Моделирование процессов теплового преобразования солнечной энергии в плоских коллекторах и оптимизация их основных параметров для использования в системах горячего водоснабжения

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Научные исследования, направленные на расширение масштабов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, экономию углеводородных топливно-энергетических ресурсов и стабилизацию экологической ситуации, представляет важное значение в развитие мировой энергетики. В долгосрочных национальных энергетических программах развитых стран мира предусмотрено повышение доли возобновляемых источников энергии, как минимум, до 20%’. В этой связи в мировой практике интенсивными темпами развиваются масштабы использования солнечной энергии в системах тепло-и электроснабжения, являющейся одним из перспективных видов возобновляемых источников энергии и в свою очередь уделяется особое внимание на развитие данной сферы. В мире большое внимание в этой области уделяется вопросам повышения тепловой эффективности использования плоских солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения. В этом направлении, в частности, в 2016 году общая тепловая мощность плоских солнечных коллекторов, используемых в системах горячего водоснабжения, в мире составляла 456 ГВт (652 млн. кв.м), а темп ежегодного роста их использования в течении 2004-2016 годов составлял 13,69%2. Актуальными задачами в этой сфере считаются научные исследования, направленные на разработку научных и инженерных основ моделирования процессов теплового преобразования солнечной энергии в плоских коллекторах, оптимизацию их конструктивных, теплотехнических и режимных параметров, усовершенствование процедуры их теплового тестирования и поиску путей повышения эффективности их использования в системах горячего водоснабжения. В настоящее время особое внимание уделено проблемам преобразования солнечной энергии в тепловую и использование последней в качестве источника тепла в системах горячего водоснабжения жилых зданий, коммунально-бытовых и социальных объектов, которые с технологической точки зрения являются наиболее подготовленной сферой широкомасштабного применения. В этом направлении, в частности, в разработке и создании новых высокоэффективных поколений основного элемента систем горячего водоснабжения - плоских солнечных коллекторов и на их основе двухконтурных солнечно-топливных котельных, достигнуты значительные результаты. Вместе с тем, для постоянного совершенствования плоских солнечных коллекторов и расширения масштабов их использования в системах горячего водоснабжения требуются научно-обоснованные результаты по их технико-экономическим и экологическим показателям. В Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 годы отмечены задачи «...сокращения энергоемкости и ресурсоемкое™ экономики, широкое внедрение в производство энергосберегающих технологий, расширение использования возобновляемых источников энергии ...»3. Реализация этих положений, в том числе, по повышению эффективности использования плоских солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения, оптимизации их основных параметров, моделированию процессов теплового преобразования солнечной энергии, считается одной из важнейших задач. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указе Президента Республики Узбекистан № УП-4947 от 7 февраля 2017 года «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», в Постановлениях Президента Республики Узбекистан № ПП-3012 от 26 мая 2017 года «О программе мер по дальнейшему развитию возобновляемой энергетики, повышению энергоэффективности в отраслях экономики и социальной сферы на 2017-2021 годы» и № ПП-3379 от 8 ноября 2017 года «О мерах по обеспечению рационального использования энергоресурсов», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в этой сфере. Целью исследования является разработка решений по повышению эффективности использования плоских солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения, оптимизации их основных теплотехнических и конструктивных параметров, моделированию процессов теплового преобразования солнечной энергии в них. Научная новизна исследования заключается в следующем: на основе моделирования процессов частичного поглощения и преобразования в тепло солнечного излучения в светопрозрачном покрытии плоских солнечных коллекторов впервые установлено выражение для расчета тепловой мощности сформированного в нем внутреннего источника тепла; выведены расчетные выражения для определения распределения температуры и поверхностной плотности теплового потока по толщине светопрозрачного покрытия, значения температур и удельных тепловых потерь на его внутренней и наружной поверхностях при наличии в нем внутреннего источника тепла; впервые установлено аппроксимационное выражение для определения эффективного приведенного коэффициента тепловых потерь лучепоглощаю-щих теплообменных панелей в зависимости от ее среднерабочей температуры и температуры окружающей среды; на основе моделирования тепловых процессов, происходящих в листотрубных лучепоглощающих теплообменных панелях плоских солнечных коллекторов