ТЕХНИЧКО - ЕКОНОМСКО ИСКОРИСТУВАЊЕ НА СОНЧЕВАТА ЕНЕРГИЈА ВО СОВРЕМЕНИ УРБАНИ СРЕДИНИ СО ПРИМЕНА НА НАЈНОВИ ТЕХНИЧКИ И ТЕХНОЛОШКИ РЕШЕНИЈА

Transcript

1 УНИВЕРЗИТЕТ СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ - БИТОЛА ТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ - БИТОЛА МАШИНСКИ ОТСЕК Владо Петрушевски ТЕХНИЧКО - ЕКОНОМСКО ИСКОРИСТУВАЊЕ НА СОНЧЕВАТА ЕНЕРГИЈА ВО СОВРЕМЕНИ УРБАНИ СРЕДИНИ СО ПРИМЕНА НА НАЈНОВИ ТЕХНИЧКИ И ТЕХНОЛОШКИ РЕШЕНИЈА - магистерски труд - Битола, Април, 2013

2 УНИВЕРЗИТЕТ СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ - БИТОЛА ТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ - БИТОЛА МАШИНСКИ ОТСЕК ТЕХНИЧКО - ЕКОНОМСКО ИСКОРИСТУВАЊЕ НА СОНЧЕВАТА ЕНЕРГИЈА ВО СОВРЕМЕНИ УРБАНИ СРЕДИНИ СО ПРИМЕНА НА НАЈНОВИ ТЕХНИЧКИ И ТЕХНОЛОШКИ РЕШЕНИЈА - магистерски труд - Кандидат: Ментор: Владо Петрушевски, дипл. маш. инж. д-р. Владимир Мијаковски Комисија за одбрана: 1. Ред. проф. д-р Сотир Пановски - претседател 2. Вонр. д-р Владимир Мијаковски - член 3. Вонр. проф. д-р Ванѓелче Митревски - член Битола, Април, 2013 ii

3 СОДРЖИНА: АПСТРАКТ ПОПИС НА СЛИКИ ПОПИС НА ТАБЕЛИ НОМЕНКЛАТУРА ВОВЕД I СОНЦЕТО КАКО ИЗВОР НА ЕНЕРГИЈА I.1. Видови на сончево зрачење I.2. Енергија на сончевото зрачење I.3. Јачина на сончевото зрачење на горната граница на атмосферата I.4. Влијание на атмосферата на сончевото зрачење I.5. Геометрија на сончевото зрачење и одредување на побитни геометрии I.5.1. Влијание на деклинацијата I.5.2. Влијание на висината на Сонцето I.5.3. Азимут на Сонцето I.5.4. Нападен агол на сончевиот зрак I.6. Примена на сончевата енергија I.6.1. Соларни колектори I.6.2. Функционирање на сончевите колектор I ДЕЛ - КЛИМАТСКИ КАРАКТЕРИСТИКИ 1. Климатски карактеристики во Охрид со посебен осврт на природата и интензитетот на сончевото зрачење 1.1. Температура на воздухот Влажност на воздухот 1.2. Облачност 1.3. Сончев сјај 1.4. Интензитет на сончевото зрачење и потенцијал на разположлива сончева енергија Тотално глобално зрачење во Охрид Месечно и годишно тотално годишно зрачење Средна дневна тотална вредност Релативни честини на среднодневната вредност Часовно тотално глобално сончево зрачење Часовни варијации Траење на сончевиот сјај и корелации помеѓу глобалното зрачење и сончевиот сјај Месечни и годишни вредности на vii viii ix xi iii

4 сјајот Односи помеѓу релативното глобално сончево зрачење и релативното траење на сјајот Дифузно сончево зрачење Влијание на надворешната температура на потрошувачката на топлинска енергија за греење Надворешна проектна температура во текот на грејната сезона 1.5. Должина на траење на грејната сезона Просечна температура на надворешниот воздух во периодот на грејната сезона и просечно топлинско оптоварување Начин на одредување на графикот за топлинските потреби за греење на Охрид Степен денови како податок за одредување на потребната количина на топлина за греење II ДЕЛ - ПРИМЕНА НА СОНЧЕВАТА ЕНЕРГИЈА 2. Сончева енергија за топлификација, климатизациски постројки и санитарноа топла вода за стамбени и други општествени објекти 2.1. Годишен потенцијал на сончевата енергија во Македонија 2.2. Инсталации за користење на сончева енергија III ДЕЛ - АНАЛИЗА И ОПТИМАЛНО РЕШЕНИЕ 3. Анализа со оптимално решение на елементите на соларниот систем 3.1. Сончеви колектори Соларни колектори (концентратори) Високотемпературни рамни колектори 3.2. Акумулација на сончевата енергија Видови на акумулатори, режимско работење и ефективност Конструктивни решенија 3.3. Изменувачи на топлина во соларните системи Методологија за конструирање на топлински изменувач во соларен систем 3.4. Општи заклучоци IV ДЕЛ - ПРЕДЛОГ, ПРЕСМЕТКА И РЕШЕНИЕ НА ЕНЕРГАНА 48 iv

5 4. Предлог, пресметка и решение на енергетска постројка комбинирана (соларен систем, топловодна топлана) за греење и производство на санитарна топла вода за една стамбена локација со 60 индивидуални куќи 4.1. Предлог решение на постројката Енергетски биланс Опис на подсистемот Соларни колекторски подситеми Подсистем за топлинска акумулација Подсистем за дистрибуција на топлина Додатен извор Подсистем за контрола, управување и мерење 4.2. Техничка пресметка и оцена на системот Одредување на интензитетот на Сончевото зрачење на хоризонтална површина Одредување на интензитетот на на Сончевото зрачење на произволно наклонета површина Одредување на просечни дневни перформанси на рамните и концентирачки приемници Соларен колекторски подсистем Подсистем на акумулаторскиот круг Подсистем на дистрибутивен круг 4.3. Систем во целост V ДЕЛ - ПРЕДЛОГ РЕШЕНИЕ ЗА АВТОМАТСКА РЕГУЛАЦИЈА НА СОЛАРНИОТ СИСТЕМ 5. Автоматска регулација на соларниот систем 5.1. Соларен колекторски подсистем 5.2. Акумулаторски подсистем 5.3. Подсистем за додатна топлина 5.4. Дистрибутивен систем 5.5. Регистрирање и мерење на искористената топлинска енергија од страна на потрошувачот VI ДЕЛ - ЕКОНОМСКА АНАЛИЗА 6. Економска анализа, цена и степен на исплатливост на системот 6.1. Економска анализа Споредба на алтернативи 6.2. Цена на изведба на соларниот систем v

6 Заклучок Користена Китература vi

7 АПСТРАКТ Потрошувачката на примарната енергија во Република Македонија до денеска е зголемена за повеќе пати, при што се очекува во наредните декади да биде се поголема. При ваков значаен пораст на поторшувачката истата би била редуцирана во голема мерка со искористувањето на домашниот јаглен при што неговото користење би се зголемило за четири пати. Најголем дел од јагленот (80-90)% би се употребувал во термоелектраните за производство на електрична енергија. Поради подмирување на потребите во сообраќајот, индустријата, земјоделството и домашната потрошувачка увозот на течните горива и гасот мора да се дуплира. Ваквиот развој на енергијата ќе доведе до значајни оптоварувања на животната средина и ќе продолжи порастот на штетните емисии на загадувачите. Хидроелектраните претставуваат доста драгоцен и поевтин извор на чиста електрична енергија и затоа во Македонија би требало да се продолжи со тенденција за подобро искористување на хидро-потенцијалот. Со својата изградба, електраните можат многу да ги променат природните, култорно историските, социјалните и микроклиматските системи во Македонија и поширокиот регион. Една од идните трајните ориентации и денес често именувани решенија за покривање со енергетски потреби е употребата на сончевата енергија при што развиените земји издвојуваат се повеќе средства на искоистување и развивање во оваа област. Светот денес троши 17, kwh/год. За разлика од минатото тоа е процентуално сголемување од 3-5% секоја година. Дозрачената енергија од Сонцето се проценува дека е 1, kwh/год, при што во голема мера би се задоволиле светските потреби. vii

8 ПОПИС НА СЛИКИ Слика 1. Шематски приказ на загревање на вода преку соларен колектор и разменувач на топлина Слика 2. Шематски приказ за загревање на вода преку соларен колектор Слика Примена на сончеви инсталации Слика Шема на загревање на топла вода со термосифинска инсталација Слика Сончева инсталација во спрег со топли пумпи Слика Апсорпционо ладење со помош на сончева енергија Слика 3.1 Генерални типови на концентраторски колектори Слика 3.2 Радијационен трансфер од Сонцто С према апертурната површина А и абсорберот Аабс од колекторот Слика 3.3 Типични струења на флуидите во изменувачите Слика 3.4 а) истомерн, б) противструјно Слика Распоред на стамбените објекти Слика Енергетски биланс за постријката за средни врдности на сончевата радијација во приод од 179 денови Слика Дијаграм на енергетскиот тек на системот Слика Проточен дијаграм и контролна опрема Слика Група од колектори - концентратори Слика План на колекторски подсистем Слика План на дистрибутивен допсистем Слика Шематски дијаграм на спој помеѓу соларниот колекторски круг и кругот на акумулаторот Слика Пресек на акумулатор Слика Влез и излез на водата во акумулаторот Слика Шема на канален развод на топлинска мрежа Слика Блок дијаграм за проток на колекторскиот подсистем viii

9 ПОПИС НА ТЕБЕЛИ: Табела Просечни месечни температури во периодот од 1980 до 2005 год. за Охрид Табела Многугодишни просечни дневни и месечни температури во период од година Табела Средни месечни и годишни ведри денови Табела Средни месечни и годишни облачни денови Табела 1.3 Месечна, годишна и многугодишна вредност на сончевиот сјај за Охрид во часови Табела Месечни и годишни вредности на глобалното сончево 2 зрачење за хоризонтална површина [ MJ m ] Табела Среднодневни месечни и годишни вредности на 2 глобалното сончево зрачење на хоризонтална површина [ MJ m ] Табела Релативни честини на среднодневната вредност на сончевото зражење на хоризонтална површина за период од 1993 до 2005 година Табела Месечни средно-часовни вредности на глобалното зрачење на хоризонтална површина за Охрид во преиод од 1993 до 2005 година [ MJ m 2 h] Табела Процентуална вредност на односот на средно-часовната и средно-дневната радијација по месеци за период од 1993 до 2005 година за Охрид Табела Средно-часовни месечни вредности на дифузното зрачење во Охрид за период од 1993 до 2005 година Табела Екстратеристичка, глобална, дифузна вредност на сончевото зрачење Табела Средни дневни температури за Охрид Табела Веројатни должини на греење ix

