Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов солнечной энергии

УДК 697.329

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПЛОСКИХ И ВАКУУМНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

© 2015

А. Ю. Алмаев, заведующий лабораториями кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение», магистрант, направление подготовки «Строительство», магистерская программа «Водоснабжение городов и промышленных предприятий» И. А. Лушкин, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение» Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. Рассмотрены плоские и вакуумные коллекторы солнечной энергии, их типы и конструктивные и технические особенности, перспективы использования для теплоснабжения в индивидуальном жилищном строительстве. Графически показана апертурная площадь, площадь абсорбера и коллектора для разных видов конструкций. Произведен анализ падения и отражения света от вакуумных трубок коллектора. Выделены основные преимущества и недостатки разных типов конструкций коллекторов солнечной энергии. Выявлены основные направления повышения тепловой эффективности плоских коллекторов солнечной энергии путем снижения оптических и тепловых потерь, применением нескольких слоев прозрачной изоляции, вакуумизации пространства между двумя слоями остекления или между лучепоглощающей поверхностью и прозрачной изоляцией, а также внедрению фокусирующих гелеоследящих концентраторов. Рассмотрены перспективы применения на территории Самарской области систем солнечного теплоснабжения на базе плоского солнечного коллектора в сезонных системах горячего водоснабжения садоводческих товариществ, не имеющих централизованного газоснабжения, и для интенсификации процесса сушки биологически активного сырья. Произведена оценка основных параметров, влияющих на коэффициент полезного действия КПД (мгновенный) коллекторов солнечной энергии. Указаны характеристики наиболее употребительных типов коллекторов солнечной энергии. Описаны физические принципы работы вакуумного солнечного коллектора, из так называемых тепловых трубок, и по своему устройству, напоминающих термос. Наружная часть такой трубки прозрачна, а на внутренней части трубки наносится высокоселективное покрытие, эффективно улавливающее солнечную энергию, а между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Представлена сравнительная характеристика современных коллекторов солнечного отопления разных типов.

Ключевые слова: абсорбер, коллекторы солнечной энергии, КПД плоского коллектора, плоские и вакуумные солнечные коллектора теплоснабжение.

По типу конструкции наибольшее распространение в системах солнечного теплоснабжения получили плоские (рисунок 1) и вакуумные (рисунок 4) солнечные коллектора [1, 2]. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании систем.

г _

1 ПЛОЩАДЬ АБСОРБЕРА 1__ АПЕРТУРНАЯ ПЛОЩАДЬ ПЛОЩАДЬ КОЛЛЕКТОРА к

Рисунок 1 - Конструкция плоского коллектора солнечной энергии

Простые и дешевые в изготовлении плоские коллектора состоят из элемента, поглощающего сол-

нечное излучение (абсорбера), прозрачного покрытия и теплоизолирующего слоя.

Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди, из-за её высокой теплопроводности, стали и алюминия. Для повышения эффективности абсорбер покрывается чёрной краской либо специальным, оптически селективным покрытием, максимально поглощающим тепловую энергию. Это покрытие представляет собой единственный наукоемкий элемент в конструкции устройства [3].

Прозрачный экран обычно выполняется из стекла с пониженным содержанием металлов либо рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом. Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются в основном из меди. Сама панель является воздухонепроницаемой. Коллектор способен улавливать прямую и рассеянную радиацию и устанавливается, как правило, стационарно на крыше здания.

Преимущества плоского солнечного коллектора:

- большая площадь абсорбера;

- отношение апертурной площади к общей площади плоского солнечного коллектора;

- низкая стоимость, простота изготовления;

- возможность реализации режима принудительной оттайки выпавшего снега путем пропускания в течение нескольких минут горячего теплоносителя через солнечный коллектор;

- способность улавливать как прямую, так и рассеянную радиацию;

- стационарная установка без применения гелио-следящих устройств;

- стоимость солнечной установки можно существенно уменьшить путем совмещения конструкции кровли с плоским солнечным коллектором.

Недостатки плоского солнечного коллектора:

- хрупкость светопрозрачного листового покрытия;

- низкий КПД при высоких температурах абсорбера;

- возможность замерзания теплоносителя зимой;

- низкая рабочая температура (максимальная рабочая температура теплоносителя (без застоя) не превышает 100 °С);

- коррозия [7].

Тепловая эффективность плоских коллекторов солнечной энергии может быть увеличена путем снижения оптических и тепловых потерь благодаря применению нескольких слоев прозрачной изоляции (остекления), вакуумизации пространства между лу-чепоглощающей поверхностью и прозрачной изоляцией [5, 6], а также внедрению фокусирующих гелеосле-дящих концентраторов [3, 12].

Коэффициент полезного действия КПД (^с) коллекторов солнечной энергии (мгновенный) равен:

дс тс • ср

Мгновенный КПД плоского коллектора солнечной энергии равен:

Лс = — = L

I

где - удельная теплопроизводительность

коллектора солнечной энергии, Вт/м2;

/ - плотность суммарного потока солнечной

радиации, поступающей на поверхность коллектора солнечной энергии, Вт/м2;

тс - удельный массовый расход теплоносителя в коллекторе солнечной энергии, кг/(м2-с);

Ср - удельная изобарная теплоемкость теплоносителя, ДжДкг-К);

Тоиг с - температура теплоносителя на выходе из коллектора солнечной энергии, °С;

Т 1п с - температура теплоносителя на входе в коллектор солнечной энергии, °С.

Лс =Ло J {Tin, с Т air)'

где К - эффективный коэффициент теплопо-терь коллектора солнечной энергии, Вт/(м2-К);

Л - эффективный оптический КПД коллектора солнечной энергии %;

Тair - температура наружного воздуха, °С. Основная характеристика коллектора солнечной энергии - зависимость Цс от foutс - Tin с)/Ic определяется при его испытании и изображается прямой с нулевой ординатой, равной оптическому КПД, при

нормальном падении лучей Л0, а тангенс угла наклона прямой дает величину Кс. На рисунке 2 показаны характеристики наиболее употребительных типов коллекторов солнечной энергии [5]. 100

КПДк,%

80 60 40 20 0

\

V

\ 3

\

\ 1 2

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 Тп>с -Тэ'г и КВт

1с

Рисунок 2 - Типичные характеристики различных типов коллекторов солнечной энергии 1 - неселективный плоский коллектор солнечной энергии с двухслойным остеклением с алюминиевым штампованным абсорбером; 2 - то же с антиотражательным покрытием трех поверхностях остекления; 3 - селективный плоский коллектор солнечной энергии с однослойным остеклением с покрытием «черный хром» на стальном абсорбере; 4 - вакууми-рованный стеклянный трубчатый коллектор с селективным концентрическим абсорбером; 5 - неселективный плоский коллектор солнечной энергии с однослойным остеклением

В Самарской области системы солнечного теплоснабжения на базе плоского солнечного коллектора получили большое распространение в сезонных системах горячего водоснабжения садоводческих товариществ, не имеющих централизованного газоснабжения, в том числе и самодельных (рисунок 3), и для интенсификации процесса сушки биологически активного сырья [4].

Рисунок 3 - Коллектор солнечной энергии на базе радиатора РСГ

Вакуумный солнечный коллектор (рисунок 4) состоит из так называемых тепловых трубок и по своему устройству, напоминает термос. Наружная часть такой трубки прозрачна, а на внутренней части трубки наносится высокоселективное покрытие, эффективно улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Внутри трубки находится низкокипящая жидкость или теплоноситель.

ПЛОЩАДЬ АБСОРБЕРА  ПЛОЩАДЬ КОЛЛЕКТОРА

АПЕРТУРНАЯ ПЛОЩАДЬ

Рисунок 4 - Конструкция вакуумного коллектора солнечной энергии

При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь, отдают тепло коллектору. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи падают на поверхность абсорбера перпендикулярно к оси трубки, но при этом все остальные лучи, не перпендикулярные оси трубки, будут отражаться (рисунок 5). Отражение вдоль трубок будет такое же, как и у плоских солнечных коллекторов.

Преимущества вакуумированного трубчатого солнечного коллектора:

- высокая рабочая температура;

- высокий КПД;

- отсутствие вероятности заморозки (для паро-конденсатных);

- способность улавливать как прямую, так и рассеянную радиацию;

- стационарная установка без применения гелио-следящих устройств;

- отсутствие условий для коррозии.

Недостатки вакуумированного трубчатого солнечного коллектора:

- хрупкость светопрозрачного листового покрытия;

- небольшая площадь абсорбера;

- отношение апертурной площади к общей площади плоского солнечного коллектора;

- высокая стоимость, простота изготовления;

- невозможность реализации режима принудительной оттайки выпавшего снега без внедрения дополнительных систем.

Рисунок 5 - Падение и отражение света от вакуумных трубок

Сравнительная характеристика коллекторов солнечного отопления представлена на рисунке 6 [2].

100

80

60

40

20

'— —*.

\ ?

