автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Методика определения энергетической эффективности гелиоводонагревательных систем с плоскими коллекторами

На правах рукописи

МАТВЕЕВ АНДРЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ПЛОСКИМИ КОЛЛЕКТОРАМИ

Специальность 05 14 08 - энергоустановки на основе возобновляемых

видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003172406

Москва 2008

003172406

Работа выполнена на кафедре "Атомная энергетика" теплоэнергетического факультета ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" (УГТУ-УПИ)

доктор технических наук, профессор Щеклеин Сергей Евгеньевич

доктор технических наук Безруких Павел Павлович

кандидат технических наук Дьяконов Евгений Иванович

ОАО "Энергетический институт им Г М Кржижановского" (ЭНИН)

Защита состоится «01» 2008 г в часов на

заседании Диссертационного совета Д 006 037 01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу 109456, г Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д 2

тел (495) 171-19-20 факс (495) 170-51-01 e-mail viesh@dolru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ Автореферат разослан " 5Л" j^UXSL 2008 г

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, с н с

А И Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, некоторые установки эадиционной и возобновляемой энергетики близки по уровню их стоимости одорожание установок традиционной энергетики стало следствием жесточения требований по экологии В свою очередь развитие техники и ехнологий привело к снижению стоимости установок возобновляемой нергетики Традиционно эффект от внедрения энергоисточника оценивался кономическими параметрами Однако они не могут в полной мере отразить ффективность энергетической технологии, поскольку на них воздействуют убъективные факторы такие как рост цен на материалы, политическая онъюнктура, локальные войны и катаклизмы и т д Поэтому для объективного равнения и выбора типа энергетических установок необходимо проводить не олько экономический, но и энергетический анализ проектов, который аюпочается в сопоставлении энергии, затраченной на создание объектов, с нергией, вырабатываемой ими за весь срок эксплуатации В некоторых транах, например США, такого рода анализ является неотъемлемой частью ехнико-экономического обоснования проекта, поскольку он показывает 1стинный эффект, который можно достичь в абсолютных энергетических диницах

Проведение энергетического анализа особенно важно для установок олнечной энергетики, поскольку данный природный источник характеризуется тохастичностью и сильным рассеянием энергии в пространстве, что требует величения размера установки и соответственно повышенных затрат энергии а ее создание Задача о необходимости проведении энергетического анализа аких установок была сформулирована еще в работах П Л Капицы

В области энергетического анализа-нетто установок традиционной нергетики проведен ряд исследований Количество работ по энергетическому нализу установок возобновляемой энергетики весьма ограничено, ыполненные исследования имеют в основном теоретический характер и не одвергались процедуре верификации

Цель работы. Комплексное исследование технических характеристик ипового плоского солнечного коллектора, создание на его основе «тематической модели, описывающей работу систем солнечного горячего одоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя и позволяющей пределить их производительность Энергетический и экономический анализ ффективности работы водогрейной гелиоустановки для ряда регионов РФ

Задачи исследования.

1. Проведение экспериментальных исследований солнечного коллектора для получения основных гидравлических и теплотехнических характеристик

2 Проведение экспериментальных исследований работы водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя в натурных условиях Уральского региона

3 Построение модели прихода солнечной радиации на поверхность солнечного коллектора в течение светового дня

4 Построение математической модели для определения производства энергии и эксергии водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя в течение светового дня и создание методики определения производительности за весь срок службы

5 Определение энергетических и эксергетических затрат на создание водогрейной гелиоустановки.

6 Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной гелиоустановки для условий Урала и ряда регионов РФ

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов исследований с использованием цифровых систем измерений контролируемых параметров, хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных

Научная новизна.

1 Разработана и экспериментально верифицирована методика оценки энергетической эффективности солнечного коллектора при искусственном освещении с последующим приведением результатов к характеристикам при спектре солнечного излучения

2 Выполнены натурные исследования и разработана уточненная модель определения тепловой эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной циркуляции теплоносителя в зависимости от основных конструктивных, теплофизических и режимных параметров

3 Впервые выполнена оценка энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной циркуляции, по методике энергетического анализа-нетто в зависимости от энергетического потенциала территории

Практическая ценность работы. Построенная модель работы водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя позволяет уточнить и упростить расчет и проектирование систем солнечного горячего водоснабжения Созданные методики и полученные

экспериментальные данные используются ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» при проектировании водогрейных гелиоустановок Отдельные материалы исследования использованы при разработке курса «Проектирование и эксплуатация установок НиВИЭ» и лабораторных работ для подготовки студентов УГТУ-УПИ

Положения, выносимые на защиту.

1 Уточненная методика определения полезной выработки теплоты водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя с учетом переменного во времени КПД установки и суточного изменения прихода солнечной радиации

2 Модель работы водогрейной гелиоустановки в режиме естественной циркуляции теплоносителя для конкретных конструктивных, теплотехнических и режимных параметров, позволяющая выявить факторы, способствующие повышению интенсивности естественной циркуляции и эффективности установки

3 Методика оценки затрат энергии и эксергии, необходимых для изготовления водогрейной гелиоустановки

4 Коэффициенты энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки для условий Урала и других регионов РФ

Личный вклад автора состоит в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, на основе которых построены математические модели и проведен энергетический анализ водогрейной гелиоустановки

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 2 международных и 5 всероссийских конференциях на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005 г), на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006 г), на VII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2006 г), на X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г), на VIII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Новые информационные

технологии в образовании» (Екатеринбург, 2007 г ), на Международной научно-практической конференции «Ecotechnologies of XXI century» (Екатеринбург, 2007 г ), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные энергетические технологии Экология Экономика, безопасность и подготовка кадров» (Екатеринбург, 2007 г.), на XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г), на XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Международных и Всероссийских конференций, в том числе 4 статьи в реферируемых изданиях по перечню ВАК

Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, выводов, четырех приложений, списка литературы, включающего 140 наименования Общий объем диссертации 167 страниц Работа содержит 46 рисунков и 19 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные защищаемые положения

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников, посвященных исследованию солнечных коллекторов и систем солнечного теплоснабжения, а также методологии проведения энергетического и эксергетического анализа энергетических установок, обобщены результаты проведенных ранее исследований в данной области

Во многих странах широко применяются гелиоустановки горячего водоснабжения Всего в мире эксплуатируются 71,3 млн м2 солнечных водонагревательных установок В России общая площадь эксплуатируемых гелиоустановок не превышает 10 тыс м2

В системах солнечного теплоснабжения наиболее часто применяются плоские солнечные коллекторы, поскольку они имеют относительно невысокую стоимость, просты в изготовлении и эксплуатации, а также обеспечивают приемлемый нагрев теплоносителя

Анализ соотношений уровня солнечной радиации и расчетных тепловых нагрузок для РФ, выполненный в работах В А Бутузова, показал, что как при нынешнем уровне цен на органическое топливо в России, так и при его повышении до мирового уровня даже для южных регионов экономически целесообразно применение солнечной энергии в основном для ГВС

Поскольку приход солнечной энергии на поверхность не постоянен (цикличен) и подвержен стохастическим колебаниям, как в течение суток, так и в течение года, а, кроме того, зависит от географического местоположения и ориентации СК, определение производительности системы солнечного теплоснабжения требует использования методов математического моделирования Анализ литературных источников показывает, что исследованиями систем солнечного теплоснабжения занимались многие авторы, среди них У Бекман, С Клейн, Дж Даффи, Д С Стребков, П П Безруких, Б В Тарнижевский, В И Виссарионов, М И Валов, Б И Казанджан, Н В Харченко, Р Р Авезов, А Б Вардиашвшш, В А Бутузов и многие другие Ими выполнено значительное количество работ, в которых исследуются гидравлические и теплотехнические свойства солнечных коллекторов различного типа и строятся модели работы систем солнечного теплоснабжения в основном с принудительной циркуляцией теплоносителя Это связано с тем, что установки с естественной циркуляцией имеют обычно небольшую производительность переменную во времени, определяемую изменением расхода теплоносителя, зависящего от интенсивности падающего излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками тепловой схемы При искусственной циркуляции расход задается извне, это существенно упрощает методику проведения экспериментов и построение математической модели

Число работ, посвященных энергетической и эксергетической эффективности водонагревательных гелиоустановок с естественной циркуляцией весьма ограничено Разработанные авторами модели циркуляции применимы для простейших условий гидродинамических течений теплоносителя и не охватывают всего многообразия конструкций солнечных коллекторов с индивидуальными гидродинамическими характеристиками, что не позволяет определить производительность таких систем с учетом переменной эффективности в суточном и годовом циклах изменения солнечной радиации

Сравнение энергетической «стоимости» сооружения и эксплуатации той или иной энергоснабжающей технологии с производимой ею конечной

энергией получило название net energy analysis - энергетический анализ-нетто (ЭАН) При этом под энергией нетто понимается энергия, остающаяся для использования вне рассматриваемой энергетической системы после исключения из валового производства энергии системой всех энергетических затрат, требуемых для строительства и эксплуатации самой системы

Энергетический анализ сводится к двум задачам определению энергетических затрат на создание и функционирование энергообъекта, определению количества полезной энергии выработанной энергообъектом за весь срок эксплуатации

Расчеты количества энергии, затраченной на производство определенного продукта по всей последовательности процессов, связанных прямо или косвенно с этим производством по всей цепочке, начиная от добычи сырья и заканчивая готовой продукцией, встречаются в работах В Кельвина, Ф Содци, П JI Капицы, В В Леонтьева, Е И Дьяконова, Ю Д Кононова, В С Степанова и Т Б Степановой, Г. А Исаковича, Е И Литовского, В М Бродянского, В В Алексеева и других авторов В основе большей части этих работ лежат две методики межотраслевого баланса и сквозного энергетического анализа На основе этих методик авторами получены энергетические затраты на создание большого числа продуктов металлов, строительных материалов, химических веществ и т п

В литературе встречаются результаты исследований энергетической эффективности ряда традиционных источников энергии, однако число работ, посвященных энергетической и эксергетической эффективности водонагревательных гелиоустановок с естественной циркуляцией весьма ограничено, отсутствуют модели, позволяющие определить производительность таких систем с учетом переменной эффективности в суточном и годовом циклах изменения солнечной радиации