10 Табела Степен денови за грејна сезона Табела Месечна измерена средна вредност на сончевиот потенцијал на хоризонтална површина за Република Македонија (средна вредност од анализирани 10 места) во KWh/m 2 месец Табела Месечен измерен сончев потенцијал на хоризонтална површина во Охрид (KWh/m 2 месец) Табела 3.1 Флуид за топлински трансфер кај концентраторите Табела Вкупна годишна топлина за објекти 2550 MWh/месец Табела Месечен измерен сончев потенцијал на хоризонтална површина (kwh) во Охрид по м 2 Табела Пресметани среднодневни вредности на сончевиот потенцијал на концентраторска површина, правец север-југ за различни вредности на агол [MJ/m 2 ден] Табела Среднодневни, средномесечни и средногодишни вредности на сончевиот потенцијал на концентраторската површина за инклинација од 36 о и 45 о Табела Средно-месечен и годишен сончев потенцијал на концентраторот со С=12 и β=36 о (0.628 RAD) Табела Средно-месечен и годишен сончев потенцијал на рамен колектор со β=36 о (0.628 RAD) Табела Вкупна средномесечна и средногодишна корисна енергија од соларниот колекторски подсистем Табела Концентратори Табела Рамни колектори Табела Споредбени анализи со користење на алтернативи на гориво во конвенционалниот систем Табела Споредбена анализа со употреба на нафта x

11 НОМЕНКЛАТУРА q (W/m 2 ) топлински тек l (W/mK) коефициент на топлинска спроводливост на материјалот T (K), ( o C) температура r (kg/m 3 ) густина на материјалот h (J/kg) специфична енталпија c p (J/kgK) специфичен топлотен капацитет a (m 2 /s) топлинска дифузност Q conv (W) конвективен премин на топлина m a (kg/s) масен проток на воздух c a (J/kgK) специфичен топлотен капацитет q conv (w/m 2 ) толински тек со конвекција h a (W/m 2 K) коефициент на конвективен премин на топлина T a (K), ( o C) температура на воздухот T s (K), ( o C) температура на површината g v (kg/m 2 s) тек на водена пареа d r (m 2 /s) коефициент на пропустливост на водена пареа d p (kg/mspa) коефициент на пропустливост на водена пареа r v (kg/m 3 ) кондензација на водена пареа p v (Pa) парцијален притисок R v (J/kgK) гасна константа за водена пареа u (kg/kg) содржина на влага ξ наклон на сорпциска изотерма p sat (Pa) притисок на заситене водена пареа G (kg/s) конвективен проток на влага V a (m 3 /s) волуменски проток на воздух β ρ коефициент на пренос на влага V objekt (m 3 ) волумен на објектот n (h -1 ) вредност на измени на воздух Q (J/m 2 s), (W/m 2 ) вредност на премин на топлина по единица површина λ s (W/mK) коефициент на топлинска спроводливост на земјата xi

12 ρ s (kg/m 3 ) густина на земјата c s (J/kgK) специфична топлина на земјата α s (m 2 /s), (m 2 /den) топлинска дифузност на земјата c w (J/kgK) специфична топлина на водата w (%) - содржина на влага во земјата E conv (W/m 2 ) конвективен премин на топлина за единица површина h s (W/m 2 K) коефициент на конвективен премин на топлина на површина на земјата u (m/s) брзина на ветер (годишна просечна вердност) E solrad (W/m 2 ) апсорбција на сочево зрачење на единица површина β коефициент на апсорбција на сончево зрачење на земјата S (t) (W/m 2 ) хоризонтално сончево зрачење E longrad (W/m 2 ) радијација од долги бранови R (W/m 2 ) константа на радијација E latent (W/m 2 ) загуби на латентна топлина f (-) стапка на фракција на испарување T meansurf ( o C) годишна средна температура на површина на земјата S m (W/m 2 ) просечна сончева радијација T meanair ( o C) средна просечна температура на воздухот T Z,t ( o C) температура на земјата во зависност од длабината и времето T amp ( o C) амплитуда на промената на температурата на површината на земјата Z (m) длабочина од површината на земјата t year (ден) - поминато време од почетокот на календарската година t shift (ден) ден од почеток во годината со минимална просечна температура на површината на земјата T a ( o C) температура на воздухот во цевката g v (kg/m 2 s) годишна кондензација или испарување на водена пареа l (Ј/kg) латентна топлина на кондензација c a (J/kgK) специфичен топлотен капацитет на воздухот r o (m) внатрешен радиус на цевката N u (-) Нуселтов број R e (-) Рејнолдсов број P r (-) Прандтлов број v a (m/s) просечна брзина на воздухот во цевката xii

13 ν a (m 2 /s) кинематска вискозност на воздух q l (W/m 2 ) латентна топлина l (J/kg) латентна топлина на кондензација T soil ( o C) температура на земјата T in ( o C) температура на воздухот на влез Т out ( o C) температура на воздухот на излез h m коефициент на конвективен пренос на влага L (m) должина на цевката D (m) дијаметар на цевката N (-) број на цевки η TIZV (-) коефициент на топлинска ефикасност на топлински изменувач воздух-земја T air,out ( o C) температура на излез од изменувачот T air,in ( o C) температура на влез од изменувачот T soil ( o C) температура на земјата COP (-) коефициент на перформанси P vent (W) снага на вентилатор p fric (Pa) загуби на притисок заради триење во цевката ξ (-) коефициент на линиски загуби ζ (-) коефициент на локални загуби Q TIZV (W) проток на толлина во изменувачот воздух-земја T vn ( o C) температура на внатрешниот воздух во објектот T isp ( o C) температура на испорачаниот воздух во објектот T svez ( o C) температура на свежиот воздух на влез T izv ( o C) температура на извлечениот воздух од објектот η TR (-) коефициент на топлинска ефикасност на рекуператор на толина η TR+TIZV (-) заеднички коефициент на топлинска ефикасност на рекуператор на топлина и топлински изменувач воздух-земја C tot (evra/kwha -1 ) ефикасност на вкупно инвестирање A inv фактор на ануитет n (години) работен век на објектот p (%) годишна каматна стапка C inv (evra/kwh) ефикасност на инвестиционите трошоци C PE (evra/kwh) трошоци на примарна енергија n mech (h -1 ) механички измени на воздух xiii

14 n x (h -1 ) измени на воздух со ненамерна природна инфилтрација на воздух n 50 (h -1 ) измени на воздух со разлика на притисок од 50 Ра e (-) коефициент на девијација на ветер f (-) коефициент на број на површини изложени на ветер n d (h -1 ) размена на инфилтриран воздух предизвикан од нерамнотежа n v енергетска ефикасност на измената на воздух xiv

15 ВОВЕД I. Сонцето како извор на енергија I.1. Видови на сончево зрачење I.2. Енергија на сончевото зрачење I.3. Јачина на сончевото зрачење на горната граница на атмосферата I.4. Влијание на атмосферата на сончевото зрачење I.5. Геометрија на сончевото зрачење и одредување на побитни геометрии I.5.1. Влијание на деклинацијата I.5.2. Влијание на висината на Сонцето I.5.3. Азимут на Сонцето I.5.4. Нападен агол на сончевиот зрак I.6. Примена на сончевата енергија I.6.1. Соларни колектори I.6.2. Функционирање на сончевите колектори

16 ВОВЕД: I. Сонцето како извор на енергија Сонцето е одалечено од земјата околу милиони километри. Температурата во сончевото јадро изнесува околу K, а средната температура на површината на Сонцето (фотосфера) изнесува околу 6000 K. Електромагнетната енергија, која ги вбројува Х зраците, УВ зрачење и ИЦ зрачењето, видливите зраци и радио брановите, која секоја секунада се емитераат од Сонцето, изнесува 3, kw. Од таа огромна енергија на земјината 2 површина доаѓа по просек од околу 1.4 kw m (доколку Сонцето се наоѓа под o агол поголем од 30 во однос на хоризонталната површина). Зрачењето на Сонцето со голема точност е прикажано преку Стефан- Болцмановиот закон за зрачење на црно тело. Сонцето спаѓа во звезди со изразита стаболност на зрачење, па може да се земе за константно. Снагата на сончевото зрачење, која пристигнува во горниот дел од атмосверата, најголем дел преминува низ неа (со исклучок на мал дел кој се рефлектира во секундарна емисија во атмосверата и така трансформирана се емитира кон земјината површина или кон слободниот простор). Во долниот дел од атмосферата (тропосферата) доаѓа до промена во билансот на снагата на енергијата, делумно заради птрисуството на аеросолите, делумно поради рефлектирањето до облаците и други причини. Снагата на зрачењето на површината зависи од положбата на Сонцето т.е. од аголот кој го зафаќа зракот на површината која се осветлува и од карактеристиката на атмосферата во околината над хоризонтот на посматраната површина. Топлотната рамнотежа на Земјината топка се одржува со емитирање на зрачењето во слободната површина - Универзумот, така да може да се смета дека енергијата кој Сонцето и ја предава на Земјата преку зрачење се враќа во Универзумот како зрачење, но во друг спектрален облик I.1. Видови на сончево зрачењe Поминувајќи низ атмосферата, интензитетот на сончевиот зрак слабее а нивниот спектар се манува. Енергијата на сончевиот зрак која допира до земјината површина се нарекува приземно директно сончево зрачење. Тоа постои само дење и без присуство на облаци, аеросоли на патот на сончевиот зрак. Директното сончево зрачење е следено и од дифузното (растурно) сончево зрачење кое доаѓа од секој дел на небесната површина. Независно од состојбата на атмосферата, дифузното зрачење зависи од албеда (способност на рефлексија на површината на Земјата). Доколку албеда има голема вредност (Земјината топка е прекриена со снег) тогаш вредноста е неколку пати поголема одошто во нормалните денови. 2

17 Вкупното зрачење кое доаѓа од директното и дифузното зрачење се нарекува глобално Сончево зрачење. Флуксови на зрачењето се: Сончево зрачење (непосредно од Сонцето) и терестричко (од земјата и од атмосферата). Збирот од овие две зрачења се вика вкупно зрачење или биланс на зрачење. Мерење на зрачењето на флуксот кое доаѓа до површината на Земјата се дели на пет главни категории: Директно зрачење на Сонцето кое паѓа на рамнина нормална на правецот на простирање на сончевите зраци Глобално зрачење кое паѓа на хоризонтална површина, а претставува збир од директно и дифузно зрачење Дифузно зрачење - зрачење распространето во атмосферата Одбиено зрачење од површината на Земјата Директно, дифузно и глобално зрачење во одредено спектрално подрачје - случај на мерење на днавна осветленсост. I.2. Енергија на сончевото зрачење Енергијата на сончевото зрачење е најобилен, неицрпен, бесплатен и обновлив извор на енергија кој не ја загадува околината. Сончевото зрачење има мала густина на енергетскиот флукс и е непостојана. Сонцето со својата огромна маса која е загреана на висока темпертура (во центарот околу 10 7 K, а на површината околу 5900 K ) зрачи енергија. Протокот на сончевото зрачење даден со вкупниот спектар на електромагнетни бранови изнесува околу W. Основата на неговото зрачење се базира на ултравиолетовиот 9%, видливиот 45% и инфрацрвениот 46% дел од спектарот. Вкупната енергија што доаѓа на Земјава изнесува околу W ( J god = Wh god ) или само 10 приближно дел од енергијата што ја зрачи Сонцето. 2 Средната густина на протокот изнесува 1372W m и се вика соларна константа. Соларната константа претставува густина на протокот на сончевото зрачење на единица површината, нормалана на тој проток. Од вкупната енергија што доаѓа од Сонцето кон Земјата околу 30% се рефлектира од облаците и честичките во атмосферата и повторно се враќа во свемирот, 47% се претвора во топлина и 23% за испарување на водата (хидроциклус). I.3. Јачина на сончевото зрачење на горната страна на атмосферата Вкупната моќност на сончевото зрачење се распоредува еднакво во свемирскиот простор. Дозрачената енергија што ја примаат планетите, опаѓа со квадратот на нивната одалеченост (Р) од Сонцето, а константна е за секоја планета. Тоа влезно зрачење во атмосферата на Земјата го викаме екстратересричко зрачење. Јачината на тоа зрачење не е еднаква преку целата година, поради 3

18 променливото оддалечување на Земјата од Сонцето. Во време кога кај нас е зима, Земјата е на најмало оддалечување од Сонцето, тогаш и екстратеристричкото 2 зрачење е најголемо (четвртиот ден од Јануари E e = 1399W m ). Со почеток на летото, екстратеристичкото зрачење е најслабо т.е. 2 E e = 1309W m. За да се употреби средната вредност за пресметките, воведен е поимот соларна константа Ио, онаа енергетска осветленост на Сонцето E, што ја e прима единица површина во единица време на горната граница на атмосферата на средна оддалеченост ( R ), кога зраците паѓаат нормално на површината. sr Во пракса се употребува вредноста на Николет и Јохнсон од 1956 г. во износ од 2. Тхекера и Друммонд предложуваат нова стандардна вредност за Ио 1381W m 2 со вредност од 1353 ± 2.1W m Според Фролицх, на основа на билански, сателитски и ракетни мерења, 2 соларната константа изнесува Io = 1372W m чија вредност е земена за работа во овој труд. I.4. Влијание на атмосферата на сончево зрачење Атмосферата како гасовита обвивка околу Земјата има огромно значење за комплетниот живот на Земјата. Служи како заштитен оклоп од метеори, штетноста од УВ-зраците и ја задржува топлината штитејќи ја Земјата од ладење. Сите движења во воздухот и сите значајни појави во атмосферата се одвиваат благодарение на топлинската енергија која непосредно или опсредно доаѓа од атмосферата. Атмосферата делува на доста комплексен начин на сончевото зрачење: предизвикува рефлексија, дисперзија, ја менува насоката и правецот на зрачењето, раздвојува соседни бранови должини и др. На земјинат аповршина паѓа само 66% од екстратеристричкото сончево зрачење. Вкупното зрачење што паѓа на некоја површина всушност е глобално сончево зрачење кое се состои пд директен и дифузен дел. I.5. Геометрија на сончевото зрачење и одредување на поважни параметри Вкупната количина на сончевото зрачење која ја прима колекторот, зависи од неговата место-положба на Земјата и положбата на Сонцето која се дефинира со три координатни системи: 1. Координатен систем на екваторот на Земјата. Неговите координати се φ - географска ширина и λ - географска должина (за одредување на положбата на колекторот) 2. Координатен система на екваторот на небото се следниве координати: АР - ректасценција, δ - деклинација 3. Координатни системи со хоризонтот со координати: γ - азмут и х - висина на Сонцето. 4

19 Овој систем е заеднички за положбите на Сонцето и за колекторот. I.5.1. Влијание на деклинацијата Деклинацијата на Сонцето δ, го одредува времето во годината. Тоа е аголна оддалеченост од небескиот екватор мерена по небескиот меридијан. Бидејќи 0 Сонцето се движи од запад према исток по еклиптика под агол од 23.45, деклинацијата се менува периодично. За пресметки во позиционата астрономија, вредноста на деклинацијата се отчитува од таблици на ефемеридите кои се издаваат во наутички таблици. Во пресметката за користење на сончевите колектори не е потребна таква прецизност, така да пресметката за δ може да се апроксимира со формула од синосуидален карактер. Цоопер во 1969 г. ја поставува следната равенка: [ 360 ( ) 365] δ = 23.5 sin N, Н - број на денови почнувајќи од 1.01 I.5.2. Влијание на висината на сонцето Висината е лак на вертикалниот круг од хоризонтот до Сонцето и е најбитен фактор за количината на досрачена топлина до колекторот. Ако висината на Сонцето е поголема и радијацијата љ е поголема, така да нивната зависност може и математички да се дефинира. За одредување на висината се користи косинусна формула од сферната тригонометрија: sinh = sinϕ sinδ + cosϕ cosδ cosω Равенката покажува дека h е функција од географската ширина на местото на разгледување φ, годишното време одредено со деклинацијата δ и локалното време кое е одредено со часовниот агол на Сонцето во даден момент на времето ω=т (се смета за позитивно при движење на стреслките на сатот). I.5.3. Азимут на сонцето Азимутиот на Сонцето претставува агол помеѓу хоризонталната проекција на Сончевиот зрак и меридијанот на местото. Како нулта точка се зема обично јужниот правец и тогаш азимутот према исток има позитивна, а према запад негативна вредност. Равенките определени според сферната тригонометрија се: sin cosδ sin t = cosh γ, cosγ = sin δ cosϕ + cosδ sinϕ cost cosh 5

20 I.5.4. Нападен агол на сончевиот зрак Тоа е агол помеѓу директниот сончев зрак во одредено време и нормалата на површината врз која паѓа зракот. На сликата се претставува геометриската интерпретација на овој агол каде е: γ - азимут h - висина на Сонцето θ с - агол помеѓу нормалата на површината на колекторот и сончевиот зрак β - агол помеѓу хоризонталата и колекторот s - вектор на нападниот сончев зрак n - вектор на нормалата на колекторот 6

21 I.6. Примена на сончевата енергија За собирање и искористување на сончевата енергија потребни се соларни колектори, каде собраната енергија се користи за термички процес во кој се загрева гас или некој друг флуид. Таа енергија се акумулира или дистрибуира во завосност од потребите, па при тоа може да се користи во стамбените објекти каки и во хотели, болници, школи, војни објекти и во сите други објекти. I.6.1. Соларни колектори Соларните колектори се делат на две групи и тоа - рамни плочасти колектори - концентрични колектори Рамните плочасти колектори го примаат соларното зрачење преку апсорпциони плочи. Оваа плоча е направена од термопластични полимерно композитни материјали. Нивни особини се: - не се оштетуваат од надворешно влијание и климатски промени - долготрајност - лесно се обработуваат - голем работен век на термо-механичка работа - мала тежина - лесна за монтажа и лесен пристап до неа - ниска цена Кај рамните плочести колектори типична инсталација за загревање на вода или друг флуид вклучува: пумпа, сензори за температура, автоматски контролни приклучоци за активирање на пумпата и уред за скалдирање на топлината. Типична шема за соларен колектор е прикажана на слика 1. 7

22 слика 1. Шематски приказ на загревање на вода преку соларен колектор и разменувач на топлина I.6.2. Функционирање на соларните системи Сончевата енергија преку соларниот колектор се претвора во топлотна енергија, загревајќи флуид (вода, антифриз) во соларниот колектор. Преку соларниот модул таа топлина се доведува во бољер, а преку разменувачот на топлина се пренесува на ладната вода во бољерот. Соларниот модул е склоп кој содржи: пумпа, вентили, експанзионен сад, термометри, сигурносни вентили и др. Функционирањето на соларните системи без догревање работи во летниот период, но во зимскиот периодот ( при надворешна температура од 5 0 C, температурата во колекротот се движи C ) се врши догревање (помошен греач). 8

23 слика 2. Шематски приказ за загревање на вода преку соларен колектор 9

24 I ДЕЛ Климатски карактеристики 1. Климатски карактеристики во Охрид со посебен осврт на природата и интензитетот на сончевото зрачење 1.1. Температура на воздухот Влажност на воздухот 1.2. Облачност 1.3. Сончев сјај 1.4. Интензитет на сончевото зрачење и потенцијал на разположлива сончева енергија Тотално глобално зрачење во Охрид Месечно и годишно тотално годишно зрачење Средна дневна тотална вредност Релативни честини на среднодневната вредност Часовно тотално глобално сончево зрачење Часовни варијации Траење на сончевиот сјај и корелации помеѓу глобалното зрачење и сончевиот сјај Месечни и годишни вредности на сјајот Односи помеѓу релативното глобално сончево зрачење и релативното траење на сјајот Дифузно сончево зрачење 10

25 Влијание на надворешната температура на потрошувачката на топлинска енергија за греење Надворешна проектна температура во текот на грејната сезона 1.5. Должина на траење на грејната сезона Процечна температура на надворешниот воздух во периодот на грејната сезона и просечно топлинско оптоварување Начин на одредување на графикот за топлинските потреби за греење на Охрид Степен денови како податок за одредување на потребната количина на топлина за греење 11

26 1. Климатски карактеристики во Охрид со посебен осврт на природата и интензитетот на сончевото зрачење Топлинската состојба и температурниот режим на одредено место го одредуваат климатските карактеристики на местото. Температурата се менува со геогравската ширина, поради промените на билансите на зрачење, потоа со геогравската должина поради промените на влијанието на континенталноста и со висината на местото во функција на вертикалните движења предизвикани од адијабатското ладење на воздухот и вертикалниот распоред на температурата како и влажноста од друга старна, делуваат на сончевото зрачење и директно на билансот на топлин. Облачноста е застапена со помалку од 60% и градот е доста сончев, со релативно голем број на сончеви денови. Интензитетот на сончевото зрачење е релативно поголем во споредба со северните краеви на републиката Температури на воздухот Температурата на воздухот е во тесна зависност од надморската височина и од останатите географски фактори. Средната годишна температура на воздухот во Охрид изнесува C со минимална средногодишна температура од C. Просечната месечна температура околу нулата е само во месец Јануари, додека во останатите зимски месеци е над нула степени (Табела 1.1.2). Во поедини години средни месечни темпереатури околу нула се јавуваат во месец Февруати и Декември но доста поретко (Табела 1.1.1). Просекот на средната месечна температуре останува позитивен. Во разработка на проблематиката на греењето на просториите за работа и живот, надворешната температура и нејзиното траење играат најголема улога. 12

