2015-04-12
655
1. Рассчитать суммарную солнечную радиацию, поступающую на горизонтальную поверхность, в среднем за день i-того месяца:
(1)
где: а, b – постоянные коэффициенты;
S0 –возможная продолжительность солнечного сияния,ч;
–действительная продолжительность солнечного сияния,ч; брать из таблицы 2.2; 2.3 учебника [1] для 4;5 районов*.
- эталонное (условное) значение суммарной энергии.
Уровень солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность в среднем за день данного месяца:
(1.2)
R зависит от угла наклона поверхности гелиоустановки к горизонтальной плоскости, расчет следует провести для всех возможных углов наклона (месяц май).
Таблица 2. Значение величины R, месяц май
| φ град | R | 
|
| 1,01 1,02 1,02 1,02 1,02 1,01 1,00 0,98 0,95 0,92 0,89 0,85 0,81 0,77 0,72 0,67 0,62 0,56 | 20,3 20,5 20,5 20,5 20,5 20,3 20,1 19,69 19,1 18,5 17,9 17,1 16,3 15,5 14,5 13,5 12,5 11,3 |
Из полученных данных видно, что для определения оптимального угла наклона достаточно просчитать искомые значения для углов наклона от 10 0 до 25 0, когда ожидается максимум солнечной энергии в рассматриваемый месяц (по остальным месяцам данные для расчетов брать для угла 20о).
Результаты расчета сведены в таблицу 3.
Таблица 3
| Угол наклона, 0 | Интенсивность солнечной энергии на наклонной поверхности в среднем за день месяца НТ, МДж/м2 | ||||
| май | июнь | июль | август | сентябрь | |
Таблица 2.2. Значение коэффициентов a,b,S0 для Челябинской области (52,50 с.ш.)
| Величина | Месяц | |||||
| Январь | Февраль | Март | Апрель | Май | Июнь | |
| a | 0.15 | 0.14 | 0.20 | 0.17 | 0.12 | 0.10 |
| b | 0.18 | 0.41 | 0.40 | 0.45 | 0.54 | 0.54 |
| S0,ч | ||||||
| Месяц | ||||||
| Июль | Август | Сентябрь | Октябрь | Ноябрь | Декабрь | |
| a | 0.18 | 0.11 | 0.14 | 0.19 | 0.16 | 0.13 |
| b | 0.40 | 0.48 | 0.44 | 0.44 | 0.42 | 0.32 |
| S0,ч |
Таблица 2.3. Средние значения величины для различных районов Челябинской области
| Номер района. Характерные населенные пункты | Величина ,ч, для месяца
| |||||
| Январь | Февраль | Март | Апрель | Май | Июнь | |
| 1.Бреды, Кизильское, Карталы | 3,5 | 4,8 | 6,2 | 8,1 | 9,4 | 10,5 |
| 2.Агаповка, Варна, Троицк, Октябрьское | 3,1 | 4,5 | 5,8 | 7,8 | 9,2 | 10,3 |
| 3.Верхнеуральск, Чесма, Пласт, Увельское, Еткуль | 2,8 | 4,5 | 5,4 | 7,4 | 8,8 | 9,8 |
| 4.Чебаркуль, Аргаяш, Челябинск, Миасское, Кунашак | 2,5 | 4,2 | 5,2 | 7,4 | 8,6 | 9,6 |
| 5. Нязепетровск, Кыштым, Верхний Уфалей | 2,2 | 5,2 | 7,3 | 8,6 | 9,4 | 9,0 |
| Номер района. Характерные населенные пункты | Величина ,ч, для месяца
