Дослідження роботи теплопостачальної сонячної установки з концентраторами сонячного випромінювання потужністю 15 кВт, для будинку розташованого у м. Одеса

Підставляючи у (2.85), отримуємо n=16,67, Остаточно із урахуванням що в системі 2 БА, для одного кількість витків складатиме 8,5. Із конструкторських міркувань задамо кількість витків для БА 9,5.

для БОР Dбор = 0,5 м; D = 0,3 м; t=0,06; n=6,5.

Таким чином загальна довжина теплообмінників складає:

2.8 Розрахунок газового догрівала

В системі передбачено резервний нагрівач, що забезпечує безперебійний підігрів води для споживання у побутових потребах.

Для розрахунку задамо параметри:

tвх = 15 ?С;

tвих = 55 ?С;

Gсек = 0,3 кг/с

де bг - приведена теплота горіння природного газу, b = 40 МДж/кг;

Тоді секундна об'ємна витрата газу:

ВИСНОВКИ ДОСЛІДНИЦЬКОЇ ЧАСТИНИ

В даній роботі було спроектовано сонячну установку гарячого водопостачання з потужністю 15кВТ. Місце розташування Одеса. Основне джерело тепла - поле геліоколекторів загальною площею 192 мІ. Для забезпечення неперервності теплопостачання, до складу установки було включено бак оперативного розходу, два добових теплових акумулятори та резервний газовий підігрівач води. В період з квітня по жовтень система в повному обсязі забезпечує споживачів теплом необхідним для нагріву заданого об'єму води. В період з листопада по березень вода з мережі частково підігрівається за рахунок сонячного тепла, частково автоматичним газовим догрівачем до температури 50-55 ?С.

Наявність у системі баку оперативного розходу значно підвищує ефективність системи при роботі в зимові місяці коли щільність потоку сонячної радіації незначна, та не достатня для нагріву води в баці акумуляторі великого об'єму. Бак оперативного розходу підвищує інерційність системи - дозволяючи нагрівати воду для побутових потреб навіть у найхолодніші зимові дні. В системі також запропоноване використання насосу зі змінними параметрами роботи, за рахунок чого система автоматичного управління змінюючи швидкість оберту валу електродвигуна, змінює розхід теплоносія через колектори, забезпечуючи більший підігрів теплоносія, при низькій щільності випромінюваня.

Передбачено рух теплоносія повз теплові акумулятори, під час прогріву колектора до заданих температур, що забезпечує збереження запасеної теплоти.

Розроблена система є надійною та екологічно безпечною, простою при монтажі та не потребує значних матеріальних витрат.

3. НАУКОВА ЧАСТИНА

3.1 Розрахунок плаского сонячного колектора з одним, двома та трьома шарами світлопрозорої ізоляції

3.1.1 Визначення геометричних параметрів пласких геліоколекторів

Для даного дипломного проекту, була поставлена задача дослідити техніко економічні характеристики сонячних колекторів(СК), На першому етапі розрахунків (пласкі колектори) будемо досліджувати як кількість світлопрозорих покрить впливає на ККД СК, для клімату м. Одеса, надамо пропозицію про доцільну конструкцію геліоколектора.

Розрахунок системи теплопостачання будемо вести згідно рекомендацій наведених у [5, 6 , 7], та виходячи із розрахунку системи гарячого сонячного водопостачання на місяць березень-квітень. В зимові місяці забезпечення необхідної температури досягається за рахунок дублюючого джерела енергії. Влітку залишкова енергія поглинена геліосистемою може використовуватись на господарські потреби (підігрів басейну, систему сезонного кондиціювання повітря, та ін.)

Для розрахунків оберемо сонячний колектор з параметрами:

Число прозорих покрить	1,2,3
Товщина скла, м	0,004
Товщина зазору склопакету за [9,18]	Відповідно до варіанту скління
Тепловий опір склопакету, (м2 К)/Вт [9,18]	Відповідно до варіанту скління
Товщина зазора між склопакетом та тепло поглинаючим елементом, м	0,015
Товщина теплоізоляції, м	0,050
Теплопровідність ізоляції(пінополістирол при режимі роботи А), Вт/(м2 К) [10]	0,041
Ширина СК, м	1,14
Довжина СК, м	1,74
Товщина для 1,2,3 світлопрозорих покрить, м	Відповідно до варіанту скління
Матеріал поглинальної пластини	мідь
Площа теплоприймальної пластини СК, м2	1,6
Товщина теплопоглинаючого елемента, м	0,001
Ступінь чорноти приймальної пластини	0,95
Зовнішній діаметр трубок СК, м	0,012
Шаг трубок, м	0,06
Рисунок 3.1 - Плаский сонячний колектор	Позначення: 1 - корпус; 2 - світлопрозора теплоізоляція; 3 - канали для теплоносія; 4 - поглинаюча панель; 5 - теплова ізоляція

3.1.2 Визначення температур поверхонь СК

Згідно до рекомендацій [5], можна прийняти:

Температуру поглинальної пластини в першому наближенні tпл = 65°С, що на 5°С вище за потрібну температуру гарячої води.

Температура навколишнього середовища[4]

Та = Тср + 5

де Тср - середньодобова температура навколишнього середовища, К. (див. табл. 2.1)

Температуру теплоносія на вході приймаємо 45°С;

На виході 65°С;

Зовнішню температуру скла задамо:

Температуру поверхні ізоляції:

Середня температура теплоносія

=55°С

де Твх - температура теплоносія на вході в ГК, К

Твих - температура на виході, К

Результати розрахунку за формулами (3.1)-(3.4) за місяцями зведено до таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 - Температури поверхонь геліоколектора

Ta, K	276,3	277	280,6	287	293,1	297,4	299,4	299,2	295,1	289,1	283,9	279,4
Тск, K	286,3	287	290,6	297	303,1	307,4	309,4	309,2	305,1	299,1	293,9	289,4
Тіз, K	281,3	282	285,6	292	298,1	302,4	304,4	304,2	300,1	294,1	288,9	284,4
Ттн, K	328	328	328	328	328	328	328	328	328	328	328	328

3.1.3 Втрати теплоти через тильну теплоізоляцію

де ч - коеф. враховуючий геометричні розміри геліоколектора

Променевий коефіцієнт тепловіддачі ізоляції:

де - ступінь чорноти поверхні ізольованої частини колектора.

для білої масляної фарби = 0,9

Конвективний коефіцієнт тепловіддачі ізоляції:

де: - конвективний коефіцієнт тепловіддачі ізоляції при вільній конвекції

- конвективний коефіцієнт тепловіддачі ізоляції при вимушеній конвекції

W - середньомісячна швидкість повітря (з табл. 2.1)

У розрахунках приймається рівним більшому з та

Коефіцієнт тепловіддачі ізоляції обчислюється



де qіз - приведений тепловий потік, Вт/м2

Qіз - повний тепловий потік, Вт

Результати розрахунку за формулами (3.6)-(3.11) за місяцями зведено до таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 - Втрати теплоти через ізоляцію

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
,Вт/ (м2К)	4,249	4,314	4,548	4,978	5,325	5,522	5,616	5,577	5,293
,Вт/ (м2К)	6,971	6,912	6,697	6,282	5,922	5,705	5,597	5,642	5,956
,Вт/ (м2К)	20,426	21,329	19,819	19,207	17,340	15,421	15,095	15,421	16,387
,Вт/ (м2К)	20,426	21,329	19,819	19,207	17,340	15,421	15,095	15,421	16,387
Kіз,Вт/ (м2К)	0,974	0,975	0,974	0,974	0,971	0,969	0,968	0,969	0,970
qіз, Вт/м2	50,36	49,73	46,17	39,93	33,89	29,65	27,68	27,91	31,91
Qіз, Вт	9668,3	9547,2	8864,2	7667,3	6506,5	5693,1	5315,5	5358,2	6127,3

Таблиця 3.2 - Втрати теплоти через ізоляцію (продовження)

Міс.	10	11	12
,Вт/ (м2К)	4,926	4,630	4,408
,Вт/ (м2К)	6,333	6,619	6,826
,Вт/ (м2К)	17,967	18,899	19,819
,Вт/ (м2К)	17,967	18,899	19,819
Kіз,Вт/ (м2К)	0,972	0,973	0,974
qіз, Вт/м2	37,81	42,91	47,34
Qіз, Вт	7259,7	8238,6	9088,6

Витрати теплоти через бічну поверхню можна обчислити аналогічно до пункту 3.3, але враховуючи що діз.бта ліз.б такі ж як діз, ліз для всього колектора; то Кіз.б = Кіз

Тепловий потік через бічну поверхню обчислюється:

де Fб - бічна площа всього геліоколекторного поля.

