CC BY
14СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 21.05.12. Ред. рег. № 1342 The article has entered in publishing office 21.05.12. Ed. reg. No. 1342
УДК 621.472
КОЛЛЕКТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Т.В. Суржик
Институт возобновляемой энергетики Национальной Академии Наук Украины 02094 Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38-044-206-28-09, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 22.05.12 Заключение совета экспертов: 23.05.12 Принято к публикации: 24.05.12
Создан коллектор солнечной энергии из полимерных композиционных материалов на основе углепластика с наполнителями и стеклопластика. Проведены экспериментальные исследования на долговечность и теплопроводность абсорбера коллектора солнечной энергии. Разработан технологический регламент изготовления солнечного коллектора из полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Ключевые слова: солнечный коллектор, абсорбер, полимерный композиционный материал, углепластик.
COLLECTOR OF SOLAR ENERGY MADE OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
T.V. Surzhik
Institute of Renewable Energy, National Academy of Sciences of Ukraine 20А Сhervonogvardijska, 02094, Kyiv-94, Ukraine Tel./fax: +38-044-206-28-09, e-mail: [email protected]
Referred: 22.05.12 Expertise: 23.05.12 Accepted: 24.05.12
Created collector of solar energy from polymeric composite materials based on carbon fiber with fillers. Carry out experimental studies on durability and thermal conductivity of collector absorber of solar energy. The technological regulation of manufacturing solar collector made of polymeric composite materials (PCM).
Keywords: solar collector, absorber, polymer composite material, carbon fiber.
В качестве матрицы нового полимерного композиционного материала для абсорбера коллектора солнечной энергии применялся теплопроводный углепластик. Требуемые теплотехнические и прочностные характеристики создаваемого материала достигались путем наполнения углепластика различными наполнителями, а также соответствующей технологией его изготовления.
Экспериментальные исследования эффективной теплопроводности композиционных материалов. Для определения оптимального состава композиции абсорбера, коллектора солнечной энергии
проводились экспериментальные исследования эффективной теплопроводности серии образцов композиционных материалов на основе углепластика с различными наполнителями (изменялись концентрация наполнителя в углепластике, размер частиц наполнителя), а также при использовании различных технологий его изготовления.
Эффективная теплопроводность экспериментальных образцов композиционных материалов на основе углепластика с наполнителями определялась по формуле X = qhlДT, где q - удельный тепловой поток, который пронизывает экспериментальный образец
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
материала, Вт/м2; И - толщина экспериментального образца материала, м; АТ - градиент температур экспериментального образца материала, град. К.
Для получения значений эффективной теплопроводности образцов композиционных материалов на основе углепластика с наполнителями были подготовлены экспериментальные образцы материала диаметром 100 мм и толщиной 5-7 мм. Измерение характеристик экспериментальных образцов материала проводилось при средней температуре 30 ± 5 °С с пятикратным размещением и переворачиванием образца в приборе ИТ-4 (прибор ИТ-4 прошел государственные и приемочные испытания и внесен в Государственный реестр под № 8440-88). Суммарная ошибка измерения теплопроводности экспериментальных образцов материалов - не более 6%.
За результат измерения эффективной теплопроводности принималось среднее арифметическое значение из пяти измерений. После размещения экспериментального образца в рабочей зоне прибора проводилась его выдержка в течение 30-40 минут для установления стационарного теплового режима. Показатели с тепломера снимались не менее 5 раз с интервалом 5 минут. Экспериментально исследовались образцы (120 образцов) из композиционного материала на основе углепластика с разными наполнителями. При этом изменялись: армирующий материал композиционного материала, наполнитель композиционного материала, который включал в себя N различных компонент N = 1...5), концентрация наполнителя и размер его частиц (например, наполнитель «угленат-5» включал в себя 5 компонент, основной из которых есть компонента углеродного происхождения). Концентрация наполнителей экспериментальных образцов материалов изменялась от 5 до 50%.
В результате экспериментального исследования эффективной теплопроводности композиционных материалов установлено [1]:
1. Наиболее высокие теплотехнические характеристики имеет углепластик с наполнителем «угленат-5».
2. На теплопроводность материала влияет концентрация наполнителя. Увеличение концентрации наполнителя до 30% способствует увеличению энергетической эффективности абсорбера на 32%.
Экспериментальные исследования СК на долговечность проводились с целью определения срока службы полимерного композиционного абсорбера солнечного коллектора в естественных климатических условиях, способности конструкции сохранять до конца эксплуатационного периода запас прочности, необходимый для сохранения функциональных свойств.
Со временем появляются необратимые изменения свойств полимерных композиционных материалов вследствие химических и физических изменений при их переработке, хранении и эксплуатации, что влияет на их пригодность для использования.
Скорость и характер изменений свойств ПКМ зависит от количества факторов, которые влияют на
материал. Изменения свойств ПКМ могут быть обратимыми и необратимыми. К обратимым изменениям относятся такие, которые исчезают после устранения внешних факторов, которые вызывают эти изменения. Необратимые изменения - это изменения свойств ПКМ, которые сохраняются после устранения факторов, что их вызвали. Все факторы, что способствуют старению ПКМ, можно поделить на внутренние и внешние. К внутренним относят состав и структуру ПКМ, молекулярную массу и молекуляр-но-массовое распределение, наличие внутренних дефектов, обусловленных неравномерным распределением наполнителей и различных примесей, которые добавляются в материал. Значения внутренних факторов могут быть сведены к минимуму, если придерживаться соответствующих требований на стадии изготовления полимерного материала. Более существенное влияние на структуру полимерных материалов имеют внешние факторы, к которым можно отнести температуру и влажность окружающей среды, солнечную радиацию, кислород, агрессивные газообразные добавки, которые присутствуют в воздухе, механические нагрузки. Из приведенных факторов можно выделить компоненты, которые непосредственно взаимодействуют с ПКМ, и активаторы, способствующие такому взаимодействию. Наиболее важными активаторами, способствующими старению композиционного абсорбера солнечного коллектора (СК), являются следующие: температура окружающей среды, солнечное излучение, внутреннее гидростатическое давление жидкой среды.
Методика экспериментальных исследований. Для определения влияния солнечного излучения, особенно его коротковолнового состава, повышенной температуры окружающей среды, а также гидростатического давления жидкой среды на долговечность абсорбера СК в процессе исследований измерялись: температура в термокамере искусственной погоды; количество энергии излучения, которая поступает от источника излучения на единицу поверхности образца; температура и давление внутренней жидкой среды экспериментального образца; время испытания, в т.ч. и до разрушения образца.
В связи с длительностью испытаний экспериментальных образцов в естественных условиях использовались ускоренные методы исследований, где 1000 часов старения образца в искусственных условиях соответствовали 10 годам в естественных условиях. В соответствии с существующей методикой ускорения исследований имитировались условия умеренного климата. Условия экспериментальных исследований, их последовательность, конструкция экспериментальной установки и характеристики контрольно-измерительных приборов приведены в [2].
Результаты экспериментальных исследований. Экспериментально исследовались абсорберы СК из полимерных композиционных материалов на основе углепластика с наполнителем - «угленатом-5».
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Солнечная энергетика
В процессе экспериментальных исследований установлено, что исследованные образцы абсорбера СК в результате воздействия на них света становятся более хрупкими. Появление хрупкости может быть следствием разрыва основной цепи, фотоиницииро-ванной кристаллизации, образования поперечных химических связей.
В процессе исследования влияния концентрации наполнителя углепластика («угленат-5») на температуру хрупкости установлено, что температура хрупкости мало меняется при наполнении углепластика, наполнителем до 5-15%. Увеличение количества наполнителя, который вводится до 35-55%, сопровождается снижением температуры хрупкости [2].
На стабильность температуры хрупкости и других показателей влияет также размер частиц наполнителя (рис. 1). Как видно из рисунка, температура хрупкости мало изменяется при размере частиц наполнителя более 40 мкм.
90
70
50
30
10 0
»т, мкм 1 2
т, к
200
210
220
230
240
250
Рис. 1. Влияние размера частиц наполнителя (углената) m на температуру хрупкости. Толщина образца частиц - 0,8 мм; время опыта - 600 часов; содержание наполнителя в углепластике: 1 - 35%; 2 - 5% Fig. 1. Effect of particle size filler (uglenat) m on brittleness temperature. The thickness of sample particle - 0.8 mm; time of experiment - 600 hours; content of filler in carbon fiber: 1 - 35%; 2 - 5%
Так как ультрафиолетовое излучение в первую очередь вызывает изменение химической структуры в поверхностных слоях наполненного углепластика, степень влияния этого процесса на свойства материала при старении будет зависеть от толщины образца углепластика. Старение наполненного «угле-натом-5» углепластика толщиной 5 мм и 0,8 мм качественно отличается (рис. 2). Образцы толщиной 5 мм на протяжении 1400 часов сохраняют начальные значения прочности на изгиб, а образцы толщиной 0,8 мм - лишь на протяжении 400-600 часов. Так как при фотоокислении основные изменения осуществляются в тонком поверхностном слое, во внутренних слоях образуется очень незначительное количество продуктов окисления, концентрация продуктов окисления в углепластике уменьшается с удалением от поверхности в глубину исследуемого образца.
Рис. 2. Зависимость прочности от толщины образца наполненного углепластика при статическом изгибе в процессе старения. Содержание наполнителя в углепластике - 35%; размер частиц наполнителя - 17 мкм;
толщина образца: 1 - 5 мм; 2 - 0,8 мм Fig. 2. Dependence of strength from thickness of sample filled
with carbon fiber at static bending in aging process. Content of filler in carbon fiber - 35%; size of filler particles -17 microns; sample thickness: 1 - 5 mm; 2 - 0.8 mm
Экспериментальными исследованиями установлено, что на долговечность наполненного «углена-том-5» углепластика существенно влияет метод производства (затвердевания) материала. В процессе исследования использовались такие методы затвердевания материала:
- термохимический (в присутствии перекисной инициирующей системы и ускорителя);
- радиационно-химический (под воздействием ионизирующего излучения).
В процессе исследования установлено, что термохимический метод затвердевания материала не может обеспечить высокий уровень продуктивности процесса. При инициировании перекисями не удается достичь глубины превращения двойных связей и получить достаточно высокий выход сшитого полимера, который на протяжении длительного времени сохраняет свои свойства в процессе эксплуатации. Кроме того, при термохимическом затвердевании вследствие экзотермических эффектов процесса не всегда удается получить качественную продукцию.
Радиационно-химический метод затвердевания материала позволяет увеличить жизнеспособность как связующих компонентов, так и наполнителей углепластика, а также повысить их устойчивость к деструктивным процессам в затвердевшем состоянии. При радиационно-химической полимеризации глубина превращения двойных связей и выход композиционного полимера заметно выше, чем при инициировании перекисями. Также установлена повышенная стойкость к атмосферному влиянию наполненных углепластиков, полученных радиаци-онно-химическим методом. На рис. 3 приведено влияние технологии производства (затвердевания
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110)2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
материала) на изменение прочности образцов при статическом изгибе в процессе старения на протяжении 1000 часов.
