Delist.ru

 Экологическая эффективность локальных источников энергии (на примере плоских солнечных коллекторов) (02.10.2009)

Автор: Рахнов Олег Евгеньевич

Вопросами тепловой устойчивости Земли посвящено множество различных работ, и к настоящему времени установлено, что любой из факторов, который воздействует на нее, может при соответствующих условиях привести к сдвигу теплового равновесия земной системы, и, как правило, в негативную для биосферы сторону.

Энергия, заключенная в ископаемых топливах (дрова, уголь, нефть, газ) - это энергия солнца, ранее накопленная природой. В естественно-искусственном цикле традиционной энергетики «растительный фотосинтез – органическое топливо (дерево, уголь) – паровая турбина – электрогенератор» КПД составляет всего 0,001 %! А это прямое следствие многостадийного непрямого преобразования. Длительность цикла: десятки лет – по древесине, миллионы – по углю.

Рассмотрена и проблема дефицита ископаемых энергоресурсов. При существующем уровне потребления энергии в мире современная обеспеченность традиционной нефтью оценивается в 35-65 лет, газом в 44-70 лет и углем в 320-400 лет, а, с учетом реальной динамики экономического роста, исчерпаемость ископаемых топлив неизбежно будет нарастать в геометрической прогрессии. По данным разных источников, все геологические (а не только разведанные) запасы органического топлива на Земле будут исчерпаны к концу XXI века. Значит, необходим поиск путей перехода к новым источникам энергии, способным на длительный период обеспечить растущие потребности человечества, – к источникам более высокого экологического качества. Это возобновляющиеся источники энергии (гидроэнергия, энергия солнца, ветра и биомассы). Они в своем естественном состоянии принимают участие в формировании энергетического (теплового) баланса планеты, а, значит, их использование не приведет к изменению баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любого разумного, требуемого соответствующим этапом развития индустриального общества, значения.

Использование солнечной энергии, как отмечено выше, производит двойной экологический эффект: сокращение количества выбросов от традиционных источников энергии, которые являются парниковыми газами; изъятие части тепла из теплового баланса земли, которая была воспринята лучеприемником.

В главе 2 изложены результаты анализа технологий преобразования энергии солнечного излучения.

Прямое использование солнечной энергии – самое безопасное с экологических позиций. С экономической точки зрения солнечная энергетика (СЭ) существенно опережает другие альтернативные источники. Энергию приливов можно получать только на побережье больших водоемов. Энергию ветра можно добывать повсеместно, но при этом большие площади выводятся из землепользования.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах: системах отопления и охлаждения зданий, для получения горячей воды, опреснения морской или минерализованной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п.

В настоящее время наибольшее практическое применение получили системы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, фотоэлектрические преобразователи и солнечные водонагревательные системы.

Наиболее просты в конструктивном отношении солнечные водонагревательные системы, имеющие среднегодовой КПД 30-50 %. Повышение эффективности гелиосистем отопления и охлаждения зданий связано с применением более совершенного гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальными архитектурно-техническими решениями, направленными на сокращение тепловых потерь и соответствующее снижение потребности в энергии, а также на использование конструкций самого здания для улавливания солнечной энергии.

Основная проблема в использовании солнечной энергии для отопления индивидуальных домов в нашей стране – отсутствие массового производства солнечных коллекторов (КСЭ), аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования.

Наибольшее влияние на эффективность плоского КСЭ оказывают:

Метеорологические параметры – интенсивность солнечной энергии I [Вт/м2], измеряемая на горизонтальной поверхности, и температура наружного воздуха tв [0C].

Конструктивные характеристики КСЭ и свойства лучепоглощающей поверхности абсорбера – материал и толщина листа, толщина и коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб, число слоёв остекления и его пропускная способность.

Рабочие параметры КСЭ – расход теплоносителя и его температура на входе

?вакуумирования пространства внутри коллектора; нескольких слоёв прозрачной изоляции; сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением; антиотражательных покрытий на остеклении; концентраторов солнечного излучения. Применение этих мер снижает тепловые потери КСЭ и повышает его КПД.

В главе 3 изложены результаты анализа методик расчета поступающей солнечной энергии. На его базе принят простой для практического применения алгоритм расчета.

На поверхности Земли солнечное излучение включает следующие компоненты:

прямое солнечное излучение с интенсивностью Ibi, Вт/м2, которая меньше внеатмосферной и с измененным спектральным составом, в основном за счет обеднения коротковолновой части спектра, что вызвано поглощением излучения при прохождении через атмосферу IН1, Вт/м2;

рассеянное диффузное солнечное излучение с интенсивностью Idi, Вт/м2, которое определяется рассеянием излучения в атмосфере и проявляется в изменении яркости неба или облаков IН2, Вт/м2;

отраженное от земной поверхности излучение с интенсивностью IН3, Вт/м2, которое определяется коэффициентом отражения (альбедо) ?.

Плотность потока солнечной энергии, поступающей на наклонную относительно земной поверхности, произвольно ориентированную плоскость солнечного коллектора, вычисляется по формуле, опубликованной в работе «Расчет систем солнечного теплоснабжения» У. Бекман, С.Клейн, Дж.Даффи:

= 0 – горизонтальное расположение), град.;

изменяется от 0,2 летом до 0,7 ,усл.ед., – зимой, в зависимости от относительной площади снежного покрова;

- средний за час угол падения солнечных лучей на наклонную поверхность КСЭ, то есть угол между направлением солнечного луча и перпендикуляра к плоскости коллектора, град.;

- средняя за час интенсивность прямого солнечного излучения в плоскости коллектора по направлению солнечного луча, Вт/м2.

Для расчета воспринятой энергии была разработана методика расчета, подходящая для конструкции используемой лабораторной установки.

Энергия, воспринятая солнечным коллектором за i-й час, в контуре , с учетом того, что в схеме отсутствует бак-аккумулятор, отвод тепла идет неравномерно и температуры в обратной и подающей трубе в течении дня постоянно меняются, распределена на две части:

, кДж, (2)

– полезное тепло, отданное в отапливаемое помещение поверхностью конвектора и трубами контура лабораторной установки за i-й час, КДж:

, кДж, (3)

– количество воды, прошедшее за i-й час через контур, кг. Так как счетчик воды ведет учет расхода воды в м3, использована формула

– измеряемая величина, л;

– плотность воды при средней температуре в контуре в течение i-го часа, кг/м3, вычисляемой по формуле:

– измеряемые величины, средняя температура в подающем и обратном трубопроводе в течении i-го часа соответственно, °С;

– средняя энтальпия воды в подающем и обратном трубопроводе в течении i-го часа соответственно, кДж/кг;

– теплота, накопленная в контуре за счет увеличения средней температуры в течении i-го часа, кДж:

, кДж, (6)

– масса воды в контуре, принятая по его внутреннему объему;

С – средняя теплоемкость теплоносителя в коллекторе: С = 4,17 кДж/

Воспринятый удельный тепловой поток определяется теоретически как:

загрузка...