Действующим российским стандартом регламентирова­ны следующие основные технические требования к матери­алам тепловой изоляции: стойкость к воздействию темпера­туры не менее +180 °С при селективном покрытии рабочей поверхности поглощающей панели и не менее +150 °С при черном поглощающем покрытии; неоплавляемость, сохра­нение структуры, внешнего вида и формы при длительном воздействии эксплуатационных факторов; негигроскопич­ность, отсутствие пылевых частиц и летучих фракций от связующих веществ; срок службы не менее 10 лет. Стандар­том СССР было установлено также предельно низкое значе­ние произведения общего коэффициента тепловых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра. Так, для коллектора с одним слоем прозрачной изоляции и черным поглощающим покрытием оно составляло 5,8 Вт/(м2-К), для коллектора без прозрачной изоляции 9 Вт/(м2 • К).

Стандарты зарубежных стран содержат более конкретные требования к материалам тепловой изоляции. Так, стандарт Израиля [52] предписывает обеспечить соответствие этих ма-

териалов национальным стандартам, равномерное распре­деление по корпусу коллектора. Определение минимальной толщины теплоизоляции производится по формуле

где 5 — толщина теплоизоляции, м; К60 — теплопроводность теплоизоляции при температуре 60 °С, Вт/(м-К).

Известен ряд работ исследователей СССР по определе­нию оптимальной толщины теплоизоляции коллектора, например [56, 75]. Под руководством Б. В.Тарнижевского выполнена оценка свойств тепловой изоляции солнечных коллекторов следующих видов: стекловата, войлок асбе­стовый, пенопласт пеностирольный, пенопласт пенопо­лиуретановый, пеностекло [53]. Оценка производилась по следующим показателям: коэффициент теплопроводности, термостойкость кратковременная и длительная, отсут­ствие летучих веществ и пылевых частиц, влагопоглоще­ние, прочность и жесткость, удельная масса, экологиче­ская чистота, срок службы, удельная стоимость и расход материала.

В соответствии с [34] поглощающая панель солнечного коллектора — конструктивный элемент, в котором проис­ходит преобразование солнечной энергии в тепловую. Ре­гламентированы следующие понятия, характеризующие поглощающую панель: площадь, коэффициент эффектив­ности, удельный расход теплоносителя, равновесная тем­пература, вид поглощающего покрытия.

Основные технические требования к поглощающей па­нели определены ГОСТ Р 51595-2000. Стандартом СССР [24] дополнительно регламентировались значения произ­ведения оптического КПД коллектора и коэффициента эф­фективности, произведение общего коэффициента тепло­вых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели, а также степень черноты поверхно­сти панели с селективным поглощающим покрытием.

Стандарты ведущих в производстве солнечных коллек­торов зарубежных стран предусматривают дополнитель­ные требования к поглощающей панели. Так, стандарт Израиля [52] регламентирует минимальную толщину ли­стового металла и труб поглощающей панели, показатели селективности покрытий, соответствие применяемых ма­териалов национальным и немецким стандартам.

Б. В.Тарнижевским и И. М.Абуевым [53] выполнен ана­лиз следующих материалов поглощающей панели: стали (низкоуглеродистой 08кп, латунированной 08кп, с алюми­ниевым покрытием), алюминиевых сплавов (АД-1, АД-31, АМЦ, АМЦ плакированный, АЦ-2 с обработкой по методу Степанова), коррозионностойкой стали (12Х18Н10Т ау­стенитной, 08Х18Т4 ферритной, типа 18 % Gr + 2 % Мо), сплавов на основе меди (латуни), пластмасс. Рассмотрены такие свойства и показатели: термостойкость, стойкость к химической и электрохимической коррозии, к разруше­нию от замерзания теплоносителя, теплофизические па­раметры, технологичность, срок эксплуатации, стоимость и расход на 1 м2. Установлено, что для стоимостных усло­вий 1984 г. наиболее полно отвечают вышеперечисленным
требованиям сплавы на основе меди и коррозионностойкой стали.

