научная статья по теме МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПЛОСКОГО СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПЛОСКОГО СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА»

SOLAR RADIATION CONCENTRATORS

Статья поступила в редакцию 29.04.15. Ред. per. № 2250 The article has entered in publishing office 29.04.15. Ed. reg. No. 2250

УДК620.91

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПЛОСКОГО СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

A.B. Матвеев, С.Е. Щеклеин, В.М. Пахалуев

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

РФ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 тел.: (343) 375-95-08; e-mail: a.v.matveev@urfu.ru

doi: 10.15518/isjaee. 2015.10-11.005 Заключение совета рецензентов: 12.05.15 Заключение совета экспертов: 19.05.15 Принято к публикации: 27.05.15

В статье описана модель расчета производительности плоского солнечного коллектора с естественной циркуляцией теплоносителя в зависимости от основных конструктивных, теплотехнических и климатологических параметров. Выполнена оценка энергетической и эксергетической эффективности данной системы для условий Уральского региона. Предложенная методика может использоваться для количественной и качественной оценки выработки энергии и эксергии плоским солнечным коллектором с естественной циркуляцией теплоносителя на основе общедоступных данных для любого региона.

Ключевые слова: плоский солнечный коллектор, естественная циркуляция теплоносителя, солнечная радиация, энергетическая производительность, эксергетическая производительность.

METHOD FOR DETERMINING OF CAPACITY OF FLAT-PLATE SOLAR COLLECTOR WITH NATURAL CIRCULATION OF HEAT-TRANSFER FLUID

IN THE URAL REGION

A.V. Matveev, S.E. Shcheklein, V.M. Pahaluev

Ural Federal University named after first President of Russia B.N. Yeltsin 19 Mir Str., Yekaterinburg, 620002 Russian Federation ph.: (343) 375-95-08; e-mail: a.v.matveev@urfu.ru

Referred 12 May 2015 Received in revised form 19 May 2015 Accepted 27 May 2015

The article describes a model for calculating capacity of a flat-plate solar collector with natural circulation of heat-transfer fluid, depending on the basic constructive, thermal and climatological parameters. This article estimates energy and exergy efficiency of the system for the conditions of the Ural region as well. The proposed method can be used for quantitative and qualitative assessment of power and exergy generation by the flat-plate solar collector with natural circulation of heat-transfer fluid on the basis of publicly available data for any region.

Keywords: flat-plate solar collector, natural circulation of heat-transfer fluid, solar radiation, energy capacity, exergy capacity.

Матвеев Андрей Валентинович Andrey V. Matveev

Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», кафедра «Атомные станции и возобновляемые источники энергии».

Образование: УГТУ-УПИ инженер по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (2004).

Награды и научные премии: Почетная грамота министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Свердловской области за активную работу со студентами по повышению энергоэффективности и развитию новых источников энергии (2011).

Область научных интересов: возобновляемая энергетика, солнечная энергетика, ветроэнергетика, солнечные коллекторы, паровые турбины, газопоршневые электростанции.

Публикации: более 25, в том числе 5 в рецензируемых журналах.

Information about the author:

PhD (engineering), associate professor of Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, "Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources" department.

Education: Ural State Technical University with a degree in engineering, "Alternative and Renewable Sources of Energy" (2004).

Awards and scientific awards: certificate of merit of the Ministry of Energy and Housing and Utilities of the Sverdlovsk region for their active work with students to improve energy efficiency and the development of new energy sources (2011).

Research area: renewable energy, solar power engineering, wind energy, solar collectors, steam turbines, gas-fired power plant.

Publications: more than 25, including 5 in peer-reviewed journals.

о ü

- С -

с О

V

Пахалуев Валерий Максимович Valery M. Pahaluev

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», кафедра «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»; Действительный член Международной АН о природе и обществе.

Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1961).

Награды и научные премии: Почетная грамота министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Свердловской области за многолетний добросовестный труд по подготовке кадров для энергетических предприятий страны (2011).

