CC BY
18СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 16.01.13. Ред. рег. № 1500 The article has entered in publishing office 15.01.13. Ed. reg. No. 1500
УДК 621.47: 677.057
ТЕКСТИЛЬНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЗОННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Ю.М.Антонов1, Л.И. Жмакин2, И.В. Козырев2, А.А. Крюков2
всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 109456, Москва, 1-й Вешняковский пр-д, д. 2 Тел. (499) 171-27-43; e-mail: [email protected], www.viesh.ru
2Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина 119071 Москва, ул. Малая Калужская, д. 1 Тел. (495) 955-33-00, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов 23.01.13 Заключение совета экспертов 30.01.13 Принято к публикации 06.02.13
Описаны плоские солнечные коллекторы, изготовленные из водостойких тканей с полимерными покрытиями. Проведены экспериментальные исследования их теплотехнических характеристик. Получены опытные данные по коэффициентам потерь тепла и эффективности этих коллекторов.
Ключевые слова: плоский солнечный коллектор, водостойкие ткани, коэффициент потерь тепла, эффективность коллектора.
TEXTILE SOLAR COLLECTORS FOR SEASONAL CONSUMERS OF DOMESTIC HOT WATER
Yu.M.Antonov1, L.I. Zhmakin2, I.V. Kozyrev2, A.A. Kriukov2
1 All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: [email protected], www.viesh.ru
2 A.N.Kosygin Moscow State Textile University 1st Malaya Kaluzhskaya St., Moscow, 119071, Russia Phone (495) 955-33-00, e-mail: [email protected]
Referred 23.01.13 Expertise 30.01.13 Accepted 06.02.13
The flat-plate solar collectors made of waterproof textiles with polymer coatings are described in the paper. The experimental studies have been made to determine the parameters of collector thermal performance. The test data have been obtained concerning overall energy loss coefficient and efficiency of the collectors.
Keywords: flat-plate solar collector, waterproof textiles, energy loss coefficient, collector efficiency.
Юрий Михайлович Антонов
Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, кандидат технических наук
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергообеспечение автономных сельских
потребителей
Публикации: 75.
Леонид Иванович Жмакин
Сведения об авторе: Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики, доктор технических наук
Область научных интересов: промышленная теплоэнергетика, возобновляемые источники энергии,
тепломассообмен.
Публикации: 130.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Игорь Владимирович Козырев
Сведения об авторе: Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики, кандидат технических наук
Область научных интересов: промышленная теплоэнергетика, возобновляемые источники энергии,
тепломассообмен.
Публикации: 68.
Александр Александрович Крюков
Сведения об авторе: Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, аспирант кафедры промышленной теплоэнергетики.
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии. Публикации: 6.
Как известно, самой распространенной и освоенной технологией в солнечной энергетике является сезонное горячее водоснабжение с использованием плоских солнечных коллекторов проточного и емкостного типов [1]. В них вырабатывается и аккумулируется
низкопотенциальная теплота, что позволяет экономить энергоресурсы, снижать зависимость региона от привозного топлива и сокращать выбросы вредных веществ в окружающую среду. В статье описываются экспериментальные конструкции таких коллекторов, изготовленных из современных текстильных и полимерных материалов, и приводятся некоторые их теплотехнические и технико-экономические характеристики.
Основным элементом коллектора является водонаполненная панель (абсорбер), в которой происходит поглощение потока солнечного излучения и передача его теплоты жидкости. Нами были разработаны и исследованы проточные коллекторы с плоскими водонагревательными панелями двух типов: трубчатой и тканевой.
Трубчатая панель имела 18 параллельных каналов из полиэфирных рукавов с внутренним гидроизоляционным покрытием из натурального латекса. Размеры каналов: длина 1320 мм, диаметр 23 мм, толщина стенки 1 мм, рабочее давление - до 1,6 МПа. Для распределения воды по каналам служили два гидравлических коллектора из полипропиленовых труб, в которые с шагом 30 мм были вварены штуцеры меньшего диаметра, а на них с помощью термоусадочных полимерных трубок закреплялись текстильные рукава. Площадь апертуры трубчатой панели составляла 0,8 м2, удельная масса 2,8 кг/м2, собственная емкость 9,6 л.