Для аналитического описания процессов теплообмена в поглощающей панели наибольшее распространение полу­чила формула [56, 65, 66]:

(ЗЛО)

где Кпр — приведенный коэффициент теплопередачи; dH — ширина теплоотводящего канала, непосредственно по­глощающего солнечную радиацию; Хв, Хст — коэффициенты теплопроводности воздушного зазора лучепоглощающей панели и теплоотводящего канала и стенки теплоотводя­щего канала соответственно; 5вп — толщина воздушной про­слойки между лучепоглощающими панелями и теплоот­водящим каналом; 8ст — толщина стенки теплоотводящего канала; bv Ъ2 — периметры поперечного сечения внутрен­ней поверхности лучепоглощающей панели и наружной поверхности теплоотводящего канала.

Выражение (3.10) дает возможность провести все­сторонний теплотехнический анализ той или иной кон­струкции теплоприемника, установить влияние толщи­ны теплового зазора между лучепоглощающей пластиной и теплоотводящим каналом, расхода теплоносителя, а также параметров лучепоглощающей пластины и стенок теплоотводящего канала на эффективность поглощающей панели. Кроме того, формула (ЗЛО) позволяет провести те­плотехническую оптимизацию как отдельных узлов, так в целом поглощающей панели.

Основной эксплуатационной составляющей затрат при работе солнечных коллекторов (за исключением термоси­
фонных гелиоустановок) является расход электрической энергии на циркуляцию теплоносителя. При работе кол­лекторов в термосифонных гелиоустановках их гидравли­ческое сопротивление преодолевается подъемной силой те­плоносителя возникающей за счет разности его плотностей в коллекторах и баке-аккумуляторе. Анализ функциони­рования коллекторов в таких системах приведен в работах [67, 68].

В соответствии со стандартом России [35] основ­ной гидравлической характеристикой коллектора яв­ляется зависимость перепада давлений от массового расхода удельного теплоносителя. Согласно выводам Дж. У.Даффи и У. А.Бекмана [63] оптимальный расход те­плоносителя через коллектор стремится к бесконечности. При этом зависимость КПД гелиоустановки от расхода жидкости носит асимптотический характер. Увеличение расхода теплоносителя свыше 0,015 л/(м2-К), приводит к небольшому увеличению выработки тепловой энергии. Б. Андерсен в монографии [69] указывает, что при констру­ировании коллектора необходимо стремиться к обеспече­нию равномерного потока теплоносителя, низкому пере­паду давления, простоте изготовления и малой стоимости. Уменьшение диаметра каналов для теплоносителя менее 10 мм может создавать проблемы его слива из коллектора и опасность размораживания. В книге [60] под редакцией Э. В.Сарнацкого и С. А.Чистовича приводится графическая зависимость коэффициента теплопередачи внутренней по­верхности каналов коллектора от расхода теплоносителя. Установлено, что оптимальный расход теплоносителя со­ставляет 10-40 кг/м2-ч. Расчетные методики определения гидравлических характеристик коллектора приведены Н. В.Харченко в работе [70], в отчете НПО «Солнце» [58]. Вопросы регулирования гелиосистем с принудительной циркуляцией теплоносителя описаны А. Р.Фертом [71]. М. И.Валовым и соавторами предложено определять опти­мальное значение удельного расхода теплоносителя из условия минимума приведенных затрат в гелиосистему и максимального годового экономического эффекта от ее внедрения [72]. Результаты исследований гидравлических характеристик солнечных коллекторов приведены автора­ми статей [73, 74].

Таким образом, достаточно полно исследованы тепло­технические и конструктивные характеристики поглоща­ющих панелей солнечных коллекторов, однако практиче­ски отсутствует методика их стоимостной оптимизации в зависимости от указанных характеристик.

Прозрачная изоляция солнечного коллектора — покры­тие или система покрытий, расположенных над поглоща­ющей панелью, прозрачных относительно солнечной энер­гии, предназначенных для снижения тепловых потерь в окружающую среду.