| |||||
| Июль | Август | Сентябрь | Октябрь | Ноябрь | Декабрь | |
| 1.Бреды, Кизильское, Карталы | 10,5 | 9,5 | 6,8 | 4,3 | 3,0 | 2,5 |
| 2.Агаповка, Варна, Троицк, Октябрьское | 10,3 | 8,9 | 6,4 | 3,8 | 2,9 | 2,5 |
| 3.Верхнеуральск, Чесма, Пласт, Увельское, Еткуль | 9,9 | 8,4 | 6,3 | 3,5 | 2,6 | 2,0 |
| 4.Чебаркуль, Аргаяш, Челябинск, Миасское, Кунашак | 9,4 | 7,9 | 5,6 | 3,4 | 2,2 | 1,9 |
| 5. Нязепетровск, Кыштым, Верхний Уфалей | 9,0 | 7,5 | 5,3 | 2,9 | 2,0 | 1,8 |
Таблица 2.4. Значение величины R для зоны Южного Урала
| φ, град | Месяц | |||||||||||||||||
| I | 1,22 | 1,44 | 1,65 | 1,85 | 2,05 | 2,23 | 2,40 | 2,55 | 2,69 | 2,82 | 2,88 | 3,01 | 3,08 | 3,13 | 3,16 | 3,18 | 3,17 | 3,14 |
| II | 1,15 | 1,30 | 1,45 | 1,58 | 1,71 | 1,83 | 1,94 | 2,04 | 2,13 | 2,20 | 2,16 | 2,31 | 2,35 | 2,37 | 2,38 | 2,37 | 2,35 | 2,31 |
| III | 1,08 | 1,17 | 1,24 | 1,31 | 1,38 | 1,43 | 1,48 | 1,52 | 1,55 | 1,57 | 1,59 | 1,59 | 1,59 | 1,58 | 1,55 | 1,52 | 1,48 | 1,43 |
| IV | 1,03 | 1,07 | 1,10 | 1,12 | 1,14 | 1,16 | 1,17 | 1,17 | 1,17 | 1,16 | 1,15 | 1,13 | 1,11 | 1,08 | 1,05 | 1,01 | 0,97 | 0,92 |
| V | 1,01 | 1,02 | 1,02 | 1,02 | 1,02 | 1,01 | 1,00 | 0,98 | 0,95 | 0,92 | 0,89 | 0,85 | 0,81 | 0,77 | 0,72 | 0,67 | 0,62 | 0,56 |
| VI | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 0,99 | 0,98 | 0,96 | 0,94 | 0,92 | 0,89 | 0,86 | 0,82 | 0,78 | 0,74 | 0,69 | 0,65 | 0,60 | 0,54 | 0,49 |
| VII | 1,00 | 1,01 | 1,01 | 1,00 | 1,00 | 0,98 | 0,97 | 0,94 | 0,92 | 0,89 | 0,85 | 0,81 | 0,77 | 0,73 | 0,68 | 0,63 | 0,58 | 0,52 |
| VIII | 1,02 | 1,04 | 1,06 | 1,07 | 1,08 | 1,08 | 1,08 | 1,06 | 1,05 | 1,02 | 1,00 | 0,96 | 0,93 | 0,88 | 0,84 | 0,78 | 0,73 | 0,67 |
| IX | 1,05 | 1,11 | 1,15 | 1,19 | 1,23 | 1,25 | 1,27 | 1,28 | 1,29 | 1,28 | 1,27 | 1,25 | 1,23 | 1,19 | 1,15 | 1,11 | 1,05 | 0,99 |
| X | 1,10 | 1,21 | 1,31 | 1,40 | 1,48 | 1,56 | 1,63 | 1,69 | 1,74 | 1,78 | 1,75 | 1,83 | 1,84 | 1,84 | 1,83 | 1,81 | 1,78 | 1,73 |
| XI | 1,19 | 1,38 | 1,57 | 1,74 | 1,91 | 2,07 | 2,21 | 2,34 | 2,46 | 2,57 | 2,62 | 2,73 | 2,79 | 2,83 | 2,85 | 2,86 | 2,84 | 2,81 |
| XII | 1,24 | 1,47 | 1,70 | 1,93 | 2,14 | 2,34 | 2,52 | 2,69 | 2,85 | 2,99 | 3,10 | 3,21 | 3,29 | 3,35 | 3,38 | 3,40 | 3,40 | 3,37 |
2. Рассчитать дневную удельную теплопроизводительность гелиоустановки в i - м месяце:
(2)
где: 
- температура окружающего воздуха (К).
- температура воды на входе в коллектор принимаем равным 323 К;
- температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня.
Температуру окружающего воздуха выбрать из таблицы 1.
