文摘
太阳能热水器(片)是一种最有效的总体计划和容易使用太阳能热水供应国内和工业领域。本文首次尝试评估最优定位片的22个主要城市在赞比亚,以及确定热水一代的可能性和模型的温室气体(GHG)排放储蓄。使用的气候数据提取利用MeteoSyn软件建模在TSOL™。结果表明温室气体减排的高潜力由于化石燃料nonconsumption由于部署片,和三个城市卡布韦,在去,和Mbala温室气体减排最高1552.97公斤/ y, 1394.8公斤/ y,和1321.39公斤/ y。平均片提供62.47%的空间加热和96.05%的卫生热水需求的消费者。研究结果表明潜在的片在赞比亚的部署。techno-enviro研究摘要赞比亚和国家的政策制定者可以使用相似的气候。
1。介绍
住宅和商业建筑占能源消费总量的54.7%和45.3%在建筑领域,分别。只有9%的建筑部门能源使用由可再生能源提供,其余由化石燃料(1]。因为它是图所示1(2,3),最高建筑部门能源消耗与空间和热水了37%和12%,分别。这也突显出减少有限公司2通过使用太阳能热水器(片)系统(4,5),更适合片相比,电热水器(EWHs) [6,7),和更高的片应用的必要性8]。片系统是最常见的一种应用程序的太阳能系统(9]。
在各种可再生能源,太阳能(扮演着重要的角色10- - - - - -12]。尽管在这个领域发生了许多进步,片系统受到的广泛实施相关的因素,如高成本(13]。由于其简单的操作和最低维护要求,片是国内行业的最佳选择13]。这些因素以及他们环保吸引了关注片在国内和工业规模9]。片系统的成本效益是依赖政府补贴和化石燃料的价格用于热水(14,15]。整个欧洲,除了丹麦,希腊,芬兰,提供财政激励措施,鼓励片安装(16)和大部分欧洲国家已经删除了增值税在太阳能设备17]。据估计,用片代替EWH每年将节省940000千瓦时的能源(10]。应该提到,由于化石燃料的价格等因素,补贴率,和辐射率、资本回收周期不同从一个地方到另一个(9]。片的主要国家而言是中国、土耳其、印度、巴西和德国(9),尽管关于千瓦时每1000人产生的热能,奥地利(419),塞浦路斯(412),以色列(400)占领第一至第三的排名(18]。
在2014年,91%的热量由片已被用于热水消费,63%的小住宅,28%在复杂的建筑,酒店,学校,等等,6%游泳池,2%同时供应卫生热水和空间加热,和1%的太阳能系统,如工业过程(18]。因为它是图所示2,2015年太阳能加热片容量435千瓦,是来自太阳能收集器占地面积6.22亿m2(19]。图3各大洲(说明片使用的百分比9]。从这个图中,很明显,只有0.3%的片使用发生在非洲大部分是集中在摩洛哥和突尼斯(20.,21]。
世界各地的许多研究片使用了以下(5]。
Benli [22片)进行了电位研究提供所需的热水在土耳其。研究显示改善能源安全,减少了对天然气从俄罗斯和伊朗进口的依赖。研究地点在土耳其有六个不同的城市。两种类型的收藏家与不同的吸收材料(真空管,镀锌铁皮)。结果表明,镀锌铁皮吸收器是优越的热水在土耳其。此外,他们观察到,由于气候条件不足和购买力损失,片不用于土耳其的北部和东部地区。
Mamouri和别人,1评估密歇根州立片潜力,我们。他们使用了山姆软件分析数据从26分布式分状态和验证软件结果的实验数据收集器在密歇根州立大学。结果表明,电子管片适合国内用水量(生产63.8%所需的热水和每年减少1664公斤有限公司2),资本回收期8年。他们还提出了一些实验寻找最优方程集电极区域所需的热水和位置下的研究。热损失系数等参数的影响系统的热力性能也是评估(23,24]。
