CC BY
11Статья поступила в редакцию 11.03.12. Ред. рег. № 1228
The article has entered in publishing office 11.03.12. Ed. reg. No. 1228
УДК 621.47
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСЕСЕЗОННЫХ СОЛНЕЧНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ
С.Е. Щеклеин, С.А. Коржавин, С.В. Анников, А.В. Паздников
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел./факс: (343) 375-95-08, e-mail: aes@mail.ustu.ru
Заключение совета рецензентов: 21.03.12 Заключение совета экспертов: 25.03.12 Принято к публикации: 28.03.12
Выполнены исследования эффективности всесезонных солнечных концентраторов. Исследования выполнены на двух экспериментальных стендах: № 1 - параболосферический концентратор с конвективным теплообменником и баком-аккумулятором; № 2 - параболоцилиндрический концентратор с теплоприемной тепловой трубой в вакуумной теплоизоляции. Определяется среднее значение тепловой мощности солнечных концентраторов. Оценивается КПД установок.
Ключевые слова: всесезонные системы концентрации солнечной энергии, конвективный теплообменник, тепловая труба в вакуумной изоляции, интенсивность солнечной радиации, тепловая мощность, КПД концентратора.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE ALL-SEASON SOLAR CONCENTRATORS EFFICIENCY S.E. Shcheklein, S.A. Korzhavin, S.V. Annikov, A.V. Pazdnikov
Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin 19 Mira ave., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel./fax: (343) 375-95-08, e-mail: aes@mail.ustu.ru
Referred: 21.03.12 Expertise: 25.03.12 Accepted: 28.03.12
The investigation of the all-season solar concentrators efficiency is performed. The studies were performed on two test benches: a parabolic spherical concentrator with a convective heat exchanger and an accumulator vessel and a parabolic cylindrical concentrator with a heat receiving pipe in the vacuum heat insulation. The mean value of the solar concentrators heat capacity is determined. The installations efficiency is estimated.
Keywords: all-season systems of solar energy concentration, convective heat exchanger, heat pipe vacuum insulation, solar radiation intensity, heat capacity, concentrator efficiency.
Сергей Валериевич Анников
Сведения об авторе: студент 5-го курса УрФУ, теплоэнергетический факультет, кафедра «Атомные электростанции и возобновляемые источники энергии». Стипендиат правительства РФ.
Область научных интересов: солнечные концентраторы.
Публикации: 1.
Сведения об авторе: студент 5-го курса УрФУ, теплоэнергетический факультет, кафедра «Атомные электростанции и возобновляемые источники энергии». Стипендиат правительства РФ.
Область научных интересов: солнечные концентраторы.
Публикации: 1.
Антон Вячеславович Паздников
Введение
Исследованиям систем концентрации солнечной энергии с целью повышения потенциала генерируемой теплоты, сокращению требуемых размеров теп-лоприемников и материалоемкости установок посвящено большое количество исследований [1-5].
Выполнены исследования эффективности всесезонных параболосферических и параболоцилиндри-ческих концентраторов с теплопередающими элементами в виде конвективного теплообменника и тепловой трубы.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Краткое описание экспериментальных установок
Исследования выполнены на двух экспериментальных стендах: № 1 - параболосферический концентратор с конвективным теплообменником и баком-аккумулятором; № 2 - параболоцилиндрический концентратор с теплоприемной тепловой трубой в вакуумной теплоизоляции.
Принципиальные гидравлические схемы и фотографии стендов приведены на рис. 1-4.
Рис. 1. Принципиальная схема концентратора № 1: 1 - приемно-отражающая поверхность; 2 - корпус теплоприемника; 3 - скоростной теплообменник; 4 - расширительный бак; 5 - бак-аккумулятор; 6 - циркуляционный насос; 7 - опорные конструкции; 8 - система ориентации; t1 - t4 - датчики температуры
Fig. 1. Concentrator No. 1 schematic diagram: 1 - receiving and reflecting surface; 2 - casing of the heat; 3 - speed heat exchanger; 4 - expansion tank; 5 - storage tank; 6 - circulation pump; 7 - supporting structures; 8 - attitude control system; ti - t4 - temperature sensors
Рис. 2. Студенты С. Теребей, А. Паздников производят настройку фокусного расстояния концентратора
под руководством аспиранта С. Коржавина Fig. 2. Students S. Terebey and A. Pazdnikov align the focal distance of a concentrator under the direction of postgraduate student S. Korzhavin
Рис. 3. Технологическая схема включения концентратора № 2:
1 - тепловая труба в вакуумной оболочке; 2 - приемно-отражающая поверхность; 3 - скоростной теплообменник; 4 - расширительный бак; 5 - высокотемпературный бак-аккумулятор; 6 - циркуляционный насос; 7 - опорные конструкции; 8 - система ориентации; ti - t4 - датчики температуры Fig. 3. Manufacturing scheme of the concentrator No. 2 connection: 1 - heat pipe vacuum-packed; 2 - receiving and reflecting surface; 3 - speed heat exchanger; 4 - expansion tank; 5 - high-temperature storage tank; 6 - circulation pump; 7 - supporting structures; 8 - attitude control system; t1 - t4 - temperature sensors
Рис. 4. Общий вид параболоцилиндрического концентратора с приемником на базе тепловой трубы в вакуумной теплоизоляции Fig. 4. The general view of a parabolic cylindrical concentrator with a receiver on the base of a heat pipe in vacuum heat insulation
Методика проведения исследований концентратора
1. При отсутствии солнечной радиации бак-теплообменник (парогенератор) заправляется заданным объемом теплоносителя.
2. Осуществляется поверка датчиков температуры теплоносителя в зоне размещения конденсационной части тепловой трубы.