Работы по анализу энергетической эффективности различных установок традиционной и возобновляемой энергетики ведутся в Московском энергетическом институте совместно с Институтом энергетической стратегии под руководством П П Безруких в рамках проекта «Разработка методологии расчета и исследование энергетической эффективности электрических и тепловых станций и установок, использующих возобновляемые источники энергии» Результаты подобного рода исследований (табл 1) обычно приводятся в виде коэффициентов энергии-нетто (эксергии-нетто), определяемого как отношение произведенной установкой за все время существования энергии (эксергии) к затратам на ее создание и эксплуатацию

Таблица 1 Типичные значения коэффициента энергии- и эксергии-нетго по данным азличных авторов_

Тип станции

Коэффициент энергии-нетто Ко

Коэффициент эксергии-нетто

КЕ__

ТЭС на угле

3,5

4-5

ТЭС на газе

5,3

АЭС с легководным реактором

4,33

Гидроэлектростанции базовой нагрузки

11

Гидроэлектростанции пиковой нагрузки

3-7

Плоский солнечный коллектор (в качестве дублирующего источника, обеспечивающего 38-43% тепловой нагрузки)_

1-2,4

На сегодняшний день существует методологическая база, при помощи которой можно производить сквозной анализ и определять энергоемкость готовой продукции, в частности, затраты на создание оборудования и строительство энергообъектов, что позволяет производить энергетический анализ возобновляемых источников энергии Однако данный методики имеют обобщенный, теоретический характер, а для конкретных расчетов нужна их детализация и адаптация

Во второй главе приводится описание плоского солнечного коллектора (СК), описываются методики и анализируются результаты гидравлических и теплотехнических исследований СК в лабораторных условиях с искусственным освещением

В рамках НИР по запросу завода-изготовителя предметом исследования являлся солнечный коллектор плоского типа КС А-1,6 Данный СК предназначен для нагрева жидкого теплоносителя и состоит из поглощающей панели солнечного коллектора (ППСК), снабженной патрубками для подвода и отвода рабочей жидкости ППСК размещена в, теплоизолирующем корпусе, одна из сторон которого закрыта стеклом для пропуска солнечных лучей на рабочую поверхность ППСК

Поглощающая панель солнечного коллектора изготовлена из коррозионно-стойкого алюминиевого сплава методом диффузионно-прокатной сварки двух листов толщиной 1 мм с последующим раздутием каналов Габаритная площадь ППСК составляет 1,6 м2, суммарное сечение каналов овального

профиля для прохода теплоносителя равно 0,002 м2 Поверхность ППСК окрашена в черный цвет

Для определения гидравлических характеристик солнечного коллектора были проведены исследования по методике предложенной МВТУ им Баумана, полученные данные аппроксимировались зависимостью (рис 1)

1п|=С-л1пЛе=12,0-0,91пЯе (1)

Из рис 1 видно, что солнечный коллектор КСА-1,6 обладает низким гидравлическим сопротивлением, поэтому данный СК можно рекомендовать для использования в составе водогрейных гелиоустановок с естественной циркуляцией теплоносителя

Теплотехнические испытания солнечного коллектора проводились на стенде, рис 2

Действительное значение мгновенного КПД определялось по формуле

С.рСКТг-Т,)

' I- '

Ч'К

(2)

где с, - теплоемкость воды, р - плотность воды, в - расход воды, Т^Т2 -температуры теплоносителя на входе и выходе из коллектора, с[ - плотность потока излучения; ^ - габаритная площадь поглощающей панели солнечного

коллектора 95-

85 8,0 Ч/. 7,5 ~ 7,0 65 6,0 55 50

----- ---

\6

■Ч

3,0

4,0

5,0 6,0 1пГге

7,0 8,0

о-

и

'Л

Г------------т--------ь^

I г-----&-------

а ¿' <а а 'Ф а Лу

1ШАШ1-Л,

10)ч? &.Щ сайШ/

'-ж^рзИз'в Ьсда

2 Принципиальная схема стенда проведения теплотехнических опытные данные испытаний солнечных коллекторов 1 -(каналы прямой солнечный коллектор, 2 - излучатель

Рис 1 Зависимость гидравлического Рис сопротивления коллектора от числа для Рейнольдса а 1п = 12,0-0,91пЯе

формы), б - результаты испытаний по теплового потока, 3 - ротаметр, 4 -

данным Вардиашвили А В (каналы в проточный водонагреватель, 5, 6, 7 -

форме змеевика) регулирующие вентили, 8, 10 -

термопары, 9, 11, 14 - электронные

мультиметры, 12 - радиометр, 13 -

тепловой датчик излучения, 15 -

секундомер, 16 - термометр, 17, 19 -автотрансформаторы, 18 - вольтметр

Для определения КПД СК, согласно Бекману, используется выражение, в которое входят параметры, характеризующие конструктивные особенности солнечного коллектора

= ^-и, ^ Т*,

(3)

где /*],- коэффициент отвода тепла от солнечного коллектора, {а х) -оптический КПД коллектора, а - поглощательная способность панели коллектора, х ~ пропускательная способность прозрачной изоляции, 111 — полный коэффициент тепловых потерь; Т* - приведенная температура, Т0 -температура окружающей среды

Для определения полного коэффициента тепловых потерь иь был проведен ряд испытаний, согласно которым в диапазоне средних температур теплоносителя от 31,5 до 55°С, типичном при работе коллектора, полный коэффициент тепловых потерь изменяется от 6,97 до 7,35 Вт/(м2К), что полностью соответствует результатам других авторов (Б В Тарнижевского, Б И Казанджана, М И Валова и др), полученным для данного типа солнечных коллекторов

Интенсивность излучения на поверхности солнечного коллектора измерялась при помощи теплового калориметрического датчика (рис 3) и рассчитывалась по методу теплового баланса Нагрев пластины определялся с учетом тепловых потерь за счет естественной конвекции с поверхности датчика, переизлучения в окружающую среду и теплопроводности теплоизоляции Расхождение расчетного значения тепловых потерь датчика с опытными данными составляло менее 1 % При проведении стендовых теплотехнических испытаний использовался источник искусственного излучения, характеристики которого отличаются от характеристик спектра солнечного излучения, тем, что в его составе существенную роль играет инфракрасная составляющая Причем спектр излучения изменяется при изменении интенсивности излучения В качестве

Рис 3 Принципиальная схема теплового калориметрического датчика излучения 1 - медная пластина, 2 - теплоизоляция, 3 -мультиметр, 4 - термопара, 5 -зачерняющее покрытие

прозрачного покрытия в солнечном коллекторе используется стекло толщинои 4 мм, пропускательная способность % которого, дня солнечного излучения, постоянна и по данным различных источников равна 0,87 - 0,91 Стекло задерживает существенную часть инфракрасного излучения, поэтому пропускательная способность стекла прц проведении стендовых испытаний с искусственным освещением будет отличаться от работы СК в естественных условиях Пользуясь соотношением (3), можно записать

Т}< _FR(a-n-UL Fr-Tc* FR(a-X') 1- Ut ■Tc * («-xl

tj" FR(a X")-Ul Fr Tu* FM zl l- UL Tu* (« x")_

9

X

(4)

т к тепловые потери в общих случаях значительно меньше оптических, то и Т *

———« 1 В данном выражении т]с, я" - КПД солнечного коллектора при (а Xе)

солнечном и искусственном освещении, > X" " пропускательная способность стекла при солнечном и искусственном освещении, Тс *, Г * - приведенные температуры при солнечном и искусственном освещении

Для определения пропускательной способности стекла при различной интенсивности излучения был проведен специальный опыт Полагая, что интенсивность излучения при искусственном освещении отвечает показаниям калориметрического датчика над стеклом и под стеклом, полученная зависимость (рис 4) была аппроксимирована соотношением

х~=к\Ур\ >

где коэффициенты А:/=0,88, к2=0,12, ур - отношение мощности, потребляемой при данном напряжении, к номинальной мощности

электролампами электроламп

1,0 09 0,8 0,7 0,6 ">4 0,5 0,4 0,3 02 01 0,0

6 •_ ____у-

6

p — M

a.....

02

0,4

06 Р/Рс

08

1.0

Рис 4 Зависимость пропускательной способности стекла толщиной 5 мм от мощности излучения электроламп (Р0 - номинальная мощность электроламп) а - показания радиометра "Аргус-03", б - показания теплового калориметрического

датчика, в - показания люксметра "Актаком" АТТ-1505

Исходя из формул (4) и (5), принимая пропускательную способность стекла при солнечном излучении %'=0,91 можно записать соотношение между ПД при искусственном освещении и КПД при спектре солнечного излучения

J7*«l,034^j U 7" (6)

- результате проведения теплотехнических испытаний солнечного коллектора использования соотношений (2) и (6) была получена зависимость гновенного КПД от приведенной температуры Т * (3) (рис 5)

Прямая 2 на рис 5, характеризующая изменение КПД в пересчете на солнечное излучение, описывается зависимостью

j]c =0,74-8,50Г* (7)

0,9 0,8 0,7 0,6 д0,5 = 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 Г*,мг"С/Вт

Рис 5 Зависимость КПД от приведенной температуры 1 - по данным Авезова, 2 -результаты испытаний с искусственным освещением, 3 - результаты испытаний с естественным освещением, 4 - по данным Тарнижевского, 5 - по данным Семенова

Коэффициенты в данной формуле удовлетворительно соответствуют результатам опытов по прямому определению тепловых потерь и пропускательной способности стекла, а также данным по тепловым потерям и пропускательной способности стекла приведенным другими авторами Помимо этого, данные, полученные при искусственном освещении, хорошо сочетаются с результатами, полученными при естественном освещении (рис 5 прямая 3) в режиме работы установки с принудительной циркуляцией теплоносителя

В работе Авезова (рис 5, прямая 1) в натурных условиях исследовался солнечный коллектор аналогичной конструкции с овальным профилем каналов, но с поглощающей панелью выполненной из стали, этим и обусловлены его

13

—---_

о

2' ■

□ Плоский алюминиевый 5« селективного покрытия при искусственно« освмценми (УГТУ) ♦ Плоский алюминиевый Se) селективного покрытия при ебтветминвы «вецении (УГГУ) Q Плосш) стальной с селективный лс#ршием (ЭНИН)

* Плоский стагьмой без селективного покрытой (ФТИ АН Уз ССР)

