Эффективность работы солнечных коллекторов и водонагревательных установок в климатических условиях Польши и разработка методик их тепловых испытаний

Актуальность темы

.

Основой современной энергетической Политики стал поиск мер, направленных на повышение эффективности использования энергии, энергосбережение, сокращение или ослабление воздействия энергетических объектов на окружающую среду. Такая стратегия характерна для нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Использование ВИЭ в Польше, России и в других странах мира рассматривается сегодня как один из ключевых критериев обеспечения устойчивого развития энергетической отрасли.

Первичным источником энергии для Земли, как накопленной в прошлом, так и постоянно получаемой, является Солнце. Наиболее перспективным и всего более быстро развивающимся способом использования энергии солнечного излучения является его преобразование в низкопотенциальное тепло (20 100°С) с использованием солнечных коллекторов (СК), как основного элемента солнечных водонагревательных установок (СВУ). В настоящее время площадь работающих в мире СК составляет около 70 млн. м2 (в Польше — около 30 тыс. м2) [1−4, 6].

До 90-х годов XX века развитие солнечной энергетики в Польше не находило соответствующей государственной поддержки. Вследствие этого практически не проводились научные исследования в области испытаний теплотехнических характеристик СК и солнечных водонагревательных установок (СВУ). Не разработаны польские методики по проведению испытаний и сертификации элементов СВУ, а также оценки пригодности применения в климатических условиях Польши существующих международных стационарных методик по проведению натурных испытаний тепловых характеристик СК. Отсутствовали экспериментальные, долгосрочные исследования эффективности работы СВУ в климатических условиях различных регионов Польши.

Цель работы.

Целью настоящей работы является проведение натурных испытаний теплотехнических характеристик СК, оценка возможности их проведения с использованием существующих квазистационарных методик по теплотехническим испытаниям СК в климатических условиях Польши, разработка инженерной методики оценки эффективности работы СВУ в различных регионах Польши, методик проведения экспериментальных исследований СВУ и определения эффективности работы СВУ в других регионах страны.

В соответствии с целевым направлением работы задачами работы являются:

— выполнение детального обзора научно-технической литературы по существующим методикам проведения исследований теплотехнических характеристик СК, а также исследований эффективности работы СВУ.

— разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения испытаний тепловых характеристик СК и эффективности работы СВУ в климатических условиях г. Кракова;

— проведение анализа климатических условий г. Кракова с целью возможности применения квазистационарных методик по натурным испытаниям СК;

— проведение натурных испытаний тепловых характеристик плоского СК по квазистационарной методике;

— сравнение результатов натурных испытаний тепловых характеристик СК с результатами лабораторных испытаний данного солнечного коллектора;

— проведение систематических долгосрочных экспериментальных исследований СВУ с плоскими СК, работающей в гравитационном режиме циркуляции теплоносителя в климатических условиях г. Кракова.

— проведение систематических долгосрочных экспериментальных исследований работы СВУ с трубчато — вакуумированным СК, работающей в принудительном режиме циркуляции теплоносителя в климатических условиях г. Кракова.

— проведение технико-экономической оценки целесообразности использования солнечной энергии для получения низкопотенциального тепла в СВУ в климатических условиях Польши.

Научная новизна.

Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для испытаний параметров теплотехнического совершенства СК и испытаний эффективности работы различных типов СВУ в натурных условиях Польши.

Впервые проведены натурные исследования тепловых характеристик СК в климатических условиях г. Кракова по квазистационарной методике.

Показано, что климатические условия г. Кракова позволяют успешно проводить натурные исследования по существующим международным квазистационарным методикам испытаний СК.

Впервые проведены систематические (ежедневные) экспериментальные исследования работы СВУ в климатических условиях Польши. Предложена методика проведения данного рода экспериментальных исследований.

Разработана методика по оценке эффективности работы СВУ в различных регионах Польши. Методика основана на результатах долгосрочных исследований работы СВУ в условиях г. Кракова.

Получены универсальные уравнения суточных производительностей СВУ в зависимости от дневных сумм солнечного излучения для отдельных месяцев и периодов времени, которые позволяют провести расчет суточных производительностей СВУ для других регионов Польши и ближайшего зарубежья.

С применением предложенной методики определена эффективность работы описанных в данной работе СВУ в климатических условиях 11 крупнейших городов Польши, а также г. Москвы.

Практическая значимость работы.

Впервые в Польше разработан и создан экспериментальный стенд по испытаниям теплотехнических характеристик СК и систематическим исследованиям эффективности работы СБУ в натурных условиях. Проведены исследования эффективности работы СВУ различных действующих на польском рынке производителей. Разработана инженерная методика оценки эффективности работы СВУ в климатических условиях различных регионов Польши. Методика является полезным инструментом для принятия практических решений по конфигурациям СВУ и их применению в климатических условиях различных регионов Польши, а также для апробации существующих численных методов оценки эффективности работы СВУ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003. Состояние проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2003 г.), Четвертой всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (Москва, МГУ, 2003 г.), конференции «VIII Forum Odnawialnych Zrodel Energii» (Mi?dzybrodzie Zywieckie, 2002 г.), V, VI и VII Международных симпозиумах молодых ученых, аспирантов и студентов (Москва, МГУИЭ, 2001 г., 2002 г., 2003 г.), IV Международной научной конференции «Teoretyczne i Eksperymentalne Podstawy Budowy Aparatury» (Krakow-Muszyna, 1999r.), семинарах Института химического машиностроения и химической технологии Краковского политехнического университета (2002;2003гг.), семинарах кафедры ЮНЕСКО Московского государственного университета инженерной экологии (2001;2003гг.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Основная часть исследований, представленных в диссертационной работе, проводилась при финансовой поддержке Европейского Регионального Бюро ЮНЕСКО по науке (ROSTE).

Автор выражает особую признательность научным руковадителям к.т.н., доценту С. И. Вайнштейну и д.т.н., профессору Я. Магере за всесторонную практическую помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертации.

Основные выводы по результатам работы:

1. Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд по проведению натурных испытаний тепловых характеристик СК и определению эффективности работы СВУ в климатических условиях г. Кракова. Стенд оснащен всеми необходимыми измерительными приборами, а также системой сбора, регистрации и обработки экспериментальных данных. Все параметры могут измеряться в любом интервале времени. Был создан специальный сайт в сети Internet. Сайт дает возможность наблюдения за динамикой изменения значений измеряемых параметров в режиме «on-line», позволяет пользоваться архивом экспериментальных данных полученных за каждый отдельный день работы установки, а также вести дистанционное управление работой установки с помощью любого компьютера, имеющего доступ к сети Интернет. На экспериментальной установке возможно проведение исследований различных типов СК и СВУ.

2. Проведены натурные испытания теплотехнических характеристик плоского СК по квазистационарной методике стандарта ASHRAE. Определены параметры теплотехнического совершенства СК. Показано, что, натурные исследования тепловых характеристик СК в условиях г. Кракова дают результаты, хорошо согласующиеся с результатами лабораторных испытаний с использованием ИСИ. Совокупность результатов обеих экспериментов свидетельствует о высокой точности проведенных натурных экспериментальных исследований. Максимальное значение погрешности составляет 5.5%.

3. Проведен тщательный анализ влияния параметров окружающей среды г. Кракова на проведение натурных теплотехнических испытаний СК. Показано, что климатические условия г. Кракова позволяют успешно проводить натурные исследования по существующим, стационарным методикам испытаний СК.

Разработана методика по проведению экспериментальных исследований эффективности работы СВУ. По предложенной методике проведены круглогодичные систематические исследования эффективности работы двух СВУ в условиях г. Кракова. Определены количества тепловой энергии, выработанные СВУ, коэффициенты покрытия тепловой нагрузки СВУ и КПД СВУ за каждый день и месяц периода исследований. Максимальная относительная стандартная ошибка определенных значений суточных производительностей составляет 5.3%.

Разработана методика по оценке эффективности работы СВУ в различных регионах Польши. Методика основана на результатах долгосрочных исследований работы СВУ в условиях г. Кракова. Получены универсальные уравнения суточных производительностей СВУ в зависимости от дневных сумм солнечного излучения для отдельных месяцев и периодов времени, которые позволили провести расчет суточных производительностей СВУ для других регионов Польши. Погрешность расчетов средней суточной производительности установок проведенных для периода времени апрель-сентябрь месяцы составляет 10%.

Показано, что солнечные водонагревательные установки могут активно использоваться в климатических условиях различных регионов Польши. Определенные в работе сроки окупаемости СВУ являются максимальными, так как разработанная методика по оценке эффективности работы СВУ в различных регионах Польши позволяет определить минимальные усредненные значения производительности (дневной, месячной, годовой) и минимальные усредненные значения коэффициентов покрытия тепловой нагрузки установками. Необходимо предпринимать усилия (технологические, законодательные) для эффективного продвижения на внутренний рынок Польши СВУ, которые позволят снизить стоимость данных установок.