CC BY
17УДК 536.248.2:532.529.5
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Л.П. Холпанов1, Ю.П. Квурт1, А.В. Дорошенко2, В.В. Костенюк2
'Институт проблем химической физики РАН г. Черноголовка, 142432, пр. Академика Семенова 1, тел. +74965227733, e-mail: [email protected] 2Одесская государственная академия холода, Украина, 65082, г. Одесса, ул. Дворянская 1/3, тел. +380487232393, e-mail: [email protected]
Исследование посвящено вопросам создания солнечных систем теплоснабжения. Материал является актуальным и получен авторами в процессе разработки и создания нового поколения солнечных систем. Разработаны научные и инженерные основы конструирования полимерных солнечных коллекторов на основе многослойных и многоканальных структур из поликарбоната. Проведен цикл натурных сравнительных исследований нового поколения солнечных коллекторов на испытательном полигоне. Полимерный солнечный коллектор имеет высокие эксплуатационные характеристики, низкую стоимость, малую массу при полном отсутствии в его конструкции цветных металлов и длительной «жизни» на солнце. Выполнен экологический анализ солнечных коллекторов.
THERMAL CONVERTERS OF SOLAR ENERGY ON THE BASIS OF POLYMERIC MATERIALS
L.P. Kholpanov1, Yu.P. Kvurt1, A.V. Doroshenko2, V.V. Kostenyuk2
'The Institute of Problems of Chemical Physics of RAS 1 Acad. Semenov av., Chernogolovka, Moscow region, 142432, tel. +74965227733, e-mail: [email protected]
2Odessa state academy of refrigeration 1/3 Dvorianskaya st., Оdessa, Ukraine, 65082, tel. +380487232393, e-mail: [email protected]
The research is devoted to questions of creation of solar heating systems. The material is actual and received by the authors during development and creation of new generation of solar systems. The scientific and engineering bases of designing of polymeric solar collectors on a basis multichannel structures from polycarbonate are developed. The cycle of comparative researches of new generation of solar collectors on the testing area is carried out. The polymeric solar collector has the high operational characteristics, low cost, small weight, complete absence nonferrous metal in its design and long "life" on the sun. The polymeric solar collectors are presented from research problem setting to results of tests. The ecological analysis of solar collectors is made.
Холпанов Л.П.
Сведения об авторе: заведующий лабораторией Института проблем химической физики РАН, профессор, д-р техн. наук, заслуженный деятель науки и техники РФ. Член редколлегии журналов «Тепловые процессы в технике», «Теоретические основы химической технологии», «Системы управления и информационные технологии».
Область научных интересов: нелинейное явление переноса в теплофизике и химической технологии. Им создано новое научное направление - тепломассообмен и гидродинамика с поверхностью раздела фаз в условиях сопряженного взаимодействия различных гидродинамических, тепловых и концентрационных полей в двухфазных и многофазных гетерогенных, многокомпонентных системах.
Публикации: 9 монографий, 610 научных публикаций и 45 изобретений.
Квурт Ю.П.
Сведения об авторе: ст. научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, канд. техн. наук.
Публикации: 58 статей и изобретений.
Дорошенко А.В.
Сведения об авторе: Одесская государственная академия холода, профессор кафедры термодинамики, д-р техн. наук.
Публикации: 3 монографии и более 150 статей и патентов.
Костенюк В.В.
Сведения об авторе: аспирант Одесской государственной академии холода.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (74) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Введение
Существующая тенденция к истощению топливно-энергетических ресурсов, рост цен на производство энергии и глобальные экологические проблемы стимулируют необходимость внедрения энергосберегающих технологий на основе возобновляемых экологически чистых источников энергии. В этом направлении ориентированы международные программы ШТА8 и ТА8Ш, однако доля нетрадиционных видов энергии все еще остается незначительной. Существуют различные виды нетрадиционных источников энергии и различные способы ее преобразования. Перспективным направлением является использование солнечной энергии. В данной работе рассмотрены термические преобразователи солнечной энергии (солнечные коллекторы) на основе многослойных и многоканальных структур из полимеров.
Солнечный коллектор (СК) - основной элемент солнечной установки, в котором солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию. Все СК имеют общую деталь - поверхностный или объемный поглотитель тепла, которое может отводиться из коллектора или аккумулироваться в нем. СК первого типа называются проточными, второго типа - с тепловым аккумулятором.
■■■.■■.■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■у
шшттттшшш
f
IÍ
Рис. 1. Традиционный плоский солнечный коллектор: 1 - трубный регистр; 2, 3 - коллекторные трубы; 4 - корпус;
5 - абсорбер; 6 - прозрачное покрытие; 7 - изоляция;
8 - крепежный элемент; 9 - уголок Fig. 1. A flat solar collector (SC) of traditional type: 1 - pipes; 2, 3 - manifold pipes; 4 - SC case; 5 - absorber; 6 - transparent covering; 7 - isolation; 8 - fixing element; 9 - stiffening angle
Наибольшее распространение в мировой практике получили плоские СК (flat plate solar collector) из-за простоты конструкции и дешевизны. На рис. 1 представлен традиционный плоский СК. К числу его
принципиальных преимуществ по сравнению с коллекторами других типов относится их способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и, как следствие этого, возможность стационарной установки СК без необходимости в сложных системах слежения за солнцем. Абсорбер 5 плоского СК, как правило, изготовляется из материала с высокой теплопроводностью, из металлов (стали, алюминия, меди). Для низких рабочих температур его можно также изготовить из пластмассы или резины. Прозрачная изоляция 6 представляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки. В случае низкой температуры теплоносителя (до 30° С) коллектор может вовсе не иметь прозрачной изоляции. Корпус СК может быть изготовлен из оцинкованного железа, алюминия, дерева, пластика. В качестве тепловой изоляции могут применяться различные материалы: минеральная вата, пенополиуретан и т.п. Низкотемпературные проточные коллекторы имеют поверхностный поглотитель и конструктивно могут выполняться как с открытым потоком теплоносителя, так и трубным регистром, внутри которого движется теплоноситель [1].
Выбор материала
Основная масса выпускаемых в мире плоских СК, как показал проведенный обзор, производится из цветных металлов, в качестве прозрачного покрытия (ПП) используется стекло - тяжелый и хрупкий материал. Использование ударопрочных стекол значительно удорожает производство СК. Поэтому системы с такими коллекторами достаточно дороги.
Вопрос о возможности использования полимерных материалов (ПМ) в конструкции СК изучается рядом мировых исследовательских центров и фирм-производителей [2]. В работе [3] рассматривается СК, собранный в виде сэндвича из нескольких прозрачных коробок из ПМ. В Норвегии [4] разработаны солнечные системы, основанные на новом типе СК из конструкционных пластмасс. В научных центрах США в течение года на открытых площадках изучались полимерные материалы для остекления СК.
В качестве полимера, пригодного к использованию в конструкции СК, нами был использован поликарбонат. Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цельной единой структуре. Температурный диапазон эксплуатации для поликарбоната: от -40 до +120° С, что позволяет использовать его в «открытых» системах. Максимальное термическое расширение (при ДТ = 80° С) составляет 2,5 мм/м. Светопропускная способность полимеров имеет большое значение при их выборе для использования в качестве прозрачного покрытия СК. Панели поликарбоната имеют светопропускание 70-82% в зависимости от их толщины. Были выбраны панели толщиной 4 мм как наиболее оптимальные с точки зрения прочность-светопропускание. При длительном
5
6
5
7
4
воздействии солнечного излучения важное значение имеет устойчивость материала к ультрафиолетовому излучению (УФИ). Современные поликарбонатные панели производятся со специальным покрытием, предотвращающим попадание УФИ внутрь структуры панели. Ультрафиолетовые лучи (диапазон длин волн X < 390 нм), которые являются наиболее разрушительными, практически не проходят через эти панели. Пропускание лучей в крайней части инфракрасной зоны спектра (X > 5000 нм) минимально, вследствие чего тепло, излучаемое теплоприемником СК, остается внутри коллектора. По сравнению с другими остеклениями той же толщины тепловые потери через сотовые панели из ПК значительно ниже и тепловая изоляция намного лучше, что определяет экономию топлива и энергии. Сотовые панели из поликарбоната отличаются высокими механическими характеристиками (твердость и стойкость к ударным воздействиям) при длительном содержании на открытом воздухе. Поликарбонат устойчив ко многим химическим веществам, включая минеральные кислоты высокой концентрации, ко многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей, многим жирам, парафинам, насыщенным алифатам и циклоалифатам, кроме метилового спирта. Поликарбонат разрушается водным или спиртовым раствором щелочей, аммиаком или его растворами и аминами. Степень чувствительности к воздействию химических соединений зависит от таких факторов, как концентрация, температура, продолжительность контакта с поверхностью панели,
давление, а также от напряжений в панели. Это делает поликарбонат приемлемым для создания полимерного солнечного коллектора (СК-П). Переход к полимерным материалам в конструкции коллектора (рис. 2) обеспечивает снижение веса СК; снижение стоимости СК и гелиосистемы в целом за счет исключения цветных металлов в конструкции [5].
