Сьогодні все більше стали приділяти увагу забезпеченню людства енергією. В зв'язку з посиленням негативного впливу на навколишнє середовище, особливу увагу приділяють енергії, яка б завдавала найменшої шкоди довкіллю. Все більше вчених згоджуються з думкою, що майбутнє у розвитку альтернативних джерел енергії, у розробці новітніх технологій, у впровадженні енергоефективних та енергозаощаджуючих систем.

На даний час як учених, інженерів-теплоенергетиків, практиків (проектувальників, монтажників, експлуатаційників), так і рядових громадян цікавлять питання енергозбереження. Це не дивно, адже без перебільшення можна сказати, що людство стоїть на порозі енергетичної кризи. Ціни на нафту і газ нерідко стають "героями" інформаційних новин. З огляду на різке підвищення цін на комунальні послуги в Україні, багато хто розуміє, що від ціни на газ і нафту залежить їхній особистий добробут та добробут суспільства в цілому. Актуальність і злободенність проблеми очевидна всім.

Із можливих альтернатив, які б могли доповнити або навіть замінити традиційну енергетику є сонячне випромінювання, як природне невичерпне джерело енергії.

Чорноморським державним університетом імені Петра Могили прийнята і впроваджується програма енергозбереження в університеті. В 2009 році встановлені сонячні водонагрівальні колектори на даху будівлі головного корпусу університету для отримання гарячої води.

Актуальність теми курсової роботи обумовлена недостатньою вивченістю питання використання сонячних систем гарячого водопостачання в умовах півдня України. Метою роботи є обґрунтування режиму роботи системи, що дає змогу використати найбільшу кількість води.

1. Аналіз літературних даних

1. "Николаев (Николаевская область)" // http://ru. wikipedia.org/wiki/ Николаев_ (Николаевская_область)

Інформація про географічне розташування міста Миколаїв, тобто його координати.

2. "Солнечный коллектор" // http://ru. wikipedia.org/ wiki/ Солнечный колектор

Інформація про різні типи сонячних колекторів та про сучасні технології застосування сонячної енергії. Необхідні відомості відсутні.

3. "Новый поворот к Солнцу" // http://www.truba.ua/artic/ru_291

Розглядається досвід впровадження системи гарячого водопостачання для бази відпочинку, що розташована в Херсонській області.

4. "Енергоефективність в університетах" // http://uk. wikibooks.org/wiki/Енергоефективність в університетах

Надається інформація про досвід українських університетів в сфері енергоощадності та енергоефективності.

5. Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н. М Альтернативные энергоносители. - М.: Наука, 2004

В книзі "Альтернативные энергоносители" докладно розглядаються перспективи застосування альтернативних джерел енергії - енергії Сонця, вітру, океану, внутрішнього тепла Землі, біоенергії, нетрадиційних джерел нафти, газу, горючих сланців і ін Дана порівняльна економічна оцінка використання різних джерел енергії. Необхідні відомості відсутні.

6. Абук Магомедов. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Издательско-полиграфическое объединение "Юпитер", г. Махачкала 1996. - 245 с.

В книзі "Нетрадиционные возобновляемые источники энергии" розглянуто стан та напрямки розробки технічних рішень нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, особливості, їх використання. Необхідні відомості відсутні.

7. Сабади П.Р. Солнечный дом. (The Solar House) Перевод с английского Н.Б. Гладковой. М.: Стройиздат, 1981

В книзі "Солнечный дом. (The Solar House)" проводиться порівняння різних типів сонячних колекторів н методи акумулювання сонячного тепла. Розглядається проблема використання сонячної енергії і пропонується рішення деяких пов'язаних з цим завдань. На основі досвіду, накопиченого в цій області, робляться прогнози на майбутнє.

8. Дж.А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. - М.: Мир, 1977. - 410 с.

В книзі "Тепловые процессы с использованием солнечной энергии" знаходяться данні по видам сонячної радіації, по типам сонячних колекторів, надається інформація за деякими питаннями теорії теплообміну. Розглядаються різні способи використання сонячної енергії в побуті та промисловості.

9. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет системы солнечного теплоснабжения М.: Энергоатомиздат, 1982. - 80 с

Автори книги "Расчет системы солнечного теплоснабжения" - професори лабораторії сонячної енергії Вісконсинського університету (США) - розробили метод розрахунку систем сонячного опалення та гарячого водопостачання, описаний у цій книзі, яка є логічним продовженням книги Даффі Дж.А., Бекман У.А. "Теплові процеси з використанням сонячної енергії "

Розглянуто різні системи сонячного теплопостачання та надано рекомендації щодо їх розрахунку.

10. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.

Книга "Индивидуальные солнечные установки" дає інформацію про конструктивні особливості, методи розрахунку, вибір матеріалів, конструювання, виробництво і монтаж сонячних установок для індивідуальних споживачів і сільського господарства. Автор розповідає як працюють сонячні установки різного призначення, для яких цілей найбільш доцільно використовувати їх у даний час і в найближчій перспективі, як виготовити самим сонячну установку.

11. Системы солнечного тепло - и хладоснабжения. Авезов Р.Р., Барский-Зорин М. А М.: Стройиздат. 1990 г.328 с.

В книзі "Системы солнечного тепло- и хладоснабжения" розглянуто стан та перспективи розвитку систем сонячного тепло- і холодопостачання. Висвітлено результати наукових розробок та передовий досвід проектування, виготовлення, монтажу і організації експлуатації геліоустановок. Викладено особливості проектування та розрахунку систем сонячного теплопостачання з дублюючими джерелами теплової енергії.

12. Танака С., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением/Пер. с яп.Е.Н. Успенский. - М.: Стройиздат, 1989. - 184 с.

Книга "Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением" присвячена важливій проблемі - економічному використанню сонячної енергії для теплохладопостачанню житлових будинків. Наведено технічні рішення ряду систем теплохладопостачання, реалізовані при будівництві індівідуальних і багатоквартирних будинків в Японії. Необхідні відомості відсутні.

13. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрирования солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.

В книзі "Фотоэлектрическое преобразование концентрирования солнечного излучения" розглянуто принципи роботи, методи розрахунку і характеристики систем концентрування сонячного випромінювання. Розроблено методику та наведено приклади оптимізації фотоелектричних енергоустановок з концентраторами. Необхідні відомості відсутні.

14. Ляшков В.И., Кузьмин С.Н. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - 96 с.

В навчальному посібнику "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" наведено відомості щодо традиційних і нетрадиційних джерелах енергії, запасах і ресурсах джерел енергії, динаміці споживання енергоресурсів та розвитку енергетичного господарства. Відображено екологічні проблеми енергетики. Розглянуто місце та перспективи нетрадиційних джерел у задоволенні енергетичних потреб людини: енергія Сонця, вітроенергетичні установки, геотермальні енергетичні установки, енергетичні ресурси океану, вторинні енергоресурси промислових виробництв, відходи виробництва та сільськогосподарські відходи в якості джерел для отримання електричної та теплової енергії.

15. Страшко В.В. Методика і програма розрахунку надходження сонячної радіації на довільно орієнтовану площину // ПЗЕ - 2005. - № 12. - с.15-19

В статті В.В. Страшко "Методика і програма розрахунку надходження сонячної радіації на довільно орієнтовану площину" представлено методику розрахунку сумарної сонячної радіації, що надходить на довільно орієнтовану площину. Розраховано надходження сумарної сонячної радіації на 15-число кожного місця за безхмарного неба та з урахуванням хмарності.

16. Возняк О.Т. Енергетичний потенціал сонячної енергетики та перспективи його використання в Україні. / О.Т. Возняк, М. Є. Янів // Теорія і практика будівництва: [збірник наукових праць] / відп. ред.З.Я. Бліхарський. - Л.: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2010. - 403 с.: іл. - (Вісник / Національний університет "Львівська політехніка"; № 664). - С.7-10.

В статті "Енергетичний потенціал сонячної енергетики та перспективи його використання в Україні." розглянуто проблему енергетичного потенціалу сонячної енергетики. Вказано фактичну структуру сукупного споживання первинної енергії в Україні за роки її становлення як незалежної держави, а також загальний, технічний та економічний потенціал сонячної енергії по областях України. Наведено переваги використання сонячних установок та доцільність використання сонячного енергетичного потенціалу на території України. Вказано найперспективніші сьогодні напрями використання сонячної енергії.

