Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор конструкций и теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и используемой в них прозрачной изоляции 18
1.1. Типы солнечных коллекторов 18
1.1.1. Плоские солнечные коллекторы 18
1.1.2. Солнечные коллекторы с вакуумированными трубками 27
1.1.3. Солнечные коллекторы с отражателями 29
1.2. Типы прозрачной изоляции для солнечных коллекторов 32
1.2.1. Одинарное, двойное остекления 33
1.2.2. Стекла с селективными покрытиями 34
1.2.3. Прозрачная изоляция из полимерных материалов 35
1.2.4. Вакуумированные стеклопакеты 39
Глава 2. Исследование плоских солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 48
2.1. Методика расчета солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом 48
2.1.1. Постановка задачи 48
2.1.2. Тепловой баланс солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом 48
2.1.3. Зависимость коэффициента теплопроводности разреженного газа от давления в вакуумном зазоре ВСП 55
2.2. Расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, обеспечивающих повышение эффективности солнечных коллекторов 59
2.3. Экспериментальное исследование макета солнечного коллектора с вакуумированными стеклопакетами 67
2.3.1. Описание эксперимента 67
2.3.2. Краткое описание измерительных приборов и оценка погрешностей измерений 70
2.3.3. Результаты испытаний 72
2.4. Испытания промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 75
22.5. Определение степени вакуума в вакуумированном стеклопакете при помощи вещества-индикатора 77
Глава 3. Исследование солнечных коллекторов с отражателями и прозрачной изоляцией из вакуумированных стеклопакетов 80
3.1. Расчет солнечных коллекторов с отражателями 80
3.1.1. Графоаналитический метод расчета оптического КПД системы «концентратор-приемник» 81
3.1.2. Метод расчета коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков 85
3.2. Расчет энергетических характеристик солнечного коллектора с гообразными отражателями 90
3.2.1. Геометрические параметры го-образного отражателя 90
3.2.2. Расчёт оптического КПД и коэффициента концентрации теплового модуля с ю-образными отражателями 91
3.3. Экспериментальное исследование солнечного коллектора с го-образными отражателями и различными типами прозрачной изоляции 93
3.4. Определение эксергии солнечного коллектора с го-образными отражателями 95
Глава 4. Перспективные области применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 98
4.1. Перспективные области применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 98
4.1.1. Солнечная установка с отражателем и приемником с вакуумированной изоляцией 98
4.1.2. Солнечные фасады с вакуумированными стеклопакетами 100
4.1.3. Теплицы с прозрачным ограждением из вакуумированных стеклопакетов 102
4.2. Экономическая эффективность применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта 106
4.2.1. Расчет нагрузки горячего водоснабжения для личного подсобного хозяйства и тепловой энергии, получаемой за счет солнечных коллекторов 108
4.2.2. Расчет базы для сравнения и определение критерия оценки эффективности применения вакуумированных стеклопакетов в солнечных коллекторах 112
4.2.3. Расчет экономической эффективности и срока окупаемости 116
Заключение 125
Литература 128
Приложения 137
- Типы прозрачной изоляции для солнечных коллекторов
- Расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, обеспечивающих повышение эффективности солнечных коллекторов
- Расчет энергетических характеристик солнечного коллектора с гообразными отражателями
- Экономическая эффективность применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта
Введение к работе
Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуально для всех стран мира: для развитых стран, импортирующих топливно-энергетические ресурсы, - это, в первую очередь, обеспечение энергетической безопасности; для развитых стран, имеющих свои запасы топлива, — улучшение экологической ситуации; для развивающихся стран - способ улучшить социально-бытовые условия проживания населения.
По данным [1] запасов газа хватит на 120 лет, нефти - на 250, угля - на 1560, поэтому использование ВИЭ во всем мире - это обеспечение мировой энергетической безопасности. От состояния энергетики зависит также развитие промышленности и сельского хозяйства, поэтому использование ВИЭ поможет решить также проблему устойчивого развития сельских территорий. Таким образом, внедрение ВИЭ повлияет на решение трех глобальных проблем: энергетики, экологии и продовольствия.
