Розрахунок оптимального кута нахилу поверхні колектора

3.4 Розрахунок оптимального кута нахилу поверхні колектора

сонячних установок і його орієнтування щодо сторін світла

Для створення сонячних установок з оптимальними параметрами необхідні дані про зміну інтенсивності сонячного випромінювання на їхню поверхню в залежності від часу й орієнтації установок.

При розв’язанні цієї задачі доцільно скористатися роботами [25,26], у яких викладений окремий випадок розрахунку інтенсивності сонячного випромінювання на горизонтальну площину чи площину, спрямовану на південь, у залежності від часу. Однак для розрахунку оптимальних параметрів конкретної сонячної установки, складеної з декількох по-різному спрямованих площин, необхідно мати загальний випадок рішення по годинному підрахунку інтенсивності сонячного випромінювання.

Повна інтенсивність випромінювання на похилу площину є функцією трьох величин

(3.1)

де  – повна інтенсивність випромінювання на похилу площину, Вт/м²;

 – інтенсивність прямого випромінювання, Вт/м²;

 – інтенсивність розсіяного (дифузного) випромінювання, Вт/м²;

 – інтенсивність відбитого випромінювання, Вт/м².

Інтенсивність прямого випромінювання на похилу площину знаходимо згідно формулі (3.1):

(3.2)

де  – інтенсивність прямого випромінювання на поверхні землі, Вт/м² ;

 – кут падіння прямого сонячного випромінювання, вимірюваний між напрямком випромінювання і нормаллю до поверхні колектора , град ;

 – зенітний кут, тобто кут між напрямком на сонце і вертикаллю, град (рис. 3.4).

Рис. 3.4 – Сонячні і поверхневі кути для похилої поверхні: - кут нахилу площини;  - кут падіння прямого сонячного випромінювання;  - зенітний кут;  - азимутальний кут площини; 1 - горизонтальна площина; 2 - похила площина ; 3 - нормаль до похилої площини.

Зенітний кут визначається по формулі (3.3):

(3.3)

де  - широта місцевості, град;

 - відмінювання, тобто кутове положення сонця щодо площини земного екватора, град;

 - годинний кут, дорівнює нулю в сонячний полудень, град.

Приблизно величину відмінювання можна визначити по формулі (3.4):

(3.4)

де  - порядковий номер дня року.

Кут  можна обчислити по формулі (3.3):

(3.5)

де  - сонячний час;

(3.6)

де - декретний час, год.;

(3.7)

де  - всесвітній час, год.;

 - номер годинного пояса,( дорівнює цілому числу годин);

 - географічна довгота місцевості, виражена в одиницях часу і прийнята позитивною до сходу від Гринвіча, год..

Кут падіння прямого сонячного випромінювання можна обчислити по формулі (3.2):

де  - азимутальний кут площини, тобто відхилення нормалі площини від місцевого меридіана (у південному напрямку відхилення до сходу вважається позитивним, до заходу - негативним),град (рис. 3.4).

При підрахунку інтенсивності розсіяного випромінювання будемо вважати, що його розподіл по поверхні землі рівномірний. Тоді величина інтенсивності випромінювання, що падає на похилу поверхню, буде залежати тільки від того, яка частина небозводу протистоїть площині [25]:

(3.9)

де  - інтенсивність розсіяного випромінювання на поверхні землі, Вт/м²;

 - кут між розглянутою площиною і горизонтальною поверхнею, град (рис. 3.4).

Інтенсивність відбитого випромінювання залежить від відбивної здатності поверхні. Будемо вважати, що відбивання від землі і предметів, що знаходяться на ній, розподілено рівномірно. Тоді відбита складова інтенсивності випромінювання похилої площини буде залежати від того, яка частина протистоїть землі і яка кількість випромінювання вона поглинає [25]:

(3.10)

де  - відбивна здатність.

Виходячи з даних розумінь визначаємо повну інтенсивність випромінювання на похилу поверхню з наступного рівняння:

При використанні сонячних установок для сушіння сіна певний інтерес представляють установки двох типів. До першого типу відносяться установки, складені з декількох робочих поверхонь, розташованих симетрично (сіносховище з двосхилим дахом і вентиляторами, розташованими по обидва боки сараю). До другого типу відносяться сонячні установки, складені з однієї робочої поверхні (сіносховище з односхилим дахом і вентиляторами. розташованими тільки з однієї сторони).