После опрессовки водой под давлением 2,5 бар в течение суток панель окрашивалась акриловой эмалью чёрного цвета и монтировалась в жестком корпусе солнечного коллектора, на днище и боковые поверхности которого был уложен вспененный полипропилен толщиной 10 мм. Сверху корпус имел прозрачное покрытие - лист сотового поликарбоната толщиной 4 мм. Поликарбонат непрозрачен для излучения с длинами волн Х<380 нм и, тем самым, защищает полиэфирную текстильную панель от повреждения жестким ультрафиолетом. В видимой
же области спектра его коэффициент пропускания достаточно высок и составляет 81,5.. .82% [2].
Другой тип проточной водонагревательной панели был изготовлен с помощью клеевой технологии из двух полотнищ водонепроницаемой тентовой ткани черного цвета с двухсторонним поливинилхлоридным покрытием. Использовалась ткань марки «итБо1-630», выпускаемая южнокорейской фирмой «Нал^а». Она имела толщину 0,53±0,02 мм и поверхностную плотность 630±0,4% г/м2, а её основой служили полиэстеровые нити 1100 дтекс. По данным изготовителя такая ткань работоспособна в диапазоне температур -30...+70оС и выдерживает давление воды до 3 бар. В процессе склеивания панели в ней формировалась система параллельных каналов (17 шт.) для движения жидкости и два гидравлических коллектора - раздающий и собирающий. В последних монтировались штуцеры для воды. Емкость тканевой панели составляла 4,4 л, удельная масса 1,7 кг/м2, площадь и размеры были такими же, как и у трубчатой. Эта панель также размещалась в теплоизолированном корпусе с прозрачным покрытием из сотового поликарбоната.
Отказ от традиционных для солнечной энергетики материалов (металла и стекла) позволил нам существенно снизить удельную массу коллекторов (не более 6,4 кг/м2) и повысить их ударостойкость при сохранении удовлетворительных теплотехнических характеристик, что подтвердили лабораторные испытания и эксперименты в натурных условиях. Последние проводились с использованием квазистационарной методики на универсальном теплогидравлическом стенде с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя. Автоматизированная система записи и обработки опытных данных, подключенная к персональному компьютеру, позволяла с заданной периодичностью регистрировать и архивировать результаты измерений. На этом стенде определялись мгновенные КПД коллекторов
П= ¿)/Е, (1)
которые затем аппроксимировались уравнениями Уиллера и Уиллера-Хоттеля-Блисса [3]
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
П = FRn0 - FRUL-
t'-1
E
0 = A B t* -- - Bx • t1
n = F'no - FUL
0,5(( +1'' )-10
E
= A2 - B2 ' t2 ;
(2)
(3)
где Fr и F' - коэффициент отвода тепла из коллектора и эффективность поглощающей панели; UL - полный коэффициент потерь; Е - плотность лучистого потока; g=G/FK - удельный расход теплоносителя (G - расход, FK - площадь панели); cp - теплоемкость воды; t и t - ее температуры на входе и на выходе; t0 - температура окружающей среды, по = та - оптический КПД (произведение
коэффициента пропускания покрытия и коэффициента поглощения панели), а t* -приведенная температура. Уравнения (2) и (3) устанавливают линейную связь между КПД и приведенной температурой при условии, что коэффициент потерь является постоянной величиной. В соответствии с действующими стандартами комплексы A^ = Fr^) ; Az = F'П) и
Bi = FrUl ; Bz = F'Ul являются основными параметрами теплотехнического совершенства солнечных коллекторов.
Регрессионные уравнения для мгновенных КПД проточных коллекторов с текстильными абсорберами, полученные при натурных испытаниях, приведены в таблице 1. Инструментальная погрешность измерений КПД не превышала 12%, однако разброс опытных точек приводил к дополнительным ошибкам аппроксимации, составлявшим 5-7%.
Таблица 1.
Уравнения регрессии для КПД проточных коллекторов с текстильными панелями
Table 1.
Regression equations for the efficiency of textile flowing-water solar collectors
Трубчатая рукавная панель Панель из водостойкой ткани
П - 0,69 - 8,17 • t* П - 0,69 - 6,37 • t*
П - 0,71 - 7,42 • t2 П — 0,72 - 6,81 • t*
Для солнечных коллекторов с текстильными абсорберами были проведены и независимые измерения коэффициентов тепловых потерь с использованием метода регулярного режима охлаждения [4]. Они проводились в лабораторном помещении при остывании коллекторов с отключенной циркуляцией жидкости; в опытах фиксировались температуры воды в панелях в различные моменты времени. Из уравнения дифференциального теплового баланса коллектора можно получить следующее выражение для полного коэффициента потерь
Пь = тсрМж/Fк , (4)
в котором Мж - масса воды в панели, а т - темп ее охлаждения, определяемый при обработке соответствующих термограмм. Средние значения коэффициентов потерь для коллекторов с трубчатой и тканевой панелями составили, соответственно, 5,71 и 5,77 Вт/м2гр. Они на 10...15% превышают потери отечественных коллекторов, не имеющих селективных покрытий панелей [5, 6].
Технико-экономические оценки показали, что затраты на комплектующие материалы для изготовления опытных образцов коллекторов с текстильными панелями составляют около 1400 руб. Это позволяет надеяться, что при массовом производстве их себестоимость не превысит 2000 руб/м2. Применение таких коллекторов будет экономически оправдано у децентрализованных потребителей горячей воды, но лишь при условии замещения ими теплоты, вырабатываемой электрическими водонагревателями. К примеру, в средней полосе России по нашим расчетам они окупятся за два сезона эксплуатации.
Для умеренного солнечного нагрева воды перспективны также коллекторы емкостного типа, одновременно являющиеся и аккумуляторами теплоты. Их энергетическая эффективность несколько ниже, чем у проточных коллекторов, но они выигрывают благодаря своей конструктивной простоте, надежности и меньшей стоимости. Разработанные нами емкостные коллекторы представляли собой эластичные оболочки из водонепроницаемой ПВХ ткани «итБо1-630», характеристики которой были приведены выше.
После заполнения водой эти оболочки принимали форму плоских прямоугольных емкостей с размерами 1320х640х80 мм и габаритной площадью 0,84 м2. Герметичность обеспечивалась сваркой текстильных полотен внахлест горячим воздухом. После сварки тканевые оболочки опрессовывались водой под избыточным давлением 30 кПа, рабочее давление воды во время экспериментов обычно не превышало 20 кПа. Опытные образцы коллекторов имели штуцеры для подачи воды и удаления воздуха, а также специальный зонд, на котором во внутренней полости были смонтированы термопарные датчики, измерявшие распределение температур в жидкости по высоте.
Особенность водонаполненных тканевых оболочек состоит в том, что они всегда устанавливаются горизонтально на опорной поверхности и прогреваются солнечным излучением сверху, т. к. иначе возможна существенная деформация их формы. Однако в этом случае в жидкости наблюдается состояние гидростатического равновесия, в ней не развивается свободная конвекция, а перенос теплоты может осуществляться только теплопроводностью, что значительно ухудшает динамику прогрева [4]. Для решения
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
данной проблемы нами был предложен метод интенсификации нестационарного нагрева воды за счет ее перемешивания и струйного натекания на обогреваемую поверхность емкости. С этой целью во внутренней полости коллектора был установлен центробежный погружной микронасос с электроприводом постоянного тока, работающим от солнечной фотобатареи. Батарея имела 24 кремниевых фотоэлемента диаметром 100 мм и развивала напряжение под нагрузкой 9,4...9,7 В; мощность электродвигателя насоса составляла 2,1.3,1 Вт.
