автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Экспериментальное исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и водонагревательных установок

УДК 662 997

На правах рукописи

СУЛЕИМАНОВ Муси Жамалуттинович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05 14 01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

□ОЗОТ1153

003071153

Работа выполнена в Объединенном институте высоких температур РАН

Научный руководитель кандидат технических наук

Попель Олег Сергеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук

Шелков Евгений Михайлович кандидат технических наук Чернявский Адольф Александрович

Ведущая организация Московский энергетический институт (ТУ)

Защита состоится « 30 » "¡Л 2007 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д002 110 03 при Объединенном институте высоких температур РАН по адресу 125412, Москва, Ижорская ул 13/19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института высоких температур РАН

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу 125412, Москва, Ижорская ул 13/19, ОИВТ РАН

Автореферат разослан »___2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002 110 03 доктор технических наук

В А Зейгарник

© Объединенный институт высоких температур РАН, 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Использование экологически чистой повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения является актуальной для многих потенциальных потребителей проблемой Задача, стоящая перед разработчиками различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы при наименьших затратах наиболее эффективно "собрать" поток энергии солнечного излучения и преобразовать его в нужный потребителю вид энергии (теплоту, электроэнергию и др )

Ключевым элементом солнечных тепловых установок является солнечный коллектор, в котором происходит преобразование солнечной энергии в тепловую энергию и от теплотехнического совершенства которого в определяющей степени зависит эффективность работы солнечной установки в целом

Испытательное оборудование, позволяющее определять теплотехнические и эксплуатационные характеристики солнечных коллекторов (СК) и солнечных водонагревательных установок (СВУ) сегодня в России фактически отсутствует Для испытаний СК отечественные производители вынуждены либо обращаться в зарубежные испытательные центры, либо вносить в техническую документацию инструментально непроверенные теплотехнические показатели Отсутствие специализированного испытательного оборудования и отработанных методик испытаний сдерживает разработки новых конструкций солнечных коллекторов и СВУ, а также усовершенствование существующих конструкций Внесение дополнений в существующие отечественные ГОСТы в части тепловых испытаний солнечных коллекторов также возможно только после апробации и отработки таких методик Научные исследования в этой области в России в последние годы практически не проводились

Целью работы является разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения теплотехнических испытаний СК и СВУ по отечественным и международным стандартам, апробация и оценка возможности использования известных методик натурных испытаний в климатических условиях г Москвы, а также разработка новых конструкций СК и СВУ с применением новых материалов (теплостойкие пластмассы) и проведение их испытаний с использованием отобранных методик

В соответствии с целевым направлением работы основными задачами исследования являются

1 Анализ научно-технической литературы по применяемым методикам экспериментального исследования СК и СВУ с точки зрения возможности их реализации в климатических условиях г Москвы Проведение сравнительного анализа современных конструкций солнечных коллекторов

2 Исследование технических и технологических возможностей эффективного применения современных полимерных материалов для создания солнечных теплоиспользующих установок, в частности, экспериментальное исследование спектральных характеристик полимерных материалов с точки зрения применения их в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов Разработка новых конструкций плоских СК из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, характеризующихся эффективным преобразованием энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло

3 Разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения тепловых испытаний СК и определения обобщенных показателей эффективности работы СВУ по различным методикам

4 Проведение натурных теплотехнических испытаний СК промышленного производства и опытных образцов СК из теплостойких пластмасс Сравнение их тепловых и технико-экономических показателей

5 Проведение испытаний солнечных водонагревательных установок

6 Проведение натурных исследований эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН

Научная новизна работы состоит в следующем

1 Впервые проведены исследования спектральных характеристик сотового поликарбоната и их сравнительный анализ со спектральными характеристиками стекла Доказана возможность и целесообразность использования поликарбоната в качестве светопрозрачного покрытия солнечных коллекторов

2 С участием автора разработаны новые конструкции плоских СК и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, эффективно преобразующие энергию солнечного излучения в тепло, защищенные 2 патентами на полезную модель № 48038 и № 48039, зарегистрированными в ГРПМ РФ 10 сентября 2005 г

3 Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для тепловых испытаний СК и СВУ в натурных условиях г Москвы, являющийся на сегодня единственным специализированным стендом в России для исследования СК и СВУ Конструкция стенда защищена патентом №53416 на полезную модель, зарегистрированным в ГРПМ РФ 10 мая 2006 г

4 В условиях г Москвы на созданном стенде выполнены натурные испытания СК различных производителей, в том числе разработанных СК из полимерных материалов, а также СБУ в соответствии с международным стандартом ТБО 9459-2 1995 Определены обобщенные теплотехнические характеристики испытанных СК и СБУ, необходимые для оценки эффективности их практического использования в различных климатических условиях

5 Проведены натурные исследования эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Результаты исследований спектральных характеристик полимерных материалов (сотовые поликарбонаты), перспективных для использования в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов

2 Новые конструкции СК и СБУ из теплостойких пластмасс

3 Технические решения, лежащие в основе создания стендового оборудования для комплексных испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок в соответствии с существующими стандартами

4 Результаты теплотехнических испытаний и сравнительного анализа СК и СБУ различных конструкций и фирм производителей

5 Результаты экспериментальных исследований системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН

Практическая значимость работы Разработанный теплогидравли-ческий стенд сегодня является единственным специализированным стендом в России Его наличие создает предпосылки для организации сертификационных испытаний гелиотехнического оборудования отечественных производителей и целенаправленных исследований по отработке усовершенствованных конструкций солнечных коллекторов В соответствии с условиями грантов Правительства Москвы 2003 и 2004 гг стенд получил статус стенда коллективного пользования и с 2005 г используется как учебная база для студентов МЭИ, МГУИЭ и МГТУ, подготавливаемых ВУЗами по специальности «нетрадиционные возобновляемые источники энергии»

Результаты проведенных исследований спектральных характеристик светопрозрачных материалов были использованы при разработке и создании из полимерных материалов солнечных коллекторов, не уступающих

по эффективности, а по стоимостным и удельным весовым показателям существенно превосходящих традиционные солнечные коллекторы, изготавливаемые из металла и стекла

Работы выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям №41 003 11 2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» (Государственный контракт с Роснаукой № 02 447 11 5011), по фантам РФФИ 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных теплостойких полимерных материалов» и 06-08-01530 «Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах», а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг

Апробация работы Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Кабардино-Балкария, 2005), IX Международном семинаре «Российские технологии для индустрии Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Возобновляемая энергетика Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005), XXI Международной конференции «Уравнение состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме в рамках председательства Российской Федерации в «Большой Восьмерке» «Водородные технологии для производства энергии» (Москва, 2006), Школе молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2006), Пятой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва, 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, по результатам разработок получено 3 патента на полезную модель

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 пав, заключения и приложения, содержит 130 страниц текста, 72 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 77 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, формируются цели и задачи исследования

В первой главе приведен сравнительный анализ современных конструкций солнечных коллекторов и дан краткий обзор и анализ существующих математических моделей и методов тепловых испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок с точки зрения возможности их реализации в климатических условиях г Москвы

Для проведения анализа технического уровня выпускаемых различными зарубежными и отечественными производителями солнечных коллекторов использована база данных сертификационных испытаний солнечных коллекторов Института солнечных технологий ЭРЕ (Швейцария), где были проведены испытания около 200 плоских солнечных коллекторов различных производителей, а также результаты выполненного около 10 лет тому назад аналогичного исследования1 Все испытанные СК имеют металлические теплопоглощающие панели и стеклянное прозрачное ограждение

За прошедшее десятилетие наметилась тенденция освоения производства солнечных коллекторов большей единичной площади абсолютное большинство СК сегодня имеют габаритную площадь 2 и более квадратных метра (рис I) Максимум гистограммы удельной массы коллекторов за последние годы сдвинулся влево, что соответствует снижению удельной массы примерно на 5 кг/м2 Сегодня лучшие СК с металлическими тепло-воспринимающими панелями и стеклянным прозрачным ограждением имеют удельную массу 15 20 кг/м2 (рис 2) Снижение удельной массы, очевидно, способствовало увеличению единичной площади СК