¿Плоский сверхтонкая нержавеющая степь с въкоко сел«гт»зныи пмрытиеы (МВ7У>

более низкие теплотехнические характеристики Высокие характеристики солнечных коллекторов исследованных в работах Тарнижевского и Семенова (рис 5, прямые 3, 4), можно объяснить различием материалов, используемых для поглощающих панелей, конструктивными отличиями самих ППСК и корпусов коллекторов, использованием специальной прозрачной изоляции, а также применением селективных покрытий, повышающих эффективность работы солнечного коллектора

В третьей главе приводится описание методики проведения теплотехнических испытаний водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя в натурных условиях, строится модель, описывающая работу этой установки, и разрабатывается методика определения суточной, сезонной и годовой производительности данной установки, рассматривается решение нескольких оптимизационных задач с применением полученной модели, а также обобщается опыт длительной эксплуатации солнечных коллекторов, выявляются основные возникающие неполадки и даются рекомендации по их предотвращению

Принципиальная схема стенда для испытаний солнечного коллектора по одноконтурной схеме с естественной циркуляцией теплоносителя представлена на рис 6 а В ходе проведения эксперимента фиксировались основные параметры интенсивность солнечной радиации, температуры теплоносителя на входе и выходе из СК и в баке аккумуляторе, а также температура окружающей среды

Рис 6 Принципиальная схема стенда для испытаний солнечного коллектора в натурных условиях по одноконтурной схеме (а), схема контура циркуляции для построения математической модели (б) 1 - солнечный тепловой коллектор, 2 - бак-аккумулятор, 3, 4, 5, 6 - термодатчики, 7 - аналого-цифровой преобразователь соединенный с компьютером, 8 - радиометр Г; - температура теплоносителя на входе в СК (холодная вода), Т2- температура теплоносителя на выходе из СК (горячая вода)

Л,

а

б

При построении математической модели водогрейной гелиоустановки (рис 6 б) были приняты следующие допущения

1 гидравлическое сопротивление коллектора значительно больше, чем соответствующие значения бака аккумулятора и трубопроводов,

2 режим течения теплоносителя в контуре является установившимся в любой момент времени,

3 гидравлические характеристики теплоносителя в коллекторе определяются его средней температурой

Согласно рис 6 б можно записать выражение для давления столба холодной воды

р, =#>Г1(А + Л"), (8)

давления столба горячей воды

Рт = ЕРТ{Ь +!!'-(»-»'))= 8рт-(Ь +к"), (9)

где g - ускорение свободного падения, рт^ и рт - плотности теплоносителя при

температуре входа в коллектор и ее значение при средней температуре в СК, Т - средняя температура теплоносителя в коллекторе В этом случае движущий напор равен

4Р* =*СРГ1 -рг\ь+и') = ё{рТ1 (Ю)

полагая

А" А" И А'

±. = 1. 1 = г1г (П)

А Л' А А

где г = А"/А' - доля холодной воды в баке Тогда выражение (11) примет вид

+ (12)

При установившемся режиме течения теплоносителя можно приравнять величину движущего напора Ардв, возникающего за счет разности давления столбов холодной и горячей воды на уровне 0-0 (рис 6 б), к соответствующему суммарному значению гидравлического сопротивления циркуляционного контура Ар£ , включающего сопротивление собственно коллектора АрК, опускного и подъемного трубопроводов с баком-аккумулятором Артр

лРы=&к{ртГРт)

(ль ) w2 1

1 + тр тр

2 <

где м>к и Ьк - скорости движения теплоносителя в каналах коллектора и его длина, \Vrnp и Ьтр - скорость теплоносителя в соединительных трубопроводах и их длина, £, и Я - коэффициенты сопротивления коллектора и трения трубопроводов

Если пренебречь гидравлическим сопротивлением трубопроводов и бака-аккумулятора, что возможно при ЛЬтр/%с1тр«\ и потери давления в

контуре можно выразить через логарифм коэффициента гидравлического сопротивления коллектора в удобной для дальнейшего анализа форме (1) Условие циркуляции теплоносителя имеет вид

И

2 * рТ

1 + г-

И

По определению коэффициента объемного расширения

V

ду_

кдТ;

тогда

Т, -Т,

РЛТ~Т0 РТ 2

(14)

(15)

(16)

где Т], Т2 - температуры жидкости на входе и выходе из СК

Для нахождения расхода теплоносителя в любой момент времени использовалось уравнение теплового баланса коллектора

= (17)

где ср -теплоемкость теплоносителя, в - расход теплоносителя, ц -интенсивность падающего на коллектор излучения, ^ - площадь СК, г) - КПД гелиоустановки

Используя соотношения (1), (14), (16), (17) представим выражение для расхода теплоносителя в контуре

С = С„1 + г

н

где йо - расход теплоносителя при А " = 0, равный

вя =0,36 ю1

ехр С

К у

срР;

(л/ч),

где Сил- параметры коэффициента гидравлического сопротивления из формулы (1), Ртр и йжа - суммарная площадь сечения каналов коллектора и их эквивалентный диаметр, V,- - кинематическая вязкость теплоносителя Все величины, кроме О0, входящие в формулу (18) имеют размерность системы СИ По результатам проведенных автором многолетних исследований были получены зависимости (рис 7) изменения относительной интенсивности солнечного излучения на наклонную поверхность СК в летний период и изменения КПД водогрейной гелиоустановки в течение светового дня

N2

(19)

(20)

Рис 7 Изменение

относительной интенсивности солнечного излучения и КПД

/ 1,0 0,9 0,8 0,7

в'6 водогрейной гелиоустановки в й течение светового дня о, д -опытные данные пос Растущий, данные из

0,2 работы Вардияшвили, -данные ГУ ЦГМС-Р

0,4 0,6 0,7 0,8 о,» 1,0 1,1

г/т„

1,2 и 1,4 1,5

где коэффициенты £6=18,6, &7=2,2, д„ - максимальное значение солнечной

радиации (местный полдень), в пересчете на наклонную поверхность

коллектора, т, тм — значения текущего времени и времени отвечающего

солнечному полудню, тс - продолжительность светового дня (солнечного

сияния) для конкретного числа летнего месяца Общий вид зависимости КПД

аналогичен опытным данным, приведенным в работах А В Вардиашвили, что

подтверждает адекватность полученных результатов реальному режиму работы

водонагревательной гелиоустановки

Интегрированием выражений (19) и (20) по т/гл, от 0,5 до 1,5 (что отвечает

граничным значениям эффективности работы СК при д>0,05 кВт/м2), были

получены уточненные выражения для определения суточного прихода

17

солнечной радиации на поверхность СК и суточной производительности водогрейной гелиоустановки

е-=0'987 Чш г-

к

всТ = 0,903

к

Щ5

Ч„ Чм К г„.

(21)

(22)

Эксергия, вырабатываемая солнечным коллектором, определялась по формуле

Еск - вс.

I—

Т^Лт).

(23)

где <2СК - энергия, вырабатываемая солнечным коллектором, Тбак (г) -температура теплоносителя в баке-аккумуляторе, Т0 — температура окружающей среды

Температура воды в баке-аккумуляторе Т6ау (г) определялась методом теплового баланса по выражению

ТбАт) = Т0+(сррГбтУ ехр

--0,5 г..

(24)

/

СрРУСаК

где У6ак, Рбж — объем и площадь поверхности бака-аккумулятора, к — коэффициент теплопередачи

Расчет производительности гелиоустановки за месяц проводился согласно данным климатологических справочников по среднему дню месяца, с последующим умножением на количество дней с учетом статистических данных о количества дней с различными условиями облачности

0месяц _ ясна

ск ~ Уск

"Сдг _дг \ + п°б'д"«-кг

(25)

где 0.сх*"ъ и <2'^дскь - производительность солнечного коллектора за средний день месяца для условий ясного неба и условий облачности, Итс - количество дней в месяце, ЫобД - среднее число пасмурных дней по общей облачности за данный месяц

При работе водогрейной гелиоустановки по одноконтурной схеме с водяным теплоносителем производители солнечных коллекторов рекомендуют прекращать работу установки при температуре окружающей среды +3 °С, чтобы избежать возможности замерзания теплоносителя Поэтому на территориях с холодным климатом, таких как Свердловская область, эксплуатация солнечных коллекторов с водным теплоносителем возможна лишь ограниченный период в течение года - период эффективной

18

эксплуатации Поэтому выработка водогрейной гелиоустановки за этот период рассчитывалась по формуле

Qcró=lQ,

месяц СК i »

(26)

где п - количество месяцев эффективной эксплуатации солнечного коллектора

Рис 8 Изменение производства энергии и эксергии солнечным коллектором КСА-1,6 в течение года (метеостанция г Верхнее Дуброво)

| а Энергия РЭксергия

Таблица 2 Расчетная производительность солнечного коллектора КСА-1,6 в режиме естественной циркуляции теплоносителя для условий метеостанций различных

Параметр Екатеринбург Сочи Волгоград Санкт-Петербург

Координаты северная широта восточная долгота 56° 51' 60° 36' 43° 50' 39° 40' 48° 44' 44° 25' 59° 55' 30° 15'

Приход энергии на поверхность СК за год, МДж/м2 4493,1 4868,1 4834,2 4034,2

Возможная выработка энергии СК за год, МДж/м2 2590,8 2828,8 2800,3 2302,4

Период эффективной эксплуатации (ПЭЭ) Апрель-Сентябрь Круглый год Апрель-Октябрь Май-Октябрь

Приход энергии на поверхность СК за ПЭЭ, МДж/м2 3296,3 4868,1 3658,6 3002,6

Выработка энергии СК за ПЭЭ, МДж/м2 1877,4 2828,8 2103,6 1701,4

Приход эксергии на поверхность СК за ПЭЭ, МДж/м2 3033,4 4448,3 3344,0 2751,4

Выработка эксергии СК за ПЭЭ, МДж/м2 182,9 209,5 183,1 165,4

На рис 8 приведены результаты расчетов производства энергии и эксергии солнечным коллектором КСА-1,6, работающим в режиме естественной

19

циркуляции для условий метеостанции в г Верхнее Дуброво (окрестности г Екатеринбург) При расчетах эксергии были приняты следующие допущения температура окружающей среда бралась равной среднемесячной температуре, начальная температура воды в баке аккумуляторе принималась равной температуре окружающей среды

В работе также выполнен расчет производительности солнечного коллектора КС А-1,6 за год для условий метеостанций ряда регионов РФ, результаты представлены в табл 2

В четвертой главе описывается методика расчета энергетических и эксергетических затрат на создание водогрейной гелиоустановки и проводится энергетический и эксергетический анализ-нетто, а также оценка ее экономической эффективности

