ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Возможность использования экологически чистой, повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекает все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (энергия Солнца, ветра, биомассы) должны занять заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды [1].
В среднем в год в зависимости от климатических условий и широты местности интенсивность суммарного потомка солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений более 1000 Вт/м2 в полдень при ясном небе. Задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы при наименьших затратах наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) [2].Всё более широкое распространение таких установок ставит задачу оценки эффективности этих систем. Испытательное оборудование, позволяющее определять теплотехнические и эксплуатационные характеристики СК и солнечных водонагревательных установок (СБУ) в реальных климатических условиях и проводить их сертификацию, сегодня в России отсутствует. Отсутствие оборудования и отработанных методик испытаний сдерживает разработки новых конструкций солнечных коллекторов и СБУ, а также усовершенствование существующих конструкций. Данные об отечественном энергетическом оборудовании, для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии представлены в справочнике [3].
Отсутствуют и унифицированные методики объективной оценки теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и систем солнечного теплоснабжения. В России параметры солнечных коллекторов регламентируются ГОСТ Р 51595-2000 [4].
Стандарт определяет технические требования к материалам, особенностям конструкции солнечных коллекторов, допустимым значениям их параметров, а также устанавливает необходимую номенклатуру испытаний коллекторов в зависимости от целей испытаний.Методики и программы испытаний в свою очередь регламентируются ГОСТ Р 51596-2000 [5]. Основными целями испытаний солнечных коллекторов являются проверка их работоспособности в нормальных и аварийных режимах работы. Процедура тепловых испытаний солнечного коллектора в [5] не содержится и соответственно, параметры теплотехнического совершенства для характеристики качества разработки и изготовления солнечного коллектора в [4] не используются.
Внесение дополнений в [5] в части тепловых испытаний солнечных коллекторов возможно только после отработки и апробации различных методик испытаний. Кроме этого, необходимо сравнение результатов испытаний по различным методикам. В последние годы научные исследования в области испытаний теплотехнических характеристик СК и СВУ практически не проводились. Также не разработаны методики проведения испытаний и сертификации элементов СВУ. В результате отечественные производители вынуждены либо обращаться в зарубежные испытательные центры, либо вносить в техническую документацию инструментально непроверенные теплотехнические показатели.
Формирующийся рынок гелиотехнического оборудования требует паспортизации и сертификации солнечных коллекторов. Решение этой задачи включает в себя создание стендового оборудования для комплексных испытаний СК и СВУ в соответствии с международными и отечественными стандартами и апробацию различных методик
испытаний СК и СВУ, направленных на определение теплотехнической эффективности коллекторов, их надёжности, на контроль качества изготовления.
Выполненный в диссертации детальный анализ международного опыта проведения испытаний СК и СВУ показал, что на начальном этапе работ предпочтительной является ориентация на проведение экспериментов в натурных условиях, поскольку лабораторные испытания требуют больших затрат на эксплуатацию имитаторов солнечного излучения.
Актуальным является также исследование технических и технологических возможностей применения современных полимерных материалов при создании СК, не уступающих по характеристикам, традиционно используемым материалам (металл, стекло).
Целью работы является разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения теплотехнических испытаний СК и СВУ, апробация и оценка возможности использования известных методик их натурных испытаний в климатических условиях г.
Москвы, а также разработка новых конструкций СК и СВУ с применением новых материалов (теплостойкие пластмассы) и проведение их испытаний с использованием отобранных методик.В соответствии с целевым направлением работы основными задачами исследования являются:
Анализ научно-технической литературы по применяемым методикам экспериментального исследования СК и СВУ с точки зрения возможности их реализации в климатических условиях г. Москвы. Проведение сравнительного анализа современных конструкций солнечных коллекторов.
Исследование технических и технологических возможностей эффективного применения современных полимерных материалов для создания солнечных теплоиспользующих установок, в частности,
экспериментальное исследование спектральных характеристик полимерных материалов с точки зрения применения их в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов. Разработка новых конструкций плоских СК из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло.
Разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения тепловых испытаний СК и определения обобщенных показателей эффективности работы СВУ по различным методикам.
