При конструировании систем теплоснабжения, оснащенных солнечными водонагревательными установками (СВНУ), важной задачей является оценка эффективности работы солнечных коллекторов различного типа в климатических условиях Дальневосточного региона. В России имеются обширные результаты исследований, связанных с испытаниями коллекторов плоского типа [1, 4, 9, 10, 11]. В то же время количество данных по испытаниям вакуумных коллекторов и экспериментальной оценке рабочих процессов в опытно-промышленных СВНУ с вакуумными коллекторами в отечественной практике ограничено [2, 8].
Цель исследования состоит в экспериментальной проверке показателей эффективности солнечных коллекторов с вакуумными трубками, в сравнении с другими типами солнечных коллекторов в условиях Дальнего Востока России, а также в сравнении теоретических (расчетных) и практических показателей солнечной установки, включающей в схему не только систему солнечных коллекторов со всеми сопутствующими элементами (теплообменники, тепловой аккумулятор и т.д.), но также тепловой насос для отбора части тепловой энергии от бака-аккумулятора и снижения средней температуры теплоносителя в первом контуре.
Эффективность солнечных коллекторов зависит от мощности падающего в плоскость коллектора солнечного излучения, температуры окружающего атмосферного воздуха и температуры теплоносителя, протекающего через коллектор.
В экспериментах эффективность солнечного коллектора обычно определяется как отношение полезной энергии, генерируемой коллектором, к мощности солнечного излучения:
hск = Qск/(JFк). (1)
Полезная энергия, полученная от солнечного коллектора, находится с учетом влияния оптического КПД и тепловых потерь:
Qск = J(τa)?Fк – UкFк(Tт – Tв). (2)
Исходя из зависимостей (1), (2) выражение для расчета эффективного КПД солнечного коллектора можно представить в виде
hск = (τa) – Uк?(Tк – Tв)/J, (3)
где J – интегральная плотность солнечной энергии, падающая на м2 абсорбера коллектора; t – коэффициент пропускания стекла; a – поглощательная способность абсорбера; Fк – площадь коллектора; Uк – коэффициент тепловых потерь коллектора; Tт – температура теплоносителя; Tв – температура окружающего воздуха.
Из всей поступающей на солнечный коллектор солнечной энергии полезно используется только часть этой энергии, а тепловые потери возвращаются в окружающую среду. В ряде случаев эффективность работы солнечных коллекторов различных типов оценивается суммарным коэффициентом тепловых потерь Uк. Для неостекленных солнечных коллекторов Uк ≈ 21 Вт/(м2·К), для остекленных плоских коллекторов Uк ≈ 4 Вт/(м2·К) и для вакуумных трубчатых коллекторов Uк ≈ 1,5 Вт/(м2·К) [2, 5, 12].
Исследования рабочих процессов в солнечных коллекторах плоского типа и с вакуумными трубками были проведены в натурных условиях г. Владивостока на специализированном стенде Лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН. Экспериментальный стенд позволяет производить мониторинг рабочих параметров коллекторов в течение длительного времени [2, 3]. Измерение расхода теплоносителя одновременно в нескольких солнечных коллекторах дает возможность эквивалентно регулировать расход теплоносителя, что важно при сравнении эффективности работы солнечных коллекторов разных типов.
В результате исследований установлено, что вакуумный коллектор начинает генерацию теплоты раньше и заканчивает позже по сравнению с плоским коллектором, за счет использования рассеянного излучения. Подтверждено также, что коллектор этого типа обладает лучшей тепловой изоляцией. Однако производительность вакуумного коллектора могут уменьшать осадки в виде снега (рис. 1). Для оценки применения коллекторов в зимних условиях были выполнены специальные исследования. Как плоские, так и трубчатые вакуумные коллекторы достаточно быстро освобождаются от наносов снега за счет его естественного таянья. Несмотря на небольшую задержку в процессе самоочищения от снежного покрытия вакуумные коллекторы имеют более высокие среднемесячные показатели по выработке теплоты (рис. 2).
