Розглянуто внутрішні та зовнішні чинники, що визначають значення коефіцієнта поліз-ного дії сонячних колекторів. Зроблено порівняльний аналіз вітчизняних і за-рубіжних стандартів, які використовуються при виробництві колекторів. Представлений аналіз дослі-джень процесів теплообміну

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Амерханов Роберт Олександрович, Бутузов Віталій Віталійович


Internal and external factors determining the significance of an efficiency index of solar collectors were considered. The comparative analysis of native and foreign standards used under production of collectors was made. The analysis of research of heat exchange processes was presented.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Аналіз ефективності конструктивних елементів сонячних колекторів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз ефективності конструктивних елементів сонячних колекторів»

    ?УДК 620.92: 316.422

    АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ КОНСТРУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ СОНЯЧНИХ

    КОЛЕКТОРІВ

    © 2011 р Р.А. Амерханов, В.В. Бутузов

    Кубанський державний аграрний Kuban State Agrarian

    університет University

    Розглянуто внутрішні та зовнішні чинники, що визначають значення коефіцієнта корисної дії сонячних колекторів. Зроблено порівняльний аналіз вітчизняних і зарубіжних стандартів, які використовуються при виробництві колекторів. Представлений аналіз досліджень процесів теплообміну.

    Ключові слова: сонячний колектор; конструкція; теплопоглинальне покриття; прозора ізоляція; коефіцієнт корисної дії.

    Internal and external factors determining the significance of an efficiency index of solar collectors were considered. The comparative analysis of native and foreign standards used under production of collectors was made. The analysis of research of heat exchange processes was presented.

    Keywords: solar collector; construction; heat-absorbing cover; transparent isolation; efficiency index.

    У системах сонячного гарячого водопостачання отримали застосування, в основному, плоскі рідинні колектори. Такий колектор складається з прозорої ізоляції, що поглинає панелі, теплоізольованого корпусу. Потік сонячного випромінювання проходить через прозору ізоляцію і поглинається панеллю. При цьому частина випромінювання відбивається від поверхні прозорої ізоляції, частина поглинається матеріалом ізоляції і потім передається навколишньому повітрю. Зазначені втрати оцінюються в 45%. Корисна теплота, відведена від теплопоглинальною панелі, становить близько 50%, втрати тепла через теплоізоляцію в навколишнє середовище 5% [1].

    Всесоюзним державним інститутом патентної експертизи виконаний ретроспективний аналіз зарубіжного досвіду шести провідних в області гелиотехники країн за період 1975-1986 рр. [2, 3]. У цих країнах, в основному, завершено створення оптимізованих конструкцій сонячних колекторів. Найбільш інтенсивно розвивалися розробки конструкцій і покриттів теплопог-лощающіх панелей, реалізації руху теплоносія. Для прозорої ізоляції найбільш активно удосконалювалася її форма і вид селективного покриття.

    При аналізі зарубіжного досвіду був застосований метод експертних оцінок провідних фахівців СРСР. В результаті досліджень в якост-

    стве пріоритетний напрям визначено вдосконалення теплопоглинальних покриттів.

    За Н. В. Харченко [4] в ідеальному сонячному колекторі відсутні оптичні втрати, мінімальні втрати тепла, що поглинає здатність його панелі в короткохвильовому діапазоні сонячного випромінювання дорівнює одиниці, ступінь чорноти в інфрачервоній частині спектра дорівнює нулю, а пропускає здатність прозорої ізоляції - одиниці. Високоефективний сонячний колектор повинен мати: високий оптичний ККД; максимально можливе ставлення поглинання в короткохвильовому діапазоні до його випромінювальної здатності в довгохвильовому діапазоні; високий коефіцієнт теплопровідності матеріалу панелі і низьку величину загального коефіцієнта теплових втрат. Підвищення ефективності сонячного колектора може бути забезпечено застосуванням селективних покриттів, використанням пористих структур, вакуумированием простору між поглинаючою панеллю і прозорою ізоляцією, а також застосуванням ефективної теплової ізоляції. Вибір оптимальних теплотехнічних характеристик сонячного колектора повинен бути економічно обґрунтований, оскільки підвищення ККД за рахунок зазначених удосконалень може привести до значного подорожчання сонячного колектора і зробити недоцільним його

    використання. Для підвищення ефективності плоских сонячних колекторів необхідно вживати заходів для зниження інтенсивності теплообміну в газовому просторі колектора і інтенсивності втрат тепла випромінюванням.

    Внутрішні і зовнішні чинники, що визначають значення ККД сонячних колекторів, представлені в роботі [4]:

    1) метеорологічні параметри - інтенсивність сонячної радіації, температура зовнішнього повітря, швидкість вітру;

    2) конструктивні характеристики - крок і діаметр каналів для теплоносія, відстань між абсорбером і склінням, відстань між шарами скління, товщина скла, термічне опір теплової ізоляції, товщина і коефіцієнт теплопровідності лучепог-лощающего листа, коефіцієнт теплопровідності прозорої ізоляції;

    3) робочі характеристики - питома витрата теплоносія, температура теплоносія на вході в сонячний колектор, тиск (розрідження) в просторі між абсорбером і склінням.

    З усіх перерахованих параметрів найбільш істотний вплив на величину ККД надає інтенсивність сонячної радіації, температура зовнішнього повітря і теплоносія на вході в колектор, матеріал абсорбера, крок труб, наявність вакууму в сонячному колекторі. Значний вплив на тепловиробник-ність сонячного колектора надає також число шарів скління, селективність лучепог-лощающей поверхні і коефіцієнт втрат тепла через нижню поверхню колектора.

    Однією з перших в СРСР робіт по методам розрахунку сонячних колекторів була стаття Б. В. Пєтухова [5]. Досить повний аналіз досліджень і розробки плоских сонячних колекторів виконаний А. Д. Ушакової [6]. Аналіз параметрів сонячного колектора і їх впливу на економічну доцільність геліоустановок представлений в роботі інституту «ВНІПІенергопром» [7].

    Аналіз двохсот конструкцій сонячних колекторів, вироблених фірмами Німеччини, виконаний в роботах [8, 9]. При цьому більшість розглянутих колекторів призначене для гарячого водопостачання і виконані з плоскими панелями.

    Прозора ізоляція сонячного колектора - покриття або система покриттів, розташованих над поглинаючою панеллю, прозорих щодо сонячної енергії, призначених для зниження теплових втрат в навколишнє середовище.

    Стандарт Росії [10] встановлює для прозорої ізоляції сонячного колектора наступні

    основні поняття: коефіцієнт теплових втрат через прозору ізоляцію; повний коефіцієнт теплових втрат. Даним стандартом регламентовані наступні технічні вимоги до прозорої ізоляції: число шарів не обмежується, допускається випуск сонячних колекторів без прозорої ізоляції; конструкція повинна передбачати можливість її заміни; термін служби прозорої ізоляції не регламентований; прозора ізоляція повинна бути виконана зі скла або полімерних матеріалів, стійких до атмосферних і експлуатаційним впливам.

    Матеріали для прозорої ізоляції, використовувані в якості єдиного зовнішнього шару або при двошаровому прозорому покритті повинні зберігати свої властивості при температурі від -45 до + 100 ° С, а для внутрішнього шару прозорої ізоляції - від -45 до + 150 ° С.

    Стандартом СРСР [11], крім перерахованих вимог, додатково регламентувалися значення твору загального коефіцієнта теплових втрат колектора і коефіцієнта ефективності поглинаючої панелі при нульовій швидкості вітру, Вт / (м2- ° С), не більше:

    - для колектора з одним шаром прозорої ізоляції і чорним поглинає покриттям - 5,8;

    - одним шаром прозорої ізоляції і селективним поглинає покриттям - 3,9;

    - з подвійним шаром прозорої ізоляції і чорним поглинає покриттям - 4,3.