-

\ \

V \

\ \

\

V V 1

20

40

60

80

100

Разница температур, °С

Рисунок 6 - Сравнительная характеристика

коллекторов солнечного отопления 1 - открытый коллектор солнечной энергии;

2 - плоский коллектор солнечной энергии; 3 - вакуумный трубчатый коллектор солнечной энергии

При выборе солнечного коллектора любой конструкции необходимо учитывать их отличия, стоимость, реальный КПД, область применения и климатические данные [8, 9, 13, 14] и экономический эффект от внедрения [15].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алмаев А. Ю. Лушкин И. А. Использование солнечной энергии для теплоснабжения систем горячего водоснабжения в индивидуальном жилищном строительстве. Вестник НГИЭИ. 2014. № 12 (43). С. 5-9.

2. Эффективная теплоэнергетика. http: // eco-energy.kz/a16075-sravnenie-konstru ktsij-razlichnyh.html.

3. Щукина Т. В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений [текст]: монография / Т. В. Щукина; Воронеж. гос.арх.-строит.ун-т. Воронеж, 2007. 120 с.

4. Кучеренко М. Н. Анализ параметров атмосферного воздуха как агента сушки / М. Н. Кучеренко. Известия высших учебных заведений. Строительство, 2005. № 3. С. 118-119.

5. Богословский В. Н., Крупнов Б. А., Сканави А. Н. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. I. Отопление. 4-е изд., М. : Стройиздат, 1990. 344 с.

6. THE SRB SOLAR THERMAL PANEL C. Ben-venuti - SRB Energy, c/o CERN - 1211 Genève 23, Switzerland - DOI: 10.1051/epn/2013301 http:// www.europhysicsnews.org or http:// dx.doi.org/10.1051 /epn/2013301.

7. Анциферов С. А., Филенков В. М. Влияние нефтепродуктов на коррозионную активность грунта. Вестник НГИЭИ. 2014. № 12 (43). С. 9-13.

8. Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. Физика и техника полупроводников, 2004, том 3, вып. 8. Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук, 2004.

9. Петросян А. Л. Использование солнечной энергии и тепловых насосов для теплоснабжения жилых зданий. Сб научн. трудов. Ереванского гос. университета архитектуры и строительства. II том. 2003. С. 122-124.

10. Duffie J. A., Beckman W. A. Solar energy thermal process. Wiley interscience, N. Y., 1974.

11. Beckman W. A., Duffie J. A., Klein S. A. Simulation of solar qeating sistems. Chapter 9 of the ASHRAE book. Applications of solar energy for heating and cooling a building. ASHRAE GRP. 170. American society of heating, refrigerating and air conditioning engineers. N. Y., 1977.

12. THE SRB SOLAR THERMAL PANEL C. Benvenuti - SRB Energy, c/o CERN - 1211 Genève 23, Switzerland - DOI: 10.1051/epn/2013301 http:// www.europhysicsnews.org or http://dx.doi.org/ 10.1051 /epn/2013301.

13. Щукина Т. В. Научно-методологические основы использования солнечной энергии в замещении тепловых нагрузок зданий : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.03 / Щукина Татьяна Васильевна; Москва, 2011. 281 с.: ил.

14. Кучеренко М. Н. Термодинамическое обоснование графоаналитического решения задачи влаго-переноса в слое биологически активной продукции : дис. ...канд.тех.наук: 05.23.03 / Кучеренко Мария Николаевна. Н. Новгород, 2005. 134 с.

15. Слесарев Д. Ю., Алмаев А. Ю. Тарифный парадокс. Предпосылки использования электрических вод о нагревателей для поквартирного горячего водоснабжения. Энергосбережение и водоподготовка. 2012. № 3. С. 67-68.

ADVANTAGES AND DISADVANTAGES FLAT AND VACUUM SOLAR ENERGY COLLECTORS

© 2015

A. Y. Almaev, head of laboratory of the department «Heat, ventilation, water supply and sanitation», master, training direction «Construction» master program «Water for cities and industrial enterprises» I. A. Lushkin, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «Heat, ventilation,

water supply and sanitation»

