Указания и рекомендации по выполнению расчета гелиоустановки

1. Рассчитать суммарную солнечную радиацию, поступающую на горизонтальную поверхность, в среднем за день i-того месяца:

(4.1)

где а, b – постоянные коэффициенты;

S₀– возможная продолжительность солнечного сияния, ч;

– действительная продолжительность солнечного сияния, ч;

а, b; S₀; – таблицы 2.2; 2.3 для районов 4; Б.

– эталонное (условное) значение суммарной энергии.

Уровень солнечной (интенсивность) энергии H_Ti, поступающей на наклонную поверхность в среднем за день данного месяца:

(4.2)

R зависит от угла наклона поверхности гелиоустановки к горизонтальной плоскости, расчет следует провести для всех возможных углов наклона.

В таблице 4.1 приведен расчет уровня солнечной энергии в зависимости от угла наклона в мае месяце.

Таблица 4.1 – Уровень солнечной энергии в мае при разном угле наклона

φ град	R
	1, 01	20, 3
	1, 02	20, 5
	1, 02	20, 5
	1, 02	20, 5
	1, 02	20, 5
	1, 01	20, 3
	1, 00	20, 1
	0, 98	19, 69
	0, 95	19, 1
	0, 92	18, 5
	0, 89	17, 9
	0, 85	17, 1
	0, 81	16, 3
	0, 77	15, 5
	0, 72	14, 5
	0, 67	13, 5
	0, 62	12, 5
	0, 56	11, 3

Из полученных данных видно, что для определения оптимального угла наклона достаточно просчитать искомые значения для углов наклона от 10 ⁰ до 15⁰, 20⁰, 25⁰, 30⁰, когда ожидается максимум солнечной энергии в рассматриваемый месяц.

Для остальных месяцев результаты расчета свести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 – Интенсивность солнечной энергии по месяцам при разных углах наклона.

2. Рассчитать дневную удельную теплопроизводительность гелиоустановки в i - м месяце:

(4.3)

где – коэффициент, связанный с эффективностью переноса тепла от пластин коллектора к жидкости, отводящей тепло;

– приведенная поглощающая способность, учитывающая результирующее влияние оптических свойств материалов коллекторов;

– коэффициент тепловых потерь, учитывающий возможные суммарные потери с единицы площади;

– действительная продолжительность солнечного сечения.

Принимаем: .

, (4.4)

где – температура воды на входе в коллектор;

– температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня, ⁰К;

– температура окружающего воздуха, ⁰К;

– задается в задании.

Удельная теплопроизводительность гелиоустановки за месяц определяется с учетом вариации поступающей суммарной солнечной радиации. Если таких данных нет, используется продолжительность солнечного дня с соответствующей обеспеченностью:

(4.5)

где – число дней данного месяца;

– обеспеченность (вероятность) солнечного сияния в данный месяц, график 2.2 [1].

Удельная производительность за сезон определяется по формуле:

(4.6)

где n – количество месяцев работы установки.

Аналогичный расчет выполняем для углов наклона гелиоуста­новки 10, 15, 20, 25 и 30 градусов, результаты сводим в таблицу 4.5.

Таблица 4.3 – Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки по месяцам

Угол наклона, 0	Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки, МДж/м2
май	июнь	июль	август	сентябрь	за сезон

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

3. Определить потребное количество энергии для нагрева воды за месяц, за сезон:

(4.7)

где N – число дней в месяце;

n₁ – количество проживающих;

m₁ – суточная норма расхода воды на 1 человека;

С – теплоемкость воды, С = 4, 19 кДж/(кг · ^оК)

Т₂ – температура нагретой воды, Т₂ = 318 ^оК (45 ^оС);

Т₁ – температура окружающего воздуха, ⁰К.

4. Вычислить необходимую площадь гелиоустановки в i-том месяце:

(4.8)

По необходимой площади гелиоустановки определяем количество солнечных коллекторов, принимая во внимание, что один коллектор Братского завода отопительного оборудования имеет площадь 0, 8 м². Желательно принимать четное количествово коллекторов для соединения их по параллельно-последовательной схеме.

Результаты расчета сводим в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 – Расчет количества коллекторов по месяцам

Показатели	Месяц	за сезон
май	июнь	июль	август	сентябрь
Потребное количество энергии за месяц QП, МДж
Дневная потребность в энергии QДНП, МДж
Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки , МДж/м2
Потребная площадь гелиоустановки А, м2
Выбранное количество коллекторов А/0, 8, шт.
Площадь коллекторов, м2

Для каждого i-го месяца требуется своя площадь и ее оптимальную величину необходимо выбирать по энергетическим и экономическим показателям гелиоустановки.