Результати розрахунку за формулами (3.12)-(3.13) за місяцями зведено до таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 - Втрати теплоти через бічну поверхню

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Kб,Вт/ (м2К)	0,974	0,975	0,974	0,974	0,971	0,969	0,968	0,969	0,970
qб, Вт/м2	50,36	49,73	46,17	39,93	33,89	29,65	27,68	27,91	31,91
Qб, Вт	3619,8	3574,5	3318,7	2870,6	2436,0	2131,5	1990,1	2006,1	2294,1

Таблиця 3.3 - Втрати теплоти через бічну поверхню (продовження)

Міс.	1	2	3
Kб,Вт/ (м2К)	0,972	0,973	0,974
qб, Вт/м2	37,81	42,91	47,34
Qб, Вт	2718,0	3084,5	3402,8

3.1.4 Витрати теплоти через світлопрозору верхню теплоізоляцію

Тепловий опір через світлопрозору ізоляцію можна обчислити як суму опору тепловіддачі з зовнішньої поверхні скла, опору склопакету та опору тепловіддачі на внутрішній поверхні скла.



де , - променевий та конвективний коефіцієнти тепловіддачі скла;

, - променевий та конвективний коефіцієнти тепловіддачі зазору;

Rсп - опір теплопередачі склопакета згідно ДСТУ 4034-2001[9], та ДБН В 2.6-31-2006 [18]. (додаток А)

Таблиця 3.4- Опір теплопередачі склопакету [18]:

Варіанти скління	Умовне позначення*	Опір теплопередачі, м2 К/Вт
Одне скло	4М1	0,005-0,01
Склопакет з однією камерою	4М1-8-4М1	0,28
Склопакет із двома камерами	4М1-6-4М1-6-4М1	0,42
* Примітка. Порядок скління - від зовнішньої поверхні Позначення скла: М1 - листове стандартне

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі від поверхні зовнішнього скла до навколишнього середовища, Вт/(м2К)

Променева складова тепловіддачі від поверхні зовнішнього скла до навколишнього середовища, Вт/(м2К)

де еск - ступінь чорноті скла. еск = 0,93

Конвективний коефіцієнт тепловіддачі в зазор



Променевий коефіцієнт тепловіддачі в зазор

де - приведена ступінь чорноти між внутрішньою поверхнею склопакета та тепло поглинаючим елементом.

де - ступінь чорноти скла = 0,93;

- ступінь чорноти тепло сприймального елементу

Коефіцієнт тепловіддачі скла можна обчислити

Тепловий потік через світлопрозору ізоляцію

Результати розрахунку за формулами (3.15)-(3.22) за місяцями зведено

до табл. 3.5.

Таблиця 3.5 - Коефіцієнт втрати теплоти через скло для 1, 2, 3 світлопрозорих покрить

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
,Вт/ (м2К)	3,455	3,438	3,349	3,178	2,993	2,844	2,768	2,775	2,926
,Вт/ (м2К)	5,832	5,852	5,955	6,142	6,324	6,454	6,515	6,509	6,384
,Вт/ (м2К)	3,940	3,940	3,940	3,940	3,940	3,940	3,940	3,940	3,940
,Вт/ (м2К)	4,480	4,513	4,688	5,011	5,331	5,565	5,677	5,665	5,439
K1ck,Вт/ (м2К)	4,321	4,330	4,379	4,464	4,541	4,592	4,614	4,612	4,565
K2ck,Вт/ (м2К)	2,016	2,019	2,035	2,063	2,089	2,107	2,115	2,114	2,097
K3ck,Вт/ (м2К)	1,436	1,437	1,445	1,460	1,473	1,483	1,487	1,486	1,478

Таблиця 3.5 - Коефіцієнт втрати теплоти через скло для 1,2,3 світлопрозорих покрить (продовження)

Міс.	10	11	12
,Вт/ (м2К)	3,117	3,263	3,380
,Вт/ (м2К)	6,204	6,051	5,921
,Вт/ (м2К)	3,940	3,940	3,940
,Вт/ (м2К)	5,120	4,853	4,630
K1ck,Вт/ (м2К)	4,491	4,423	4,363
K2ck,Вт/ (м2К)	2,072	2,050	2,030
K3ck,Вт/ (м2К)	1,465	1,453	1,443

Таблиця 3.6 - Втрати теплоти через скло

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8
q1ск, Вт/м2	223,4	220,8	207,6	183,0	158,5	140,5	132,0	132,8
q2ск, Вт/м2	104,2	103,0	96,5	84,6	72,9	64,5	60,5	60,9
q3ск, Вт/м2	74,2	73,3	68,5	59,9	51,4	45,4	42,5	42,8
Q1ск, Вт	42887,8	42400,2	39850,3	35138,9	30430,2	26979,8	25337,4	25502,7
Q2ск, Вт	20014,1	19773,5	18522,0	16239,7	13997,1	12377,6	11613,5	11690,2
Q3ск, Вт	14250,2	14073,1	13155,0	11492,9	9873,1	8710,6	8164,1	8219,0

Таблиця 3.6 - Втрати теплоти через скло (продовження)

Міс.	9	10	11
q1ск, Вт/м2	150,2	174,7	195,1
q2ск, Вт/м2	69,0	80,6	90,4
q3ск, Вт/м2	48,6	57,0	64,1
Q1ск, Вт	28839,0	33542,2	37449,8
Q2ск, Вт	13247,8	15475,0	17354,3
Q3ск, Вт	9334,6	10939,2	12302,8

Сумарний коефіцієнт втрат СК

значення , та за місяцями зведено до табл. 3.7.

Таблиця 3.7 - Втрати теплоти на СК

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8
K1втр,Вт/ (м2К)	6,269	6,280	6,327	6,412	6,483	6,530	6,550	6,550
K2втр,Вт/ (м2К)	3,964	3,969	3,983	4,011	4,031	4,045	4,051	4,052
K3втр,Вт/ (м2К)	3,384	3,387	3,393	3,408	3,415	3,421	3,423	3,424
q1втр, Вт/м2	324,09	320,28	299,89	262,88	226,27	199,82	187,34	188,64
q2втр, Вт/м2	204,95	202,44	188,80	164,45	140,68	123,77	115,86	116,70
q3втр, Вт/м2	174,93	172,75	160,85	139,73	119,20	104,67	97,89	98,62
Q1втр, Вт	56175,9	55521,9	52033,2	45676,9	39372,7	34804,3	32643,0	32867,0
Q2втр, Вт	33302,2	32895,2	30704,9	26777,7	22939,6	20202,1	18919,1	19054,5
Q3втр, Вт	27538,3	27194,8	25338,0	22030,9	18815,6	16535,2	15469,7	15583,2

Таблиця 3.7 - Втрати теплоти на СК (продовження)

Міс.	9	10	11
K1втр,Вт/ (м2К)	6,505	6,435	6,369
K2втр,Вт/ (м2К)	4,037	4,016	3,996
K3втр,Вт/ (м2К)	3,418	3,409	3,399
q1втр, Вт/м2	214,03	250,32	280,87
q2втр, Вт/м2	132,82	156,22	176,21
q3втр, Вт/м2	112,44	132,60	149,90
Q1втр, Вт	37260,3	43519,9	48772,9
Q2втр, Вт	21669,2	25452,7	28677,4
Q3втр, Вт	17755,9	20916,9	23625,9

3.1.5 Визначення кількості поглинутої сонячним колектором енергії

Розрахунок ведеться відповідно до рекомендацій та аналітичних залежностей наведених у [5, 6, 7].

Корисна поглинена СК теплота

де Qвтр.міс - місячна втрата енергії через поверхні СК;

Qвідб - відбита від поверхні колекторів енергія за місяць.

Місячна втрата теплоти СК

де n - кількість днів у місяці

фс - тривалість світового дня, з табл. 2.1

і - враховує кількість годин простою колектора впродовж світлового деня, рано вранці та наприкінці дня, коли СК не працює через низьку щільність сонячної радіації.

