CC BY
83
УДК 621.438;662.997
Р. А. Ильин, А. К. Ильин, С. В. Тихонова Астраханский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЮГА РОССИИ
Одна из современных тенденций развития теплоэнергетики — расширение возможностей и повышение эффективности использования возобновляемых источников энергии, особенно солнечной, в том числе — для горячего водоснабжения и отопления [1-9 и др.]. Максимально возможное практическое использование солнечной энергии - это комплексная проблема человечества, составляющие которой — удовлетворение энергетических потребностей, обеспечение экологической безопасности при изменении мощного потока природной энергии, переход на устойчивое «экологическое развитие», решение физико-технических и технологических проблем преобразования солнечной энергии.
Ресурсы солнечной энергии на территории Юга России достаточно велики и соизмеримы с общими энергетическими потребностями региона. Продолжительность солнечного сияния составляет до 2 400 часов в год и более. В сочетании с высокой дневной температурой в весенне-летне-осенний период весьма эффективным является в том числе и использование солнечных водонагревательных установок для горячего водоснабжения [3, 5, 8] (рис. 1, а). В целом весь Южный федеральный округ является энергоактивным регионом по возможностям использования солнечной энергии [2]. Важной особенностью солнечной радиации на юге является большая доля прямой солнечной радиации в суммарной радиации (рис. 1, б), что повышает эффективность ее использования. Например, в Астрахани, как характерной для юга территории, эта доля составляет 0,86. Для сравнения: в Саратове - 0,59.
Необходимо отметить, что в европейских странах солнечные установки горячего водоснабжения и отопления успешно применяются при существенно меньшем, чем на Юге России приходе солнечной радиации, в том числе и в высоких широтах, например — в Дании, Швеции.
Астрахань - Саратов Самара Казань Кострома
а
Рис. 1. Характеристики солнечной радиации: а - приход суммарной солнечной радиации ^ на горизонтальную поверхность в Поволжье (средний по многолетним данным)
б
Рис. 1. Характеристики солнечной радиации: б - соотношение между суммарной Ба и рассеянной Б радиацией на горизонтальную поверхность в г. Астрахани по многолетним данным; Н - суммарная радиация на наклонную (под углом 43°)
поверхность с ориентацией на юг
Авторами разработана, изготовлена и установлена на крыше административного здания демонстрационная солнечная водонагревательная установка (рис. 2, а), которая используется для экспериментальных целей. Конструкция тепловоспринимающего элемента типа «плоский лист» в целом соответствует разработке авторов [6]. Установка выполнена как солнечный водонагревательный модуль с площадью тепловоспринимающей поверхности 1,4 м2 и может служить основой для создания типовых солнечных установок тепловой мощностью 10, 20 кВт и более. В режиме нагревания воды до температуры 65...75 °С коэффициент полезного действия модуля составляет 0,65. 0,80, производительность - до 200 л/сут.
а
Рис. 2. Модуль солнечного нагревателя: а - общий вид
б
Рис. 2. Модуль солнечного нагревателя: б - энергетическая характеристика: - плотность суммарной солнечной радиации
на поверхность модуля, кВт/м2; w - полезная тепловая мощность, кВт/м2. Температура атмосферного воздуха 28-30 °С
Основные характеристики модуля солнечного нагревателя в составе установки
Площадь тепловоспринимающей поверхности, м2................................. 1,4
Удельная (на 1 м2) максимальная тепловая мощность, кВт/м2
летом................... 0,6...0,8
зимой................... 0,4...0,5
Масса тепловоспринимающего элемента модуля на 1 м2 площади, кг.............. 22.24
Коэффициент общих тепловых потерь, Вт/(м2 • К).............................. до 4,5
Производство горячей воды (на 1 м2), м3/год
до 10
Экономия электрической энергии (в случае замены электронагрева
солнечным нагревом) на 1 м2, кВт • ч/ год.................................. до 1 300
Срок окупаемости, лет....................................................... до 2,5
Эти характеристики близки или улучшены по сравнению с ранее полученными и апробированными данными [4].
На рис. 2, б на основе измерений приводится основная характеристика установки -полезная тепловая мощность в течение дня при безоблачном небе. По этому показателю и по максимальному тепловому коэффициенту полезного действия (до 0,8) установка превышает, например, группу российских солнечных нагревателей и нагревателей, используемых в том числе в Австралии [3].
Выполнено сравнение основных характеристик разработанного нами модуля с характеристиками других модулей и использованы характеристики следующих плоских модулей солнечных нагревателей: 1 - КМЗ (Ковровский механический завод); 2 - «Радуга-М», «Радуга-2»; 3 - СК-01-44; 4 - СК-1, г. Реутов; 5 - СК-2, г. Реутов; 6 - «Сокол»; 7 - СПК-2; 8 - Альтэн; 9 - SECO; 10 - Afros AP-2; 11 - Solaris AC1; 12 - ДВО РАН (1995 г.) и модуль по данной статье; 13 - модули австралийских фирм. Результаты сравнения приведены на рис. 3. Параметр ц/т введен, т. к. он используется при эксергетическом анализе эффективности коллекторов. Параметр t = (ґвЬіх - t0) / Se соответствует ГОСТ. Здесь ґвьіх и t0 - температура воды на выходе из солнечного коллектора и температура окружающей среды.
а
-т, п/т, С
1 ' 3' 5' 7' 9' 11 '
б
Рис. 3. Энергетические и технико-экономические характеристики модулей солнечных водонагревательных установок: а - КПД модулей: 1 - стандартный уровень по ГОСТ 28310-89;
2 - средний стандартный уровень модулей Австралии; 3 - модуль «Радуга-2»;
4 - область КПД модулей: «Радуга-М»; «Сокол»; КМЗ; плоский модуль, г. Реутов; модули ДВО РАН; модуль по данной статье; б - масса и удельные характеристики солнечных модулей.
Номера 1-12 на оси абсцисс соответствуют номерам списка модулей в тексте;
О - модули из алюминиевых сплавов
Мгновенная величина КПД модуля с погрешностью ±2 % представлена в виде линейной зависимости
П = 0,82 - 3 • (4ых - ^) / & ,
где ¿вых - температура воды на выходе из модуля, °С; t0 - температура атмосферного воздуха, °С.
Величина повышения температуры воды в модуле при ^ = 10_____________20 °С в зависимости от
удельного (на 1 м2 поверхности модуля) расхода воды т, кг/м2, соответствует выражению
tвых = tвх + 457 / (4,57 + т).
При работе модуля в режиме кипячения воды (^ых = 100 °С) зависимость текущей температуры от времени при нагревании воды при ^ач = 15.. .25 °С представлена в виде
t = t + 40 •т
¿вых *нач 1 * 5
где т - время нагревания, ч.
В целом характеристики исследованного модуля п, т и максимально достижимые температуры воды соответствуют максимальным величинам показателей других действующих модулей. Показатель С, долл./м2, соответствует минимальным величинам. Последнее объясняется простотой его конструкции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байрамов Р. Б., Ушакова А. Д. Солнечные водонагревательные установки. - Ашхабад: Ылым, 1987. - 168 с.
2. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.
3. Бутузов В. А. Солнечные коллекторы в России и на Украине: конструкции и технические характеристики // Теплоэнергетика. - 2003. - № 1. - С. 37-40.
4. Ильин А. К. Опыт разработки солнечных водонагревательных установок // Нетрадиционная энергетика и технология: Материалы Междунар. конф. Ч. 1. - Владивосток: ДВО РАН, 1995. - С. 26-28.
5. Ильин А. К. Ресурсы и возможности использования солнечной энергии в Поволжье // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Вып. 2. - Саратов: Изд-во СГУ, 2002. - С. 149-158.
6. А. с. на полезную модель № 7184. Тепловоспринимающий элемент солнечного нагревателя / Ильин А. К., Ильин Р. А. Класс 6Г24У2/20. - 1998 г.
7. Ильин Р. А. Термодинамическая и техническая эффективность действующих солнечных установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 3 (32). - С. 250-252.
8. Ильин Р. А., Ильин А. К., Тихонова С. В. Демонстрационная солнечная водонагревательная установка СН-200 // Проблемы и основные факторы развития топливно-энергетического комплекса Юга России: Материалы Рос. конф. - Ростов н/Д.: КВЦ «Вертол-Экспо», 2007. - С. 51-52.
9. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. -М.: Готика, 2000. - 236 с.
Статья поступила в редакцию 25.09.2006
EXPERIMENTAL CHARACTERISTICS OF THE MODULE OF SOLAR WATER-HEATING INSTALLATION FOR CONDITIONS OF THE SOUTH OF RUSSIA
R. A. Ilyin, A. K. Ilyin, S. V. Tikhonova
The module of a flat solar heater by the area 1,4 m2 is described. Experimental heat-technical characteristics of the module: thermal capacity, efficiency, working temperatures, etc. - are given.
