Учебное пособие 1224

- максимально возможная температура теплоносителя tmax при бесконечно длительном облучении КСЭ, т.е. при τсв = ∞

t		tдн		qлFк опт		(4)
	max	окр		k F k F
				б б к	к

- снижение температуры теплоносителя в баке δtохл за ночь продолжительностью τохл при температуре окружающего воздуха tночнокр

		tохл		tгор tокрночн 1 exp Aохл охл	(5)
где A		КбFб	,	так как вычисляется охлаждение	воды,
охл		Vср

находящейся только в баке, через стенки которого и отводится тепло. ∑Vср=πR2h - объем бака.

- продолжительность нагрева теплоносителя в СВУ до заданной температуры tгор

дн

B

1

tгор tокр

A

(6)

нагр

ln

A

t

t

дн

B

хол

окр

A

где

A

kбFб kкFк

,

B

qлFк опт

(7)

Q

Q

- тепло, переданное потребителю в сутки, Дж/сут.,

Q Vc tгор tхол

(8)

9

- экономия условного топлива в сутки за счет использования солнечной энергии, кг/сут.,

	B		Qпотр	(9)
			Q
	сут
			усл ку

или в месяц, кг/мес.,

Bмес z Bсут

(10)

где Qусл=29330·103 – теплота сгорания условного топлива, Дж/кг;

ηку– КПД котельной установки, ηку = 0,75…0,85; z – число суток в месяце;

- экономический эффект использования СВУ, р./мес.

D 10 9 BмесQуслЭ

(11)

где	Э - стоимость тепловой энергии, р./ГДж, в населенном
пункте (регионе), для которого проектируется СВУ. Значения

Э в разных регионах России неодинаковы. Например, для городов Тамбовской области в 2002 году стоимость тепловой энергии равна Э = 180…200 р. за 1 ГДж.

5. ТЕКСТ ЗАДАНИЯ

Для солнечной водонагревательной установки с рабочим объемом бака Vб = ____ м3, которая расположена в районе города ________ и служит для нагрева воды от температуры tхол = ___ °С до tгор = ___ °С, подобрать вид и число коллекторов солнечной энергии промышленного производства. Рассчитать и построить график зависимости

10

изменения температуры воды в баке в течение суток, принимая, что ежедневно в 600 бак полностью заполняется свежей водой с температурой tхол. Определить часы допустимого разбора нагретой воды с температурой (tгор – 6) °С для расчетного месяца ________. Исследовать влияние толщины тепловой изоляции бака, выполненной из ________, на величину тепловых потерь, подобрав оптимальную (по теплотехническому критерию) толщину изоляции. Определить кпд и отдельные характеристики экономической эффективности установки. Исходные данные принять по номеру варианта из таблицы.

Исходные данные для расчетов

цифраПоследняя	вариантаномера			Материал	цифраПоследняя вариантаномера	t	t	Расчетный месяц
						°С	°С
		Vб,	Город	тепловой
						хол	гор
		м3		изоляции
						,	,
1		2	3	4	5	6	7	8
1		1,4	Грозный	Шлак	1	10	39	май
				котельный
2		0,8	Краснодар	Пенопласт ПВ-	2	8	42	июнь
				1
3		2,5	Астрахань	Войлок	3	7	33	сентябрь
				стеклянный
4		1,0	Воронеж	Стружки	4	12	38	август
				березовые
5		2,0	Сочи	Стекловата	6	9	44	июль
6		1,5	Тамбов	ДВП	5	11	45	июль
7		0,7	Туапсе	Минвата	7	10	40	июнь
8		0,9	Волгоград	Пенопласт ПВ-	8	8	36	май
				1

11

Продолжение таблицы

1	2	3	4	5	6	7	8
9	2,3	Москва	Картон	9	11	40	июль
10	1,7	Ростов-на-	Торф	10	9	39	август
		Дону	измельченный

6.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

1.Записать полный текст задания, вставляя вместо пропусков соответствующие значения по номеру заданного варианта.

2.Географическую широту места расположения населенного пункта, L, град. северной широты, найти по таблице приложения 8.

3.Плотность лучистого теплового потока (инсоляцию) qпрл ,

Вт/м2, для заданного месяца и широты расположения населенного пункта определить по рисунку приложения 1.

Величину расл – по таблице приложения 4. По формулам (2) и

(3) определить qл и ∑Q.

4.Коллектор солнечной энергии (КСЭ), его тип, длину а, ширину b, толщину δ выбрать по таблице приложения 5.

5.Показатели энергетической эффективности КСЭ: оптический кпд ηопт и коэффициент тепловых потерь в коллекторе kКСЭ определить по таблице приложения 2.

6.Рассчитать габариты бака-аккумулятора (диаметр d и высоту h) по формулам:

d 3

,

h 3 4V

h2

,

(12)

4V

б

h

б

где

h

h

– относительная

высота бака.

Рекомендуемые

d

значения εh лежат в пределах 0,5.…2,5.

7. Вычислить площадь теплоотдающей поверхности бакааккумулятора, м2,

12

F (d	из	)h (d 2	из	)2	/2.	(13)
б

8.Задаться в первом приближении числом коллекторов солнечной энергии, принимая ориентировочно n =1 10штук.

9.Рассчитать площадь теплообменной поверхности КСЭ, м2

FK=fKn, (14)

где fК — площадь теплообменной поверхности одного КСЭ по таблице приложения 4.

10. Коэффициент теплопередачи kб, Вт/(м2К) от нагретой воды в баке через его теплоизолированную стенку к воздуху вычислить по формуле

		1			из		1	1
kб									,	(15)
		1		из			2

где α1 = 300…600 Вт/(м2К) – коэффициент теплоотдачи от воды в баке к внутренней его поверхности;

α2= 10…20 Вт/(м2К) – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции бака к окружающему воздуху (значения α1 и α2 рассчитать по известным методикам на основе критериальных уравнений);

λиз – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала Вт/(мК) выбирается по таблице приложения 3; δиз – толщина слоя изоляции бака, м. В первом прибли-

жении задаться δиз=0,15 м.

Для определения оптимальной толщины тепловой изоляции δиз бака следует при выбранных значениях α1, α2, λиз вычислить по формуле (13) коэффициент теплопередачи kб при нескольких значениях термического сопротивления слоя теплоизоляции бака (δиз/λиз) = 0; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 (м2·К)/Вт, построить график зависимости kб=f(δиз/λиз) (рис. 3). Анализируя полученную зависимость, найти значение термического сопротивления изоляции, при котором возможное дальнейшее увеличение толщины изоляции уже не

13

приводит к существенному (более чем на 15 %) снижению коэффициента теплопередачи kб. Это значение δиз для конкретных условий эксплуатации СВУ является оптимальным, его и надлежит использовать при дальнейших расчетах СВУ (термическим сопротивлением металлической стенки самого бака ввиду его малости пренебрегаем).

Рис. 3. К выбору оптимальной толщины теплоизоляции бака

11. Температуру воды в баке-аккумуляторе после его нагрева в течение светового дня рассчитать по формуле

дн

qлFк опт

k

кFк kбFб

tгор

tокр

tокр

tхол

exp

Q

св

kкFк kбFб

(16)

qлFк опт

kкFк kбFб

Значение tокрдн найти по таблице приложения 6, а величину τсв

в часах – по таблице приложения 7.

Найденное расчетами по формуле (14) значение tгор следует сравнивать с заданной ее величиной. При их

14

несовпадении необходимо задаться новым значением числа КСЭ.

12.Максимально возможную температуру tmax воды в баке при бесконечно большой продолжительности инсоляции найти по формуле (4).

13.Снижение температуры воды в баке-аккумуляторе δtохл рассчитать по формуле (5).

14.Продолжительность τнагр нагрева воды в СВУ до заданной температуры tгор при известной емкости бака-аккумулятора и условиях инсоляции вычислить по формуле (6).

15.Определить текущие значения температуры воды в баке по

формуле (16) при τ = 0; τ = τсв/ 4; τ =τсв /2; τ = 0,75τсв; τ = τсв и по формуле (5) при τ = 0; τ = 0,5τохл; τ = τохл.

При расчетах значений t(τ) принять, что в начале каждого этапа (нагрева и охлаждения воды) τ = 0, а t(0) = t0. По найденным таким образом значениям температуры следует построить график изменения температуры воды в баке в течение суток (рис. 4).

Рис. 4. График изменения температуры в течение суток

16. Количество тепла, передаваемое за сутки потребителю тепловой энергии, найти по формуле (8).

15

17.Определить экономию условного топлива: суточную, кг/сутки, - по формуле (9); месячную, кг/месяц, – по формуле

(10).

18.Экономический эффект использования СВУ за месяц рассчитать по формуле (11).

19.Проанализировать результаты расчетов и оценить возможность и эффективность круглосуточной эксплуатации СВУ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Изучение конструкции, принципа работы и способов

применения солнечной батареи

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1.Знакомство с устройством солнечной батареи. Изучение схемы лабораторной установки.

1.2.Исследование режимов работы, определение расчетной и истинной мощности солнечной батареи.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Солнечная энергия относится к числу так называемых восполняемых, или нетрадиционных, источников энергии, ресурсы которых не зависят (не уменьшаются) от деятельности человека.

Солнце - самый мощный источник энергии по сравнению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается значительной цифрой – 4·1014 млрд.кВт.

На 1 м2 поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной радиации, а на 1 м2 поверхности Земли (сферы Земли) приходится в среднем 0,35 кВт.

Солнечная энергия может использоваться как для производства электроэнергии (т. е. путем преобразования солнечной радиации в электрическую энергию), так и для

16

отопления и горячего водоснабжения.

В настоящее время при преобразовании солнечного излученияв электрическую энергиюприменяются два способа:

1) использование полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП), способных превращать лучистую энергию непосредственно в электрическую;

2) создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий на традиционном топливе (уголь, газ, мазут) заменяется «солнечным»паровымкотлом.

ФЭП представляет собой устройство, действие которого основано на так называемом фотоэффекте — возникновении под воздействием солнечного излучения ЭДС (электродвижущей силы) в полупроводниковом материале.

Сущность фотоэффекта заключается в том, что содержащиеся в материале катода ФЭП электроны под влиянием электромагнитного излучения, в данном случае излучения Солнца,изменяют свое энергетическоесостояние.

Первоначально наибольший интерес привлекал внешний эффект, состоящий втом, что поддействием солнечногоизлучения электроны переходят с поверхности катода в окружающий ФЭП вакуум. Но КПД такого процесса оказался весьма малым.

В дальнейшем было установлено, что гораздо более эффективными являются ФЭП, работающие с так называемым запирающим слоем, основанные на внутреннем или вентильном фотоэффекте.

Отделение возбужденного электрона от иона обычно происходит легче в легированном полупроводнике. Под легированием понимают введение в структуру решетки природного полупроводника примесных атомов различных элементов, содержащих по сравнению с атомами основного материала большее или меньшее количество валентных электронов. Примесные атомы вводятся в объем полупроводника, например, путем диффузии, которая возникает при контакте соответствующих материалов в условиях

17

повышенной температуры. На самой удаленной от ядра орбите полупроводникового кремния содержится четыре валентных электронов. В кристалле эти электроны соединены с электронами четырех соседних атомов ковалентной связью. В такой связи участвуют по одному из валентных электронов пары смежных атомов. В кристалл кремния без существенного искажения его решетки можно ввести небольшое количество примесных элементов, атомы которых имеют по 3-5 валентных электронов. При незначительных различиях в размерах атомов допустимая концентрация примесей может достигать одной миллионной доли от общего объема основного кристалла. Пятивалентные атомы в кристаллической решетке занимают те же положения, что и атомы кремния, но они имеют по одному лишнему электрону. Этому электрону не нужна валентная связь, то есть его можно рассматривать как свободный носитель отрицательного заряда. Кристалл в целом остается электрически нейтральным, так как отрицательный заряд каждого свободного электрона уравновешивается соответствующим положительным зарядом ядра примесного атома, положение которого в решетке определяется его связями. Легированный таким образом материал называется полупроводником n-типа; это означает, что его свободные носители заряда имеют отрицательный знак

(negative).

Атомы, имеющие только три валентных электрона, также вписываются в кристаллическую решетку кремния. Однако теперь число электронов оказывается недостаточным для образования прежних связей. Место, которое за отсутствием электрона остается вакантным, называется «дыркой». В дальнейшем электрон, появившийся вблизи дырки, может заполнить недостающую связь. При этом энергия электрона не изменяется. Перемещаясь, электрон нарушает ближайшую связь, оставляя там дырку, то есть процесс сводится к обмену положениями между электроном и дыркой. Когда электрон стремится занять место дырки, создается впечатление, что дырка перемещается в противоположном направлении. Поэтому для такого вещества в целом характерно свободное перемещение

18