4
Рис. 2. Полимерный плоский солнечный коллектор
(обозначения по рис. 1) Fig. 2. A flat solar collector from polymeric materials (designations on fig. 1)
Солнце
Л
Верхнее отражающее покрытие
R5 R4 R3
Ri R2
Нижнее отражающее покрытие
Поглощение ' Полезная энергия
Температура небосклона Температура окружающей среды
^•(i Температура верхнего покрытия
Температура нижнего покрытия
Отражение излучения поглощающей пластиной
Температура пластины коллектора
Ri
Температура основания корпуса коллектора
R2
1
Температура окружающей среды
Рис. 3. Характерная тепловая цепь для полимерного солнечного коллектора СК-П с прозрачным покрытием из многоканальной полимерной плиты Fig. 3. A characteristic thermal circuit for a polymeric solar collector with a transparent covering from a multichannel polymeric plate
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (74) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
6
5
3
2
Цепочка тепловых сопротивлений для полимерных СК показана на рис. 3. По сравнению с солнечным коллектором традиционного типа с алюминиевым теплоприемником (СК-А) и стеклянным прозрачным покрытием у СК-П больше тепловое сопротивление ПП. Равномерное распределение жидкости по абсорберу и небольшая толщина стенки сотовой панели позволяет сгладить влияние низкого коэффициента теплопроводности поликарбоната.
Экспериментальное изучение характеристик полимерного коллектора
Для экспериментального изучения характеристик различных типов СК был разработан и создан экспериментальный стенд-полигон (рис. 4). Стенд представляет собой два идентичных контура для теплоносителя. Это позволяет проводить прямые натурные сравнительные испытания СК при одинаковых пара-
метрах окружающей среды. Полимерные СК сравнивались с коллекторами традиционного типа.
По результатам эксперимента можно заключить, что динамика поведения температуры на выходе и на входе в СК имеет несколько определенных зон, характерных для всех типов исследованных СК. Первая зона характерна для прогрева воды в баке-теплоаккумуляторе (БТА); во второй идет постепенное увеличение температур теплоносителя, причем увеличение температуры на выходе из СК пропорционально солнечному излучению; в третьей зоне происходит постепенное снижение указанных температур, вызванное снижением солнечной активности; четвертая зона соответствует относительному покою системы в ночное время. В зависимости от интенсивности солнечной радиации изменяется и длительность существования этих зон. При слабом солнечном излучении (весна, осень) увеличивается по длительности первая и вторая зоны и уменьшается уровень достигаемых температур.
Рис. 4. Схема экспериментального стенда: 1 - солнечный коллектор; 2 - бак-теплоаккумулятор; 3 - потенциометр;
4 - пиранометр; 5 - анемометр; 6 - опускной трубопровод; 7 - подъемный трубопровод; 8 - трубопровод холодной воды;
9 - циркуляционный насос; 10 - вентиль; 11 - дренаж; Е1, Е2, Е3 - спаи термопар в баке-теплоаккумуляторе; Е4, Е5 - спаи термопар на входе и выходе из коллектора; Е6 - спай термопары в окружающей среде Fig. 4. Schematic of the experimental stand: 1 - solar collector; 2 - thermal receiver; 3 - potentiometer; 4 - pyranometer;
5 - anemometer; 6, 7 - line pipe; 8 - cold-water pipe; 9 - circulation pump; 10 - valve; 11 - drainage; Е1, Е2, Е3 - thermocouples in the thermal receiver; Е4, Е5 - thermocouples on an inlet and outlet from a solar collector; Е6 - thermocouple in ambient air
8
Е
Е
4
4
На рис. 5 представлены сравнительные результаты экспериментальных исследований для традиционного и полимерного типов СК. Представлено сравнение температур на выходе из коллекторов (рис. 5, А); средняя температура в БТА (рис. 5, В); температура теплоносителя в нижней части бака-аккумулятора (рис. 5, С) и температура в верхней части бака-аккумулятора (рис. 5, В) в зависимости от времени дня.
Было изготовлено два типа полимерных СК-П, отличающихся местом нанесения светопоглощающе-го покрытия на поверхности абсорбера: в одном СК оно было нанесено сверху плиты абсорбера, а в другом - в ее нижней части. Обычно такая проблема не возникает для традиционных типов СК и характерна только в случае полимерных СК. В первом варианте солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие, поглощалось верхней стороной абсорбера и
передавалось теплоносителю (воде) за счет теплопроводности. Во втором варианте солнечное излучение после прозрачного покрытия проходило через верхнюю сторону абсорбера, частично поглощаясь, проходило через прозрачный теплоноситель и по-
глощалось нижней стороной абсорбера. Испытания показали, что место нанесения покрытия особого влияния на интегральную суточную теплопроизво-дительность СК-П не оказывает (расхождение результатов не превышало 5%).
70 60 50 40 30 20
45
35
25
15
t,°C /X
1 /X
//
Л
У B
Время, ч
10 12 14 16
45
35
25
15
55 45 35 25 15
1 - традиционный солнечный коллектор (traditional solar collector) 2 - полимерный солнечный коллектор (polymeric solar collector)
Рис. 5. Значения температур в различных точках солнечной системы: А - температура воды на выходе из солнечного коллектора; B - средняя температура в баке-теплоаккумуляторе; C - температура в нижней части БТА; D - температура в верхней части БТА Fig. 5. Meanings of temperatures in various points of solar system: А - temperature of water on an exit from SC; B - average temperature in the thermal receiver; C - temperature in the bottom part of the thermal receiver; D - temperature in the top part of the thermal receiver
1.0
Пск 0.6
0.2
0.0
^s^A.'n.-J_________
_______._<_ 6 4
_________1 Ч . j...
- И • i . : . \ .
0.04
0.08
0.12 Гпр, (м2-°С)/Вт
Рис. 6. Экспериментальные характеристики солнечных водяных коллекторов: 1 - СК без прозрачного покрытия;
2 - полимерный СК-П (данные авторов представлены в виде сектора, охватывающего характеристики ряда
полимерных СК, отличающихся геометрическими параметрами теплоприемника, ПП и воздушного зазора);
3 - традиционный плоский СК-А с трубным регистром из цветных металлов; 4 - СК с вакуумированными трубами;
5 - полимерный СК [3]; 6 - полимерный СК [4] Fig. 6. The experimental characteristics of solar water collectors: 1 - SC without a transparent covering; 2 - polymeric SC (the data of the authors are submitted as sectors covering the
characteristics of a number polymeric SC, distinguished in geometrical parameters of absorber, transparent covering and air backlash); 3 - traditional flat SC with pipes from colour metals; 4 - SC with vacuum pipes; 5 - polymeric SC [3];
6 - polymeric SC [4]
Зависимости коэффициента полезного действия (КПД) от приведенной температуры для различных СК показаны на рис. 6. КПД находится по формуле
Пск = , (1)
где Пек - коэффициент полезного действия СК; 6 - тепловой поток, передаваемый теплоносителю в СК, Вт; I - интенсивность солнечной радиации, Вт/м2; -ск - площадь СК.
Приведенная температура находится по формуле Тпр =[0,5+ í¿)-to]/l, (2)
где Тпр - приведенная температура, (м -°С)/Вт; ¿ж - температура теплоносителя на входе в СК, °С; ¿ж - температура теплоносителя на выходе из СК, °С; ¿0 - температура окружающей среды, °С.
Характеристики традиционного типа СК-А несколько выше характеристик СК-П (в среднем расхождение по температуре в БТА в конце дня составляло 7-14%). Это связано с несколько худшей свето-пропускательной способностью поликарбоната по сравнению со стеклом. Помимо этого у СК-П больший коэффициент потерь и меньший коэффициент теплопроводности поликарбоната по сравнению с алюминием.
Перспективы развития
На рис. 7 приведены основные варианты конструктивного оформления полимерных солнечных коллекторов. В металлическом СК-А (с алюминиевым трубным регистром) используется прозрачное покрытие из стекла, во всех полимерных модификациях СК-П используется прозрачное покрытие из многоканальной поликарбонатной плиты толщиной 8 мм при величине воздушного зазора между тепло-приемником и нижней поверхностью 1111 25 мм.
Для варианта рис. 7, В расстояние между прозрачными покрытиями равно толщине многоканальной плиты ПП (8 мм); здесь приведены два варианта решения: с удвоенным и утроенным (затемненный столбик на рис. 8, В) прозрачным покрытием СК-П.
Для варианта рис. 7, С полосатый столбик на рис. 8, С соответствует СК-П с двухъярусными 1111 и теп-лоприемником. Анализ данных вариантов приводит к следующим выводам:
1. СК-П имеет коэффициент суммарных потерь тепла несколько выше, чем у традиционного типа с металлическим теплоприемником (рис. 7, А);
2. Удвоение ярусов прозрачного покрытия или теплоприемника значительно снижает тепловые потери СК (рис. 7, В). Приведен и вариант утроения ярусов 1111 (затененный столбик), обеспечивающий уровень тепловых потерь, практически соизмеримый с потерями тепла в вакуумированном СК;
3. Самый низкий уровень тепловых потерь соответствует полимерному СК с двухъярусными ПП и теплоприемником (рис. 7, С), здесь уровень тепловых потерь ниже, чем у вакуумированного СК. Этому варианту соответствует и самая высокая стоимость СК-П;
4. Удвоение ярусов теплоизоляции (рис. 7, В) нецелесообразно.
Рост числа ярусов 1111 или теплоприемника одновременно приводит к утолщению СК и его удорожанию, поэтому решение о конструктивном оформлении СК-П должно приниматься с учетом этих соображений. Например, выбор между вакуумированным СК и СК-П с утроенным ПП должен производиться с учетом снижения стоимости многоярусного оформления ПП и повышения надежности, поскольку отпадает непростая проблема долговременного поддержания вакуума в многоярусной многоканальной структуре из полимерных материалов.
Наиболее перспективным на основе выполненного анализа представляется вариант полимерного СК-П с двухъярусным прозрачным покрытием (рис. 7, В).
Рис. 7. Разработка концептуальной модели развития полимерных солнечных коллекторов: А - полимерный солнечный коллектор СК-П; B - СК-П с двойным прозрачным покрытием; C - СК-П с двойным абсорбером; D - СК-П с увеличенным слоем изоляции; 1 - прозрачное покрытие; 2 - абсорбер; 3 - изоляция; 4 - корпус Fig. 7. Development of conceptual models of polymeric solar collectors: А - polymeric solar collector; B - polymeric solar collector with a double transparent covering; C - polymeric solar collector with double absorber; D - polymeric solar collector with the increased layer of isolation; 1 - transparent covering; 2 - absorber; 3 - isolation; 4 - case
25
№
29
U, Вт/м2К
Варианты компоновок полимерных СК по рис. 7.