По полученным данным определить оптимальный угол наклона солнечного коллектора и удельную суммарную теплопроизводительность гелиоустановки за месяц,за сезон.
Аналогичный расчет выполняем для углов наклона гелиоустановки 15, 20, 25 и 30 градусов, результаты сводим в таблицу 4.
Таблица 4
| Угол наклона, 0 | Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки, МДж/м2 | |||||
| май | июнь | июль | август | сентябрь | за сезон | |
3. Определить потребное количество энергии для нагрева воды за месяц,за сезон:
(3)
где: N = 31 - число дней в месяце;
n1 - количество проживающих;
m1 = 50 кг - суточная норма расхода воды на 1 человека;
С = 4,19 кДж/(кг · оК) - теплоемкость воды;
Т2 = 318 оК (45 оС) - температура нагретой воды;
Т1 - температура окружающего воздуха.
4. Вычислить необходимую площадь гелиоустановки в i-том месяце:
(4)
По потребной площади гелиоустановки определяем количество солнечных коллекторов, принимая во внимание, что один коллектор Братского завода отопительного оборудования имеет площадь 0,8 м2. Желательно принимать четное кол-во коллекторов для соединения их по параллельно-последовательной схеме.
4.1 Определить количество коллекторов.
4.2 Общую площадь коллекторов.
Результаты расчета сводим в таблицу 5.
Таблица 5
| Показатели | Месяц | за сезон | ||||
| май | июнь | июль | август | сентябрь | ||
| Потребное количество энергии за месяц QП, МДж | ||||||
| Дневная потребность в энергии QДНП, МДж | ||||||
| Дневная удельная теплопроизводительность гелиоустановки, МДж/м2 | ||||||
| Потребная площадь гелиоустановки, м2 | ||||||
| Выбранное количество коллекторов, шт. | ||||||
| Площадь коллекторов, м2 |
1 кВт·ч = 3,6 МДж
5. Оценить энергетические показатели системы горячего водоснабжения:
5.1. Коэффициент использования потенциальной энергии. Служит для выбора оптимального угла наклона гелиоустановки. Определить долю потенциальной энергии, используемой гелиоустановки при наиболее рациональном угле наклона:
(5.1)
Нуi - утилитарная суммарная солнечная энергия в i -ом месяце под определенным углом наклона гелиоустановки; 
- суммарная солнечная энергия в этот же месяц, под углом наклона установки, обеспечивающей ее максимальное поступление.
5.2. Коэффициент использования энергии, вырабатываемой гелиоустановкой.
(5.2)
где: 
–вырабатываемая;
-потребное количество энергии в i-м месяце;
-полезная используемая энергия в i-м месяце, принимается из условий: 
Коэффициент 
так как вырабатываемая энергия используется потребителем. При определенной площади гелиоустановки и ее угле наклона возможны излишки выработанной энергии 
которая не используется потребителем и снижает эффективность установки. Коэффициент использования гелиоустановки 
за сезон оценивается по выражению:
(5.2.1)
5.3. Коэффициент обеспечения потребителей солнечной энергией
(5.3)
Результаты расчетов сводим в таблицу 6.
Таблица 6
| пло-щадь, м2 | май | июнь | июль | август | сентябрь | за сезон | ||||||
| Кисп | Коб | Кисп | Коб | Кисп | Коб | Кисп | Коб | Кисп | Коб | Кисп | Коб | |
5.4. Коэффициент замещения потребной энергии. Показывает долю замещаемой потребной энергии с учетом режима вариации поступающей энергии.
(5.4)
- обеспеченность продолжительности солнечного сияния в i-том месяце.
Результаты расчетов всех вариантов заносим в таблицу 7.
Таблица 7
| пло-щадь, м2 | май р(S) = 0,60 | июнь р(S) = 0,52 | июль р(S) = 0,5 | август р(S) = 0,55 | сентябрь р(S) = 0,6 | за сезон |
6. Оценить экономическую эффективность использования гелиоустановки и определить оптимальную ее площадь:
Для определения оптимальной площади гелиоустановки сравниваются экономические показатели и ее эффективность за сезон.
6.1. Определить количество полезной выработанной энергии и сэкономленного топлива при различной площади гелиоустановки.
