Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Journal home page:
https://inscience.uz/index.php/socinov/index
Issues of calculating the temperature of the absorber and
heating the air in solar air collectors
Erkin ABBASOV
Fergana Polytechnic Institute
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Article history:
Received February 2024
Received in revised form
15 February 2024
Accepted 15 March 2024
Available online
25 May 2024
The article discusses the use of solar energy as an alternative
energy source using solar air heaters. To develop a method for
calculating the thermal performance of such devices, the
authors developed a model for calculating the temperature of
the solar radiation absorber and the temperature of the heated
air. The proposed model is based on the use of the Stefan
–
Boltzmann law. The advantage of the developed model is also
the ability to calculate the temperature of the absorber and air
at the outlet of the device, under the assumption that the heat
flow entering the solar collector is removed from the walls of
the absorber using forced convection.
2181-
1415/©
2024 in Science LLC.
https://doi.org/10.47689/2181-1415-vol5-iss2-pp175-182
This is an open access article under the Attribution 4.0 International
(CC BY 4.0) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)
Keywords:
Renewable energy sources,
traditional fuel,
solar air heater,
absorber,
absorber temperature,
heat flow,
Stefan-Boltzmann law,
convection.
Absorber haroratini hisoblash va quyosh havo
kollektorlarida havoni isitish masalalari
ANNOTATSIYA
Kalit so‘zlar
:
Qayta tiklanadigan energiya
manbalari,
An’anaviy yoqilg‘i,
quyosh havo isitgichi,
absorber,
absorber harorati,
issiqlik oqimi,
Stefan-Boltzman qonuni,
konveksiya.
Maqolada quyosh energiyasidan quyosh havo isitgichlari
yordamida muqobil energiya manbalari sifatida foydalanish
muhokama
qilinadi.
Bunday
qurilmalarning
issiqlik
ko'rsatkichlarini hisoblash usulini ishlab chiqish uchun
mualliflar quyosh nurlanishini yutish moslamasining harorati
va isitiladigan havo haroratini hisoblash modelini ishlab
chiqdilar. Taklif etilayotgan model Stefan-Boltzman qonunidan
foydalanishga asoslangan. Ishlab chiqilgan modelning afzalligi,
shuningdek, quyosh kollektoriga kiradigan issiqlik oqimi
absorber devorlaridan majburiy konveksiya yordamida
chiqariladi degan taxmin ostida, qurilmaning chiqish joyidagi
absorber va havo haroratini hisoblash imkoniyatidir.
1
Doctor of Technical Sciences, Professor, Fergana Polytechnic Institute.
2
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Fergana Polytechnic Institute.
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
176
Вопросы расчета температуры абсорбера и нагрева
воздуха в солнечных воздушных коллекторах
АННОТАЦИЯ
Ключевые слова:
Возобновляемые
источники энергии,
традиционное топливо,
солнечный воздушный
нагреватель,
абсорбер,
температура абсорбера,
тепловой поток,
закон Стефана –
Больцмана,
конвекция
.
В статье обсуждаются вопросы использования в
качестве альтернативных источников энергии, энергии
Солнца при помощи солнечных воздушных нагревателей.
В
целях
разработки
метода
расчета
тепловой
производительности
таких
устройств,
авторами
разработана модель расчета температуры поглотителя
солнечного излучения и температуры нагреваемого
воздуха. Предлагаемая модель основана на использовании
закона
Стефана
–
Больцмана.
Преимуществом
разработанной модели, является также возможность
расчета температуры абсорбера и воздуха на выходе из
устройства, в предположении что тепловой поток,
поступающий в солнечный коллектор,
отводится от стенок
абсорбера при помощи вынужденной конвекции.
ВВЕДЕНИЕ
Энергия для человечества является основой для качественного и
продолжительного его существования.
Жизнедеятельность человека неразрывно
связана с использованием электрической и тепловой энергией, которая освещает
и согревает квартиры, дома, здания, а также обеспечивает транспорт
необходимым топливом.
Простой анализ показывает, что примерно 80 % энергии, добываемой сейчас
вырабатывается на тепловых электрических станциях. Очевидно, применение
органического топлива в топках этих станций приводит к дальнейшему
загрязнению окружающей среды. Обзор почти 90 тысяч исследований, связанных с
климатом, показывает, что климат меняется из
-
за сжигания газа, нефти, угля и
деревьев. В этой связи, в последние десятилетия мировое сообщество приняло
значительное количество программ и решений, направленных на постепенное
замещение традиционных способов получения энергии источниками с
возобновляемыми запасами. Такие источники, известные как возобновляемые
источники энергии, не загрязняют окружающую среду и помогают снизить
нагрузку на тепловые станции. (
Кио́тский протоко́л
–
международное
соглашение, заключённое с целью сокращения
выбросов парниковых газов в
атмосферу Земли
для противодействия
глобальному потеплению. Являясь
дополнительным документом к Рамочной конвенции ООН об изменении климата
1992 года (РКИК ООН), Протокол был принят в японском городе Киото 11 декабря
1997 года и вступил в силу 16 февраля 2005 года. Главная цель соглашения:
стабилизировать уровень концентрации парниковых газов в атмосфере на таком
уровне, который не допускал бы опасного антропогенного
воздействия на
климатическую систему
планеты. В настоящее время насчитывается
192 участника Киотского протокола (191 государство и Европейский союз
) [1].
В настоящее время многие города по всему миру стремятся стать
климатически нейтральными. Например, согласно статистике, из более чем
570 городов мира, более 100 получают как минимум 70% электроэнергии из
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
177
возобновляемых источников, таких как гидроэнергия, геотермальная, солнечная и
ветровая энергии. В этом списке находятся такие крупные города как: Окленд,
Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.
Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра,
солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет
гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь
общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от
ископаемого топлива. 100% энергии из возобновляемых источников для
швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания.
Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% –
от ветра.
В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной
энергетики в пользу ВИЭ. Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию
солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с
общей стратегией развития, Берлин должен стать климатически нейтральным к
2050 году. К концу 2018 года в городе работали солнечные электростанции,
которые обеспечивали 0,7% от общего потребления электроэнергии. Ожидается,
что к 2050 году 25% энергопотребления города будет покрываться за счет
солнечной энергии [2].
Также известно, что фирма IKEA запланировала производить больше
электроэнергии на основе возобновляемых источников, чем она потребляет,
к 2030 году. В 14 странах на магазинах размещены 920 тыс. солнечных панелей,
а также более 530 ветряных турбин. Химический концерн BASF будет постепенно
переходить на возобновляемые источники энергии, а также планирует
инвестировать в ветропарки. Компания Intel получает энергию от ветра, солнца,
воды и биомассы. С 2012 года Intel инвестировал $185 млн. в 2 000 проектов по
энергосбережению, а 100% электроэнергии, потребляемой корпорацией в США и
ЕС, поступает из ВИЭ. Компания Apple также ставит перед собой цель стать
углеродно нейтральной. Она приобрела несколько солнечных ферм, обеспечивая
устойчивую энергию для своих центров обработки данных. С 2018 года все
розничные магазины, офисы и центры обработки данных Apple работают на
100% возобновляемой энергии. Microsoft ежегодно использует более 1,3 млрд.
кВт·ч «зеленой» энергии при разработке ПО, работы центров обработки данных и
производства. Компания обязалась сократить выбросы углекислого газа на 75% к
2030 году.
Если проанализировать совершенство солнечных устройств, в которых
происходит преобразование энергии Солнца в электрическую то следует отметить
довольно малые коэффициенты полезного действия таких солнечных панелей, что
связано с малой эффективностью таких материалов, как кремний. Однако, в
последнее время появились сообщения немецких ученых о разработке новых
панелей с КПД 33%, подходящих для массового производства.
Если говорить об эффективном использовании солнечной энергии в быту, то
стоит отметить важность применения солнечных коллекторов –
как водяных, так
и воздушных. Их преимущества включают доступность, простоту использования и
высокий коэффициент полезного действия.
Солнечный коллектор позволяет использовать около 85 % солнечной
энергии. Эффективность его работы зависит от конструкции, а также количества
солнечного излучения. Обычно, солнечный коллектор используется для
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
178
отопления помещения или подогрева воды. Основной чертой такой установки
является цикличность ее работы. При этом, по мнению авторов данной статьи,
особое внимание следует уделить солнечным воздушным коллекторам, которые
обеспечивают тепловой энергией жилые дома и сушильные установки без
необходимости дорогостоящих конструктивно
-
технологических решений, а также
способствуют быстрому прогреву помещений. Такой коллектор, несмотря на то,
что воздух имеет более низкую теплоемкость, может обеспечить равномерное
распределение тепла и хорошо регулируется как по температуре, так и по
количеству подаваемого воздуха.
В этой связи следует отметить, что в последние годы страны с теплым
климатом, такие как Греция, Индия, Египет и Китай, а также северные страны,
включая Россию, Германию и Швецию, стали уделять значительное внимание
проведению научных исследований. Эти исследования посвящены разработке
эффективных конструкций плоских солнечных воздушных нагревателей
(ПСВН)
.
К достоинствам данных устройств относят:
1. Автономность и независимость от централизованных трасс и тарифов.
2. Долгий срок службы –
до 30 лет.
3. Быстрая окупаемость –
порядка 3–5 лет.
4. Экологичность –
отсутствие выбросов, отходов.
5. Снижение нагрузки на домашнюю электросеть.
6. Легкость внедрения в уже существующую систему отопления.
Минусы:
1.
Большие первичные материальные затраты на приобретение и установку.
2.
Влияние на КПД различных факторов: климата, формы кровли, длины
светового дня, особенностей ландшафта.
Учитывая, что воздух не замерзает и не кипит, в отличие от воды, можно
считать эксплуатацию воздушного коллектора более надежной по сравнению с
жидкостным. У последнего существует проблема герметизации трубопроводов.
Кроме того, утечка в системе воздушных коллекторов вызывает намного меньше
проблем, хотя обнаружить её может быть достаточно сложно. Стоит отметить, что
материалы, используемые в воздушных солнечных коллекторах, не сталкиваются
с особо сложными эксплуатационными задачами, что позволяет использовать
более дешевые материалы в их конструкции. Таким образом, признавая
преимущества и доступность солнечных воздушных коллекторов, следует также
указать на недостаточность методов расчета их тепловых характеристик, таких
как температура нагревания поглотителя солнечного излучения (абсорбера) и
температура воздуха на выходе из устройства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для решения этой задачи воспользуемся следующей моделью. Солнечный
коллектор (рис. 1) расположен горизонтально и в него поступает наружный воздух
со скоростью ω. Для расчета температуры абсорбера и воздуха применим закон
Стефана –
Больцмана.
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
179
Рис. 1 Схема солнечного воздушного коллектора.
Считаем, что в рассматриваемый короткий промежуток времени
температура абсорбера постоянна и потери теплоты через изоляцию дна
коллектора являются незначительными.
Солнечное излучение проходит через
обычное прозрачное бесцветное стекло с коэффициентом отражения 8 %.
Учитывая потери теплового потока солнечной радиации при прохождении сквозь
стекло 1 и 2 коэффициентами отражения К
1
и К
2
, запишем уравнение баланса
теплового потока в виде:
𝑞 · 𝐾
1
· 𝐾
2
= 𝜀 · 𝜎 · [(
𝑇
ст
100
)
4
− (
𝑇
о.с
100
)
4
]
(1)
Для выбора
𝜀
–
степени черноты черного тела, каким является абсорбер,
примем, что он покрашен черной эмалевой краской (
𝜀 = 0,8
).
𝐾
1
· 𝐾
2
= 0,85
(2)
Формула расчета температуры абсорбера выглядит так:
𝑇
ст
= 100 · [
𝑞 · 𝐾
1
· 𝐾
2
𝜀 · 𝜎
+ (
𝑇
о.с
100
)
4
]
1
4
,
(3)
где
𝜎 = 5,67
вт/м
2
к
4
–
постоянная Стефана –
Больцмана.
Город Фергана находится на широте 40
0
,23’,03”. В таблице (№ 1) приведены
данные суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, поступающей в июле
на горизонтальную поверхность коллектора (Рис.1) при безоблачном небе, Вт/м
2
.
Таблица № 1
Суммарная солнечная радиация
Широта.град.Сев.широты
40
0
Часы суток
5-6
6-7 7-8 8-9
9-10
10-11 11-12 12-13 13-14
98
252 443 628
761
878
928
928
878
Широта.град.Сев.широты
40
0
Часы суток
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
761
628
443
252
98
Данные расчетов приведены в таблице № 2:
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
180
Таблица № 2
Изменение температуры абсорбера в течении часов суток.
Часы суток
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11 11-12 12-13
Суммарная солнечная
радиация
98
252
443
628
761
878
928
928
Температура
абсорбера
𝑡
ст
0
C
40
60,3
81
98
109
118
121
121
Часы суток
13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19
Суммарная солнечная
радиация
878
761
628
443
252
98
Температура
абсорбера
𝑡
ст
118
109
98
81
60,3
40
На Рис. 2 показано изменение температуры абсорбера в течении часов суток.
Если в коллектор подается воздух и наблюдается вынужденная конвекция,
то модель теплообмена в коллекторе запишется в виде (Рис.3)
𝑞 · 𝐾
1
· 𝐾
2
= 𝜀 · 𝜎 · [(
𝑇
ст
100
)
4
− (
𝑇
о.с
100
)
4
] + 𝛼[(∆𝑡
′
− ∆𝑡
′′
)/ln ((∆𝑡
′
/∆𝑡
′′
)] (4)
Уравнение
(4) является нелинейным. Ниже приводятся расчеты уравнения
(4)
при
𝛼 = 3
вт/м
2
℃.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
t
, ℃
часы суток
Рис. 2.
Изменение температуры абсорбера в течении часов суток
Рис. 3 Схема изменения
температуры воздуха при вынужденной конвекции
вдоль поверхности абсорбера
40
60,3
81
98
109
118
121
121
118
109
98
81
Ч 5
-6
Ч 6
-7
Ч 7
-8
Ч 8
-9
Ч 9
-10
Ч10
-11
Ч 11
-12
Ч 12
-13
Ч 13
-14
Ч 14
-15
Ч 15
-16
Ч 16
-17
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
181
Результаты
приведены в таблице № 3.
На Рис. 4 показано изменение
температуры воздуха, выходящего из коллектора, в зависимости от
интенсивности суммарной солнечной радиации.
Таблица №
3
Изменение температуры воздуха в зависимости от интенсивности суммарной
солнечной радиации
Часы суток
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
Суммарная солнечная
радиация
443
628
761
878
928
928
Температура воздуха на выходе
𝑡
′′
℃
60
73
79
83
81
81
t
, ℃
∑ 𝑞
,Вт/м
2
Рис. 4
Изменение температуры воздуха, выходящего из коллектора
в зависимости от интенсивности
суммарной солнечной радиации
ВЫВОДЫ
1.
В статье показана перспектива применения солнечных воздушных
коллекторов для обеспечения тепловой энергией жилых домов и сушильных
установок.
2.
Разработана математическая модель расчета температуры поглотителя
солнечной энергии воздушного коллектора (абсорбера), основанная на законе
Стефана –
Больцмана.
3.
Для условий Ферганского региона выполнены расчеты температур
абсорбера и нагретого воздуха на выходе из воздушного коллектора.
4.
Разработанная модель позволяет проводить теплотехнические расчеты
солнечных коллекторов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ:
1.
РБК: https://trends.rbc.ru/trends/green/662246e49a794797c462ef13?from=copy
2.
РБК: https://trends.rbc.ru/trends/green/609e76449a7947f4755ac9dc?from=copy#p4
60
73
79
83
81
81
443 ВТ
628 ВТ
761 ВТ
878 ВТ
928 ВТ
928 ВТ
Жамият
ва
инновациялар
–
Общество
и
инновации
–
Society and innovations
Issue
–
5
№
2 (2024) / ISSN 2181-1415
182
3.
Abbasov Y., Umurzakova M., Sharofov S. and Goryaev A. Efficiency of solar air
heaters// E3S Web of Conferences 452, 04009 (2023) IPFA 2023
4.
Yorkin Abbasov Y., Muyassar Umurzakova and Salokhiddin Sharofov. Results of
the calculation of the absorber temperature in a flat solar air heater// E3S Web of
konferences 411, 01004 (2023) APEC
–
VI
–
2023.