Стандарт России [34] устанавливает для прозрачной изо­ляции солнечного коллектора следующие основные поня­тия: коэффициент тепловых потерь через прозрачную изо­ляцию; полный коэффициент тепловых потерь. Данным стандартом регламентированы следующие технические тре­бования к прозрачной изоляции: число слоев не ограничива­ется, допускается выпуск солнечных коллекторов без про­зрачной изоляции; конструкция должна предусматривать возможность ее замены; срок службы прозрачной изоляции не регламентирован; прозрачная изоляция должна быть вы­полнена из стекла или полимерных материалов, устойчи­вых к атмосферным и эксплуатационным воздействиям.

Материалы для прозрачной изоляции, используемые в качестве единственного наружного слоя или при двухслой­ном прозрачном покрытии должны сохранять свои свой­ства при температуре от -45 до +100 °С, а для внутреннего слоя прозрачной изоляции — от -45 до +150 °С.

Стандартом СССР [24] кроме перечисленных требова­ний, дополнительно регламентировались значения произ­

ведения общего коэффициента тепловых потерь коллекто­ра и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра, Вт/(м2-°С), не более:

— для коллектора с одним слоем прозрачной изоляции и черным поглощающим покрытием — 5,8;

— с одним слоем прозрачной изоляции и селективным поглощающим покрытием — 3,9;

— с двойным слоем прозрачной изоляции и черным по­глощающим покрытием — 4,3.

Данным стандартом также регламентировалась мини­мальная пропускательная способность одного слоя про­зрачной изоляции при падении солнечных лучей по норма­ли к поверхности — 0,85.

Стандарты ведущих в производстве солнечных коллек­торов зарубежных стран содержат дополнительные требо­вания к прозрачной изоляции. Так, стандарт Израиля [52] предписывает обеспечить соответствие материалов про­зрачной изоляции национальным нормам. Толщина стек­ла при соотношении сторон коллектора 1-1,5 должна при­ниматься не менее 2,3 мм, при соотношении сторон свыше 1,5 — не менее 3,3 мм.

Н. В.Харченко сформулировал следующие требования к материалам прозрачной изоляции [47]:

— высокая пропускательная и низкая отражательная способности для коротковолновой части спектра;

— высокая отражательная способность для инфракрас­ного излучения;

— достаточная механическая прочность;

— физико-химическая стабильность под действием ультрафиолетового излучения.

Под руководством Б. В.Тарнижевского выполнена оцен­ка свойств материалов прозрачного покрытия: стекла (оконного, упрочненного, органического), поликарбоната, пленки (полиэтиленовой, фторсодержащей) [53]. Исследо­ваны следующие параметры: коэффициент пропускания;

стойкость к высокой температуре, абразивному износу и радиационному старению; ударопрочность; конструктив­ная прочность; малая плотность и малая загрязняемость; хорошая очищаемость; срок службы, расход и стоимость материала на 1 м2 коллектора. Установлено, что наиболее полно удовлетворяют вышеперечисленным требованиям упрочненное стекло и поликарбонат. В ценах 1984 г. такое стекло в 4 раза, а поликарбонат в 27 раз дороже оконного стекла.

Аналитические методы описания процессов теплообме­на при прохождении потока солнечного излучения через прозрачную изоляцию различаются используемой моде­лью. В основе одной из них — характеристики материалов изоляции, другой — потоки энергии. Согласно первой мо­дели оптимальный КПД солнечного коллектора опреде­ляется соотношением количества солнечной энергии, поглощенной панелью и падающей на поверхность про­зрачной изоляции коллектора. Такой подход характерен для исследований Московского инженерно-строительного института [54]. Р. Р.Авезовым в работе [56] предложено при определении коэффициента светопропускания про­зрачного ограждения учитывать затенение переплетами корпуса и пылью.

Согласно второй модели оптический КПД солнечного коллектора определяется по формуле

_ Е <7тпс. Ло“ Е ’

7тпс =-^р-о(*р

где г|0 — оптический КПД солнечного коллектора; tp, tQ — температура теплопоглощающей панели и окружающего воздуха; Е — суммарная солнечная радиация в плоскости солнечного коллектора; дтпс — количество тепловой энер­гии, теряемой при прохождении солнечного излучения
через прозрачную изоляцию; К — коэффициент тепло­передачи от теплопоглощающей панели к окружающему воздуху.