Отличительной чертой большинства установок возобновляемой энергетики от традиционных установок является отсутствие в процессе эксплуатации энергетических затрат на топливообеспечение, что существенно снижает расходную часть Основными статьями расходов энергии при создании и эксплуатации таких установок являются затраты на производство оборудования и строительство зданий и сооружений Причем для установок небольшой мощности, строительство каких либо объектов часто не требуется, поэтому данная статья расходов присутствует не всегда

В процессе изготовления деталей установки образуются отходы, которые, в большинстве случаев, с технологической и энергетической точки зрения можно считать безвозвратно потерянными При оценке энергетических затрат по массе готового оборудования не учитываются материальные и энергетические потери, возникающие непосредственно в процессе изготовления, которые могут составлять значительную величину Поэтому для оценки материалоемкости и энергетических затрат на создание энергетических установок необходимо рассматривать массу заготовок деталей

По мнению всех авторов, самым энергоемким процессом при создании машин является процесс получения материалов, поскольку он связан с добычей первичного сырья и последующей его переработкой Несмотря на необходимость учета энергоемкости операций по изготовлению деталей и сборке установки в общем балансе, трудности в оценке и недостаток информации не позволяют реализовать это на практике По данным В М Бродянского и ряда других исследователей эти затраты не превышают 20% от энергоемкости изделия, поэтому предлагается учитывать эти факторы при помощи поправочного коэффициента Кроме того, данные операции

осуществляются в основном за счет устройств, имеющих электрический привод, поэтому поправочный коэффициент при расчетах энергетических и эксергетических затрат принимает одно и то же значение Затраты энергии на создание как отдельных деталей, узлов, так и всей энергоустановки оценивались по формуле

т, •Э,

э,™ =

К...

(27)

СОЙДМНИТВЛЬНЫ*

трубопроводы

Рама установочнав

Бэдоккуиулятор (объем 80 л)

Логлэпающав панель

Корпус

Дпав

12В:

Ш1&1

пшь

^189 7

209,3

где Кшг= 1,2 - поправочный коэффициент, учитывающий затраты энергии на изготовление деталей, сборку, транспортировку, т - масса готовой детали из /ого материала в составе установки, Э - энергоемкость /-ого материала, п -количество различных материалов применяемых при создании установки, Кш -коэффициент использования материала, который равен отношению массы готовой детали к массе заготовки

Была проанализирована рабочая конструкторская

документация и технология производства завода

изготовителя, серийно

выпускающего плоский

тепловой солнечный коллектор КСА-1,6 На основе этого был произведен расчет

энергетических и

эксергетических затрат на создание водогрейной

гелиоустановки (рис 9), состоящей из одного СК, установочной рамы и соединительных рубопроводов Общие затраты энергии, рассчитанные по формуле (27), составляют 12357,00 МДж, эксергии - 10202,39 МДж Энергетические затраты на создание только солнечного коллектора равны 6000,83 МДж, ксергетические - 5183,71 МДж Полученные результаты близки к данным немецких исследователей приведенным в работе Д А Бушуева (МЭИ), согласно которым затраты на создание солнечного коллектора площадью 6,15 2 равны 13041,7 МДж Незначительное отличие значений энергетических атрат можно объяснить различием в энергоемкости материалов для условий оссии и Германии, различием конструкций солнечных коллекторов, а также

О 500 ЧЮ0 1500 2000 2500 3000 Затраты, МДж □ Энергия □Экссргия

Рис 9 Сравнение затрат энергии и эксергии на создание различных элементов водогрейной гелиоустановки

тем, что в расчетах автора учтены затраты на создание бака-аккумулятора и установочной рамы

По полученным в ходе исследований данным бал произведен расчет коэффициентов энергии и эксергии-нетго, а также сроков энергетической и эксергетической окупаемости установки для различных регионов РФ в которых суммарный приход солнечной радиации за период эффективной эксплуатации в течение года изменяется от 3000 до 4870 МДж/м2 (рис 10) Расчет производился для двух вариантов В первом водогрейная гелиоустановка работает автономно, поэтому снабжена установочной рамой и баком аккумулятором Во втором варианте принимается, что водогрейная гелиоустановка встраивается в уже существующую систему ГВС, в которой есть бак аккумулятор и насос для перекачки теплоносителя, кроме того, СК устанавливается на существующие опорные конструкции (крыша, навес и т д ), поэтому в расчет берется только солнечный коллектор и соединительные трубопроводы

____ ......11 .. ^юффш^пт > ||-[Ч Ш| ГХ1 ' Г-иТ--"."" к-ршн iii.no А">С ,

---

з 2 1 О

3500

4000

а

икгриШ I м Т^С ^ |

' ----- " " ——— ...........

40 08

35 0,7

30 06

25 ? 05

20 ^ Ч и 1 5 Ц 03

10 02

0,5 0,1

00 00

3500 4000 4500

в

МДл/м'

Рис 10 Изменение коэффициента энергии-нетто и срока энергетической окупаемости (а) - для автономной гелиоустановки, (в) - для встраиваемой гелиоустановки и эксергии-нетто и срока эксергетической окупаемости (б) - для автономной гелиоустановки, (г) - для встраиваемой гелиоустановки в зависимости от прихода энергии (а), (в) и эксергии (б), (г) солнечной радиации за период эффективной эксплуатации в течение года

Для оценки экономического эффекта от использования солнечных коллекторов были приняты следующие условия.

• в составе гелиоустановки используются плоские солнечные коллекторы КСА-1,6,

• гелиоустановка имеет дублирующий источник энергии, обеспечивающий тепловую нагрузку в периоды нехватки или отсутствия солнечного излучения, а также в период, когда установка не эксплуатируется,

• гелиоустановка обеспечивает нагрузку горячего водоснабжения, которая постоянна в течение года и равна 2 м3/сут воды с температурой 55 °С, температура холодного источника, поскольку солнечные коллекторы используются в теплое время года, принята равной 10 °С,

• климатические характеристики территории известны

Для того чтобы условия сравнения были идентичны на всех рассматриваемых территориях, гелиоустановка имела одно и то же количество солнечных коллекторов, определяемое по доле замещения органического топлива (/"-методика по Бекману), из расчета 100% обеспечения тепловой нагрузки в ясный день в июне месяце на территории с самой низкой интенсивностью солнечной радиации в течение года (г Санкт-Петербург) Согласно расчетам число коллекторов равно 16, общая площадь 25,6 м2

Стоимость водогрейной гелиоустановки оценивалась в ценах 2007 г Затраты на строительно-монтажные работы (СМР) учитывались при помощи поправочного коэффициента, который из-за простоты установки принят равньм ксиР=\,2 В результате проведенных расчетов стоимость гелиоустановки состоящей из 16 КСА-1,6, двух пластиковых баков-аккумуляторов объемом 1 м3 каждый, установочной рамы и соединительных трубопроводов с учетом СМР составила 165605 руб, на долю солнечных коллекторов приходиться 81,2% от стоимости

Срок экономической окупаемости водогрейной гелиоустановки определялся по формуле, предложенной в работах П П Безруких, относительно стоимости энергии от традиционного источника

тОК - ^ск ("281

{д"с'Гцтг-иэу

где Кск - капитальные вложения (стоимость) при создании водогрейной гелиоустановки, Цтг - стоимость энергии от традиционного источника, Иэ -издержки эксплуатации

Расчет производился для четырех случаев В первом случае дублирующим источником теплоты являлась централизованная тепловая сеть, из которой

23

потребитель получал тепло по цене 550 руб /Гкал Во втором случае дублирующим источником был электрокотел при стоимости электроэнергии 0,80 руб/кВт ч и T]Tf=0,95 В третьем газовый котел при стоимости газа 1,43 руб/м3 (уровень цен для населения в России) В четвертом случае газовый котел при стоимости газа 300 долл США за 1000 м3, что примерно равно 7,5 руб/м3 (уровень мировых цен на газ) Капитальные затраты на газовый и электрический котел мощностью 4,5 кВт брались равными 10000 руб Издержки на эксплуатацию гелиоустановки считались пренебрежимо малыми Результаты расчетов приведены в табл 3

Таблица 3 Сводные результаты расчетов экономической эффективности водогрейной гелиоустановки из 16 солнечных коллекторов КСА-1,6 общей площадью 25,6 м2 для различных регионов РФ ____

Параметр Екатеринбург Сочи Волгоград Санкт-Петербург

Период эффективной эксплуатации (ПЭЭ) Апрель-Сентябрь Круглый год Апрель-Октябрь Май-Октябрь

Экономия органического топлива за ПЭЭ, кг у т 1821 2742 2043 1653

Экономия органического топлива за ПЭЭ, % от годового потребления 34,9 52,6 39,2 31,7

Относительный срок экономической окупаемости

Централизованная тепловая энергия, лет 26,3 17,4 23,4 28,9

Электрический котел, лет 9,7 4,8 8,3 9,6

Газовый котел (российский уровень цен), лет 47,7 23,8 40,6 47,2

Газовый котел (мировой уровень цен), лет 9,0 4,5 7,7 9,0

Приемлемый срок экономической окупаемости равный 4,8 года наблюдается в г Сочи по сравнению с электрическим котлом, а также 4,5 года по сравнению с газовым котлом при мировом уровне цен на топливо Это говорит о том, что применение подобных систем в других странах, например Турции, ЕС, США, по сравнению с Россией имеет существенно больший

экономический эффект Необходимо отметить, что при расчете срока экономической окупаемости относительно газового котла не учитывалась стоимость подвода газа к потребителю, которая, на сегодняшний день, сопоставима, а в ряде случаев может и превышать стоимость водогрейной гелиоустановки Если принимать во внимание эту величину, которая зависит от конкретных условий у потребителя, то срок экономической окупаемости может снизиться в разы, а экономический эффект от внедрения повышается в 3 - 5 раз Аналогичная ситуация может наблюдаться как в случае с централизованным теплоснабжением, так и в случае с электрокотлом

ВЫВОДЫ

1 Разработана методика определения тепловой эффективности солнечных коллекторов, позволяющая проводить испытания при искусственном освещении с последующим приведением результатов к характеристикам спектра солнечного излучения Проведены исследования эффективности плоского солнечного коллектора с принудительной циркуляцией теплоносителя при искусственном освещении интенсивностью от 300 до 850 Вт/м2 и расходах воды от 14 до 42 л/ч

