Abstract and keywords
Abstract (English):
А comprehensive evaluation of the effectiveness of solar energy collectors (SЕС) and solar water heaters (SWH) is made. More improved SЕС due to a sharp decrease in the effective rate of heat loss have a higher energy efficiency, despite a slight decline (from 0.93 to 0.63) of optical efficiency of SЕС. Experimental SЕС have an energy efficiency of 0.54-0.57, i. e. not less than that of commercially available SЕС due to lower values of heat loss coefficient (2.8-5.8). It is necessary to use combined collectors-batteries, as well as combined collectors-batteries with thermal storage materials of a phase transition. Reducing heat loss in the pipes of the original flow (gravity) multistage SЕС to 5 % increases the energy efficiency of the pipelines to 0.95. Efficiency of SWH with experimental SEC is not lower than that of commercially available SWH and ranges from 0.54 to 0.57. Energy efficiency of SWH of gravitational type with multistage solar collector, equals to 0.51 is higher than for SWH of circulation type due to the absence of 15 % of heat loss in the return pipeline, therefore, in terms of energy, it is advisable to use SWH of gravitational type with multistage SЕС. The specific cost of the developed experimental SWH of gravitational type with multistage SЕС is by 2.5 times less than that for manufactured SWH and the payback period does not exceed 3-5 years.