В статье [57] Ю. Л. Мышко и др. приведены результаты оптимизации толщины воздушного зазора между прозрач­ным ограждением и теплопоглощающей панелью, тепло­изоляцией; установлена их взаимозависимость. При этом наименьшая толщина воздушного зазора 29 мм имеет место при качественной теплоизоляции А, = 0,05 Вт/(м2К) и несе­лективном покрытии (общая толщина коллектора 100 мм). При использовании более качественной теплоизоляции А, = 0,03 Вт/(м2 • К) наименьшая толщина воздушного зазора увеличивается до 35 мм при той же общей толщине коллек­тора. Расчеты показали, что температура наружного возду­ха и теплопоглощающей панели практически не влияют на значение оптимальной величины воздушного зазора. Для качественных коллекторов, соответствующих мировому уровню, при общей толщине коллектора 100-120 мм опти­мальное значение воздушного зазора составляет 45-60 мм.

На основе второй модели А. Д.Ушаковой и др. в работе [58] приводятся результаты сравнения эффективности ис­пользования в солнечных коллекторах одно — и двухслой­ного обычного стекла, селективных стекол, нанесения се­лективного покрытия на поверхность теплопоглощающей панели, вакуумированной изоляции. Анализ результатов решения системы дифференциальных уравнений позволил сделать авторам следующие выводы:

— в летнее время целесообразно использовать для нагре­ва воды до 50-60 °С плоские солнечные коллекторы с од­ним стеклом. В случае применения коллекторов с двумя стеклами дополнительные потери солнечной энергии во втором слое стекла больше, чем потери тепла в окружаю­щую среду;

— использование селективных покрытий или вакуумной изоляции в солнечных коллекторах при невысоких темпе­ратурах теплоносителя не улучшает их экономические по­казатели, тепловые потери от теплопоглощающей панели снижаются всего на 10 %;

— применение в солнечных коллекторах двух и более конструктивных элементов с селективным покрытием (оба стекла с селективным покрытием, одно стекло и теплопо­глощающая панель) не приводят к существенному повы­шению эффективности, при этом стоимостные показатели снижаются.

О. С.Попелем в статье [59] указывается, что дополни­тельное остекление не приводит к существенному повы­шению теплопроизводительности коллекторов, оно сопря­жено со значительным увеличением их стоимости. В книге [60] под редакцией Э. В. Сарнацкого и С. А. Чистовича вза­мен стекла рекомендуется применять полиметилметакри­лат, превосходящий стекло по спектральным характе­ристикам. Методика расчетов Дальневосточного НИИ по строительству [61] предусматривает использование обеих расчетных моделей. В работе НИИ санитарной техники и оборудования зданий и сооружений (Киев) [62] приведены результаты исследований тепловых потерь прозрачного покрытия солнечного коллектора. Авторами оспаривается утверждение в работах [63, 64] о несущественности этих потерь. Эффект влияния дополнительного слоя прозрач­ной изоляции возрастает при уменьшении температуры поверхности теплопоглощающей панели.

Таким образом, достаточно полно исследованы процес­сы теплообмена в прозрачном ограждении, но отсутствуют критерии оценки его стоимости.

В системах солнечного горячего водоснабжения полу­чили применение, в основном, плоские жидкостные кол­лекторы. Такой коллектор состоит из прозрачной изоля­ции, поглощающей панели, теплоизолированного корпуса. Поток солнечного излучения проходит через прозрачную изоляцию и поглощается панелью. При этом часть излу­чения отражается от поверхности прозрачной изоляции, часть поглощается материалом изоляции и затем передает­ся окружающему воздуху. Указанные потери оцениваются в 45 %. Полезное тепло, отводимое от теплопоглощающей панели, составляет около 50 %, потери тепла через теплои­золяцию в окружающую среду 5 %.