Chang et al。7]研究了片的性能对水预热在台湾工业过程。研究样本是鸡屠宰场,结果与学生的宿舍有类似热水消费模式。结果表明,进水温度,太阳辐射,和负载模式有效因素对片效率。评估资本回收期显示片的成本效益为工业加热过程(25,26]。
波等。27回顾了太阳能资源的当前状态,障碍,挑战,和未来的政府计划提高太阳能技术在赞比亚。他们利用别人的经验,呼吁在这一领域的进一步研究。他们建议赞比亚太阳能潜力高,鉴于目前的能源需求的增长,太阳能技术是最好的选择是结合现有的其他来源提供可持续能源。
Pahlavan et al。2837站)评估使用平板片在阿尔及利亚。他们用TSOL软件分析结果,以及他们的规模是住宅。最重要的参数是研究太阳能分数,根据前三站被选中。同时,为空间生成的总热量计算采暖和卫生热水和10兆瓦时约15兆瓦,分别。nonemission污染物的速度约为57吨。
Jahangiri et al。29日)评估使用平板片在加拿大使用TSOL软件。进行了模拟提供所需的加热一个四口之家在加拿大10个不同的省份。总供热以35%的比例最高的是有关Regina站。Regina站,大约94%的热量所需卫生用水和25%的热量加热片提供了所需的空间。也是一般结果指出潜在的使用片提供卫生热水是非常高的。
Siampour et al。30.)进行了technical-environmental评估和排名分析使用平板和真空管片45站在土耳其。模拟和排名是由TSOL和社交软件,分别。结果显示的优越性电子管片平板片上所有的电台。研究的总热量年产量站和防止排放的污染物的数量为平板片和真空管片有大约133兆瓦和68.4吨和229 MW和93.4吨,分别。顶部站也阿克希萨,博德鲁姆,Finike,哈克卡里,伊斯肯德伦。
现在,很少有国家能产生自己的能源独立31日]。这个事实迫使赞比亚等其它国家对可再生能源目前适用的策略,考虑到化石燃料的约束和他们的不良环境影响,和制定计划的可持续发展和经济增长。赞比亚有可能利用太阳能使用片;然而,缺乏统一的数据对所有参数是一个关键的挑战。尽管片是可靠和具有成本效益的生产所需的热水32,33),对于任何投资者和政府决定开发,迫切需要对关键参数进行研究部署的片在赞比亚。
因此,本文首次以确定热水一代的可能性使用片和一个案例研究在全国22个不同的城市。根据先前的研究,观察到类似的作品的数量是非常低的,而不是在同一气候赞比亚。在其余的研究到目前为止,在一段时间内执行的分析还没有一年或所有可能的损失没有被认为是;换句话说,完成能源太阳能加热周期的分析并没有被执行。参数研究太阳能分数在每个车站,卫生热水的热量产生比例在每个车站,热供暖的比例在每个车站,辅助木质的锅炉产生的热量的比例在每个车站,在公司和储蓄2排放。最后,除了确定每个车站的潜力,投资最好的站片系统进行了分析。此外,本文的techno-enviro研究可用于国家,气候相似。此外,模型选择方法的研究和分析可以用于世界其他地区不同的气候条件。此外,现在的工作成果可以帮助福利,社会和文化的发展在赞比亚,帮助决策者领域的太阳能加热在赞比亚,以及国内和外国投资者。
本文的组织结构如下:部分2介绍了案例研究和整体国家的太阳能资源地图集。部分3介绍了数学模型和建模方法,而部分5是讨论的结果。部分7提出了本文的结论。
2。案例研究
赞比亚南部非洲发展共同体的成员一起周边7个国家:安哥拉、刚果、马拉维、莫桑比克、津巴布韦、博茨瓦纳和纳米比亚(34- - - - - -36),人口1400万人,面积752681公里2。在赞比亚目前电气化率是45%在城市和村庄的计划增长3%,2030年分别为90%和51% (37]。