100 500 900 -с, час
Рис. 3. Изменение прочности наполненного углепластика при статическом изгибе в процессе старения: 1 - наполненный углепластик, полученный методом радиационно-химического затвердевания (размер частиц наполнителя - 17 мкм, содержание наполнителя в углепластике - 35%, толщина образца - 0,5 мм); 2, 3 - наполненный углепластик, полученный термохимическим методом при наличии инициирующих систем гидроперекисного типа (размер частиц наполнителя - 17 мкм, толщина образца - 0,5 мм, содержание наполнителя в углепластике: 2 - 35%; 3 - 16% Fig. 3. Changing strength of carbon fiber filled at static bending in aging process: 1 - filled carbon fiber, produced by the method
of radiation-chemical solidification (size of filler particles -17 m, content filler in carbon fiber - 35%, thickness sample -0.5 mm); 2, 3 - filled carbon fiber, received as thermochemical method at presence of hydroperoxide type initiating systems (size of filler particles - 17 m, thickness sample - 0.5 mm, filler content in carbon fiber: 2 - 35%; 3 - 16%
Разработан технологический регламент изготовления полимерного композиционного солнечного коллектора, который состоит из корпуса (из стеклопластика с прозрачным фторопластовым покрытием и пенополиуретановой теплоизоляцией), в котором размещен тепловоспринимающий абсорбер с верхней и нижней поверхностями. Верхняя поверхность тепловоспринимающего абсорбера состоит из наполненного углепластика, а нижняя - из стеклопластика. Полимерный композиционный солнечный коллектор оснащен штуцерами из стеклопластика для подачи и отвода жидкости. Исходное сырье отвечает показаниям, приведенным в [3]. Рецептура связующих веществ и наполнителей углетканей и стеклотканей приведена в [3].
Затвердевание полимерного композиционного материала в процессе изготовления осуществляется радиационно-химическим методом, т.е. под действием ионизирующеого излучения (с применением
-излучения С00 или ускорителей электронов марок ИЛУ-6 и ЭЛВ-2). Основные характеристики линейных ускорителей электронов приведены в [2]. Высокие скорости затвердевания ПКМ под воздействием ускоренных электронов позволяют производить процесс облучения материала со скоростью 3-11 см/с.
По сравнению с термохимическим методом затвердевания радиационно-химический метод имеет высокую скорость затвердевания (затвердевание в связующем наполнитель веществе наступает за 10-20 с), а полиэфирные связующие вещества твердеют без введения инициаторов и перекисных соединений, что способствует получению материалов с улучшенными физико-механическими свойствами и повышенной атмосферостойкостью.
Выводы
1. Создан коллектор солнечной энергии на основе полимерных композиционных материалов (абсорбер из наполненного углепластика).
2. Установлено, что повышение стабильности свойств абсорбера СК из наполненного углепластика и его энергетической эффективности можно получить за счет оптимизации доли наполнителя и уменьшения размеров дисперсной фазы.
3. Установлено, что наиболее рациональным является использование радиационно-химической технологии затвердевания полимерной композиции, что способствует увеличению долговечности полимерных композиционных абсорберов СК с наполнителем в виде мелкодисперсной фазы.
4. Разработана безотходная технология изготовления полимерного композиционного солнечного коллектора. Использованный радиационно-химиче-ский метод затвердевания полимерных композиционных материалов способствует получению солнечных коллекторов с улучшенными физико-механическими свойствами, повышенной атмосфе-ростойкостью, а также значительно повышает скорость их изготовления.
Список литературы
1. Резцов В.Ф., Суржик Т.В., Суржик О.М. Експе-риментальне дослвдження теплопроввдносп композицшного матер1алу колектора сонячно! енерги на основ1 вуглепластику // Ввдновлювана енергетика. 2007. № 4. С. 47-50.
2. Суржик Т.В. Експериментальне дослвдження абсорбера пол1мерних сонячних колектор1в на довгов1чшсть // Ввдновлювана енергетика. 2008. № 1. С. 25-29.
3. Суржик Т.В. Технолопя виготовлення полiмер-них сонячних колектор1в // Ввдновлювана енергетика. 2008. № 2. С. 36-38.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
