вспомогательные функции в солнечной тепловой системе выполняет тепловой насос.

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Горячее водоснабжение дома с помощью альтернативной энергии солнца

 

По материалам Ассоциации Теплотехнических компаний Украины, наиболее развитым и востребованным способом использования солнечной энергии является горячее водоснабжение. В настоящий момент используется для горячего водоснабжения в основном частных жилых домов. Общепринятый в развитых странах потенциал использования солнечных коллекторов составляет 1 кв.м на человека. Солнечное горячее водоснабжение в мире развивается очень интенсивными тепами. Такие страны как Греция и Израиль давно достигли данного уровня. Это неудивительно, т.к. в условиях жаркого солнечного климата энергия солнца может покрывать до 100 % затрат на приготовления горячей воды.

По своим климатическим условиям, Украина относится к территориям со средней интенсивностью солнечной радиации. По уровню интенсивности солнечного излучения можно выделить четыре региона – Центральный, Западный, Юго-Восточный и Южный. В зависимости от региона, уровень солнечной радиации, приходящийся на 1 кв.м составляет до 1000-1350 кВт*год/кв.м. Проведя параллели со странами, имеющим тот же уровень величин солнечной радиации, можно заключить, что в межсезонье солнечные коллекторы могут обеспечивать до 50 %, а в летние месяцы – до 90 % горячего водоснабжения частного дома . Даже в зимний период такие установки способны покрывать до 15 – 20 % потребности в тепле системы ГВС.

 

 

 

 

 

 

 

3 Схема водоснабжения и ее принцип действия

Солнечный вакуумный коллектор СВК — это преобразователь тепловой энергии солнца.

Обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов составляет 97%. Солнечные коллекторы устанавливают на крыше зданий с ориентацией на юг. Угол наклона относительно горизонта должен быть равен градусу широты местности.

Солнечные вакуумные коллекторы подразделяются по способу нагрева воды на СВК прямого нагрева воды (сезонные) и косвенного (всесезонные)

Вакуумная тепловая трубка полностью автономна. Выполнена из сверхпрочного боросиликатного стекла. Конструктивно состоит из двух трубок между которыми создан вакуум для предотвращения теплопотерь. Наружная трубка прозрачная, а на внутренней нанесено специальное покрытие, которое с максимальной эффективностью поглощает энергию солнечного излучения. Постоянная поддержка вакуума осуществляется с помощью бариевого газопоглотителя. Он поглощает различные виды газов, выделяющихся в процессе эксплуатации или хранения. Бариевый слой также является индикатором вакуума. В случае разгерметизации, слой бария меняет цвет с серебристого на белый. Это позволяет быстро определить исправность вакуумной трубки.

При нагреве солнечными лучами тепло от абсорбента с помощью ребер передается медной трубке, которая находится внутри вакуумной колбы. Внутри медной трубки находится жидкость под низким давлением. При нагреве эта жидкость закипает и поднимается вверх к конденсатору тепловой трубки. Здесь происходит теплообмен между конденсатором и теплоносителем, который течет по теплопроводу солнечного коллектора. Охлаждаясь, газ конденсируется и под действием силы тяжести опускается вниз. Цикл повторяется.

Солнечный коллектор и бак-накопитель расположены раздельно и соединены трубопроводом. Солнечный коллектор монтируется на крыше, а бак накопитель внутри здания. Именно поэтому такие системы называют сплит-системами (от англ. Split – делить или раздельный).

 

 

4 Расчет и подбор элементов системы горячего водоснабжения на основе солнечных коллекторов

     При расчете и подборе элементов системы горячего водоснабжения на основе солнечных коллекторов необходимо учитывать следующее:

1) Солнечный коллектор  в силу своего принципа действия  не может обеспечивать постоянной производительности. Т.е., возможна ситуация, когда коллектор будет обеспечивать потребность в горячей воде ниже необходимой, так и ситуация когда мощность солнечного коллектора будет избыточна.

2) Система солнечных коллекторов  всегда рассчитывается как вспомогательный источник тепла. Поэтому следует осуществлять расчет не по максимальным нагрузкам на ГВС, а по усредненному потреблению в летний период.

3) Вследствие неравномерности  как производства горячей воды  коллектором, так и потребления  горячей воды, для эффективного использования солнечной энергии необходимо применять емкие баки-накопители.

4) Конструкция систем  с солнечными коллекторами такова, что возможны как очень высокие (до 250 ºС, в трубчатых вакуумных  коллекторах в фазе опорожнения), так и низкие температуры (до – 20 ºС в зимний период). Т.е., весь контур солнечного коллектора должен быть рассчитан для работы при соответствующих температурах. Это накладывает определенные ограничения, например:

· материал трубок должен быть рассчитан на работу при соответствующих температурах;

· следует предусмотреть высокие значения тепловых расширений труб;

· во избежание существенных теплопотерь, значительно снижающих эффективность системы, необходимо предусматривать качественную теплоизоляцию подающего и обратного трубопроводов;

· материал теплоизоляции должен быть устойчив к действию высоких температур

5) Для обеспечения круглогодичной  эксплуатации, в климатических условиях  Украины рекомендуется использовать закрытые схемы с незамерзающими жидкостями на основе гликолей, в нашей стране такие схемы наиболее применимы. Таким образом:

· все элементы гелиоконтура должны быть устойчивы к воздействию этиленгликолей;

· необходимо использовать только незамерзающие жидкости, рекомендованные производителем.

В ходе первого этапа необходимо определиться с местом и типом установки солнечных коллекторов. Этот фактор может оказывать определяющее влияние на выбор конкретной модели используемых коллекторов и эффективность их работы.

Различные места установки можно классифицировать следующим образом:

 

· На скатной крыше ;

· На плоской крыше ;

·Произвольная установка ;

· Фасад здания или балконное ограждение .

Выбор места установки производится с учетом такого важного фактора, как возможность затенения. Очевидно, что в случае образования тени, эффективность работы коллектора резко снизится, поскольку коллектор сможет использовать лишь часть энергии солнечного излучения – рассеянное излучение. Особенно важно, чтобы эффект затенения не наблюдался в периоды максимальной интенсивности солнечного излучения, например, в середине дня и в летний период. Иначе снижение производительности коллектора будет особенно большим. При оценке возможного затенения нужно учитывать не только текущий период, но и возможное появление тени в другие периоды года, вследствие изменения высоты солнца над горизонтом.

Следующий важный аспект, который нужно учесть уже на начальном этапе подбора: правильная ориентация солнечных коллекторов. Наиболее выгодной с точки зрения теплосъема является ориентация коллекторов на юг. И если соответствующая установка возможна, ее всегда следует придерживаться.

В наших географических широтах, при использовании солнечного коллектора для нужд горячего водоснабжения, оптимален угол наклона коллектора в 45º к горизонтали.

Рассмотрим, следующий пример: имеем жилой дом, в котором проживает  9 человек. Потребление горячей воды соответствует высокому уровню. Имеется стиральная машина, которая используется в среднем 1 раз в день и посудомоечная машина, используемая 2 раза в день.

 

В таком случае, ежедневная потребность в горячей воде составит:

 

M = 9×75 +20  + 2×20 =735 л/день

 

Определение необходимой площади коллекторов

Эмпирический метод

Основан на следующих соотношениях: в наших географических широтах для покрытия потребности в горячей воде частного жилого дома из расчета 50% покрытия, площадь солнечных коллекторов на 1 жильца должна составлять:

· около 0,8 м2 в случае использования вакуумных трубчатых коллекторов.

В соответствии с эмпирическим методом, при использовании вакуумных коллекторов, необходимая площадь составит:

F = 9 ×0,8 = 7,2 м2

Площадь стандартно выпускаемых коллекторов составляет 2 м2, соответственно необходимо 4 коллектора.

Определение необходимого объема водонагревателя

При определении объема водонагревателя обычно исходят из следующего соотношения:

V = F × (50 ÷ 70 литров)

Объем бака-накопителя будет равен:

V= 7,2 × 70 = 504 л

 

Подбор необходимого диаметра труб

На первом этапе определяют расход теплоносителя через контур установки. В общем случае используется формула:

g – удельный расход  теплоносителя на единицу площади  коллектора, л/(ч × м2);

Q – удельная тепловая  мощность установки, кДж/ (ч × м2);

с – теплоемкость теплоносителя, кДж /(кг × °C);

∆t – разница температур входа и выхода теплоносителя из коллектора, °C. Для солнечных коллекторов обычно принимается равной 10 °C.

Как правило, для систем солнечного горячего водоснабжения, которыми оснащены частные жилые дома, удельный расход теплоносителя не рассчитывают, а принимают как наиболее оптимальный на уровне 40 л/(ч × м2).

Таким образом, для нашего примера расход теплоносителя через систему составит:

G = F× g = 7,2 × 40 = 288 л/ч

Определяем суточную потребность в тепловой энергии:

Q=1.163 ∙N∙m(55- tх ), 

N – норма потребления одним человеком в сутки горячей воды с

температурой 55 ºС, принимаемая по нормам проектирования внутреннего

водопровода зданий . Для ССГВ рекомендуется принимать минимальную

для жилых домов норму 65 л/(чел.сут);

m = 9– количество жителей;

tх –температура воды º С, в холодном водопроводе в летний период

(tх =15 ºС)

Q=1.163∙65∙9(55-15)=27214  Вт∙ч/сут

Далее, в соответствии с рекомендациями производителя определяется необходимый диаметр трубы для подключения коллекторов. В таблице  приведены соответствующие рекомендации для солнечных коллекторов производства компании Immergas. Здесь уместно будет указать, что рекомендации производителей касаются также материала труб. В частности, наиболее часто используются трубы: