Повышение эффективности солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуально для всех стран мира: для развитых стран, импортирующих топливно-энергетические ресурсы, — это, в первую очередь, обеспечение энергетической безопасностидля развитых стран, имеющих свои запасы топлива, — улучшение экологической ситуациидля 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 4 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.

18 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 объектовдля сушки фруктов, зерна, другой продукциитепловой 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 м, в Бурятии — 86 гелиоустановок площадью 3660 м [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 [I]).

Считается, что солнечная установка не окупается в течение 20 лет в районах, лежащих севернее 45° с.ш. Но даже в странах с холодным климатомШвеции, 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.

Валовый потенциал, Технический потенциал* Экономический потенциал**.

Федераль ный округ Производство тепла, Производство электроэнергии, млн. ту.т. Всего, млн. Производство тепла, Производство электроВсего, млн. млрд. т у.т. млн. т у.т. ту.т. млн. т у.т. энергии, млн. т у.т. т у.т.

Центральный 84,9 404,2 34,6 438,8 480,9 30,2 511,1.

Северозападный 178,2 664,6 80,0 744,6 12,4 15,4 27,8.

Южный 100,7 568,2 41,9 610,1 680,0 11,7 691,7.

Приволжский 140,8 668,9 58,3 727,2 528,0 37,1 565,1.

Уральский 215,6 659,9 89,7 749,6 145,6 20,9 166,5.

Сибирский 672,0 2901,2 279,7 3180,9 401,6 26,0 427,6.

Дальневосточный 813,2 2886,0 338,4 3224,4 125,5 6,6 132,1.

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 мК/Вт при средней температуре приемника 100 °C, температуре окружающей среды -20°С и коэффициенте теплоотдачи в окружающую среду.

20 Вт/(м2-К) [12]. Двойное остекление имеет л сопротивление теплопередаче 0,24 мК/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:

1. Разработать методику расчета теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами.

2. Определить характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, обеспечивающие повышение их эффективности.

3. Разработать макет солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетомпровести натурные испытания макета солнечного коллектора и промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами.

4. Разработать способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи индикатора.

5. Исследовать тепловые характеристики солнечного коллектора с отражателями и с различными типами прозрачной изоляции, включая вакуумированные стеклопакеты.

6. Провести экономический анализ эффективности применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумном зазоре.

2. Обоснованы тепловые и оптические характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, обеспечивающие повышение их эффективности.

3. Разработан способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи вещества-индикатора, изменяющего цвет при изменении давления.

4. Разработан графоаналитический метод определения оптического КПД солнечных коллекторов с со-образными отражателями.

5. 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 коллектораграфоаналитический 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.

1. Методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора.

2. Характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, при которых сопротивление теплопередаче больше в 3 раза, чем у солнечных коллекторов с одинарным остеклением, имеющим селективное покрытие.

3. Повышение эффективности солнечных коллекторов за счет применения вакуумированных стеклопакетов, подтвержденное экспериментальными исследованиями в натурных условиях.

4. 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 НовгородеПятой 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 приложениямисписок литературы включает 110 наименований.

Выводы к главе 4.

1. Применение солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами перспективно для отопления солнечных домов и теплиц.

2. Сравнение экономических эффектов использования солнечных коллекторов с одинарным остеклением, имеющим селективное покрытие, и солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для обеспечения горячего водоснабжения ЛПХ показало, что экономия затрат на электроэнергию больше при использовании солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами. Сроки окупаемости солнечной установки уменьшаются при использовании солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами на 0,7.3 года в зависимости от местности и замещаемого традиционного источника энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время в России есть предпосылки для развития возобновляемой энергетики, в том числе для внедрения на рынок солнечных коллекторов. Автор [110] считает, для того, чтобы повысить спрос на солнечные коллекторы, потребителям необходимо давать информацию не только о цене и сроках окупаемости солнечных установок, но также и о том, что солнечный коллектор может дополнять, а в летний период заменять электрический котел, продлевая таким образом его срок службы, а также о том, что солнечный коллектор может интегрироваться в здания, т. е. быть формообразующим архитектурным элементом (например, элементом крыши или фасада), способствуя экономии строительных материалов. И, наконец, необходимо стремиться к снижению цены солнечных коллекторов и повышению их эффективности.

В настоящей работе было показано, что повысить эффективность солнечных коллекторов можно за счет применения вакуумированных стеклопакетов, которые значительно снизят тепловые потери в окружающую среду. X.

В данной работе получены следующие результаты:

1. Разработана методика расчета теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумном зазоре.

2. Обоснованы параметры вакуумированных стеклопакетов, обеспечивающие повышение эффективности солнечных коллекторов:

— давление разреженного газа в вакуумном зазоре должно быть не выше 10″ 3 мм рт. ст.,.

— должно быть нанесено одно селективное покрытие на внутренней поверхности вакуумированного стеклопакета с излучательной способностью 0,1.

Сопротивление теплопередаче солнечного коллектора при этих характеристиках составляет 0,77 мК/Вт, что выше, чем сопротивление теплопередаче солнечного коллектора с одинарным остеклением, имеющим селективное покрытие, в 3 раза.

3. Проведены сравнительные экспериментальные исследования в натурных условиях макета солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом и двойным остеклением, а также промышленных солнечных коллекторов с штатной прозрачной изоляцией (одинарное остекление) и вакуумированными стеклопакетами. Сопротивление теплопередаче испытанных образцов вакуумированных стеклопакетов составило в среднем 3.

0,47 м" -К/Вт при степени вакуума 7−10″ мм рт. ст., что выше чем у двойного остекления на 30 — 40%. При температуре окружающей среды -11,2°С температура приемника воздушного солнечного коллектора составила 124,5°С. Испытания промышленных солнечных коллекторов подтвердили преимущество вакуумированных стеклопакетов перед одинарным остеклением — КПД солнечного коллектора повысился на 8%.

4. Предложен способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи вещества-индикатора, изменяющего цвет при повышении давления.

5. Разработана методика расчета оптических и энергетических характеристик солнечных коллекторов с со-образными отражателями и вакуумированными стеклопакетами, включающая графоаналитический метод расчета оптического КПД. Сравнительные испытания СК с оо-образными 'отражателями показали преимущество применения вакуумированных стеклопакетов перед одинарным и двойным остеклениями. Максимальная температура теплоносителя (воды) была достигнута при применении вакуумированного стеклопакета и составила 94 °C.

6. Сравнение экономических эффектов использования солнечных коллекторов с одинарным остеклением, имеющим селективное покрытие, и солнечных г коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для обеспечения горячего водоснабжения личного подсобного хозяйства показало, что экономия затрат на электроэнергию больше при использовании солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами. Сроки окупаемости солнечной установки уменьшаются при использовании солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами на 0,7.3 года в зависимости от местности и замещаемого традиционного источника энергии.