Исследование эффективности солнечных коллекторов и водонагревательных установок и разработка методических основ их тепловых испытаний

• Автор: Фрид, Семен Ефимович
• Шифр специальности: 05.14.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы, математические модели и методы тепловых испытаний солнечных коллекторов
1.1. Устройство плоского солнечного коллектора и основные допущения его математических моделей

1.2. Модель Хоттеля-Уиллера-Блисса и квазистационарные методы испытаний

1.2.1. Натурная квазистационарная методика МВБ

1.2.2. Модификации модели Хоттеля-Уиллера-Блисса и методики МВБ

1.2.3. Упрощенные методики

1.2.4. Лабораторные методы испытаний

1.2.5. Комбинированные методы испытаний

1.2.6. Выводы

1.3. Динамические модели и нестационарные методы испытаний
1.3.1. Одноэлементная и квазимногоэлементные модели солнечного коллектора
1.3.2. Модели с распределенными параметрами
1.3.3. Поправки на нестационарность к методам МВБ и БСЕ
1.3.4. Импульсные методики
1.3.5. Натурные нестационарные методы
1.3.6. Выводы
1.4. Постановка задачи исследования
Глава 2. Разработка математической модели плоского солнечного коллектора с жидким теплоносителем
2.1. Исходные допущения. Дифференциальные уравнения двухэлементной модели поглощающей панели плоского солнечного коллектора
2.2. Поле температур в плоском солнечном коллекторе и производительность коллектора
2.3. Учет теплоемкости остекления. Уравнения трехэлементной модели плоского солнечного коллектора
2.4. Решение уравнений трехэлементной модели. Выражение для производительности коллектора
2.5. Солнечный коллектор с несколькими трубами для прокачки теплоносителя

2.6. Трехэлементная модель плоского солнечного коллектора и обработка результатов его тепловых испытаний
2.7. Выводы
Глава 3. Экспериментальное исследование характеристик солнечных коллекторов
3.1. Условия эксперимента и точность измерений
3.2. Испытания солнечных коллекторов на объектах ИВТ РАН
3.3. Испытания солнечных коллекторов в системе теплоснабжения жилого дома
в пос. Мерцаван Республики Армения
3.4. Апробация динамической методики испытаний солнечных коллекторов
3.5. Результаты апробации методик испытаний солнечных коллекторов
Глава 4. Эффективность солнечных водонагревательных установок
4.1. Сертификация солнечных коллекторов и их испытания
4.2. Солнечные водонагревательные установки в различных климатических условиях
4.2.1. Типичная солнечная водонагревательная установка
4.2.2. Методика и результаты моделирования
4.2.3. Обобщение результатов моделирования типичной СВУ
4.2.4. Влияние параметров солнечного коллектора на эффективность СВУ
4.3. Выводы
Выводы
Литература
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Энергетический кризис второй половины 70-х годов стал толчком к резкому росту интереса во многих странах к возобновляемым источникам энергии. Несмотря на последовавшее затем существенное снижение цен на нефть, работы по использованию возобновляемых источников энергии продолжаются и в настоящее время. За рубежом эти работы стимулируются не столько ограниченностью запасов дешевого органического топлива, сколько возникающими при использовании традиционных энергоресурсов экологическими проблемами. В российских условиях к экологическим причинам сегодняшней популярности возобновляемых источников энергии добавляются и другие, обусловленные, прежде всего, тенденцией к децентрализации энергоснабжения и стремлением потребителей, особенно в районах, удаленных от систем централизованного энергоснабжения, к повышению надежности энергоснабжения. Немаловажным фактором является непрерывный рост тарифов на тепло и электроэнергию. Использование возобновляемых источников энергии, требующее существенных начальных затрат, но не сопряженное со значительными текущими издержками, в этом случае становится весьма перспективньм.
В настоящее время технологии эффективного нагрева солнечным излучением воды для бытовых целей достаточно хорошо отработаны и широко доступны на рынке. Экономически эффективные сферы применения солнечных водонагревателей в значительной мере уже освоены. Например, в США более 60% плавательных бассейнов обогреваются за счет солнечной энергии. Более 80% домов в Израиле, на Кипре и в ряде других стран в обязательном порядке оборудованы солнечными водонагревателями. Повышенный спрос на солнечные водонагревательные установки имеется в Германии, Швейцарии, Швеции, Канаде и в других относительно северных странах. К концу 2000 г. в европейских странах было установлено 11,7 млнм2 солнечных коллекторов [1], из них 62% приходится на Германию, Грецию и Австрию. Эти же страны характеризуются наиболее высокими темпами роста производства солнечных коллекторов - в 2000 г. в расчете на 1000 чел. населения в Австрии было установлено 18,9 м2, в Греции - 16,2 м2, в Германии - 7,5 м2. Европейской Комиссией поставлена цель к 2010 г. довести площадь установленных в Европе солнечных коллекторов до 100 млн м2.
Еще более впечатляющие цифры производства солнечных коллекторов и установок солнечного теплоснабжения демонстрирует Китай [2], где в 2000 г. было выпущено 9 млн м2, а смонтировано 6 млн м2 коллекторов. Темпы роста производства в 2000 г.

модели позволяет в случае кр/>> Сср непосредственно измерить кр/, а при кр/ « Оср - получить линейное затухание и более точно, чем в стандартной процедуре, определить Са. Еще раз отметим, что полученные в [108] выражения для изменения выходной температуры теплоносителя предсказывают реакцию на скачкообразное изменение входной температуры при КО.
Если в [108] предпринимаются попытки уточнения световой методике определения постоянной времени, то в [148] расширяются возможности темнового теста. В эксперименте теплоноситель разогревается до заданного температурного уровня, устанавливается его расход через байпасный контур, затем производится переключение потока теплоносителя на коллектор. Измеряется динамика температур теплоносителя и панели в различных точках. Обработка результатов позволяет определить не только динамические параметры, но и причем по данным [148] полученные значения ЕрУ], отличаются от измеренных в стационарных условиях на 3-5%.
При анализе достоинств и недостатков изложенных выше импульсных методов их необходимо разделить на две группы. К первой относятся способы определения динамических параметров коллектора, дополняющие квазистационарные методики, и, таким образом, не снимающие связанных с их применением проблем. Другую составляют методы, позволяющие определить статические и динамические характеристики коллектора одновременно. Их несомненным достоинством является резкое снижение продолжительности испытаний, однако проблемы, связанные с необходимостью тер-мостатирования коллектора, остаются. Весьма сложным является обеспечение скачкообразного изменения температуры в темновых методах. Для реализации скачкообразного изменения потока солнечной радиации и поддержания его на постоянном уровне обычно требуется имитатор. В принципе, возможны и натурные эксперименты типа [164], но эксперимент необходимо проводить в околополуденные часы ясных дней, а применение затеняющих экранов изменяет условия теплообмена с окружающим воздухом. Наконец, некоторые методы идентификации динамических параметров коллектора требуют измерения температуры поглощающей панели в различных точках, что невозможно выполнить без разборки коллектора.
1.3.5. Натурные нестационарные методы
Импульсные методы испытаний солнечных коллекторов предполагают проведение эксперимента при жестко заданном режиме изменения параметров. Методика, предло-