Россия является одним из крупнейших экспортеров топливно-энергетических ресурсов, она обладает 12 % мировых запасов нефти, 35 % мировых запасов газа, 16 % мировых запасов угля и 14 % урана [2]. Однако, вышеперечисленные проблемы касаются и России. Специфика России заключается в том, что страна огромная, и более 70 % территории страны, где ч проживает более 10 млн. человек [3], не имеют централизованного энергоснабжения. Это, прежде всего, Крайний Север, восточные регионы, горная местность с отгонным и пастбищным животноводством. Стоимость топлива, доставляемого в отдаленные населенные пункты Крайнего Севера, Дальнего Востока, Сибири (дизельное топливо, бензин, мазут, масла), в связи с транспортными расходами, значительно возрастает по сравнению с ценами производителей. Поэтому в таких районах, по возможности, необходимо использовать местные альтернативные источники энергии.
Сейчас страны всего мира стремятся развивать использование возобновляемых источников энергии, и многие из стран занимаются этой проблемой на государственном уровне по следующим причинам [4]:
уменьшение зависимости от импорта органического топлива (в основном нефти и газа);
загрязнение окружающей среды;
возможность интеграции энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии в существующую энергетическую сеть;
возможность применения и развития наукоемких технологий;
неисчерпаемость ВИЭ;
доступность возобновляемых ресурсов.
Наиболее распространенным и доступным возобновляемым источником энергии является солнечная энергия. Приход суммарной солнечной энергии на поверхность Земли оценивается в 10 кВт-ч/год - цифра, в 7000 раз превышающая годовое потребление энергии всех жителей планеты [5].
Для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых и сельскохозяйственных объектов используют солнечные коллекторы (СК). В сельском хозяйстве солнечные коллекторы применяются для отопления и горячего водоснабжения жилых и животноводческих объектов; для сушки фруктов, зерна, другой продукции; тепловой обработки грубых кормов.
Ведущими странами в использовании солнечных тепловых установок (плоские солнечные коллекторы и коллекторы с вакуумированными трубками) являются: Китай — 65,1 ГВт тепловой мощности, Турция — 6,6 ГВт, Германия -5,6 ГВт, Япония - 4,7 ГВт, Израиль - 3,4 ГВт. За ними следуют Греция -2,3 ГВт, Бразилия - 2,2 ГВт, Австрия - 1,9 ГВт, США - 1,6 ГВт и Австралия -1,1 ГВт [6].
К 2008 году в мире всего было установлено 67,4 млн. м (47,2 ГВт тепловой энергии) плоских солнечных коллекторов с остеклением [6, 7]. В России установлено около 15 тыс. м ; в Краснодарском крае построено 102 гелиоустановки общей площадью 5000 м2, в Бурятии - 86 гелиоустановок площадью 3660 м2 [8]. Перспективы развития солнечной энергетики в России очевидны: количество солнечной радиации, поступающей на земную
поверхность, достаточно высока в Краснодарском, Ставропольском краях, Забайкалье, Приморском крае и в др. субъектах РФ (рис. 1 [1]).
Считается, что солнечная установка не окупается в течение 20 лет в районах, лежащих севернее 45 с.ш. Но даже в странах с холодным климатом -Швеции, Финляндии - реализованы проекты солнечных систем теплоснабжения с применением тепловых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты [9]. Поэтому в России также существует возможность использования солнечной энергии и в умеренном климате.
Рис. 1. Распределение солнечной энергии на территории России
Данные по потенциалу солнечной энергии по Федеральным округам РФ приведены в табл. 1 [10]. Из таблицы видно, что потенциал солнечной энергии достаточно высок во всех федеральных округах.
По данным [11] цена за кВт-ч тепловой энергии, полученной за счет использования солнечных коллекторов, снизится с 25 центов до 2 - 10 центов к 2020 году. Учитывая непрерывный и значительный рост цен на
электроэнергию, можно говорить о необходимости внедрения ВИЭ, в том числе для производства тепловой энергии.
Таблица 1
Данные по потенциальным ресурсам солнечной энергии России
Снижение стоимости тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, может быть достигнуто за счет уменьшения капитальных затрат на солнечную установку и применения более эффективных конструкционных материалов, а также повышения эффективности работы солнечных коллекторов и уменьшения тепловых потерь солнечного коллектора.