Распределения по количеству образцов важнейших показателей теп-лтехнического совершенства солнечного коллектора оптического кпд коллектора Р'(га), и приведенного коэффициента теплопотерь, при-

ведены на рис 3 и 4 Средние значения этих параметров для плоских СК, испытанных в БРР, составляют /-"(та) = 0 70, = 3 41 3 84 Вт/(м2К) в зависимости от того проводились эксперименты при отсутствии или при наличии ветра, и за последние годы практически не изменились

1 Б В Тарнижевскии ИМ Абуев Техническим уровень и освоение производства плоских солнечных

коллекторов в России // Теилоэнертика №4 1997

2 4 $ 8 10

Габаритная площадь, мг

Удельная масса коллектора, кг/и

Рис. I, Распределение габаритной Рис.2. Распределение удельной массы площади СК" испытанных в ЗРР по ко- СК испытанных в ЭРИ по количеству

личеству образцов

образцов

Рис. 3. Распределение оптического Рис. 4. Распределение приведенного ко-КПД СК испытанных в 5РР по количе- эффтщиента потерь (без ветра) СК испы-с; ву образцов тайных в йРР по количеству образцов

Солнечные коллекторы оснооных отечественных производителем (НПО Машиностроения и Ковровский механический завод) по теплотехническим показателям практически не уступают зарубежным образцам, однако имеют более высокие удельные весовые показатели (около 35 кг/м2).

В результате проведенного сравнительного анализа в диссертации де- ■ лается вывод о том, что конструкции плоских солнечных коллекторов на основе металлических тепловое принимающих панелей и стекла в качестве прозрачного ограждения достигли высокого уровня теплотехнического совершенства, и дальнейшее их усовершенствование вряд ли может привести к существенному улучшению показателей, включая удельную стоимость. Задача совершенствования конструкции солнечных коллекторов и снижения их стоимости при одновременном увеличении срока надежной эксплуатации может быть решена лишь использованием новых прогрессив-

ных материалов Ставится задача исследовать возможность использования современных теплостойких и стойких к ультрафиолетовому излучению пластмасс для изготовления, как тепловоспринимающих панелей, так и прозрачного ограждения солнечных коллекторов

На основе обзора методы тепловых испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок классифицированы на квазистационарные и нестационарные, а по условиям проведения эксперимента на натурные и лабораторные

Лабораторные (с использованием имитаторов солнечного излучения) квазистационарные методики наиболее просты, поскольку позволяют поддерживать в процессе испытания постоянными как расход теплоносителя, так и его температуру на входе в СК и, главное, интенсивность потока излучения Вместе с тем использование лабораторных методик требует высоких затрат на создание имитатора, спектр излучения которого для избежания высоких погрешностей должен быть максимально приближен к спектру естественного солнечного излучения

Применение квазистационарных методов натурных испытаний солнечных коллекторов возможно лишь при обеспечении высокой стабильности окружающей среды и, особенно, стабильной плотности потока солнечного излучения, во время проведения эксперимента Изменение метеорологических условий при проведении эксперимента ведет к росту погрешности и плохой повторяемости полученных результатов В этой связи проведение испытаний возможно лишь в ясные дни в течение 1-2 часов вблизи полудня, что при нестабильных метеорологических условиях места проведения испытаний существенно осложняет и растягивает их на длительное время

Для проведения экспериментов в меняющихся метеорологических условиях разработаны нестационарные методики испытаний СК Известны нестационарные методики, основанные на одноэлементной и многоэлементной моделях СК

Наиболее отработанной процедурой натурных испытаний солнечного коллектора является методика, положенная в основу Британского стандарта ВЭ 6757 1986 Она позволяет определить параметры теплотехнического совершенства коллектора при проведении экспериментов при переменном потоке солнечного излучения, но требует жесткого поддержания стабильности расхода и температуры теплоносителя на входе в СК Достоинством методики является линейность уравнений регрессии, что существенно упрощает процедуру обработки опытных данных Для климатических условий Москвы наиболее подходящей для испытания солнечной водонагревательной

установки в целом выбрана разработанная европейской группой по испытаниям СК и СБУ методика по стандарту ISO 9459-2 1995

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик полимерных материалов, сравнительного анализа этих материалов со стеклом и результаты разработок пластиковых солнечных коллекторов

В качестве прозрачной изоляции тепловых приемников солнечного излучения обычно применяется стекло Сорта стекла с малым содержанием окислов железа характеризуются высоким коэффициентом пропускания излучения в области всего солнечного спектра (до 0,9) и непрозрачностью для инфракрасного излучения, обеспечивающей парниковый эффект, используемый в СК для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в тепло

Вместе с тем, существенными недостатками стекла являются его большой удельный вес и низкая ударостойкость Это приводит к повышенному весу солнечных коллекторов и повышенным эксплуатационным затратам, связанным с необходимостью периодической замены треснувших и разбитых стекол

Применение других материалов было ограничено отсутствием недорогих материалов, обладающих высокой прозрачностью для солнечного излучения и стойкостью к внешним атмосферным воздействиям, включая ультрафиолетовое излучение

Одним из наиболее перспективных потенциальных конкурентов стеклу в солнечной энергетике является поликарбонат, экспериментальному исследованию спектральных оптических характеристик в данной работе уделено основное внимание

Промышленно выпускаемый экструзионный листовой сотовый поликарбонат обладает рядом привлекательных механических характеристик, высокой прозрачностью для видимого излучения (по данным производителей 0,80-0,85) и стойкостью к ультрафиолету за счет использования защитного покрытия

Если механические и физические свойства поликарбоната достаточно хорошо исследованы, то детальному изучению его оптических характеристик, важных для гелиотехнических приложений, внимания практически

не уделялось В этой связи в данной работе проведено экспериментальное изучение спектральных оптических свойств сотового поликарбоната в широком диапазоне длин волн от 0,2 до 25 мкм Этот диапазон практически полностью перекрывает спектр солнечного излучения и спектр теплового

излучения тел, нагретых до температуры 50- 100°С, характерной для солнечных нагревательных установок Известные спектральные свойства стекла и результаты наших измерений спектральных характеристик поликарбоната представлены на рис 5

Измерения спектрального коэффициента пропускания в различных спектральных диапазонах проводились с использованием спектрофотометров MPS - 2000 фирмы Шимадзу (0,19 - 0,9 мкм) и U-3400 фирмы Хитачи (0,19-2,5 мкм и 3,0 - 25 мкм)

1600-1

г 100

0

1

й .5

О m

о

п—1—I—' I 1 I—1—|Г I ■ I ■ II ■ I—■—111—1—г-

)2 04 06 08 1,0 1 2 1 4 1 6 1 8 20 22 24 26 28 30

Длина волны, мкм

Рис 5 Спектральная интенсивность солнечного излучения (а), спектральная пропускатечьная способность стекла толщиной 3,2 мм (б)2), листового поликарбоната толщиной 2 мм (в), сотового поликарбоната толщиной 4 мм (г), сотового поликарбоната толщиной 10 мм (д)

Из рис 5 видно, что спектр солнечного излучения лежит в диапазоне 0,2 - 2,5 мкм Стекло имеет высокую равномерную пропускательную способность (около 0,9) практически во всем солнечном спектре (от 0,3 до 3 мкм) При больших длинах волн стекло практически непрозрачно для излучения (коэффициент пропускания близок к нулю)

" Дж А Даффи У А Бекман Тепловые процессы с использованием солнечной энер! ии // Издатечьсиво МИР, Москва 1977