17. Расчет долгосрочных характеристик системы солнечного теплоснабжения: Метод. указания к выполнению расчет. работы по дисциплине "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" / Сост.В.А. Агеев. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - 17 с.

В методичних рекомендаціях "Расчет долгосрочных характеристик системы солнечного теплоснабжения" представлена методика розрахунку довгострокових характеристик системи сонячного теплопостачання, що дозволяє прогнозувати частку навантаження теплопостачання будівлі, що покривається за рахунок сонячної енергії.

18. ГОСТ Р 51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.

В ГОСТ Р 51595-2000 наведені загальні технічні умови експлуатації сонячних колекторів, з метою забеспечення підвищення якості та техніко-економічних показників сонячних колекторів.

19. ГОСТ Р 51594-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.

В ГОСТ Р 51594-2000 зазначені основні терміни та визначення, що пов'язані з сонячною енергетикою

20. СниП 23-01-99. Строительная климатология

В СниП 23-01-99 встановлюються кліматичні параметри, які застосовують при проектуванні будівель і споруд, систем опалення, вентиляції, кондиціонування, водопостачання, при плануванні і забудові міських і сільських поселень.

21. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика.

В СНиП 2.01.01-82 зазначаються кліматичні параметри, але більш розширено, ніж в попередніх. Включають також данні по сонячній радіації (пряма та розсіяна), що надходить в липні на горизонтальну поверхню при безхмарному небі.

22. ВСН 52-86 "Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования"

ВСН 52-86 "Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования" встановлюють основні вимоги до конструкцій та устаткування; методику теплотехнічного розрахунку установки сонячного гарячого водопостачання; методику визначення техніко-економічної доцільності використання сонячної енергії для потреб гарячого водопостачання.

23. РД 34.20.115-89. Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного теплоснабжения

РД 34.20.115-89. "Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного теплоснабжения" встановлюють порядок виконання розрахунку і містять рекомендації з проектування систем сонячного теплопостачання житлових, громадських та промислових будівель і споруд.

24. "Мощность солнечного излучения" // http://www.renewable.com.ua/solar-energy/11-moshnost-solnechnogo-izlucheniya. htm

Стаття "Мощность солнечного излучения" // http://www.renewable.com.ua/solar-energy/11-moshnost-solnechnogo-izlucheniya. htm розповідає про потужність сонячної енергії, що надходить на поверхню Землі та способи її вловлювання.

25. Байерс Т.20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 197 с., ил.

В книзі "20 конструкций с солнечными элементами" описані різноманітні пристрої, що дозволяють забезпечити використання сонячної енергії в побуті. Необхідні відомості відсутні.

Отже, можна зробити висновок, що питання вибору режимів роботи сонячних систем гарячого водопостачання для конкретних умов місцевості вивчено недостатньо, що говорить про актуальність цієї роботи. Багато літератури присвячено теоретичним розрахункам енергетичної забезпеченості та інших характеристик установок. Дуже мало саме наукових досліджень в цій галузі, і вони розчиняються в рекламних, комерційних статтях.

2. Алгоритм проектування

2. Аналіз умов функціонування об'єкту моделювання та динаміки факторів впливу

Визначаються фактори, що впливають на швидкість нагрівання води та простежуються зміни впливових факторів у часі. Аналізуються ці зміни.

3. Декомпозиція екосистеми м. Миколаєва

Після здійснення декомпозиції екосистеми, де розташована система колекторів, можна детально проаналізувати, чи всі фактори впливу враховані; наскільки повно вони враховані і які між ними існують зв'язки.

4. Формування якісної залежності об'єму підготовленої гарячої води в залежності від факторів впливу.

5. Ранжування факторів впливу.

Визначається, який фактор здійснює найбільший вплив на стан об'єкту моделювання, а який - найменший.

6. Аналіз наявних формалізованих математичних залежностей, які можуть служити для досягнення мети даної курсової роботи

7. Спрощення об'єкту моделювання.

