XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Ключевые слова: солнечные коллекторы, гелиосистема, система горячего водоснабжения.

Key words: solar collectors, heliosystem, hot water supply.

Критическая экологическая обстановка окружающей среды ставит перед обществом острую необходимость экономии энергетических ресурсов. Выходом из данной ситуации является использование возобновляемых источников энергии.

Наиболее распространенным и доступным возобновляемым источником энергии является солнечная радиация. Люди используют солнечное тепло с незапамятных времен. Солнце излучает огромное количество энергии около 1,1x1020 кВт·ч в секунду.

Солнце обеспечивает нас колоссальным количеством бесплатной энергии, которую можно использовать для обеспечения нужд человека. Например, преобразовывать в тепловую энергию для покрытия нагрузок систем отопления и горячего водоснабжения.

Анализ исследований в области использования солнечной энергии показал, что применение гелиоэнергетики распространено, в основном, для теплоснабжения частных домов и сельскохозяйственных зданий. Но перспективным направлением гелиоэнергетики является энергоснабжение производственных процессов. Например, использование гелиоколлекторов в системе горячего водоснабжения в летние месяцы.

В исследовательской работе рассматривается система горячего водоснабжения механосборочного цеха №2АО «Транспневматика» в городе Первомайск Нижегородской области, а так же производится оценка эффективности системы ГВС на базе солнечного плоского коллектора Bosch Solar 4000 TF FCC 220-2V. Данная система ГВС будет альтернативой для традиционной системы, которая будет использоваться в летние месяцы для обеспечения горячей водой бытовые помещения.

Помещение механосборочного цеха предназначено для выпуска компрессорных установок, компрессоров, дисковых тормозов и другой продукции. В цехе располагается четыре сборочных участка, участок механической обработки деталей компрессоров и три участка механообработки.

Производственный процесс механосборочного цеха связан с постоянным присутствием людей поэтому график работы 2-3 сменный.

В бытовых помещениях цеха имеется потребность в горячей воде с температурой 65 . Такая температура, вероятно, может быть получена путем использования солнечной энергии в летний период.

В ходе исследовательской работы 2020 года было выбрано наиболее подходящее направление по сторонам света для солнечного коллектора, Результатом которого стал выбор юго-восточного направления, оно давало пиковое количество суммарной солнечной радиации за месяц [3]. В таблице 1 приведены результаты расчета суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность для юго-восточного направления.

Табл. 1. Суммарная солнечная радиация в г. Первомайск.

Суммарная радиация, МДж/м2·мес:
Сторона света	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
- ЮВ	298	333	341	326	241

Для определения количества вырабатываемой энергии солнечным коллектором, необходимо рассчитать температуру приемной поверхности коллектора по формуле [4]:

(1)

где

Т_к - температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня (в расчетах принимается равной конечной температуре, до которой следует нагреть воду), ;

Т_нв – средняя температура наружного воздуха за месяц, . [1]

Теперь рассчитаем количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором в каждый рассчитываемый месяц.

, МДж/м² (2)

где

- коэффициент переноса солнечной энергии к жидкости, равный 0,85;

Н - суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, МДж/м²;

τ - коэффициент пропускания солнечного излучения прозрачным покрытием (для плоского солнечного коллектора Bosch Solar 4000 TF FCC 220-2V равен τ =0,915);[4]

- термическое сопротивление приемной поверхности коллектора ( = 0,13 м² /Вт). [4]

В исследовании 2020 г были посчитаны необходимые нагрузки на ГВС для обеспечения требуемым количеством горячей воды работников цеха, которые приведенные в таблице 2. [3]

Необходимая площадь солнечного коллектора для покрытия нагрузок ГВС рассчитывается по формуле:

(3)

Где – КПД солнечного коллектора, для Bosch Solar 4000 TF FCC 220-2V .

Теперь находим необходимое количество солнечных коллекторов:

где - площадь абсорбера для Bosch Solar 4000 TF FCC 220-2V равна 1,92 м².[4]

Результаты проведенных расчетов для каждого рассчитываемого месяца (с мая по сентябрь) приведены в таблице 2.

Табл. 2. Расчет площади и количества солнечных коллекторов.

	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
Суммарная радиация, H, МДж/м2·мес	298	333	341	326	241
Температура наружного воздуха,Тнв,℃	12,2	16,7	18,5	16,8	10,8
Конечная температура горячей воды,Тк, ℃	65	65	65	65	65
Температура приемной поверхности коллектора, °К	311,6	313,85	314,75	313,9	310,9
Удельная энергия , Qуд, МДж/м2	1920,9	2128,2	2174,2	2084,3	1556,9
Месячные нагрузки на ГВС , Qгв, МДж	7365,2	8271,1	9058,8	8271,1	9531,4
Площадь солнечного коллектора, Пск, м2	32,5	32,7	34,9	33,4	52,0
Колличество солнечных кллекторов, n, шт	17	17	18	17	27

Анализ результатов расчета площади солнечного коллектора показывает, что возможность замены традиционной системы ГВС системой горячего водоснабжения на базе солнечных коллекторов полностью оправдывает себя. Полученные значения площади для рассчитываемых месяцев реально расположить на крыше рассматриваемого механосборочного цеха. Так же эффективность такай системы подтверждается автономностью источника тепловой энергии. В случае перебоев в газоснабжении такую систему можно использовать как минимальную замену традиционной системы отопления.

Одним из положительных эффектов системы с солнечными коллекторами это оптимизация и уменьшение эксплуатационных затрат на энергетические ресурсы, а также увеличивает срок службы основной системы и котельной, так как дает возможность полностью отказаться в летнее время от работы котельной. Это позволит выполнять ремонтные работы и длительные проверки в промышленной котельной без вреда для производства.

Горячая вода, идущая на бытовые нужды промышленного цеха, приготовленная таким способом, получится в стоимостном выражении во много раз дешевле, чем при генерации в котельной, то есть при сжигании топлива.

У гелиосистемы полностью отсутствуют выбросы и отходы в окружающую среду, поэтому с точки зрения выбросов в атмосферу такая система имеет преимущество перед традиционными на природном газе.

Список литературы:

ТСН 23-301-97 СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ ДЛЯ ПУНКТОВ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ (ТСН 31-301-96 НН) - введ. Постановлением Губернатора Нижегородской области № 312 от 29.11.96. - Взамен СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика" для пунктов Нижегородской области. - Администрация Нижегородской области – 2 с.

Возобновляемые источники энергии [Текст] : учебное пособие к практическим занятиям / И. М. Кирпичникова, Е. В. Соломин ; М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский гос. ун-т, Каф. электротехники. - Челябинск : Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - 49, [1] с. : ил.; 21 см.

Махова А. С., Лебедева Е. А. Использование солнечной энергии в системе горячего водоснабжения промышленного цеха / X Всероссийский фестиваль науки [Электронный ресурс]: сборник докладов в 2-х томах. Том 1. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т; редкол.: А.А. Лапшин, И.С. Соболь, Д.В. Монич [и др.] – Н. Новгород: ННГАСУ, 2020 – 576 с.

[Электронный ресурс]. Плоский солнечный коллектор Bosch Solar 4000 TF FCC 220-2V URL: https://www.e-sale.kiev.ua/tovar.php?id=2975 (дата обращения: 17.11.2020).

Код для цитирования: Скопировать