每年增长5%的后果在赞比亚的经济在过去10年已导致能源需求升级导致显著增加可再生能源的要求。在2015年,私人部门参与可再生能源部门成为有效38]。赞比亚面临许多挑战能源赤字和未能满足需求在农村和城市地区自2016年开始的干旱(27]。减轻能源赤字和实现可持续发展,赞比亚将太阳能作为第一优先级(27]。尽管事实上,赞比亚,平均而言,在今年2000 - 3000小时的阳光,有着20年的平均水平的辐射功率如图4(39),由于高初始成本的太阳能设备,太阳能市场并没有太大的流行在赞比亚(40]。在赞比亚投资机会包括本地制造的太阳能系统元素,建立一个网的微型智能电网",和销售太阳能电池板和配件的家庭(40]。
风能在赞比亚相当弱,年平均风速在10米在这个国家是2.5 m / s。这种低电位可能适合的目的,如在国内规模和抽水灌溉,尽管据报道有一些斑点在西部省份风速6米/秒(37]。关于地热能源,它应该提到,有超过80的热水泉在赞比亚,35的合适的高温和接近主网格。由于高成本与地热发电厂,目前,只有一个小的地热发电厂在赞比亚建立到现在。这种植物有发展能力的2兆瓦(37]。赞比亚北部和西北部的部分有很好的潜力的小型水电站。值得注意的是水电生产97%的能源需求在赞比亚和在这个国家是第二个重要的能量来源,木材(后41]。目前,2434.3 MW的水电能源开发在赞比亚(37,40]。
尽管上述的可再生能源潜力,大约80%的供热需求(284 PJ)是由传统生物质造成森林破坏和环境污染等问题42,43]。这些问题使用片显示的必要性为经济和社会的进步。在赞比亚方面总结的关于可再生能源潜力提出了表1。
尽管商业对电能的更高的要求,农业和工业领域,电力供应能力没有改变明显比前十年(27]。国家电力公司ZESCO ltd .)宣布其计划安装350000片40%的储蓄EWHs造成的电力需求。这不仅会导致更低的成本,也减少了进口电力。三年内也估计资本复苏片的有用寿命15年(31日,34- - - - - -36]。目前,只有100片安装在卢萨卡和片在赞比亚遭受市场停滞不前。因素导致的缺乏发展可再生能源在赞比亚是缺乏专业技术,缺乏资本,高利率的贷款增加外国投资风险在赞比亚(34- - - - - -36]。
为了解决专业技术限制,分析各城市为了确定片参数,尺寸,其潜在的减少能源需求和减少碳排放。本文选择22城市各省份使我们能够确定全国热能需求。所需的数据用于TSOL Pro的22个城市展示在表5.52如图,城市5。这些数据从Meteonorm提取软件安装Meteosyn连同TSOL,和它的功能是产生气候文件。研究城市的地理位置和地理分布如图所示5。
3所示。仿真软件
在研究太阳能生活热水系统的性能,有必要使用动态分析工具来准确地描述系统响应快速变化环境条件。TSOL Pro 5.5是其中一个工具,一个专业的模拟程序的设计和规划太阳能热系统(44]。在这些系统的模拟和计算过程通过提供工具和组件的太阳能系统和相关组件,如热水供应,游泳池,加热过程,和缓冲罐。这个软件支持太阳能热系统的优化设计,温度模拟,以较低的成本和时间(和他们的能量性能44]。在TSOL Pro 5.5中,计算执行基于能量流的平衡,并提供根据每小时产量预测提供的气象数据(44]。
一个收集器上接收到的总辐射表面是一个直接和散射辐射的总和。直接辐射可提供气候文件,和散射辐射计算的收集器执行表面使用角和每小时的清洁度指数根据下面的关系44]: 在哪里是总每小时辐射水平表面上(kJ / m2),是每小时在水平表面散射辐射(kJ / m2)。值得注意的是一些收藏家表面入射辐射被浪费了。软件计算收集器损失(44]
