АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А. АЗИМОВА
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА
На правах рукописи
УДК 662.997:537.22.
ТЎРАЕВА ЎЛМАСОЙ ФАРМОНОВНА
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК С СЕЛЕКТИВНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ
ИЗЛУЧЕНИЯ
05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии
05.14.05 - Теоретические основы теплотехники
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ТАШКЕНТ – 2010
2
Работа выполнена в Институте Материаловедения
НПО "Физика-Солнце" им. С.А.Азимова АН Республики Узбекистан
Научный руководитель:
доктор технических наук
Абдурахманов Абдужаббор Абдурахманович
Научный консультант:
доктор технических наук
Клычев Шавкат Исакович
Официальные оппоненты:
академик АН РУз, доктор технических наук,
профессор
Захидов Ромэн Абдуллаевич
доктор технических наук, профессор
Вардияшвили Асқар Билол ўғли
Ведущая организация:
Ферганский политехнический институт
Защита состоится «____» __________ 2010 года в ______ часов на заседа-
нии Специализированного совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте
НПО “Физика-Солнце” им. академика С.А.Азимова АН РУз по адресу: 100084,
г.Ташкент, ул. Бодомзор йўли, 2Б. Тел.: (8-10-99-871) – 233-12-71, Факс: (8-10-99-
871) - 235-42-91, E-mail:
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико - технического
института НПО «Физика-Солнце» АН РУз.
Автореферат разослан «____» _________ 2010 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим
направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря Специализиро-
ванного совета.
Ученый секретарь
Специализированного совета
д.ф.-м.н., профессор Каримов А.В.
3
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность работы.
Основная проблема создания и использования сол-
нечных установок, как известно, обусловлена особенностями солнечного излучения
у поверхности Земли - низкая энергетическая плотность, суточная цикличность по-
ступления и существенная зависимость от климатических факторов. Указанное
определяет значительные габариты и высокую стоимость солнечных установок и в
первую очередь их приемно - концентрирующих устройств.
В настоящее время основная задача в гелиотехнике это повышение рента-
бельности солнечных установок. Решение задачи ведется по двум, в общем, взаи-
мосвязанным направлениям. Первое, это уменьшение стоимости и второе это по-
вышение КПД солнечных установок. Один из основных факторов, влияющих на
КПД солнечной установки это радиационные характеристики приемников солнеч-
ного излучения, а также поверхностей ограждающих конструкций.
Указанное, определяет актуальность темы работы, направленной на повыше-
ние эффективности солнечных установок за счет оптимизации селективных радиа-
ционных характеристик приемников солнечного излучения.
Степень изученности проблемы.
В настоящее время проведены большие
работы по созданию селективных приемников солнечного излучения, разработаны
требования к оптимальным радиационным характеристикам селективных приемни-
ков солнечного излучения. Однако известных работах [1-4] мало внимания уделя-
ется определению влияния селективных радиационных характеристик приемников,
на эффективность солнечных тепловых и энергетических установок в целом. Так,
не определены требования к необходимой степени селективности приемников сол-
нечных низкотемпературных установок в зависимости от температур нагрева, вли-
яние селективности на КПД установки в целом, не рассмотрены вопросы исполь-
зования селективных покрытий для поверхностей зданий и сооружений, находя-
щихся под воздействием солнечного излучения (поверхности охлаждения).
Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.
Диссер-
тационная работа выполнена в рамках государственной научно – технической про-
граммы института Материаловедение НПО «Физика - Солнца» АН РУз на 2009-
2011 ФА-А13-ФО26 «Расширение функциональных возможностей Большой Сол-
нечной Печи (БСП) для осуществления оптимальных технологических режимов и
преобразование солнечной энергии».
Целью исследования
является разработка методик определения селективно-
сти приемников солнечного излучения и численных моделей для определения эф-
фективности использования селективных поверхностей в солнечных низко- и вы-
сокотемпературных установках и выработки рекомендаций по их применению.
Задачи исследования
:
1. Разработка моделей для определения эффективности использования селек-
тивных приемников в солнечных тепловых и теплоэнергетических установках.
2. Разработка методики определения интегральных радиационных характери-
стик селективных приемников солнечного излучения и её экспериментальная отра-
ботка.
4
3. Разработка рекомендаций по применению селективных лучевоспринимаю-
щих поверхностей в солнечных установках.
Объектом и предметом исследования.
В качестве исследуемого объекта
были выбраны солнечные тепловые и энергетические установки. Предметом иссле-
дования является закономерности распределения радиационных характеристик
приемников солнечного излучения и влияния селективности на КПД солнечных
установок.
Методы исследования.
В работе использованы основные положения фото-
метрии, геометрической оптики и теоретических основ теплотехники, общепри-
знанные методы численного решения уравнений теплопроводности, а также мето-
ды обработки результатов.
Гипотеза исследования
основана на законе Кирхгофа, определяющей взаи-
мосвязь коэффициентов поглощения материала и излучения с температурой при-
емника излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методики измерения интегральных поглощательных и излучательных харак-
теристик поверхностей в условиях эксплуатации, а также их экспериментальная
отработка.
2. Численные модели низкотемпературных солнечных установок, включающие
селективные приемные поверхности.
3. Методика оптимизации радиационных характеристик приемников солнеч-
ных теплоэнергетических установок.
Научная новизна:
1. Развита методика определения интегральных радиационных характеристик
поверхностей по равновесным температурам, отличающаяся новым способом уче-
та конвективных теплопотерь.
2. Разработана численная модель «горячего ящика», отличающаяся учетом теп-
лопотерь с боковых поверхностей и возможностью определения влияния селектив-
ности приемных поверхностей на КПД установки.
