Комбінована система теплопостачання із потрійо-орієнтованими сонячними колекторами та термоакумуляцією

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуальної проблеми підвищення ефективності систем сонячного теплопостачання із плоскими сонячними колекторами та комбінованими геліонагрівниками. Диссертация посвящена решению актуальной задачи повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения с плоскими солнечными коллекторами, а также комбинированных солнечных коллекторов. На основании анализа литературных данных установлено, что системы теплоснабжения со стационарными плоскими солнечными коллекторами неэффективно используют солнечную энергию в утренние и вечерние часы. Применение тройно-ориентированных солнечных коллекторов позволяет решить эту проблему, однако недостаточно изучен вопрос оптимальной установки солнечных коллекторов такой системы. Разработана математическая модель поступления солнечной энергии на систему тройно-ориентированных солнечных коллекторов и осуществлено компьютерное моделирование поступления солнечной энергии для широт Украины и разных азимутных отклонений. Установлено, что при азимутном отклонении γ = ± 160 наблюдается расширение работы на протяжении дня и максимально возможно поступление энергии на протяжении года, при этом расширяется диапазон работы системы на 40 мин., что не наблюдалось при других азимутных отклонениях. Проведен анализ термоаккумуляции комбинированным гелионагревателем солнечной энергии на протяжении дня. Записано дифференциальное уравнение теплового баланса и получена аналитическая зависимость для определения температуры теплоносителя в комбинированном гелионагревателе за определенный промежуток времени в зависимости от интенсивности поступающей на него солнечной энергии. Осуществлено математическое моделирование термоаккумуляции комбинированным гелионагревателем солнечной энергии. В результате лабораторных исследований получены эмпирические зависимости эффективности солнечного коллектора и гелиосистемы в целом от азимутного угла, угла наклона солнечного коллектора и интенсивности излучения источника, которые показали, что эффективность солнечного коллектора к определенному предельному значению углов падения почти не уменьшается, а далее резко падает. На основании натурных исследований тройно-ориентированной системы солнечных коллекторов установлено, что азимутное отклонение 150 позволяет увеличить мгновенную дневную тепловую мощность системы до 26%, а с секционным баком-аккумулятором можно получить до 11% больше тепловой энергии и расширить время эффективной работы системы на 40 минут. Сочетание солнечного коллектора и бака-аккумулятора позволяет значительно упростить установку солнечного теплоснабжения. Изготовление комбинированного гелионагревателя с тройно-ориентированным теплопоглотителем и с внутренней перегородкой для циркуляции теплоносителя позволяет получить на 13% больше тепловой энергии, по сравнению с плоским теплопоглотителем. Разработаны и защищены патентом Украины схемные решения солнечного теплоснабжения с использованием тройно-ориентированных солнечных коллекторов и термоаккумуляции в секционном баке-аккумуляторе. Разработаны конструкции комбинированных гелионагревателей с тройно-ориентированным теплопоглоти- телем и циркулирующей перегородкой, которые защищены 2 патентами Украины. На основании теоретических и экспериментальных исследований с использованием известных методов расчета систем солнечного теплоснабжения усовершенствован инженерный метод и алгоритм расчета системы солнечного теплоснабжения с тройно-ориентированными солнечными коллекторами и термоаккумуляцией. Комбинированная система солнечного теплоснабжения с тройно-ориентированными солнечными коллекторами и термоакумуляцией внедрена в лагере, а разработанный метод ее расчета внедрен в проектную практику на ОАО "Галгазотерм". Технико-экономические расчеты позволяют констатировать возможность сбережения энергии на потребности горячего водоснабжения при использовании комбинированной системы теплоснабжения с тройно-ориентированными солнечными коллекторами и термоаккумуляцией до 25%. Приведенные затраты при использовании комбинированных гелионагревателей для потребностей горячего водоснабжения меньше по сравнению с применением активной системы солнечного теплоснабжения. Удосконалено математичну модель надходження сонячної енергії на потрійно-орієнтовану систему сонячних колекторів. Визначено оптимальні кути взаєморозташування сонячних колекторів. Проведено лабораторні дослідження для виявлення ефективності системи СТ залежно від кута нахилу сонячного колектора та азимутального кута падіння теплового потоку та його інтенсивності. Отримано графічні та аналітичні залежності. Здійснено натурні дослідження системи теплопостачання із потрійно-орієнтованими сонячними колекторами. Визначено оптимальні кути встановлення сонячних колекторів такої системи. Удосконалено та досліджено комбінований геліонагрівник із потрійно-орієнтованим теплопоглиначем. Визначено його оптимальні конструктивні розміри. Удосконалено метод розрахунку досліджених систем СТ. Розроблено програму для комп'ютерного розрахунку надходження сонячної енергії на потрійно-орієнтовану систему сонячних колекторів. Здійснено техніко-економічне обґрунтування запропонованих систем СТ. Результати досліджень впроваджені для СТ оздоровчого табору, у проектну практику та у навчальному процесі Національного університету "Львівська політехніка". Dissertation is dedicated to solution of the urgent task of efficiency increasing of the solar heat supply systems with flat solar collectors and combined solar heaters. The mathematical model of solar energy intake on the triple oriented system of the solar collectors is improved. Optimal angles of the solar collectors mutual arrangement have been determined. Laboratory investigations concerning detection of solar system efficiency against two angles of incidence of thermal stream and its intensity are carried out. Graphic and analytical dependences are obtained. Model research of the heat supply system with triple oriented solar collectors is carried out. Optimal angles of solar collectors installation of such system are determined. Designed solar heater with triple oriented thermal absorber is improved and investigated. Its optimal constructional sizes are determined. The methods of calculation of investigation systems are improved. Program for computer calculation of obtained solar energy is elaborated. The feasibility study of these solar heat supply systems is carried out. The results of the research are adopted for solar supply of health camp and also in design practice.