    Даним стандартом також регламентувалася мінімальна пропускна здатність одного шару прозорої ізоляції при падінні сонячних променів по нормалі до поверхні - 0,85.

    Стандарти провідних у виробництві сонячних колекторів зарубіжних країн містять додаткові вимоги до прозорої ізоляції. Так, стандарт Ізраїлю [12] наказує забезпечити відповідність матеріалів прозорої ізоляції національним нормам. Товщина скла при співвідношенні сторін колектора 1-1,5 повинна прийматися не менше 2,3 мм, при співвідношенні сторін понад 1,5 - не менше 3,3 мм.

    Н. В. Харченко сформулював наступні вимоги до матеріалів прозорої ізоляції [13]:

    - висока пропускає і низька відображає здатність для короткохвильової частини спектра;

    - висока відображає здатність для інфрачервоного випромінювання;

    - достатня механічна міцність;

    - фізико-хімічна стабільність під дією ультрафіолетового випромінювання.

    Під керівництвом Б. В. Тарніжевского виконано оцінку властивостей матеріалів прозорого покриття: скла (віконного, зміцненого, органічного), полікарбонату, плівки (поліетиленової, фтор-

    містить) [14]. Досліджено наступні параметри: коефіцієнт пропускання; стійкість до високої температури, абразивного зносу і радіаційного старіння; ударостійкість; конструктивна міцність; мала щільність і мала загрязняемость; хороша очіщаемость; термін служби, витрата і вартість матеріалу на 1 м2 колектора. Встановлено, що найбільш повно задовольняють перерахованим вище вимогам зміцнене скло і полікарбонат. У цінах 1984 таке скло в 4 рази, а полікарбонат в 27 разів дорожче віконного скла.

    Аналітичні методи опису процесів теплообміну при проходженні потоку сонячного випромінювання через прозору ізоляцію розрізняються використовуваної моделлю. В основі однієї з них лежать характеристики матеріалів ізоляції, інший - потоки енергії. Згідно першої моделі оптимальний ККД сонячного колектора визначається співвідношенням кількості сонячної енергії, поглиненої панеллю і падаючої на поверхню прозорої ізоляції колектора. Такий підхід характерний для досліджень Московського інженерно-будівельного інституту [15]. При визначенні коефіцієнта светопропуска-ня прозорого огородження запропоновано враховувати затінення палітурками корпусу і пилом [16].

    Згідно з другою моделі, оптичний ККД сонячного колектора визначається

    # ТПС - Кр-о (р - tо) ,

    де tр, ^ - температура теплопоглинальною панелі і навколишнього повітря; Е - сумарна сонячна радіація в площині сонячного колектора; # ШС- кількість теплової енергії, що втрачається при проходженні сонячного випромінювання через прозору ізоляцію; Кр о- коефіцієнт теплопередачі від теплопоглинальною панелі до навколишнього повітря.

    У роботі Ю. Л. Мишко і ін. Наведені результати оптимізації товщини повітряного зазору між прозорим огородженням, теплопог-лощающей панеллю і теплоізоляцією, встановлена ​​їх взаємозалежність. При цьому найменша товщина повітряного зазору 29 мм має місце при використанні якісної теплоізоляції з X = 0,05 Вт / (м2-К) і неселективних покритті (загальна товщина колектора 100 мм), а при використанні більш якісної теплоізоляції - X = 0,03 Вт / (м2-К) найменша товщина повітряного зазору збільшується до 35 мм при тій же загальній товщині колектора. Розрахунки показали, що температура зовнішнього повітря і теп-лопоглощающей панелі практично не впливають на значення оптимальної величини повітряного

    зазору. Для якісних колекторів, які відповідають світовому рівню, при загальній товщині колектора 100-120 мм оптимальне значення повітряного зазору складає 45-60 мм.

    На основі другої моделі А. Д. Ушакової та ін. [17] наводяться результати порівняння ефективності використання в сонячних колекторах одно- і двошарового звичайного скла, селективних стекол, нанесення селективного покриття на поверхню теплопоглинальною панелі, вакуумированной ізоляції. Аналіз результатів рішення системи диференціальних рівнянь дозволив зробити авторам наступні висновки:

    - в літній час доцільно використовувати для нагріву води до 50-60 ° С плоскі сонячні колектори з одним склом. У разі застосування колекторів з двома стеклами додаткові втрати сонячної енергії в другому шарі скла більше, ніж втрати тепла в навколишнє середовище;

    - використання селективних покриттів або вакуумної ізоляції в сонячних колекторах при невисоких температурах теплоносія не покращує їх економічні показники, а теплові втрати від теплопоглинальною панелі знижуються всього на 10%;

    - застосування в сонячних колекторах двох і більше конструктивних елементів з селективним покриттям (обидва скла з селективним покриттям, одне скло і Теплопоглинаюча панель) не призводять до суттєвого підвищення ефективності, при цьому вартісні показники знижуються.

    О. С. Попелем [18] вказується, що додаткове скління не призводить до суттєвого підвищення теплопродуктивності колекторів, воно пов'язане зі значним збільшенням їх вартості. Е. В. Сарнацький і С. А. Чистович замість скла рекомендують застосовувати поліметилметакрилат, що перевершує скло по спектральних характеристиках [19]. Методика розрахунків Далекосхідного НДІ з будівництва [20] передбачає використання обох розрахункових моделей. В роботі НДІ санітарної техніки і обладнання будівель та споруд (Київ) [21] наведені результати досліджень теплових втрат прозорого покриття сонячного колектора. Авторами заперечується твердження в роботах [22, 23] про неістотності цих втрат. Ефект впливу додаткового шару прозорої ізоляції зростає при зменшенні температури поверхні теплопоглинальною панелі.

    Таким чином, слід зазначити, що при досить повному дослідженні процесів теплообміну в прозорому огорожі відсутні критерії оцінки його вартості.

    література

    1. Амерханов P.A., Бутузов В.А., Гар'кавий К.А. Питання теорії та інноваційні «рішень при використанні геліоенергетичних систем: монографія. М., 2009. 504 с.

    2. Стан і перспективи розвитку техніки і технології в області радіотехніки, технічної фізики, приладобудування і енергетики. Стан і перспективи розвитку колекторів сонячної енергії: звіт про НДР (заключ.) / Всесоюз. наук.-досл. ін-т. держ. патент. експер. 1В. 517; № ГР 01880038047. М., 1989. 75 с.

    3. Смирнова А. Н. Плоскі сонячні колектори (Аналіз патентного фонду) // геліотехніці. 1990. № 6. С. 1417.

    4. Харченко Н. В. Системний підхід до розробки геліотеплонасосних систем теплопостачання. Київ, 1987. 158 с. Рук. деп. в «Інформенерго» 01.03.88, № 2639ЕН.

    5. Пєтухов Б. В. Методи розрахунку сонячних водонагрівачів // Використання сонячної енергії: зб. тр. АН СРСР. 1957. № 1. С. 177-210.

    6. Ушакова А. Д. Розробка, створення і дослідження плоских сонячний колекторів і систем теп-лохладоснабженія на їх основі для включення в енергобаланс південний регіонів країни: дис. ... д-ра техн. наук: 05. 14. 05. Ашхабад, 1988. 460 с.

    7. Провести науково-дослідні роботи по обгрунтуванню технічних параметрів і економічної доцільності створення схем теплопостачання на основі теплонасосної установки з використанням тепла морської води і сонячної енергії: звіт про НДР / Всесоюз. держ. науч.- досл. і проек.-констр. інт. № ГР 01860040297. М., 1986. 83 с.

    8. Remmers KarlHeinz. Thermischekollectoren // HLH: Heizung, Luftung. Klima: Haustechnik, 2001. № 3. S. 91-100.

    9. Mayer JensPeter. Kleiner guckt in die Ruhre // Sonne, Wind und W a rme. 2001. № 8. S. 24-29.

    10. ГОСТ Р 515952000. Нетрадиційна енергетика. Сонячна енергетика. Колектори сонячні. Загальні технічні умови. М., 2000. 6 з.