Проведение натурных теплотехнических испытаний СК промышленного производства и опытных образцов СК из теплостойких пластмасс. Сравнение их тепловых и технико-экономических показателей.
Проведение испытаний солнечных водонагревательных установок.
Проведение натурных исследований эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые проведены исследования спектральных характеристик сотового поликарбоната и их сравнительный анализ со спектральными характеристиками стекла. Доказана возможность и целесообразность использования поликарбоната в качестве светопрозрачного покрытия солнечных коллекторов.
С участием автора разработаны новые конструкции плоских СК и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, эффективно преобразующие энергию солнечного излучения в тепло, защищенные патентами на полезную модель № 48038 и № 48039, зарегистрированными в ГРПМ РФ 10 сентября 2005 г [75, 76].
Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для тепловых испытаний СК и СВУ в натурных условиях г.
Москвы, являющийся на сегодня единственным специализированным стендом в России для исследования СК и СВУ. Конструкция стенда защищена патентом № 53416 на полезную модель, зарегистрированным в ГРПМ РФ 10 мая 2006 г [77].В условиях г. Москвы на созданном стенде выполнены натурные испытания СК различных производителей, в том числе и разработанных СК из полимерных материалов, а также СВУ. Определены обобщенные теплотехнические характеристики испытанных СК и СВУ, необходимые для оценки эффективности их практического использования в различных климатических условиях.
Проведены натурные исследования эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследований спектральных характеристик полимерных материалов (сотовые поликарбонаты), перспективных для использования в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов.
Новые конструкции СК и СВУ из теплостойких пластмасс.
Технические решения, лежащие в основе создания стендового оборудования для комплексных испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок.
Результаты теплотехнических испытаний и сравнительного анализа СК и СВУ различных конструкций и фирм производителей.
Результаты экспериментальных исследований системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Практическая значимость работы. Разработанный теплогидравлический стенд сегодня является единственным специализированным стендом в России. Его наличие создаёт предпосылки для организации сертификационных испытаний гелиотехнического оборудования отечественных производителей и целенаправленных исследований по отработке усовершенствованных конструкций солнечных коллекторов. В соответствии с условиями грантов Правительства Москвы 2003 и 2004 гг. стенд получил статус стенда коллективного пользования и с 2005 г.
используется как учебная база для студентов МЭИ, МГУЭИ и МГТУ, подготавливаемых ВУЗами по специальности "Нетрадиционные возобновляемые источники энергии".Результаты проведенных исследований спектральных характеристик светопрозрачных материалов были использованы при разработке и создании из полимерных материалов солнечных коллекторов, не уступающих по эффективности, а по стоимостным и удельным весовым показателям существенно превосходящих традиционные солнечные коллекторы, из металла и стекла. Работы выполнялись в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы" по теме: "Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно- коммунальном хозяйстве" (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям №41.003.11.2919), а также по теме "Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии" (Государственный контракт с Роснаукой № 02.447.11.5011), по грантам РФФИ 05-08-01469 "Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных
теплостойких полимерных материалов" и 06-08-01530 "Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах", а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (Кабардино-Балкария, 2005), IX Международном семинаре "Российские технологии для индустрии. Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения" (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции "Возобновляемая энергетика.
Проблемы и перспективы" (Махачкала, 2005), XXI Международной конференции "Уравнение состояния вещества" (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме в рамках председательства Российской Федерации в "Большой Восьмерке" "Водородные технологии для производства энергии" (Москва, 2006), Школе молодых ученых "Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов" (Махачкала, 2006), Пятой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва, 2006).Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, по результатам разработок получено 3 патента на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения; содержит 130 страниц текста, 72 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 77 наименований.
Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю Попелю О.С. за предложенную тему и руководство настоящей работой, Фриду С.Е. за постоянное внимание и помощь во время работы над диссертацией, Прокопченко И.В., Мордынскому А.В., Коломиец Ю.Г., Пилипенко В.В., Щеглову В.Н., Сковородько С.Н. за участие в выполнении экспериментальных исследований.
Благодарю также чл. корр. РАН Э.Э. Шпильрайна и всех сотрудников отделения за поддержку работы.