Togliatti State University, Togliatti

Annotation. The flat and vacuum collectors solar energy, their types, and structural and technical features, prospects of use for heating in individual housing construction. Graphically shows the aperture area, the area of the absorber and collector for different types of structures. The analysis of incidence and reflection of light from a vacuum tube collector. The main advantages and disadvantages of different types of designs of collectors of solar energy. Identified the main directions of improving the thermal efficiency of flat-plate collectors of solar energy by reducing optical and thermal losses, by applying multiple layers of transparent insulation, the need for vacuum space between the two layers of glazing or between lucaogou surface and transparent insulation, as well as the introduction of the focusing heliozelidae hubs. Prospects of application in the territory of the Samara region of the solar heat supply systems on the basis of flat solar Collector in the seasonal hot water systems horticultural products displaying materials that do not have centralized gas supply, and to intensify the process of drying of bioactive materials. The estimation of the main parameters influencing efficiency efficiency (instantaneous) collectors of solar energy. Shows the characteristics of the most common types of solar energy collectors. Describes the physical principles of operation of vacuum solar collector from the so-called heat pipes, and on the device, resembling a thermos. The outer portion of such a tube is transparent, and on the interior of the tube is

applied to a highly selective coating, effectively trapping solar energy, and between the outer and inner glass tube is a vacuum. The comparative characteristic of modern collectors solar heating of different types.

Keywords: solar collectors, flat-plate collector efficiency, heat absorber, flat and vacuum solar collector.

УДК 624.012.45.04

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА ПОВТОРНЫМИ НАГРУЗКАМИ СЖАТИЯ

ПРИ ПОСТОЯННЫХ УРОВНЯХ НАПРЯЖЕНИЙ

© 2015

Ю. С. Афанасьева, магистрант В. А. Ерышев, доктор технических наук, профессор кафедры «Городское строительство и хозяйство» Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. Большинство строительных конструкций в процессе эксплуатации подвергаются повторным нагрузкам, которые периодически снимаются и прикладываются снова через определенное время. В настоящее время накоплен определенный опыт построения моделей деформирования железобетонных элементов на основе реальных диаграмм бетона и арматуры. Однако эти модели используют в основном для расчета конструкций на однократное приложение статической нагрузки. В данной статье на основании результатов программного расчета строятся аналитические зависимости изменения деформационных параметров бетона в цикле, включающим нагрузку образца до заданного уровня напряжений сжатия и полную разгрузку до 0. На основании диаграмм бетона при изменении напряжений по некоторым циклическим закономерностям строится методика расчета изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых стержневых конструкций при одиночных, повторных, в том числе знакопеременных нагружениях. Даны рекомендации по расчету и построению диаграмм деформирования бетона повторными нагрузками сжатия при постоянных уровнях напряжения.Разработана программа расчета описания диаграмм деформирования бетона при повторных нагружениях при постоянном уровне напряжения на сжатие. Планируется составить алгоритм расчета железобетонных конструкций стержневых элементов при сложных режимах нагружения на основе данных этих разработок.

Ключевые слова: периодические нагрузки, деформация бетона, диаграмма деформирования.

В настоящее время существует несколько методов описания диаграмм деформирования бетонных элементов [1, 2, 3]. Однако такие методы используются в основном для расчета конструкций на однократное приложение статической нагрузки. На основании диаграмм бетона при изменении напряжений по некоторым циклическим закономерностям строится методика расчета изгибаемых, внецентренно сжатых стержневых конструкций при не многократных повторных нагружениях [4].

Цель данной статьи - разработка программы расчета описания диаграмм деформирования бетона при повторных нагружениях при постоянном уровне напряжения на сжатие.

Построение методов расчета конструкций с компонентами из нелинейных материалов, в том числе бетонов, связано с решением трех основных задач: установление связи между напряжениями и деформациями до разрушения при произвольных напряженных состояниях; введением в общем случае нагрузки и разгрузки, включая повторные и знакопеременные режимы нагружения; установление соотношений, позволяющих определять остаточные деформации при разгрузке и деформации при последующих циклах

нагружения при любых допустимых законах изменения внутренних напряжений. Появление остаточных деформаций характеризует собой по определению основное свойство материалов, обладающих нелинейными свойствами. Для таких материалов характерно различие между функциями^" =/(Х)при нагрузке и

разгрузке. Для того чтобы проявились остаточные деформации, необходимо в опытах нагрузить образец и провести разгрузку [5].

В данной статье на основании результатов программного расчета строятся аналитические зависимости изменения деформационных параметров бетона в цикле, включающим нагрузку образца до заданного уровня напряжений сжатия оь и полную разгрузку до

Ползучесть бетона после приложения напряжений проявляется в небольшой степени. Для упрощения расчетов строят модели кратковременного и длительного нагружения. В кратковременных моделях учитываются быстронатекающие деформации ползучести, относящиеся к неупругим деформациям.

В рамках кратковременных моделей деформирования свойства бетона в связях — оь->-> устанав-