CC BY
42
.„т Пэн =■
Qn
Bmi
E
nm _ ^пол
ПЭКС ' Bm -*
177 193,17
= 0,916;
66 190,5
= 0,346.
Приведённые результаты принципиально отличаются от тех, которые получаются на основе разнесения затрат топлива по общепринятому в настоящее время «физическому» методу.
Таким образом, эксергетический анализ теплоэлектроцентрали позволяет абсолютно корректно провести все необходимые для термодинамической оценки расчёты:
- учесть работоспособность производимой на ТЭЦ продукции;
- обоснованно распределить соответственно эк-сергии произведённой тепловой и электрической энергии суммарные затраты топлива на ТЭЦ;
- определить термодинамическую эффективности как теплоэлектроцентрали в целом, так и её подсистем, производящих тепловую и электрическую энергию, по отдельности с учётом 2-го начала термодинамики.
Использование для оценки энергетического потенциала топлива таких характеристик, как их химическая энергия и эксергия, уточняют приходную часть энергобаланса и позволяют более правильно рассчитать КПД теплоэлектроцентрали и её подсистем.
Библиографический список
1. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Эффективность использования энергии. Новосибирск: Наука, 1994. 257 с.
2. Степанов В.С. Химическая энергия и эксергия веществ. Новосибирск: Наука, 1990. 163 с.
3. Shie J. H., Fan L.T. Estimation of energy (enthalpy) and exer-gy (availability) contents in structurally complicated materials // Energy Sources. 1982. Vol. 6, No 1/2. Р. 1-46.
4. Ikumi S., Luo C.D., Wen C.Y. A method of estimating entro-
pies of coals and coal liquids // Can. J. Chem. Engng. 1982. Vol. 60. Р. 551-555.
5. Нитч Р. К эксергетической теории формирования затрат // Энергия и эксергия. М.: Мир, 1968. С. 94-105.
6. Калинина Е. И., Бродянский В.М. Термоэкономический метод разделения затрат в многоцелевой технической системе // Известия вузов. Энергетика. 1974. № 3. С. 58-63.
гп
т
УДК 697.24: 620.92
РАЗРАБОТКА СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
А.А. Туник1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены результаты первого этапа экспериментальных исследований в области солнечной энергетики, проведённых на кафедре инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения. Разработан солнечный коллектор, трубы которого имеют зигзагообразную форму, что позволяет теплоносителю дольше находиться в греющей зоне, а значит, лучше прогреваться. Также был использован утеплитель, разработанный в НИ ИрГТУ на кафедре строительных конструкций и имеющий высокое сопротивление теплопередаче. Кроме того, на всю внутреннюю поверхность корпуса коллектора и лицевую сторону утеплителя нанесен лучеотражающий слой. А также была смонтирована экспериментальная установка по исследованию эффективности солнечных коллекторов в условиях климатической зоны Восточной Сибири. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: солнечный коллектор; утеплитель; солнечная радиация; теплоноситель; трубки; теплопо-тери; коэффициент теплопроводности; сопротивление теплопередаче.
DEVELOPMENT OF A SOLAR COLLECTOR WITH THE REGARD FOR THE EASTERN SIBERIA CLIMATIC ZONE A.A. Tunik
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article presents the results of the first stage of experimental researches in the field of solar energy held at the Department of Engineering Services and Life Support Systems. A solar collector, whose pipes have a zigzag shape is developed. This allows the heat transfer to remain in the heating zone longer, and hence, to warm up better. Also, the heat insulation is used that has been developed in NR ISTU at the Department of Building Structures and having a high resistance to heat transfer. Moreover, the entire inner surface of the collector shell and the front part of the heat insulation are coated with a beam reflecting layer. An experimental plant to study the efficiency of solar collectors under the conditions of the Eastern Siberia climatic zone has been assembled as well. 3 figures. 2 tables. 2 sources.
1Туник Александр Александрович, аспирант, тел.: 89645472276, e-mail: [email protected] Tunik Alexander, Postgraduate, tel.: 89645472276, e-mail: [email protected]
Key words: solar collector; heat insulation; solar radiation; heat transfer (medium); pipes; heat losses; thermal conductivity factor; thermal resistance.
С точки зрения энергетики Восточная Сибирь является уникальным регионом в масштабе не только России, но и мира: на сравнительно небольшой территории сконцентрированы гигантские запасы различных видов энергоресурсов.
Гидроэлектростанции Ангарского каскада, используя озеро Байкал как огромное первичное водохранилище, обеспечивают стабильную выработку дешёвой электроэнергии в течение всего года. В регионе с конца XIX в. разрабатываются крупные месторождения угля, который используется для производства тепло- и электроэнергии. В Восточной Сибири находятся большие запасы газа и нефти. Огромные леса являются источником древесины, частично используемой как топливо.
Энергетика стала базовой отраслью области, определившей направление развития региона. Громадные и дешёвые энергоресурсы привели к развитию мощных энергопроизводящих, энергопередающих и энергопотребляющих производств.
Но при общем большом количестве энергоресурсов, во многих населённых пунктах области существуют проблемы с теплоснабжением, а в некоторых отдалённых районах отсутствует устойчивое электроснабжение.
С другой стороны, при возрастающих масштабах потребления энергоресурсов ограничивающими факторами становятся не только и не столько запасы топлива, сколько экологические проблемы, в частности, загрязнение окружающей среды. С учетом этих условий представляется важным освоение нетрадиционных возобновляемых источников энергии, которые привлекают своей экологической чистотой, возможностью создать на планете общество, живущее в равновесии со средой [1].
Солнечная энергетика относится к одному из приоритетных направлений в области возобновляемых источников энергии. Она заключается в получении энергии от неиссякаемого источника - Солнца, при помощи специальных устройств - солнечных коллекторов, которые позволяют преобразовать энергию солнца в тепловую или электрическую энергию.
Исследование в области солнечной энергетики
С 2009 г. на кафедре инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения Института архитектуры и строительства ИрГТУ ведутся исследования в области солнечной энергетики. Целью этой работы является разработка и испытание солнечного коллектора на основе уже существующих моделей, но с принципиально новыми конструктивными решениями.
На первом этапе исследований стояли следующие задачи:
1) изучение конструкции существующих солнечных коллекторов и принципа их работы;
2) исследование солнечной активности в Иркутской области;
3) разработка солнечного коллектора с учётом климатической зоны Восточной Сибири;
4) разработка установки солнечных коллекторов для сравнения эффективности работы существующих коллекторов и разработанного прототипа;
5) разработка методики эксперимента;
6) сборка прототипа солнечного коллектора;
7) получение патента на полезную модель;
8) монтаж установки;
9) переход на второй этап исследований и проведение экспериментов.
Солнечный коллектор
В ходе исследования был разработан солнечный коллектор, получивший на данном этапе название «Солнечный коллектор ИрГТУ» (рис. 1).
Данное устройство относится к типу плоских жидкостных солнечных коллекторов. Он имеет простую конструкцию и небольшой вес по сравнению со многими типами коллекторов. По техническому исполнению он очень напоминает коллектор «Сокол» (г. Реутов, Россия). Основным преимуществом данного устройства является то, что он собран из местных материалов, имеет простую конструкцию и относительно недорог в производстве, кроме того у данного солнечного коллектора есть ряд конструктивных особенностей (рис. 2).
Корпус 8 выполнен из фанерной доски, покрытой антикоррозионной мастикой, поскольку дерево обладает более низкой теплопроводностью, чем металл, из которого сделаны корпусы большинства солнечных коллекторов. Задняя стенка также сделана из фанеры и крепится к корпусу рояльной петлёй, что позволяет открывать и закрывать дверцу солнечного коллектора при необходимости ремонта или техобслуживания. В качестве замков используются шпингалеты.
Поверхность солнечного коллектора представляет собой светопрозрачную изоляцию из стекла 1, которое закреплено деревянными штапиками 2. Под стеклом находится воспринимающая поверхность (абсорбер) 3, представляющая собой металлический лист, покрытый чёрной эмалью. В дальнейшем планируется применять селективное напыление для лучшего восприятия солнечных лучей.
Под листом находятся медные трубы 5 с диаметром условного прохода 10 мм, по которым течёт теплоноситель (вода или антифриз). В отличие от большинства солнечных коллекторов трубы в данном устройстве имеют форму змеевика, что позволяет теплоносителю дольше находиться в греющей зоне и соответственно лучше прогреться. Медные трубы присоединяются к медно-латунным гребенкам 4 с диаметром условного прохода 20 мм. Коллектор имеет четыре выходных патрубка, что позволяет использовать разные варианты подключения.
Внутренние стенки коллектора ИрГТУ оклеены фольгой 6, как и лицевая сторона утеплителя. Основным свойством фольги является способность отражать тепло. За счет этого в коллекторе снижены теп-лопотери, вызванные тепловым излучением змеевика, а также улучшено теплопоглощение трубок.
Утеплителем 7 в данном устройстве является по-ропласт, разработанный в НИ ИрГТУ на кафедре инженерной экологии. Данный поропласт может вставляться в коллектор уже сформированным в твёрдом виде, либо заливаться во внутрь устройства в жидком виде, а затем, застывая, принимать нужную форму. Теплопроводность А такого утеплителя составляет 0,036 Вт/ м2-°С, что гораздо ниже, чем у многих известных материалов.