27 Реден број Година Просечна темп Просечн а темп Табела Просечни месечни температури во периодот од 1980 до 2005 год. за Охрид

28 Реден број Годишно Охрид H с =595 м ψ=41 o Просечна темп Табела Многугодишни просечни дневни и месечни температури во период од година 14

29 Влажност на воздухот a. Режимот на влажноста на воздухот во одредено место се карактеризира со количество на водена пареа во воздухот (која е директно поврзана) и со облачноста. Просечната годишна релативна влажнст на воздухот во Охридизнесува 70%. b. Релативната влажност е највисока во утринските и вечерните часови а најниска на пладне. Во просек годишната релативна влажност во 7.00 часот изнесува 82%, во изнесува 75%, а во релативната влажност изнесува 55%. Карактеристично е да се напомене дека во ноќните часови релативната влажност на воздухот е поголема од 80% Облачност Облачноста се дефинира со покриеноста на небото со облачни маси, се одредува визуелно и се обележува со бројките од нула до десет (10). Ако небото е наполно покриено со облаци, облачноста изнесува 1.0, наполно ведро време има облачност нула(0),а вредноста 2 значи дека една петтина од небото е покриена со облачност итн. Од повеќе термински одредувања на облачноста во текот на деноноќието, се израчунува средната дневна облачност, од која се прорачунува средната месечна вредност, средна сезонска и средна годишна вредност. Облачноста е метеоролошки елемент кој во исто време е и климатски фактор. Деновите во кои средната дневна облачност изнесува помалку од две десетини, се означуваат како ведри денови, односно денови со осунчување. Деновите во кои средната дневна облачност изнесува осум и повеќе десетинки се означуваат како облачни денови. Средната годишна облачност во Охрид изнесува 5,8 десетинки, односно податок кој допринесува Охрид да е доста сончов град. Во Охрид, просечниот годишен број на ведрите денови изнесува 75,7, а на облачните 99,5. Август има просечно најголем број на ведри денови и тоа 14,7 јули 11,9, септември 10,7. Во зимските месеци, бројот на ведри денови е осетно смален (Табела 1.2.1). Деновите со слојаста облачност во зимските месеци се карактеризира со мирно и стабилно време, слаби струења во атмосферата, пониски температури кои се измерени во појавените инверзии, а нарочито во утринските часови. Во јануари во просек има 15,1 облачни денови, во декемември 13,8 и фебруари 11,2, а во август и јули само по 1,9 денови (Табела 1,2,2). Јануари Фебруари Март Април Мај Јуни Јули 2,9 4,2 4,3 3,7 3,3 5,3 11,9 Август Септември Октомври Ноември Декември Годишно 14,7 10,7 7,9 4,3 2,5 75,7 Табела Средни месечни и годишни ведри денови Јануари Фебруари Март Април Мај Јуни Јули 15,1 11,2 11,5 8,7 6,7 3,6 1,9 Август Септември Октомври Ноември Декември Годишно 1,9 4,2 9,8 11,6 13,8 99,5 Табела Средни месечни и годишни облачни денови

30 1.3. Сончев сјај Овој важен метереолошки елемент се однесува на траењето на Сончевиот сјај, изразен во часови. Од должината на траењето на осунчувањето во тесна зависност се сите останати метеоролошки елементи и појави што од своја страна ја повлекува важноста на проучувањето на овој елемент. Просторот на Охридскиот регион е со добро осунчување. Просечна годишна вредност на Сончевиот сјај за период од год. изнесува 2314,1 часови. Вредноста од година на година се менува и се движи во границите од 2089 часови во 2005 год. до 2611 во 2003 год. (Табела 1,3,1).Во 1980 год. измерена е вредност на осунчување од вкупно 2797 часови. Во просечното годишно осончување, Охрид има вредност приближна на Битола, поголема од истата вредност од Скопје, а нешто помала од вредноста на осончувањето во Штип. Вкупно Години години Средна вредност Просек по ден Табела 1.3 Месечна, годишна и многугодишна вредност на сончевиот сјај за Охрид во часови 1.4. Интензитет на сончевото зрачење и потенцијал на расположлива сончева енергија Интензитетот на сончевото зрачење претставува сончева енергија на 2 единица време и единица површина W m и е доста битен параметар за пресметка на сончевито потенцијал, а со тоа и за пресметка на сончевите инсталации. На интензитетот и количината на глобалното сончево зрачење делуваат разни астрономски, физички, метеоролошки и геометриски фактори и поради тоа вредностите можат да се добијат со мерење. Преминувајќи низ атмосферата, интензитетот на сончевото зрачење ослабува, променувајќи го и неговиот спектарен состав. Енергијата на сончевите зраци која допира до земјината површина од смерот на Сонцето наречено е приземно директно сончево зрачење. Покрај директното, постои и дифузно или распрашено сончево зрачење. Вкупното зрачење е наречено глобално зрачење и познавањето на неговата распределба над одредени региони е од голем научен и пракичен интерес. 16

31 Тотално глобално зрачење во Охрид Масечно и годишно тотално глобално зрачење Месечните и годишните тотални вредности на глобалното сончевото зрачење на хоризонтална површина измерени со пиранометри во ХМС Охрид, дадени се во табела MJ m Максималната средномесечна вредност изнесува 2 Јули, а минималната вредност изнесува MJ m во декември. во месец Вкупно Σ Σ/ Табела Месечни и годишни вредности на глобалното сончево зрачење за 2 хоризонтална површина [ MJ m ] Средно-дневна тотална вредност Средната дневна вредост на сончевото глобално зрачење на хоризонтална површина за секој месец од годината дадени се во табела Во табелата се исто така дадени максималните и минималните средни дневни и месечни вредности и годишната средно-дневна вредност со својот максимум и минимум. 2 Среднодневната месечна вредност варира од 25.1MJ m во јули до MJ m во декември. 2 2 Среднодневната годишна вредност изнесува 15.41MJ m или 4288Wh m на ден, која бројка покажува дека регионот има многу поволни условиза користење на сончева енергија. Варијацијата во резгледуваните годините се движи од 94% од средната вредност. 17

32 Вкупно годишно Заб Σ Табела Среднодневни месечни и годишни вредности на глобалното сончево зрачење 2 на хоризонтална површина [ MJ m ] Релативни честини на среднодневната вредност Релативни честини на среднодневната вредност на сончевото глобално зрачење на хоризонтална површина во преиодот од 1993 до 2005 година, во 2 интервали од 2 MJ m den во проценти, прикажани се во табела Поради малите висини на Сонцето над хоризонтот и облачното зимско небо во тој период од годината, значително ги ограничува варијациите на дневните вредности на глобалното зрачење. Зима % Лето % Месеци Зима Зима Зима Лето Лето Лето Лето Лето Лето Зима Зима Зима Вкупно % Табела Релативни честини на среднодневната вредност на сончевото зражење на хоризонтална површина за период од 1993 до 2005 година 18

33 Часовно тотално глобално соларно зрачење Часовни варијации Во табела дадени се средно-месечните вредности на часовното глобално зрачење во Охрид на хоризонтална површина во период на денот за дванаесет месеци. Максимална радијација е забележана околу пладне околу часот а минималниот во интервалот од 4-5 часот наутро односно 7-8 часот навечер. Часови во денот Месец Σ Табела Месечни средно-часовни вредности на глобалното зрачење на хоризонтална површина за Охрид во преиод од 1993 до 2005 година [ MJ m 2 h] Односот помеѓу средната часовно-месечна вредност и средно-дневната месечна вредност во проценти дадена е во табела каде го потврдува сознанието да максималната радијација секогаш се забележува околу пладне. Часови во денот Месец % % % % % % % % % % % % Табела роцентуална вредност на односот на средно-часовната и средно-дневната радијација по месеци за период од 1993 до 2005 година за Охрид Траење на Сончевито сјај и корелации помеѓу глобалното зрачење и сончевиот сјај Месечни и годишни средни вредности на сјајот Табелата 1.3. ја прикажува средната вредност на траењето на сончевиот сјај во месеци во период од 1993 до 1995 година. Средната вредност за овој период изнесува час годишно т.е во јули или 76.1 часа во декември. Односот на годишниот минимум и максимум по годините изнесува часа или 22.5% од средната вредност. 19

34 Вкупната вредност на измерениот Сончев сјај изнесува 53% од теоретската вредност на траењето на сјајот помеѓу изгрејсонце и сајдисонце ( часа) Однос помеѓу релативното глобално сончево зрачење и релативно траење на сјајот Основниот облик на овој однос го поставил АНСТРЕМ која равенка ја дава линеарната врска помеѓу релативното глобално зрачење и релативниот сјај на Сонцето. Односот помеѓу вистинското и екстеристричкото сончево зрачење и количникот помеѓу релативното глобално зрачење и најголемото траење на сјајот на Сонцето се вика индекс на облачност: H h S = α + ( 1 α ) H S 0 H h = H 0 S S ( ) α + α = H a + b... (1.1) 0 S0 S0 0 1 Познато е дека глобалното зрачење, претставува збир директно и дифузно зрачење на хоризонталната површина. ( h) H H H h = d + b sin... (1.2) H - директно зрачење на површина нормална на зраците b H d - дифузно зрачење на хоризонтална површина h - висина на Сонцето Споредувајќи ги равенките (1.1) и (1.2), се доаѓа до констатација дека S a H 0 претставува дифузно зрачење D, а H 0 b, делот на директно S0 зрачење. H h S = a + b - индекс на облачност K t H 0 S 0 Коефициентите а и б можат да се израчунаат по метода со систем на линеарни равенки со најмали квадрати. За Охрид средните годишни вредности за коефициентите а и б и корелациониот коефициент р се: а б р Дифузно сончево зрачење 20