Актуальность работы.
Наибольшие тепловые потери, от которых значительно зависит производительность солнечного коллектора, происходят за счет теплового излучения и конвекции через прозрачную изоляцию. Эти потери могут составлять до 90 % всех тепловых потерь солнечного коллектора, поэтому
* Технический потенциал ВИЭ - часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств, при соблюдении требований по охране природной среды.
** Экономический потенциал ВИЭ - часть технического потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и т.д.
выбор прозрачной изоляции с высоким сопротивлением теплопередаче — важная стадия конструирования солнечного коллектора.
В данной работе рассмотрены 2 типа солнечных коллекторов: плоские и с отражателями.
Исследованием солнечных коллекторов, в т.ч. их прозрачной изоляции, занимались Авезов P.P., Бекман У.А., Бутузов В.А., Даффи Дж.А., Зоколей С, Казанджан Б.И., Попель О.С., Тарнижевский Б.В., Твайделл Дж., Трушевский С.Н., Уэйр А. и др. Большой вклад в разработку концентрирующих систем, в том числе солнечных коллекторов с отражателями внесли такие ученые, как Апариси P.P., Баум В.А., Безруких П.П., Захидов Р.А., Руденко М.Ф., Стребков Д.С, Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Тюхов И.И. и др.
Как правило, в солнечных коллекторах в качестве прозрачной изоляции применяется одинарное остекление, которое имеет коэффициент сопротивления теплопередаче 0,13 м -К/Вт при средней температуре приемника 100С, температуре окружающей среды -20С и коэффициенте теплоотдачи в окружающую среду 20 Вт/(м -К) [12]. Двойное остекление имеет сопротивление теплопередаче 0,24 м -К/Вт, двойное остекление с селективным покрытием - 0,36 м"-К/Вт при тех же параметрах, но использование двойного остекления усложняет конструкцию СК из-за увеличения толщины воздушных зазоров между стеклами, а также увеличивает вес конструкции.
Вакуумированные стеклопакеты (ВСП) с коэффициентом сопротивления теплопередаче, превосходящим одинарное и двойное остекления за счет вакуумного зазора, в котором теплопроводность разреженного газа и конвекция незначительны, могут применяться в качестве прозрачной теплоизоляции солнечных коллекторов.
Работа выполнялась в соответствии с программой РАСХН по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 - 2010 гг. (задание 09.02.05).
Целью диссертационной работы является повышение эффективности солнечных коллекторов за счет применения вакуумированных стеклопакетов.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработать методику расчета теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами.
Определить характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, обеспечивающие повышение их эффективности.
Разработать макет солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом; провести натурные испытания макета солнечного коллектора и промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами.
Разработать способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи индикатора.
Исследовать тепловые характеристики солнечного коллектора с отражателями и с различными типами прозрачной изоляции, включая вакуумированные стеклопакеты.
Провести экономический анализ эффективности применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта.
Научная новизна работы
Разработана методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумном зазоре.
Обоснованы тепловые и оптические характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, обеспечивающие повышение их эффективности.
Разработан способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи вещества-индикатора, изменяющего
цвет при изменении давления.
Разработан графоаналитический метод определения оптического КПД солнечных коллекторов с со-образными отражателями.
Обосновано применение солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для объектов сельского хозяйства (гелиотеплиц и солнечных домов).
Научная новизна работы подтверждена двумя патентами РФ на изобретения.
Практическая ценность
Методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора; графоаналитический метод расчета оптического КПД солнечных коллекторов с отражателями используются в учебном процессе на кафедре ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» Московского государственного университета инженерной экологии, что подтверждено соответствующим актом.
В результате проведенных натурных испытаний было установлено, что КПД промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами выше на 8 %, чем КПД солнечных коллекторов с штатным одинарным остеклением. Рекомендации по изготовлению солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами используются ОАО «Ковровский механический завод», что подтверждено соответствующим актом.
Способ оценки степени вакуума при помощи вещества-индикатора, меняющего цвет при изменении давления разреженного газа, позволит визуально оценивать степень вакуума (без специальных приборов) при эксплуатации вакуумированных стеклопакетов как в солнечных коллекторах, так и при остеклении зданий.