В отличие от стекла поликарбонат характеризуется изменяющейся спектральной характеристикой, что объясняется его сложным химическим составом Вместе с тем в диапазоне длин волн основной части солнечного излучения, исследованные поликарбонатные панели имеют достаточно высокие значения спектрального коэффициента пропускания, превышающие 90% для листового поликарбоната толщиной 2 мм, 85% для сотового поликарбоната толщиной 4 мм и 80% для сотового поликарбоната толщиной 10 мм При длинах волн более 2 мкм спектральная пропускательная способность поликарбоната резко снижается, причем при длине волн более 5 мкм поликарбонат, также как и стекло, становится практически непрозрачным Данный факт является чрезвычайно важным, поскольку свидетельствует о возможности достижения, также как и с помощью стекла, упомянутого выше «парникового эффекта», необходимого для обеспечения эффективного преобразования энергии солнечного излучения в тепло

Специальный интерес представляет рассмотрение спектрального диапазона, соответствующего коротковолновому излучению менее 0,4 мкм, вызывающего максимальное разрушающее воздействие на пластмассы На рис 6 эта область изображена отдельно для стекла и поликарбоната

4-

- - стекло

сотовым полик

/

02

0 25

03

Длина волны мкм

0 35

04

Рис. 6 Спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната и стекла в ультрафиолетовом спектре излучения Видно, что пропускание излучения стеклом резко возрастает, начиная с 0,25 мкм, а поликарбоната - с 0,38 мкм Более высокое пороговое значение длины волны для поликарбоната объясняется применением упомянутого ранее специального защитного наружного покрытия

Важно отметить, что в отличие от стекла поликарбонат практически не пропускает ультрафиолетовое излучение внутрь солнечного коллектора,

что позволяет в принципе применять для изготовления теплопоглощающей панели незащищенные от ультрафиолета материалы (пластики)

На рис 7 выделена спектральная область в диапазоне 2,5-25мкм, в которой лежит излучение нагреваемых в солнечных коллекторах тепло-приемных поверхностей (кривые спектральной плотности излучения для «черных» тел в диапазоне температур 50-150°С приведены на этом же рисунке) Видно, что поликарбонат является практически полностью непрозрачным в этой области, что в случае его применения в качестве прозрачного ограждения в солнечных коллекторах обеспечивает также как и стекло необходимый «парниковый эффект»

25 5 10 15 20 25

Длина волны, мкм

Рис. 7 Спектральная проггускательная способность сотового поликарбоната (а) в интервале длин волн излучения черного тела в диапазоне температур 50-150°С (б)

Далее в диссертации излагаются результаты разработки и создания экспериментальных образцов солнечных коллекторов полностью из полимерных материалов, в которых в качестве свегопрозрачного покрытия использован сотовый поликарбонат толщиной 4 мм, а теплопоглощающая панель изготовлена из окрашенного в черный цвет сотового поликарбоната толщиной 10 мм Корпус СК конструировался с использованием материала поливинилхлорида В качестве теплоизолирующего материала был использован теплоизоляционный материал «энергофлекс»

Разработаны две модификации солнечного коллектора (рис 8), имеющие унифицированную конструкцию, и отличающиеся лишь размерами

теплопоглотающей панели: для модификации С1 ее площадь составляет 1 м' (аналог СК КМЗ), для С2 - 2 м" (аналог С'К «Сокол»). Технология изготовления позволяет создавать солнечные коллекторы и существенно большей единичной площади. Коллекторы изготовлены полностью из полимерных материалов без присутствия металлических элементов.

Стоимость комплектующих материалов солнечных коллекторов С1 и С2 оцениваемся около 1000-1100 рублей (около 40 долларов) за квадратный метр теплопопющаюшей поверхности, что позволяет надеяться на то, что при массовом производстве их стоимость не превысит 60-70 $ЛГ. Сопоставление характеристик разработанных полимерных коллекторов С1 и С2 с их серийными аналогами КМЗ и «Сокол», изготовленными из традиционных материалов, представлено в таблице I.

Рис. Я, Пластмассовый солнечный коллектор С2 в сборе

Таблица I.

Сравнительные свойства коллекторов

Параметр С1 (С2) КМЗ «Сокол»

Удельная стоимость, 70 (60) ¡30 180

Приведенная масса, кг/м" 8(7) 35 30

Рабочее давление, бар 2,0 6,0 6,0

Долговечность, лет 10 10 15

Ударная стойкость Высокая Низкая Низкая

Разработанные новые конструкции плоских СК из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс защищены 2 патентами на полезную модель.

В третьей главе дан краткий обзор схем испытательных стендов используемых при испытаниях солнечных коллекторов и подробно описан специализированный экспериментальный стенд, разработанный и созданный в рамках настоящей работы.

При разработке испытательного стенда за основу была взята схема испытательного стенда с разомкнутым контуром, так как она обеспечивает

более высокую стабильность расхода теплоносителя и несколько более высокую точность поддержания температуры на входе в коллектор, чем при использовании замкнутой схемы Гидравлическая схема стенда представлена на рис 9

Рис 9 Гидравлическая схема испытательного стенда «АТОН»

7"С/ - ТС5 - термометры сопротивления для измерения температуры на входе в коллектор, на выходе из коллектора, окружающего воздуха, верхнего бака постоянного уровня и накопительного бака, Б/ - накопительный бак, Б2 - бак постоянного уровня, КМ - контроллер многоканальный, 7"/ -термостат точной доводки температуры, Т?~ проточный термостат, П - пиранометр, М- метеостанция, Р - ультразвуковой расходомер. Я/ - В; - вентили, О К - обратный клапан, II ¡, II2 - циркуляционные насосы

Стенд включает в себя два теплоизолированных бака Б, и Б2 Перед началом испытаний теплоноситель (вода) в нижнем накопительном баке Б) емкостью 750 литров нагревается с помощью проточного термостата Т2 мощностью 15 кВт до температуры примерно соответствующей планируемой в эксперименте температуре на входе в солнечный коллектор Теплоноситель в баке постоянно перемешивается с помощью насоса Н, для предотвращения температурной стратификации В процессе эксперимента при помощи насоса Н2 теплоноситель из бака Б) поступает в бак постоянного уровня Б, емкостью 50 литров, расположенный выше испытуемого сол-

печного коллектора и оснащенный регулятором уровня Здесь теплоноситель доводится до требуемой температуры с помощью термостата точной доводки Т| Из бака термостатированный теплоноситель по теплоизолированному трубопроводу подается на вход испытываемого солнечного коллектора

Система сбора и регистрации экспериментальных данных включает в себя ультразвуковой расходомер UFM —005, обеспечивающий измерение расхода теплоносителя через СК, пиранометр Kipp&Zonen, измеряющий поток энергии солнечного излучения в плоскости СК, 5 термометров сопротивления, установленных на ходе и выходе солнечного коллектора, в накопительных баках и в тени солнечного коллектора для измерения температуры наружного воздуха, метеостанция «Метео 2», измеряющая температуру воздуха, его влажность и скорость ветра, а также датчики температуры термостата точной доводки «Полистат CCI »

Автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин выполнена на основе высокоточного промышленного контроллера ТМ5103 Многоканальный контроллер обеспечивает связь и управление от персонального компьютера, использование не менее 8 аналоговых измерительных входов, для подключения термометров сопротивления, пиранометра, расходомера и других измерительных приборов и наличие не менее 4 релейных выходов для управления нагревателями и исполнительными устройствами Связь контроллера с компьютером осуществляется через порт RS 232 Система сбора данных оснащена программой, позволяющей с заданной периодичностью регистрировать и хранить измеренные экспериментальные данные

Отличительной особенностью схемы стенда является использование двух термостатов, один из которых (термостат точной доводки) установлен непосредственно в баке постоянного уровня, что позволяет гарантированно поддерживать температуру на входе в коллектор, с погрешностью не более ±0,1°С, чем обеспечивается одно из основных требований при использовании существующих к настоящему времени методик испытаний -жесткой стабилизации температуры теплоносителя на входе в СК