Keywords:
solar energy collectors, solar water heaters, multistage solar collectors, energy efficiency, technical and economic effectiveness
Text
Введение Анализ данных по тарифам на тепловую и электрическую энергию и ценам на ряд таких топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), как природный газ, мазут, бензин, уголь и др. показывает их неуклонный рост даже в периоды временного снижения цен на нефть на мировых рынках. Именно поэтому энергоустановки с возобновляемыми источниками энергии, в частности солнечные водонагревательные установки (СВУ), в которых экономия ТЭР может составлять от 50 до 60 %, могут стать достаточно привлекательными для значительной части потребителей, т. к. в ряде случаев позволят избежать зависимости от естественных монополий - производителей тепловой и электрической энергии и поставщиков ТЭР [1-5]. Следует, однако, отметить, что в настоящее время отсутствуют энергетически эффективные и в то же время достаточно экономически эффективные СВУ зарубежного и даже отечественного производства с приемлемыми для большинства потребителей сроками окупаемости, вследствие чего весьма актуальной является проблема повышения энергетической и технико-экономической эффективности СВУ. В этой связи целью исследования являлось изучение возможностей повышения энергетической и технико-экономической эффективности СВУ. Основные задачи исследования - разработка путей повышения энергетической и технико-экономической эффективности СВУ. Основные результаты исследования В качестве показателя энергетической эффективности преобразования солнечной энергии в тепловую в СВУ может быть использован энергетический КПД СВУ, состоящей в общем случае из коллектора солнечной энергии (КСЭ), теплового аккумулятора и теплопровода. Этот коэффициент может быть определен по ранее полученной в [2] формуле: , (1) где - КПД КСЭ, зависящий от его теплотехнических характеристик; - КПД теплового аккумулятора; - КПД теплопроводов (трубопроводов), по которым теплоноситель движется в СВУ. Энергетическая эффективность КСЭ, являющегося одним из основных элементов СВУ, определяется его КПД, равным отношению удельной теплопроизводительности КСЭ к плотности потока солнечной радиации, поступающей на его поверхность. Этот коэффициент в соответствии с [5, 6] определяется по формуле , (2) где KK - эффективный коэффициент теплопотерь КСЭ, Вт/(м2 · К); IК - плотность суммарного потока солнечной энергии, поступающей на КСЭ, Вт/м2; ТТН - средняя температура теплоносителя в КСЭ, К; ТВ - температура наружного воздуха, К; hО - эффективный оптический КПД КСЭ. Анализ формулы (2) показывает, что влияние на КПД КСЭ оказывают: число слоёв остекления и его пропускная способность; конструктивные характеристики КСЭ и свойства лучепо-глощающей поверхности абсорбера (материал и толщина листа, толщина и коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб, наличие отражателей и др.); метеорологические параметры (плотность потока солнечной энергии и температура наружного воздуха); рабочие параметры КСЭ - расход теплоносителя и его температура на входе в КСЭ, от которых зависит средняя температура теплоносителя в КСЭ. Нами были разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные СВУ циркуляционного типа, проточного (гравитационного) типа и СВУ гравитационного типа с многоступенчатым КСЭ. В этих СВУ были использованы экспериментальные, разработанные нами, неселективные плоские коллекторы с одинарным остеклением (НПК-1) со спиральным абсорбером, змеевиковым абсорбером, змеевиковым абсорбером с парабоцилиндрическими отражателями, а также неселективные плоские коллекторы с двойным остеклением (НПК-2) со стеклопластиковым покрытием (рис. 1). Коллектор площадью 0,52 м2, изображенный на рис. 1, выполнен из стандартной металлопластиковой профильной системы с двойным остеклением, абсорбера из полых трубок и алюминиевого профиля, а также задней теплоизолированной стенки с воздушной прослойкой, отражающей металлизированной полипропиленовой пленкой и пенополиуретановой панели. Рис. 1. Общий вид экспериментального НПК-2 со стеклопластиковым покрытием Коэффициенты теплопотерь всех экспериментальных КСЭ, отнесенные к площади остекления, определялись с учетом особенностей их конструкций по общей формуле: , (3) где KO, KБС и KЗС - коэффициенты теплопередачи через остекление (светопрозрачное покрытие), боковую стенку и заднюю стенку КСЭ, снабженную усиленной теплоизоляцией, Вт/(м2 · К); FO, FБС и FЗС - площади поверхности остекления, боковой и задней стенок КСЭ, м2. Исходные данные и результаты расчета коэффициентов теплопотерь экспериментальных КСЭ по формуле (3) приведены в табл. 1. Таблица 1 Исходные данные и результаты расчета коэффициентов теплопотерь КСЭ Тип КСЭ KO KБС KЗС FO FБС FЗС KK НПК-1 со спиральным или змеевиковым абсорбером 1,96 2,83 1,33 0,35 0,21 0,35 5,8 НПК-1 со змеевиковым абсорбером с отражателями 1,96 2,83 0,95 0,35 0,21 0,35 4,3 НПК-2 со стеклопластиковым покрытием 1,96 3,88 0,89 0,52 0,12 0,52 2,8 Экспериментальная термосифонная СВУ с абсорбером змеевикового типа с КСЭ площадью 0,35 м2 и тепловым аккумулятором объемом 13 л показана на рис. 2, а экспериментальная проточная СВУ с абсорбером змеевикового типа с отражателями с такими же КСЭ и тепловым аккумулятором и расходным баком холодной воды объемом 20 л - на рис. 3. Энергетический КПД экспериментальных КСЭ определялся на основе данных их испытаний в теплый период 2016 г. (апрель - октябрь) по формуле , (4) где СВ - удельная теплоемкость воды (теплоносителя), Дж/(кг · К); mB - массовый расход теплоносителя в КСЭ, кг/с; TТН2, ТТН1 - температура теплоносителя на выходе и входе в КСЭ, К; FКСЭ - площадь КСЭ, м2. Рис. 2. Экспериментальная термосифонная СВУ с абсорбером змеевикового типа Рис. 3. Экспериментальная проточная СВУ с абсорбером змеевикового типа с отражателями В табл. 2 приведены энергетические параметры КСЭ: максимальная температура теплоносителя tmax, эффективный оптический КПД ηO, осредненные значения эффективного коэффициента теплопотерь KK по данным различных авторов [3-8], а также значения КПД этих КСЭ и СВУ на их основе, рассчитанные по формулам (1) и (2). В этой же таблице приведены эти же энергетические параметры для трех типов разработанных нами экспериментальных КСЭ, в том числе и энергетические КПД экспериментальных КСЭ, определенные по формуле (4). Для систем горячего водоснабжения вполне приемлемыми по максимальной температуре теплоносителя tmax = 50-80 °C могут быть все типы неселективного плоского КСЭ: НПК, НПК-1 и НПК-2, в том числе и разработанные нами экспериментальные НПК-1 и НПК-2. Для систем отопления при максимальной температуре теплоносителя tmax = 90-120 °C могут быть применены селективные КСЭ: селективные плоские коллекторы с одинарным остеклением (СПК-1) и селективные плоские коллекторы с двойным остеклением (СПК-2), а также вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы (ВСТК). Таким образом, в системах горячего водоснабжения могут применяться достаточно простые и энергетически эффективные экспериментальные СВУ с разработанными нами типами КСЭ. Таблица 2 Основные энергетические параметры КСЭ и СВУ Тип коллектора Тmax, °С ɳО KK, Вт/ (м2 · К) ɳКСЭ ɳСВУ Серийно выпускаемые КСЭ и СВУ Неселективный плоский: НПК без остекления 50 0,93 20 0,24 0,19 НПК-1 70 0,85 8,5 0,49 0,38 НПК-2 80 0,73 5,0 0,56 0,43 Селективный плоский: СПК-1 90 0,85 5,0 0,56 0,43 СПК-2 120 0,73 3,5 0,51 0,40 ВСТК 160 0,63 1,5 0,57 0,44 Экспериментальные КСЭ и СВУ НПК-1 со спиральным или змеевиковым абсорбером 60 0,85 5,8 0,561 0,542 0,433 НПК-1 со змеевиковым абсорбером с отражателями 65 0,85 4,3 0,591 0,572 0,463 НПК-2 со стеклопластиковым покрытием 75 0,73 2,8 0,531 0,552 0,413 Примечания: 1 - по формуле (2); 2 - по формуле (4); 3 - по формуле (1) на основе значений Как видно из табл. 2, более совершенные КСЭ, за счет резкого снижения эффективного коэффициента теплопотерь KK, имеют более высокий энергетический КПД ηКСЭ, несмотря на некоторое снижение (от 0,93 до 0,63) оптического КПД КСЭ hО. Наиболее совершенные НПК-2 и СПК-1 в среднем имеют КПД равный 0,56, а ВСТК - 0,57. Экспериментальные КСЭ типа НПК-1 имеют расчетные значения ηКСЭ = 0,53-0,59, т. е. выше, чем у серийно выпускаемых КСЭ, за счет более низких значений KK = 2,8-5,8. Более точные для этих КСЭ экспериментальные значения практически не отличаются от расчетных значений ηКСЭ - различие составляет не более 3,5-3,6 %. Значения КПД тепловых аккумуляторов ηТА зависят от времени зарядки и разрядки, термического сопротивления теплоизоляции, а также от объема теплового аккумулятора. Результаты расчетов, приведенные в [2], показывают, что КПД теплового аккумулятора с эффективной теплоизоляцией с термическим сопротивлением 3,0 м2 · К/Вт могут достигать 0,94-0,99 при увеличении объема бака аккумулятора от 0,10 до 100 м3. Для приближенных расчетов можно принять ηТА = 0,97. Более компактными, чем водяные могут быть тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, например техническими парафинами, парафино-битумными смесями, асфальто-смоло-парафинистыми веществами и др. Так, например, объем теплового аккумулятора, использующего парафин, будет в 2,3-4,5 раза меньше, чем объем водяного теплового аккумулятора при изменении температуры воды в нем на 10-20 °С. Можно считать ηТА = 1,00 в конструкциях емкостных комбинированных коллекторов-аккумуляторов [8]. Таким образом, целесообразно применять тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, емкостные жидкостные комбинированные коллекторы-аккумуляторы, тепловые аккумуляторы, а также комбинированные коллекторы-аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода. Энергетический КПД трубопроводов точно рассчитать невозможно, и потери тепла в них, при наличии обратных (циркуляционных) трубопроводов, принимаются 20 %, т. е. ɳТП = 0,80. Сокращение потерь тепла в трубопроводах СВУ возможно при отсутствии циркуляционных трубопроводов. Так, например, в оригинальных проточных (гравитационных) многоступенчатых СВУ будут лишь короткие патрубки, соединяющие ступени КСЭ и КСЭ с тепловым аккумулятором [2]. В этом случае потери тепла можно будет сократить до 5 %, соответственно повысив энергетический КПД трубопроводов до 0,95. Результаты расчета КПД СВУ по формуле (1) с учетом потерь в аккумуляторах и циркуляционных трубопроводах также приведены в табл. 2. Согласно данным табл. 2, КПД СВУ увеличиваются от 0,19 для СВУ с НПК и до 0,44 для СВУ с ВСТК, т. е. в 2,3 раза. Значения КПД СВУ с экспериментальными КСЭ НПК-1 и НПК-2 выше, чем у серийно выпускаемых СВУ и составляют от 0,41 до 0,43. После проведения экспериментов с каждым из типов КСЭ, показавших их надежность и достаточно высокую эффективность, была собрана и испытана СВУ гравитационного типа с многоступенчатым гелиоколлектором (ГТМГ), показанная на рис. 4. Экспериментальная СВУ ГТМГ состоит из прозрачного расходного бака холодной воды, имеющего измерительную шкалу; регулирующего шарового вентиля; трех ступеней КСЭ из ранее рассмотренных разнородных элементов: НПК-1 со спиральным абсорбером (во втором варианте - НПК со змеевиковым абсорбером); НПК-1 со змеевиковым абсорбером с парабоцилиндрическими отражателями, а также НПК-2 со стеклопластиковым покрытием; теплоизолированного бака-аккумулятора теплоты, установленного ниже последней ступени КСЭ; электронных термометров, датчики которых установлены на входе в первую ступень КСЭ, между первой и второй ступенями КСЭ, между второй и третьей ступенями КСЭ и после третьей ступени КСЭ и в верхней и нижней части теплового аккумулятора. Рис. 4. Экспериментальная СВУ ГТМГ Энергетический КПД СВУ ГТМГ может быть определен по формуле , (5) где АKCЭi - коэффициенты, учитывающие долю площади i-го элемента КСЭ в общей площади КСЭ; hКСЭi - КПД каждого i-го элемента КСЭ. Расчет по формуле (5) позволил получить значение энергетического КПД СВУ ГТМГ hСВУ ГТМГ = 0,51. Это значение КПД больше, чем значения для СВУ циркуляционного типа, приведенные в табл. 2, за счет отсутствия 15 % теплопотерь в циркуляционном (обратном трубопроводе). Себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет солнечной от СВУ с КСЭ различных типов, может быть определена по формуле из [9]: (6) где αКСЭ - коэффициент, учитывающий долю капитальных вложений в КСЭ в общие капитальные вложения в СВУ; kКСЭ - удельные капитальные вложения, зависящие от типа гелиоколлектора, руб./м; EC - удельное годовое количество солнечной энергии, поступающей на гелиоколлектор, ГДж/(м∙год); ТЭ - срок эксплуатации СВУ, лет. Как отмечается в [9-11], стоимость КСЭ изменяется от 5,0 тыс. руб./мдля КСЭ, произведенных в России и Китае, до 25,0 тыс. руб./м для КСЭ, произведенных в Германии. Значения kКСЭ и ТЭ, а также результаты оценки себестоимости тепловой энергии , получаемой за счет солнечной от СВУ, по формуле (6) приведены в табл. 3. По данным табл. 3, удельные капитальные вложения в КСЭ kКСЭ возрастают для КСЭ НПК с 2,3 тыс. руб./м2 до 25,0 тыс. руб./м2 для КСЭ ВСТК, т. е. в 11 раз, при этом в итоге себестоимость тепловой энергии за счет солнечной возрастает с 466 руб./ГДж до 1014 руб./ГДж, т. е. в 2,2 раза. Таким образом, более совершенные и дорогостоящие КСЭ, главным образом импортного производства, в настоящее время оказываются менее экономичными, чем простые и дешевые отечественного производства. Таблица 3 Технико-экономические показатели СВУ с КСЭ различных типов Тип коллектора kКСЭ, тыс. руб./м2 ТЭ, лет руб./ГДж Неселективный плоский: НПК без остекления 2,3 13 466 НПК-1 5,0 18 365 НПК-2 6,5 23 546 Селективный плоский: СПК-1 12,0 20 536 СПК-2 15,0 25 750 ВСТК 25,0 28 1014 Для определения срока окупаемости СВУ необходимо учесть себестоимость или тариф на замещаемую тепловую энергию СТЭ, которая зависит от источника теплоснабжения. Тепловую энергию потребитель может получать (табл. 4): от ТЭЦ, от блочной или крышной котельной, от газового водонагревателя, а