2 В универсальной форме получена гидравлическая характеристика плоского солнечного коллектора с каналами овального профиля при движении теплоносителя в диапазоне Re от 25 до 270

3 На основе обобщения многолетней гидрометеорологической информации и натурных исследований разработано полуэмпирическое уравнение, удобное для анализа, позволяющее определить приход солнечной энергии и эксергии на поверхность солнечного коллектора обращенного на юг, юго-восток в любой момент времени в течение суток

4 На основе теоретических и опытных данных предложена уточненная модель работы солнечной водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя с заданными гидравлическими характеристиками теплового контура CK, пригодная для описания работы подобных установок с плоскими солнечными коллекторами любого типа Разработана методика определения суточной, месячной, сезонной и годовой энергетической и эксергетической производительности таких установок Произведен расчет производительности для ряда регионов РФ

5 На основании изучения технологий производства СК разработана методика и произведена оценка энергетических и эксергетических затрат на создание типовой солнечной водонагревательной установки

6 Впервые на основании эксперимента, разработанной математической модели и мониторинга солнечной обстановки выполнен энергетический и эксергетический анализ эффективности водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя в зависимости от энергетического потенциала территорий РФ

7. Показано, что современные водогрейные гелиоустановки, работающие в составе существующих систем горячего водоснабжения, в районах с интенсивной солнечной радиацией могут обеспечивать коэффициент энергии-нетто равный 7,5 (г Сочи) и срок энергетической окупаемости 1,3 года, что лучше аналогичных показателей источников энергии на угле и газе Для автономных установок коэффициент энергии-нетго изменяется от 2,2 (г Санкт-Петербург) доЗ,7 (г Сочи), срок энергетической окупаемости от 2,7 (г Сочи) до 4,5 (г Санкт-Петербург) лет Коэффициент эксергии-нетто водогрейных гелиоустановок варьируется от 0,28 (г Санкт-Петербург) до 0,69 (г Сочи) и срок эксергетической окупаемости от 14,4 (г Сочи) до 35,9 (г Санкт-Петербург) лет Это обусловлено высокой материалоемкостью современных солнечных коллекторов и использованием в их конструкции энергоемких цветных металлов

8 Показано, что существенное улучшение показателей возможно путем замены конструктивных материалов на менее энергоемкие, а также путем применения концентраторов солнечной энергии

9 Экономическая эффективность водогрейных гелиоустановок в РФ ниже, чем в других странах (Турция, ЕС, США) из-за относительно невысокой стоимости традиционных топлив и высокой стоимости солнечных коллекторов, обусловленной ценами на цветные металлы Наименьший срок окупаемости, равный 4,8 года, наблюдается в г Сочи при использовании электрического котла в качестве дублирующего источника энергии При учете капитальных затрат на доставку энергоносителя до традиционного источника и ожидаемом вскоре переходе на более высокий уровень цен на топливо экономический эффект от внедрения установок солнечного ГВС повышается в 3-5 раз

10 На основании построенной модели и проведенных расчетов показано, что применение гелиоустановки для нужд горячего водоснабжения в климатических условиях РФ позволяет экономить от 30 до 50% топлива необходимого для обеспечения ГВС

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Матвеев А В , Пахалуев В М , Щеклеин С Е Анализ работы солнечного коллектора в условиях естественной циркуляции теплоносителя // Перспективные энергетические технологии Экология Экономика, безопасность и подготовка кадров Сборник научных трудов ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,г Екатеринбург, ООО ИД «Урал Юр Издат», 2006 С 115-120

2 Матвеев А В , Пахалуев В М, Щеклеин С Е Применение искусственного освещения при теплотехнических испытаниях солнечных коллекторов // Энергосбережение состояние и перспективы Труды VIII Всероссийского совещания-выставки по энергосбережению, Екатеринбург, 20-21 марта 2007, г Екатеринбург, ООО «РИА «Энерго-Пресс», 2007 С 110-112

3 Матвеев А В, Щеклеин С Е Особенности использования солнечного коллектора в Уральской климатической зоне // Перспективные энергетические технологии. Экология Экономика, безопасность и подготовка кадров Сборник научных трудов ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, г Екатеринбург, ООО ИД «Урал Юр Издат», 2006 С 150-153

4 Матвеев А. В, Пахалуев В. М, Щеклеин С Е Работа солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции теплоносителя // Альтернативная энергетика и экология, 2007, №4 С 147 - 150

5 Матвеев А В, Пахалуев В М, Щеклеин С Е Модель расхода теплоносителя солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции // Энергосбережение состояние и перспективы Труды VIII Всероссийского совещания-выставки по энергосбережению, Екатеринбург, 20-21 марта 2007, г Екатеринбург, ООО «РИА «Энерго-Пресс», 2007 С 112 - 113

6 Матвеев А. В, Щеклеин С. Е, Пахалуев В М Особенности испытаний солнечных коллекторов при искусственном освещении // Новое в российской электроэнергетике, 2007, №5 С 26-30

7 Матвеев А В , Щеклеин С Е Структура эксергетических затрат на создание энергетических установок // Энерго- и ресурсосбережение Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых 6-9 декабря 2005, г Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. С 118-119

8 Матвеев А В, Щеклеин С Е Энергоэффективность установок НиВИЭ // Научные труды X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, Ч 2, г Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2006 С 311-313

9 Матвеев А В , Щеклеин С Е Натурные испытания тепловых коллекторов // Научные труды XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ - УПИ сборник статей в 4 ч, г Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ -УПИ, 2006 С 286-288

10 Матвеев А. В , Щеклеин С Е Модульный метод нормирования потребления энергоресурсов // Энергосбережение состояние и перспективы Труды VII Всероссийского совещания-выставки по энергосбережению, Екатеринбург, 21-24 марта 2006, г Екатеринбург, ООО «РИА «Энерго-Пресс», 2006 С 9 -10

11 Матвеев А В, Щеклеин С Е, Жуков С В, Лекомцев А А Автоматизированная система для проведения лабораторных работ и научных исследований // Новые технологии в образовании Материалы международной научно-практической конференции, Ч 1, Екатеринбург, 26 -28 февраля 2007, г Екатеринбург, Рос гос проф-пед. ун-т, 2007 С 95-98.

12 Матвеев А В, Щеклеин С Е, Пахалуев В М Оценка энергетической производительности солнечного коллектора с естественной циркуляцией теплоносителя// Исследовано в России, 2007, №117 С 1224 - 1231 (http //zhurnal аре relarn ru/articles/2007/117 pdf).

13 Матвеев А В, Щеклеин С Е, Пахалуев В М Математическая модель солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции теплоносителя // Новое в российской электроэнергетике, 2007, №5 С 32-37

14 Матвеев А В, Пахалуев В М, Щеклеин С Е Методика проведения теплотехнических испытаний солнечных коллекторов при искусственном освещении // Альтернативная энергетика и экология, 2007, №5 С 108-110

15 Матвеев А В, Пахалуев В М, Щеклеин С Е Экспериментальные и теоретические исследования работы солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции теплоносителя // Сборник докладов российско-британского семинара молодых ученых и студентов «Экотехнологии 21 века ЭКОТЕХ - XXI», г Екатеринбург, ИПЦ «Издательство УРГУ», 2007 С 69-76

16 Матвеев А В, Пахалуев В М, Щеклеин С Е Экспериментальные и теоретические исследования работы солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции теплоносителя // Научные труды XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ - УПИ- сборник статей, г Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007 С 435-439

Подписано в печать 21 05 2008 Формат 60x84 1/16

Бумага типографическая Офсетная печать Уел печ л 1,63

Уч -изд л 1,48 Тираж 100 Заказ 328 Бесплатно

Отдел печати ДЦНТИ Свердловской ж д 620013, г Екатеринбург, ул Челюскинцев, 11

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

1.1 Исследования солнечных коллекторов.

1.2 Системы горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов.

1.3 Методы сквозного анализа затрат энергии и эксергии при создании энергетического оборудования.

1.4 Выводы и задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

2.1 Описание солнечного коллектора.

2.2 Определение гидравлических характеристик.

2.3 Экспериментальная установка для исследования теплотехнических характеристик солнечного коллектора.

2.4 Методика определения интенсивности искусственного излучения.

2.5 Исследование теплотехнических характеристик солнечного коллектора.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ВОДОГРЕЙНОЙ ГЕЛИОУСТАНОВКИ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1 Экспериментальная установка и методика проведения испытаний.

3.2 Модель работы водогрейной гелиоустановки.

3.3 Методика расчета производительности водогрейной гелиоустановки.

3.4 Применение модели для расчета и оптимизации работы систем солнечного горячего водоснабжения.

3.5 Исследование надежности работы коллектора в условиях длительной эксплуатации.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСТАНОВОК

ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

4.1 Методика определения затрат энергии на создание энергетической установки.

4.2 Энергетический анализ-нетто водогрейной гелиоустановки.

4.3 Экономическая эффективность водогрейной гелиоустановки.

ВЫВОДЫ.

Развитие современного общества и технологий усиливает зависимость человечества от энергоснабжения во всех областях деятельности. Становление современной отечественной энергетики начиналось со строительства как районных теплоэлектростанций, образующих энергосистемы, так и станций отдельных предприятий, нуждающихся, в надежном первоочередном энергоснабжении. Энергетика СССР стремилась к централизации, строительству станций большой установленной мощности, что обеспечивало снижение удельной стоимости оборудования и производимой энергии. В XX веке в качестве основного топлива в энергетике широко использовался уголь, что существенно1 ухудшало экологическую обстановку в районе станций. Централизованное производство электрической и тепловой энергии позволяло вынести источники загрязнения за пределы населенных пунктов, тем самым, улучшая экологическую ситуацию. К сожалению, на сегодняшний день все более широкое распространение в качестве топлива получает природный газ, что связано с относительной простотой его применения и развитием сети магистральных и распределительных трубопроводов. С экологической точки зрения его использование на энергетических установках, расположенных вблизи мест с высокой концентрацией населения, возможно. Это позволяет приблизить источники энергии к потребителю.

Освоение* современных технологий использования природного газа, местных видов топлив и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет ставить, задачу о создании распределенной энергетической системы, состоящей из большого числа производителей энергии работающих по графику тепловой нагрузки.