Принцип работы солнечного коллектора ИрГТУ
основан на конвективном и радиационном теплообмене. Солнечные лучи попадают на абсорбер и нагревают его. От листа тепло передаётся трубкам, находящимся под ним. Тепло, исходящее из змеевика, отражается от фольгированных поверхностей и возвращается обратно в змеевик. Создаются условия по принципу духового шкафа: теплоноситель протекает через трубки и нагревается, а затем поступает в змеевик бака-аккумулятора и нагревает воду, необходимую для отопления и горячего водоснабжения.
Сравнительная характеристика коллекторов
Таблица 1
Тип коллектора Фактическое сопротивление теплопередаче Р0Ф, м2ЯС/Вт Коэффициент теплопередачи к, Вт/ м2ЯС
Солнечный коллектор ИрГТУ 3,71 0,27
«Сокол» 0,24 4,1
Технические характеристики коллектора ИрГТУ
Таблица 2
Параметр Значение
Габаритные размеры 1065x1080x220 мм
Вес (сухой) 35 кг
Объем каналов абсорбера 1 л
Апертура* / общая площадь 1,04/1,1 м2
Внутренний диаметр каналов 10 мм
Теплоноситель Вода / антифриз
Давление испытания 0,6 МПа
Максимальное рабочее давление 0,5 МПа
Коэффициент теплопередачи 0,27 Вт/м2К
Равновесная температура 75 °С
Коэффициент поглощения абсорбера а = 0,90...0,95
Степень черноты абсорбера е = 0,85...0,90
Ввод/вывод Резьба трубная 3/4", наружная, 4 шт.
Абсорбер (поглощающая панель) Стальной лист, покрытый черной эмалью
Прозрачная изоляция Двойной стеклопакет 20 мм
Изоляция Поропласт
Рама корпуса Фанера
Днище корпуса Фанера
'Апертура - полезная площадь.
Результаты работы
В ходе теоретического исследования и расчётов была установлена теплопроводность разработанного солнечного коллектора. Полученные данные сравнивались с характеристиками коллектора «Сокол», конструкция которого была взята за основу, так как именно этот прибор имеет самое широкое применение (табл. 1).
Представленные результаты показывают очевидные преимущества использования фанерной доски в отличие от оцинкованной стали. Также в изобретённом устройстве в качестве утеплителя применяется поропласт. Такое сопротивление теплопередаче было достигнуто благодаря тому, что толщина утеплителя в солнечном коллекторе ИрГТУ в 1,5 раза больше, чем в коллекторе «Сокол». Кроме того, были применены трубы с новыми техническими характеристиками, в частности, зигзагообразная форма, позволяющая про-
длить время нахождения теплоносителя в греющей зоне.
В табл. 2 представлены технические характеристики разработанного солнечного коллектора.
Соотношение апертура/общая площадь у коллектора ИрГТУ составляет 0,94, у коллектора «Сокол» -0,91. Таким образом, коллектор ИрГТУ выигрывает у коллектора «Сокол» по величине воспринимающей поверхности.
Итоги исследования
В ходе исследования были изучены существующие типы солнечных коллекторов, в качестве образца был выбран плоский жидкостный солнечный коллектор «Сокол», поскольку он имеет наиболее простую конструкцию и самое широкое применение. Из местных материалов был разработан и собран солнечный коллектор с новыми техническими характеристиками, в частности, зигзагообразной формой трубок, позво-
ляющей продлить время нахождения теплоносителя в греющей зоне и соответственно повысить КПД солнечного коллектора. Кроме того, в нём был применён новый утеплитель с низким коэффициентом теплопроводности, а на всю внутреннюю поверхность корпуса и лицевую сторону утеплителя был нанесён отражающий слой. Также были рассчитаны его характеристики и проведено их сравнение с характеристиками солнечного коллектора «Сокол». Был получен патент на полезную модель № 112364 (авторы: М.Ю. Толстой, Н.В. Акинина, А.А. Туник) [2] и разработана ме-
тодика эксперимента. В данный момент производится монтаж установки солнечных коллекторов (рис. 3).
С апреля 2012 года планируется перейти ко второму этапу исследований, а именно, начать испытания и лабораторные работы со студентами, в ходе которых будет установлена эффективность солнечного коллектора ИрГТУ и проведено её сравнение с эффективностью других коллекторов. Также будет изучена солнечная активность в Восточной Сибири и её зависимость от погодных условий.
Библиографический список
1. Белобородов А. Энергосберегающая политика Иркутской области [Электронный ресурс] // База данных по энергосбережению. Сибирь и Дальний Восток: [сайт]. Иркутск, 20082009. URL: http://www.baikalwave.irkutsk.ru/?rubr=5&doc=8
(13.04.09).
2. Патент на полезную модель RU № 112364 U1, F24J2/24 (2006.01). Солнечный коллектор / М.Ю. Толстой, Н.В. Акинина, А.А. Туник. Опубл. 10.01.2012.