Принципиальная схема системы КИП и А стенда приведена на рис 10 Гидравлические испытания коллектора проводятся в специальном наполненном водой бассейне Принципиальная схема для гидравлических испытаний приведена на рис 11

Стенд обеспечивает также возможность проведения комплекса проверок предусмотренных ГОСТ Р 51596-2000, подтверждающих работоспо-

собность солнечного коллектора (испытания на предельный нагрев, на внутренний и внешний тепловые удары, на влагонепронецаемость)

Рис 10 Принципиальная схема системы КИП и А стенда

5 . ,

2 3

- - -X -

ч4 ^ 6Х 7

9Х

12

Рис 11. Схема стенда для гидравлических испытаний 1 - компрессор, 2 - обратный клапан, 3 - запорный вентиль (входной), 4 - запорный вентиль манометра, 5 - манометр, 6 - запорный вентиль (сброс), 7 - клапан предохранительный, 8 - вентиль ресивера, 9 - запорный вентиль (выходной), 10 -солнечный коллектор, размещенный в бассейне //, 12 - расширительный бак

Приборное оснащение стенда позволяет проводить испытания простейших солнечных водонагревательных установок (СК + бак-аккумулятор) по стандарту ISO 9459-2 1995 (рис 12)

Рис 12. Схема испытательной установки для определения дневной производительности СВУ

ТС, - ТС4 - термометры сопротивления, Б, - накопительный бак, Б2 - бак постоянного уровня, Б} - теплоизолированный бак СВУ, Г; -термостат точной доводки температуры, Тг~ проточный термостат, Р - ультразвуковой расходомер, В1 -Вз - вентили, ОК - обратный клапан, II¡, Н2 - циркуляционные насосы К - солнечный коллектор

На конструкцию стенда получен патент № 53416 на полезную модель

В четвертой главе приводятся результаты натурных тепловых испытаний СК «Сокол» производства НПО «Машиностроения» и разработанного в НВТ РАН солнечного коллектора из полимерных материалов, а также результаты испытаний СВУ в целом

Эксперимент по квазистационарной методике проводился в околополуденное время, когда интенсивность солнечного излучения составлял более 800 Вт/м2 и слабо менялся во времени Расчеты мгновенных значений кпд солнечных коллекторов проводились с использованием экспериментальных данных, полученных при температурах теплоносителя на входе в СК в диапазоне 22 75 °С и расходе теплоносителя через СК 50 л/час

Полученные значения мгновенных кпд обрабатывались в зависимости от параметра (ТгТа)/8 с использованием метода наименьших квадратов Результаты обработки экспериментальных данных по квазистационарной ме-

тодике, отобранных исходя из требований методики по стабильности потока солнечного излучения, представлены на рис 13

(ТгТа)/5

Рис 13 Сравнение результатов испытаний СК «Сокол» (1), пластикового СК с ослабленной тыльной теплоизоляцией (2) и расчетной кривой эффективности для пластикового СК с тыльной теплоизоляцией, эквивалентной СК «Сокол» (3)

Получены следующие значения показателей теплотехнического совершенства

- для СК «Сокол» /•"(та) = 0,72, /^ = 4,5 Вт/м2К,

- для пластикового СК /""(та)= 0,67, Г'С/д = 5,7 Вт/м2К

При этом кпд для обоих СК определялся с погрешностью около 5% Погрешность аппроксимации экспериментальных данных методом наименьших квадратов для /г'(та) составляет менее 0,5%, а для Р'и1 0,5 1,5%

По информации изготовителя тепловые испытания СК «Сокол», проведенные в зарубежном сертификационном центре с использованием имитатора солнечного излучения, дали следующие значения /•'¿¡(та) = 0,75, = 4,2 Вт/м2К, которые в пределах погрешности согласуются с нашими данными

Пластиковый коллектор ОИВТ РАН имеет более низкий оптический кпд, чем СК «Сокол», что объясняется несколько меньшим, чем у стекла, коэффициентом пропускания солнечного излучения для сотового поликарбоната Более высокое измеренное значение коэффициента потерь связано с

малой толщиной использованной тыльной теплоизоляции (пенофол, 10 мм) Кривая 3 на рис 13 - результат расчета тепловой характеристики пластикового солнечного коллектора с эквивалентной СК «Сокол» толщиной тыльной тепловой теплоизоляции (минеральная вата, 50 мм) Видно, что в этом случае полный коэффициент тепловых потерь разработанного пластикового СК снижается до 2,8Вт/м2К При таком значении F'UL пластиковый солнечный коллектор превосходит СК «Сокол» по кпд при (TrTa)/S> 0,04 (м2К)/Вт (Тг средняя температура теплоносителя в коллекторе, Т„-температура окружающей среды), или при нагреве теплоносителя выше температуры окружающей среды более чем на 40°С (S=l ООО Вт/м2)

Испытания СВУ производились для установки включающей в себя солнечные коллекторы суммарной площадью 4 м2, теплоизолированный бак емкостью 250 л и соединительные теплоизолированные трубопроводы Гидравлическая схема предусматривает естественную циркуляцию воды в контуре установки

Основной целью испытаний СВУ в соответствии с методикой ISO 94592 1995 является получение так называемой «input-output» диаграммы, те зависимости дневной производительности установки от суммы солнечного излучения, поступившего на поверхность солнечного коллектора СВУ

Было выполнено 8 экспериментов по определению дневной производительности СВУ и 2 ночных эксперимента по определению тепловых потерь бака Один эксперимент по определению тепловых потерь бака проводился с подключенными, второй с отключенными от СВУ солнечными коллекторами

Для аппроксимации полученных экспериментальных данных по дневной производительности СВУ Q и разности температур (tj(max)-lmam) в зависимости от дневной суммы солнечного излучения Н и разности между среднедневной температурой окружающего воздуха, ta, и температурой холодной воды, /,„„,„ используются соотношения

Q = axH + a1[ta-t,m,„]+ai,( 1) './,„,.„) =blH + b2[t„-tm,,]+bJ (2)

где а/ - а3, bj- Ь3- коэффициенты аппроксимации

Коэффициенты уравнений (1) и (2) определялись с использованием линейного метода наименьших квадратов и приведены в таблице 2, и использовались для построения обобщенных зависимостей рис 14 и 15

Коэффициент тепловых потерь бака-аккумулятора СВУ, измеренный в соответствии с изложенной методикой, составил 5 4 Вт/К для всей установ-

ки и 3 2 Вт/К при отключенных солнечных коллекторах Их различие показывает, что в ночное время имеет место достаточно интенсивная обратная циркуляция теплоносителя, приводящая к более чем 1,5 кратному увеличению тепловых потерь, однако и в этом случае их величина невелика

Таблица 2

Аппроксимационные коэффициенты «три^оШриЬ) зависимостей для С? и Цпвхг^т

Коэфс шцненты аппроксимации,

а1 "al О2 G„2 "з, Oai

м2 МДж/К МДж

1 32 0 39 1 61 0 64 119 7 1

ь, аъ 1 Ъ2 "Ь2 ь3, оЬз

Км2/МДж - К

1 10 0 26 0 93 0 47 13 7 58

40

30

JS

СС 20 2

О

10 о

5 10 15 20 25

Н, МДж/м2 Рис. 14 Input-output диаграмма для Q

1 ★ ★

эксперимент -Т-Т =-5°С a main -т-т =о°с a main ---Т-Т =+5°С a main т -т =+ю°с a main ---Т-Т =+15°С a mem *

★

к" ' ★

* эксперимент -Т -Т =-5°С

О

о

20

5

10

15

20

25

Н, МДж/м2

Рис 15 Input-output диаграмма ДЛЯ tdjmaxj-tma.

