Туркменистан, город Мары
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Солнечная энергия
считается крупнейшим возобновляемым источником энергии. Земля
получает примерно 3,9
∙ 10
24
Дж = 1,08
∙ 10
18
кВтч
∙
солнечной радиации в год, это в 10 000 раз
превышает ежегодные потребности человечества в энергии и превосходит мировые виды
углеводородного и ядерного топлива. Климатические и географические условия
Туркменистана особенно подходят для широкого использования возобновляемых источников
энергии. Продолжительность солнечного сияния в Туркменистане составляет 2768-3081 час в
год. По оценкам, потенциал солнечной энергии составляет 1,4 миллиарда тонн ископаемого
топлива в год.
Энергетический потенциал возобновляемых источников энергии в стране определен
как 110 миллиардов тонн условного топлива в год, а наиболее эффективными направлениями
являются солнечная и ветровая энергетика.
В данной научной статье рассматриваются методы использования солнечной энергии –
одного из наиболее эффективных видов возобновляемых источников энергии – для горячего
водоснабжения Государственного энергетического института Туркменистана.
В настоящее время горячее водоснабжение комплекса зданий Государственного
энергетического института Туркменистана обеспечивается тремя водогрейными котлами
Ferroli PREHTHERM RSW немецкого производства. Эти водонагреватели работают на
природном газе и эксплуатируются сезонно в течение года. Например, осенью и зимой
используются два котла, а весной и летом – один котел. По полученным данным, два
водогрейных котла потребляют до 200 м
3
природного газа за 1 час для нагрева воды от
холодной до 85°C. Затем горячую воду температурой 85°C направляют в учебные корпуса и
общежития. Температура воды, поступающей из построек, составляет 75°C. Установлено, что
на нагрев от 75°C до 85°C в установившемся режиме за 1 час расходуется 56 м
3
природного
газа.
В нашем институте планируется установить солнечный водонагреватель с целью
снижения воздействия вредных газов, выбрасываемых в окружающую среду при сжигании
природного газа, а также экономии топлива.
В солнечных водонагревателях преобразование солнечной энергии в тепловую
происходит за счет поглощения атомами в материале электромагнитного излучения. При этом
энергия излучения переходит в кинетическую энергию атомов и молекул, что приводит к
318
нагреву материала. Основным элементом солнечной системы отопления является коллектор.
В нем солнечная энергия поглощается и передается теплоносителю (жидкости). Коллекторы
бывают разных типов, но все они поглощают как прямое, так и рассеянное излучение, что
позволяет им работать даже в пасмурную погоду. Учитывая доступность этого коллектора, он
способен нагревать жидкости до 100 ℃.
В данной научной статье предлагается снизить воздействие вредных газов,
выбрасываемых в окружающую среду, и сэкономить природный газ путем установки
солнечных
водонагревательных
устройств
вместо
водонагревательных
котлов
Государственного энергетического института Туркменистана .
Схема структуры, предложенной в этой статье, показана на рисунке 1.
Рисунок 1 . Схема солнечной установки для горячего водоснабжения.
1- Солнечный коллектор, 2- Бак-аккумулятор, 3- Теплообменник, 4- Насос, 5-
Воздушный эжектор, 6- Манометр, 7- Расширительный бак, 8- Водопроводные трубы,
9- Предохранительный клапан, 10- Сливной вентиль, 11 - Запорный кран, 12 - Обратный
клапан, 13 - Шаровой клапан.
Схема предлагаемой конструкции реализуется в следующей последовательности.
Солнечный коллектор (1) является основной частью гелиоустановки,
обеспечивающей преобразование солнечной энергии в тепловую. Вырабатываемое в
солнечном коллекторе тепло передается в бак-аккумулятор (2) с теплоносителями (вода,
антифриз) по тепловым трубам (8), и тепловая энергия аккумулируется в баке-аккумуляторе,
обеспечивая нагрев водяного теплообменника (3). В солнечном контуре для привода
теплообменников используются насосы (4), которые устанавливаются перед входом рабочего
устройства в солнечный коллектор. Затем устанавливается воздушный эжектор (5) для
удаления воздуха из солнечного коллектора.
Для измерения давления в солнечном коллекторе предусмотрен манометр (6).
Необходимо учитывать возможность образования паров в расширительном баке (7)
солнечного коллектора. Рекомендуется использовать коррозионностойкие, прочные медные
водопроводные трубы (8) с хорошей устойчивостью к высоким температурам. Для
предотвращения повреждений предохранительный клапан (9) должен автоматически
открываться, когда давление в контуре солнечной батареи достигает критического уровня. В
солнечном коллекторе сливной вентиль (10) расположен в нижней части солнечного контура.