3. Разработана методика определения оптимальных параметров (концентра-
ция, температура преобразования) солнечной теплоэнергетической установки с се-
лективным приемником излучения, впервые определены максимальные КПД сол-
нечных теплоэнергетических установок с селективными приемниками излучения.
Научная и практическая значимость результатов исследования:
1. Методика определения интегральных радиационных характеристик, её экс-
периментальная отработка могут быть использованы на практике для определения
радиационных характеристик различных материалов.
2. Разработанные тепловые модели солнечных низкотемпературных установок
и их численная и программная реализации могут быть использованы при обоснова-
нии степени селективности приемников солнечного излучения.
3. Результаты оптимизации системы приемник – термодинамический преобра-
зователь могут быть использованы при определении оптимальных параметров се-
лективности приемника в зависимости от концентрации солнечного излучения и
температуры преобразования.
5
Реализация результатов.
Разработанные методики определения интеграль-
ных радиационных характеристик поверхностей использованы в ФТИ НПО «Физи-
ка – Солнце АН РУз» при исследованиях приемников солнечного излучения, а
также в учебных курсах по возобновляемым источникам энергии в ряде высших
учебных заведений Республики.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на
научных семинарах Института Материаловедения НПО "Физика-Солнце" АН РУз,
Объединенном научном семинаре Спецсовета при Физико-техническом институте
НПО "Физика-Солнце" АН РУз, а также на Республиканских и Международной
конференции: «Современное состояние и актуальные проблемы развития энергети-
ка» (Ош, Киргизия, 2008), «Альтернативная энергетика и проблемы энергобезопас-
ности» (Бишкек, Киргизия, 2008), «Табиий фанларнинг долзарб муаммолари» (Са-
марқанд, 2008).
Опубликованность результатов.
Основные научные результаты диссертации
изложены в 9 научных работах, из них 4 статей в международном научном журнале
«Гелиотехника» и 5 в материалах и трудах международных и республиканских
конференций.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Объём работы
состоит из 120 страниц, и содержит 35 рисунков, 3 таблицы, список литературы из
102 наименований, приложения на 10 стр
.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении
обоснована актуальность темы исследования, изложены цели и
задачи, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, научная и
практическая значимость полученных результатов.
В первой главе
исходя из общей проблемы создания эффективных солнеч-
ных установок проведен анализ работ по повышению эффективности солнечных
установок за счет оптимизации радиационных характеристик приемника и ограж-
дающих поверхностей. Анализ показал, что в настоящее время в этой области акту-
альными являются задачи разработки методик измерения селективности приемни-
ков в эксплуатационных условиях, а также задачи разработки тепловых моделей
для определения влияния кпд селективного приемника на эффективность солнеч-
ной установки. Практически, за исключением Теплякова Д. И. не рассмотрена за-
дача оптимизации селективных характеристик приемников солнечных теплоэнер-
гетических установок с концентрацией солнечного излучения. По результатам ана-
лиза сформулированы цели и задачи работы.
Во второй главе
приведены результаты разработки методик определения ин-
тегральных поглощательной (
a
S
)и излучательной (
e
T
) характеристик реальных по-
верхностей приемников солнечного излучения в эксплуатационных условиях. От-
метим, что если
e
T
является функцией температуры тела, то
a
S
является функцией
температуры источника. Поэтому на первом этапе разрабатывалась методика опре-
деления
e
T
. На рис.1. приведена схема определения
e
T
по равновесной температуре.
6
Одна из проблем определения
e
T
это необходимость учета (исключения) при изме-
рениях конвективных теплопотерь. Особенность разработанной методики в том,
что для одних и тех же условий определяются равновесные температуры двух тон-
ких пластин «черного» тела и рабочего образца.
Рис.1. Схема определения
e
T
по равновесным
температурам
Так для равновесного теплового состояния этих тел имеем следующие урав-
нения баланса, для образца
2
*
e
*
s
*
Т
4
+2
*
α
К*
(Т-Т
0
) = α
*
Е
С
+ 2
*
e
*
s
*
Т
4
(1)
Для «черного» тела
2
*
e
a*
s
*
Т
а
4
+2
*
α
Кa*
(Т
а
-Т
0
) = α
a*
Е
С
+ 2
*
e
a*
s
*
Т
a
4
(2)
Важным здесь является обеспечение условия α =
e
и α
a
=
e
a
, что определяет и
температуру источника, так при условии 90% излучения в области длин волн более
3мкм она составляет не более 320
0
С, а для 80%, не более 520
0
С.
В этих уравнениях известны температуры образца и «АЧТ», температуры
стен, окружающего воздуха и плотность падающего излучения E, неизвестными
являются
e
и коэффициенты конвективной теплоотдачи α
К
, α
Кa
. При этом из урав-
нения (2) определяем α
Кa
и считая, что α
К
= α
Кa
(погрешность допущения при есте-
ственной конвекции не более 5%, а при вынужденной равенство становится еще
более точным). Далее из уравнения (1) определяем
e
. При этом погрешность мето-
да составляет около 8%, что вполне приемлемо.
Анализ методики определения
e
T
по равновесным температурам показывает,
что на этой основе возможно создание и нестационарного метода определения
e
T
.
Метод заключается в том, что излучательная способность определяется не только
по равновесной температуре, а в целом по кривым охлаждения (нагрева), рис.2.
7
0
5
10
15
20
25
10
20
30
40
50
60
охлаждение
нагрев
t,
0
C
t
, min
Рис. 2. Расчетные и экспериментальные кривые нагрева и
охлаждения зачерненной медной пластины
Расчетная модель задачи нагрева одномерной пластины приведена на рис. 3,
где h – толщина образца; L – характерный (условный) размер пластины.