Lin

Полученные результаты характеризуют производительность испытанной СВУ и, в принципе, пригодны для предсказания долгосрочных показателей работы установки в различных климатических условиях

Результаты испытаний солнечной водонагревательной установки были использованы для верификации ее математической модели Моделирование СВУ было выполнено в среде динамического моделирования ТМ^УЯ для условий проведенных экспериментов Численные эксперименты, повторяющие физические эксперименты, были направлены на сравнение теоретических и экспериментальных данных по максимальной температуре натева воды в баке-аккумуляторе и по величине полезного тепла Было установлено некоторое различие в результатах математического моделирования и эксперимента, причины которого обсуждены в диссертации

В диссертации также представлены результаты натурных испытаний СВУ включающей в себя разработанные пластиковые СК суммарной площадью 1,6 м"и бак аккумулятор из вспененного полиэтилена

В пятой главе приводятся результаты натурных испытаний установки солнечного обогрева резервного дизель-генератора, являющегося аварийным источником энергии Специальной астрофизической обсерватории РАН на случай внезапного превращения его электроснабжения от электрической сети

Назначение солнечной установки - поддержание температуры в помещении дизель-генератора не ниже +10 °С, минимально необходимой для

обеспечения быстрого аварийного запуска генератора. Ранее эта задача решалась с помощью электронагревателя мощностью 7 кВт.

В диссертации представлена схема солнечной установки круглогодичного действия, описан принцип работы и результаты экспериментальных исследований эффективности ее работы.

В натурных экспериментах, проведенных в апреле 2006 г., при температуре наружного воздуха, изменяющейся в интервале от +3 "С ночью до + !4"С днем, температура в помещении дизель-ген ера гора не опускалась ниже 12 °С Выполненные непрерывные измерения потока солнечной радиации, расходов и температур теплоносителей в контурах установки, температуры наружного воздуха и воздуха в помещении в течение 3 сурок позволили рассчитать энергетические балансы, включая тепловые потери помещения, и оценить интегральную эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепло {рис. 16). Среднее значение к.п.д. солнечной установки в дни проведения экспериментов Достигало 37%.

Ввод в действие солнечной станции обогрева резервного дизель-генератора позволит существенно сократить затраты электроэнергии на зги цели. По предварительным оценкам срок окупаемости солнечной установки составит менее 7 лет.

VI- Сопнечная радиация ■ 2- Тепло снятое с дэлнечных коллекторов

□ 3- Тепло смятое с теплообменника через аоацуксдувку

□ 4- Потери помещения

□ 5-Температура

Рис. 16, Полный тгпловой баланс системы солнечного теплоснабжения за сутки

1ККЮ

К 1М00

а>

| 14000 |

3

I ИЙО0

* ®00 ;

I «то

Е

* шк

к™

Основные выводы по результатам работы

1 Проведен сравнительный анализ характеристик около 200 современных конструкций солнечных коллекторов с металлической тепловосприни-мающей панелью и стеклянным прозрачным ограждением Показано что, задача совершенствования конструкции солнечных коллекторов и снижения их удельных весовых и стоимостных параметров может быть решена с использованием новых перспективных материалов, в частности, современных теплостойких и стойких к УФ излучению пластиков

2 Впервые проведены исследования спектральных характеристик сотового поликарбоната и их сравнительный анализ со спектральными характеристиками стекла, на основе которых показана целесообразность использования полимерных материалов в качестве светопрозрачных покрытий солнечных коллекторов Разработаны новые конструкции плоских СК и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, эффективно преобразующих энергию солнечного излучения в тепло Показана возможность за счет применения пластиков вместо стекла и металла снижения удельного веса солнечных коллекторов до 7-8 кг/м2 (традиционные СК более 15 кг/м2) и удельной стоимости до 60-70 $/м2 (традиционные СК более 100 $/м2) при сохранении высоких показателей их теплотехнического совершенства

3 Выполнен обзор и анализ существующих математических моделей и методов тепловых испытаний солнечных коллекторов и солнечных водона-гревательных установок с точки зрения возможности их реализации в климатических условиях г Москвы Разработан и создан экспериментальный теп-логидравлический стенд для тепловых испытаний СК и СВУ в натурных условиях г Москвы Сегодня данный стенд является единственным специализированным стендом в России, что создает возможность для организации сертификационных испытаний гелиотехнического оборудования отечественных производителей

4 На созданном стендовом оборудовании проведены натурные исследования СК различных производителей, в том числе и разработанных СК из полимерных материалов Определены параметры теплотехнического совершенства СК Показано, что разработанные СК из полимерных материалов хотя и имеют более низкий оптический кпд (0,67 вместо 0,72 для СК со стеклянным ограждением), но при одинаковой тыльной теплоизоляции характеризуются более низким коэффициентом тепловых потерь, что обеспечивает их теплотехническое преимущество при нагреве теплоносителя выше температуры окружающей среды более 40°С

5 Впервые в условиях Москвы проведены натурные исследования СВУ в соответствии с международным стандартом ISO 9459-2 1995 Определены уравнения производительности СВУ, с использованием которых можно предсказывать эффективность работы СВУ в других регионах России

6 Выполнены натурные испытания системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, на основе которых показана высокая эффективность замещения солнечной установкой электрической системы обогрева резервного дизель-генератора Среднее значение кпд солнечной установки в дни проведения экспериментов достигало 37% Укрупненные технико-экономические оценки показали, что срок окупаемости солнечной установки составляет не более 6-7 лет

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1 Сучеймаиов МЖ, Прокопченко ИВ, Щеглов В Н, Попель О С Новые конструкции солнечных коллекторов и их испытания // XX Международная конфнеренция- «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» Кабардино-Балкария, Эльбрус 1-6 марта 2005 г Сборник докладов С 236-238

2 Сулеймаиов МЖ, ЮГ Коломиец, ИВ Прокопченко, ОС Попель, СЕ Фрид, В Н Щегчов Разработка, испытание и практическое применение солнечных коллекторов // 9 Международный семинар «Российские технологии для индустрии» Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения Санкт-Петербург 2005 г Сборник докладов С 109-110

3 Сулеймаиов МЖ, Коломиец ЮГ, Прокопченко ИВ, Попечь ОС, Фрид С Е, Щеглов В Н Солнечные коллекторы сравнение показателей конструкций зарубежных и отечественных производителей и разработка новых технических решений // Международная конференция «Возобновляемая энергетика Проблемы и перспективы» Махачкала 19-22 сентября 2005 г Сборник докладов С 337-344

4 Сулеймаиов М Ж, Попель ОС, Сковородько СН Спектральные характеристики прозрачных покрытий солнечных коллекторов // XXI Международная конфнеренция- «Уравнение состояния вещества» Кабардино-Балкария, Эльбрус 1-6 марта 2006 г Сборник докладов С 207-210

5 Попель О С, Фрид С Е, В Н Щеглов, Сулеймаиов МЖ, Коломиец ЮГ, Прокопчегто ИВ Сравнительный, анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежных и отечественных производителей Новые технические решения // Теплоэнергетика №3 2006 г

6 Сулеймаиов M Ж, Прокопченко И В Мордьшский А В Солнечная установка обогрева резервного дизель-генератора // Школа молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» Махачкала 18-22 сентября 2006 г

7 О Popel, S Frid, V Scheglov, Yu Kolomietz, M Suleimanov, I Prokop-chenko Comparison analysis of solar collector designs and development of new constructions Perspective in Energy №3 2005 г

8 ОС Попель, Ю Г Коломиец, А В Мордьшский, И В Прокопченко, M Ж Сулеймаиов, С Е Фрид Автономные водородные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии Международный форум «Водородные технологии для производства энергии» Москва 6-10 февраля 2006 г

9 ИВ Прокопченко, А В Мордьшский, M Ж Сулеймаиов, СЕ Фрид О С Попель Оценка эффективности применения селективных покрытий в плоских солнечных коллекторах Пятая Всероссийская молодежная школа «Возобновляемее источники энергии» Москва МГУ им M В Ломоносова 25-26 октября 2006 г С 89-93

10 M Ж Сулеймаиов, ИВ Прокопченко, А В Мордьшский, ОС Попель, СЕ Фрид Натурные испытания солнечных водонагревательных установок // XXII Международная конфнеренция- «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» Кабардино-Балкария, Эльбрус 1 -6 марта 2007 г Сборник тезисов докладов С 69-70

11 Солнечный коллектор Патент на полезную модель № 48038 (авторы О С Попель, В H Щеглов, ИВ Прокопченко, M Ж Сулеймаиов, СЕ Фрид) Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2005 г

12 Солнечный коллектор Патент на полезную модель № 48039 (авторы ОС Попечь, В H Щеглов, И H Прокопченко, M Ж Сулеймаиов, ЮГ Кочомиец) Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2005 г

13 Теплогидравлический испытательный стенд Патент на полезную модель № 53416 (авторы Попель ОС, Прокопченко ИВ, Сулеймаиов МЖ, Фрид СЕ, Кочоииец ЮГ) Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации РФ 10 мая 2006 г

Муси Жамалутгинович СУЛЕЙМАНОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Автореферат

Подписано в печать 17 04 2007 Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч изд л 1,7 Уел -печ л 1,7

Тираж 100 экз_Заказ № 4 6_Бесплатно

ОИВТ РАН 125412, Москва, Ижорская ул ,13/19

Введение.

Глава 1. Классификация и методы тепловых испытаний устройств, преобразующих солнечное излучение в низкопотенциальное тепло.

1.1. Классификация солнечных коллекторов.

1.2. Сравнение показателей плоских солнечных коллекторов различных производителей.

1.3. Методы тепловых испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок.

1.3.1. Квазистационарные методы испытаний солнечных коллекторов.

1.3.2. Лабораторные методы.

1.3.3. Комбинированные методы.

1.3.4. Нестационарные методы.

1.3.5. Методы тепловых испытаний солнечных водонагревательных установок.

1.4. Выводы.

1.5. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Исследование новых технических возможностей эффективного применения современных полимерных материалов для создания солнечных теплоиспользующих установок.

2.1. Основные требования, предъявляемые к материалам элементов солнечных водонагревательных установок.

2.2. Исследование спектральных характеристик прозрачных покрытий солнечных коллекторов.

2.3. Результаты разработки солнечных коллекторов из современных полимерных материалов.

2.4. Выводы.

Глава 3. Разработка стенда для теплогидравлических испытаний плоских солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок.

3.1. Принципиальные схемы испытательных стендов и требования к точности измерений основных параметров.

3.2. Стенд «Атон» для тепловых испытаний плоских солнечных коллекторов.

3.3. Система сбора и регистрации экспериментальных данных стенда.

3.4. Стенд для контроля герметичности солнечных коллекторов.

3.5. Использование стенда «Атон» для испытаний солнечных водонагревательных установок.

3.6. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования тепловых характеристик солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок.

4.1. Исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов.

4.1.1. Конструктивные параметры испытываемых СК.

4.1.2. Испытания и обработка экспериментальных результатов.

4.1.3. Исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов в нестационарных условиях.

4.2. Исследование эффективности солнечных водонагревательных установок.

4.2.1. Объект испытаний.

4.2.2. Порядок проведения, обработка и анализ результатов испытаний солнечной водонагревательной установки.

4.2.3. Моделирование работы СБУ в условиях испытаний.

4.2.4. Исследование теплотехнических характеристик солнечной водонагревательной установки с разработанными солнечными коллекторами.

4.3. Выводы.

Глава 5 Испытания солнечной установки обогрева технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.

5.1. Описание солнечной установки.

5.2. Цели и задачи проведения натурных испытаний солнечной станции.

5.3. Результаты испытаний.

5.4. Выводы.

Выводы.

Актуальность проблемы. Возможность использования экологически чистой, повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекает все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (энергия Солнца, ветра, биомассы) должны занять заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды [1]. В среднем в год в зависимости от климатических условий и широты местности интенсивность суммарного потомка солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений более 1000 Вт/м2 в полдень при ясном небе. Задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы при наименьших затратах наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) [2].

Всё более широкое распространение таких установок ставит задачу оценки эффективности этих систем. Испытательное оборудование, позволяющее определять теплотехнические и эксплуатационные характеристики СК и солнечных водонагревательных установок (СВУ) в реальных климатических условиях и проводить их сертификацию, сегодня в России отсутствует. Отсутствие оборудования и отработанных методик испытаний сдерживает разработки новых конструкций солнечных коллекторов и СВУ, а также усовершенствование существующих конструкций. Данные об отечественном энергетическом оборудовании, для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии представлены в справочнике [3].

Отсутствуют и унифицированные методики объективной оценки теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и систем солнечного теплоснабжения. В России параметры солнечных коллекторов регламентируются ГОСТ Р 51595-2000 [4]. Стандарт определяет технические требования к материалам, особенностям конструкции солнечных коллекторов, допустимым значениям их параметров, а также устанавливает необходимую номенклатуру испытаний коллекторов в зависимости от целей испытаний.

Методики и программы испытаний в свою очередь регламентируются ГОСТ Р 51596-2000 [5]. Основными целями испытаний солнечных коллекторов являются проверка их работоспособности в нормальных и аварийных режимах работы. Процедура тепловых испытаний солнечного коллектора в [5] не содержится и соответственно, параметры теплотехнического совершенства для характеристики качества разработки и изготовления солнечного коллектора в [4] не используются.

Внесение дополнений в [5] в части тепловых испытаний солнечных коллекторов возможно только после отработки и апробации различных методик испытаний. Кроме этого, необходимо сравнение результатов испытаний по различным методикам. В последние годы научные исследования в области испытаний теплотехнических характеристик СК и СВУ практически не проводились. Также не разработаны методики проведения испытаний и сертификации элементов СВУ. В результате отечественные производители вынуждены либо обращаться в зарубежные испытательные центры, либо вносить в техническую документацию инструментально непроверенные теплотехнические показатели.

Формирующийся рынок гелиотехнического оборудования требует паспортизации и сертификации солнечных коллекторов. Решение этой задачи включает в себя создание стендового оборудования для комплексных испытаний СК и СВУ в соответствии с международными и отечественными стандартами и апробацию различных методик испытаний СК и СВУ, направленных на определение теплотехнической эффективности коллекторов, их надёжности, на контроль качества изготовления.

Выполненный в диссертации детальный анализ международного опыта проведения испытаний СК и СВУ показал, что на начальном этапе работ предпочтительной является ориентация на проведение экспериментов в натурных условиях, поскольку лабораторные испытания требуют больших затрат на эксплуатацию имитаторов солнечного излучения.

Актуальным является также исследование технических и технологических возможностей применения современных полимерных материалов при создании СК, не уступающих по характеристикам, традиционно используемым материалам (металл, стекло).

Целью работы является разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения теплотехнических испытаний СК и СВУ, апробация и оценка возможности использования известных методик их натурных испытаний в климатических условиях г. Москвы, а также разработка новых конструкций СК и СВУ с применением новых материалов (теплостойкие пластмассы) и проведение их испытаний с использованием отобранных методик.

В соответствии с целевым направлением работы основными задачами исследования являются:

1. Анализ научно-технической литературы по применяемым методикам экспериментального исследования СК и СВУ с точки зрения возможности их реализации в климатических условиях г. Москвы. Проведение сравнительного анализа современных конструкций солнечных коллекторов.

2. Исследование технических и технологических возможностей эффективного применения современных полимерных материалов для создания солнечных теплоиспользующих установок, в частности, экспериментальное исследование спектральных характеристик полимерных материалов с точки зрения применения их в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов. Разработка новых конструкций плоских СК из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло.

3. Разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения тепловых испытаний СК и определения обобщенных показателей эффективности работы СВУ по различным методикам.

4. Проведение натурных теплотехнических испытаний СК промышленного производства и опытных образцов СК из теплостойких пластмасс. Сравнение их тепловых и технико-экономических показателей.

5. Проведение испытаний солнечных водонагревательных установок.

6. Проведение натурных исследований эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведены исследования спектральных характеристик сотового поликарбоната и их сравнительный анализ со спектральными характеристиками стекла. Доказана возможность и целесообразность использования поликарбоната в качестве светопрозрачного покрытия солнечных коллекторов.

2. С участием автора разработаны новые конструкции плоских СК и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, эффективно преобразующие энергию солнечного излучения в тепло, защищенные патентами на полезную модель № 48038 и № 48039, зарегистрированными в ГРПМ РФ 10 сентября 2005 г [75, 76].

3. Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для тепловых испытаний СК и СБУ в натурных условиях г. Москвы, являющийся на сегодня единственным специализированным стендом в России для исследования СК и СБУ. Конструкция стенда защищена патентом № 53416 на полезную модель, зарегистрированным в ГРПМ РФ 10 мая 2006 г [77].

4. В условиях г. Москвы на созданном стенде выполнены натурные испытания СК различных производителей, в том числе и разработанных СК из полимерных материалов, а также СБУ. Определены обобщенные теплотехнические характеристики испытанных СК и СБУ, необходимые для оценки эффективности их практического использования в различных климатических условиях.

5. Проведены натурные исследования эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований спектральных характеристик полимерных материалов (сотовые поликарбонаты), перспективных для использования в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов.

2. Новые конструкции СК и СБУ из теплостойких пластмасс.

3. Технические решения, лежащие в основе создания стендового оборудования для комплексных испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок.

4. Результаты теплотехнических испытаний и сравнительного анализа СК и СБУ различных конструкций и фирм производителей.

5. Результаты экспериментальных исследований системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Практическая значимость работы. Разработанный теплогидравлический стенд сегодня является единственным специализированным стендом в России. Его наличие создаёт предпосылки для организации сертификационных испытаний гелиотехнического оборудования отечественных производителей и целенаправленных исследований по отработке усовершенствованных конструкций солнечных коллекторов. В соответствии с условиями грантов Правительства Москвы 2003 и 2004 гг. стенд получил статус стенда коллективного пользования и с 2005 г. используется как учебная база для студентов МЭИ, МГУЭИ и МГТУ, подготавливаемых ВУЗами по специальности «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии».

Результаты проведенных исследований спектральных характеристик светопрозрачных материалов были использованы при разработке и создании из полимерных материалов солнечных коллекторов, не уступающих по эффективности, а по стоимостным и удельным весовым показателям существенно превосходящих традиционные солнечные коллекторы, из металла и стекла.

Работы выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям №41.003.11.2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» (Государственный контракт с Роснаукой № 02.447.11.5011), по грантам РФФИ 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных теплостойких полимерных материалов» и 06-08-01530 «Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах», а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Кабардино-Балкария, 2005), IX Международном семинаре «Российские технологии для индустрии. Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005), XXI Международной конференции «Уравнение состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме в рамках председательства Российской Федерации в «Большой Восьмерке» «Водородные технологии для производства энергии» (Москва, 2006), Школе молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2006), Пятой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, по результатам разработок получено 3 патента на полезную модель.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения; содержит 130 страниц текста, 72 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 77 наименований.

выводы

1. Проведен сравнительный анализ характеристик около 200 современных конструкций солнечных коллекторов с металлической тепловоспринимающей панелью и стеклянным прозрачным ограждением. Показано, что задача совершенствования конструкции солнечного коллектора и снижения удельных весовых и стоимостных параметров может быть решена с использованием новых перспективных материалов, в частности, современных теплостойких и стойких к УФ излучению полимерных материалов.

2. Выполнен обзор и анализ существующих математических моделей и методов тепловых испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок с точки зрения возможности их реализации в климатических условиях г. Москвы.

3. Впервые проведены исследования спектральных характеристик сотового поликарбоната, и их сравнительный анализ со спектральными характеристиками стекла. Показана целесообразность использования полимерных материалов в качестве светопрозрачных покрытий солнечных коллекторов.

4. Разработаны новые конструкции плоских СК и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, эффективно преобразующих энергию солнечного излучения в тепло. Показана возможность снижения удельного веса солнечных коллекторов до 7-8 кг/м2 (традиционные СК более 15 кг/м2) и удельной стоимости до 6070 $/м2 (традиционные СК более 100 $/м2) при сохранении высоких показателей их теплотехнического совершенства за счет применения пластиков вместо стекла и металла.

5. Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для тепловых испытаний СК и СВУ в натурных условиях г. Москвы. Сегодня стенд является единственным специализированным стендом в России. Наличие стенда делает возможным организацию сертификационных испытаний гелиотехнического оборудования отечественных производителей.

6. На созданном стендовом оборудовании проведены натурные исследования СК различных производителей, в том числе и разработанных СК из полимерных материалов. Определены параметры теплотехнического совершенства СК. Показано, что разработанные СК из полимерных материалов хотя и имеют более низкий оптический КПД (0,67 вместо 0,72 для СК со стеклянным ограждением), но при одинаковой тыльной теплоизоляции характеризуются более низким коэффициентом тепловых потерь, что обеспечивает их теплотехническое преимущество при нагреве теплоносителя выше температуры окружающей среды более, чем на 40°С.

7. Впервые в условиях Москвы проведены натурные исследования СВУ в соответствии с международным стандартом ISO 9459-2:1995. Определены уравнения производительности СВУ, с использованием которых можно предсказывать эффективность работы СВУ в других регионах России.

8. Выполнены натурные испытания системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, на основе которых показана высокая эффективность замещения солнечной энергией электричества при обогреве резервного дизель-генератора. Среднее значение КПД солнечной установки в дни проведения экспериментов достигало 37%. Укрупненные технико-экономические оценки показали, что срок окупаемости солнечной установки не превышает 5 лет.

1. REN21. Renewable Energy Policy Network. 2005. "Renewables 2005 Global Status Report/'Washington, DC: Worldwatch 1.stitute. www.ren21.net.

2. Попель O.C. Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России // Энергосбережение №1. 2001.

3. Виссарионов В.И., Белкина C.B., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Справочник. Под ред. В.И. Виссарионова. М. 2004. 448 С.

4. ГОСТ Р 51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М. Госстандарт. 1999.

5. ГОСТ Р 51596-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Методы испытаний. М. Госстандарт. 1999.

6. Д. Мак Вейг. Применение солнечной энергии // Москва. Энергоиздат. 1981.

7. Бекман К, Клейн С., Даффи Д. Расчёт систем солнечного теплоснабжения // Пер. с англ. Москва. 1982.

8. Y.F. Kreider, F. Kreith. Solar heating and cooling // New York, N.Y., USA 1982.

9. K. S. Ong. Thermal performance of solar air heaters: mathematical model and solution procedure I I Renewable Energy, 9 (1996). P. 589-594.

10. В. Тарнижевский, И.M. Абуев. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России // Теплоэнергетика. №4. 1997.

11. Попель О.С., Фрид С.Е., Щеглов В.Н., Сулейманов М.Ж., Коломиец Ю.Г., Прокопченко И.В. Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежного и отечественного производства. Новые технические решения // Теплоэнергетика. №3. 2006.

12. В.А. Бутузов. Эксплуатационная надежность солнечных коллекторов // Промышленная энергетика. №8. 2003.

13. RETScreen International Renewable energy decision support.center // www. retscreen .net.

14. И.М. Абуев, Б.В. Тарнижевский. Выбор материалов для солнечных коллекторов // Гелиотехника. №5. 1990.

15. Дж. А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии // Издательство МИР. Москва. 1977.

16. Фрид С.Е. Методы тепловых испытаний солнечных коллекторов // Препринт № 3-248. ИВТАН АН СССР. Москва. 1988г.