35 Односот помеѓу дифузното и глобалното зрачење на хоризонтална површина, одреден е на повеќе автор во функционална врска со индексот на облачноста K t. Математичка интерпретација на ЛИУ АНД ЈОРДАН,а која ја проследува и КЛЕИН, гласи: R DH = H d H h = K + t 5.53K t 3.108K t ПАГЕ предлага корелација од дијапазон од φ=40 о северна географска ширина до φ=40 о јужна географска ширина. R 13 DH = H d H h = K - за t 2 W I o = 1390 (соларна константа) m ТУЛЛЕР ја предлага следната формула: R DH = H H = 62 d h K - за I t o = m W ЦОЛЛАРИЕС-ПЕРЕИРА, РАБЛ го дава следниот однос, добиен со решавање на линеарни равенки по метода на најмали квадрати: R ( ω π 2) [ ( ω π 2) cos( 2 ( K 0.9 )] DH = H d H h s s t = Регионалната корелација за φ=41-43 о северна географска ширина према ГАУССИАН-НЕЊТОН, дадена е следнаца релација: R = H H = K DH d h t Во табела дадени се средните часовни месечни вредности на дифузното зрачење за Охрид на хоризонтална рамнина за период од година. Часови во денот Месец

36 Табела Средно-часовни месечни вредности на дифузното зрачење во Охрид за период од 1993 до 2005 година Релацијата на КЛЕИН за нашиот регион одредува најмали вредности на односот R, а формулата на ГАУССИАН-НЕЊТОН, за повеќе годишни DH посматрувања, се покажа како најреална. Во сите понатамошни пресметки за интензитетот и потенцијалот на сончевото зрачење на наведната површина ќе се употребува ГАУССИАН-НЕЊТОН-от однос. Мес. Дата Де н H o H h КЛЕИН ПАГЕ ТУЛЛЕР Измерено Х Д/Х х Х Д Х Д/Х х Х Д Х Д/Х х Х Д Х Д/Х х Х Д Х Д/Х х Х Д MJ 2 m den MJ 2 m den / MJ 2 m den / MJ 2 m den / MJ 2 m den / MJ 2 m den Јан Феб Мар Апр Мај Јун Јул Авг Сеп Окт Ное Дек Табела Екстратеристичка, глобална, дифузна вредност на сончевото зрачење Влијание на надворешната температура на потрошувачката на топлинска енергија за греење Температурата на надворешниот воздух се менува во текот на денот (24 часа) и во текот н дановите во грејната сезона. Минималната температура обично се јавува пред излезот на Сонцето, а максималната од 2 до 4 часа после пладне. Временската разлика помеѓу минималната и максималната температура изнесува околу десет часови во летно време и шест часови зимно време. Исто така се менува и внатрешната температура на просторот t v, но со нешто помала разлика. Двете минимални температури се јавуваат во раните утрински часови и изворот на топлина во тоа време мора да го снабдува просторот со поголема количина на топлинска енергија. Ако се занемари промената на специфичното топлинско оптеретување на грејниот простор q, во зависност од карактеристиките на објектите, можеме да констатираме дека потрошувачката на топлинска енергија најповеќе зависи од температурната разлика особено од температурата на сувиот термометар на надворешниот воздух. Промената на надворешната температура во текот на грејната сезона како и траењето на тие температури, знатно влијае на големината на / MJ 2 m den 22

37 топлинското оптоварување зa одредено подрачје или зграда посматрано од аспектот на климатските услови. Вредноста на температурита на надворешниот воздух периодично се менува во текот на денот, недела, месец и година. Пресметаната просечна вредност на измерени температури на секој саат на денот (24 часа) наречена е средна дневна темперетура. Овој начин на мерење е доста поскап но со голема точност. Средната дневна температура е пресметана на основа н мерени температури во 7,00, 14,00 и 21,00 часот по следната формула: t 7 + t t t 21 e = 4 Со пратење на средната днава температура на надворешниот воздух во текот на грејната сезона и подолг временски период, може да се добие карактеристични климатски елементи за секое подрачје како: Надворешна проектна температура на воздухот Просечна температура на воздухот во текот на грејната сезона t pr.g. Должина на траење на грејната сезона N G Просечно топлинско оптоварување за греење во текот на грејната сезона (kg) и во текот на годината ( K pr.g. ) во зависност од видот на потрошувачот и траењето на среднодневните температури на воздухот Одредување на графикот на топлиснките потреби за греење на подрачјето Одредување на степен - деновите за греење и степен - денови за проветрување Надворешна проектна температура во текот на грејната сезона Зимаската проектна температура е температура на надворешниот воздух на која се димензионираат топлинските потреби за објектот. Истата треба да биде доволна, како би ги задоволила проектните потреби во однос на внатрешната температура. Во идеален случај, зимската минимална температура би морала да биде еднаква на апсолутната минимална температура на надворешниот воздух. Меѓутоа, логиката на економијата наметнува некои граници на сигурност на покривање на топлинските потреби со цел да се спречи потрошувачката со материјал и работа. Овде е и суштината на разни методи за одредување на зимската проектна температура. Секоја од нив обезбедува поголема сигурност за покривање н надворешната температура како резултанта на голем број климатски големини трудејќи се да обезбеди елиминација на случајни непредвидени големини. Определувањето на средноевропска дефиниција за зимска проектна температура според DIN 4701, се сведува на изразот: _ t e n te = l n o ( C) 23

38 _ o Вредноста t ( C) e претставува аритметичка средина на низа на апсолутни минимуми во подолг временски период. Професорот ФОКИН, предлага за зимска проектна температурасе усвои вредноста на просечна температура во интервалот од: Еден ден - лесна градба Три дена - средно тешка градба Пет дена - тешка градба Најладни во период од најмалку 20 до 25 години. За Охрид, за средно тешка градба, поврзана за најладниот интервал од три дена се појавил во Јануари 1999 година и тоа -13,2, -13,4 и -13,5, се добива: ЗПТ = -13,35 ( С) За понатамошна работа во трудот, земена е зимска проектна температура ЗПТ=-13 ( С) Должина на траење на грејната сезона Должината на траењето на поединечно секоја температура на надворешниот воздух ја одредува должината на траење на грејната сезона која е и последица на климатските услови на подрачјето. Должина на траење на температурите на надворешниот воздух може да се пресмета на основа на појавите на истите за подолг временски преиод ( ), табела Табелата е на основа на средните дневни температури во Охрид. Бр т е Н 1-14 o C o C o C o C o C o C o C o C o C -9.5 o C o C -8.5 o C o C -7.5 o C o C -6.5 o C o C -5.5 o C o C -4.5 o C o C -3.5 o C o C -2.5 o C o C -1.5 o C o C -0.5 o C ±0 o C 0.5 o C o C 1.5 o C o C 2.5 o C o C 3.5 o C o C 4.5 o C o C 5.5 o C o C 6.5 o C o C 7.5 o C o C 8.5 o C o C 9.5 o C o C 10.5 o C o C 11.5 o C o C 12.5 o C o C 13.5 o C o C 14.5 o C o C 15.5 o C o C 16.5 o C

39 32 17 o C 17.5 o C o C 18.5 o C o C 19.5 o C o C 20.5 o C o C 21.5 o C o C 22.5 o C Табела Средните дневни температури во Охрид Бр т е Н За периодот од 26 години кој се разгледува ( ) должината на грејната сезона во Охрид изнесува 182 денови, табела Должината на просечното греење на грејната сезона, може да се пресмета според следната равенка: τ g = ( N n ) G a, каде N k G - вкупен број на појави на средните дневни температури на надворешниот воздух од октомври до април за време од (а) o години, а n k - вкупен број на средни дневни темп. со te > 12 C, за време од (а) год. За Охрид во истиот период од 26 години, е дадено во табела τ τ τ τ g min g max g min gprosek = = + τ ( ) ( ) g max 2 = = = = Ред. Бр. Сред. Надвор. Темп. На воздухот Бр. на појави Веројатна должина на траење О С / ден Должина на траење на грејната сезона τ ( C) e t n e te t /ден te t τ ex te t q (-13.5 o C) -14 o C -13 o C (-12.5 o C) -13 o C -12 o C (-11.5 o C) -12 o C -11 o C (-10.5 o C) -11 o C -10 o C (-9.5 o C) -10 o C -9 o C (-8.5 o C) -9 o C -8 o C (-7.5 o C) -8 o C -7 o C (-6.5 o C) -7 o C -6 o C (-5.5 o C) -6 o C -5 o C (-4.5 o C) -5 o C -4 o C (-3.5 o C) -4 o C -3 o C (-2.5 o C) -3 o C -2 o C (-1.5 o C) -2 o C -1 o C (-0.5 o C) -1 o C 0 o C (0.5 o C) 0 o C 1 o C (1.5 o C) 1 o C 2 o C (2.5 o C) 2 o C 3 o C (3.5 o C) 3 o C 4 o C Минимална просечна должина на траење на грејната сезона τомин=181,6 Максимална просечна должина на траење на грејната сезона τомаџ=190,42 Просечна вероватна должина на траење на грејната сезона τг=186 25

40 19 (4.5 o C) 4 o C 5 o C (5.5 o C) 5 o C 6 o C (6.5 o C) 6 o C 7 o C (7.5 o C) 7 o C 8 o C (8.5 o C) 8 o C 9 o C (9.5 o C) 9 o C 10 o C (10.5 o C) 10 o C 11 o C (11.5 o C) 11 o C 12 o C (12.5 o C) 12 o C 13 o C (13.5 o C) 13 o C 14 o C (14.5 o C) 14 o C 15 o C (15.5 o C) 15 o C 16 o C (16.5 o C) 16 o C 17 o C (17.5 o C) 17 o C 18 o C (18.5 o C) 18 o C 19 o C (19.5 o C) 19 o C 20 o C (20.5 o C) 20 o C 21 o C Σ д. Σ [ o C/ден ] Табела Веројатни должини на греење Просечна температура на надворешниот воздух во периодот на грејната сезона и просечно топлинско оптоварување Доста важна карактеристика на климата на одреден крај е просечната температура на надворешниот воздух во текот на грејната сезона t pr.g., која одредува и просечно топонско оптеретување ( K g ) за дадено подрачје. Кога постојат податоци за должината на траењето на секоја средна дневна температуре на воздухот и кога е дефинирана просечната должина на грејната сезона τ g, t. може да се пресмета преку равенката: pr.g N te te o t pr. g. τ = ( c) τ Каде: 1 g N e 1 t τ te - вредност на производот на средните температуре на надворешниот воздух t e идолжината на траење на температурата во грејната сезона ( τ te ) τ g - просечна должина на траење на грејната сезона. Просечната температура за Охрид во текот на грејната сезона (од табела 1.5.2), изнесува: 26