5. Оценить энергетические показатели системы горячего водоснабжения:

1) Коэффициент использования потенциальной энергии. Служит для выбора оптимального угла наклона гелиоустановки. Определить долю потенциальной энергии, используемой гелиоустановки при наиболее рациональном угле наклона:

(4.9)

где Н_уi - утилизируемая суммарная солнечная энергия в i -ом месяце под определенным углом наклона гелиоустановки;

– суммарная солнечная энергия в этот же месяц, под углом наклона установки, обеспечивающей ее максимальное поступление.

2) Коэффициент использования энергии, вырабатываемой гелиоустановкой.

(4.10)

где –вырабатываемая энергия;

– потребное количество энергии в i-м месяце;

– полезная используемая энергия в i-м месяце, принимается из условий: , если ; если

Коэффициент при так как вырабатываемая энергия используется потребителем. При определенной площади гелиоустановки и ее угле наклона возможны излишки выработанной энергии которая не используется потребителем и снижает эффективность установки. Коэффициент использования гелиоустановки за сезон оценивается по выражению:

, (4.11)

3) Коэффициент обеспеченности потребления солнечной энергией выражает отношение

(4.12)

Результаты расчетов сводим в таблицу 4.5.

Таблица 4.5 – Энергетические показатели системы горячего водоснабжения

4) Коэффициент замещения потребной энергии. Показывает долю замещаемой потребной энергии с учетом режима вариации поступающей энергии.

(4.13)

где – обеспеченность продолжительности солнечного сияния в i-том месяце.

Результаты расчетов всех вариантов заносим в таблицу 4.6.

Таблица 4.6 –

6. Оценить экономическую эффективность использования гелиоустановки и определить оптимальную ее площадь:

Для определения оптимальной площади гелиоустановки сравниваются экономические показатели и ее эффективность за сезон.

1) Определить количество полезной выработанной энергии и сэкономленного топлива при различной площади гелиоустановки.

Полезно используемая энергия за месяц:

. (4.14)

Количество сэкономленного топлива:

т.у.т (4.15)

где –теплотворная способность условного топлива. Принимаем

– эксплуатационный коэффициент использования топлива.

Учитываются потери топлива при транспортировке и хранении, преобразовании в телогенерирующих установка и распределение по тепловым сетям, а так же потери из-за неточности регулирования подачи теплоты

Эксплуатационный коэффициент полезного использования топлива учитывает потери топлива при транспортировке и хранении, преобразовании в теплогенерирующих установках и распределении по тепловым сетям, а также потери из-за неточности регулирования подачи теплоты:

, (4.16)

где – коэффициент, учитывающий потери топлива при транспортировке и хранении (в сельской местности );

– коэффициент полезного использования теплогенерирующих установок (электроэнергия);

– коэффициент, характеризующий потери теплоты в тепловых сетях (для укрупненных расчетов );

– коэффициент, характеризующий неточность регулирования подачи теплоты,

Расчеты для разных площадей установки сводим в таблицу 4.7

Таблица 4.7 –

При этом энергетическая эффективность

Таблица 4.8 –

Оценка эффективности гелиоустановки по стоимостным показателям.

Для каждой рассматриваемой площади гелиоустановки определяются годовые издержки при различных капиталовложениях на удельную площадь и экономия затрат от покупки органического топлива при различной стоимости топлива. Гелиоустановка будет эффективной, если годовые затраты на установку будут меньше, чем ожидаемая выручка от экономии органического топлива.

Сравнительную эффективность можно определить по выражению

2) Оценить эффективность гелиоустановки по энергетическим затратам.

Затраченное количество энергии на создание гелиоустановки определенной площади:

(4.17)

эффективность энергозатрат:

(4.18)

Срок окупаемости гелиоустановки:

(4.19)

Результаты расчетов привести в таблицу 4.8.

Оценка эффективности гелиоустановки по стоимостным показателям:

Сравнительную эффективность можно определить по выражению

(4.20)

Себестоимость тепловой энергии при данных затратах определяют по формуле:

(4.21)

где – эксплуатационные издержки на гелиоустановку, складывающиеся из отчислений на амортизацию, текущий ремонт и т.д.

Таблица 4.9 –

По полученным данным таблицы 4.9 сделать анализ какая гелиоустановка является наиболее эффективной.

При этой площади рассчитать себестоимость энергии, получаемой от гелиоустановки.

Себестоимость тепловой энергии при данных затратах определяется по формуле:

(4.21)