Відкидаються маловпливові фактори, враховуються лише з ті, які мають найбільше значення.

8. Синтез моделі спрощеного об'єкту.

Створюється спрощена модель, на основі якої будуть проводитися дослідження.

9. Розробка програми математичного моделювання об'єкту.

Розробляється алгоритм математичного моделювання на основі програмного забезпечення MS Excel.

3. Теоретичне рішення

Сонячна радіація, що надходить в липні на горизонтальну поверхню, Вт/м² [17]

Як видно з графіку на рис.2 сонячна енергія надходить на поверхню Землі починаючи з 4-ї години і закінчуючи 20-ю годиною. Саме цей період і будемо розглядати.

Рис.2 Погодинне надходження сонячної радіації.

Сонячна система складається з трьох сонячних колекторів (додаток А), загальною адсорбуючою площею 7,5 м². Кут нахилу колекторів - 50°. Об'єм інтегрованого баку-акумулятору - 450 літрів. Принципова схема геліосистеми головного корпусу ЧДУ представлено в додатку Б.

Для моделювання обрано чотири режими:

- 100 % -вий забір води, або 450 л/год;

- 75 % -вий забір води, або 337,5 л/год;

- 50 % -вий забір води, або 225 л/год;

- 25 % -вий забір води, або 112,5 л/год.

Забір води відбувається при умові досягнення водою температури 40°С. Після відбору гарячої води, в систему одразу ж подається така ж кількість холодної води (20°), тобто ми маємо постійну ємність баку-акумулятору.

3. Декомпозиція екосистеми м. Миколаєва

Було проведено декомпозицію системи, результат на рисунку 3

сонячна система гаряче водопостачання

Рис.3 Декомпозиція екосистеми м. Миколаєва: 1 - повітря, 2 - сонячна радіація, 2.1 - пряма, 2.2 - розсіяна, 3 - інше, 4 - рельєф, 5 - геологічна будова, 6 - рослини, 7 - тварини, 8 - водо споживачі, 9 - обслуговуючий персонал, 10 - інші, 11 - місця відбору води, 11.1 - душові крани, 11.2 - рукомийники, 12 - нагрівач води, 12.1 - сонячний колектор, 12.2 - інші, 13 - вода, 14 - лід, 15 - пара

Атмосфера впливає, в першу чергу, величиною сонячної радіації. [15] В даній декомпозиції гідросфера розділяється за агрегатними станами. Нас цікавить лише вода, оскільки саме її нагрівають сонячні колектори. Літосферу та живу речовину з усіма компонентами залишаємо "чорними ящиками".

Соціосфера складається з наступних складових:

1 - обслуговуючий персонал, який слідкує за підтриманням сонячної системи в належному стані

2 - водоспоживачі, це та частина людей, яка користується нагрітою водою.

3 - інші, ті що не впливають.

Техносфера складається з місць відбору та джерел нагрівання гарячої води.

4. Формування якісної залежності об'єму підготовленої гарячої води в залежності від факторів впливу

Якісна залежність об'єму підготовленої гарячої води від факторів впливу має вигляд:

V = f (з, S, ф, ц, Q, t₁, t₂, щ, Хм, П, Ч, j, Ш),

де з - ККД системи,%,

S - площа колекторів, м^2,ф - проміжок часу, год,

ц - кут нахилу колекторів,°,

Q - інтенсивність сонячної радіації, Вт/м^2,t₁ - температура холодної води,°С,

t₂ - температура гарячої води,°С,

щ - широта місцевості,

j - наведена інтенсивність поглинутої сонячної радіації, Вт/м²

Хм - хмарність,%

П - тепловтрати, Вт/м²

Ч - чистота вакуумних трубок

Ш кількість градусів, на яку нагріється 450л води в годину

5. Ранжування факторів впливу

Фактори впливу, що визначають об'єм підготовленої гарячої води можна ранжувати так:

1. площа колекторів

2. наведена інтенсивність поглинутої сонячної радіації

3. проміжок часу

4. кількість градусів, на яку нагрівається 450л води в годину

Всі інші фактори є менш впливовими, або є константами тому їх вплив не враховано при виконанні даної курсової роботи.