Для зимніх місяців і =4, для перехідних місяців і=2, літніх і = 1.

Коефіцієнт пропускання сонячної енергії колектором

де егк - ступінь чорноти теплоприймальної пластини

еск - ступінь чорноти скла

ез - ступінь забрудненості

зск - коефіцієнт прозорості скла, приймемо 0,92

Кількість відбитої поверхнею колектора енергії

Ефективність геліосистеми

Таблиця 3.8 - Корисна поглинута теплота та ККД ГК

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8
Енп, 108Дж/ (м2 міс)	1,761	2,052	3,683	4,074	5,429	5,79	6,365	6,615
Q1втр.міс, 10^8Дж/міс	298,42	355,38	569,08	572,24	578,69	563,83	534,06	491,51
Q2втр.міс, 10^8Дж/міс	176,91	210,56	335,81	335,47	337,16	327,27	309,53	284,95
Q3втр.міс , 10^8Дж/міс	146,29	174,07	277,12	276,00	276,55	267,87	253,09	233,04
Q1відб, 10^8Дж/міс	63,23	73,68	132,23	146,27	194,92	207,88	228,53	237,50
Q2відб, 10^8Дж/міс	85,20	99,28	178,20	197,12	262,68	280,14	307,96	320,06
Q3відб, 10^8Дж/міс	105,49	122,92	220,63	244,05	325,22	346,84	381,29	396,26
Q1погл.міс, 10^8Дж	-23,53	-35,08	5,82	63,70	268,76	339,97	459,49	541,07
Q2погл.міс, 10^8Дж	76,00	84,14	193,12	249,62	442,53	504,26	604,59	665,07
Q3погл.міс , 10^8Дж	86,33	96,99	209,39	262,16	440,60	496,97	587,70	640,78
ККД 1, %	-6,96	-8,90	0,82	8,14	25,78	30,58	37,60	42,60
ККД 2, %	22,48	21,36	27,31	31,91	42,45	45,36	49,47	52,36
ККД 3, %	25,53	24,62	29,61	33,51	42,27	44,70	48,09	50,45

Таблиця 3.8 - Корисна поглинута теплота та ККД ГК(продовження)

Міс.	9	10	11	12
Енп, 108Дж/ (м2 міс)	5,34	4,091	2,618	2,032
Q1втр.міс, 10^8Дж/міс	427,76	433,71	384,53	320,60
Q2втр.міс, 10^8Дж/міс	248,77	253,66	226,09	189,43
Q3втр.міс , 10^8Дж/міс	203,85	208,46	186,27	156,41
Q1відб, 10^8Дж/міс	191,73	146,88	94,00	72,96
Q2відб, 10^8Дж/міс	258,37	197,94	126,67	98,32
Q3відб, 10^8Дж/міс	319,89	245,07	156,83	121,72
Q1погл.міс, 10^8Дж	405,79	204,87	24,13	-3,41
Q2погл.міс, 10^8Дж	518,14	333,87	149,89	102,40
Q3погл.міс , 10^8Дж	501,55	331,95	159,56	112,01
ККД 1, %	39,58	26,08	4,80	-0,88
ККД 2, %	50,54	42,51	29,82	26,25
ККД 3, %	48,92	42,26	31,74	28,71

3.1.6 Уточнення температури поглинальної пластини

Максимальна температура, що може бути отримана в ГК

де Е - енергія що падає на 1м2 площі ГК, Вт

Таблиця 3.9 - Максимальна температура в ГК, для 1,2,3 світлопрозорих покриттів

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
t1max, °С	47,6	72,8	98,8	119,2	137,7	143,2	140,1	131,8	113,5	85,9	60,0	45,5
t2max, °С	73,3	112,8	152,5	182,1	209,2	216,1	210,2	196,9	169,4	128,0	89,2	68,4
t3max, °С	85,4	131,5	177,7	211,8	243,3	251,1	244,0	228,2	196,2	147,9	102,9	79,2

Дійсна температура поглинальної пластини обчислюється

де Стн - теплоємність теплоносія, Дж/(кг град)

L - довжина колектора, м.

G1 для розрахунків приймаємо 0,05 кг/с, (що відповідає Gтн = 6,0 кг/с)

Таблиця 3.10- Температура поглинального елемента за місяцями

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
t1, ?С	45,2	47,4	49,6	51,4	53,1	53,7	53,4	52,7	51,0	48,6	46,3	45,0
t2, ?С	46,5	48,7	50,9	52,6	54,1	54,5	54,2	53,5	51,9	49,6	47,4	46,3
t3, ?С	46,9	49,0	51,2	52,8	54,3	54,7	54,4	53,7	52,1	49,8	47,7	46,6

3.1.7 Уточнення кількості поглинутої енергії

Коефіцієнти відведення тепла від колектора залишаються незмінними

Таким чином можна перерахувати реальні втрати теплоти прийнявши температуру теплоносія за місяцями для другого наближення рівну:

Тепловий потік через світлопрозору ізоляцію

Тепловий потік через тильну ізоляцію

Тепловий потік через бічну ізоляцію



Сумарний тепловий потік

Результат розрахунку за формулами (3.33)-(3.39) за місяцями зведено до таблиці 3.11

Таблиця 3.11 - Теплові втрати через колектори

Місяць	1	2	3	4	5	6	7	8
Тґ1тн, С	45,2	47,4	49,6	51,4	53,1	53,7	53,4	52,7
Тґ2тн, С	46,5	48,7	50,9	52,6	54,1	54,5	54,2	53,5
Тґ3тн, С	46,9	49,0	51,2	52,8	54,3	54,7	54,4	53,7
Та, С	3,3	4	7,6	14	20,1	24,4	26,4	26,2
Qґ1ск, Вт	34774,5	36046,8	35313,8	32073,3	28785,6	25791,5	23925,6	23443,5
Qґ2ск, Вт	16740,5	17330,2	16913,7	15270,9	13633,2	12178,1	11285,7	11062,8
Qґ3ск, Вт	12013,2	12429,2	12104,0	10888,5	9687,4	8632,6	7991,3	7835,0
Qґ1із, Вт	7839,3	8116,6	7855,1	6998,4	6154,8	5442,3	5019,3	4925,5
Qґ2із, Вт	8086,9	8367,5	8094,5	7209,9	6337,3	5601,3	5165,4	5070,6
Qґ3із, Вт	8150,6	8432,0	8156,0	7264,1	6384,1	5642,1	5202,9	5107,8
Qґ1б, Вт	2935,0	3038,9	2940,9	2620,2	2304,4	2037,6	1879,2	1844,1
Qґ2б, Вт	3027,7	3132,8	3030,6	2699,4	2372,7	2097,1	1933,9	1898,4
Qґ3б, Вт	3051,6	3156,9	3053,6	2719,7	2390,2	2112,4	1948,0	1912,4
Qґ1?, Вт	45548,8	47202,2	46109,9	41691,9	37244,8	33271,4	30824,2	30213,1
Qґ2?, Вт	27855,1	28830,4	28038,8	25180,1	22343,3	19876,5	18385,1	18031,9
Qґ3?, Вт	23215,3	24018,1	23313,6	20872,3	18461,6	16387,0	15142,2	14855,2

Таблиця 3.11 - Теплові втрати через колектори (продовження)

Місяць	9	10	11	12
Тґ1тн, С	51,0	48,6	46,3	45,0
Тґ2тн, С	51,9	49,6	47,4	46,3
Тґ3тн, С	52,1	49,8	47,7	46,6
Та, С	22,1	16,1	10,9	6,4
Qґ1ск, Вт	25350,1	27987,9	30055,6	32367,7
Qґ2ск, Вт	11999,8	13318,6	14373,8	15543,4
Qґ3ск, Вт	8519,2	9488,4	10271,0	11135,2
Qґ1із, Вт	5386,0	6057,5	6611,9	7226,5
Qґ2із, Вт	5550,1	6248,1	6823,7	7458,0
Qґ3із, Вт	5592,1	6296,9	6878,0	7517,5
Qґ1б, Вт	2016,5	2267,9	2475,5	2705,6
Qґ2б, Вт	2078,0	2339,3	2554,8	2792,3
Qґ3б, Вт	2093,7	2357,6	2575,1	2814,5
Qґ1?, Вт	32752,6	36313,4	39143,0	42299,8
Qґ2?, Вт	19627,8	21906,0	23752,3	25793,6
Qґ3?, Вт	16205,1	18142,9	19724,2	21467,2

Теплота поглинена колекторами за місяць

Результат розрахунку у табл. 3.12, на рис. 3.2 та рис. 3.3.