Солнечный контур заполняется и опорожняется через этот вентиль. При заполнении и
опорожнении солнечного контура вентиляционное отверстие должно находиться в открытом
положении, чтобы обеспечить выход воздуха. В солнечном контуре повышается давление,
которое сначала ощущает расширительный бак, сбрасывающий давление, но если давление
превышает критический уровень (обычно 4-6 бар для горячего водоснабжения), открывается
предохранительный клапан, и теплоноситель - жидкость или газ - выходит через него в
319
сборную емкость (11). Обратный клапан (12) ограничивает движение теплообменника только
в одном направлении. Естественный цикл может происходить ночью в заряженном
аккумуляторе солнечного контура. За счет энергии, накопленной в баке-аккумуляторе,
теплоноситель нагревается и стремится вверх. Энергия проходит через солнечный коллектор
и рассеивается в окружающую среду за счет излучения, теплопроводности и конвекции, так
что ночью батарея разряжается за счет естественной циркуляции. Для устранения таких потерь
тепла используется обратный клапан, который предотвращает поток теплоносителя только в
одном направлении. Шаровой клапан (13) позволяет проводить обслуживание компонентов,
расположенных между шаровыми клапанами, без отключения солнечной установки.
Данное исследование проводится путем расчета
[3]
коэффициента полезного действия
при установке солнечных водонагревателей вместо водогрейных котлов. Масса 1 часа
потребления природного газа определяется по следующей формуле.
КПД солнечного водонагревателя определяется по формуле:
𝜂
𝑃𝑇𝐾
=
𝑄
СВП
𝑄
ИЗЛ
∙ 100% =
3,6
4,8
∙ 100% = 75%
Где
𝑄
СВП
−
количество тепла, которое водонагреватель получает с помощью солнца;
𝑄
ИЗЛ
- количество тепла, полученного при испарении;
Солнечный водонагреватель
количество поглощенного тепла определяют следующим
образом.
𝑄
СВП
= 𝑄
в
+ 𝑄
к
Где
𝑄
к
определяется путем наливания в устройства определенного количества воды при
определенной температуре и вычисления температурного баланса
∆𝑄
в𝑠
= 𝑄
к
системы.
∑
𝐶
𝑖
𝑚
𝑖
= 𝐶
𝑠
𝑚
𝑠
∙
(𝑡
зал
−𝑡
р
)
(𝑡
р
−𝑡
нач
)
𝐴
𝑖=1
= 4187 ∙ 10 ∙
(50−35,5)
(35,5−20)
= 39,168 кДж/кг
∑ 𝐶
𝑖
𝑚
𝑖
= 𝐶
𝑠
𝑚
𝑠
∙
(𝑡
зал
− 𝑡
р
)
(𝑡
р
− 𝑡
нач
)
𝐴
𝑖=1
= 4187 ∙ 10 ∙
(55 − 38,5)
(38,5 − 21)
= 39,477 кДж/кг
∑ 𝐶
𝑖
𝑚
𝑖
= 𝐶
𝑠
𝑚
𝑠
∙
(𝑡
зал
− 𝑡
р
)
(𝑡
р
− 𝑡
нач
)
𝐴
𝑖=1
= 4187 ∙ 10 ∙
(60 − 41,6)
(41,6 − 22)
= 39,306 кДж/кг
∑ 𝐶
𝑖
𝑚
𝑖
= 𝐶
𝑠
𝑚
𝑠
∙
(𝑡
зал
− 𝑡
р
)
(𝑡
р
− 𝑡
нач
)
𝐴
𝑖=1
= 4187 ∙ 10 ∙
(70 − 47,2)
(47,2 − 23)
= 39,447 кДж/кг
∑ 𝐶
𝑖
𝑚
𝑖
= 𝐶
𝑠
𝑚
𝑠
∙
(𝑡
зал
− 𝑡
р
)
(𝑡
р
− 𝑡
нач
)
𝐴
𝑖=1
= 4187 ∙ 10 ∙
(80 − 52,9)
(52,9 − 24)
= 39,262 кДж/кг
∑ 𝐶
𝑖
𝑚
𝑖
= 𝐶
𝑠
𝑚
𝑠
∙
(𝑡
зал
− 𝑡
р
)
(𝑡
р
− 𝑡
нач
)
𝐴
𝑖=1
= 4187 ∙ 10 ∙
(90 − 58,5)
(58,5 − 25)
= 39,370 кДж/кг
Где:
𝐶
𝑖
- удельное тепловое давление i-го элемента солнечного водонагревателя,
|