Рис. 1. Испытание разных типов коллекторов (плоского и вакуумных трубчатых) на стенде Лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН. Самоочищение от снега
Рис. 2. Удельная среднемесячная выработка тепловой энергии коллекторами на опытном стенде в период с ноября 2012 по апрель 2013 гг.
С учетом проведенных предварительных стендовых испытаний основные исследования по определению характеристик солнечных коллекторов были направлены на изучение параметров коллекторов вакуумного типа как наиболее эффективных для климатических условий Дальневосточного региона. Технические характеристики широко применяемого при конструировании СВНУ вакуумного коллектора (производства КНР) типа ES58-1800-15R представлены в табл. 1.
При испытаниях солнечных коллекторов использовался незамерзающий теплоноситель – 40 % водный раствор 1,2-пропиленгликоля. В качестве контрольного показателя выбрана комплексная энергетическая характеристика коллектора Э = f(ΔТ/QС), показывающая, какое количество тепловой энергии выработано коллектором за день при известном рабочем перепаде температур DТ = (ТТ – ТВ) и определенной интенсивности солнечной радиации QС = J(τa)Fк.
Таблица 1
Техническая характеристика коллектора
|
Количество труб |
30 труб |
|
Общая ширина (включая вх./вых. патрубки) |
2575 мм |
|
Общая длина |
1950 мм |
|
Общая глубина |
155 мм |
|
Общая площадь поверхности |
5,02 м2 |
|
Площадь апертуры (по стеклу) |
4,09 м2 |
|
Площадь абсорбера |
2,44 м2 |
|
Диаметр вх./вых. патрубков |
22×1 |
Энергетическая характеристика, полученная в результате испытаний и мониторинга показателей работы вакуумного солнечного коллектора, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Результаты эксперимента по определению энергетической характеристики солнечных коллекторов; --?--?-- теоретический расчет (без учета влияния оптического КПД)
Таблица 2
Показатели эффективности вакуумного коллектора
|
Оптический КПД |
Коэффициент потерь |
||
|
ηопт |
Uк, Вт/°C/м2 |
k1, Вт/°C/м2 |
k2, (Вт/°C/м2)2 |
|
0,875 |
2,767 |
1,838 |
0,929 |
Примечания: *k1 – коэффициент потерь в окружающую среду за счет конвективного теплообмена с поверхности коллектора; k2 – коэффициент потерь за счет отраженного радиационного излучения, Uк = k1 + k2.
Рис. 4. Диаграмма поступления солнечной радиации и удельной выработки тепловой энергии вакуумным солнечным коллектором
Замеры параметров солнечного коллектора на стенде и дальнейшая аппроксимация представленной энергетической характеристики Э = f(ΔТ/QС) позволили определить значения оптического КПД и коэффициентов потерь для вакуумного коллектора (табл. 2).
На рис. 4 представлена диаграмма дневного поступления солнечной радиации и удельной выработки тепловой энергии солнечным коллектором в процессе испытаний на стенде за осенне-зимний период (с 23.09.2013 по 05.12.2013).
Критериями ориентации коллекторов являются угол наклона и азимут. Наибольшее количество энергии воспринимается поглотителем коллектора при расположении плоскости коллектора под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с высотой Солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии. На практике рекомендуемый угол наклона в зависимости от сезона эксплуатации солнечной установки может составлять от 25 до 70°. Поскольку наиболее интенсивная инсоляция наблюдается в середине дня, плоскость коллектора должна быть ориентированана юг. Допустимы отклонения от направления на юг до 45°. Поэтому при проведении исследований уточнялись значения оптимального угла наклона солнечных коллекторов при их различном расположении на крыше здания (табл. 3).