Таблиця 3.12 - Поглинена колекторами енергія та ККД колектора

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Епад, 108 Дж	338,1	394,0	707,1	782,2	1042,4	1111,7	1222,1	1270,1	1025,3	785,5	502,7	390,1
Qґ1втр.міс, 108Дж/міс	242,0	302,1	504,3	522,3	547,4	431,2	401,1	350,7	376,0	361,9	308,6	207,7
Qґ2втр.міс, 108Дж/міс	148,0	184,5	306,7	315,5	328,4	257,6	239,2	209,3	225,3	218,3	187,3	126,7
Qґ3втр.міс, 108Дж/міс	123,3	153,7	255,0	261,5	271,3	212,4	197,0	172,4	186,0	180,8	155,5	105,4
Q1відб, 10^8Дж/міс	63,2	73,7	132,2	1463	194,9	207,9	228,5	237,5	191,7	146,9	94,0	73,0
Q2відб, 10^8Дж/міс	85,2	99,3	178,2	197,1	262,7	280,1	308,0	320,1	258,4	197,9	126,7	98,3
Q3відб, 10^8Дж/міс	105,5	122,9	220,6	244,1	325,2	346,8	381,3	396,3	319,9	245,1	156,8	121,7
Qґ1погл, 108 Дж	32,9	18,2	70,6	113,6	300,0	472,6	592,4	681,9	457,5	276,7	100,1	70,5
Qґ2погл, 108 Дж	104,9	110,2	222,3	269,6	451,3	573,9	674,9	740,7	541,6	369,2	188,7	165,2
Qґ3погл, 108 Дж	109,3	117,3	231,5	276,7	445,8	552,5	643,8	701,4	519,4	359,6	190,3	163,0
ККДґ1, %	9,7	4,6	10,0	14,5	28,8	42,5	48,5	53,7	44,6	35,2	19,9	13,1
ККДґ2, %	31,0	28,0	31,4	34,5	43,3	51,6	55,2	58,3	52,8	47,0	37,5	32,3
ККДґ3, %	32,3	29,8	32,7	35,4	42,8	49,7	52,7	55,2	50,7	45,8	37,9	31,8

Перевіримо похибку Обчислень після першого наближення:

Для квітня(1 скло):

Таблиця 3.13 - похибка після другого наближення

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Похибка 1скло, %	171,5	293,0	91,8	43,9	10,4	28,1	22,4	20,7	11,3	26,0	75,9	104,8
Похибка 2скла, %	27,6	23,6	13,1	7,4	1,9	12,1	10,4	10,2	4,3	9,6	20,6	38,0
Похибка 3скла, %	21,0	17,3	9,6	5,2	1,2	10,0	8,7	8,6	3,4	7,7	16,2	31,3

Похибка по робочим для геліосистеми місяцям для 2 та 3 шарів світлопрозорих покрить незначна, уточнення кількості поглиненої енергії надалі не робитимемо. Велика похибка для зимніх місяців пояснюється тим, що реальна температура поглинальної пластини буде нижчою за задану.

Рисунок - 3.2 Корисна теплота, що поглинена сонячним колектором за місяць

Горизонтальною лінією на рисунку зображено місячну потребу в тепловій енергії для гарячого водопостачання, кривою другого порядку - енергію що поглинається колектором в місяць, помаранчева крива - 1 скло, синя - 2 скла, червона - 3 скла.

Рисунок -3.3 ККД плаского колектора в лалежності від кількості світлопрозорих покрить, помаранчева крива - 1 скло, синя - 2 скла, червона - 3 скла

ККД та кількість поглинутої колектором енергії за місяць для двох та трьох шарів світлопрозорої теплоізоляції практично однакові, це явище пояснюється тим, що при більшій кількості покрить покращуються теплоізоляційні властивості сонячного колектора, однак в той самий час зменшується кількість енергії що досягає тепло сприймальної пластини колектора(велика частка енергії відбивається від поверхонь скла).

Таким чином з рисунків 3.2 та 3.3 видно, що при використанні скла М1 не раціонально використовувати більше двох шарів світлопрозорої ізоляції, через значне збільшення частки відбитої енергії.

3.2 Розрахунок вакуумованого сонячного колектора

3.2.1 Розрахунок теплотехнічних характеристик солнячних колекторів з вакуумованими склопакетами

Використання вакууму дозволяє значно підвищити ефективність використання пласких колекторів. Розглянемо конструкцію плаского вакуумованого сонячного колектора[19]

Теплопідводяща трубка з міді у формі змійовику	Клапан для створення та підтримання вакууму
Теплопоглинаюча мідна пластина із селективним покриттям	еластичні елементи, що передають атмосферний тиск від скляної поверхні до мембрани основи контейнеру	Верхня світлопрозора теплоізоляція з високою прозорістю

Рисунок 3.4 - Сонячний колектор з вакуумованим склопакетом

Подвійне скління має опір теплопередачі 0,24 м2 К/Вт, подвійне скління з селективним покриттям -- 0,36 м2 К/Вт. Вакуумовані склопакети (ВСП) з коефіцієнтом опору теплопередачі - 0,77 м2 К/Вт, перевершують одинарне та подвійне скління за рахунок вакуумного зазору, в якому теплопровідність розрідженого газу та конвекція незначні, можуть використовуватися в якості світлопрозорої теплоізоляції сонячних колекторів. [19]

Для розрахунків сонячного колектора з вакуумованим склопакетом за основу приймемо вихідні дані з пункту 3.1:

Число прозорих покрить	2
Товщина скла, м	0,002
Тепловий опір склопакету, (м2 К)/Вт	0,77
Товщина зазора між склопакетом та тепло поглинаючим елементом, м	0,015
Товщина теплоізоляції, м	0,050
Теплопровідність ізоляції(пінополістирол при режимі роботи А), Вт/(м2 К) [10]	0,041
Ширина СК, м	1,14
Довжина СК, м	1,74
Матеріал поглинальної пластини	мідь
Площа теплоприймальної пластини СК, м2	1,6
Товщина теплопоглинаючого елемента, м	0,001
Ступінь чорноти приймальної пластини	0,95
Зовнішній діаметр трубок СК, м	0,012
Шаг трубок, м	0,06

Для таких вихідних даних втрати теплоти через тильну та бічну поверхні були розраховані у пункті 3.1, скористаємося цими даними, та перерахуємо втрати теплоти через верхню теплоізоляцію, згідно до формул (3.14) - (3.25).

Таблиця 3.14 - коефіцієнт теплових втрат через верхню теплоізоляцію для колектора з вакуумованим склопакетом

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Кск, Вт/(м2 К)	1,004	1,004	1,007	1,011	1,015	1,018	1,019	1,019	1,016	1,012	1,009	1,006

Тепловий потік через світлопрозору ізоляцію згідно до (3.21) - (3.22)

,

де Ттн, приймемо відповідно до табл. 3.10, як для трьох світлопрозорих покрить.

Таблиця 3.15 - Тепловий потік через світлопрозору ізоляцію

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Кск, Вт/(м2 К)	1,004	1,004	1,007	1,011	1,015	1,018	1,019	1,019	1,016	1,012
qск, Вт/м2	43,76	45,22	43,92	39,27	34,76	30,87	28,53	27,98	30,51	34,15
Qск, Вт	8401,6	8682,8	8432,3	7540,1	6673,3	5927,4	5477,1	5371,4	5857,3	6556,0

Сумарні втрати теплоти в місяць згідно до (3.27), кількість відбитої енергії (3.29), кількість поглиненої колектором енергії за місяць (3.26), ККД відповідно до (3.20).