Во многих Европейских странах стремятся ввести системы автономного тепло- и электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Это делается с целью снижения зависимости от конъюнктуры топливного рынка, уменьшения экологической нагрузки, повышения надежности и эффективности [1]. Несомненными достоинствами таких энергосистем являются: экологическая чистота, независимость от аварий в центральной энергосети, стимуляция для внедрения энергосберегающих технологий, рациональное использование природных топливных ресурсов, объективный и точный учет расхода энергии каждым потребителем. В России в связи с непрерывным ростом цен на энергоносители также намечается некоторый сдвиг в данном направлении. Это видно на примере увеличения объемов строительства новых объектов с использованием энергосберегающих технологий и собственных системами энергоснабжения, а также повышения интереса к возможности внедрения возобновляемых источников энергии.

Россия имеет обширную территорию, на большей части которой преобладает холодный климат, что влечет за собой повышенные затраты на теплоснабжение. Средний показатель градусо-суток отопительного периода для территории России и ряда стран показан на рис. 1. Отсюда очевидна необходимость надежного и эффективного теплоснабжения потребителей в данных климатических условиях.

7000 6000 к 5000

Эч

О 4000 о с 3000 о 2000 1000 0

Рис. 1. Среднее значение градусо-суток отопительного периода для условий Екатеринбурга и ряда стран.

6020 ш ) 4014 чет ллрл

1ЧЭ1 > им J !31f i о о о а. о. >. ю

X S о. 0}

О ж ш а) ш го г а. а) ас s з-х га си 0 с с; В о

Потребление тепловой энергии в РФ в 2003 г. было на уровне 1405,2 млн. Гкал [2], в Свердловской области этот же показатель за 2006 г. равнялся 36,53 млн. Гкал из них на горячее водоснабжение (ГВС) 9,1 млн. Гкал (24,9%). Наличие ГВС повышает культуру жизни людей, обеспечивает комфорт, снижает риск возникновения заболеваний. В отличие от отопительной, данный вид нагрузки присутствует круглогодично. Между тем в России даже крупные города не могут полностью обеспечить все свое население горячей водой. По статистическим данным Правительства Свердловской области, средняя обеспеченность горячим водоснабжением жителей административных образований с численностью! населения более 100 тыс. человек составляет 65,4% (рис. 2а), с численностью населения от 50 до 100 тыс. человек - 51,2 % (рис. 26). В' более маленьких населенных пунктах этот процент еще ниже. В других субъектах Российской Федерации наблюдается аналогичная картина, что свидетельствует о необходимости внедрения новых эффективных систем ГВС.

Потребители, не обеспеченные горячим водоснабжением, довольно часто имеют небольшую мощность и территориально удалены от централизованных тепловых сетей и тепловых станций, что делает экономически неоправданным строительство теплотрасс. Выходом из данной ситуации может стать создание небольших тепловых источников, расположенных непосредственно у потребителя и использующих местные виды топлива или возобновляемые источники энергии. Во многих странах таким источникам энергии отводится все большая роль, с их помощью решаются разнообразные проблемы, такие как, снабжение электрической и» тепловой энергией отдаленных поселков, обеспечение бесперебойного питания ответственных потребителей, обеспечение экологической безопасности и другие [3]. а. б.

Рис. 2. Обеспеченность населения административных образований Свердловской области горячим водоснабжением: а - численность населения более 100 тыс. человек; б -численность населения от 50 до 100 тыс. человек.

Многие территории РФ являются топливодефицитными. Так в Свердловской области доля использования собственных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляет менее 5%. В тоже время, практически повсеместно присутствуют те или иные виды возобновляемых источников энергии. Одним из таких ВИЭ является солнечная энергия, экономический потенциал которой на территории России оценивается в

12,5 млн. т у. т. в год [4], что равняется 1,2% от объема топливно-энергетических ресурсов, потребленных в-России в 2006 г ( 973 млн. т у. т.) И

Одним из способов использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в солнечных коллекторах (СК). Подобного рода системы для обеспечения горячего водоснабжения потребителей нашли широкое применение во многих странах даже с относительно холодным климатом, таких как Дания и Швеция.» Однако общепризнано, что гелиоустановки, тем более малой производительности, пока не могут быть конкурентоспособными с традиционными энергоисточниками.

Для развития и освоения ВИЭ в Европе действуют две модели государственной поддержки возобновляемой энергетики. В основе британской модели — обязательные квоты на отпуск энергии от альтернативных источников. Этой модели придерживаются Франция и Ирландия, однако темпы развития нетрадиционной энергетики в этих странах значительно ниже, чем в государствах, работающих по германской модели. В Германии, Дании, Испании действуют гарантированные государственные дотации на реализацию проектов с использованием возобновляемых источников энергии.

Препятствиями на пути развития возобновляемых источников энергии в России стали отсутствие поддержки со стороны государства и обширные запасы углеводородных' ископаемых топлив, которых хватит на многие десятилетия. Именно по этим причинам считается более «рациональным» строительство традиционных энергетических установок, эффективность которых в ряде случаев- выше, чем у установок, использующих возобновляемые источники энергии.

Традиционно считается, что возобновляемые источники энергии не могут гарантировать стабильное энергоснабжение, однако недостатком только двух видов — энергии ветра и солнца — является их стохастический характер и, отсюда, необходимость аккумулирования энергии. У всех других возобновляемых источников энергии данный недостаток отсутствует. Следует отметить, что аккумулирование солнечной энергии в виде тепла уже имеет простые технические решения, опробованные на практике и доказавшие свою экономичность.

В- настоящее время, произошло выравнивание стоимости киловатта, установленной, мощности для ряда установок традиционной и нетрадиционной энергетики. Это стало следствием, ужесточения требований по экологии, предъявляемых к установкам традиционной энергетики, ведущего к их удорожанию, и развития техники и технологии производства, ведущего, к удешевлению установок ВИЭ [6].

Опыт стран мира и данные по- климатологическим исследованиям показывают, что для РФ в перспективе возможно замещение органического топлива солнечной энергией в достаточно широких масштабах. Они будут определяться с одной стороны потенциалом прихода солнечной энергии, а с другой — энергетическими затратами на создание оборудования солнечной энергетики, которое на сегодняшний день является дорогостоящим* и энергозатратным. Данных, позволяющих выполнить комплексную оценку масштабов использования солнечной энергии недостаточно, несмотря на то, что исследования по данной теме выполняются уже почти 100 лет. Поэтому целью работы является проведение исследования по определению истинной энергетической эффективности установок солнечного горячего водоснабжения, поскольку солнечная энергия имеет наиболее неравномерный и стохастический характер.

Работа выполнена на кафедре «Атомная энергетика» ГОУ ВПО «Уральский государственный технический, университет - УПИ» (УГТУ-УПИ).

Актуальность темы. В настоящее время, некоторые установки традиционной и возобновляемой энергетики близки по уровню их стоимости. Подорожание установок традиционной энергетики стало следствием ужесточения требований по экологии. В свою очередь развитие техники и технологий привело к снижению стоимости установок возобновляемой энергетики. Традиционно эффект от внедрения энергоисточника оценивался экономическими параметрами. Однако они не могут в полной мере отразить эффективность энергетической технологии, поскольку на них воздействуют субъективные факторы такие как: рост цен на материалы, политическая конъюнктура, локальные войны и катаклизмы и т. д. Поэтому для объективного сравнения и выбора типа энергетических установок необходимо проводить не только экономический, но и энергетический анализ проектов, который заключается в сопоставлении энергии, затраченной на создание объектов, с энергией, вырабатываемой ими за весь срок эксплуатации. В некоторых странах, например США, такого рода анализ является неотъемлемой частью технико-экономического обоснования проекта, поскольку он показывает истинный эффект, который можно достичь в абсолютных энергетических единицах.

Проведение энергетического анализа особенно важно для установок солнечной энергетики, поскольку данный природный источник характеризуется стохастичностью и сильным рассеянием энергии в пространстве, что требует увеличения размера установки и соответственно повышенных затрат энергии на ее создание. Задача о необходимости проведении энергетического анализа таких установок была сформулирована еще в работах П. JI. Капицы.

В области энергетического анализа-нетто установок традиционной энергетики проведен ряд исследований. Количество работ по энергетическому анализу установок возобновляемой энергетики весьма ограничено. Выполненные исследования* имеют в основном теоретический характер и не подвергались процедуре верификации.

Цель работы. Комплексное исследование технических характеристик типового плоского солнечного коллектора, создание на его основе математической модели, описывающей работу систем солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя и позволяющей определить их производительность. Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной гелиоустановки для ряда регионов РФ.

Задачи исследования.

1. Проведение экспериментальных исследований солнечного коллектора для получения основных гидравлических и теплотехнических характеристик.

2. Проведение экспериментальных исследований работы ■ водогрейной гелиоустановки с естественной* циркуляцией' теплоносителя в натурных условиях Уральского региона.

3. Построение модели прихода солнечной радиации на поверхность солнечного'коллектора в течение светового дня.

4. Построение математической модели для определения производства энергии и эксергии водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя в течение светового дня и создание методики определения производительности за весь срок службы.

5. Определение энергетических и эксергетических затрат на создание водогрейной гелиоустановки.

6. Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной-гелиоустановки для условий Урала и ряда регионов РФ.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов исследований с использованием цифровых систем измерений контролируемых параметров, хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. Разработана и экспериментально верифицирована методика оценки энергетической, эффективности солнечного коллектора при искусственном освещении с последующим приведением'результатов к характеристикам при спектре солнечного излучения-.

2. Выполнены натурные исследования и разработана уточненная модель определения тепловой эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной циркуляции теплоносителя в зависимости от основных конструктивных, теплофизических и режимных параметров.

3. Впервые выполнена оценка энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной' циркуляции, по методике энергетического анализа-нетто в зависимости от энергетического потенциала территории.

Практическая ценность работы. Построенная модель работы водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя позволяет уточнить и упростить расчет и проектирование систем солнечного горячего водоснабжения. Созданные методики и полученные экспериментальные данные используются ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» при проектировании водогрейных гелиоустановок. Отдельные материалы исследования использованы при разработке курса «Проектирование и эксплуатация установок НиВИЭ» и лабораторных работ для подготовки студентов УГТУ-УПИ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Уточненная методика определения полезной, выработки теплоты водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя с учетом переменного во времени КПД установки и суточного изменения прихода солнечной радиации.