Область научных интересов: исследования тепло физических и физико-химических процессов в теплоэнергетике и металлургической теплотехнике, разработка физических основ нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

Публикации: более 90, в том числе 1 монография.

Information about the author:

DSc (engineering), professor of Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, "Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources" department; a member of International A.S. of Nature and Society.

Education: Ural State Technical University (1961).

Awards and scientific awards:

certificate of merit of the Ministry of Energy and Housing and Utilities of the Sverdlovsk region for many years of hard work on the training for energy companies in the country (2011).

Research area: analysis of thermophysical and physical and chemical processes in thermoenergetics and metallurgy heat engineering; development of physical basis for the alternative and renewable power sources.

Publications: more than 90, including 1 monograph.

N

Щеклеин Сергей Евгеньевич Sergey Ye. Shcheclein

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1972).

Награды и научные премии: Заслуженный энергетик Российской Федерации, действительный член Международной энергетической академии; национальная экологическая премия им. В.И. Вернадского; медаль «Ветеран атомной энергетики и промышленности».

Область научных интересов: термодинамика ядерных энергетических установок, проблемы атомной энергетики и теплофизики двухфазных потоков, продление ресурса и повышение надежности оборудования АЭС, солнечная энергетика, ветроэнергетика, биоэнергетика.

Публикации: более 350, в том числе 2 монографии, 20 изобретений.

Information about the author:

DSc (engineering), professor, Head of "Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources" department of Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin.

Education: Ural State Technical University (1972).

Awards and scientific awards: Honored Power Engineer of the Russian Federation, Member of the International Energy Academy; National Environmental Prize V.I. Vernadsky; Medal "Veteran of Nuclear Energy and Industry".

Research area: nuclear power units thermodynamics; questions of nuclear energy and thermophysics of the two-phase flows; NPP equipment lifetime enduring and reliability increasing; solar, wind and bioenergetics.

Publications: more than 350, including 2 monographs, 20 inventions.

M, Лх/л - с -

'ДО

Введение

Простейший и наиболее дешевый способ использования солнечной энергии - нагрев воды для бытовых нужд в плоских солнечных коллекторах (СК), работающих на термосифонном эффекте. Гелиоустановки подобного типа содержат непосредственно коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятор горячей воды, подъемную и опускную трубы. Установки просты в изготовлении и эксплуатации и являются саморегулирующимися системами, причем управляющий параметр в таких системах - расход циркулирующей жидкости, который определяется интенсивностью падающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками всех ее элементов.

Выработка энергии солнечным коллектором напрямую зависит от его географического положения, обуславливающего приход солнечной энергии и возможный период эксплуатации коллектора в течение года. Россия имеет большую территорию с климатом, меняющимся в широких пределах. Очевидно, что с наибольшей эффективностью солнечные коллекторы можно применять в южных районах, поскольку там наблюдается наибольший приход энергии в течение года. В более северных регионах, например в Свердловской области, в летний период среднесуточная интенсивность солнечной радиации находиться на уровне 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе 800^1 000 Вт/м2, что вполне достаточно для успешной работы водона-гревательной системы. Свои ограничения на использование систем солнечного теплоснабжения (ССТ) накладывает температурный режим местности, определяющий период времени, в течение которого мож-

но использовать солнечные коллекторы. Если ССТ функционирует по одноконтурной схеме с водным теплоносителем, то рекомендуется прекращать работу установки при температуре окружающей среды +3 °С, чтобы избежать возможности ее замерзания. Поэтому на территориях с относительно холодным климатом следует использовать ССТ, работающие по двухконтурной схеме, когда в первом контуре солнечного коллектора рабочим телом является жидкость с низкой температурой замерзания (антифриз, тосол, раствор этиленгликоля). Применение данной схемы позволяет увеличить продолжительность эксплуатации солнечного коллектора в течение года за счет межсезонных периодов, когда по ночам наблюдаются отрицательные температуры окружающей среды при положительных ее значениях в дневное время.

Теоретическая часть

При выборе систем солнечного теплоснабжения необходимо оценить не только энергетические возможности солнечной радиации в данной местно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком