Индивидуальные солнечные установки

РАСПОЛАГАЕМОЕ КОЛИЧЕСТВО СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА

Расчет солнечных установок включает определение располагаемого количества солнечной энергии, тепло - производительности солнечного коллектора и установки в целом, тепловой нагрузки отопления и горячего водо­снабжения, энергетических и геометрических характе­ристик гелиосистемы, в том числе площади поверхности коллектора, объема аккумулятора теплоты, годовой доли солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки и годо­вой экономии топлива.

Определение располагаемого количества солнечной энергии. Количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность Земли, сильно зависит от широты местности (см. рис. 1 и табл. 1). Отношение сред­немесячных приходов солнечной радиации в июне и де­кабре с увеличением широты возрастает, и на широте 50°-с. ш. оно приблизительно равно 13. Еще в большей мере различается поступление солнечной энергии в са­мый хороший и самый плохой дни года, при этом отно­шение Ямакс и £„ян может достигать 50. Эти данные сви­детельствуют о большом изменении в течение года коли­чества поступающей солнечной энергии, а следовательно, и о подобном изменении теплопроизводительности гелио­системы.

Для расчета располагаемого количества солнечной энергии, поступающего на наклонную лучепоглощающую поверхность, необходимо знать углы падения солнечных лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте. Положение некоторой точки А на зем­ной поверхности относительно солнечных лучей в дан­ный момент времени определяется тремя основными уг­лами — широтой местоположения точки <р, часовым уг­лом со и склонением Солнца б (рис. 66). Широта <р — это угол между линией, соединяющей точку А с центром Зем­ли 0, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол ю — это угол, измеренный в экваториальной плос­кости между проекцией линии 0А и проекцией линии, со­единяющей центры Земли и Солнца. Угол со=0 в солнеч­ный полдень, а 1 ч соответствует 15°. Склонение Солн­ца б — это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца б в течение года непрерывно изменя­ется— от —23°27' в день зимнего солнцестояния 22 де­кабря до + 23°27/ в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Склонение Солнца в данный день определяется по формуле

Б = 23,45 эт (360 -^1±ЛЛ V 365 )

Где п — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января. В качестве п обычно берется номер среднего расчетного дня месяца для I—XII месяцев года.

Ниже приводятся данные для п и б для среднего дня I—XII месяцев:

П................... 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

6, град. . —20,9 —13 —2,4 9,4 18,8 23,1 21,2 13,5 2,2 —9,6 —18,9 —23

Наряду с тремя основными углами <р, ю и б в расче­тах солнечной радиации используют также зенитный

Угол г, угол высоты а и азимут а Солнца (рис. 67).

Зенитный угол Солнца г — это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точ-

Ке А. Угол высоты Солнца ос—это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма a-j-z равна 90°. Ази­мут Солнца а — это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг. Азимут поверхности а„ измеряется как угол между нормалью к поверхности и направлением на юг.

Связь между дополнительными и основными углами устанавливается следующими уравнениями:

Зенитный угол cosz=coso) cos ф соаб+sinq) sin б;

Угол высоты Солнца а=90—2, поэтому sina=cosz;

Азимут Солнца sin а—sec a cos б sin ю.

В солнечный полдень (со=0) а—0 при ф>6 и а—я при ф<б.

Максимальный угол высоты Солнца достигается В солнечный полдень при (0 = 0, Т. е. С6макс = я/2—|ф—б |.

При пользовании приведенными формулами для се­верного полушария широта ф берется со знаком «+», а для южного — со знаком «—», склонение Солнца б имеет знак «+» для лета (от весеннего до осеннего рав­ноденствия) и знак «—» в остальное время года. Угол ы изменяется от 0 в солнечный полдень до 180° в полночь, при о)<90° он имеет знак «+»> а при ©>90° — знак «—». Азимут Солнца а изменяется от 0 до 180°.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ори­ентированную поверхность, имеющую азимут а„ и угол наклона к горизонту определяется по формуле

Cos I = sin р [cos б (sin ф cos ап cos ю + sin ап sin со) —

— sin б cos ф cos anl + cos {5 [cos 6 cos ф cos to + sin 6 sin ф],

Где ф — широта; б — склонение Солнца; ю —часовой угол Солнца.

Угол падения лучей на горизонтальную поверхность 0=0)

Cos г = cos б cos ф cos ю + sin б sin ф.

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (Р=90°)

Cos г = cos б (sin ф cos an cos со +

+ sin аи sin to) — sin б cos ф cos ап.

Азимут вертикальной поверхности ап в том случае, если она ориентирована на юг, равен 0°, на запад 90°, на

Восток —90°, на север 180°. Подставляя эти значения аа в последнюю формулу, получаем выражения - для угла падения лучей на вертикальную поверхность данной ориентации.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией (ап—0°) имеем

»

Cos i = sin (ф — Р) sin б + COS (ф — р) COS 6 COS 0).

Для обеспечения улавливания максимального коли - - чества (за расчетный период) солнечной энергии кол­лектор обычно устанавливают в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту.

Среднемесячное дневное суммарное количество сол­нечной энергии, поступающей на наклонную поверхность солнечного коллектора, определяется по формуле

Ев = RE,

Где Е — среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную по­верхность, МДж/(м2-дни); R — отношение среднемесяч­ных дневных количеств солнечной радиации, поступаю­щей на наклонную и горизонтальную поверхности.

