Расчет гелиоэнергетической установки (ГЭУ)

Рассчитать установку, использующую возобновляемые источники энергии (энергию солнца) для получения горячей воды для бытового применения.

Практическая работа № 2

Расчет гелиоэнергетической установки (ГЭУ)

Цель работы: формирование у студентов навыков расчета установок, использующих возобновляемые источники энергии (энергию солнца) для получения горячей воды для бытового применения.

6.1 Общие сведения о гелиоэнергетических установках

Несмотря на то, что на сегодняшний день в глобальной энергетике преобладает использование органического топлива и атомной энергетики для получения тепловой энергии, в последние 20 лет появился устойчивый тренд роста потребления энергии из возобновляемых источников (ВИЭ). Это является следствием существенных инвестиций в производство единицы энергии из возобновляемых источников, а также совершенствования технологий в отрасли.

Эффективность установок, преобразующих возобновляемую энергию в электрическую не высока, и составляет порядка 20-30%. Установки, преобразующие солнечную энергию в тепловую, имеют большую эффективность. Они называются солнечными коллекторами [9].

В зависимости от принципа работы и конструкции различают три вида солнечных коллекторов:

– плоские;

– проточные вакуумно-трубчатые;

– вакуумно-трубчатые с принципом «тепловой трубы».

На рис. 10 показана схема плоского коллектора.

Рис. 10. Схема плоского коллектора

Плоские солнечные коллекторы преобразуют в тепло как прямое, так и рассеянное излучение. Их можно использовать для получения низкопотенциального тепла с температурой теплоносителя менее 70 C. Примерами такого использования могут быть нагрев воды в водонагревательных установках и обогрев воздуха в помещении.

В солнечных коллекторах можно нагревать воду как напрямую, так и с помощью промежуточного теплоносителя.

Их эффективность сильно зависит от погодных условий, а соответственно от региона использования. Эффективность солнечных коллекторов снижается с ростом температуры теплоносителя на выходе из

коллектора.

6.2 Методика расчёта ГЭУ

Проводится расчёт суммарной солнечной радиации в среднем за день данного месяца

на горизонтальную поверхность:

(33)

где H0, a и b – коэффициенты;

S – действительная продолжительность солнечного сияния для заданного района, ч;

S0 – возможная продолжительность солнечного сияния, ч.

Значения коэффициентов a, b, S0 для Ленинградской области берутся из табл. П.2. Среднее значение S находится по табл. П.3.

Коэффициент H0 определяется следующим образом:

(34)

где Hэ – эталонное значение суммарной энергии, которое принимается равным атмосферному ().

Принимая, что для каждого месяца H0 будет равно:

(35)

на наклонную поверхность:

(36)

где R – отношение среднемесячных дневных приходов суммарной энергии на наклонную и горизонтальную поверхности.

Расчёт проводится для углов наклона, при которых ожидается максимум солнечной энергии в рассматриваемые месяцы. Данные этих углов приведены в табл. П.4.

Результаты расчетов свести в табл. 12.

Таблица 12

Рассчитывается дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки в i-м месяце:

(37)

где – коэффициент переноса тепла от коллектора к жидкости;

τ – коэффициент проникновения солнечной радиации;

– коэффициент поглощения солнечной радиации (принимается );

– коэффициент тепловых потерь;

Т0 – температура окружающего воздуха (в расчетах принимается среднее значение: в мае, сентябре – Т0 = 15 °С; июнь, июль, август – 20 °С);

Твх – температура на входе в коллектор, которая определяется:

(38)

где Тб – температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня (принимаем равной конечной температуре нагрева, К).

Дневная удельная теплопроизводительность рассчитывается для каждого солнечного месяца для углов наклона 15, 20, 25 и 30 градусов, рекомендованных как наиболее оптимальные для Ленинградской области.

Для определения значения дневной выработки за сезон для каждого угла наклона результаты расчетов сводятся в табл. 13. Угол, при котором значение теплопроизводительности будет максимальным, принимается за оптимальный, и дальнейшие расчеты ведутся для этого угла наклона.

Таблица 13

Рассчитывается удельная месячная теплопроизводительность:

(39)

где N – число дней в месяце;

р(S) – вероятность продолжительности солнечного сияния для S ≥ 9 час (рис. 11).

