Автореферат размещен 28.05.2008 г. 

 

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

 

 

 

 

 

Москва – 2008

 

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

 

Научный руководитель:                        доктор технических наук, профессор

                                                                  Щеклеин Сергей Евгеньевич

 

Официальные оппоненты:                            доктор технических наук

Безруких Павел Павлович

                                                                 

кандидат технических наук

                                                                  Дьяконов Евгений Иванович

                                                                                 

Ведущая организация:                           ОАО “Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского” (ЭНИН)

 

Защита состоится “___” ____________ 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@dol.ru

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ

 

Автореферат разослан “___” ___________ 2008 г.

 

 

 

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, с. н. с.                                                  А. И. Некрасов

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

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. Л. 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 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. Вардиашвили, 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. Содди, П. Л. Капицы, В. В. Леонтьева, Е. И. Дьяконова, Ю. Д. Кононова, В. С. Степанова и Т. Б. Степановой, Г. А. Исаковича, Е. И. Янтовского, 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-нетто по данным различных авторов

Тип станции	Коэффициент энергии-нетто КQ	Коэффициент эксергии-нетто КЕ
ТЭС на угле	3,5	4-5
ТЭС на газе	5,3
АЭС с легководным реактором	4,33	4
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 КСА-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)

lnx = С—nlnRe=12,0-0,9lnRe.                                          (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

,                                              (2)

где  – теплоемкость воды;  – плотность воды;  – расход воды;  – температуры теплоносителя на входе и выходе из коллектора;  – плотность потока излучения;  – габаритная площадь поглощающей панели солнечного коллектора.

 

           

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

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

;                                          (3)

,

где – коэффициент отвода тепла от солнечного коллектора;  – оптический КПД коллектора;  – поглощательная способность панели коллектора;  – пропускательная способность прозрачной изоляции;  – полный коэффициент тепловых потерь;  – приведенная температура; Т₀ – температура окружающей среды.

Для определения полного коэффициента тепловых потерь  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/(м²×К), 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 прозрачного покрытия в солнечном коллекторе используется стекло толщиной 4 мм, пропускательная способность c которого, для солнечного излучения, постоянна и по данным различных источников равна 0,87 – 0,91. Стекло задерживает существенную часть инфракрасного излучения, поэтому пропускательная способность стекла при проведении стендовых испытаний с искусственным освещением будет отличаться от работы СК в естественных условиях. Пользуясь соотношением (3), можно записать

,      (4)

т. к. тепловые потери в общих случаях значительно меньше оптических, то << 1. В данном выражении ,  — КПД солнечного коллектора при солнечном и искусственном освещении; ,  — пропускательная способность стекла при солнечном и искусственном освещении; ,  — 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

,                                                   (5)

где коэффициенты k₁=0,88; k₂=0,12; — отношение мощности, потребляемой электролампами при данном напряжении, к номинальной мощности электроламп.

 

 

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

.                                         (6)

В результате проведения теплотехнических испытаний солнечного коллектора и использования соотношений (2) и (6) была получена зависимость мгновенного КПД от приведенной температуры  (3) (рис. 5).

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

.                                                        (7)

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 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.

                а.                                                                                б.

Рис 6. Принципиальная схема стенда для испытаний солнечного коллектора в натурных условиях по одноконтурной схеме (a), 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. Т₁ – температура теплоносителя на входе в СК (холодная вода),  Т₂–  температура теплоносителя на выходе из СК (горячая вода)

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

,                                                        (8)

давления столба горячей воды

,                        (9)

где g – ускорение свободного падения;  и  – плотности теплоносителя при температуре входа в коллектор и ее значение при средней температуре в СК;  – средняя температура теплоносителя в коллекторе.

В этом случае движущий напор равен

,                  (10)

полагая

,                                               (11)

где  – доля холодной воды в баке. Тогда выражение (11) примет вид

.                             (12)

При установившемся режиме течения теплоносителя можно приравнять величину движущего напора Dp_дв, 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 Dp_S , включающего сопротивление собственно коллектора Dp_к, опускного и подъемного трубопроводов с баком-аккумулятором Dp_тр :

,                   (13)

где w_к и L_к – скорости движения теплоносителя в каналах коллектора и его длина; w_тр и L_тр – скорость теплоносителя в соединительных трубопроводах и их длина; x и l – коэффициенты сопротивления коллектора и трения трубопроводов.

Если пренебречь гидравлическим сопротивлением трубопроводов и бака-аккумулятора, что возможно при lL_тр/xd_тр<<1 и w_тр/w_к»1, потери давления в контуре можно выразить через логарифм коэффициента гидравлического сопротивления коллектора в удобной для дальнейшего анализа форме (1). Условие циркуляции теплоносителя имеет вид

.                               (14)

По определению коэффициента объемного расширения

,                                              (15)

тогда

, т. е. ,     (16)

где T₁, T₂ – температуры жидкости на входе и выходе из СК.

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

,                                      (17)

где c_p –теплоемкость теплоносителя;  – расход теплоносителя;  – интенсивность падающего на коллектор излучения;  – площадь СК; h  – КПД гелиоустановки.

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

,                                      (18)

где G₀ – расход теплоносителя при h’’ = 0, равный

 (л/ч),                                     

где С и n – параметры коэффициента гидравлического сопротивления из формулы (1); F_тр и d_экв – суммарная площадь сечения каналов коллектора и их эквивалентный диаметр;  – кинематическая вязкость теплоносителя. Все величины, кроме G₀, 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:

,                               (19)

,                                           (20)

— опытные данные пос. Растущий; — данные из работы Вардияшвили; — данные ГУ ЦГМС-Р

 

 

где коэффициенты =18,6, =2,2; q_м – максимальное значение солнечной радиации (местный полдень), в пересчете на наклонную поверхность коллектора; t, t_м – значения текущего времени и времени отвечающего солнечному полудню; t_с – 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 t/t_м от 0,5 до 1,5 (что отвечает граничным значениям эффективности работы СК при q³0,05 кВт/м²), были получены уточненные выражения для определения суточного прихода солнечной радиации на поверхность СК и суточной производительности водогрейной гелиоустановки:

.                                (21)

.                      (22)

Эксергия, вырабатываемая солнечным коллектором, определялась по формуле

,                                               (23)

где  – энергия, вырабатываемая солнечным коллектором;  – температура теплоносителя в баке-аккумуляторе; Т₀ – температура окружающей среды.

Температура воды в баке-аккумуляторе  определялась методом теплового баланса по выражению

,     (24)

где ,  – объем и площадь поверхности бака-аккумулятора, k – 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

,                          (25)

где  и  – производительность солнечного коллектора за средний день месяца для условий ясного неба и условий облачности;  – количество дней в месяце;  – 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 эксплуатации. Поэтому выработка водогрейной гелиоустановки за этот период рассчитывалась по формуле

,                                                (26)

где n – количество месяцев эффективной эксплуатации солнечного коллектора.

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

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

В работе также выполнен расчет производительности солнечного коллектора КСА-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

,                           (27)

где К_изг=1,2 – поправочный коэффициент, учитывающий затраты энергии на изготовление деталей, сборку, транспортировку; m – масса готовой детали из i-ого материала в составе установки; Э – энергоемкость i-ого материала; n – количество различных материалов применяемых при создании установки;  – 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 трубопроводов. Общие затраты энергии, рассчитанные по формуле (28), составляют 12357,00 МДж, эксергии – 10202,39 МДж. Энергетические затраты на создание только солнечного коллектора равны 6000,83 МДж, эксергетические – 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 м² равны 13041,7 МДж. Незначительное отличие значений энергетических затрат можно объяснить различием в энергоемкости материалов для условий России и Германии, различием конструкций солнечных коллекторов, а также 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-нетто, 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.

                            a.                                                                                б.

                            в.                                                                                           г.

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 (f-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 равным k_СМР=1,2. 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

,                                        (28)

где  — капитальные вложения (стоимость) при создании водогрейной гелиоустановки;  — стоимость энергии от традиционного источника;  — издержки эксплуатации.

Расчет производился для четырех случаев. В первом случае дублирующим источником теплоты являлась централизованная тепловая сеть, из которой потребитель получал тепло по цене 550 руб./Гкал. Во втором случае дублирующим источником был электрокотел при стоимости электроэнергии 0,80 руб./кВт×ч и h_ТГ=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 СК, 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-нетто изменяется от 2,2 (г. Санкт-Петербург) до3,7 (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., Щеклеин С. Е. Натурные испытания тепловых коллекторов // Научные труды ХI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ – УПИ: сборник статей в 4 ч, г. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2006.

3.     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.

4.     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.

5.     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.

6.     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.

7.     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.

8.     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.

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

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.ape.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 – ХХI», 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 ХII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ – УПИ: сборник статей, г. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2007. С. 435 – 439.

 

 

 

НАЗАД