также от теплового насоса с электрическим приводом компрессора, а в самых неблагоприятных условиях, при отсутствии тепловых и газовых сетей, - за счет теплоэлектронагревателей (ТЭН). Таблица 4 Технико-экономические показатели СВУ, заменяющих источники теплоты, использующие ТЭР Источник теплоты СТЭ, руб./ГДж лет тыс. руб./м2 kКСЭ = 5 тыс. руб./м2 kКСЭ = 25 тыс. руб./м2 ТЭЦ, крупная котельная 338 19 84 2,09 Индивидуальный теплогенератор или водонагреватель 246 27 115 1,52 Теплонасосная установка для систем отопления 403 16 70 2,49 Теплонасосная установка для систем горячего водоснабжения 261 25 108 1,62 ТЭНы 1044 6 27 6,46 Согласно результатам расчетов, приведенным в табл. 4, себестоимость тепловой энергии изменяется в пределах от 246 руб./ГДж при выработке ее блочной котельной или индивидуальным теплогенератором до 1044 руб./ГДж при получении ее от ТЭНов. Соответственно, срок окупаемости СВУ изменяется от 6-27 лет при альтернативном получении тепловой энергии от ТЭНов до 27-115 лет при альтернативной выработке ее блочной котельной, индивидуальным теплогенератором или водонагревателем. Меньшие сроки окупаемости имеют место при удельных капитальных затратах на kКСЭ = 5 тыс. руб./м2, а большие - при удельных капитальных затратах kКСЭ = 25 тыс. руб./м2. Следовательно, применение дорогостоящих, главным образом импортных КСЭ (СПК-2 и ВСТК), требующих капитальные затраты в размере kКСЭ = 25 тыс. руб./м2, и СВУ на их основе экономически нецелесообразно, т. к. срок их службы не превышает 25-30 лет. Следует отметить, что в настоящее время срок окупаемости СВУ, на основе главным образом коллекторов типа НПК-2 и СПК-2, составляет 8-12 лет [10, 11]. Это вполне допустимо, учитывая средний срок их эксплуатации, составляющий около 20 лет, но не слишком экономически эффективно. Стоимость разработанных нами экспериментальных циркуляционных СВУ приблизительно составляет от 0,8 до 2,2 тыс. руб./м2. Удельные затраты при серийном производстве не превысят 2,0-3,0 тыс. руб./м2 для СВУ с НПК-1 и 5,0 тыс. руб./м2 для СВУ ГТМГ, что в 2,5 раза меньше, чем для выпускаемых СВУ, а срок окупаемости не превысит 3-5 лет. Выводы По результатам исследований можно сделать следующие выводы. 1. Более совершенные КСЭ за счет резкого снижения эффективного коэффициента теплопотерь имеют более высокий энергетический КПД ηКСЭ, несмотря на некоторое снижение (от 0,93 до 0,63) оптического КПД КСЭ. Значения КПД наиболее совершенных НПК-2 и СПК-1 в среднем составляют 0,56, а ВСТК - 0,57. Экспериментальные КСЭ типа НПК-1 имеют расчетные значения ηКСЭ = 0,54-0,57, т. е. не ниже, чем у серийно выпускаемых КСЭ, за счет более низких значений KK = 2,8-5,8. 2. Значения КПД тепловых аккумуляторов СВУ с эффективной теплоизоляцией с термическим сопротивлением 3,0 м2 · К/Вт могут достигать 0,94-0,99 при увеличении объема бака аккумулятора от 0,10 до 100 м3. Более компактными, чем водяные могут быть тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода (например, техническими парафинами), объем которых будет в 2,3-4,5 раза меньше, чем у жидкостных тепловых аккумуляторов. Таким образом, целесообразно применять тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, емкостные жидкостные комбинированные коллекторы-аккумуляторы, а также комбинированные коллекторы-аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода. 3. Сокращение потерь тепла в трубопроводах СВУ возможно в оригинальных проточных (гравитационных) многоступенчатых СВУ, т. к. они будут иметь лишь короткие патрубки, соединяющие ступени КСЭ и КСЭ с тепловым аккумулятором. В этом случае потери тепла можно будет сократить до 5 %, соответственно повысив энергетический КПД трубопроводов до 0,95. 4. Значения КПД СВУ с экспериментальными КСЭ НПК-1 и НПК-2 не ниже, чем у серийно выпускаемых СВУ - от 0,54 до 0,57. Энергетический КПД СВУ ГТМГ, равный 0,51, больше, чем для СВУ циркуляционного типа за счет отсутствия 15 % теплопотерь в обратном трубопроводе. Очевидно, что с энергетической точки зрения целесообразно применять СВУ ГТМГ. 5. Применение дорогостоящих, главным образом импортных КСЭ (СПК-2 и ВСТК), с удельными капитальными затратами kКСЭ = 25 тыс. руб./м2, и СВУ на их основе экономически нецелесообразно, т. к. срок их службы не превышает 25-30 лет. Удельная стоимость разработанных нами экспериментальных циркуляционных СВУ значительно ниже и составляет от 0,8 до 2,2 тыс. руб./м2. Удельные затраты при серийном производстве не превысят 2,0-3,0 тыс. руб./м2 для СВУ с НПК-1 и 5,0 тыс. руб./м2 для СВУ ГТМГ, что в 2,5 раза меньше, чем для выпускаемых СВУ. Срок окупаемости не превысит 3-5 лет.
References

1. Fortov V. E., Popel' O. S. Energetika v sovremennom mire. Dolgoprudnyy: Izd. dom «Intellekt», 2011. 168 s.

2. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya avtonomnogo teplosnabzheniya razlichnyh ob'ektov. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. 208 s.

3. Oborudovanie netradicionnoy i maloy energetiki: Spravochnik-katalog / pod red. P. P. Bezrukih. M.: AO «Novye i vozobnovlyaemye istochniki energii», 2005. 170 s.

4. Il'in R. A., Shishkin N. D. Sovmestnaya rabota gazovoy kotel'noy i solnechnoy vodonagrevatel'noy ustanovki // Vremya nauchnogo progressa: sb. nauch. trudov po materialam Mezhdunar. nauch. konf. (Volgograd, 20 aprelya 2014 g.). Volgograd: Nauchnoe obozrenie, 2014. S. 21-26.

5. Daffi Dzh., Bekman U. Osnovy solnechnoy teploenergetiki. Dolgoprudnyy: Izd. dom «Intellekt», 2013. 888 s.

6. Baskakov A. P., Sokolova T. A., Zinchenko D. A. Raschet KPD pryamotochnogo solnechnogo kollektora. // Promyshlennaya energetika. 2010. № 8. S. 55-57.

7. Dubrovskaya V. V., Shklyar V. I., Negoduyko I. A. Analiz effektivnosti raboty vakuumnogo solnechnogo kollektora // Promyshlennaya teplotehnika. 2012. № 1. S. 95-99.

8. Popel' O. S., Frid S. E., Mordynskiy A. V., Suleymanov M. Zh., Arsatov A. V., Oschepkov M. Yu. Rezul'taty razrabotki solnechnoy vodonagrevatel'noy ustanovki akkumulyacionnogo tipa iz polimernyh i kompozitnyh materialov // Teploenergetika. 2013. № 4. S. 40-42.

9. Il'in R. A., Shishkin N. D. Kompleksnaya ocenka effektivnosti i sozdanie eksperimental'noy solnechnoy vodonagrevatel'noy ustanovki // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2015. № 21. S. 14-19.

10. Butuzov V. A., Bryanceva E. V., Butuzov V. V., Gnatyuk I. S. Gelioustanovki: osnovnye faktory ekonomicheskoy okupaemosti // Promyshlennaya energetika. 2013. № 5. S. 55-57.

11. Butuzov V. A. Perspektivy proizvodstva solnechnyh kollektorov v Rossii // Promyshlennaya energetika. 2009. № 5. S. 47-49.