Полезно используемая энергия за месяц:
(6)
Количество сэкономленного топлива:
(6.1)
- тепловая (теплотворная) способность условного топлива.
Эксплуатационный коэффициент полезного действия - 
учитывает потери топлива при транспортировке и хранении, преобразовании в теплогенерирующих установках и распределении по тепловым сетям, а также потери из-за неточности регулирования подачи теплоты:
(6.1.1)
где: 
- коэффициент, учитывающий потери топлива при транспортировке и хранении (в сельской местности 
);
- коэффициент полезного использования теплогенерирующих установок 
(электроэнергия);
- коэффициент, характеризующий потери теплоты в тепловых сетях (для укрупненных расчетов 
);
- коэффициент, характеризующий неточность регулирования подачи теплоты: 
.
6.2. Оценить эффективность гелиоустановки по энергетическим затратам. Определить затраченное количество энергии на создание гелиоустановки определенной площади:
(6.2)
эффективность энергозатрат:
(6.2.1)
Срок окупаемости гелиоустановки:
(6.2.2)
Оценка эффективности гелиоустановки по стоимостным показателям:
Сравнительную эффективность можно определить по выражению
(6.2.3)
Можно сделать вывод, что ежегодные затраты на установку превышают выручку, получаемую от экономии органического топлива.
Себестоимость тепловой энергии при данных затратах определяют по формуле:
(6.2.4)
-эксплуатационные издержки на гелиоустановку, складывающиеся из отчислений на амортизацию, текущий ремонт и т.д.
Таблица 8. Месячные суммы солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе
| Широта местности, град. | Суммарная солнечная радиация кВт*ч/м2 | |||||
| Январь | Февраль | Март | Апрель | Май | Июнь | |
| 8,1 | 32,6 | 93,0 | 168,6 | 233,8 | 265,2 | |
| 20,9 | 50,0 | 115,1 | 186,1 | 241,9 | 266,3 | |
| 36,1 | 72,1 | 136,1 | 201,2 | 248,9 | 272,1 | |
| 55,8 | 95,4 | 154,7 | 215,2 | 258,2 | 275,6 | |
| 77,9 | 119,8 | 172,1 | 226,8 | 262,8 | 278,0 | |
| 102,3 | 141,9 | 190,7 | 236,1 | 267,5 | 279,1 |
Продолжение
| Широта местности, град. | Суммарная солнечная радиация кВт*ч/м2 | |||||
| Июль | Август | Сентябрь | Октябрь | Ноябрь | Декабрь | |
| 254,7 | 181,3 | 110,5 | 50,0 | 16,3 | 2,3 | |
| 248,9 | 194,2 | 131,4 | 70,9 | 30,2 | 12,8 | |
| 254,7 | 208,2 | 150,0 | 90,7 | 46,5 | 34,9 | |
| 262,8 | 222,1 | 167,4 | 112,8 | 67,5 | 26,7 | |
| 269,3 | 233,7 | 183,8 | 133,7 | 90,7 | 68,6 | |
| 272,1 | 243,1 | 205,9 | 153,6 | 112,8 | 89,6 |
Рекомендуемая учебная литература
1. Саплин Л.А. и др. Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Учебное пособие / Шерьязов С.К.,Пташкина – Гирина О.С., Ильин Ю.П. Под общей ред. д-ра техн. проф. Л.А. Саплина. Челябинск: ЧГАУ, 2000.
Дополнительная
1. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Учебное издание. 2-е изд. испр. И доп. – М.: ИП РадиоСофт, 2009. – 232 с.: ил.
Приложение А
Форма титульного листа расчетно-пояснительной записки
к курсовому проекту
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА»
Кафедра «Электроснабжение»
Расчетно – графическая работа по дисциплине
«Нетрадиционные возобновляемые источники энергии»
на тему:
расчет гелиоустановок
Выполнил студент ______группы _________ _______________
(подпись) (фамилия, и., о.)
Проверил __________________ ________________
(подпись) (фамилия, и., о.)
Ижевск 20___
Приложение Б
З А Д А Н И Е
к курсовому проекту по дисциплине
«Нетрадиционные возобновляемые