Положения, выносимые на защиту
Методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора.
Характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, при которых сопротивление теплопередаче больше в 3 раза, чем у солнечных коллекторов с одинарным остеклением, имеющим селективное покрытие.
Повышение эффективности солнечных коллекторов за счет применения вакуумированных стеклопакетов, подтвержденное экспериментальными исследованиями в натурных условиях.
Способ оценки степени вакуума в вакуумированных стеклопакетах солнечных коллекторов при помощи вещества-индикатора, изменяющего цвет при изменении давления разреженного газа.
Апробация работы
Материалы диссертации были использованы в научных отчетах отдела «Возобновляемые источники энергии» ГНУ ВИЭСХ в 2007 и 2008 гг. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном конгрессе «Великие реки» в 2004, 2005, 2007 гг. в Нижнем Новгороде; Пятой и Шестой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в 2006 и 2008 гг. (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ); конференции в рамках выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (г. Москва, ВВЦ), Шестой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи в журнале «Альтернативная энергетика и экология», 1 статья в
журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 2 статьи в журнале «Гелиотехника», получено 2 патента на изобретение.
Структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 127 страницах машинописного текста, иллюстрированных 61 рисунком и 32 таблицами, и снабжена 4 приложениями; список литературы включает 110 наименований.
Изложение результатов исследований приводится следующим образом.
В первой главе приведен обзор конструкций плоских солнечных коллекторов и солнечных коллекторов с отражателями. Проведен обзор жидкостных солнечных коллекторов российского производства, отмечены их достоинства и недостатки, в том числе с точки зрения применяемой в них прозрачной изоляции; проведен обзор конструкций воздушных солнечных коллекторов.
Во второй главе излагается методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа по его коэффициенту теплопроводности; расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, необходимых для повышения эффективности солнечных коллекторов по сравнению с солнечными коллекторами с традиционной прозрачной изоляцией; описание сравнительных экспериментальных исследований в натурных условиях макета солнечного коллектора с ВСП и двойным остеклением, а также промышленных солнечных коллекторов с одинарным остеклением и ВСП; сравнение расчетных и экспериментальных данных.
В третьей главе приводится расчет энергетических и оптических характеристик солнечных коллекторов с отражателями и ВСП, в том числе графоаналитический метод расчета оптического КПД системы «концентратор-приемник» и метод расчета коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков; описание натурных экспериментов солнечного коллектора с
са-образными отражателями с различными типами прозрачной изоляции: одинарным остеклением, двойным остеклением и ВСП.
Четвертая глава посвящена перспективным направлениям применения вакуумированных стеюіопакетов в гелиотехнике: в солнечных установках с отражателями и тепловыми приемниками; энергоэффективных зданиях, гелиотеплицах. Представлен расчет экономической эффективности применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта.
Типы прозрачной изоляции для солнечных коллекторов
В ГОСТ Р 51595-2000 [17] указано, что прозрачная изоляция СК должна быть выполнена из стекла или полимерных материалов, устойчивых к атмосферным осадкам и эксплуатационным воздействиям. Преимущество прозрачной изоляции из полимерных материалов заключается в большей прочности по сравнению со стеклом, но она является менее стойкой к высоким температурам, УФ-излучению, и обладает меньшей пропускательной способностью, чем стекло. Рассмотрим некоторые типы прозрачной изоляции для СК из стекла и полимерных материалов.
Наиболее распространенным типом прозрачной изоляции в СК является стекло. В зависимости от качества листовое стекло подразделяют на марки МО, Ml, М2, МЗ, М4, М5, Мб, М7. Чем меньше цифра в марке стекла, тем выше его качество, т.е. тем меньше дефектов на единицу поверхности [35]. В России качество листового стекла определяется ГОСТ 111-2001 [36]. Для прозрачной изоляции СК важно, чтобы стекло было с низким содержанием оксида железа, т.к. в этом случае оно лучше пропускает видимое солнечное излучение и практически его не поглощает.
Некоторые физико-механические характеристики листового стекла по ГОСТ 111-2001 приведены в табл. 4. В табл. 5, 6 представлены сопротивления теплопередаче прозрачного ограждения СК из одного и двух стекол без селективного покрытия (єс = 0,95) и с селективным покрытием на одной из внутренних поверхностей стекол (єс =0,1) при различных температурах приемника и окружающей среды.
Как видно из таблиц, сопротивление теплопередаче прозрачного ограждения СК больше при меньшей разнице температур приемника и окружающей среды и возрастает при увеличении количества слоев стекол и нанесении на стекла селективного покрытия.
ГОСТ Р 51595-2000 не ограничивает число слоев прозрачной изоляции СК. Как было сказано, при увеличении слоев прозрачной изоляции возрастает сопротивление теплопередаче, но уменьшается пропускание и возникает сложность при монтаже вследствие увеличения толщины прозрачной изоляции. Поэтому в СК, как правило, используют одинарное остекление., Обычно для целей горячего водоснабжения (температура теплоносителя около 60С) используют СК с одинарным остеклением, а для отопления - СК с двойным остеклением.
Теплопотери излучением через стекло можно снизить за счет использования селективных (низкоэмиссионных) стекол, среди которых И-стекло (с мягким селективным покрытием) и К-стекло (с твердым селективным покрытием). Селективные покрытия наносятся на поверхности стекол ВСП для того, чтобы отразить инфракрасное излучение (с длиной волны более 3 мкм, максимум на 10 мкм) со стороны помещения (или теплового приемника в случае солнечного коллектора). При этом интегральная пропускательная способность стекла с низкоэмиссионным покрытием уменьшается на 3 - 5 % по сравнению со стеклом без покрытия.
Селективность стекол обеспечивается нанесением трехслойного покрытия: адгезионного металлооксидного (Sn02, ZnO), основного слоя -серебра, и защитного металлооксидного. Селективные покрытия получают методом пиролиза (К-стекло) либо методом вакуумного магнетронного напыления (И-стекло) [37]. В первом случае молекулы оксидов металлов проникают в кристаллическую решетку стекла, и покрытие очень прочно сцепляется с поверхностью стекла, такое покрытие называется твердым. Покрытие, наносимое вакуумным методом, является менее устойчивым и называется мягким, но обладает более низкой излучательной способностью є по сравнению с твердым покрытием: s твердого покрытия составляет є - 0,1 - 0,18 [38]; мягкого є = 0,02 - 0,08 [39].
Качество стекла с твердым селективным покрытием устанавливает ГОСТ 30733-2000 [40]. Излучательная способность твердого селективного покрытия должна быть не более 0,18.
В [41] дан подробный обзор прозрачной изоляции для СК из полимерных материалов. Для изоляции обычно используют различные пластики: полиэтилен, поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат, полиэстеркарбонат и др. Из известных конструкций солнечных коллекторов с полимерной прозрачной изоляцией можно назвать следующие: СК с отражателями с прозрачной ячеистой изоляцией из поликарбоната (рис. 16), плоский СК с прозрачной ячеистой изоляцией (рис. 19 [42]), плоский СК с прозрачной капиллярной изоляцией из стекла (рис. 20 [42]).
Авторами работ [44, 45] предлагается использовать двухслойную прозрачную изоляцию: из поликарбоната ячеистой структуры и стекла (рис. 21). Прозрачная тепловая изоляция представляет собой ячеистую структуру из материала, прозрачного в видимой области солнечного излучения и имеющего низкий коэффициент излучения в инфракрасной области.
Расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, обеспечивающих повышение эффективности солнечных коллекторов
Для того чтобы определить, какое давление разреженного газа должно быть в зазоре ВСП и сколько селективных (низкоэмиссионных) покрытий целесообразно наносить, чтобы его сопротивление теплопередаче превышало сопротивление теплопередаче одинарного и двойного остеклений с селективным покрытием, были приняты условия, как в [12] (см. табл. 6), при которых характеристики одинарного и двойного остеклений известны: температура приемника солнечного излучения tnp = 100С; температура окружающей среды toc = - 20С; коэффициент теплоотдачи конвекцией от стекла в окружающую среду h"%" c = 20 Вт/(м2-К). При этих условиях сопротивления теплопередаче одинарного и двойного остеклений с селективным покрытием соответственно: 0,24 м -К/Вт и 0,36 м -К/Вт (см. также табл. 6).