Рис. 3. Схема одномерной нестационарной задачи нагрева
Как, показали исследования на этой основе возможно создание и упрощенно-
го метода определения ε
Т
. Известно, что при одинаковой плотности потока пада-
ющего излучения серые тела, независимо от ε
Т
имеют одинаковую равновесную
температуру. В то же время динамика их нагрева может отличаться (рис.4а,б). Ана-
лиз временной зависимости динамика нагрева пластины показал, что по разности
равновесных температур или максимальных разностей на кривой нагрева относи-
тельно черного тела можно определять ε
Т
на воздухе для заданных условий (рис.5).
При определении поглощательной способности по этим методикам необходимо,
чтобы температура излучателя была близкой к температуре Солнца. В связи с этим
8
были реализованы схемы, когда источник Солнце и ксеноновая лампа. При этом,
как видно из уравнений (1) и (2) этот метод позволяет решать две задачи –
непосредственно из измерений также определять такой важный параметр, как па-
раметр селективности П =
a
S
/ε
Т
для любой поверхности приемника, а при предва-
рительном измерении ε
Т
может быть определена и поглощательная способность
материала к солнечному излучению
a
S
.
0
20
40
60
80
100
20
40
60
80
100
t,
o C
t,
min
e=0,3
e=0,5
e=0,7
e=0,945
a)
а - в вакууме
0
10
20
30
40
50
60
20
30
40
50
60
70
t,
o C
t,
min
e=0,7
e=0,945
e=0,5
e=0,3
б)
б - на воздухе
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0
4
8
12
16
d
t = t
e
-t
А
ЧТ
,
0
C
e
1
2
1-максимальные; 2 – равновесные
Рис. 4. Динамика нагрева пластины во времени при раз-
личных ε
Т
Рис. 5 Разности температур тел с
различными ε
Т
относительно
"черного" тела
Влияние селективности поверхности на равновесную температуру при раз-
личных значениях параметра селективности П показано на рис. 6, где приведены
разности равновесных температур серой (T
СЕР
) и селективной (T) поверхностей δТ
= Т – Т
СЕР
, и различными α
1
(ε
1
= α
1
) серой поверхности.
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
-5
0
5
10
15
20
25
(T-T
s)
П
=a
S
/e
T
1
2
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
-2
0
2
4
6
8
T-T
S
П
=a
S
/e
T
1
2
а - E
С
=5000 Вт/м
2
; б - E
С
=900 Вт/м
2
;
Рис. 6. Влияния селективности на равновесные
температуры нагрева для
a
ST
= 0,9
9
В третьей главе
приведены результаты работ по реализации предложенных
методик и результаты измерения радиационных характеристик, различных поверх-
ностей приемников, в том числе поверхностей «охлаждения».
На рис.7. приведены установки для определения интегральных излучатель-
ной (а) и поглощательной (б) способностей.
а – излучательная способность;
б – поглощательная способность;
Рис. 7. Экспериментальная установка для определения интегральных
радиационных характеристик материалов
На этих установках были исследованы радиационные характеристики образ-
цов различных материалов без предварительной обработки их поверхностей, ха-
рактерных для условий эксплуатации, как показано в таблице.
Интегральная поглощательная к солнечному излучению
и излучательная способности различных материалов
ОБРАЗЦЫ
ε
T
α
S
α
S
/ε
T
«сажа»
0,945
0,945
1
медь
0,45
0,45
1
нержавеющая сталь
0,53
0,52
1
алюминий
0,32
0,32
1
черная краска
0,919
0,9
0,998
серая краска
0,76
0,75
1,019
синяя краска
0,54
0,5
1,08
зеленая краска
0,7
0,7
1
красная краска
0,61
0,6
1,04
«селективная»
0,4
0,9
2,25
белая эмаль
0,897
0,5
0,6
гипс
0,902
0,3
0,3
шамот
0,75
0,25
0,3
10
Анализ результатов исследований и сравнение с материалами с известными
радиационными характеристиками показал, что погрешность методик составляет
порядка 8 – 10%. Так например, подтверждается, что некоторые из красок и строи-
тельных материалов имеет существенно обратную селективность и могут быть ис-
пользованы как поверхности охлаждения. В целом такие установки и разработан-
ная методика могут быть рекомендованы для использования на практике.
На рис. 8 приведены равновесной температуры различных образцов, отлича-
ющихся поглощательной способности. Как видно, имеет место существенное влия-
ние радиационных характеристик на температуре нагрева, что позволяет управлять
температуры нагрева (охлаждения).
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0
20
40
60
80
100
120
t,
o C
a
"Черная"
Белая эмаль
Гипс
Шамот
Рис.8. Равновесные температуры образцов
В четвертой главе
на основе исследований, проведенных выше были разра-
ботаны тепловые модели приемников солнечных установок для определения влия-
ния радиационных характеристик на КПД приемника и солнечных установок в це-
лом, и выработки на этой основе рекомендаций по их оптимизации и рационально-
му применению. В общем случае можно выделить два основных типа солнечных
теплоэнергетических установок (СЭУ) – тепловые («горячий ящик» - водонагрева-
тели, сушилки, опреснители) и собственно теплоэнергетические, преобразующие
тепло в термодинамических циклах.
Типы и конструктивное исполнение СЭУ могут существенно различаться,
однако всегда можно выделить следующие основные элементы: – приемник и пре-
образователь тепловой энергии в механическую (см. рис.9), для горячих ящиков
обычно имеем один элемент «приемник».
В общем случае КПД СЭУ равно
ПР
П
h
×
h
=
h
(3)
Влияние радиационных характеристик имеет место, как в тепловых, так и в
теплоэнергетических установках. Для исследования влияния радиационных харак-
теристик на КПД горячего ящика была разработана тепловая модель, основные па-
раметры которой представлены на рис.10.