    11. ГОСТ 2831089. Колектори сонячні. Загальні технічні умови. М., 1990. 16 с.

    12. SI 579. 4.1. Стандарт Ізраїлю. Сонячні водонагрівачі: плоскі колектори / Ін-т станд. Тель-Авів, 1990. 15 с.

    13. Харченко Н. В. Системний підхід до розробки геліотеплонасосних систем теплопостачання. Київ, 1987.

    158 с. Рукописи деп. в «Інформенерго» 01.03.88, № 2639ЕН.

    14. Абуев І.М., Тарніжевскій Б.В. Вибір матеріалів для сонячний колекторів // геліотехніці. 1990. № 5. С. 12-17.

    15. исследовате ісполизованіе сонячної енергії для опалення, охолодження та гарячого водопостачання селискохозяйственних будівель і зберігання сели-хозпродуктов: звіт про НДР / Моск. инж.-стр. ін-т; рук.

    B. Н. Богословський. № ГР 018400614; інв. № 02850034743.

    16. Розробка науковий основ і дослідження прийому, концентрації і перетворення сонячної енергії з вигсокоеффектівнигх сонячних енергетичних і тепловигх установок. Дослідження і розробка методів розрахунку теплопостачання житлових будинків, заснований на комбінованому ісполизова-ванні сонячної енергії і нетрадиційних джерел енергії: звіт про НДР (заключ.) / Фіз.-хім. ін-т. їм.

    C. В. Стародубцева Акад. наук УзССР; рук. Г. А. Умаров. № ГР 81089265; інв. № 0286. 0034828. Ташкент. 112 з.

    17. створите і освоіти опиггное виробництво сонячних колекторів, акумуляторів тепла і сонячний іспарітелиник кондиціонерів для систем сонячного теплохолодопостачання. Етап І1а. Розробити нові типи сонячний колекторів: звіт про НДР (промежут.) / Наук. произв. об'єд. «Сонце» Акад. наук туркмени. РСР; рук. А. Д. Ушакова. № ГР 01860103724. Ашхабад, 1986. 95 с.

    18. Попел' О. С., Фрід С. Є. Сонячні водонагрівачі. Можливості ісполизованія в кліматичних умовах середньої смуги Росії // Теплоенергетика. 2001. № 7. С. 44-47.

    19. Системи сонячного тепло- і холодопостачання / під ред. Е.В. Сарнацький і СА Чистовича. М., 1990. 217 с.

    20. исследовате теплопоступления сонячної радіації і разработати рекомендації по вибору раці-оналиних типів геліоустановок для цілей гарячого водопостачання та опалення в Приморському краї: звіт про НДР (укладе.) / Далиневост. НДІ по бу-ітелиству; рук. В. П. Рудаков. № ГР 01. 83. 0041142; інв. № 0286. 0008090. Владивосток, 1985. 112 с.

    21. Мойсеєнко В.В., Смирнов С.В. Чисельне дослідження теплових втрат сонячного колектора при поглинанні випромінювання прозорим покриттям // геліотехніці. 1990. № 3. С. 79.

    22. Даффі Дж., Бекман У. А. Теплові процеси з ісполизованіем сонячної енергії. М., 1977. 420 с.

    23. Авез Р. Р., Орлов А. Ю. Сонячні системи опалення та гарячого водопостачання. Ташкент, 1988. 288 с.

    Надійшла до редакції 15 листопада 2010 р.

    Амерханов Роберт Олександрович - д-р техн. наук, професор, Кубанський державний аграрний університет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Бутузов Віталій Віталійович - аспірант, Кубанський державний аграрний університет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Amerkhanov Robert Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Tel. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Butuzov Vitaliy Vitalevich - post-graduate student, Kuban State Agrarian University. Tel. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: сонячний колектор / конструкція / теплопоглинальне покриття / прозора ізоляція / коефіцієнт корисної дії / solar collector / Construction / heat-absorbing cover / transparent isolation / efficiency index

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити