Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Коломиец, Юлия Георгиевна

  • Коломиец, Юлия Георгиевна
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2009, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.14.01
  • Количество страниц 171
Коломиец, Юлия Георгиевна. Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях: дис. кандидат технических наук: 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы. Москва. 2009. 171 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коломиец, Юлия Георгиевна

Введение

Глава 1. Современные методы получения и обработки' актинометрической информации; картографическое представление ресурсов солнечной энергии на территории РоссийскойФедерации

1.1. Базы данных как источники актинометрической^ информации для проектирования солнечных установок 15:

1.2. База'климатологических данных NASA: методы получения и представления данных 21«

1.3. Методы1 расчета плотности потока падающей солнечной* радиации на горизонтальную ижаклонную поверхность, выбор регионов, сходных по климатическим условиям

1.4. Сравнение актинометрических данных NASA с данными наземных измерений* 32' 1.5: Картографическая обработка'актинометрической информации базы данных NASA для территории России 38 1.6. Анализ картографического материала 41 Выводы по Главе 1

Глава 2. Сравнительный анализ солнечных коллекторов зарубежных^ отечественных производителей; выбор их типичных теплотехнических характеристик

2.1. Развитие рынка солнечных установок для нагрева воды В'мире и России

2.2. Солнечный коллекторы: сравнение технических w стоимостных показателей конструкций зарубежных и отечественных производителей 53 Выводы по Главе

Глава 3. Разработка инженерной методики оценки эффективности солнечных водонагревательных установок и ее использование для анализа работы СВУ в различных климатических^условиях

3.1. Типичная индивидуальная установка

3.2. Выбор параметров солнечного коллектора

3.3. Показатели эффективности работы СВУ

3.4. Моделирование работы солнечной водонагревательной установки

3.4.1. Описание системы моделирования ТРМЭУЭ

3.4.2. Расчетная схема

3.4.3. Методика моделирования СВУ

3.5. Результаты моделирования СВУ

3.6. Обобщение результатов моделирования.

Инженерная методика

3.7 Исследование эффективности работы СВУ с вакуумированным солнечным коллектором

3.8 Сравнение эффективности использования плоских и вакуумированных солнечных коллею-оров для нагрева воды

3.9 Анализ эффективности использования СВУ в различных климатических условиях Российской федерации

Выводы по главе

Выводы

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Энергетические системы и комплексы», 05.14.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях»

Актуальность проблемы. Е^условиях постепенного истощения* дешевых запасов ископаемого органического топлива' [Безруких. П.П. Ресурсы и эффективность., 2002] и возникающих; угроз* все большего антропогенного загрязнения окружающей среды всё более: значимой задачей становится» создание, энергоустановок работающих на возобновляемых источниках энергии;

Среди таких источников энергии солнечное излучение занимает лидирующее положение. Ресурсы солнечной энергии во много раз- превышают существующие энергетические потребности, она повсеместно доступна, является высококачественным источником энергии^и,может быть преобразована в другие полезные виды энергии (электроэнергия, тепло, холод) с достаточно^ высоким КПД, Имеющие место недостатки^ солнечного излучения как источника энергии* (суточная и, сезонная нестабильность, низкая плотность энергетического, потока и др.) требуют развития научно обоснованных подходов при разработке эффективных конкурентоспособных^ солнечных установок, оптимизации^ площади и конструкций приемников солнечного излучения и аккумуляторов энергии.

Как известно, Россия.занимает одно из ведущих мест в мире по-запасам органического топлива, вместе с тем- на- 70% территории страны отсутствует централизированное теплоснабжение [Безруких ПЛ., Сокольский А.П., Харитонов В.П., 2003]. По масштабам использования солнечных энергетических установок, в том числе по количеству солнечных водонагревательных установок (СВУ), являющихся наиболее подготовленными к широкому, практическому применению, РФ существенно отстает от многих стран. Среди важных научно-технических причин такого отставания можно выделить отсутствие надежной информации о поступление солнечного излучения на поверхность земли для территории! России, адаптированной к потребностям гелиоэнергетики, и отсутствие надежных методик оценки эффективности СВУ; позволяющих потребителям Иг производителям СВУ в удобноми доступном для них' виде прогнозировать технико-экономические, показатели установок в зависимости,от климатических условий'места их применения.