Проведемо спочатку розрахунок для установок першого типу. Для наочності допустимо, що установки мають чотири робочі площини, розташовані симетрично, по двох площини на кожнім схилі. Нескладно переконатися, що їхній азимутальний кут дорівнює:

. (3.12а)

Для інших поверхонь:

(3.12б)

Знайдемо оптимальний азимутальний кут, при якому установка одержить найбільшу кількість енергії випромінювання. Повна інтенсивність випромінювання, одержуваного сонячною установкою, складеної з чотирьох поверхонь:

(3.13)

де  - повна інтенсивність випромінювання, одержуваного кожною поверхнею й обумовленого з виразу (3.11) і ін., Вт/м ;

 - інтенсивність випромінювання, що приходиться на установку, Вт/м².

Для того щоб одержати оптимальне значення азимутального кута, першу частинну похідну рівняння (3.13) прирівнюємо до нуля [27]:

(3.14)

Відзначимо, що для одержання оптимального азимутального кута досить розглянути два випадки орієнтування сонячних установок відповідно до рівностей (3.12а) і (3.12б).

Вирішуючи рівняння (3.14) разом з (3.11), одержуємо:

(3.15)

Це означає, що сонячна установка, робочі поверхні якої розташовані симетрично, може бути орієнтована відносної земної поверхні довільним чином. Однак симетричні сонячні установки, як правило, мають також симетрично розташовані вентилятори для подачі сушильного агента з колектора в штабель сіна, що висушується. Для того щоб сушильний агент, який подається кожним з вентиляторів, мав однакові параметри, доцільно сонячну установку орієнтувати в напрямку південь-північ.

Тоді

. (3.16)

Для розрахунку оптимального кута нахилу робочих поверхонь прирівнюємо до нуля частинну похідну по:

. (3.17)

Вирішуючи рівняння (3.16) разом з (3.11) і (3.12), одержуємо:

(3.18)

де  - сонячний час, при якому сонячна установка одержує найбільшу кількість енергії, град;

 - відношення інтенсивності прямого і розсіяного випромінювань.

Розрахунок сонячних установок другого типу проводиться аналогічно. Розрахуємо оптимальний азимутальний кут. Вирішуючи рівняння (3.14), у якому , разом з (3.11), одержуємо:

. (3.19)

Визначаємо оптимальний кут нахилу:

. (3.20)

Для практичного застосування рівняння (3.11), (3.16), (3.19), (3.20) виявляться досить складними, тому для їхнього спрощення введемо безрозмірну величину :

. (3.21)

Тоді для сонячних установок першого типу після підстановки у формулу конкретних астрономічних даних одержимо:

. (3.22)

Для сонячних установок другого типу:

. (3.23)

Відповідно до графіка (рис. 3.5) розподілу інтенсивності сонячного випромінювання протягом дня максимум його сумарної кількості для нашої республіки в червні місяці приходиться на 12 год. 10 хв. (годинний кут 25°). Підставивши це значення у формули (3.18) і (3.20) для сонячних установок першого типу, одержимо оптимальне значення кута .

Для сонячних установок другого типу .

Рис. 3.5 – Розподіл інтенсивності сонячного випромінювання в залежності від сонячного часу

Для інженерних розрахунків сонячних установок на рис. 3.6 приведені дані про величину сприйманої енергії сонячними установками I і П типу при оптимальній орієнтації робочих поверхонь і контрольною установкою з горизонтальним розташуванням.

Для визначення сумарної кількості енергії сонячного випромінювання (прямого, розсіяного і відбитого) на оптимально зорієнтовану похилу площину доцільно використовувати рівняння (3.2, З.3), що апроксимують криву 1, приведену на рис. 3.7:

. (3.24)

Рис. 3.6 – Зміна інтенсивності сонячного випромінювання, що приходиться на площині сонячної установки зорієнтовані по-різному: 1-контрольна установка з горизонтальною робочою поверхнею; 2-сонячна установка з робочою поверхнею, орієнтованої на південь; 3-сонячна установка з робочими поверхнями, орієнтованими на схід і захід.