在哪里是太阳辐射显著倾斜表面的一部分,是收藏家的零损失效率,是入射角修正系数,是散射太阳辐射的倾斜表面,是分散入射角修正系数,是传热系数(W / m2·k),的平均温度是收藏家,是空气温度,是传热系数(W / m2·k2)。
软件认为太阳系的有限公司2排放节约5.14355 g / kJ的能量生成(44]。提供的能量收集器获得能量除以从太阳系转移到备用罐的总能量供应备用罐( )根据下面的关系(44]:
4所示。模拟数据输入
地理位置信息、散射辐射百分比和总年度全球辐射城市提出了分析表2。这些城市也显示在图5。平均每日卫生热水消费110 L,卫生热水温度60°C,和全年运行期。此外,热负荷的假设空间10千瓦,空间温度21°C,激烈的可用面积80 m2使用。装上双层玻璃的窗户面积1.6,4、8和5.6米2被认为是北、东、南、分别和面向西方的窗户。5 W / m2由于内部热源吸热也被认为是。另一方面,建筑的热负荷需求被假定为常数全年(6月和7月除外)从23:00 06:00时。平均墙式价值被认为是。另一个假设是在片和其他辅助设备,如缓冲水箱,管道,锅炉安装在所有选中的城市使我们比较热发电特点和能源的潜力。在这个模型中,一个标准的flat-plate-type片面积8米2和0°方位角。双线圈缓冲罐的卫生热水和空间加热300 L和1000 L能力,分别(如图7)。此外,燃气锅炉的额定容量9千瓦是利用。水/聚丙二醇在60/40比例和40 L / m的速度2作为中间传热流体。空间加热的高要求,在/出口温差20°C和其他情况下15°C。模拟系统的一般原理图所示7。应该注意的是,太阳能电池板的倾角等于纬度的研究区44]。
5。结果
22个城市的分析结果总结在表3。结果显示,它可以看到Sesheke,利文斯顿和Mongu城市通过提供,分别为99.2%,98.6%,和95.4%的供热需求通过片,是最合适的。
三个城市利文斯通(100%所需的能源供应),Sesheke供应所需的能源(99.7%),和山Makulu供应所需的能源(85.4%)比例最高的太阳能空间加热建筑物在赞比亚。有关的供应空间加热、Mbala Misamfu,和Kasama站第一个第三等级通过提供1564.57千瓦时,1212.59千瓦时和1090.35千瓦时的空间加热片。然而,由于他们的加热要求更高,他们不是在前三个城市的最高空间加热片。
卫生热水,三个城市Mbala, Isoka,和Solwezi第一个第三位置通过生产2649.87千瓦时,2646千瓦时,和2605.93千瓦时的卫生热水,分别虽然应该提到Sesheke,利文斯顿和Isoka城市生产的优越的三个城市,分别为99.1%,98.5%,和98.4%的热水需求片。
根据储蓄由于化石燃料,排放的温室气体量的三个城市卡布韦,在去,和Mbala三大城市节省1552.97公斤/ y, 1394.8公斤/ y,和1321.39公斤/ y。同时,关于锅炉的使用提供剩余的空间供暖和热水需求消费,它可以表示,片提供62.47%的空间加热和96.05%的卫生热水的需求。这表明一个明确的理由使用片供应卫生热水与空间加热的要求。综上所述,可以得出结论,最合适的城市提供空间加热、卫生热水,同时空间采暖和卫生热水使用片是利文斯通(所需能源的100%),Sesheke(所需能源的99.1%),和Sesheke(所需能源的99.2%)的城市。
Sesheke给出最吸引力的投资片,结果显示在表2,年平均高辐射和散射辐射较低。数据8和9显示的太阳能总能量需求和能量平衡的原理Sesheke小镇。
从图8可以看到,在10个月(12月和2月除外),几乎所有所需的能量由太阳能集热器提供。根据图8锅炉是最需要12月和2月期间,收藏家可以提供97%和96%的加热要求,分别。
能量平衡为Sesheke小镇的示意图如图9。这说明辐射表面的太阳能收集器是19377千瓦时。图9表明大部分的损失是热,然后光损失。在未来,大多数损失发生在缓冲罐,主油箱,内部管道,分别和外部管道。很明显,管道系统的能量损耗很低,而且几乎18.5%的能量损失(3253千瓦时)发生在坦克。这种能量损失坦克取决于槽几何和目标值。应重视这些能量损失最小化通过规划和科学计划为每个特定的场景。
比较目前的工作成果和作品回顾了文献综述,可以看出,在世界各地的最近的研究中,卫生热水供应的可能性非常高,在结果的主要区别是关于空间的供热供暖。在研究中,空间加热所需的最低比例的供热与加拿大、平板太阳能热水器已经能够提供所需热量的25%(最好29日]。
6。影响和限制
第一次,本研究探讨了赞比亚的各种电台的潜在技术、能源和环境领域。结果可以作为能源政策制定者在赞比亚和路线图建议最好的电台开始投资。这可能导致赞比亚的经济和社会发展,前提是正确的政策在这方面实现。
对于目前的工作的局限性,它可以指出气候数据(从Meteosyn中提取软件)使用平均几年,一年并不相关。不可能指定的具体细节大楼的窗户和墙下研究软件。辅助锅炉的类型和软件数据库中可用太阳能收集器是有限的。同时,只能由散热器加热的空间。
7所示。结论
这项研究旨在减少能源消耗在赞比亚和鼓励人们使用太阳能可再生能源住宅空间采暖和卫生热水的目的。同时,减少支出和改善低收入家庭的福利,尤其是在偏远地区,为他们提供最好的最优选择片最适合居住。22个城市的模拟太阳能数据使用TSOL Pro 5.5执行。结果显示如下:(我)生产100%的空间加热要求,利文斯通记录提供热能的比例最高的建筑在赞比亚(2)Sesheke最适合站在生产热水通过片提供99.1%的需求(3)关于温室气体排放由于化石燃料,卡布韦站是最高的城市温室气体减排,它显示1552.97公斤/ y的储蓄有限公司2污染物(iv)片可以提供62.47%的空间加热要求和96.05%的卫生热水的需求(v)一般来说,最好的小镇的同时提供空间加热和热水使用片发现Sesheke通过生产所需能源的99.2%
这些发现的关键决策者和投资者的投资决策以及到达业主在热水技术的成本效益的选择和空间加热在赞比亚。本文不探讨介绍了政府的影响如果退税和鼓励促进增加渗透片;然而,强烈建议这样的分析是在不久的将来完成的。
命名法
| : | 每小时清洁度指数 |
| : | 总水平表面上每小时辐射(kJ / m2) |
| : | 每小时的散射辐射水平表面上(kJ / m2) |
| : | 太阳辐射的倾斜表面的一部分 |
| : | 收集器的零损失效率 |
| : | 入射角修正系数 |
| : | 散射太阳辐射的倾斜表面 |
| : | 扩散入射角修正系数 |
| : | 传热系数(W / m2·k) |
| : | 倾斜的角度 |
| : | 收集器的损失 |
| LT: | 低的温度 |
| : | 空气温度 |
| : | 平均温度的收集器 |
| : | 传热系数(W / m2·k2) |
| : | 收藏家对国内热水循环加热 |
| : | 太阳能供暖热负荷 |
| : | 辅助加热生活热水 |
| : | 辅助加热取暖负荷 |
| EWH: | 电热水器 |
| 片: | 太阳能热水器 |
| DHW: | 生活热水 |
| 改装: | 可再生能源上网电价 |
| 温室气体: | 温室气体。 |
数据可用性
所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。