Исходя из этого, целью работы является развитие научных основ эффективного использования^ солнечной^ энергии для' производства тепла, в* том числе: построение карт> распределения* ресурсов» солнечной энергии по территории* России с учетом, потребностей- гелиоэнергетики, а также создание методики оценки эффективности работы установок солнечного горячего, водоснабжения вфазличных климатических условиях.

В соответствии с целевым^ направлением работы основными задачами исследования являются:

1. Проведение анализа и> оценка погрешности актинометрической: информации существующих источников для^ территории Российской Федерации.

2. Построение карр распределения ресурсов солнечной.энергии на^ горизонтальную и наклонные* поверхности*за> различные периоды года' для территории России.

3. Проведение сравнительного анализа солнечных коллекторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями; с целью обоснованного4 выбора^ «типичных» показателей их теплотехнических характеристик.

4. Разработка обобщенной* инженерной методики, оценки эффективности СВУ на основе обобщения результатов динамического1 моделирования работы «типичных» СВУ в широком спектре реальных климатических условий.

5. Сравнительный анализ^ эффективности работы СВУ с, различными,типами солнечных коллекторов.

Научная.новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые; дляí всей территории? России? на^ основе обобщения и анализа погрешности» актинометрической информации из существующих источников построены карты поступления солнечной! радиации? на^ горизонтальную и* наклонные5 поверхности за различные: периоды года и? подготовлен Атлас: распределения, ресурсов солнечной*' энергии на? территории* России;. При$ этом& обработкам массивов актинометрической информации из климатических баз данных проведена с использованием современного картографического аппарата с учетом потребностей гелиотехники.

2: Впервые на основе проведения динамического моделирования; работы солнечных водонагревательных установок в широком спектре изменения климатических условий и статистической) обработки полученных результатов выявлены универсальные зависимости! обобщенных показателей эффективности работы* СВУ от удельных средних сумм солнечной радиации и разработана инженерная методика оценки эффективности СВУ в различных климатических условиях.

3. Впервые на основе единого методического подхода выполнен сравнительный анализ эффективности работы СВУ с плоскими и вакуумированными трубчатыми солнечными коллекторами (СК), позволивший объективно оценить целесообразность их применения в СВУ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты сравнительного анализа* различных источников актинометрических данных и карты? распределения? среднедневных поступлений солнечной^ радиации на горизонтальную и наклонные поверхности за различные периоды года.

2) Инженерная методика расчета эффективности? работы солнечных водонагревательных установок в- широком- спектре реальных, климатических» условий, разработанная на основе динамического моделирования работы СВУ при, «типичных»; значениях характеристик теплотехнического* совершенства солнечных коллекторов.

3. Результаты;сравнительного анализа.эффективности применения плоских.и вакуумированных трубчатых-солнечных коллекторовгв солнечных водонагревательнх установках.

Практическая значимость^ работы определяется ее ориентацией* на практические задачи освоения- наиболее* востребованных, и, конкурентоспособных технологий использования солнечной энергии» для, горячего водоснабжения. Создание Атласа распределения ресурсов солнечной энергии, на территории^ России^ является, важным результатом» в^ котором, остро, нуждаются^ каю разработчики, так. и, потенциальные, пользователи^ солнечных установок. Атлас также полезен для архитекторов? и специалистов в области, строительнойтеплофизики.

Большую практическую)значимость имеет инженерная методика оценки, эффективности» работы* СВУ; поскольку обеспечивает потребителей и разработчиков необходимыми- исходными, данными? и достаточное простой для. практического использования методикой и, аппаратом оценшэффективности использования СВУ.

Выполненный' сравнительный анализ эффективности, использования плоских, и вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов, для горячего- водоснабжения' предоставляет потенциальным пользователям СВУ объективную, информацию об эффективности практического применения различных типов установок.

Работа!выполнялась в рамках Федеральной^целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям^ развития* науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание-технологий и оборудования с использованием^ возобновляемых источников, энергии^ и их, комплексное использование В1 энергетике* сельском и? жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный 7 контракт. с~ Федеральным агентством4 по науке) т инновациями №41.003.11.2919), а также по* теме: «Энергоэффективные системы? децентрализованного энергоснабжения; на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов нетрадиционных,источников? энергии» (Государственный контракт с Роснаукой № 02.447.11.5011), по гранту/ РФФИ! 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное? обоснованием создания эффективных) устройств для преобразования) энергии» солнечного излучения в тепловую» энергию из современных теплостойких полимерных материалов», а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг. и в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития» научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Системный анализ технологий и сфер эффективного энергетическогоиспользования возобновляемых) источников энергии в регионах России» (ПЪсконтракт №02.516.11.6013).

Работа автора над диссертацией получила также поддержку Фонда содействия молодым учёным в рамках программы «Лучшие аспиранты РАН» за 2006 и 2007 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции: «Воздействие интенсивных потоков энергии? нашещество»; (Кабардино-Балкария; 2005); IX Международном семинаре «Российские технологии для индустрии; Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Возобновляемая? энергетика: Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005), XXI и XXII Международной конференции «Уравнение состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме «Водородные технологии для производства энергии» (Москва; 2006; 2008); Пятой: и Шестой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва; 2006, 2008), IV Международной' научно-технической конференции 8

Возобновляемая и малая* энергетика - 2007» в; рамках; 4 Международного форума «Энергетика и экология». Москва, 2007 г., Конференции-«Результаты Фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение» (Москва, 2008); Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Проблемы, и перспективы»-(Махачкала, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения; содержит 110 страниц текста; 51 рисунков, 13 таблиц, список литературы из,97 наименований.

Похожие диссертационные работы по специальности «Энергетические системы и комплексы», 05.14.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Коломиец, Юлия Георгиевна

Основные выводы по результатам работы:

1. Детально изучены отечественные и зарубежные источники актинометрической информации для территории России, в том числе базы данных, созданные на основе спутниковых методов наблюдения и математического моделирования распространения солнечного излучения. Проведена верификация базы данных NASA SSE и обоснована возможность ее использования для создания детальных карт распределения ресурсов солнечной энергии на территории России. Построенные карты, составившие основу Атласа солнечных ресурсов, впервые представляют в картографическом виде информацию о поступлении солнечной энергии на различным образом ориентированные в пространстве неподвижные и следящую за Солнцем поверхности за различные периоды года.

Разработанные карты впервые в удобном виде обобщают информацию, необходимую разработчикам и пользователям солнечных установок для оценки эффективности их практического применения и представляют значительный практический интерес для архитекторов и строительных теплофизиков, занимающихся проблемами создания энергоэффективных зданий с элементами пассивной солнечной архитектуры.

2. На основе сравнительного анализа современных конструкций солнечных коллекторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, обоснован выбор типичных значений основных параметров теплотехнического совершенства плоских (оптический к.п.д. коллектора Fr(tci) = 0.70; приведенный коэффициент потерь FrUl = 3.41-3.84 Вт/(м2К)) и вакуумированных трубчатых (Fr(tci) = 0,76; FrUl = 1,4 Вт/м2К) солнечных коллекторов, что дало возможность впервые сформулировать и решить задачу по обоснованному сравнению эффективности использования «типичных» СВУ в российских климатических условиях эксплуатации.

3. Создана инженерная методика оценки эффективности солнечных водонагревательных установок на основе обобщения

104 результатов выполненного динамического моделирование работы «типичных» СВУ в широком спектре реальных климатических условий. Полученные аппроксимационные соотношения позволяют с погрешностью 15-20% оценить производительность СВУ в терминах числа дней, в которые установка сможет нагреть воду в баке-аккумуляторе до контрольной температуры, а также доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения.

4. Впервые на основе единого методического подхода выполнен сравнительный анализ эффективности работы СВУ с плоскими и вакуумированными трубчатыми солнечными коллекторами. Показано, что применение вакуумированных солнечных коллекторов в солнечных водонагревательных установках, нагревающих воду для бытовых целей (до 55-60°С), не обеспечивает каких-либо преимуществ перед плоскими солнечными коллекторами. Более того, в большинстве климатических условий по энергетическим соображениям использование плоских СК одинаковой с вакуумированными СК габаритной площади оказывается предпочтительным. Энергетические преимущества использования вакуумированных СК начинают проявляться при температурах нагрева теплоносителя более 80°С, что обусловлено их существенно более низкими удельными тепловыми потерями по сравнению с плоскими СК.

105

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коломиец, Юлия Георгиевна, 2009 год

1. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. // М.: ГНУ ВИЭСХ РАСХН, 2005. 264 е.

2. Атлас энергетических ресурсов СССР. Т.1, Ч.З. Гидроэнергетические, ветроэнергетические,гелиоэнергетические ресурсы.//1935.