41 t t t prg min prg max pr. g. sr. = = 3.96 = = 4.37 t = prg min + t 2 prg max o o C C = = Просечното топлинско оптеретување на греењето ( K g ) за просечната и проектната температура на надворешниот воздух, може да се добие како однос: K Q Q q g = pr max = v pr. g ( t t ) q ( t t ) v p o C За внатрешна температура K K g g = ( ) ( ) = 48% = t v = 20 o C Просечното топлинско оптеретување во Охрид при надворешна проектна температура од 13 o C, внатрешна од 20 o C и просечна температура на воздухот во текот на грејната сезона од 4.16 o C би изнесувала 48% Начин на одредување на графикот за топлинските потреби за греење на Охрид Графикот за топлинските потреби за греење може доволно точна да се опише со равенка (1.1) со помош на климатските и проектните услови: tv t nt Q = Q max = [ MW ] tv t p o Q max - проектно едине;но оптеретување за греење за t p = 13 C - внатрешна проектна температура t nt - надворешна температура t - надворешна зимсак проектна температура t v p Познавајќи ги големините од десната страна, може по графички пат да се формира кривата на траењето на оптеретувањето. Во овој случај за Охрид важат: надворешна проектна температура од 13 o C и внатрешна од 20 o C. Грејната сезона во Охрид започнува од 17 Октомври, а завршува 20 Април со 186 денови.во тој период просечната температура изнсува 4.16 o C. Прегледот на среднодневните температури и траењето на поедини вредности за грејниот период се дадени во табела Степен денови како податок за одредување на потребната количина на топлина за греење 27

42 За да се определи просечната годишна потрошувачка на топлина за греење, за прв пат во САД, а подоцна и во Европа, се воведува поимот СТЕПЕН-ДЕНОВИ. Степен-деновите означуваат специфични влијанија на надворешната температура, а се пресметува врз основа на статички анализи за температурните промени во дадено место преку формулата: SD = Z Z ( tv t g ) + ( t g t sn ) n= 1 [ C den] o Z - број на денови во текот на грејната сезона t - внатрешна проектна температура = 20 о С v t - гранична темп. за период на греење = 12 о С g t sn - средна темп. за секој поединечен ден за грејната сезона (табела1.1.2) Бројот на степен-денови за секој месец во грејната сезона и за целата грејна сезона, претставена е во табела Месец во грејната сезона Број на СД (просек ) Процентуален дел во вкупните СД % 17 Октомври Ноември Декември Јануари Февруари Март Април ВКУПНО % Табела Бројот на степен-денови може да се пресмета и со помош на средната темп. на надворешниот воздух во текот на грејната сезона: ( ) SD = Z t v t pr.. g sr За понатамошна работа во пресметките, земено бриј на 2888 степенденови годишно и месечно според табела

43 II ДЕЛ Примена на сончева енергија 2. Сончева енергија за топлификација, климатизациски постројки и санитарноа топла вода за стамбени и други општествени објекти 2.1. Годишен потенцијал на сончевата енергија во Македонија 2.2. Инсталации за користење на сончева енергија 29

44 2. Сончева енергија за топлификација, климатизациски постројки и санитарноа топла вода за стамбени и други општествени објекти 2.1. Годишен потенцијал на сончевата енергија во Македонија Во извори кои стојат на располагање, често се наоѓаат глобални пресметки на вкупниот сончев потенцијал на површината на земјата пресметани на поедноставен начин. Сите овие пресметки се разликуваат меѓу себе и покрај тоа што сите методи поаѓаат од средната соларна константа која изнесува 1372 W/m 2 и за 8760 часови во годината, дава енергија сноп од KWh/m 2. Регионот на Република Македонија, на основа на измерените податоци на хоризонтална површина, располага со 1515 KWh/m 2. Македонија се простира на релативно тесно географско подрачје и тоа помеѓу 41 о и 42.5 о северна географска ширина и зафаќа површина од km 2. Поради тоа, горната вредност би се сметала за одреден реален параметар при проценката на вкпниот потенцијал на сончево зрачење во Републиката. За хоризонтална површина, вкупниот годишен потенцијал на глобалното зрачење за Македонија, изнесува: ( m ) 1515( KWh m god ) = ( GWh) Во споредба со годишните потреби од енергија на Макединија во 1982 година од околу GWh, овие вреднисти на енергетскиот потенцијал на сончевото зрачење делува импресивно. Бројката од над 1600 пати е прилично висока, но кога се размислува за можно искористување мора да се има во предвид прилично ниската специфична густина на енергијата на сончевото зрачење. Јануари Февруари Март Април Мај Јуни Јули Август Септември Октомври Ноември Декември Вкупно 1515 Табела Месечна измерена средна вредност на сончевиот потенцијал на хоризонтална површина за Република Македонија (средна вредност од анализирани 10 места) во KWh/m 2 месец Вредностите на месечното средно глобално зрачење за Охридското подрачје се претставени во табела за период од дванаесет години. 30

45 Јануари Февруари Март Април Мај Јуни Јули Август Септември Октомври Ноември Декември Табела Месечен измерен сончев потенцијал на хоризонтална површина во Охрид (KWh/m 2 месец) 2.2. Инсталации за користење на сончева енергија Основните технички системи за употреба на сончевата енергија се прикажани на следниот дијаграм. SONCE RAMNI KOLEKTORI Primena: - sanitarna voda - vodno greewe - toplotni pumpi - zagrevawe na bazeni - ladewe KONCENTRATORI Primena: - industriski procesi (parea i vrela voda) - irigacioni sistemi - desolinizacija - pravewe na mraz - termi~ka elektrocentrala Слика Примена на сончеви инсталации Опсегот на примена на искористување на сончевата енергија со разноврсни инсталации и системи е многу широк и доста користен. Инсталациите со рамни плочести кондензатори воглавно се применуваат во таканаречените нискотемпературни инсталации. Во последно време со развој на високотемпературните рамни колектори, нивната употреба е уште повисока. Топлинската енергија за добивање на топла вода учествува со 15 30% во вкупната потребна топлинска енергија во текот на годината, во зависност од топлинската изолација на зградата. Коефициентот на корисно дејство на системот зависен е од влезната температура на водата T v и од најниската потребна температура на водата T w. Релативен фактор во корисноста на овие инсталации е и количината на потрошена топла вода по човек на ден која се движи од l/ден. Системот на примена на топла вода за широка потрошувачка со природна циркулација, таканаречен термосифон се базира на три јаки 31

46 компоненти и тоа: колектори со добра апсорпциона површина, сад за акумулација и спојни цевки. Соларната енергија е апсорбирана од црната површина на колекторот и пренесена на флуидот. Повисоката температура во апсорберот ја намалува неговата густина и побудува движечка сила кон страната на апсорберот (топлата страна) и страната на акумулаторот (ладната страна) на основа на предизвиканата диференција на густината на флуидот во системот слика Слика Шема на загревање на топла вода со термосифинска инсталација Висината на инсталацијата треба да биде толкава да може флуидот да циркулира нагоре од колекторот кон акумулаторот на термосифонот и назад во колекторот. На инсталацијата треба да се запазат и други термодинамички и физички особини како: - струењето во акумулаторот, цевките и апсорберот е ламинарно и R e, број треба да е помал од 3000 во најголем број на апликации. - Да се изолираат акумулаторот и цевките за да нема губиток на топлина - Дистрибуцијата на флуидот во акумулаторот и брзината на истиод е на база на акумулатор со температурната разлика на флуидот Вкупната висина на термосифонот зависи од разликата на раферентните точки (A, B, C, D, _). ρ g d l ρ g d l ABC CDA H T = ρ g ρ - густина на водата во зависност од температурата Математичката интерпретација е: 2 ρ = T ω T ω ρ - средна вредност на густината во сите секции на цевките g - вредност на земјиното забрзување 32

47 l - должина на кругот низ кој циркулира водата Односот на термичката развиена должина L и внатрешниот дијаметар на цевката d би изнесувал: L d = R eu P r R - Рејнолцов број базиран на дијаметарот на цевките за успон на eu флуидот P - Прантлов број r Употребата на термосифонот, поготово во индивидуалниот сектор не предизвикува никакви проблеми при одржување, а експлоатацијата е многу поволна, а исплатливоста е краткорочна. Широко е употребуван во западните земји. Шемата на загревање на вода со термосифон е дадена на слика Загревање на топла вода со помош на колектори во комбинација на топлинска пумпа е дадено на слика Како критериум за оценка на процесот се дефинира со коефициентот на греење кој е однос помеѓу количината на топлина која се добива на кондензаторот и потрошената електрична енергија за погон на топлинската пумпа. 33

48 Слика Сончева инсталација во спрег со топли пумпи Коефициентот ε може да достигне вредност од 3 5 пати. Со други зборови, ако за погон на компресорот се петроши електрична енергија од 1kW, би се добиле 3 5 kwh топлотна енергија. Сончевите колектори и топлинската пумпа во стварност го составуваат примарниот круг на системот, а топлотната вода секундарен. Ладењето е еден термодинамички процес кој може да се оствари со помош на Сончева енергија кај апсорпционите ладилни машини. Сликата дава еден шематски приказ на работа на една ладилна апсорпциона машина. Топлината која се доведува во генераторот од сончевиот колектор, ја загрева мешавината на водата и амоњакот. Амоњачните пари кои имаат висока концентрација доаѓаат во кондензаторот, а сиромашниот раствор преку вентилот за редуцирање во апсорберот. Пареата се втечнуваат во кондензаторот при идентичен притисок како во генераторот. Течноста минува преку експанзиониот вентил ЕВ, го намалува притисокот и минува во испарувачот. Амоњачните пари минуваат преку изменувачот, се прегреваат и преминуваат во апсорберот каде се мешаат со сиромашниот раствор, се ладат и со помош на пумпа сега богатиот раствор се транспортира во колекторите каде се загрева. Слика Апсорпционо ладење со помош на сончева енергија 34

49 III ДЕЛ Анализа и оптимално решение 3. Анализа со оптимално решение на елементите на соларниот систем 3.1. Сончеви колектори Соларни колектори (концентратори) Високотемпературни рамни колектори 3.2. Акумулација на сончевата енергија Видови на акумулатори, режимско работење и ефективност Конструктивни решенија 3.3. Изменувачи на топлина во соларните системи Методологија за конструирање на топлински изменувач во соларен систем 3.4. Општи заклучоци 35

50 3. Анализа со оптимално решение на елементите на соларниот систем 3.1. Сончеви колектори Основна задача на истражувањето и конструирањето на елементите на соларниот систем пред се е пронаоѓање на најприкладни материјали, конструкции, технологии и решенија за економично и долготрајно користене на сончевата енергија. Спроведувањето на сите тие анализи во областа на примената на сончевата енергија, неминовно се базира на одредени ходрометеоролошки елементи за дадено подрачје, кои се меродавни за примена на оваа енергија. Во зависност од методите на проектирање,анализа и истражување на истите, нивната намена и користење се врши со математичко испитување, моделирање и симулација на елементите на самиот систем. Приемниците на енергија на сончевото зрачење претставуваат една својствена компонента на соларните системи. Во тие рамки колекторите се истражуваат, анализираат и развиваат во областа на пропустливоста на топлина, апсорптивноста и рефлексијата на зрачењето на брановите должини на Сончевото зрачење. Исто се анализираат проблемите на струење и простирење на топлината на флуидот и физичките модели на конвекција меѓу апсорберите и стаклените покривки и меѓу прекривката на колекторите и околината Соларни колектори ( концентратори) Клектор-концентратори во температурен ранг од о С во системите за термичка соларна конверзија можат да имаат одредени предности: - Смалената апсорпциона површина - редуцираните термички загуби во споредба со рамноплочестите колектори соеквивалентна влезна (апертурна) површина, а со тоа и поголем степен на корисност. Сигурно е да повисоки температури на флуидот можат исто да се пстигнат и кај плочестите колектори користејќи селективни премази за апсорпција. Но за доста високи температури, селективноист станува помалку корисна затоа што се губитците на радијација драстично се наголемуваат растејќи со четвртиот степен на температурат. Употребата во индустриските процеси бараат температури на флуидите до 250 о С, бидејќи просечно 15% од националната потрошувачка на енергија спаѓа во овој режим. - технологија на концентратотрите Концентраторите се карактеризираат со посебни перформанси сосема различни од рамните колектори. 36

51 Влезната (апертурната) површина на колекторот (А), е површината низ која поминува соларна енергија. Кај рамните колектори, влезната површина е еднаква на површината на апсорберот. Во системот на термалната конверзија, абсорберот всушност е топлински разменувач, каде енергијата собрана од сончевиот флукс се предава на работниот флуид. Геометриската концентрација (С), е однос помеѓу апертурната површина и надворешната површина на апсорберот. Таа е една од најважните параметри на соларните концентратори. Суштинска врска со геометриската концентрација има приемниот агол на радијација Θ с. Односто R е однос помеѓу површината на колекторот и апертурната AR површина R = и е битен параметар во економските аналзи на различни A типови на концентратори. Повеќето имаат подвижен елемент ( за апертурната површина или за апсорберот), за следење на Сонцето на небото. Колекторите со поголем приемен агол имаат потреба од сезонско позиционирање, додека тие со мал приемен агол потребно е контиуално насочување на истиот. Топлинските загуби во колекторот се пропорционални со површината на апсорпција Aabs и обратно пропорционални на геометриската концентрација (С). Термчките перформанси на концетраторите се карактеизираат со термичка ефикасност, које се дефинира како однос на корисната приемна енергија и енергијата на Сончевиот флукс кој паѓа врз апертурната површина. Енталпијата на работниот флуид е мерило за корисната енергија. Од соларната радијација која е составена од директна H b и дифузна H d радијација кај концентраторите, во предност е директната радијација, а многу помалку дифузната компонента. - фамилии на концентратори Две широки области се делат на две помали категории на концентартори, ато се област на рефлективни и област на рефрактивни единици. Со пораст на геометриската концентрација обично е можно добивање на корисна енергија од колекторот со постепено повисока температура, а без намалување накорисната. Геометрискиот однос на концентрација се движи од 1 до 10 за составени параболички концентратори (СРС во понатамошното излагање) или до неколку илјади за параболодните концетратори. На слика 3.1 дадено е шематски приказ на три категории на концентратори кои се комерцијално распространети или имаат активен развој. 37

52 Слика 3.1 Генерални типови на концентраторски колектори Во првата категорија спаѓаат стационарните и сезонски прилагодливи-те концентратори. Втората категорија се линиските концетратори, односно концентраторите подвижни на една оска. Во третата категорија спаѓаат концентраторите подвижни на две оски, односно концентратори кои перманентно го следат сончевиот диск. При изработка на концентраторите употребени со голем број на материјали и конструктивни технологии. Рефлективните површини се изработуваат од хром, електрополиран алуминиум, стакло-огледало и метализирани филмовани површини. Помошните површини обично се сендвичи од метал и полиуретан и слично. Апсорберите обично се метални, керамички или стаклени површини, поединечни или вовлечени во друга стаклена цевка. Селективните површини (висока абсорпција и ниска инфрацрвена емисија), придонесува за намалување на енергетскиот губиток. Во овој случај абсорпцијата, емисијата и рефлексијата зависат од брановите должини и од температурата. - работен флуид Изборот на работниот флуид за работа на системот со концентартори бара задоволување на одредени параметри. Поважни параметри за флуиди кои се одбираат за работа се: цена на флуидот и негово време на користење. За квалитетна верификација, потребно е одсуство на штетни продукти и материи, токсичност, запаливост и др. прикладност со другите материјали во системот (цевководот, вентилите, омотачот, опремата, материјали за акумулација) каки и материјали во кој може да истече (изолација, кровови и сл.) физички својства, точка на мрзнење, вискозност при ниски и високи температури, притисок на пареа, специфична топлина, термичка проводливост, ширење, густина и др. хемиски стабилини при работна температура 38

53 Производител Флуид - име Темпер. опсег Точка на палење [ o C] [ o C] Anderson CO Q-Term B Bray Oil CO Brayco Davis-Howlandoil Svetlo masli CO Te{ko maslo Dow Corning Q Sylterm Exxon Caloria HT Humbleterm Mark Enterprises H-30-C Monsanto Therminol Therminol Therminol Therminol Therminol Ore-Lube Corp. Ore-Therm Resource Teh. CO Sun-Term Sunoco Oil Oil Табела 3.1 Флуид за топлински трансфер кај концентраторите Топлинските загуби од колекторот дефинирани како U L (T r -T a ) се пропорционални со површината на апасорберот Aabs и од таму, обратно пропорционално од степенот на концентрација. Фундаметалниот проблем на концентрацијата на радијацијата може подетално да се согледа проучувајќи ја сликата 3.2. Слика 3.2 Радијационен трансфер од Сонцто С према апертурната површина А и абсорберот Аабс од колекторот Радијацијата која е дистрибуирана во опсегот на аглите θ θ cr при површина А, може да се концентрира на помала апсорпциона површина Aabs и тоа е највисока возможна концентрација. C=A/Aabs 39

54 Проблемот како е поставен, не го покрива само директното сончево зрачење кое униформно се дистрибуира од сончевиот диск со половичн агол Θ=4.7 MRAD=1/4 o, туку и нормалната радијација на подвижен точкаст извор врз стационарен отвор. Овој заклучок е доста важен за конструкција на сончевите концентратори кои не бараат покретливост за време на дневниот период. Статичните колектори мораат да имаат релативно голем агол на прифаќање, да би имале можност да абсорбираат поголема количина на дифузно зрачење Високотемпературни рамни колектори Развојот на високотемпературните рамни колектори е условен од широката примена на сончевата енергија. Примерот на употреба на таа енергија во процесната индустрија за сушење (на пример), покажува дека се потребни температури до 150 o C. Други алтернативни конструкции се прилагодени за цели со повисоки температури. Тоа се однесува пред се на концентраторите и цевкастите колектори. Цевкастите и рамните колектори можат да примаат и директна и дифузна радијација и тоа е еден од предностите за нивните широки примени, но со променливи перформанси. Целта би била да со помош на одредени симулации, се најдат термички каракеристики на рамни колетори кои работат со средна температура на површината на абсорберот од 150 o C. Во таа смисла, менувани се покривните материјали, обработката на покривните површини, геометриската покривна конфигурација и абсорпционата рамна површина за да се одреди ефектот врз термичката карактеристика на колекторот. Соларните енергетски системи кои работат на повисока температура, бараат рамни колектори со одредени селективни карактеристики на абсорберот и со големи намалувања на губитоците од конвексија и кондукција. Идеалниот абсорбер би требало да има коефициент на рефлексија еднаков на нула и стопостотна абсорпција преку поголемиот дел на сончевиот спектар, а максималната рефлексија да одговара на емисијата и да биде еднаква на нула. Повеќето материјали прикладни за абсорбери, покажуваат доста мала спектарна селективност. Подобрувањето на селективноста може да се постигне со нанесување на танки филмови или полупроводнички слоеви на површината на металите и обработка на абсорбските површини Акумулација на сончевата енергија Видови на акумулатори, режимско работење и ефективност Акумулаторите се составен дел на системите за искористување на сончевата енергија, овозможувајќи работа на истите надвор од периодот на сончево зрачење, Топлинската енергија добиена од одреден извор изнесува: 40

55 Q ti τ = N τ o ti dτ Потрошената топлинска енергија изнесува: Q p τ = N τ o p dτ Во периодот кога е N ti >N p, можно е да се изврши акумулација на вишокот на топлинска енергија во акумулаторот. Во периодот кога N ti <N p, можно е да се поврати акумулираната енергија од акумулаторот во системот. Количината на енергија кој може да се акумулира е: Q AK1 τ = τ o ( N N ) dτ ti p Количината на енергија кој треба да се поврати од акумулаторот изнесува: Q AK2 τ = 2 τ 1 ( N N ) dτ p ti Системот би бил добро спрегнат ако е Q ti Q p. Тоа значи да за секое време, акумулираната енергија кога е N ti >N p е поголема или еднаква на потребата на енергијата кога е N ti <N p. Капацитетот за складирање на енергијата и способноста за акумулација го одредува потребното време за складирање (Т), односно: Kapacitet na skladirana energija T = Sposobnost za akumulacija За долгорочно складирање (Т), капацитетот на складирање е поголем од способноста за акумулација, така да трошоците кои се однесуваат на енергијата ќе доминираат во тоталните трошоци. Порди сето тоа, поевтините материјали за складирање и поевтини конструкции за складови се доста важни, додека трошоците за моќност се помалку важни Конструктивни решенија Топлинскиот капацитет на одредени материјали кои се потенцијални за употреба на акумулација на енергија е различен и се движи во различни дијапазони (табела 3.2) [J/gK] [KJ/m 3 K] [J/gK] [KJ/m 3 K] Вода Гранит Мраз Алуминиум Парафин Железо Дрво Магнетит Бетон Песок Стакло Стак. Волна Тула Вознух Табела

56 Топлинските акумулатори со цврст материјал често се конструирани од чврсти тела во директен контакт со медиумот за пренос на толина. Материјалот обично е камен и може да се зборува за акумулација во пакети од камен. Акумулаторот е конструиран така да медиумот струи низ просторот. Влезот на топлата вода е од горната страна да би се постигнало похомогено струење и поголем температурен градиент. Шуплините измеѓу пакетите треба да бидат добро одбрани за да не доведат поголема потрошувачка на моќноста на пумпите. Од друга страна, камените пакети треба да бидат доста мали, за да температурниот градиент во деловите не расте прекумерно. Не смее да се занемари и порозноста на блокот. Конструкциски е многу важно да се постави граница помеѓу топлиот и ладниот медиум да во акумулацијата каде што е можно да се направи пакети со ситен камен Топлинските акумулатори со течен медиум - вода, се најпрактични за средни температури од било кој материјал. Водата има доволно предности (ефтина, лесно се добива, се регенерира, има висок топлински капацитет) па нејзината примена е доста прифатлива. Меѓутоа, постојат и одредени негативности кои ја ограничуваат примената на водата во акумулаторот како идеален медиум. Тоа е пред се ограничениот температурен опсег, висок оритисик на паре при високи температури и тенденција на појава на корозивност при допир на метални конструкции со присуство на кислород или раствори од соли. Има многу различен начин за конструкција на резервоари на вода за акумулација. Воопшто, цената по единица запремнина опаѓа со големината на резервоарот. Од друга страна, цената на чинење на фундаментот расте со зголемување на резервоарот. Воопштено постојат три типови на резервоари: - армирани бетонски - армирано пластични - заварена метална конструкција Додека првите два типови се попривлечни за изградба, заварените метални конструкции имаат преднос бидеќи можат да се произведат во облик во зависност од потребите. Пластичните садови се најосетливи на температура и воопшто, можат да толерираат максимум 95 о С. 42

57 3.3. Изменувачи на топлина во соларните системи - за добивање на топла вода како топлоносител - за добивање на потрошена санитарна топла вода - режим на работа и ефективност на топлинските изменувачи Изменувачот на топлина е дел од опремата на разни процеси во кои топлината се пренесува од топлиот на ладниот флуид. Во наједноставна форма, двата флуида се мешаат и го напуштаа изменувачот на некоја средна температура која е одредена од односот на енергиите и температурите на двата флуида. Во најголем број на примени, двата флуида не се машаат, а топлината се пренесува преку одреден ѕид кој имашироки геометриски варијации. Проблемот на корозија каки и проблемот на пренос на топлина се доста големи фактори за решавање кој топлинските изменувачи. Температурата на флуидот се менува со течење на флуидот по должината на топлоизменувачот, додека температурата на флуидот кој испарува или кондензира вдолж изменувачот останува константен. На слика 3.3 се претставени типични температурни дистрибуции кои можат да се јават во топлинските изменувачи Методологија за конструирање на топлински изменувачи во соларните системи Специфичниот проблем за конструкција на изменувачите може да содржи информација за односот на протокот и температурата на флуидот, повеќе или помалку податоци за работните притисоци, површините од секоја страна, баран пад на притисокот, размена на топлина, големина други конструктивни карактеристики, материјали и цена. Врз база на горенаведеното и искуствените конструктивни решенија, прво се избира типот на конструкцијата на топлинскиот изменувач и изведбата на протокот. Следниот избор е геометријата на површините и материјалите. За одредување на избранитеповршини има неколку кваитетивни и квантитативни критериуми во зависност од тао дали се работи за изменувач од типот плашт и цевки или плочести изменувачи. Квалитативниот критериум за избор на површините се однесува на температурата и притисокот, искуството на конструкторот, цената, подобноста за изработка, барањата за одржување, сигурност итн. Основна задача за пресметките за изменувачите е да се одреди количината на топлина која ќе се предаде на изменувачот, логаритамската температура како карактеристика на истиот и мерата на фактичкото предавање на топлотниот проток. Q T 1m = K F K k oeficient na toplinska proodnos F - grejna povr{ina Разменувачите кои се наоѓаат во сончевите технички системи работат во изразито нестационарни услови на работа и затоа често при значително 43

58 пониски температури на грејниот флуид. Исто така работат и при помали температурни разлики на грејниот флуид и флуидот што се загрева како што е случај во останатите термотехнички инсталации. - Плочести изменувачи Плочестите толински изменувачи се понова конструкција кој на почетокот се пласирале како бронзени одливци, како пресовани тенки лимови кои до денес тие се усовршуваат добивајќи поголема ефикасност со помали хидраулички отпори. Со зголемување на наборите се зголемува површината на сегментите и можноста за комплетирање на големи компактни изменувачи. Во основа, плочестите изменувачи по свијата конструкција се делат на: - стандардни плочести изменувачи - спирални плочести изменувачи - ламелни плочести изменувачи Се разликуваат неколку начини на флуидниот тек (слика 3.3), и тоа: - сериско-паралелно - сериско - паралелно Слика 3.3 Типични струења на флуидите во изменувачите Конструкцијата на плочите ги определува техничките перформанси на топлинските изменувачи. Од формата, размерите и конструктивните особини на плочите, интензивноста на топлопредавањето, ефикасноста на апаратот и трајноста на експлоатација. Топлинскиот капацитет на топлоизменувачот е сврзан со површината на следниот начин: Q FA = α 1 ( t1 tct ) Q koli ~ ina toplina predadena vo edinica vreme t 1 α 1 sredna temperatura na fluidot W koeficient na toploten premin za fluid m 2 o C Графичката интерпретација прикажана е на слика

59 Слика 3.4 а) истомерн, б) противструјно - изменувачи од типот Shell and tube Топлинските изменувачи од овај тип се применуваат во многу технолошки гранки поради нивната едноставност и добра ефективност. Работата на овој изменувач се состои во тоа да изврши трансфер на топлината помеѓу два флуида С1 и С2. Овдека графикот 1 претставува топлиот флуид, додека 2 ладниот флуид (слика 3.5). Од дијаграмот на слика 3.5 се гледа големинит С1 и С2, бројот на цевки n и должината на истите. Бројот и должината на цевките зависи брзината на флуидот во истите, при што се добива селективноста на изменувачите. 45

60 Слика 3.5 Топлината која се разменува во изменувачот изнесува: = A U t Q 1n 2 o U [ W / m C] - единечен премин на топлина помеѓу изменувачот и флуидот t 1 [ o C] - средна логаритамска температура n - влијание на изменувачите Изменувачот на топлина помеѓу акумулаторот и колекторското поле, ја повишува работната температура на колекторите смалувајќи го со тоа и годишниот степен на ефикасност на системот. Обединувајќи ги ефикасноста на колекторското поле и ефикасноста на изменувачот, можно е да се дефинира топлината која ја предава изменувачот и тоа: 46

61 Q ti min ε = m c p c. o ( T T ) i ε = 1 C 1 exp min C [ NTU ( 1 Cmin Cmax )] exp[ NTU C C ] max min max Т ц.о - излезна температура на колекторите Т и - влезна температура на колекторите 3.4. Општи заклучоци Елементите во соларните системи се доста осетливи на температурното ниво на кое работат и на сите загуби кои ги пратат од колекторите до потрошувачите. Затоа, потребно ео системите да постигнат што поголемо оптеретување во погонот за да се зголеми економичноста на истите. Потребно е да се спречи мешањето на топлата и ладната вода во акумулаторите да не се зголеми ентропијата на целиот систем. Исто така потребно е да се изберат изменувачи со што поголема ефективност за да се намалата штетните влијанија на истите во работата на системот. 47

62 IV ДЕЛ Предлог, пресметка и решение на енергана 4. Предлог, пресметка и решение на енергетска постројка комбинирана (соларен систем, топловодна топлана) за греење и производство на санитарна топла вода за една стамбена локација со 60 индивидуални куќи 4.1. Предлог решение на постројката Енергетски биланс Опис на подсистемот Соларни колекторски подситеми Подсистем за топлинска акумулација Подсистем за дистрибуција на топлина Додатен извор Подсистем за контрола, управување и мерење 4.2. Техничка пресметка и оцена на системот Одредување на интензитетот на Сончевото зрачење на хоризонтална површина Одредување на интензитетот на на Сончевото зрачење на произволно наклонета површина Одредување на просечни дневни перформанси на рамните и концентирачки приемници Соларен колекторски подсистем Подсистем на акумулаторскиот круг Подсистем на дистрибутивен круг 48

63 4.3. Систем во целост 4. Предлог, пресметка и решение на енергана комбинирана (соларен систем топловодна топлана) за греење и производство на санитарна топла вода за една стамбена локација со 60 индивидуални куќи Микроклимата во Охрид овозможува искорисување на поголема количина на Сончевата енергија во текот на целата година. Охрид се наоѓа на географска ширина од 41.1 о и географска должина од 21.8 о, со просечна надморска висина од 695 м и располага со околу 2314 сончеви саати. Климатските карактеристики овозможуваат да се добијат следниве врености и тоа: средно-годишна глобална радијација на хоризонтална површина 1556,40 (KWh. m 2 ) средно-глобална радијација во месеците: Јануари - Март (KWh. m 2 ) Април - Јуни (KWh. m 2 ) Јули - Септември (KWh. m 2 ) Октомври - Декември (KWh. m 2 ) Средна годишна вредност на надворешната температура 11 о С Релативна влажност (средно-годишна) 70% Степен-денови за греење (20 o C -13 o C) 2888 Минимална проектна температура -13 о С 4.1. Предлог решение на постројката Предлог решението за една комбинирана постројка со соларен систем и топловодна топлана би се разгледувало во понатамошното излагање на една локација во Охрид, определена од основното урбанистичко планирање на градот. На дел од една стамбена единица со 60 самостојни приватни стамбени куќи со два стана (спратови), внатрешна корисна површина од 140 м 2 и шесточлено семејство. Треба да се проектираат сите потребни елементи за оваа постројка, да се дадат детални описи на сите подсистеми, да се направи економска анализа за целокупната инвестиција (слика 4.1.1). Со табелата одредени се вкупните годишни потреби за енергија за греење на објектите. Во алтернација на потполно задоволување со сончева енергија би било потребно да се постват 4248 м 2 сончеви колектори и изгради сезонски воден акумулатор со волумен од м 3. Горенаведеното барање би опфатило површина од м 2. Предмет на понатамшни технички и економски анализи ќе биде комбинирана постројка со задоволување на 50% од годишните потреби за греење со сончева енергија. Комплетниот енергетски систем во основа ќе содржи пет подсистеми и тоа: - соларни колектори - сезонски топлински воден акумулатор - топловодна топлана за додатно греење - дистрибутивен подсистем 49

64 - комплетен подсистем за автоматска регулација и контрола со регистрација и мерење на произведената и потрошена топлина Шематски, системот прикажан на слика со прикажување на насоката на циркулација на водата. Слика Распоред на стамбените објекти 50