Рис.11. Зависимость вероятности солнечного излучения от времени суток для Ленинградской области: а) ноябрь, декабрь, январь; б) февраль, март, октябрь; в) апрель, август, сентябрь; г) май, июнь, июль

Данные расчетов месячной теплопроизводительности для

оптимального угла наклона заносятся в табл. 14.

Таблица 14

Определяется потребное количество энергии для нагрева воды в месяц:
(40)

где n – количество людей;

m – суточная норма расхода воды на одного человека, равная 50 л;

– теплоемкость воды;

Т2 – температура нагретой воды;

Т0 – температура окружающего воздуха.

Результаты расчета для каждого месяца заносятся в табл. 15 и определяется потребное количество энергии за сезон:

Таблица 15

Определяется необходимая площадь гелиоустановки в i-м месяце:

(41)

где – дневная потребность в энергии.

По потребной площади гелиоустановки определяется количество солнечных коллекторов. Число коллекторов необходимо выбирать четным для их соединения по параллельно-последовательной схеме.

Площадь серийно выпускаемых Ковровским механическим заводом солнечных коллекторов составляет 0,8 м2. Исходя из этого и рассчитывается количество коллекторов для каждого месяца.

Производится расчет коэффициента использования потенциальной энергии:

Коэффициент использования потенциальной энергии определяется для

каждой площади коллекторов, рассчитанных в п. 5, с целью определения оптимальной площади.

(42)

Числитель представляет собой суммарное значение солнечной радиации за все месяцы для угла наклона, при котором это значение будет максимальным. В знаменателе стоит суммарная солнечная энергия в эти же месяцы под углом наклона, обеспечивающим максимальный приход солнечной радиации (по данным табл. 13).

Коэффициент использования солнечной энергии показывает, насколько эффективно используется солнечный потенциал гелиоустановкой при определенном угле наклона.

Определяется количество полезно используемой энергии при различной площади коллекторов ГЭУ за рассматриваемые месяцы Qпол.исп и за сезон с :

(43)

где f – коэффициент замещения потребной энергии, который определяется площадью солнечных коллекторов и продолжительностью солнечного сияния (табл. П.5).

Определяется количество сэкономленного топлива при различной площади:

(44)

где – теплотворная способность условного топлива, принимается равной 29330 МДж/т;

– экономический КПД гелиоустановки, который определяется произведением:

(45)

где – коэффициент, учитывающий потери при транспортировке и хранении;

– коэффициент полезного использования теплогенерирующих установок:

0,48 для электрической энергии;

0,55-0,8 для жидкого топлива;

0,45-0,65 для каменного угля;

0,4-0,5 для бурого угля;

0,5-0,7 для газа;

– коэффициент, учитывающий потери теплоты в тепловых сетях;

– коэффициент, характеризующий неточность регулирования подачи теплоты.

В расчетах принимаем равным 0,45.

Расчеты по п. 7 и п. 8 для различных площадей сводятся в табл. 16.

Оценивается эффективность гелиоустановки по энергетическим затратам:

количество энергии на создание ГЭУ

(46)

Энергетические затраты на единицу площади солнечного составляет примерно тогда

эффективность энергозатрат:

(47)

Расчет ведется для каждой из площадей гелиоустановки.

срок окупаемости различных вариантов гелиоустановки:

(48)

Результаты расчетов по п. 9 сводим в табл. 16.

Таблица 16

Определяется сравнительная эффективность для заданных месяцев:

(49)

где βТ – стоимость органического топлива (актуальная стоимость определяется по открытым источникам);

– количество сэкономленного топлива, т.у.т.;

– коэффициент, учитывающий долю отчислений от капиталовложений, на амортизацию, текущий ремонт и др. (в расчетах принимается = 0,1);

К – капиталовложения на одну гелиоустановку, равные 9200 руб./м2.

Выполняется подсчет себестоимости тепловой энергии:

(50)

где ИГЭУ – годовые издержки для каждой площади:

(51)

Результаты расчетов по п. 10 и п. 11 заносятся в табл. 17.

Таблица 17

По выполненным расчётам делается вывод о целесообразности использования ГЭУ в условиях заданного района с точки зрения экономии органического топлива.

Задание на практическую работу № 6

Для заданного варианта необходимо провести расчёт гелиоэнергетической установки (ГЭУ) для получения горячей воды с мая по сентябрь для условий, указанных в табл.18.

Значения погодных условий для конкретной местности, представлены в табл. П.2 – П.5.

Таблица 18

Варианты заданий к практической работе № 6

Таблица 4

Распределение вариантов