6. Аналіз наявних формалізованих математичних залежностей, які можуть служити для досягнення мети даної курсової роботи

Аналіз методик розрахунку систем сонячного гарячого водопостачання, та їх вивчення дало змогу обрати найбільш підходящий та ґрунтовний шлях моделювання.

Наведену інтенсивність поглинутої сонячної радіації слід розраховувати за формулою:

j =0,96 (P_S q_S I_S + P_D q_D I_D) (1) [3]

де Qs і Qd - відповідно наведені оптичні характеристики колектора для прямої та розсіяної радіації. В нашому випадку, Qs = 0,63 і Qd = 0,42;

Is - інтенсивність прямої сонячної радіації, що падає на горизонтальну поверхню, Вт/м²

Id - інтенсивність розсіяної сонячної радіації, що падає на горизонтальну поверхню, Вт/м²

Ps,Pd - коефіцієнти положення сонячного колектора для прямої та розсіяної радіації відповідно.

Pd розраховується за формулою:

Pd = cos²b/2 (2)

де b - кут нахилу колектору. Коефіцієнт Ps для нашої місцевості складає 0,81 [3]. Для знаходження загальної поглинутої енергії, Qзаг усією системою колекторів для і-того часу треба значення наведеної інтенсивності поглинутої сонячної радіації і-того часу помножити на загальну площу S.

Знаючи, що для нагріву одного літру на один градус треба затратити 1,16 Вт енергії [6], та маючи значення загальної поглинутої енергії усією системою колекторів для кожного часу, ми можемо знайти на скільки градусів в кожний час доби можуть нагрітися 450 літрів води, за таким рівнянням:

Ш= Qзаг/450*1,16 (3),

або, якщо узагальнити:

Ш_і = (4)

Після відбору гарячої води, в системи буде доливатися такий же об'єм холодної води, яка буде змішуватися з гарячою водою. Для того, щоб дізнатися якої температури досягне змішана вода треба використати похідну формулу теплового балансу:

t₃ = (5)

де t та m - це температура та маса води відповідно

коефіцієнти 1, 2, 3 - холодна, гаряча та смішана вода відповідно.

7. Спрощення об'єкту моделювання.

Спрощення екосистеми м. Миколаєва проводиться на аналізі зв'язків в системі. Це дозволить зосередитись на вирішенні мети даної курсової роботи. Процедура спрощення - це аналіз вагомості підсистем та елементів. Відповідно спрощення матиме такий вигляд (рис.4).

Рис.4. Спрощення об'єкту моделювання

8. Синтез моделі спрощеного об'єкту

Модель спрощеного об'єкту зображено на рисунку 5.

Рис.5. Схема моделі спрощеного об'єкту

Синтезування моделі спрощеного об'єкту дає змогу встановити залежність об'єму підігрітої води та відповідно спожитої водоспоживачами від сонячної радіації.

9. Розробка програми математичного моделювання об'єкту.

Програма математичного моделювання об'єкту наводиться у вигляді блок-схеми (рис 6).

Пояснення до блок-схеми

- введення/вивід даних

- дія

- розрахунок

- умова

1. Введення початкових даних для розрахунку Ш_{і (}Таблиця 1, площа системи колекторів, коефіцієнти Ps,Pd, Qs і Qd).

2. За формулою (4) розраховуємо значення Ш_і для кожної години доби.

3. Отримання таблиці нагрівання води в баці-акумуляторі для кожної години доби.

4. Отримання таблиці зміни фактичної температури води в баці-акумуляторі за добу.

5. Відбір води за обраним режимом.

6. Додавання до баку-акумулятору холодної води (t=20°С) в кількості равної відібраній.

7. Розрахунок температури змішаної води за формулою (5).

8. Кількість відборів за добу*Об'єм відібраної води за один відбір, л/доба.

9. Створення таблиці, що відображає об'єм відібраної води (л/доба) при обраному режиму (100, 75, 50, 25 %).

10. Створення графіку залежності об'єму відібраної води від режиму відбору.

11. Проведення апроксимації кривої.

12. Отримання формулу залежності.

13. Перевірка моделі.

4. Чисельне рішення