2. Модель работы водогрейной гелиоустановки в режиме естественной циркуляции теплоносителя для конкретных конструктивных, теплотехнических и режимных параметров, позволяющая выявить факторы, способствующие повышению интенсивности естественной циркуляции и эффективности установки.

3. Методика оценки затрат энергии и эксергии, необходимых для изготовления водогрейной гелиоустановки.

4. Коэффициенты энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки для условий Урала и других регионов РФ.

Личный вклад автора состоит в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, на основе которых построены математические модели и проведен энергетический анализ водогрейной гелиоустановки.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 2 международных и 5 всероссийских конференциях: на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006 г.), на VII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2006 г.), на X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), на VIII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Ecotechnologies of XXI century» (Екатеринбург, 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные энергетические технологии. Экология. Экономика, безопасность и подготовка кадров» (Екатеринбург, 2007 г.), на XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), на XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Международных и

Всероссийских конференций, в том числе 5 статей в реферируемых изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, выводов, четырех приложений, списка литературы, включающего 140 наименования. Общий объем диссертации 167 страниц. Работа содержит 46 рисунков и 19 таблиц.

выводы

1. Разработана методика определения тепловой эффективности солнечных коллекторов, позволяющая проводить испытания при искусственном освещении с, последующим; приведением результатов к характеристикам спектра солнечного излучения. Проведены исследования' эффективности плоского: солнечного коллектора с принудительной циркуляцией теплоносителя при искусственном* освещении; интенсивностью от 300 до 850 Вт/м и расходах воды от 14 до 42 л/ч.

2'. В универсальной форме получена гидравлическая: характеристика; плоского солнечного1 коллектора с каналами овального профиля при движении теплоносителя в диапазоне Re от 25 до 270.

3. На основе обобщения многолетней гидрометеорологической информации: и натурных исследований разработано полуэмпирическое уравнение, удобное для анализа^ позволяющее определить приход солнечной энергии и эксергии на поверхность солнечного коллектора обращенного - на1 юг, юго-восток в любой момент времени в течение суток.

4. На- основе теоретических и опытных данных разработана уточненная универсальная модель работы солнечной водогрейной гелиоустановки в условиях естественной циркуляции теплоносителя с заданными гидравлическими характеристиками гелиоконтура. Разработана методика определения, суточной, месячной, сезонной и годовой энергетической и эксергетической производительности установок данного типа. Произведен расчет для ряда регионов РФ:

5. На основании изучения технологий- производства СК разработана методика и произведена оценка энергетических и эксергетических затрат на создание типовой солнечной'водонагревательной установки.

6. Впервые на основании эксперимента, разработанной математической модели и мониторинга солнечной обстановки выполнен энергетический и эксергетический анализ эффективности водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя, в зависимости от энергетического потенциала территорий РФ.

7. Показано, что современные водогрейные гелиоустановки, работающие в составе существующих систем горячего водоснабжения, в районах с интенсивной солнечной радиацией могут обеспечивать коэффициент энергии-нетто равный 7,5 (г. Сочи) и срок энергетической окупаемости 1,3 года, что лучше аналогичных показателей* источников энергии на угле и газе: Для автономных установок коэффициент энергии-нетто изменяется от 2,2 (г. Санкт-Петербург) доЗ,7 (г. Сочи), срок энергетической окупаемости от 2,7 (г. Сочи) до 4,5 (г. Санкт-Петербург) лет. Коэффициент эксергии-нетто водогрейных гелиоустановок варьируется от 0,28 (г. Санкт-Петербург); до 0,69 (г. Сочи) и срок эксергетической окупаемости от 14,4 (г. Сочи) до 35,9 (г. Санкт-Петербург) лет. Это обусловлено высокой материалоемкостью современных солнечных коллекторов и использованием в их конструкции энергоемких цветных металлов.

8. Показано, что существенное улучшение показателей возможно путем замены конструктивных материалов1 на менее энергоемкие, а также путем применения концентраторов солнечной энергии.

9. Экономическая эффективность водогрейных гелиоустановок в РФ ниже, чем в других странах из-за относительно невысокой стоимости традиционных топлив и высокой стоимости солнечных коллекторов, обусловленной ценами на цветные металлы. Наименьший срок окупаемости, равный. 4,8 года, наблюдается в г. Сочи* при использовании электрического котла, в качестве дублирующего источника энергии. При учете капитальных затрат на доставку энергоносителя до традиционного источника и ожидаемом вскоре переходе на более высокий, уровень цен на топливо экономический эффект от внедрения установок солнечного ГВС повышается в З-5 раз.

10. На основании построенной модели и проведенных расчетов показано, что применение гелиоустановки для нужд горячего водоснабжения в климатических условиях РФ позволяет экономить от 30 до 50% топлива необходимого для обеспечения ГВС.

1. Bechberger М., Reiche D. Renewable energy policies in an enlarged European Union // REFOCUS, September/October, 2003.

2. Под. ред. Мастепанова A. M. Топливо и энергетика России // Справочник специалиста топливно-энергетического комплекса. Москва. ИАЦ «Энергия», 2005 г. 608 с.

3. Матвеев А. В., Щеклеин С. Е. Использование паротурбинных , технологий в структуре возобновляемой энергетики // Научные труды VIIотчетной конференции молодых ученых, Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.319 с.

4. Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России // Москва, Министерство топлива и энергетики РФ, 1994. 121 с.

5. Безруких П. П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Аналитический доклад // Экологические системы, 2003 г., №5.

6. Безруких П. П. Научно-техническое и методологическое обоснование ресурсов и направлений использования возобновляемых источников энергии// Специальность 05.14.08, дис. на соискание ученой степени доктора т. н., Москва, 2003. 268 с.

7. Валов М. И., Казанджан Б. И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения // Монография, Москва, Изд-во МЭИ, 1991. 1401 с.

8. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии // Москва, Мир, 1977.

9. Безруких П. П., Стребков Д: С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии // ГНУ ВИЭСХ, Москва, 2005 г. 264 с.

10. Харченко Н. В. Индивидуальные солнечные установки // Энергоатомиздат, Москва, 1991 г. 208 с.

11. ГОСТ Р 51594-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика; Термины и определения;

12. Иванов В. Hi Солнечные коллекторы: обзор конструктивных исполнений?// Промышленная энергетика, 2004 г., №2. 48 — 50 с.

13. ГОСТ 28310-89 Коллекторы солнечные. Общие технические условия:.

14. ГОСТ Р 51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия;

15. Научно-прикладной справочник по климату СССР // серия 3 многолетние данные, части 1 — 6, выпуск 9 Пермская, Свердловская, Челябинская, Курганская области, Башкирская АССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1990 г. 557 с.

16. Справочник по климату СССР // выпуск 3 Карельская АССР, Ленинградская, Новгородская и Псковская области, часть I Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние, Гидрометиоиздат, Ленинград, 1966 г.

17. Справочник по климату СССР // выпуск 3 Карельская АССР, Ленинградская, Новгородская и Псковская области, часть V Облачность и атмосферные явления, Гидрометиоиздат, Ленинград, 1968 г.

18. Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В., Кривенкова С. В., Кузнецова В. А., Малинин Н. Г. Расчет ресурсов солнечной энергетики // Учебное пособие, Москва, издательство МЭИ, 1998 г. 59 с.

19. ВСН 52-86. Нормы проектирования. Установки солнечного горячего водоснабжения // Госгражданстрой СССР, Москва, 1987 г.

20. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж Расчеты систем солнечного теплоснабжения//Москва, Энергоиздат, 1982.

21. Теймурханов А. Т., Вардияшвили А. Б., Товарных Г. Н., Качура В. П. Экспериментальное исследование теплообменных процессов в натурной термосифонной установке // Гелиотехника, 1987 г., №5. 61-64 с.

22. Тарнижевский Б. В., Гусейханов М. К., Алиев С. Н., Бабаева Л. М. Исследование характеристик опытно-промышленного варианта плоского коллектора солнечной энергии // Гелиотехника, 1985 г., №2. 59-62 с.

23. Гершкович В. Ф., Ферт А. Р. Расчет двухконтурных гелиосистем с термосифонной циркуляцией // Гелиотехника, 1985 г., №1. 60-62 с.

24. Батмунх С., Умаров С. Г., Энхжаргал X., Цздэндамбаа JI. Результаты испытаний солнечного водонагревателя в условиях Монгольской народной республики // Гелиотехника, 1987 г., №6. 72-73 с.

25. Авезов Р. Р., Кахаров Н. А., Гафуров А. М. Результаты экспериментальных исследований теплотехнических характеристик солнечных коллекторов для подогрева воды // Гелиотехника, 1988 г., №4. 58-60 с.

26. Авдеева JI. В., Смирнов С. И. Тарнижевский Б. В., Чебунькова О. Ю. Расчет теплопроизводительности систем солнечного горячего водоснабжения для южных районов СССР // Гелиотехника, 1983 г., №3. 3942 с.

27. Тарнижевский Б. В., Абуев И. М. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России // Теплоэнергетика, 1997 г., №4. 13 -15 с.

28. Аль Уста Айман, Денисова А. Е., Мазуренко Термодинамическая эффективность адсорбера солнечного коллектора с принудительной циркуляцией // Экотехнологи и ресурсосбережение, 2001 г., №5. 16-21 с.

29. Теймурханов А. Т., Вардиашвили А. Б., Товарных Г. Н. Оценка общего гидравлического сопротивления, элемента гелиоводонагревательной установки//Гелиотехника, 1986 г., №4. 51-53 с.

30. Семенов Е. И., Тюрин В. М., Сербии А. Г. Новые конструкции солнечных коллекторов плоского типа с абсорбером из тонколистовой нержавеющей стали // Промышленная энергетика, 2004 г., №7. 48 50 с.

31. Концов М. М. Сравнительный анализ полимерного и традиционного солнечных коллекторов // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2004 г., №1. 11-15 с.

32. Вардиашвили А. В., Ким В. Д., Мурадов М. У. Теплотехнические и гидравлические расчеты и примеры низкопотенциальных тепловых солнечных установок при изучении машиностроительных дисциплин // Учебно-методическое пособие, ТГПИ, Ташкент, 1987 г. с. 114.

33. Вардиашвили А. Б., Теймурханов А. Т., Товарных Г. Н. Приближенный метод определения- скорости движения теплоносителя в термосифонной установке//Гелиотехника, 1991 г., №3. 58-61 с.

34. Gupta С. L., On generalizing the dynamic performance of solar energy systems // Solar energy, 1971, №13. p. 301.

35. Buchberg H., Roulet J. R. Simulation and optimization of solar collection and storage for house heating // Solar energy, 1968, №12. p. 31.

36. Сиворакша В. E., Марков В. JI., Петров Б. Е., Золотько К. Е. Определение производительности гелиоустановок для горячего водоснабжения // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2004 г., №3. 9 — 12 с.

37. Селихов Ю. А. Коцаренко В. А. Оценка эффективности теплоэнергетического преобразования солнечных коллекторов // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2006 г., №1. 8 — 12 с.

38. Полунин М. М., Петраш В. Д., Скребнев А. Ф. Гелиотопливная система горячего водоснабжения повышенной эффективности // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2002 г., №4. 20 23 с.

39. Сиворакша В. Е., Марков В. Л., Петров Б. Е., Золотько К. Е. Оценка эффективности использования солнечной энергии в отопительной системе // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2005 г., №6. 15 18 с.

40. Денисова А. Е., Айман Аль Уста, Андрийчук Н. Д., Мазуренко А. С. Экспериментальное исследование солнечных коллекторов с измерением расходов при естественной циркуляции // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2003 г., №3. 15 — 18 с.

41. Бутузов В. А. Эксплуатационная надежность солнечных коллекторов // Промышленная энергетика, 2003 г., №8. 47 52 с.

42. Бутузов В. А. Гелиоустановки, горячего водоснабжения; малой производительности//Промышленная энергетика, 2002 г., №7. 56 — 58 с.

43. Иванов BI П. Солнечные системы нагрева воды для; бытовых и промышленных целей И Промышленная энергетика, 2004 г., №5. 44 — 47 с.

44. Лазебный В. В: Использование солнечной энергии для теплоснабжения в Бурятии // Промышленная энергетика, 2002 г., №10. 51— 53 с.

45. Бутузов В. А. Опыт проектирования и эксплуатации гелиоустановок, горячего водоснабжения: в Краснодарском крае // Теплоэнергоэффективные технологии; 2000т., №2.

46. Бутузов В. А. Солнечное теплоснабжение: состояние дел и перспективы развития // Энергосбережение, 2000 г., №4.

47. Бутузов- В. А. Анализ энергетических и экономических показателей гелиоустановок горячего водоснабжения// Промышленная энергетика, 200 Г г., №10. 54 -61 с.

48. Бутузов: В. А. Гелиоустановки» горячего водоснабжения, большой производительности// Промышленная:энергетика, 2002т., №9; 44—51 с.

49. Бутузов В. А. Солнечное теплоснабжение санаторного .комплекса: в Сочи // Промышленная энергетика, 2002 г., №12. 43 — 46 с.

50. Бутузов В. А. Солнечно-топливная котельная в Анапе // Промышленная энергетика, 2004 г., №2. 51-53 с.

51. ГОСТ №51387-99. Энергосбережение. Нормативно методическое обеспечение. Основные положения.

52. Степанов В. С., Степанова Т. Б. Эффективность использования энергии // Новосибирск, ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1994. 257 с.

53. Кононов Ю. Д. Влияние энергетических стратегий на энергопотребление // Иркутск, СЭИ, 1985.

54. Литовский Е. И. Энергия — нетто // Промышленная энергетика, 1985 г. №1.33-37 с.

55. Литовский Е. И. Потоки энергии и эксергии// Москва, Наука, 1988. 144 с.

56. Егоричев А. П., Лисиенко В. Г., Розин С. Е., Щелоков Л. М. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов // Экономия топлива и энергии. Москва, Металлургия, 1990. 149 с.

57. Лисиенко В. Г., Щелоков Л. М., Розин С. Е., Дружинина О. Г., Пареньков А. Е. Энергетический анализ. Методика и базовое информационное обеспечение // Учебное пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2001. 100 с.

58. Исакович Г. А., Слуцкин Ю. Б. Экономия топливно-энергетических ресурсов в строительстве // Москва, Стройиздат, 1988. 214 с.

59. ГОСТ №Р51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Общие положения.

60. ГОСТ №Р51750-2001. Методика определения энергоемкости при производстве продукции и оказании услуг в технологических энергетических системах. Общие положения.

61. Документ МГС "Энергосбережение. Методика определения полной энергоемкости продукции, работ и услуг". (Технический секретариат Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации № 3229 от 19 марта 1999 г.).

62. Дьяконов Е. И. Энергетический анализ эффективности использования ядерного топлива на атомных станциях с реакторами на тепловыхнейтронах// Специальность 05.14.03., диссертация на соискание ученой степени канд. т. н., МЭИ, Москва, 1992 г.

63. Дьяконов Е. И., Игнатенко Е. И. Использование энергетического анализа и показателей эффективности в ядерной энергетике // Атомная энергия, 1991 г., №2. 91 97 с.

64. Дьяконов Е. И., Игнатенко Е. И. Методика расчета показателей энергетической эффективности атомных станций с реакторами ВВЭР и РБМК // Энергетическое строительство, 1991 г., №6. 67 70 с.

65. Алексеев В. В. Экология и экономика энергетики глазами эколога // Москва, Знание, 1990 г.

66. Иванов Г. А., Волошин Н. П., Танеев А. С., Крупин Ф. П., Литвинов Б. В., Кузьминых С. Ю., Свалухин А. И., Шибаршов Л. И. Взрывная дейтериевая энергетика// Снежинск, 1996 г.

67. Бродянский В. М., Верхивкер Г. П., Карчев Я. Я. и др. Эксергетические расчеты технических систем // Киев, Наук, думка, 1991. 360 с.

68. Драбкин Л. М. Эксергетический анализ КПД гелиоприемников // Гелиотехника, 1987 г., №1. 42-46 с.

69. Тома Э., Кебелеу П. Применение эксергетического метода при проектировании полей солнечных коллекторов // Гелиотехника, 1988 г., №4. 37-41 с.

70. Луданов К. И. Эксергетическая эффективность солнечных коллекторов // Экотехнологии и ресурсосбережение, 2006 г., №5. 68-71 с.

71. Капица П. JI. Физика и энергия. Эксперимент, теория, практика // Москва, Наука, 1981 г.

72. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям // Москва, Машиностроение, 1975.

73. Штеренлихт Д. В. Гидравлика // Москва, Энергоатомиздат, 1984.

74. Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара // Справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1984. 80 с.

75. Зоркальцев В. И. Метод наименьших квадратов: геометрические свойства, альтернативные подходы, приложения // Новосибирск, ВО «Наука», 1995. 220 с.

76. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов //Пере, с англ., Москва, Наука, 1986. 232 с.

77. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы // Учебник для вузов, Ленинград, Энергоатомиздат, 1985 г. 304 с.

78. Геращенко О. А., Федоров В. Г. Тепловые и температурные измерения // Справочное руководство, Киев, Наукова думка, 1965.

79. Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной техники // Москва, Машиностроение, 1967.

80. Загрубский А. А., Цыганенко Н. М., Чернова А. П. Основы оптических измерений // Физический практикум, оптика. Част 1, Санкт-Петербург, 2006 г. 227 с.

81. Матвеев А. В., Щеклеин С. Е., Пахалуев В. М. Особенности испытаний солнечных коллекторов при искусственном освещении // Новое в российской электроэнергетике, 2007 г., №5. 26 — 30 с.

82. Матвеев А. В., Пахалуев В. М., Щеклеин С. Е. Методика проведения теплотехнических испытаний солнечных коллекторов при искусственном освещении // Альтернативная энергетика и экология, 2007 г., №5. 108 — 110 с.

83. Солодов А. П., Цветков Ф. Ф., Елисеев А. В., Осипова В. А. Практикум по теплопередаче // Учебное пособие для вузов, Москва, Энергоатомиздат, 1986 г. 296 с.

84. Зубарев В. Н., Александров А. А., Охотин В. С. Практикум по технической термодинамике // Учебное пособие для вузов, Москва, Энергоатомиздат, 1986 г. 304 с.

85. Евпланов А. И., Кошман В. С., Удилов В. М. Экономия тепловой энергии в культивационных сооружениях защищенного грунта // Справочное пособие, Екатеринбург, Свердловгосэнергонадзор, 1999. 68 с.

86. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

87. Матвеев А. В., Щеклеин С. Е. Натурные испытания тепловых коллекторов // Научные труды XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ УПИ: сборник статей в 4 ч. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2006 г.

88. РД 52.04.562-96 Наставление гидрометеостанциям и постам, вып. 5, ч. 1, 1997 г.

89. Матвеев А. В., Пахалуев В. М., Щеклеин С. Е. Работа солнечного коллектора в режиме естественной циркуляции теплоносителя // Альтернативная энергетика и экология, 2007 г., №4. 147 150 с.

90. Матвеев А. В., Щеклеин С. Е., Пахалуев В. М. Математическая модель солнечного, коллектора в* режиме естественной циркуляции теплоносителя // Новое в российской электроэнергетике, 2007 г., №5. 32 — 37 с.

91. Бендат Дж., Пирсол А., Измерение и анализ случайных процессов // Москва, Мир, 1971 г. 408 с.

92. Бутузов В. А. Расчет интенсивности солнечной радиации для проектирования систем солнечного горячего водоснабжения //

93. Промышленная энергетика, 2003 г., №9. 52 57 с.

94. Вентцель Е. С. Теория вероятностей // Наука, Москва, 1964 г. 576 с.

95. Справочник по климату СССР // выпуск 9 Пермская, Свердловская, Челябинская, Курганская области и Башкирская АССР, Солнечная радиация, Радиационный баланс и солнечное сияние, Ленинград,

96. Гидрометеорологическое издательство, 1966 г.

97. Boustead I., Hancock G. F. Handbook of Industrial Energy Analysis // London, Ellis Harwood, 1978. 422 p.

98. Бандура А. В. Методика оценки затрат труда в эксергетических единицах // Промышленная теплотехника, 1990 г., №4. 89 93 с.

99. Удельные расходы топлива и энергии на производства ряда промышленной продукции (среднеотраслевые значения) // ВНИПИЭнергопром. Москва, 1988.

100. Лисиенко В. Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М. Г. Хрестоматия энергосбережения // Справочное издание в 2-х книгах. Москва. Теплоэнергетик, 2002.

101. ГОСТ №Р51750-2001. Методика определения энергоемкости припроизводстве продукции и оказании услуг в технологических энергетических системах. Общие положения. > 118. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и