Определяемыми параметрами ВСП солнечного коллектора были: давление в вакуумном зазоре; количество «твердых» селективных (низкоэмиссионных) покрытий с излучательной способностью 0,1 ; стоимость.
Коэффициент излучения стекол варьировался (см. рис. 30, 31): были рассчитаны варианты ВСП без селективных покрытий (єс\, Є\, є2, єс2 = 0,95), с одним «твердым» селективным покрытием с излучательной способностью 0,1 на внутренней поверхности стекла {єс\, є2, єс2 = 0,95; Є\ = 0,1), с двумя селективными покрытиями на внутренних поверхностях стекол {sci, єс2 — 0,95; Б\, є2 = 0,1), с тремя селективными покрытиями (єс\, єс2, Є\ = 0,95; є2 — 0,1) и с четырьмя селективными покрытиями на всех поверхностях стекол (Єс\, Є\, є2, с2 = 0,1). Перечисленные варианты были рассчитаны для двух случаев: для приемника без селективного покрытия и с селективным покрытием (коэффициенты излучения єпр = 0,95 и єпр = 0,1; коэффициент поглощения приемника СИ в обоих случаях апр = 0,95; т.е. в первом случае селективность приемника апрІєпр = 1, во втором случае ccnplsnp = 9,5).
Остальные значения были приняты следующими: твсп = 0,80; b = 1; Р = 45; 4а = 0,0002 м; 8е = 0,004 м; Яс = 0,74 Вт/(м-К); Хфшс = 0,74 Вт/(м-К); іїфикс= 0,0004 м; 8фикс = 0,025 м; коэффициент теплопроводности теплоизоляции из пенопласта Лте,Ш113 = 0,024 Вт/(м-К) [12]; 8тепЛш1лз = 0,05 м; коэффициент теплопроводности воздуха при 80С Хвозд = 0,0302 Вт/(м-К) [12]; OCQ = 0,81 [72]; у = 1,4 [69]; dM = 1,7-10"10 м [66]; величина воздушного зазора между пластиной и внутренним стеклом ВСП дв0зд = 0,025 м.
На рис. 30 и 31 представлены результаты расчетов: зависимость сопротивления теплопередаче ВСП от давления разреженного газа внутри вакуумного зазора и количества «твердых» селективных покрытий на ВСП с излучательной способностью є= 0,1 [63].
Как видно из рис. 30 и 31, до точек перегиба, которым соответствует вакуум 10" мм рт. ст., наблюдается увеличение сопротивления теплопередаче, а далее оно практически не зависит от давления. При наличии одного селективного покрытия сопротивление теплопередаче Rt ВСП составляет 0,77 м2-К/Вт, а при наличии селективного покрытия на ВСП и на приемнике (рис. 31) или двух селективных покрытий на ВСП (рис. 30) - 0,93 м -К/Вт. Пороговые значения достигаются при вакууме 10"4 мм рт. ст.: при наличии одного селективного покрытия Rt = 0,82 м -К/Вт, двух селективных покрытий
Следует отметить, что нанесение селективного покрытия на ВСП дает намного больший эффект, чем нанесение селективного покрытия на приемник (ВСП при этом без селективного покрытия): сопротивления теплопередаче при давлении разреженного газа 10" мм рт. ст. составляют соответственно 0,77 и 0,45 м2-К/Вт.
Сопротивление теплопередаче ВСП без селективных покрытий в условиях работы солнечного коллектора не намного превышают сопротивление теплопередаче двойного остекления (рис. 30), поэтому нанесение селективного покрытия на ВСП для прозрачной изоляции солнечного коллектора — обязательное условие.
Был оценен вклад вакуумного зазора в сопротивление теплопередаче ВСП. Без селективных покрытий на стеклах вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче составляет 17 % при низком вакууме (10 мм рт. ст.), 36 % при вакууме 10" мм рт. ст. и 40 % при более высоком вакууме (10"3 - 10"5 мм рт. ст.).
При наличии селективных покрытий вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче равен 20 % при вакууме 10"1 мм рт. ст., 60 % при вакууме 10" мм рт. ст. и до 77 % при более высоком вакууме (10" - 10" мм рт. ст.). Это объясняется тем, что при низком вакууме теплопередача через вакуумный зазор осуществляется преимущественно за счет теплопроводности разреженного газа, и поэтому вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче невелик; когда при более высоком вакууме теплопроводность разреженного газа значительно уменьшается, вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче возрастает, а теплопередача осуществляется в большей степени излучением. Это наглядно продемонстрировано в табл. 8 и 9, в которых показан вклад каждой составляющей теплопередачи в вакуумном зазоре: теплопроводностью разреженного газа, излучением и теплопроводностью фиксаторов. Снизить тепловые потери излучением помогает нанесение селективных покрытий. При этом вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче, как было сказано, возрастает до 77%. Чтобы наглядно проиллюстрировать вклад каждой составляющей теплопереноса в вакуумном зазоре в ВСП без селективных покрытий и с селективным покрытием, на рис. 32 и 33 данные табл. 8 и 9 представлены в виде графиков (в процентах).
Расчет энергетических характеристик солнечного коллектора с гообразными отражателями
Отражающая поверхность концентратора состоит из двух сопряженных радиусов г и R, при этом где /3 - угол между плоскостью, в которой расположены центры окружностей радиусами г и R, и нормалью к плоскости АВ, т. е. плоскости, воспринимающей солнечное излучение. Оптимальный апертурный угол /? = 27,5 [79]. На основе двух со-образных концентраторов был изготовлен солнечный коллектор с тепловыми приемниками типа «лист-труба», показанный на рис. 48, 49. Как и в обычном солнечном коллекторе, дно и боковые поверхности модуля теплоизолированы. Зазор между плоскостью апертуры АВ, воспринимающей солнечное излучение, и приемником 1заз = 13 мм. Площадь апертуры отражающей поверхности солнечного модуля составляет 1,7 м х 0,6 м = 1,02 м . Приемник солнечного излучения расположен параллельно плоскости, воспринимающей солнечное излучение, его ширина составляет /= 100 мм. Рассмотрим расчетный вариант для со-образного концентратора, имеющего следующие размеры: 2гап = 300 мм, Ъгпр = 100 мм. Пользуясь графоаналитическим методом, описанным выше, разбиваем лучевоспринимаюшую поверхность концентратора на несколько зон (см. рис. 43). На рис. 50 показаны радиусы этих зон в со-образном концентраторе при нормальном падении лучей: го = гпр = 50 мм, r\ = 97 мм, г2 = 147 мм, / з = гп = 150 мм.
В зоне шириной (п - г0) лучи отражаются однократно перед падением на приемник с тыльной стороны, в зоне шириной (r2 - г\) - двукратно, в зоне шириной (г3 - г2) - трехкратно. Принимая а = 0,9; So = 1,25; р = 0,9, из (3.7) получим поток Q = 1,41д, а оптический КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями составит: Измерения проводились калориметрическим методом, измерялись температура окружающей среды, температура теплоносителя (воды) на входе и на выходе, расход теплоносителя, плотность суммарной солнечной радиации в плоскости солнечного модуля. Первая серия экспериментов проводилась, когда в качестве прозрачной изоляции солнечного коллектора с со-образными отражателями было установлено одинарное остекление. Затем, чтобы сравнить тепловые характеристики модуля с различными типами остекления, было установлено второе стекло с зазором 3 мм. Затем вместо двойного остекления было установлен вакуумированный стеклопакет (СПОВ 1720 мм х 650 мм х 6,5 мм 4-0,15-2,5). Наибольший интерес представлял эксперимент на максимальный нагрев теплоносителя при максимальной радиации и небольшом расходе 3,3 - 3,4 кг/(ч-м2). Изменение значений параметров окружающей среды и солнечного коллектора с со-образными отражателями в течение дня представлено нарис. 52, 53. Из графиков видно, что при одинаковых расходах теплоносителя (воды) максимальная температура, полученная в солнечном коллекторе с со-образными отражателями и двойным остеклением составляет 82С, а с ВСП - 94С.
По формулам (2.44) и (2.45) были рассчитаны производительность и КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями и различными типами прозрачной изоляции: одним стеклом, двойным остеклением с воздушным зазором 3 мм. Результаты испытаний и расчетов представлены в табл. 14. КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями составляет 40,1 %, что выше на 10,8 %, чем КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями и одинарным остеклением. Эксергия - это свойство термодинамической системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия [85]. Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количеству, но и дает возможность количественно оценить ее качественную сторону.