В табл. 5 даны значения отношения /? среднемесяч­ных потоков суммарной солнечной радиации, поступаю­щей на наклонную и горизонтальную поверхности на од­ной широте (50° с. ш.). Это отношение представляет со­бой коэффициент пересчета количества солнечной энергии с горизонтальной плоскости на поверхность солнечного колектора с углом наклона к горизонту от 30 до 90° (вертикальное положение).

На количество солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность коллектора, оказывает влияние ориентация коллектора относительно южного направ­ления, характеризуемая углом между нормалью к плос­кости КСЭ и южным направлением — азимутом коллек­тора ак. При ак= ± 15° среднегодовой приход солнечной энергии на поверхность солнечного коллектора по срав­нению с южно ориентированным коллектором уменьша­ется всего на 2 %, а при ак=±40° — на 13 %, при этом наибольшее отклонение (25%) имеет место в январе — декабре и наименьшее (5 %) — в июне — июле.

Коэффициент пересчета количества солнечной энер­гии с горизонтальной поверхности на наклонную поверх­ность солнечного коллектора с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению:

Я = (I - А) Я. + 1+^1. + р,

Где Ер — среднемесячное дневное количество рассеянно­го солнечного излучения, поступающего на горизонталь­ную поверхность, МДж/(м2-дни); Ер/Е — среднемесяч­ная дневная доля рассеянного солнечного излучения; /?„ — среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; р — угол наклона поверхности солнечного коллектора к горизонту; р — коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обыч­но принимаемый равным 0,7 для зимы и 0,2 для лета.

В табл. П1 приведены данные по поступлению сум­марного и рассеянного солнечного излучения на гори­зонтальную поверхность для основных городов СССР, а более подробны^ данные содержатся в «Справочнике по климату СССР».

Среднемесячный коэффициент пересчета прямого сол­

Нечного излучения для поверхности наклонного коллек­тора с южной ориентацией имеет вид

Я

Cos (ф — Р) cos б sin Шз. н + to3.H sin (ф — Р) sin б

COS ф cos б sin С03 + — ' 0)3 sin ф sin б

180

Где <р — широта местности, град; Я — угол наклона кол­лектора к горизонту, град; б — склонение Солнца в средний день месяца, град.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизон­тальной поверхности

G>3 = arccos (— tg ф tg б).

В качестве часового угла захода Солнца для наклон­ной поверхности с южной ориентацией принимают мень­шую из двух величин: оь или величину <й3.н, рассчитан­ную по формуле

(03 я f= arccos [— tg (ф — Я) tg б].

Угол склонения Солнца б для среднего дня месяца рассчитывается по приведенной выше формуле:

Расход теплоты на отопление и горячее водоснабже­ние. Тепловую нагрузку отопления (Дж) для каждого месяца можно определить по формуле

Qo ~ Fl + Финф----------- Qb. t»

Где Kt — расчетный коэффициент теплопотерь для дан­ного элемента ограждающих конструкций (стен, окон, по­толка, пола), Вт/(м2-°С); Fi — площадь поверхности эле­мента ограждающих конструкций, м2; At — расчетная разность температур, °С; т — продолжительность рас­четного периода, с; QBH$ — теплопотери, обусловленные инфильтрацией холодного воздуха, Дж; QB. T — внутрен­нее тепловыделение от людей, оборудования, осветитель­ных приборов, Дж.

Для многослойных стен и других элементов огражде­ния коэффициент теплопотерь равен

/с=(—+ У]т"+”Г’

аВ ®н /

1=1

Где ав и ан — коэффициенты теплоотдачи для внутрен­ней и наружной поверхностей стены, Вт/(м2.°С); б/

И А; —толщина (м) и коэффициент теплопроводности [Вт/(м.°С)] слоя стены.

Средний расход теплоты (Дж) на горячее водоснаб­жение здания за расчетный период

Qг■в — 1,2йСр р (^гв ^х. в) Мп,

Где N — число жителей; а — норма расхода воды на го­рячее водоснабжение жилых зданий на 1 человека в сут­ки, л/сут; /х. в — температура холодной (водопроводной) воды, °С; Ср — удельная изобарная теплоемкость воды, равная 4190 Дж/(кг>°С); р — плотность воды, равная

1 кг/л; /г. в — температура горячей воды, °С; п — число дней в расчетном периоде.

Тепловую нагрузку отопления и горячего водоснабже­ния за месяц можно записать как дм ^

Годовая тепловая нагрузка складывается из месячных величин:

1

На рис. 68 приведена номограмма для определения расходов горячей-воды Уг. в (м3) и теплоты <3Г. В (ГДж) за месяц или год в зависимости от числа жителей Ы, су­точной нормы расхода воды а (л/дни) на 1 человека, раз­ности температур АТ горячей и холодной воды, °С.

Приведем пример пользования номограммой. При су­точной норме расхода воды 80 л/чел в день и разности температур воды Д7'=30оС годовой расчетный расход теплоты <2г°дв для N=4 чел. равен 15ГДж/год, а для 40 чел. 150 ГДж/год, а расход воды 1350 м3/год.