Таблиця 3.16 - Теплота поглинута сонячним колектором з вакуумованим склопакетом та ККД

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8
Енп, 108Дж/ (м2 міс)	1,761	2,052	3,683	4,074	5,429	5,79	6,365	6,615
Qсумм , Вт	19603,7	20271,7	19641,9	17523,8	15447,6	13681,8	12628,0	12391,6
Qвтр.міс, 10^8Дж/міс	104,1	129,8	214,8	219,5	227,0	221,6	206,6	185,3
Qвідб, 10^8Дж/міс	85,20	99,28	178,20	197,12	262,68	280,14	307,96	320,06
Qпогл.міс, 10^8Дж	148,77	164,95	314,12	365,55	552,65	609,89	707,52	764,71
ККД, %	44,0	41,9	44,4	46,7	53,0	54,9	57,9	60,2

Таблиця 3.16 - Теплота поглинута сонячним колектором з вакуумованим склопакетом та ККД (продовження)

Міс.	9	10	11	12
Енп, 108Дж/ (м2 міс)	5,34	4,091	2,618	2,032
Qсумм , Вт	13543,1	15210,5	16585,6	18096,4
Qвтр.міс, 10^8Дж/міс	155,5	151,6	130,8	88,9
Qвідб, 10^8Дж/міс	258,37	197,94	126,67	98,32
Qпогл.міс, 10^8Дж	611,43	435,95	245,23	202,97
ККД, %	59,6	55,5	48,8	52,0

Рисунок 3.5 - Корисна теплота, що поглинена сонячними колекторами з вакуумованими склопакетами за місяць

Горизонтальною лінією на рисунку зображено місячну потребу в тепловій енергії для гарячого водопостачання, кривою другого порядку - енергію що поглинається сонячними колекторами з вакуумованими склопакетами в місяць.



Рисунок 3.6 - ККД сонячного колектора з вакуумованим склопакетом

Як видно з рис. 3.5 та 3.6, порівняно із рис. 3.2 та 3.3 колектор із вакуумованим склопакетом має вищі показники по поглинутій енергії та ККД впродовж всього року і значно перевершує плаский колектор у перехідний та холодний періоди року.

3.2.2 Розрахунок теплотехнічних характеристик трубчастих вакуумованих сонячних колекторів

Як і плоскі сонячні колектори, вакуумовані трубчасті колектори перетворюють сонячну енергію, що падає на тепло поглинаючий елемент, на тепло. Сонячне випромінювання проникає у вакуумовану скляну трубку, де потрапляє на її внутрішню поглинаючу поверхню на якій і відбувається перетворення енергії сонячного випромінювання в теплову енергію. Фактично втрати тепла в довкілля не відбуваються, що пов'язано з використанням високоякісного селективного покриття на внутрішній поверхні скляної трубки а також завдяки тому, що вона вакуумована. Теплова енергія, що утворюється на поглинаючій поверхні, передається в трубку теплообмінника(теплову трубу). В результаті рідина в цій трубці нагрівається і частина її випаровується. Пара, що утворилася, потрапляє в конденсатор де перетворюється на воду. Теплота, що виділяється в процесі конденсації, передається потоку води, а конденсат повертається в теплообмінник. Таким чином, реалізується замкнутий цикл. На рис. 3.7 і 3.8 показаний загальний вигляд стандартного вакуумованого трубчастого колектора і його схематичне зображення. Оптимізація розташування (азимутний кут/кут установки) цього типу сонячних колекторів обчислюється так само, як і для плоских сонячних колекторів.

Рисунок 3.7 - Вакуумований трубчастий колектор
	1. Теплове випромінювання 2. Скляна трубка 3. Теплова труба 4. Селективне покриття 5. Конденсатор 6. Теплоізоляція 7. Трубка теплообмінника

Рисунок 3.8 - Принцип роботи вакуумованого трубчастого колектора

Вакуумовані колектори є модульними, тобто трубки можна додавати або усувати у міру потреби, залежно від витрати гарячої воді. Вакуум в скляній трубці - краща з можливих теплоізоляцій для колектора, вона знижує втрати тепла і захищає поглинач і тепловідвідну трубку від несприятливих зовнішніх впливів. Результат - відмінні робочі характеристики, що перевершують будь-який інший вид сонячного колектора.

У регіонах з високими перепадами температур ці колектори набагато ефективніше плоских з ряду причин. По-перше, вони добре працюють в умовах як прямої так і розсіяної сонячної радіації. Ця особливість у поєднанні з властивістю вакууму зводити до мінімуму втрати тепла назовні робить ці колектори незамінними в умовах холодної похмурої зими. По-друге, завдяки округлій формі вакуумної трубки сонячне світло падає перпендикулярно на поглиначу поверхню впродовж більшої частини дня (рисунок 3.7). Вакуумовані колектори відрізняються вищою температурою води і ефективністю, чим плоскі, але при цьому вони і дорожче.

Рисунок 3.9 - освітлення плаского та вакуумованого трубчастого колектора

Для расчета теплових потерь и количества поглощенной колектором енергии зададимся:

Зовнішня трубка (d1, L1)	Ш58мм*1800мм
Внутрішня (поглинальна) трубка (d2, L2)	Ш47мм*1724мм
Товщина скла	1,8мм
Шаг між сусідніми трубками, (t)	75мм
Теплопровідність скла із пониженим вмістом свинцю[20]	0,2 Вт/(м К)
Ступінь чорноти поглинальної поверхні	94%
Коефіцієнт пропускання сонячного світла	90%
Бічна теплоізоляція - пінополіуретан	20мм

Тепловий опір через світлопрозору ізоляцію для вакуумованого колектора можна обчислити як суму опору тепловіддачі з зовнішньої поверхні скла, та опору тепловіддачі вакуумованого зазору.

При відношенні , теплопровідність у циліндричній стінці можна розраховувати як теплопровідність для плоскої стінки без втрати точності при обчисленнях; в нашому випадку зовнішній діаметр скляної трубки 58мм, внутрішній діаметр 47мм, а товщина скла 1,8мм. Для нашого випадку , тоді формула для розрахунку теплового опору запишеться:

де , - променевий та конвективний коефіцієнти тепловіддачі скла;

дск, лск - товщина та теплопровідність скла відповідно, теплопровідність для бор силікатного скла задамо 0,2 Вт/(м К).

- променевий коефіцієнт тепловіддачі вакуумованого зазору;

,та визначаються відповідно до формул (3.15) - (3.19),

Температура скла для трубчастого вакуумованого колектора задамо

Тск = Та + 5

Таблиця 3.17 - коефіцієнт теплового опору трубчатого вакуумованого сонячного колектора

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
,Вт/ (м2К)	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94
,Вт/ (м2К)	4,361	4,394	4,566	4,883	5,198	5,429	5,538	5,527	5,305	4,99	4,728	4,509
,Вт/ (м2К)	1,91	1,94	1,97	2,01	2,04	2,1	2,13	2,14	2,09	1,96	1,93	1,92
Кск	0,84	0,86	0,87	0,89	0,90	0,93	0,94	0,94	0,92	0,87	0,85	0,85

Площа одного тепло приймального елемента:

м2

Кількість необхідних трубок:

шт.

Тепловий потік через світлопрозору ізоляцію:

м2

Таблиця 3.18 - втрати теплоти через світлопрозору ізоляцію

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Kск	0,84	0,86	0,87	0,89	0,90	0,93	0,94	0,94	0,92	0,87	0,85	0,85
qск	43,61	43,63	41,19	36,40	31,50	28,41	26,92	27,22	30,38	33,81	37,70	41,26
Qск	33878	33896	32000	28279	24475	22071	20913	21144	23599	26271	29292	32051

Втрати теплоти через бічну теплоізоляцію:

м2

Таблиця 3.19 - Втрати теплоти через бічну ізоляцію

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Kб	0,994	0,995	0,994	0,994	0,991	0,989	0,988	0,989	0,99	0,992	0,993	0,994
qб	51,39	50,75	47,12	40,75	34,59	30,26	28,26	28,48	32,57	38,59	43,79	48,31
Qб	642,9	634,8	589,4	509,8	432,7	378,6	353,5	356,3	407,5	482,7	547,8	604,3

Сумарні втрати теплоти, місячна втрата теплоти та кількість поглинутої колектором енергії обчислюється по формулам (3.25) - (3.27), кількість відбитої енергії формула (3.30)

Таблиця 3.20 - Кількість поглинутої колектором енергії та ККД

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Qвтр.міс, 10^8Дж/міс	183,4	221,0	356,4	360,7	366,1	363,7	347,9	321,5	275,6	266,6	235,3	160,4
Qвідб, 10^8Дж/міс	33,81	39,40	70,71	78,22	104,24	111,17	122,21	127,01	102,53	78,55	50,27	39,01
Qпогл.міс, 10^8Дж	120,9	133,6	280,0	343,3	572,0	636,8	751,9	821,5	647,2	440,3	217,1	190,8
ККД, %	35,8	33,9	39,6	43,9	54,9	57,3	61,5	64,7	63,1	56,1	43,2	38,9

На рис. 3.10 зображено кількість теплоти поглинутої трубчастим вакуумованим колектором, на рис. 3.11 - ККД вакуумованого трубчастого колектора за місяцями.

Рисунок 3.10 - кількість теплоти поглинутої трубчастим вакуумованим колектором

Рисунок 3.11 - ККД вакуумованого трубчастого колектора за місяцями

Порівняємо одержані результати для вакуумованих колекторів за допомогою рисунків 3.12 та 3.13.



Рисунок 3.12 - кількість теплоти поглинутої трубчастим вакуумованим колектором (червона суцільна крива) та колектором з вакуумованим склопакетом (чорна штрихова крива)

Рисунок 3.13 - ККД колектора із вакуумованим склопакетом (чорна штрихова крива) у порівнянні із трубчастим вакуумованим колектором (червона суцільна крива)

Як видно з рисунку в зимові місяці вакуумований трубчастий колектор поглинає менше теплоти ніж колектор з вакуумованим склопакетом, це пояснюється тим що у вакуумованого трубчастого колектора площа одного тепло приймального елемента (), а площа з якої відбувається втрата теплоти у навколишне середовище (). При заданих розмірах трубчастого вакуумованого колектора відношення площі площі зовнішньої поверхні трубки до теплопоглинального елемента

,

у плаского колектора з вакуумованим склопакетом відношення . Тобто при однакових теплоізоляційних властивостях (при використанні вакууму) перевагу слід надавати пласким колекторам з вакуумованим склопакетом, через меншу площу зовнішньої поверхні.

Для розрахунку трубчастого вакуумованого колектору було прийнято коефіцієнт пропускання сонячного випромінювання 0,9, для колектора з вакуумованим склопакетом при використанні звичайного віконного скла 0,748. Що пояснює більші втрати теплоти через відбиття частини світлового потоку для колектора з вакуумованим склопакетом, у від так і меншу частину поглинутої колектором енергії в зрівнянні із трубчастим колектором в літню частину року.

Слід зазначити що при використанні скла із однаковими світло пропускними властивостями сонячний колектор із вакуумованим склопакетом буде мати ККД вищий ніж у трубчастого колектора впродовж всього року.

Можна зробити висновок, що використання вакуумованого склопакету є більш ефективним ніж використання трубчатого вакуумованого колектору.

3.3 Розрахунок сонячного колектора з концентраторами сонячного випромінювання

Для збільшення потужності сонячного випромінювання широко використовуються концентратори. У промислових установках лінзи не використовуються: вони дорожчі важкі та складніші у виготовленні.

Сфокусувати сонячні промені можна і за допомогою увігнутого дзеркала. Воно є основною частиною геліоконцентратору, приладу у якому паралельні сонячні промені збираються за допомогою увігнутого дзеркала. Якщо у фокус дзеркала помістити трубу з водою, то вона нагріється. Такий принцип дії сонячних перетворювачів прямої дії.

Найефективніше їх можна використовувати в південних широтах але і в середній смузі вони знаходять застосування. Дзеркала в установках використовуються або традиційні - скляні, або з полірованого алюмінію. Найбільш ефективні концентратори сонячного випромінювання мають форму:

	1 - прозоре покриття; 2 - відзеркалювальна поверхня; 3 - канали з теплоносієм; 4 - теплоізоляція

Рисунок 3.14 - Двогранний фоклин та параболоциліндричний фоклин

Задавшись коефіцієнтом концентрації і діаметром поглинаючої труби, рівному ширині вихідного отвору, можна знайти інші параметри фоклина.

При однакових мірах концентрації Д-фоклини мають дещо більший вхідний отвір. Проте при падінні параметричного кута Д-фоклин пропускає в середньому тільки 75 % потоку випромінювання. Для цього фоклина характерні також багатократні віддзеркалення променів, тому його реальне пропускання може різко зменшитися при використанні дзеркал з коефіцієнтом віддзеркалення менше 0,9. Крім того, Д-фокліни чутливіші до розорієнтації, ніж ПЦ-фоклини. Основним недоліком ПЦ-фоклинів є складність виготовлення криволінійних дзеркал, тому розробляються так звані усічені фоклини. Зменшення висоти ПЦ-фоклина в 2 рази зменшує міру концентрації всього на 10 %.

	1 - лінза Френеля; 2 - сонячне випромінювання (прямий потік); 3 - власне лінза Френеля (акрилова смола); 4 - фокус (теплосприймальна панель)

Рисунок 3.15 - Сонячні колектори з лінзою Френеля

Вже давно висловлюються різні думки про можливість максимальної концентрації сонячного випромінювання без допомоги параболоїда. Проте ця проблема не розв'язана. Тільки при використанні параболоїда можна добитися щоб з фокусу випромінювання назад йшло паралельними променями і навпаки - паралельні промені збирає у фокусну лінію тільки параболоїд.

Для двогранних фоклинів при однократному відбитті променів характерний ступінь концентрації 2,85, при двократному відбитті 4,35, трикратному 5,4. Проте при многократному відбитті променів поряд із ступенем концентрації зростає і глибина концентратора. Крім того слід враховувати що у реальних системах при многократному відбитті променів зростають і втрати енергії пов'язані із поглинанням частини енергії дзеркалами.

Через вишу указаний недолік широкого застосування набули багатосекційні плоскі концентратори, з числом секцій 2-6 та ступенем концентрації відповідно 3-16.

Параболоїдна конфігурація має явну перевагу перед іншими формами за величиною концентруючої здатності. Тому саме вона так широко поширена в геліотехнічних системах. Оптимальний кут розкриття реальних параболоїдних концентраторів на відміну від кута ідеального близький до 60 град, ступінь концентрації 20-1000.

У реальних гелиосистемах плоско-лінійна лінза Френеля не використовується із-за її високої вартості.

Для розрахунку геліосистеми задамо:

Ступінь концентрації	4, 10, 40
Тепло сприймальна поверхня	Вакуумована трубка з одним склом
Розмір трубки, (d, L)	Ш58мм*1800мм
Товщина скла	1,8мм
Теплопровідність скла із пониженим вмістом свинцю[20]	0,2 Вт/(м К)
Ступінь чорноти поглинальної поверхні	94%
Коефіцієнт пропускання сонячного світла	90%

Для даного випадку коефіцієнт теплових втрат на колекторі можна розрахувати за формулою:

де ,, - визначаються відповідно до (3.15) - (3.18)

Таблиця 3.21 - Коефіцієнт теплових втрат для колектора з концентраторами

Місяць	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
,Вт/ (м2К)	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94	3,94
,Вт/ (м2К)	4,361	4,394	4,566	4,883	5,198	5,429	5,538	5,527	5,305	4,99	4,728	4,509
,Вт/ (м2К)	1,91	1,94	1,97	2,01	2,04	2,1	2,13	2,14	2,09	1,96	1,93	1,92
Кконц	1,53	1,55	1,58	1,61	1,64	1,69	1,71	1,72	1,68	1,58	1,56	1,54

Ступінь концентрації сонячної енергії можна визначити з співвідношення:

де C - ступінь концентрації сонячної енергії;

Fа - площа фокального пятна;

Fк - площа миделю концентратора, (192 м2 - для всіх випадків концентрації);

с - відбивна здатність дзеркальної поверхні, (0,9 - для всіх випадків концентрації).

Концентрувальні системи працюють тільки із прямою складовою падаючого випромінювання, тому виключимо розсіяну складову.

Важливою характеристикою радіаційного режиму є відношення дифузійної складової до сумарної радіації

.

Значний вплив на значення шдиф має хмарність. Так, при середній хмарності взимку частка дифузійної складової коливається в межах , а влітку . Через невизначеність зміни у хмарну погоду доцільно обчислити потужність сонячної радіації при ясному небі, а вплив хмарності і прозорості атмосфери урахувати за допомогою коефіцієнту сонячного сяйва . Під коефіцієнтом сонячного сяйва розуміють відношення сонячного сяйва при даних умовах до можливого.

У технічних розрахунках рекомендовано наближено приймати шдиф = 0,21 - для всього року[7].

Визначимо місячну кількість прямої радіації, що падає на 1м2 площі міделю концентраторів за співвідношенням:

Таблиця 3.22 - Енергія падаюча на площу міделя концентратору за місяць

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Енп.міс, 108Дж/ (м2 міс)	1,761	2,052	3,683	4,074	5,429	5,790	6,365	6,615	5,340	4,091	2,618	2,032
Еконц.міс, 108Дж/ (м2 міс)	1,391	1,621	2,910	3,218	4,289	4,574	5,028	5,226	4,219	3,232	2,068	1,605

Відомо, що до 90% енергії падаючої на площу міделя концентратору відбивається на тепло сприймальну поверхню вакуумованої трубки з теплоносієм.

Знаючи діаметр тепло сприймальної трубки, коефіцієнт концентрації, необхідну площу концентраторів та відбивну здатність дзеркальної поверхні визначимо площу та довжину тепло сприймальної поверхні.

,

,

,

,

,

.

Тепловий потік через світлопрозору ізоляцію

,

,

,

,

,

.

Таблиця 3.23 - Втрати теплоти на сонячному колекторі з концентраторами

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Кконц	1,53	1,55	1,58	1,61	1,64	1,69	1,71	1,72	1,68	1,58
qск, Вт/м2	79,17	79,14	74,74	66,14	57,34	51,70	48,97	49,49	55,24	61,63
Qск.4, Вт	10739	10735	10139	8972	7778	7012	6643	6713	7493	8360
Qск.10, Вт	4295,7	4293,9	4055,5	3589,0	3111,3	2805,0	2657,3	2685,4	2997,0	3344,0
Qск.40, Вт	1073,9	1073,5	1013,9	897,2	777,8	701,2	664,3	671,3	749,3	836,0

Сумарні втрати теплоти, місячна втрата теплоти та кількість поглинутої колектором енергії обчислюється по формулам (3.25) - (3.27), кількість відбитої енергії :

де егк - ступінь чорноти теплоприймальної пластини;

зск - коефіцієнт прозорості скла.

Таблиця 3.24 - Кількість поглинутої колектором з концентраторами енергії та ККД

Міс.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Qвтр.міс.4, 10^8Дж/міс	57,05	68,71	88,25	93,03	96,96	90,88	86,44	77,92	69,83	64,66	53,29	49,94
Qвтр.міс.10, 10^8Дж/міс	22,82	27,48	35,30	37,21	38,78	36,35	34,58	31,17	27,93	25,86	21,32	19,98
Qвтр.міс.40, 10^8Дж/міс	5,70	6,87	8,83	9,30	9,70	9,09	8,64	7,79	6,98	6,47	5,33	4,99
Qвідб., 10^8Дж/міс	37,02	43,14	77,43	85,65	114,13	121,72	133,81	139,07	112,26	86,00	55,04	42,72
Qпогл.міс.4, 10^8Дж	146,3	168,3	337,1	377,5	530,0	577,8	648,6	686,0	546,9	407,8	249,1	184,7
Qпогл.міс.10, 10^8Дж	180,6	209,5	390,0	433,3	588,2	632,3	700,5	732,8	588,8	446,6	281,0	214,7
Qпогл.міс.40, 10^8Дж	197,7	230,1	416,5	461,2	617,3	659,6	726,4	756,2	609,7	466,0	297,0	229,7
ККД4, %	43,3	42,7	47,7	48,3	50,8	52,0	53,1	54,0	53,3	51,9	49,5	47,3
ККД10, %	53,4	53,2	55,2	55,4	56,4	56,9	57,3	57,7	57,4	56,9	55,9	55,0
ККД40, %	58,5	58,4	58,9	59,0	59,2	59,3	59,4	59,5	59,5	59,3	59,1	58,9

На рисунку 3.16 зображено кількість теплоти поглинутої колекторами з концентраторами сонячного випромінювання для різного ступеню концентрації, на рисунку 3.17 - ККД колекторів з концентраторами за місяцями.

Рисунок 3.16 - Кількість теплоти поглинутої колектором з концентраторами сонячного випромінювання. Червона крива - ступінь концентрації 4; Помаранчева - 10; Синя - 40; горизонтальною лінією зображено місячну потребу в тепловій енергії

Рисунок 3.17 - ККД колекторів з концентраторами сонячного випромінювання. Червона крива - ступінь концентрації 4; Помаранчева - 10; Синя - 40

Як видно з графіків при збільшенні ступеню концентрації збільшується ККД та абсолютна величина поглинутої колектором енергії, це пояснюється тим, що при збільшенні ступеню концентрації зменшується площа теплоприймача, тобто і зменшуються самі втрати теплоти у навколишнє середовище. Основні втрати теплоти для колектора з концентраторами випромінювання - втрати за рахунок відбиття енергії від дзеркальної поверхні концентратора та втрати пов'язані із прозорістю скла.

ВИСНОВКИ ДО НАУКОВОЇ ЧАСТИНИ

Пласкі колектори	Вакуумовані колектори	Колектори з концентраторами

Рисунок 3.18 - Поглинута енергія та ККД для різних сонячних колекторів

Плаский сонячний колектор є найпростішим у виготовленні та найпоширенішим. З графіків видно що характеристики пласких сонячних колекторів впродовж року не стабільні, це пояснюється нижчими теплоізоляційними властивостями. Такий тип колекторів найбільш доцільно використовувати в теплий період року. Використання двох та трьох шарів світлопрозорої ізоляції підвищує якість колектору, та значно збільшує частину поглинутої енергії у міжсезоння. Використання трьох шарів світлопрозорої ізоляції, на нашу думку, є недоцільним (порівняно із двома шарами), адже поліпшуючи теплоізоляційні властивості, одночасно збільшуємо кількість відбитої енергії, та вартість колектора. В зимовий період поглинається в 7-10разів менше енергії ніж у літній.

Вакуумовані сонячні колектори мають поліпшені теплоізоляційні властивості, але вони мають жорсткі вимоги по герметичності, точності виготовлення, використовують високотехнологічні матеріали, через що ціна цього типу колекторів значно вища. В роботі розглянуто два варіанти вакуумованих колекторів: плаский колектор з вакуумованим склопакетом та колектор з вакуумованими трубками. Плаский колектор з вакуумованим склопакетом є більш ефективним в зимовий період, що пояснюється кращими теплоізоляційними властивостями. У колектора із вакуумованими трубками площа приймача сонячної енергії у чотири рази менша ніж зовнішня поверхня трубки, з якої йде втрата енергії у навколишне середовище. На нашу думку більш доцільно використовувати сонячний колектор із вакуумованим склопакетом. В зимовий період поглинається в 3-3,5 рази менше енергії ніж у літній.

Використання колекторів з концентраторами сонячного випромінювання веде до зменшення теплових втрат, через зменшення площі теплоприймачів, а від так і до збільшення ККД впродовж всього року. До недоліків слід віднести те, що концентратори уловлюють тільки пряму складову сонячного випромінювання і зовсім не працюють із дифузною складовою. Збільшення ступеню концентрації прямо пропорційно збільшує кількість поглинутої енергії. На нашу думку використання концентраторів з коефіцієнтом концентрації більше 10 є недоцільним для нашого регіону, через високу вартість дзеркал порівняно із одержаним приростом у поглинутій колекторами енергії. В зимовий період поглинається в 3,5-4 рази менше енергії ніж у літній.

Для графічного порівняння різних класів сонячних колекторів зведемо найбільш репрезентативних представників на рисунок 3.19.



Рисунок 3.19 - Поглинута енергія різними типами колекторів. Синя крива - плоский СК з двома шарами скла; Червона крива - плоский СК із вакуумованим склопакетом; Зелена крива - СК з концентратором (С=10)

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

В процесі виробництва сонячного колектору виконуються такі види технологічних операцій, а саме:

· обробка різанням;

· склеювання полімерних матеріалів;

· складальні роботи;

· контрольні роботи, перевірка на герметичність.

4.1 Забезпечення безпечних умов праці при механічній обробці різанням

В процесі механічної обробки матеріалів на верстатах виникає ряд фізичних, хімічних, психофізіологічних і біологічних небезпечних та шкідливих виробничих факторів.