предложен бесконтактный метод определения значения их среднерабочей температуры и установлено выражение для определения среднемассовой температуры жидкости, протекающей через них; разработана методика комплексной оптимизации межтрубного расстояния листотрубной лучепоглощающей теплообменной панели и впервые установлена графическая зависимость определения оптимального значения их межтрубного расстояния от коэффициента тепловых потерь в окружающую среду, толщины и коэффициента теплопроводности материала изготовления их лучепоглощающей пластины; создан лабораторный испытательный стенд, на котором реализована процедура проведения краткосрочных тепловых испытаний плоских солнечных коллекторов для нагрева жидкого теплоносителя в натурных квазиста-ционарных условиях и предложена методика ускоренной обработки их результатов, позволяющая существенно сократить продолжительность тестов; впервые разработана тепловая модель для определения удельной теплопроизводительность плоского солнечного коллектора для нагрева жидкого теплоносителя в зависимости от наперед заданного значения температуры получаемой горячей воды; впервые установлены апроксимационные зависимости для определения удельной годовой и сезонной (за теплый период года) теплопроизводительности плоских солнечных коллекторов определены рациональные сроки эксплуатации, установлены технико-экономические и экологические показатели их использования в системах горячего водоснабжения. Заключение На основе результатов исследований по решению поставленных в диссертации задач, предлагается следующее заключение: 1. Впервые получено расчетное выражение для определения мощности внутреннего источника тепла в светопрозрачных покрытиях плоских солнечных коллекторов, в котором учтены экспоненциальное распределение мощности поглощенного солнечного излучения по их толщине и взаимной противоположности направлений многократно отраженных потоков солнечного излучения между границами разделов светопрозрачного покрытия и замкнутой воздушной прослойки системы «лучепоглощающая теплообменная панель - светопрозрачное покрытие». Данное выражение позволяет глубже исследовать тепловые процессы, происходящие в системе «лучепоглощающая теплообменная панель - светопрозрачное покрытие» плоских солнечных коллекторов. 2. Изучены температурное поле и процесс теплопередачи через светопрозрачное покрытие корпуса плоских солнечных коллекторов при наличии в нем внутреннего источника тепла, сформированного вследствие частичного поглощения и преобразования в тепло проходящего через него солнечного излучения и на этой основе впервые установлены расчетные выражения для определения распределения температуры и удельных тепловых потоков по его толщине, значений температур и поверхностных плотностей тепловых потоков на его внутренней и наружной поверхностях. 3. Впервые выведено расчетное выражение для определения эффективного приведенного коэффициента тепловых потерь лучепоглощающей теплообменной панели плоских солнечных коллекторов в окружающую среду с учетом их среднерабочей температуры и температуры окружающей среды, а также частичного поглощения солнечного излучения в их светопрозрачных покрытиях. 4. Впервые разработаны тепловые модели для определения среднерабочей температуры лучепоглощающих теплообменных панелей плоских солнечных коллекторов бесконтактным методом, позволяющие определить значение ее среднерабочей температуры, усредненной по длине их теплоотводящих каналов среднемассовой температуры теплоносителя и коэффициента тепловой эффективности лучепоглощающих панелей рассматриваемого типа. 5. Впервые разработана тепловая модель для комплексной оптимизации межтрубного расстояния листотрубных лучепоглощающих теплообменных панелей плоских солнечных коллекторов и расхода теплоносителя через них. 6. Создан лабораторный испытательный стенд для проведения теплового тестирования плоских солнечных коллекторов для нагрева жидкого теплоносителя, разработана методика проведения с его помощью краткосрочных тепловых тестов коллекторов. 7. Совершенствована методика проведения и обработки результатов теплового тестирования плоских солнечных коллекторов в натурных квази-стационарных условиях, позволяющие существенно сократить продолжительность проведения испытаний и определения значений коэффициента тепловой эффективности и приведенного коэффициента тепловых потерь в окружающую среду от лучепоглощающих теплообменных панелей в отдельности. 8. Разработана тепловая модель для определения удельной теплопроиз-водительности плоских солнечных коллекторов в зависимости от наперед заданного значения температуры нагреваемой воды и на основе ее реализации впервые установлены дневные, среднемесячные ходы и годовая (сезонная) сумма их теплопроизводительности и тепловой эффективности в диапазоне изменения температуры получаемой из них горячей воды от 37 до 55°С. 9. На основе анализа и обобщения полученных результатов определены рациональные сроки эффективного использования плоских солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения и определены их техникоэкономические и экологические показатели в зависимости от температуры нагреваемой воды.