Рис.6.7 – Зміна інтенсивності сонячного випромінювання протягом дня на горизонтальну площину: 1-статична крива (по багаторічним актинометричним даним); 2-теоретична крива.

Тоді, вирішуючи рівняння (3.21) разом з (3.24), одержимо:

(3.25)

де .

При використанні сонячних колекторів для підігріву повітря в процесі сушіння сіна оптимальна їхня орієнтація і нахил робочих поверхонь повинні бути визначені в залежності від інсоляції, висоти сонця і годинного кута.

З погляду геліотехніки оптимальними є сонячні установки, виготовлені з однією робочою поверхнею. При цьому азимутальний кут , тобто сонячна установка повинна бути орієнтована на південь. Оптимальний кут її нахилу .

При застосуванні сонячних установок, виготовлених з декількома робочими поверхнями, розташованими симетрично, останні доцільно орієнтувати на схід-захід при оптимальному куті їхнього нахилу до .

При сушінні до кондиційної вологості

 - енергія, яка одержується з навколишнього середовища чи яка віддається йому кДж;

При сушінні до рівноважної вологості

При сушінні до кондиційної вологості

.

Питомі витрати енергії на випаровування 1 кг води, кДж/кг:

- енергія, що витрачається в процесі випаровування

,

- енергія штучних джерел

,

- енергія навколишнього середовища

.

Застосувавши ці формули, визначили, як використовується енергія, одержувана з обох джерел у процесі сушіння. Отримані результати в процентному вираженні представлені на мал.3.8.

Рис.3.8 – Використання енергії штучних джерел і навколишнього середовища в залежності від величини підігріву повітря і відносної вологості зерна : - енергія в %-ному відношенні від ;  - величина підігріву повітря, град, , , , - відносна вологість сіна, дол. од..

Кількість енергії навколишнього середовища, яка використовується в процесі сушіння, залежить від величини підігріву повітря і вологості сіна. В умовах Литовської республіки при середніх параметрах повітря  самим економічним режимом є сушіння без підігріву повітря. У цьому випадку процес проходить по першому варіанту. Величина раціонального підігріву повітря зростає з підвищенням вологості сіна: при вологості сіна  температуру повітря без втрати енергії на підігрів навколишнього середовища можна підвищити на 2,5°, при  - на 5°, при  - на 8° і т.д. (в межах підігріву ).

Отримані дані показують, що при середніх кліматичних умовах Литовської республіки потужність, затрачувану на сушіння сіна, краще використовувати для збільшення питомої подачі повітря, ніж для збільшення його підігріву.

Запропонований спосіб розрахунку дозволяє визначити тривалість і раціональні режими сушіння в залежності від параметрів повітря, що продувається, його питомої подачі і початкової вологості сіна.

Виходячи з величини мінімальної витрати енергії на сушіння, величину підігріву необхідно погоджувати з початковою вологістю сіна. Установлено, що при вологості  повітря доцільно підігрівати на 2,5°С, при  - на 5°, при  - на 8°С и т.д..

При сушінні сіна в середніх кліматичних умовах Литовської республіки і у період збирання завжди доцільніше збільшувати питому подачу повітря, чим ступінь його підігріву.

4 ОПЕРАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ

4.1 Умови роботи

Операція досушування сіна активним вентилюванням проводиться у слідуючи умовах:

-   площа сіносховища F=450 м²;

-   розміри сіносховища B´L=18´25м;

-   щільність сіна r=50 кг/м³;

-   об’єм сіносховища V=250 т;

-   подача повітря 1700-1800 м³/год.

Похожие работы

Аналіз та удосконалення енергозберігаючих технологій заготівлі та зберігання кормів в СТОВ "Глуховецьке" Козятинського району Вінницької області

Скачать

164226

13

7

... 5-6 днів після закінчення досушування перевіряють готовність сіна: вентилювання продовжують якщо повітря в скирті тепліше за навколишнє. 4 Розрахунок рекомендованих енергозберігаючих технологій заготівлі і зберігання кормів в СТОВ «Глуховецьке» Козятинського району Вінницької області   4.1 Розрахунок рекомендованих енергозберігаючих технологій заготівлі і зберігання сіна   Заготівлі сіна з ...