Рис. 8. Сравнительный анализ тепловых потерь в разработанных авторами полимерных солнечных коллекторах.
А, B, C, D - соответствуют моделям на рис. 7 Fig. 8. The comparative analysis of thermal losses in developed polymeric solar collectors. А, B, С, D on fig. 7
Экологическая оценка солнечных коллекторов
Для экологической оценки СК была использована методология «Полный жизненный цикл», или «Life Cycle Assessment» (LCA).
Методология LCA по определению SET AC [6]. Под полным жизненным циклом понимается анализ антропогенного воздействия на среду в пределах всех трех стадий жизни изделия: это процесс оценки экологического воздействия продукции (процесса) путем установления и количественного определения используемых за полный жизненный цикл продукции (процесса) энергии и материалов и соответствующих вредных выбросов в окружающую среду; оценка возможности снижения экологического воздействия анализируемой продукции (процесса). Шкала, в которой сравнивается относительное воздействие на окружающую среду, выбрана таким образом, чтобы эко-единица 1 Pt представляла одну тысячную часть ежегодной нагрузки на окружаю-
щую среду, проистекающей от одного среднестатистического жителя Европы. (Это значение рассчитывается как отношение общей нагрузки на окружающую среду, связанной с полными выбросами какого-либо вредного вещества в Европе, к общему количеству жителей Европы и делится на 1000.)
В настоящее время разработана обширная база данных для определения качества и количества различных вредных воздействий и выбросов при производстве определенных материалов, необходимая для выполнения расчетной программы (ЬСЛ). Следует отметить, что первым и обязательным шагом при выполнении такого анализа является определение всех использованных ресурсов на всех стадиях жизненного цикла рассматриваемой системы. Это является стандартной процедурой в анализе ЬСЛ.
По результатам проведенного экологического анализа (рис. 9) можно сделать вывод, что разработанный полимерный СК оказывает значительно меньшую нагрузку на окружающую среду за полный жизненный цикл.
%
100 -■ 80 -60 -40 -
20
Парниковые Озоновый газы слой
ВОС*
Тяжелые металлы
Энергоресурсы
Твердые отходы
ВОФА
*ВОС - выбросы оксидов серы; ВОФА - выбросы оксидов фосфора и азота.
1 - традиционный солнечный коллектор (traditional solar collector) 2 - полимерный солнечный коллектор (polymeric solar collector)
Рис. 9. Относительный вклад в нагрузку на окружающую среду по различным показателям для традиционного и полимерного солнечных коллекторов Fig. 9. Relative contributions to loading on an environment on various parameters for traditional and polymeric solar collectors
0
Выводы
- Переход на полимерные СК целесообразен как с экономической, так и с экологической точки зрения.
- Наиболее подходящим полимерным материалом для использования в конструкции СК является поликарбонат в виде многослойных многоканальных структур.
- Наиболее перспективным является создание полимерного солнечного коллектора с двойным прозрачным покрытием.
Список литературы
1. Daffi J.A., Beckman Y.A. Heat processes with the use of solar energy. Moscow: Mir, 1977. P. 566.
2. Kohl M., Jorgensen G., Brunold S., Carlsson B., Heck M., Moller K. Durability of polymeric glazing materials for solar applications // Solar Energy. 79 (2005). P. 618-623.
3. Nielsen J.E., Bezzel E. Duct Plate // Solar Collectors in plastic materials. Solar Energy Laboratory, Danish Technological Institute. 1996.
4. Rekstad J. SolarNor AS and General Electric Plastics // Solar Collectors in plastic materials from Norway. 1997.
5. Горин А.Н., Смынтына В.А., Дорошенко А.В., Глауберман М.А. Солнечная энергетика. (Теория, разработка, практика.) Донецк: Норд-Пресс, 2008.
6. Koltun P., Doroshenko A., Shestopalov K. Ecological consequences of using conventional and plastic solar collectors in alternative air-conditional systems // Холодильная техника и технология. 2002. Вып. 4 (78). С. 31-39.
3
Ж
•и: -
31