11
Рис.9. Основные характеристики СЭУ
Рис.10. Схема и основные параметры, и тепло-
вые потоки в приемнике НПУ
Разработанная стационарная тепловая модель горячего ящика отличается от
существующих тем, что позволяет учитывать все основные виды теплопотерь, в
том числе и с боковых сторон (составляют от 20% до 30% площади дна), а также
селективность радиационных характеристик приемника, прозрачного ограждения, а
также поверхностей теплоизоляционных ограждающих конструкций.
Влияние теплопотерь с боковых сторон на КПД горячего ящика для двух
предельных случаев, изоляция на боковой стороне отсутствует ("h=0.1см") и теп-
лоизоляция идеальна (h=10см) приведено на рис.11.
30
40
50
60
70
80
90
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
h
h
Б
=10cм
h
Б
=0,1cм
h
И
= 0.05
l
Б
= 0.107
e
И
= 0.8
t
ПР
,
о
С
E
c
=900Вт/м
2
K = 0.2
30
40
50
60
70
80
90
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
t
ПР
,
о
С
h
h
Б
=10см
h
Б
=0,1см
h
И
= 5см
l
Б
= 0.107
e
И
= 0.8
E
С
=900Вт/м
2
w = 3
K = 0.3
а - К = 0.2; б - К = 0.3;
Рис 11. Влияние теплопотерь с боковой поверхности на КПД водонагревателя
в зависимости от температуры приемника
Как видно, теплопотери с боковой поверхности достаточно заметно, особен-
но при температурах приемника более 50
0
С. Так при T
ПР
= 70
0
С и отношение пло-
щади боковой поверхности к площади приемника K равно 0.2 КПД уменьшается на
12
26%, а при К = 0.3 КПД уменьшается практически в три раза. Т.е. этот фактор
необходимо учитывать при проектировании горячего ящика, в том числе и при
назначении расстояния от лучевоспринимающей поверхности (ЛП) до прозрачного
ограждения.
Результаты исследования влияния радиационных характеристик наружных
поверхностей водонагревателя на КПД приемника приведено на рис.12. Отметим,
что, так как температура окружающей среды, сравнимы с температурой водонагре-
вателя, то здесь эффекта селективности не имеется и, в общем, наружные поверх-
ности должны представлять серые тела. Как видно из рис.12 влияние
e
Т
боковой и
донной поверхности достаточно заметно при температурах приемника более 50
0
С.
Так при отсутствии теплоизоляции на боковой поверхности при T
ПР
= 65
0
С для
e
Т
= 0.9 КПД равно 0.315, при
e
Т
= 0.5 КПД составляет 0.333, а при
e
Т
= 0.1 КПД со-
ставляет 0.353. Т.е. с уменьшением
e
Т
КПД возрастает соответственно на 6% и 12%,
с ростом температур приемника это различие увеличивается. Для случая, когда бо-
ковая поверхность идеально теплоизолирована влияние
e
Т
на КПД незначительно.
Дело в том, что основные теплопотери в «горячих ящиках происходят со стороны
прозрачного ограждения.
30
40
50
60
70
80
90
0,0
0,2
0,4
0,6
e
ДНО
=
e
Б
= 0.5
e
ДНО
=
e
Б
= 0.9
t
R
= 15
0
С t
Z
= 25
0
С t
V
= 25
0
С
t
ПР
,
о
С
h
h
Б
=0,1см
h
И
= 5см
l
Б
= 0.107
e
ДНО
=
e
Б
= 0.1
Ec=900Вт/м
2
w = 2
К = 0.3
а) h
Б
=0.1 см
30
40
50
60
70
80
90
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
e
ДНО
=
e
Б
= 0.5
e
ДНО
=
e
Б
= 0.9
t
R
= 15
0
С t
Z
= 25
0
С t
V
= 25
0
С
t
ПР
,
о
С
h
h
Б
=10см
h
И
= 5см
l
Б
= 0.107
e
ДНО
=
e
Б
= 0.1
E
C
=900Вт/м2
w = 2
К = 0.3
б) h
Б
=10 см
Рис 12. Влияние излучательной способности наружных поверхностей водонагревателя на
КПД приемника в зависимости от его температуры
Влияние селективных (
a
= 0.9,
e
= 0.1 и
a
= 0.9,
e
= 0.5) радиационных харак-
теристик ЛП с постоянной пороговой длиной волны
l
ПОР
= 2.7мкм (граница про-
пускания стекла) на КПД горячего ящика приведено на рис.13, там же для сравне-
ния приведены КПД «черной» (
a
=
e
= 1) и «серой» с
a
=
e
= 0.9. Как видно, эффект
от селективности существенно зависит от температуры ЛП и также начинает за-
метно проявляться при температурах приемника более 60
0
С. Причем до температур
55
0
С, КПД черной ЛП даже превышает КПД селективной ЛП.
13
30 40 50 60 70 80 90 100 110
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
e
= 0.5
a
= 0.9
a
=
e
= 0.9
a
=
e
= 1
h
t
ПР
,
о
С
h
Б
=1см
h
И
= 5см
l
Б
= 0.107
E
C
=900Вт/м
2
w = 0
К = 0.2
e
= 0.1
a
= 0.9
Рис.13. Влияние селективности приемника
на КПД «горячего ящика» водонагревателя
Отсюда следует, что применение селективных приемников в НПУ целесооб-
разно только для случаев, когда требуется достаточно высокая температура прием-
ника, а при обычных температурах в водонагревателях более эффективно примене-
ние серых приемников с максимально возможной поглощательной способностью.
В целом полученные результаты, модели и программы могут быть использованы в
проектных расчетах «горячих ящиков» – определение толщин теплоизоляции, вы-
бор радиационных характеристик приемника и ограждающих поверхностей.
Одним из перспективных путей крупномасштабного преобразования солнеч-
ной энергии являются солнечные энергетические установки (СЭУ) на базе термо-
динамических циклов. Особенность расчета СЭУ проявляется только для солнеч-
ного приемника (котла), КПД которого, в отличие от "обычных" котлов существен-
но уменьшается с ростом температуры. В то время, как известно, КПД термодина-
мического преобразования растет с ростом температуры. Т.е. в СЭУ имеются оп-
тимальные температуры преобразования тепловой энергии в механическую, при
которых достигается максимальный КПД СЭУ в целом.
В общем случае КПД СЭУ
h
равно
h
=
h
П
*
h
К
(4)
где
h
П
- КПД приемника (П) и
h
К
- КПД цикла Карно.
Для приемников концентрированного солнечного излучения основные поте-
ри происходят с лучевоспринимающей поверхности (ЛП) и можно принять, что
КПД приемника равно КПД ЛП, или
h
П
=
h
ЛП
. Общее выражение для КПД ЛП для
любых типов приемников было получено ранее. Анализ показал, что для случая
концентрированного солнечного излучения оно может быть упрощено
h
ЛП
= [а
S
-
e
Т
n(T/T
C
)
4
- n
a
К
(Т – Т
0
)/
s
T
C
4
] (5)
где а
S
- коэффициент поглощения ЛП падающего излучения;
e
Т
- коэффици-
ент излучения ЛП; T
C
, T, T
0
- температуры Солнца, приемника и окружающей сре-
ды; n - коэффициент, учитывающий концентрацию солнечного излучения (n =
p
/
(C
*w
С
*t
), где C - средняя концентрация солнечного излучения на ЛП,
w
С
- телес-
14
ный угол Солнца,
t
- коэффициент пропускания солнечного излучения атмосфе-
рой);
a
К
- коэффициент конвективной теплоотдачи. Отметим, что здесь C это без-
размерная средняя плотность потока концентрированного солнечного излучения,
т.е. C = E/E
О
, где Е
О
- плотность прямого солнечного излучения на поверхности
Земли.
В общем случае, как для прямого, так и для концентрированного солнечного
излучения коэффициенты поглощения а
S
и излучения
e
т
равны
а
S
= (а
1
а
S1 +
а
2
а
S2
) (6)
e
Т
= (а
1
e
Т1
+ а
2
e
Т2
) (7)
где а
1
, а
2
- средние спектральные коэффициенты поглощения (излучения) ЛП
до и после некоторой пороговой длины волны
l
ЛП
данного материала; а
S1
, а
S2
и а
r1
,
а
r2
и
e
Т1
,
e
Т2
доли черного излучения при температурах T
C
, T, соответственно до
l
ЛП
и после.
Выражение для КПД ЛП (5) с учетом (6) и (7) является общим для всех типов
приемников концентрированного солнечного излучения. При этом из (5) - (7) мож-
но получить выражения для КПД ряда важных в теоретическом плане случаев,
например, при а
1
=1 и а
2
= 0 (идеальная селективная поверхность), при а
1
= а
2
= 1
для КПД абсолютно черного приемника и при а
1
= а
2
<
1 для КПД серого приемни-
ка, или
КПД идеальной селективной поверхности (ИСП) - а
1
=1 и а
2
= 0
h
ИСП
=а
S1
- n(T/T
C
)
4
e
т1
-n
*
a
К
(Т–Т
0
)/(
s
T
C
4
) (8)
КПД черного приемника (АЧТ) - а
1
= а
2
= 1
h
АЧТ
= 1 - n(T/T
C
)
4
- n
*
a
К
(Т–Т
0
)/(
s
T
C
4
) (9)
КПД серого приемника (СП) - а
1
= а
2
<
1
h
СП
=а
1
[1 -n(T/T
C
)
4
] -n
*a
К
(Т–Т
0
)/(
s
T
C
4
) (10)
КПД реальной селективной поверхности (РСП) описывается общим выраже-
ниями (5) - (7). Для целей анализа, случая концентрированного солнечного излуче-
ния можно принять, что
a
К
= 0 (т.е. теплопотери с ЛП происходят только излучени-
ем).
На основе полученных выражений были исследованы КПД СЭУ с селектив-
ными приемниками при различных концентрациях C, для среднетемпературных
СЭУ с линейными концентраторами, где С порядка 10-30 (см. рис.14а,б) и опти-
мальными пороговыми значениями
l
ЛП
. Там же для сравнения приведены кривые
КПД СЭУ с "черным", "серым" и "идеально" селективным приемниками (было
принято, что: T
C
= 5764K,
t
= 0.7, T
0
= 303K, или при E
0
равной E
0
=
s
T
C
4
*
w
С
*
t
=
947Вт/м
2
).
Как видно использование селективных приемников (ИСП и РСП) может дать
существенный выигрыш по КПД СЭУ. Так, если приемник типа АЧТ (к нему бли-
зок полостной приемник) для C=10 в максимуме может обеспечить КПД СЭУ око-
ло 25%, то РСП в максимуме обеспечивает около 37%. При С = 30 соответственно
15
0
200 400 600 800 10001200
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
h
t
,
0
C
a
1
=
0.9,a
2
=0.1
Ñ=10
ÈÑÏ
À×Ò
ÐÑÏ
ÑÏ
l
ËÏ
= l
Î Ï Ò
а) концентрация падающего
потока - C = 10
0
200 400 600 800 10001200
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
h
t
,
0
C
a
1
=
0.9,a
2
=0.1
Ñ=30
ÈÑÏ
À× Ò
ÐÑÏ
ÑÏ
l
ËÏ
= l
Î Ï Ò
б) концентрация падающего
потока - C = 30
Рис.14. КПД среднетемпературных СЭУ в зависимости от температуры приемника
имеем с приемником АЧТ - 36%, а с РСП - 46%. Причем, что интересно, при мень-
шей концентрации эффективность РСП более высока.
На практике, РСП имеют постоянное значение пороговой длины волны. В
связи с этим на рис.15 приведены КПД СЭУ для РСП с постоянными пороговыми
длинами волн
l
ПОР
: - 2, 2.5, 3мкм. Там же, для сравнения представлены кривые
КПД СЭУ для РСП с оптимальной пороговой длиной волны, а также для черного и
серого приемника. Как видно, кривые с постоянными
l
ПОР
совпадают с кривой
l
ПОР.ОПТ
до тех пор пока
l
ПОР
не станет равной
l
ПОР.ОПТ
и далее, с повышением тем-
пературы эффективность СЭУ с РСП с постоянной
l
ПОР
начинает быстро умень
0 200 400 600 800 10001200
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
h
t
,
0
C
a
1
=
0.9,a
2
=0.1
Ñ=100
À×Ò
ÐÑÏ
ÑÏ
l
ËÏ
= l
Î Ï Ò
l
ËÏ
=2
l
ËÏ
=2.5
l
ËÏ
=3
ì êì
0 100 200 300 400 500 600
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
to
pt
,
0
C
C=E
S
/E
C
a
1
=
0.9,a
2
=0.1
ИСП
АЧТ
РСП
l
ЛП
= l
ОПТ
Рис.15.Зависимость КПД СЭУ от темпера-
туры для РСП с постоянными
l
ПОР
Рис.16. Температуры приемника в зави-
симости от концентрации солнечного
излучения
16
шаться. Т.е. в принципе КПД СЭУ с РСП с постоянной
l
ПОР
до некоторых темпера-
тур практически совпадает с идеальной РСП, что очень важно для практики.На
рис.16 приведены оптимальные рабочие температуры приемника в зависимости от
концентрации солнечного излучения. Как видно, здесь эффективность РСП более
заметна, так оптимальные рабочие температуры РСП существенно превышают ра-
бочие температуры АЧТ. Так, например, для обеспечения оптимальных рабочих
температур приемника порядка 600
0
С для РСП достаточно концентрации порядка
50, а для АЧТ необходимо С порядка 300.
В целом исследования эффективности использования селективных приемни-
ков в СЭУ показывает следующее:
1. При каждой, заданной концентрации потока C для всех типов приемников
(АЧТ, СП, ИСП, РСП) имеется оптимальная рабочая температура приемника и
преобразователя, при которой КПД СЭУ максимально.
2. КПД СЭУ с идеально селективным приемником наибольшее, при всех концен-
трациях, однако РСП дают существенный абсолютный выигрыш по КПД СЭУ
в основном при малых и средних концентрациях C, меньших 100, при больших
концентрациях относительная эффективность высока, но абсолютные эффекты
уменьшаются, что связано с резким ростом излучения. Т. селективные прием-
ники особенно эффективны для солнечных энергетических станций с линей-
ными концентраторами. Для высокотемпературных СЭУ с РСП абсолютный
эффект по КПД уменьшается и даже становится меньше, чем КПД СЭУ с АЧТ,
однако и в этом случае имеем существенный выигрыш по концентрациям.
3. Существенно эффективны и РСП с постоянными значениями пороговых длин
волн, что обуславливает возможность их практического применения.
4. Разработанная методика может быть использована для анализа практических
СЭУ, когда имеют перепады температур между приемником и теплоносителем
и температура холодного источника больше температуры окружающей среды.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Развиты радиационные стационарные и нестационарные методики измере-
ния интегральной поглощательной и излучательной способности материалов, в том
числе селективных приемников солнечного излучения, отличающиеся новым спо-
собом учета конвективных потоков.
2. На основе разработанных методик созданы экспериментальные установки
для измерения интегральных радиационных характеристик материалов, том числе
селективных в эксплуатационных условиях, которые показали, что точность разра-
ботанных методик составляет около 8-10%.
3. Разработана одномерная стационарная тепловая модель «горячего ящика»,
проведена её программная реализация и впервые проведены оценки влияния ради-
ационных характеристик приемника и ограждающих поверхностей (дно, боковые
стороны, прозрачная изоляция) на КПД солнечного водонагревателя. В частности
получено, что для температур приемника не более 60
0
С, применение селективных
приемников не обязательно. Также показано существенное влияние характеристик
17
боковой поверхности на КПД «горячего ящика», что требует учета их в тепловых
моделях «горячих ящиков».
4. Впервые разработана модель и программа расчета КПД солнечных тепло-
энергетических установок, включающих концентратор и селективный приемник
солнечного излучения, а также термодинамический преобразователь. Получено,
что:
·
При каждой, заданной концентрации потока C для всех типов приемников
(АЧТ, СП, ИСП, РСП) имеется оптимальная температура преобразования, при ко-
торой КПД СЭУ максимально.
·
Существенно эффективны и РСП с постоянными значениями пороговых
длин волн, что обуславливает возможность их практического применения.
·
Разработанная методика может быть использована для анализа практиче-
ских СЭУ, когда имеют место перепады температур между приемником и теплоно-
сителем и температура холодного источника больше температуры окружающей
среды.
Список цитированной литературы
1. Duffie J., Beckman W. Solar engineering of thermal processes. New York. Wiley,
1991. -919p.
2. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водо-
снабжения. – Ташкент, Фан, 1988. – С.7-32.
3. Абдурахманов А.А. Зеркально - концентрирующие системы для солнечных
энергосиловых и технологических установок и их эффективность при использова-
нии приемников селективного лучепоглощения.: Дис. д.т.н …- М.: МАИ. 1992. -
300с.
4. Клычев Ш.И. Моделирование приемно – концентрирующих устройств сол-
нечных теплоэнергетических установок.: Дис. д.т.н…- Ташкент, ФТИ. 2004. -
268с.
4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
1. Абдурахманов А.А., Тураева У.Ф., Клычев Ш.И. Методика определения ин-
тегральной селективности реальных тел // Гелиотехника. – Ташкент, 2008. -
№4. -С.50-53.
2. Абдурахманов А.А., Акбаров Р.Ю., Ахадов Ж.З., Маматкосимов М.А., Соби-
ров Ю.Б., Тураева У.Ф. Создание плавильных печей на базе большой солнеч-
ной печи // Гелиотехника. – Ташкент, 2008. -№4. -С.66-71.
3. Исманжанов А.А., Самиев М., Бахрамов С.А., Клычев Ш.И., Тураева У.Ф. О
тепловой инерционности солнечных низкотемпературных установок // Меж-
дународной конференции: Современное состояние и актуальные проблемы
развития энергетика - Ош, Киргизия, 2008 –С. 196-202.
4. Тураева У.Ф. Влияние селективности приемной поверхности на изменение
температур // Табиий фанларнинг долзарб муаммолари: Республика ёш
18
олимлар илмий-амалий анжумани материаллари тўплами. – Самарқанд, 2008.
–С. 145-146.
5. Абдурахманов А.А., Тураева У.Ф., Клычев Ш.И., Методика определения ин-
тегральной излучательной способности приемников солнечного излучения //
Гелиотехника. – Ташкент, 2009. -№2. -С.62-64.
6. Клычев Ш.И., Абдурахманов А.А., Бахрамов С.А., Тураева У.Ф. Влияние ра-
диационных характеристик на эффективность солнечных теплоэнерге-
тических установок // Гелиотехника. – Ташкент, 2010. -№4. -С.60-66.
7. Абдурахманов А.А., Ахадов Ж.З., Маматкосимов М.А., Сарыбаев С.А., Со-
биров Ю.Б., Тураева У.Ф. Синтез высокотемпературных материалов, полу-
чение лазерного излучения, водорода электрической тепловой энергии и ис-
пытание материалов на световой стойкость на меговаттной солнечной печи //
Альтернативная энергетика и проблемы энергобезопасности. – Бишкек, 2008.
–С.59-62.
8. Абдурахманов А.А., Ахадов Ж.З., Маматкосимов М.А., Сарыбаев С.А., Ту-
раева У.Ф. Разработка ускоренной методики юстировки фацет гелиостата
автоколлиматором и автоколлимационным теодолитом // Альтернативная
энергетика и проблемы энергобезопасности. – Бишкек, 2008. –С.63 - 66.
9. Абдурахманов А.А., Клычев Ш.И., Ахадов Ж.З., Тураева У.Ф. Исследования
приемников парогенераторов для комбинированных процессов преобраова-
ния солнечной энергии // Альтернативная энергетика и проблемы энергобез-
опасности. – Бишкек, 2008. –С.67 - 69.
10.Мухиддинов Д.Н., Бахрамов С.А., Клычев Ш.И., Тураева У.Ф., Дудко
Ю.А.Солнечный воздухонагревательный коллектор. Рег. номер заявки: №
IAP 20090388. от 18.12.2009г.
19
РЕЗЮМЕ
диссертации Тураевой Улмасой Фармоновны на тему: «Эффективность солнечных
теплоэнергетических установок с селективными приемниками излучения»
представленной на ученой степени кандидата технических наук по специальностям
05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии и 05.14.05 -
Теоретические основы теплотехники
Ключевые слова:
поглощательная способность, излучательная способность,
радиационная характеристика, пороговая длина волны, параметр селективности,
солнечная теплоэнергетическая установка, лучевоспринимающая поверхность, бо-
ковая изоляция, донная изоляция.
Объект исследования:
солнечные тепловые и энергетические установки
Цель работы:
разработка методик и моделей, предназначенных для опреде-
ления эффективности использования селективных поверхностей в солнечных низ-
ко- и высокотемпературных установках и выработки рекомендаций по их примене-
нию.
Методы исследования:
в работе использованы основные положения фото-
метрии, геометрической оптики и теоретических основ теплотехники, общепри-
знанные методы численного решения уравнений теплопроводности, а также мето-
ды обработки результатов.
Полученные результаты и их новизна:
развита методика определения ин-
тегральных радиационных характеристик поверхностей по равновесным темпера-
турам, отличающаяся новой схемой учета конвективных теплопотерь; разработана
численная модель «горячего ящика», отличающаяся учетом теплопотерь с боковых
поверхностей, селективности приёмника и прозрачного ограждения; разработана
методика определения оптимальных параметров (концентрация, температура пре-
образования) солнечных теплоэнергетических установок с селективным приемни-
ком, впервые определены максимальные кпд солнечных теплоэнергетических
установок с селективными приемниками излучения.
Практическая значимость:
методика определения интегральных радиаци-
онных характеристик, её экспериментальная отработка могут быть использованы
на практике для определения радиационных характеристик различных материалов;
разработанные тепловые модели солнечных низкотемпературных установок и их
численная и программная реализации могут быть использованы при обосновании
степени селективности приемников солнечного излучения; результаты оптимиза-
ции системы селективный приемник – термодинамический преобразователь могут
быть использованы при определении оптимальных рабочих режимов СЭУ в зави-
симости от, концентрации солнечного излучения и температур преобразования.
Степень внедрения и экономическая эффективность:
результаты работы
позволяют обосновать требования к селективности приемников солнечного излу-
чения НПУ и ВПУ, а следовательно снизить затраты на их изготовление.
Область применения:
низко-и высокотемпературные солнечные установки.
20
Техника фанлари номзоди илмий даражасига талабгор Тўраева Ўлмасой
Фармоновнанинг 05.14.08- Қайта тикланадиган энергия турлари асосидаги энергия
қурилмалари ва 05.14.05-Иссиқлик техникасининг назарий асослари
ихтисосликлари бўйича “Селектив қабул қилгичли қуёш иссиқлик энергетик
қурилмаларининг самарадорлиги ” мавзусидаги диссертациясининг
РЕЗЮМЕСИ
Таянч сўзлар:
ютилиш қобилияти, нурланиш қобилияти, радиацион
хусусият, бўсағавий тўлқин узунлиги, селективлик параметри, қуёш иссиқлик
энергетик қурилмаси, нур қабул қилувчи сирт, ён изоляция, ост изоляция.
Тадқиқот объектлари:
қуёш иссиқлик ва энергетик қурилмалари.
Ишнинг мақсади:
қуёш паст ва юқори ҳароратли қурилмаларида селектив
сиртлардан фойдаланиш самарадорлигини аниқлаш учун кўзда тутилган модел ва
услубини ва уларни қўллаш бўйича таклифларни ишлаб чиқиш.
Тадқиқот методлари:
қўйилган масалани ҳал қилишда фотометрия,
геометрик оптика ва теплотехниканинг назарий асослари, иссиқлик ўтказувчанлик
тенгламасининг сонли ечимлари усулларидан, ҳамда натижаларга ишлов бериш
усулларидан фойдаланилди.
Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги:
мувозанат ҳарорати бўйича
сиртларнинг интеграл радиацион хоссаларининг конвектив иссиқлик йўқолишини
ҳисобга олиш билан фарқланадиган усули ривожлантирилди; ён сиртдан
узатилаётган иссиқлик йўқолишини ҳисобга оладиган “иссиқ яшик”нинг сонли
модели ишлаб чиқилди ва бу ф.и.к. га селектив қабул қилгичли сиртларининг
аниқлаш имконини берди; селектив қабул қилгичли иссиқлик ва энергетик
қурилмаларининг оптимал параметрлари (концентрация, ўзгартиргич ҳарорати)
нинг аниқлаш усули ишлаб чиқилди ва илк бора селектив қабул қилгичли қуёш
иссиқлик ва энергетик қурилмаларининг максимал ф.и.к. аниқланди.
Амалий аҳамияти:
интеграл радиацион хоссаларни аниқлаш усули ҳамда
унинг тажрибавий ишланмаси амалиётда турли материалларнинг радиацион
хоссаларини аниқлаш учун фойдаланиш мумкин; қуёш паст ҳароратли қурилмалар
учун ишлаб чиқилган иссиқлик модели ва уларнинг ҳисобий ва дастурий амалга
оширилгани қуёш нурланиши таъсири остида ишлайдиган қабул қилгичларнинг
селективлик даражасини аниқлашда қўлланилиши мумкин; қабул қилгич –
термодинамик ўзгартиргич тизимини оптималлаш натижалари қабул қилгич
селективлигининг оптимал параметрларини, қуёш нурланиш концентрациясини ва
ўзгартиргич ҳароратини аниқлашда қўллаш мумкин.
Татбиқ этиш даражаси ва иқтисодий самарадорлиги:
тадқиқот
натижалари селектив приемникли қуёш иссиқлик қурилмаларига бўлган талабни
асослаб, уларни ишлаб чиқаришдаги харажатларни камайтиради.
Қўлланиш соҳаси:
паст ва юқори ҳароратли қуёш қурилмалари.
21
RESUME
Thesis of Turaeva Ulmasoy Farmonovna on the scientific degree competition of the doc-
tor of philosophy in technical sciences on specialties 05.14.08 – Power Installations on
the base of renewable kinds of energy resources, 05.14.05 - Theoretical bases of heat –
engineering, subject: “Efficiency of heat-and-power engineering equipments with selec-
tive receiver of radiation”
Key words:
absorptive capacity, radiating capacity, radiation characteristics,
threshold wave length, parameter of selectivity, solar heat-and-power engineering equip-
ment, ray absorbing surfaces, lateral isolation, bottom isolation.
Subjects of research:
solar heat and energy equipments, exactly, radiation charac-
teristics of solar receivers and their influence to efficiency of equipments
Purpose of work:
to develop methods and models intended to define efficiency of
using selective surfaces in solar low and high temperature equipments and working out
recommendations by their applications.
Methods of the research:
There are used fundamentals of photometry, geomet-
rical optics and theoretical bases of heat engineering, universally recognized methods of
numerical solution of equation of thermal conductivity and methods of data handling.
The results obtained and their novelty:
determination methodology of integrated
radiation characteristics by equilibrium temperature which is notable with convection
heat losses' new circuit of calculation; numerical model of "hot box" which is notable
with convection heat losses from side surfaces and determination ability influence of re-
ceiving surfaces' selectivity to efficiency; determination methodology of optimal parame-
ters (concentration, conversion temperature) of solar heat-and-power engineering equip-
ments with selective receiver of radiation; determined: maximal efficiency of solar heat-
and-power engineering equipments
Practical value:
determination methodology of integrated radiation characteristics
and its experimental refining can be used to determine radiation characteristics of differ-
ent materials; developed thermal models of solar low temperature equipments and their
numerical and software implementation can be used in degree validation of solar receiv-
er's selectivity; results of system optimization receiver – thermodynamic reformer can be
used to determine optimal parameters of receiver's selectivity, concentration of solar radi-
ation and temperature transformation
Degree of embed and economic effectivity:
results of the work allowed to base
requirements to selectivity of solar radiation detectors and consequently to bring down
costs to manufacturing them.
Field of application:
low and high solar temperature equipments