3. Борисенко М.М., Стадник В.В. Атласы ветрового и солнечного климатов России.// СПб.: Изд-во ГГО им.А.И.Воейкова, 1997. Пивоварова З.И. Радиационные характеристики вычислений.// Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 335 с.

4. Стадник В.В. Статистические характеристики суточных сумм суммарной радиации. //Труды ГГО. 1983. Вып. 475. С. 61-68. RETScreen International. Renewable energy decision support center. // 2007. http:// www.retscreen.net

5. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set // 2007. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/.

6. Научно-прикладной справочник по климату СССР.// Л.: Гидрометеоиздат, 1990

7. Справочник по климату СССР. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. // Л.: Гидрометеоиздат, 1967.

8. Smith, G. L., Wilber А. С., Gupta S. К., Stackhouse P. W. Surface Radiation Budget and Climate Classification. // Applied Optics. 2002. V. 15. PP. 1175-1188106

9. Pinker, R. T., Laszlo I. Modeling Surface Solar Irradiance for Satellite Application on a Global Scale. // Journal of Applied Meteorology. 1992/ V. 31. PP. 194-211.

10. Коломиец Ю.Г., Терехова E.H. Оценка ресурсов энергии России на основе базы данных NASA.//Материалы пятой всероссийской научной молодёжной школы «Возобновляемые источники энергии». 25-26 октября 2006 года, Москва. С. 42-47.

11. О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H. Терехова. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России./' Энергия: экономика, техника экология №1, 2007. С. 15-23

12. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H.i

13. Летопись погоды, климата и экологии Москвы (по наблюдениям Метеорологической обсерватории МГУ). /А Вып.1 2000 г. М.: Изд-во географического ф-та МГУ. 2002.

14. Бутузов B.A. Солнечное теплоснабжение в России: Состояние дел и региональные особенности.//Альтернативная энергетика и экология №6, Научно-технический центр1. TATA 2009, С.48 51

15. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика:сегодня реальность, завтра-необходимость.// М.: Лесная страна, 2007, 120с

16. Бутузов В.А., Шетов В.Х. Гелеотехнические установки в России// Альтернативная энергетика и экология № 10, 2007. С. 37-41

17. Тарнижевский Б.В. Солнечные коллекторы нового поколения // Теплоэнергетика. 1997. №4

18. Аналитический обзор динамики цен на энергоносители.// Электронный ресурс./ 2009,- Режим доступа mcx.ru108

19. Оливер Шафер. EREC. Механизмы поддержки возобновляемых источников энергии.// Инф. бюлл. «Возобновляемая энергия», август 2005 г., СС. 4-7.

20. Стратегия 2003 "Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2020" (Минэнерго РФ), Электронный ресурс./ 2008,- Режим доступа:http://www. mte.gov. ru/docs/32/103. html

21. B.Е.Фортов, А.А.Макаров Приоритеты энергетической стратегии России// Перспективы энергетики, 2003, том 7, СС. 113-125

22. А. Е. Копылов Государственная система поддержки использования возобновляемых источников энергии в России/ Лекции ведущих специалистов, прчитанные на VI всероссийской научной молодежной школе, // Москва, 2008, СС. 47-59

23. Институт солнечных технологий/ Institut fur solartechnik SPF, Швейцария, Электронный ресурс./ 2009,- Режим доступа: http://www.solarenerqy.ch

24. Попель О.С, Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок. // Сантехника, отопление, кондиционирование №4, 2004 г., С. 104-109.

25. Попель О.С, Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок. // Сантехника, отопление, кондиционирование №5, 2004г., С. 28-32.

26. Попель О.С., Фрид С.Е. Солнечные водонагревательные установки в климатических условиях России // Энергия: экономика, техника, экология. 2002. №12. С. 26-35.

27. Попель О.С., Фрид С.Е., Шпильрайн Э.Э. Обобщенные показатели типичной индивидуальной солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России // Теплоэнергетика. 2003. №1. С. 1218

28. Klein S.A. A method of simulation of solar processes and its application//Solar energy. 1975 №1 PP.29-33 Klein S.A. Calculation of flat-plat collector utilizability// Solar energy. 1978 №6. PP.393-402

29. Klein S.A., Beckman W.A. A general desine method for closef loopsolar energy systems// Solar energy. 1979. Vol. 22 №14. PP 269-282 TRNSYS The Transient System Simulation Program // http://sel.me.wisc.edu/ TRNSYS/.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.