устройство для оценки эффективности работы гелиоколлектора

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРА
К.т.н., доцент Е. В. Посмитный, аспирант А. Н. Загребельный
ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический
университет
В настоящее время активно внедряются новые экологически
чистые энергетические источники. Главной особенностью внедрения
новых энергетических источников является ее экологическая
направленность – снижение загрязнения окружающей среды,
сокращение выбросов в атмосферу сернистых газов и углекислого
газа. Одним из таких источников является гелиоэнергетика получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной
энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной
энергетики. Однако более экономична гелиоэнергетика с
использованием системы зеркал, которые нагревают теплоноситель в
трубах солнечных электростанций. Энергия, получаемая на
солнечных электростанциях, в 5-7 раз дешевле, чем энергия,
получаемая от фотоэлектрических преобразователей. Солнечные
коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь,
алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого
кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость
оборудования, и произведенной на нѐм энергии. В настоящее время
именно солнечный нагрев воды является самым эффективным
способом преобразования солнечной энергии.
Температура
воды
при
однонаправленности
гелиоколлекторов и при слежении за солнцем не одинакова. Для
обеспечения максимальной эффективности работы гелиоколлектора,
необходимо
чтобы он был постоянно направлен на солнце.
Измерение температуры теплоносителя в течение светового дня
показало, что наибольший КПД (35 - 40%) установки достигается при
перпендикулярном к поверхности гелиоколлектора векторе падения
солнечных лучей. На рисунке 1 показана динамика изменения
температуры воды в течение дня, пунктирная линия - при повороте
гелиоустановки за солнцем, сплошная – при статичном положении (в
направлении максимального подъема солнца над горизонтом.
Рис. 1 Графики изменения температуры воды в течение дня
Существуют разные системы наведения на солнце.
Например, гелиотрекер, состоящий из фотоприемника, контроллера,
обрабатывающего сигнал с фотоприемника и исполнительного
механизма в виде 2-х двигателей с трансмиссией, поворачивающих
собственно гелиоколлектор и укрепленный на нем фотоприемник.
Все фотодатчики приспособлены воспринимать солнечный свет без
выхода из строя (защищены светофильтрами). Кроме того, они все
разделены между собой крестообразной перегородкой. При
ориентации на солнце освещены все четыре фотодатчика. Солнце в
процессе своего движения по небосводу изменит освещенность
фотоприемника и 2 или 3 фотодатчика окажутся в тени. Что
немедленно отследит схема управления.
Если
исключить
из
перемещения
гелиоколлектора
вертикальную «составляющую», переведя ее на «ручное управление»,
то можно использовать всего один исполнительный механизм,
актуатор, который осуществляет изменение положения установки в
горизонтальной плоскости. Контроллер, в котором записана таблица
положения солнца в каждый момент времени, будет передавать
управляющему органу сигнал на единичное воздействие для поворота
на заданный угол, соответствующий определенному времени суток. В
самом деле, не составляет большого труда раз в 2 недели подойти к
солнечному коллектору и изменить его угол наклона в вертикальном
положении соответственно нынешнему положению солнца и даже с
небольшим упреждением.
Покупателя солнечных водонагревательных установок
наряду со стоимостными показателями в первую очередь интересует
вопрос «Сколько воды и до какой температуры нагреет предлагаемая
ему установка?», «Сколько дней летом, весной, осенью и, возможно,
зимой приобретаемая установка гарантированно обеспечит получение
горячей (или хотя бы теплой) воды в реальных климатических
условиях места ее использования?» Существующие традиционные
методы оценки эффективности солнечных водонагревательных
установок, базирующиеся на упрощенных методах расчета
усредненных энергетических балансов, прямого ответа на эти важные
для потребителя вопросы, как правило, не дают. Для наиболее
полного отображения колебания температуры в течение длительного
промежутка времени, необходимо постоянное еѐ измерение при
помощи специального датчика, который бы измерял и регистрировал
температуру в течение длительного интервала времени.
Это
возможно
при
помощи
автономного
датчика/регистратора температуры, обладающего малой стоимостью,
малыми размерами, значительным временем автономной работы и
простотой управления. Прибор предназначен для измерения
температуры окружающей среды через определенные промежутки
времени с последующим сохранением в память данных об
измеренной температуре. Малое энергопотребление позволяет
прибору довольно продолжительное время работать в автономном
режиме. Срок работы на одном литиевом элементе CR2032
составляет 2 месяца. Составление температурной статистики при
использовании
данного
прибора
становится
практически
автоматизированным. Нужно лишь периодически передавать данные
на компьютер и менять батарею питания. Для съема накопленных
данных прибор подключается к компьютеру через порт USB. Также
через USB выполняется конфигурирование датчика. Подключение к
компьютеру позволяет менять следующие установки:
интервал
между
измерениями
температуры.
Интервал можно установить в пределах от 3 минут до 3 часов;
включение/отключение режима перезаписи данных.
Включение данного режима обеспечивает перезапись данных о
замеренной температуре в случае переполнения памяти. Если режим
отключен, то по переполнению памяти прибор отключается.
Прибор построен на микроконтроллере ATMEGA8L с двумя
температурными датчиками DS18B20. Один датчик регистрирует
температуру теплоносителя, а другой – температуру окружающей
среды. Питание обеспечивается литиевым элементом CR2032 с
напряжением 3.3 В. Принцип работы заключается в том, что
контроллер в заданный момент времени выходит из спящего режима
и подает питание на датчики температуры. Результат измерения
записывается в память, и прибор снова уходит в спящий режим до
следующего замера. Возможности энергонезависимой памяти
контроллера позволяют сохранить только 500 значений, поэтому для
охвата длительных периодов потребуется установка в прибор
дополнительной микросхемы памяти или организация работы с
картой памяти (например, формата microSD). Таким образом, мы
имеем возможность максимально достоверно оценить эффективность
работы гелиоколлекторной установки, при помощи измерения
температуры
теплоносителя
в
течение
продолжительных
промежутков времени.