Экспериментальные исследования емкостных коллекторов проводились в натурных условиях при ясной безоблачной погоде в период с 900 до 1400. В опытах фиксировались зависимости от времени суммарной солнечной радиации, поступающей на поглощающую поверхность коллектора, а также температур воды в разных точках по высоте ее слоя и температур на поверхностях тканевых оболочек.
Использовалась автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин на основе промышленных контроллеров ТРМ 101 и ТРМ 10, подключенная к компьютеру. По
экспериментальным данным рассчитывались количества теплоты, поступившей к жидкости в разные моменты времени с шагом 20 мин, и КПД емкостного солнечного коллектора. Результаты описывались уравнением Уиллера-Хоттеля-Блисса (3), с подстановкой в него средних значений интенсивности солнечной радиации, температуры воды и наружного воздуха на каждом шаге.
Были исследованы емкостные коллекторы с панелями, расположенными как в закрытом корпусе, так и без него; в этих вариантах анализировалось влияние принудительной циркуляции воды на эффективность радиационно-конвективного
теплообмена. Данные, полученные при натурных испытаниях, сведены в таблицу 2.
Теплотехнические характеристики емкостных коллекторов из водостойкой ткани
Таблица 2.
Table 2.
Теплотехнические Характеристики коллектора Конструктивные варианты емкостного коллектора
без интенсификации теплообмена с интенсификацией теплообмена (панель в корпусе)
в корпусе без корпуса
A2 = F' П0 0,35 0,48 0,72
B2 = F UL , Вт/м2гр 5,14 11,8 16,1
аж, Вт/м2гр 6.8 15.18 64.86
Для емкостных солнечных коллекторов с тканевыми абсорберами были также проведены измерения коэффициентов тепловых потерь описанным выше методом регулярного режима охлаждения. Их средние значения составили 9,84 Вт/м2 (корпусной вариант) и 18,81 Вт/м2 (бескорпусной вариант); максимальные отклонения от среднего не превышали 8,5%, а среднеквадратичные - 3,4%. С помощью этих данных были рассчитаны эффективности текстильной поглощающей панели, которые обычно интерпретируются как отношения двух коэффициентов теплопередачи: «нагреваемая жидкость - наружный воздух» и «стенка панели -наружный воздух» [3]. С использованием такого подхода были сделаны косвенные оценки коэффициентов конвективной теплоотдачи для воды, омывающей обогреваемую текстильную поверхность коллектора, они приведены в таблице 2.
Наши экспериментальные исследования показали, что текстильные солнечные коллекторы емкостного типа с интенсификацией теплообмена позволяют за первую половину дня получить около 70 литров воды подогретой до 43...45оС при среднем КПД за этот период 0,33.0,37. Для повышения температуры воды до необходимых потребителю значений требуется дублирующий
источник энергии, оптимальным вариантом которого является теплонасосная установка (ТНУ). При работе ТНУ в ее конденсаторе происходит нагрев воды, поступающей из коллекторов, а в испарителе -охлаждение водопроводной воды. Такой комбинированный режим теплохладоснабжения может обеспечить потребителя не только горячей, но и холодной водой для последующего использования в системе кондиционирования воздуха.
Список литературы
1. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В. А., Малинин Н.К., Солнечная энергетика. М.: Изд. дом МЭИ, 2008, 276 с.
2. Попель О.С., Сулейманов М.Ж., Фрид С.Е. и др. Опыт разработки солнечного коллектора из теплостойких пластмасс // Теплоэнергетика, 2008, №12, с. 6-8.
3. Duffie J. A, Beckman W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd Ed., J.Wiley & Sons, USA, 1991, 919 p.
4. Теория тепломассообмена // Под ред. Леонтьева А.И., М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997, 683 с.
5. Тарнижевский Б.В., И.М.Абуев И.М. Технический уровень и освоение производства
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
плоских солнечных коллекторов в России // Теплоэнергетика. 1997, №4, с. 18-22.
6. Попель О.С., Фрид С.Е., Щеглов В.Н. и др. Сравнительный анализ показателей конструкций
солнечных коллекторов зарубежного и отечественного производства. Новые
технологические решения // Теплоэнергетика. 2006, №3, с. 11-15.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