Экономическая эффективность применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта
Пусть по количеству п отражений концентратор разбит на п зон, в каждой из которых будут находиться лучи с одинаковым количеством отражений от концентратора. Тогда в периферийном кольце будут находиться лучи, которые после и-кратного отражения попадут на тыльную сторону приёмника и доставят туда поток: где q — плотность потока прямой солнечной радиации, Вт/м ; гп - Ran - радиус большой окружности концентратора (апертуры); r„-i — внутренний радиус периферийного кольца и наружный радиус следующего за ним кольца; р г - коэффициент отражения концентратора в степени п. Во второй, (п - 1)-ой, от периферии зоне поток будет равен: где апр — коэффициент поглощения солнечной радиации приёмником; г0 - радиус до оси полуокружности; гпр — радиус приёмника; г р =г — слагаемое, учитывающее поток, падающий на лицевую сторону приёмника; SQ 1 - коэффициент, учитывающий рассеянную радиацию, падающую на лицевую сторону приёмника. В варианте 2 расположения приёмника, когда диаметр приёмника больше го, формула (3.4) имеет тот же вид при ограничении rnp r Ram гпр г0. В варианте 3 расположения приёмника, когда диаметр приёмника меньше 2г0, формула (3.4) принимает вид: При выполнении условий: rnp го, rm г R и rm го, т.е. начиная с радиуса гт отражённые лучи не попадают на приёмник; т - количество отражений в кольце (rm+i — rm), не попадающих на тыльную сторону приёмника.
Для солнечного коллектора с линейными со-образными отражателями (рис. 47, 48), аналогично (3.2) и (3.3), потоки периферийной зоны и следующей за ней будут равны: где Lk — длина концентратора, м; rn — половина ширины линейного ш-образного отражателя, м (см. рис. 50). Тогда полный поток, падающий на приемник, составит: В варианте 3 расположения приёмника: Q = 2a qL,[{r -г )рп +(r -г Оптический КПД Т]опт системы «концентратор - приёмник» определяется как где Аап — площадь апертуры отражателя. Если устанавливать приемник ниже плоскости апертуры так, чтобы его края заканчивались на огибающей кривой, образуемой пересечением лучей, особенно на минимуме огибающей кривой (рис. 42а ), уменьшится количество отражений периферийных лучей, и, следовательно, увеличится оптический КПД солнечного коллектора с отражателями. Пример расчета оптического КПД системы «концентратор-приемник» приведен далее для со-образного концентратора в разд. 3.2. Геометрический коэффициент концентрации К во многих случаях определяется как отношение эффективной площади апертуры к площади поверхности приемника солнечной энергии [12, 15], т.е. Реже используется потоковый коэффициент концентрации, который рассчитывается как отношение средней плотности сконцентрированного потока на приемнике к плотности потока солнечной радиации на апертуре концентратора [12]. Обычно поток сконцентрированного солнечного излучения распределен неравномерно по поверхности приемника, поэтому зачастую расчет потокового коэффициента концентрации представляется затруднительным.
Геометрический коэффициент концентрации является довольно условной характеристикой, особенно при незначительных концентрациях, когда размеры приёмника сопоставимы с размерами апертуры, и некоторая часть солнечного излучения падает на приемник в неконцентрированном виде, другая часть - концентрируется, а затем падает на приемник, возможен и смешанный поток. Тем не менее, в литературе геометрический коэффициент концентрации используется для расчётов энергетических параметров, например, оптической эффективности фотоэлектрических систем с асимметричными отражателями [82], при этом геометрический коэффициент концентрации определяется как отношение линейных размеров апертуры и приёмника. Предлагается рассчитывать коэффициент концентрации по балансу лучистых потоков, приходящих на апертуру концентратора Qan и на приемник солнечного излучения Qnp [83, 84]. Рассмотрим, систему «концентратор - приёмник» (рис. 44), которая облучается только прямой солнечной радиацией при следующих условиях: солнечное излучение в виде параллельного потока лучей Qan плотности q падает нормально к плоскости апертуры концентратора;