На виробничому обладнанні рухомі частини, вироби та заготівки, що переміщуються, стружка оброблених матеріалів, осколки інструменту, висока температура поверхні деталей і інструменту, підвищення напруги в електромережі або статичної електрики при якій може відбутися замикання на людину - відносяться до категорії фізично небезпечних факторів.

Для процесу різання характерними фізичними виробничими факторами є - підвищена запиленість і загазованість повітря робочої зони. В процесі механічної обробки полімерних матеріалів, з яких виготовляється сонячний колектор, відбуваються механічні та фізико-хімічні зміни їхньої структури - термоокислювальна деструкція. При роботі тупим ріжучим інструментом відбувається інтенсивне нагрівання, внаслідок чого пил і стружка перетворюються в пароподібний і газоподібний стан, а іноді виникає займання матеріалу, наприклад при обробці текстоліту. Таким чином, при обробці пластмас в повітря робочої зони надходить складна суміш парів та газів. Ці гази хімічно шкідливі. Летучі продукти, які утворюються при впливі теплоти на деякі пластмаси, представлені в Табл. 4.1.

Таблиця 4.1 - Летучі продукти, які утворюються при впливі теплоти на деякі пластмаси.

Матеріал	Температура деструкції	Ідентифіковані речовини
Волокніт, текстоліт	60-70	Формальдегід, окис кальцію
Хлорсульований поліетилен	100	Хлористий водень, сірчаний газ, альдегіди
Стабілізований низьким тиском поліетилен	150	Кислоти, ефіри, неорганічні вуглеводні, альдегіди, двоокис і окис вуглецю
Поліпропілен	120	Формальдегід, ацетальдегід, ацетон, метиловий спирт, двоокис і окис вуглецю
Удароміцний полістирол	150	Кислоти, ефіри, альдегіди, етилен, бутилен, толуол, метилові спирти, стирол, вуглецю
Вініпласт	160	Хлорний водень, хлорний вініл, окис вуглецю
Полімерина основі полівінілхлориду ПВХ	20-40	Хлорний вініл, діоктилфталат, дибутилфталат, окис вуглецю, хлорний водень
Фторопласт	250	Фтористий і хлорний водень
Поліакрілонітріл	200	Фтористий і хлорний водень, гетеро хлорний вуглець
Амінопласти	70-80	Ціаністий водень, аміни
Фенопласти	Піроліз	Фенол, аміан, альдегіди, окис вуглецю
Поліаміди	265-280	Окис і двоокис вуглецю, карбонільні з'єднання

До продуктів термоокислювальної деструкції входять: граничний та неграничний вуглеводень, а також ароматичний вуглеводень. Вони можуть викликати наркотичну дію, зміни з боку центральної нервової системи, кровотворних органів, внутрішніх органів, а також кожно-трофічні порушення.

Для захисту працюючих від впливу газів, пилу що виділяється у процесі різання полімерних матеріалів здійснюють слідуючи заходи:

· механізація і автоматизація процесів різання;

· встановлення місцевої вентиляції для відведення отруйних речовин безпосередньо з місць їх утворення;

· вдосконалення конструкції обладнання;

· впровадження індивідуальних заходів. В доповнення до загальних захисних засобів робітники користуються спецодягом, антитоксичними пастами, окулярами, шоломами та масками, респіраторами.

Вентиляція являє собою сукупність заходів та засобів призначених для забезпечення на постійних робочих місцях та зонах обслуговування виробничих приміщень метеорологічних умов та чистоти повітряного середовища, що відповідають гігієнічним та технічним вимогам. Основне завдання вентиляції -- вилучити із приміщення забруднене або нагріте повітря та подати свіже.

Вентиляція класифікується за такими ознаками:

· за способом переміщення повітря -- природна, штучна (механічна) та суміщена ( природна та штучна одночасно);

· за напрямком потоку повітря -- припливна, витяжна, припливно-витяжна;

· за місцем дії -- загальнообмінна, місцева, комбінована.

4.2 Природна вентиляція

Природна вентиляція відбувається в результаті теплового та вітрового напору. Тепловий напір обумовлений різницею температур, а значить і густини внутрішнього і зовнішнього повітря. Вітровий напір обумовлений тим, що при обдуванні вітром будівлі, з її навітряної сторони утворюється підвищений тиск, а підвітряної -- розрідження (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Розподіл тиску в будівлі при дії вітру

Природна вентиляція може бути неорганізованою і організованою. При неорганізованій вентиляції невідомі об'єми повітря, що надходять та вилучаються із приміщення, а сам повітрообмін залежить від випадкових чинників (напрямку та сили вітру, температури зовнішнього та внутрішнього повітря). Неорганізована природна вентиляція включає інфільтрацію -- просочування повітря через нещільності у вікнах, дверях, перекриттях та провітрювання, що здійснюється при відкриванні вікон та кватирок.

Організована природна вентиляція називається аерацією. Для аерації в стінах будівлі роблять отвори для надходження зовнішнього повітря, а на даху чи у верхній частині будівлі встановлюють спеціальні пристрої (ліхтарі) для видалення відпрацьованого повітря. Для регулювання надходження та видалення повітря передбачено перекривання на необхідну величину аераційних отворів та ліхтарів. Це особливо важливо в холодну пору року.

Необхідні площі припливних Fпр та витяжних Fв аераційних отворів, що забезпечують потрібний повітрообмін визначаються за формулами:

,

,

де і Ів-- необхідна кількість (за масою) повітря, яке відповідно надходить і видаляється з приміщення, кг/год;

-- коефіцієнт витрат, що залежить від конструкції отвору;

і -- питома вага зовнішнього і внутрішнього повітря, кг/м3;

, -- відстань від центра відповідно нижнього (припливного) і верхнього (витяжного) отвору до нейтральної зони, м;

g-- прискорення вільного падіння, 9,8 м/с2.

Для збільшення природної тяги за рахунок енергії вітру над витяжними каналами встановлюють спеціальні насадки, які отримали назву дефлекторів. Дія дефлектора базується на тому, що при його обтіканні вітром приблизно на 5/7 поверхні насадки утворюється розрідження, внаслідок чого у витяжному каналі збільшується тяга.

Діаметр горловини (патрубки) дефлектора наближено визначають за формулою:

;

де -- продуктивність дефлектора, м3/год;

-- швидкість вітру, м/с.

Дефлектори необхідно розташовувати на найвищих ділянках покрівлі, вище гребеня даху в зоні ефективної дії вітру.

Перевагою природної вентиляції є її дешевизна та простота експлуатації. Основний її недолік в тому, що повітря надходить в приміщення без попереднього очищення, а видалене відпрацьоване повітря також не очищується і забруднює довкілля.

4.3 Штучна вентиляція

Штучна (механічна) вентиляція, на відміну від природної, дає можливість очищувати повітря перед його викидом в атмосферу, вловлювати шкідливі речовини безпосередньо біля місць їх утворення, обробляти припливне повітря (очищувати, підігрівати, зволожувати), більш цілеспрямовано подавати повітря в робочу зону. Окрім того, механічна вентиляція дає можливість організувати повітрозбір в найбільш чистій зоні території підприємства і навіть за її межами.

Загальнообмінна штучна вентиляція

Загальнообмінна вентиляція забезпечує створення необхідного мікроклімату та чистоти повітряного середовища у всьому об'ємі робочої зони приміщення. Вона застосовується для видалення надлишкового тепла при відсутності токсичних виділень, а також у випадках, коли характер технологічного процесу та особливості виробничого устаткування виключають можливість використання місцевої витяжної вентиляції.

Розрізняють чотири основні схеми організації повітрообміну при загальнообмінній вентиляції: зверху вниз, зверху вверх, знизу вверх, знизу вниз (рис 4.2).

Рисунок 4.2 - Схема організації повітрообміну при загальнообмінній вентиляції

Схеми зверху вниз (рис. 4.2а) та зверху вверх (рис. 4.2.б) доцільно застосовувати у випадку, коли припливне повітря в холодний період року має температуру нижчу температури приміщення. Припливне повітря перш ніж досягти робочої зони нагрівається за рахунок повітря приміщення. Інші дві схеми (рис. 4.2.в та 4.2.г) рекомендується використовувати тоді, коли припливне повітря в холодний період року підігрівається і його температура вища температури внутрішнього повітря.