17. ASHRAE Standard 93-77- New York: American Soc.of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers. 1977.

18. ASHRAE Standard 96-80- New York: American Soc.of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers. 1980.

19. Australian Standard 2535-1982. North Sydney: Standards Association of Australian standards House. 1982.

20. ANSI/ASHRAE 92-1986 (RA91). Methods of testing to determine the thermal performance of solar collectors.

21. Smith C.C., WiessT.A., Solar Energy. Vol. 19. P. 109-113. 1977.

22. Hill J. E., Streed E.R.// Solar Energy. V. 18. No. 5. P. 421-429. 1976.

23. Стандарт ISO 9806- 1:1994. Test methods for solar collectors: Thermal performance of glazed liquid heating collectors including pressure drop.

24. Стандарт ISO 9806- 2:1995. Test methods for solar collectors: Qualification test procedures.

25. AS 2535-1896. Solar collectors with liquid as the heat-transfer fluid -Method for testing thermal performance.

26. AS/NZS 2535.1:1999. Test method for solar collectors Thermal performance of glazed liquid heating collectors including pressure drop.

27. DIN 4757/4. Determination of Efficiency, Thermal capacity and pressure drop of solar collectors. W. Berlin: Beuth Verlag. 1982.

28. BS 6757:1986. Methods of test for thermal performance of solar collectors. BSI. 1986.

29. Solar Energy Vol.60, No. 5. P. 229-243. 1997.

30. Arranovitch E. The joint solar collector testing programme of the European Community. In Proc. UK/ ISES Conf. СИ. Testing of solar collectors and systems. P. 49-70. 1970.

31. Perers B. Dynamic method for solar collector array testing and evaluation with standard database and simulation programs // Solar Energy 50, 517-526. 1993.

32. Souproun A. V. Dynamic method of solar collector testing 11 Solar Energy Engng 2. P. 1149-1154. 1992.

33. Wijeysundera N. E. and Hawlader M. N. A. Indoor transient tests on solar collectors // Proc. ENERGEX 84. Regina. Canada. May 14-19. P. 181-185. 1984.

34. Hawlader M. N. A. and Wijeysundera N. E. Solar collector testing // Renew. Energy Rev. J. 9. P. 11-28. 1987.

35. Kamminga W. The approximate temperatures within a flat-plate solar collector under transient conditions // Int. J. Heat Mass Transfer 28. P. 433-440. 1985.

36. Kamminga W. Experiences of a solar collector test method using Fourier transfer functions // Int. J. Heat Mass Transfer 28. P. 13931404. 1985.

37. Kamminga W. // Int. J. Heat mass transfer 29, P. 83-90. 1986.

38. Saunier G. Y. and Chungpaibuipatana S. A new inexpensive dynamic method of testing to determine solar thermal performance // In Solar World Congress. Vol. 2. Szokolay S. V. (Ed.). Pergamon Press, Oxford. P. 910. 1983.

39. Saunier G. Y., Chungpaibuipatana S. and Vitagsabootr T. A dynamic test method to determine solar collector thermal performance // Proc. Fourth Asian School on Solar Energy, Harnessing, 12-20 Dec. 1985, AIT, Bangkok, Thailand. P. 131-142. 1985.

40. Chungpaibuipatana S. and Exell R. H. B. The Effect of using a one node heat capacitance model for determining solar collector performance parameters by transient test methods // Solar Wind Technol. 5. P 411-421. 1988.

41. Chungpaibuipatana S. and Exell R. H. B. Transient method for testing flat-plate solar collectors // In Proc. Energy and the Environment into the 1990s. Vol. 2. Sayigh A. A. M. (Ed.). Pergamon Press. Oxford. P. 699-703. 1990.

42. Rogers B. A. A method of collector testing under transient conditions // In Solar World Forum. Proc. ISES Congr., Brighton, England. Aug. 1981. Vol. 1. Hall D. and Morton J. (Eds.). Pergamon Press, Oxford. P. 898-902. 1981.

43. Wang X. A., Xu Y. F., Meng X. Y. A filter method for transient testing of collectorperformance 11 Solar Energy 38. P. 125-134. 1987.

44. Aranovitch E., Gilliaert D., Gillett W.B., Bates J.E. Recommendations for performance and durability tests of solar collectors and water heating systems. EUR11606. Luxembourg. 1989.

45. Perers B. An improved dynamic solar collector test method for determination of non-linear thermal characteristics with multiple regression // Solar Energy. 1997. V. 59. P. 163-178.

46. Стандарт EN 12975-2. Thermal solar system and components- Solar Collectors.

47. S. Fischer, W. Heidemann, H. Muller-Steinhagen, B. Perers, P. Bergquist, B. Hellstrom. Collector test method under quasi-dynamic conditions according to the European Standard EN 12975-2 // Solar Energy 76. P. 23. 2004.

48. DD77.1982. Draft for development. Method of test for thermal performance of solar collectors, London BSI. 1982.

49. Фрид C.E. Исследование эффективности солнечных коллекторов и водонагревательных установок и разработка методических метод их тепловых испытаний // Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. ИВТ РАН. Москва. 2002.

50. Ю.Н. Малевский, Ю.Л. Мышко, С. И. Смирнов, Б. В. Тарнижевский. Методика определения тепловых характеристик солнечных коллекторов в лабораторных условиях // Гелиотехника №4. 1980.

51. Тарнижевский Б.В., Готвянский Н.Ф., Голенченко В.А., Абуев И.М. Стенд для испытаний коллекторов солнечной энергии (КСЭ) // Государственный научно-исследовательский энергетический институт ОКБ-1. Москва. 1987.

52. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Методика оценки показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок в климатических условиях Российской Федерации // ОИВТ РАН. Москва. 2002.

53. Попель О. С., Фрид С.Е. Эффективность использования индивидуальных СБУ в различных регионах России и Европы // ОИВТ РАН. Москва. 2002.

54. Попель О.С., Фрид С.Е., Шпильрайн Э.Э. Обобщение показатели типичной индивидуальной солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России // Теплоэнергетика № 1. С. 12-18. 2003.

55. ISO 9459-1:1993. Solar heating Domestic water heating systems. Part 1: Performance rating procedure using indoor test methods.

56. ISO 9459-2:1995. Solar heating Domestic water heating systems. Part 2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems.

57. ISO 9459-3:1997. Solar heating Domestic water heating systems. Part 3: Performance test for solar plus supplementary systems.

58. В.А. Бутузов. Анализ энергетических и экономических показателей гелиоустановок горячего водоснабжения // Промышленная энергетика. №10. 2001.

59. Raman R., Mantel S., Davidson J., Wu C. A review of polymer materials for solar heating systems 11 Renewable and advanced energy systems for the 21st century Proceedings. 1999.

60. Пластические массы. Методы испытаний // М. 1967.

61. Book of ASTM Standards, pt. 27. 1971.

62. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров // М. 1971.

63. Попель О.С. «В мире науки», Солнечная Россия, // Энергетика №1, 2005.

64. Proctor D. A generalized method for testing ail classes of solar collectors I. Attainable accuracy // Solar Energy. 1984. V. 32. No. 3. P. 377-386.

65. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы // M.: Энергия. 1978.

66. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. // М.: Энергоатомиздат. 1982.

67. Hill J.E., Streed ЕЯ. A method of testing for rating solar collectors based on thermal performance // Solar Energy. 1976. V. 18. No. 5. P. 421-429.

68. ГОСТ 8.522-85. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения энергетической освещенности солнечным излучением //М.: Издательство стандартов. 1985.74. www.kippzonen.com

69. Солнечный коллектор. Патент на полезную модель № 48038 (авторы: О.С. Попель, В.Н. Щеглов, И.В. Прокопченко, М.Ж. Сулейманов, С.Е. Фрид). Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2005.

70. Солнечный коллектор. Патент на полезную модель № 48039 (авторы: О.С. Попель, В.Н. Щеглов, И.Н. Прокопченко, М.Ж. Сулейманов, Ю.Г. Коломиец). Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2005.