Таблица 3
Поступление солнечной энергии на поверхность, расположенную под различными углами к горизонту (г. Владивосток)
|
Период |
Суммарная энергия солнечного излучения, кВт?ч/(м2) |
||
|
Угол наклона коллекторов |
0° |
45° |
90° |
|
За год |
1240 |
1552 |
1255 |
|
С мая по октябрь (включительно) |
713 |
717 |
468 |
|
С ноября по май |
527 |
835 |
787 |
В результате испытаний определено, что для условий Приморского края оптимальный угол наклона коллекторов составляет 42…47° и в связи с утренними туманами наиболее рациональный азимут равен 15° к западу от южного направления.
Контроль параметров рабочих процессов в солнечных коллекторах на опытном стенде включал измерения следующих величин: температура входа теплоносителя в коллектор и выхода из него, температура окружающей среды, интенсивность солнечной радиации, расход теплоносителя через коллектор. Вся информация записывалась на компьютер для последующего анализа и обработки. Опытные данные по изменению параметров солнечного коллектора в зимний период приведены на рис. 5.
Рис. 5. Характерный режим работы коллектора (зимний период)
На рис. 5 приведены результаты испытаний коллекторов плоского типа и с вакуумными трубками и сравнение полученных данных с теоретическими расчетами. Максимальная эффективность исследованных солнечных коллекторов при интенсивности солнечной радиации в 1000 Вт/м2 составила 65–75 %, что эквивалентно удельной тепловой мощности 650–750 Вт/м2. Анализ кривых показывает, что исследованный плоский коллектор обладает более высокими характеристиками при средних температурах нагрева рабочих сред и несколько худшими – при повышенных температурах по сравнению с типовым вакуумным трубчатым солнечным коллектором.
В результате испытаний были подготовлены рекомендации по установке, монтажу и эксплуатации солнечных вакуумных коллекторов при внедрении опытно-промышленных СВНУ на социальных и промышленных объектах в Дальневосточном регионе.
Имеющиеся данные подтверждают, что наиболее эффективными для получения повышенных температур теплоносителя в СВНУ являются вакуумные трубчатые коллекторы, средних температур – плоские остекленные коллекторы и низких (ненамного превышающих температуру окружающей среды) – неостекленные плоские коллекторы [6].
На основе наработанного опыта эксплуатации вакуумных коллекторов были спроектированы и построены несколько систем теплоснабжения с СВНУ и тепловыми насосами для промышленных, социальных объектов и индивидуальных потребителей в Дальневосточном регионе.
Выводы
1. Экспериментами подтверждено, что солнечные коллекторы с вакуумными трубками являются наиболее эффективными и надежными среди других типов солнечных коллекторов. Эти коллекторы лучше всего удовлетворяют умеренным температурным требованиям к теплоносителю (50–95 °C). Солнечные коллекторы с вакуумными трубками имеют внутренний медный стержень, который находится в запечатанной вакуумной трубке – «термосе», в результате тепловые потери относительно низки даже в холодных климатических условиях Дальнего Востока России.
2. Срок службы вакуумного коллектора составляет 20–25 лет. В течение солнечного дня в среднем по году вакуумный коллектор ES 58/1800-30 R1 генерирует до 10 кВт?ч теплоты. В среднем один солнечный вакуумный коллектор производит около 3 500 кВт?ч тепловой энергии в год.
3. Опыт эксплуатации солнечных коллекторов показывает, что чем ниже температура теплоносителя в коллекторе и меньше разность температур между теплоносителем и окружающей средой, тем выше эффективность коллектора. Поэтому предложено повысить эффективность работы вакуумных коллекторов путем включения в схему СВНУ теплового насоса для отбора части тепловой энергии от бака-аккумулятора и снижения средней температуры теплоносителя в первом контуре внедряемых солнечных водонагревательных установок. Такое решение позволило разработать эффективную конструкцию комбинированной солнечно-теплонасосной установки для теплоснабжения промышленных и социальных объектов Приморского края [7].