4
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
С.Е. Щеклеин, С.А. Коржавин и др. Экспериментальное исследование эффективности всесезонных солнечных концентраторов
3. Включается система автоматического измерения температуры с регистрацией результатов измерений в памяти компьютера.
4. Осуществляется ориентация и фокусировка концентратора на солнце.
5. Продолжительность измерительного цикла определяется временем достижения заданного уровня температуры (или выпариванием части объема жидкости) в баке-теплообменнике.
6. После завершения опыта осуществляется расфокусировка и расхолаживание концентратора, замена теплоносителя и повторение операций 1-5.
Результаты исследования эффективности солнечного концентратора
Исследование интенсивности солнечной радиации осуществлялось синхронно с измерением тепло-физических характеристик солнечного концентратора при помощи 2 автоматических метеостанций южной (№ 2) и юго-восточной ориентации (№ 1). Осуществлялся контроль и регистрация как полной, так и рассеянной составляющих солнечной радиации, а также распределение энергии по зонам энергетического спектра.
Приведенные на рис. 5 данные суточного измерения радиации показали хорошую сходимость результатов.
Солнечная радиация, Вт/м2 700
500
300
100
- Метеостанция № 2 — Метеостанция № 1
i
/Ил
1 ■ As \ i
} Л
6:00
10:48
15:36 20:24
Время, ч:мин
Рис. 5. Сопоставление результатов суточного измерения интенсивности солнечной радиации метеостанциями юго-восточной (№ 1) и южной (№ 2) ориентации Fig. 5. The comparison of the daily measurements of the solar radiation intensity of weather stations of south-eastern (No. 1) and southern (No. 2) orientation
Рис. 6. Результаты измерений интенсивности солнечной радиации в дни испытаний солнечных концентраторов Fig. 6. The results of the solar intensity measurements in the solar concentrators tests days
Рис. 7. Изменение во времени температуры в баке-теплоприемнике параболоцилиндрического концентратора Fig. 7. The time variation of the heat receiving vessel temperature of the parabolic cylindrical concentrator
На рис. 6 представлены данные измерения значений солнечной радиации в характерные дни испытаний солнечного концентратора.
На рис. 7 представлены результаты измерения температур в баке-теплоприемнике системы.
График иллюстрирует темп нагрева теплоносителя от начального значения (0 = 30 °С) до конечного стационарного значения, соответствующего условиям теплового равновесия с окружающей средой и устойчивого парообразования.
Рис. 8. Развитое поверхностное кипение в баке-теплоприемнике (200 с после начала опыта) Fig. 8. The developed surface boiling in the heat receiving vessel (200 s after the experiment start)
На рис. 8 приведена фотография процесса парообразования на поверхности тепловой трубы, выполненная при помощи съемного прозрачного бака.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Тепловая мощность концентратора определяется по значению величины энергии (Этепл, кДж), расходуемой на нагрев теплоносителя от уровня начальной температуры бака-теплоприемника (/0 = 20 °С) до температуры кипения и полное испарение его части:
Э = Э + Э = M' ' ,
^тепл ^пар ^нагр lvi тепл тепл
+ -^^теплСр(^нас ^терХ
где Эпар - энергия на парообразование; Энагр - энергия на нагрев до температуры кипения; М'
са выкипевшего теплоносителя, кг; гт,
51Ш - мас-скрытая
теплота парообразования (для воды 2250 кДж/кг); Мтепл - полная масса теплоносителя, кг; Ср -теплоемкость теплоносителя; /нас - температура насыщения; /0 - начальная температура.
Расчет по данным рис. 7 для начального объема теплоносителя в баке-теплоприемнике 2 л дает среднее значение тепловой мощности за время эксперимента 0,6-0,65 кВт.
Синхронные данные по приходу радиации в период исследования позволяют провести оценку КПД концентратора, который имеет средний уровень 0,8-0,85.
Выводы
Проведенные испытания разработанных стендов для обеспечения высокопотенциальной тепловой энергией на основе концентраторов солнечной энергии позволили установить, что тепловая мощность концентраторов достаточна для устойчивого получения тепловой энергии высокого потенциала.
Высокий КПД концентраторов (0,8-0,85) при работе в режиме парообразования подтверждает целесообразность использования их в составе комплексного стенда с применением бака-аккумулятора на-
гретого теплоносителя более низких параметров (80 °С). В этом случае производительность концентраторов по пару составляет: № 1 - 15 кг/сут м2, № 2 - 18 кг/сутм2.
В связи с тем, что концентратор № 2 обладает низким уровнем тепловых потерь (менее 1,7 Вт/м2-°С), целесообразно рассматривать его в качестве базового при создании промышленного образца установок всесезонного типа.
Разработанная конструкция стенда № 2 является модульной и позволяет осуществлять набор любого требуемого уровня тепловой мощности и паропро-изводительности путем увеличения количества модулей.
Список литературы
1. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова
B. А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика. М.: МЭИ, 2008.
2. Захидов Р.А., Огнева Т.А., Клычев Ш.И. и др. Исследование энергетических характеристик пара-болоторических фоконов // Гелиотехника. 1984. № 4.
C. 30-33.
3. Умаров Г.Я., Кородуб Н.В. и др. // Гелиотехника. 1965. № 4-5.
4. Умаров Г.Я. Вопросы концентрации солнечной энергии // Гелиотехника. 1987. №5. С. 32-51.
5. Тверьянович Э.В. Экспериментальное исследование оптико-энергетических характеристик фоконов. Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок. М.: Энергоатом-издат, 1986. С. 11-14.
ГхГ\
— TATA —
оо
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