Всесоюзным государственным институтом патентной экспертизы в работах [45, 46] выполнен ретроспективный анализ зарубежного опыта шести ведущих в области гелио­техники стран за период 1975-1986 гг. В этих странах, в основном, завершено создание оптимизированных кон­струкций солнечных коллекторов. Наиболее интенсивно развивались разработки конструкций и покрытий тепло­поглощающей панели, реализации движения теплоносите­ля. Для прозрачной изоляции наиболее активно совершен­ствовалась ее форма и вид селективного покрытия.

При анализе зарубежного был применен метод эксперт­ных оценок ведущих специалистов СССР. В результате ис­следований в качестве приоритетного направления опреде­лено совершенствование теплопоглощающих покрытий.

По Н. В.Харченко [47] в идеальном солнечном коллек­торе отсутствуют оптические потери, минимальны потери тепла, а поглощательная способность его панели в корот­коволновом диапазоне солнечного излучения равна едини­це, степень черноты в инфракрасной части спектра равна нулю и пропускательная способность прозрачной изоля­ции — единице. Высокоэффективный солнечный коллек­тор должен иметь высокий оптический КПД, максимально возможное отношение поглощательной способности в ко­ротковолновом диапазоне к его излучательной способности в длинноволновом диапазоне, высокий коэффициент те­плопроводности материала панели, а также низкую вели­чину общего коэффициента тепловых потерь. Повышение эффективности солнечного коллектора может быть обеспе­чено применением селективных покрытий, использова­нием ячеистых структур, вакуумированием пространства между поглощающей панелью и прозрачной изоляцией, а также применением эффективной тепловой изоляции. Вы­бор оптимальных теплотехнических характеристик сол­нечного коллектора должен быть экономически обоснован, поскольку повышение КПД за счет указанных усовершен­ствований может привести к значительному удорожанию солнечного коллектора и сделать нецелесообразным его использование. Для повышения эффективности плоских солнечных коллекторов необходимо принимать меры для снижения интенсивности теплообмена в газовом простран­стве коллектора и интенсивности потерь тепла излучением.

Н. В.Харченко выделены следующие внутренние и внешние факторы, определяющие значение КПД солнеч­ных коллекторов:

1) метеорологические параметры — интенсивность сол­нечной радиации, температура наружного воздуха, ско­рость ветра;

2) конструктивные характеристики — шаг и диаметр каналов для теплоносителя, расстояние между абсорбе­ром и остеклением, расстояние между слоями остекле­ния, толщина стекла, термическое сопротивление тепло­вой изоляции, толщина и коэффициент теплопроводности лучепоглощающего листа, коэффициент теплопроводно­сти прозрачной изоляции;

3) рабочие характеристики — удельный расход теплоно­сителя, температура теплоносителя на входе в солнечный коллектор, давление (разрежение) в пространстве между абсорбером и остеклением.

Из всех перечисленных параметров наиболее суще­ственное влияние на величину КПД оказывает интенсив­ность солнечной радиации, температура наружного воз­духа и теплоносителя на входе в коллектор, материал абсорбера, шаг труб, наличие вакуума в солнечном коллек­торе. Значительное влияние на теплопроизводительность солнечного коллектора оказывает также число слоев осте­кления, селективность лучепоглощающей поверхности и коэффициент потерь тепла через нижнюю поверхность коллектора.

Одной из первых в СССР работ по методам расчета сол­нечных коллекторов была статья Б. В.Петухова [8]. До­статочно полный анализ исследований и разработки пло­ских солнечных коллекторов выполнен А. Д.Ушаковой в докторской диссертации [48]. Анализ параметров солнеч­ного коллектора и их влияния на экономическую целесоо­бразность гелиоустановок представлен в работе института «ВНИПИэнергопром» [49].

Анализ двухсот конструкций солнечных коллекторов, производимых фирмами Германии, выполнен в работах [50, 51]. При этом большинство рассмотренных коллекто­ров предназначено для горячего водоснабжения и выпол­нены с плоскими панелями.

Одним из основных условий освоения промышленно­стью современной конструкции солнечных коллекторов является наличие системы государственных стандартов, ориентирующих разработчика на лучшие мировые образцы коллекторов. В настоящее время в России действуют следу­ющие нормативные документы: ГОСТ Р 51595-2000. Кол­лекторы солнечные. Общие технические условия [34], ГОСТ Р 51596-2000. Коллекторы солнечные. Методы испытаний [35]. В соответствии с [34] коллекторы должны подвергать­ся приемо-сдаточным, периодическим, типовым и прие­мочным испытаниям. В перечисленных видах испытаний отсутствует определение основной энергетической харак­теристики коллектора, которая позволяет оценить его те-

плотехническое совершенство. На основе общепризнанной математической модели Хотте ля — У и л лера — Блисса

КПД солнечного коллектора определяется по формуле

где дпол — полезная тепловая мощность коллектора, Вт/м2; Е — плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2; т — пропускательная способ­ность прозрачной изоляции; а — поглощательная способ­ность панели коллектора; UL — общий коэффициент тепло­вых потерь, Вт/(м2К); ta — средняя температура жидкости в коллекторе, К; tB — температура окружающего воздуха, К; F’ — коэффициент эффективности поглощающей панели.

Для оценки эффективности солнечных коллекторов по формуле (3.5) необходимы значения параметров т, a, F’, UL. С учетом изменяющихся при работе коллектора интенсив­ности суммарной солнечной радиации, температур тепло­носителя и окружающего воздуха расчеты по данной фор­муле не имеют практического значения. Для объективной оценки тепловой эффективности солнечных коллекторов на практике в России применяют полученные на основе формулы (3.5) эмпирические зависимости вида (3.6), в Гер­мании вида (3.7):

ц = а-Ьх, (3.6)

Л = По-*і*-*2^ж-0*> (3.7)

где а = F’xа, Ъ = ULF’, х = (£ж — tJE; т|о- оптический КПД коллектора, т. е. наибольший КПД коллектора при ра­венстве температур теплоносителя и окружающего воз­духа; kv k2 — коэффициенты тепловых потерь солнечного коллектора.

На рис. 3.16 представлены типовые энергетические ха­рактеристики нескольких видов солнечных коллекторов: без прозрачной изоляции, с неселективным покрытием те­плопоглощающей панели и одинарным остеклением, с се­лективным покрытием и одинарным остеклением, вакуу- мированного трубчатого. Энергетические характеристики выражают зависимость КПД различных видов коллекто­ров от комплексного показателя X, определяемого перепа­дом температур теплоносителя и окружающего воздуха и интенсивностью суммарной солнечной радиации.

Рис. 3.16.

Эффективность различ­ных типов солнечных коллекторов:

1 — вакуумированный трубча­тый; 2 — селективный с оди­нарным остеклением; 3 — не­селективный с одинарным остеклением; 4 — без прозрач­ной изоляции

В соответствии с мировой практикой солнечные кол­лекторы каждого производителя должны иметь такую энергетическую характеристику, определенную специа­лизированной испытательной организацией по соответ­ствующему стандарту. Стандарты России [34, 35] введены впервые, но, по существу, основаны на стандарте СССР, в котором была методика испытаний солнечных коллекто­ров (приложение 3, обязательное) с занесением в паспорт коллектора аналогичной зависимости. Имелась также методика определения пропускательной способности про­зрачной изоляции солнечных коллекторов относительно солнечного излучения (приложение 2, обязательное).

Российскими и украинскими учеными разработан проект межгосударственного стандарта, развивающего и дополняющего указанные материалы. Данный проект предусматривает требования к энергетическим характе­ристикам имитатора солнечного излучения и испытаниям по определению тепловой эффективности. В СССР испыта­ния солнечных коллекторов с построением энергетических характеристик проводились на стендах Энергетического института им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), института «КиевЗНИИЭП», полигона ИВТАН в Махач­кале. Стенды ЭНИН и КиевЗНИИЭП были оборудованы имитаторами солнечного излучения, и только на стенде ИВТАН проводились натурные испытания [37, 38]. До­стоверные энергетические характеристики получены на стенде ЭНИН только для солнечных коллекторов пред­приятия «Радуга-Ц» и Ковровского механического завода. В настоящее время российскими стандартами [34, 35] не регламентируется определение энергетической характери­стики солнечных коллекторов. В то же время в ГОСТ Р [35] имеется обязательное приложение В, на рисунке ВЗ, В4 ко­торого представлены схемы испытательного стенда, кото­рые косвенным образом указывают на объем необходимых испытаний.

Для условий России целесообразно использование норм Европейского Союза [39], которые аккумулировали опыт стандартизации в США, Великобритании, Франции и Гер­мании (DIN 4657): EN 12975-1 Коллекторы. Часть 1 — Об­щие требования; EN 12975-2 Коллекторы. Часть 2. Методы испытаний. Допускаемые стационарные и динамические методы тестирования коллекторов; EN 12976-1 Комплект­ная установка. Общие технические требования; EN 12976­2 Комплектная установка. Часть 1. Методы испытаний комплектных установок без дополнительного нагрева в ак­кумуляторе, проверяемые по CSTG-методу. Комплектные установки проверяемые с применением DST-метода; EN 12977-1 Специфические сведения по комплектным уста­новкам. Часть 1. Общие требования; EN 12977-2 Специ­фические сведения по комплектным установкам. Часть 2. Методы испытаний проверки по CTSS-методу; EN 12977-3 Специфические сведения о комплектных установках. Часть 3. Проверка производительности солнечного водяно­го аккумулятора.

Объективность сопоставления энергетических характе­ристик различных конструкций солнечных коллекторов может быть обеспечена при их испытаниях по одной мето­дике, одинаковых исходных данных, использовании одно­типного оборудования и приборов.

В России методики испытаний солнечных коллекторов наиболее полно исследованы С. Е.Фридом [40, 41]. Методи­ки тепловых испытаний подразделяются в зависимости от принятой математической модели на стационарные (или квазистационарные) и динамические (нестационарные). Математические модели для стационарных методов испы­таний основаны на классическом уравнении Хоттеля-Уил — лера-Блисса для коллектора с нулевой теплоемкостью. По условиям проведения стационарные методы подразделя­ются на натурные, например, по методике Национально­го бюро стандартов (НБС) США, и лабораторные. Натур­ные стационарные испытания наиболее полно отвечают реальным условиям работы солнечных коллекторов, но отличаются большой трудоемкостью и сложностью сопо­ставления. В России такие испытания проводились на по­лигоне Института высоких температур РАН (Махачкала) на стенде базовой лаборатории энергосбережения и нетра­диционных источников энергии Академии коммунального хозяйства в г. Краснодар. Данный стенд был сооружен под руководством автора для натурных тепловых и гидравли­ческих испытаний солнечных коллекторов. Он состоял из поворотной рамы размерами 2×2,5м, с изменением азиму­тальных углов ± 90°, углов наклона над уровнем горизонта 0-90°, бака-аккумулятора емкостью 300 л, вспомогатель­ного оборудования.

Лабораторные стационарные испытания проводятся с использованием имитаторов солнечного излучения, и, так называемым, темновым способом. Испытания с использова­нием имитаторов в России производились в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского и Институте высоких температур РАН. При этом оптический КПД коллектора мо­жет быть определен с погрешностью 2 %, а показатель те­пловых потерь с погрешностью 0,5 % [41]. Примером опре­деления тепловых характеристик солнечных коллекторов лабораторным темновым способом может служить работа [38] выполненная под руководством Б. В.Тарнижевского. Математические модели для динамических методик испы­таний подразделяются на одноэлементные (средней темпера­туры и теплоемкости всего коллектора) и многоэлементные с параметрами каждого элемента коллектора. Примером трехэлементной динамической математической модели мо­гут служить аналитические зависимости С. Е. Фрид а [41].

Анализ зарубежного опыта, и в частности таких испы­тательных организаций, как Фраунгоферовский институт (Германия, г. Фрайбург), Центр испытаний высшей шко­лы (Швейцария, г. Рапперсвил), Штутгардский институт термодинамики (Германия) [43, 44] показал, что наиболее объективно сочетание лабораторных методов исследова­ний с имитатором солнечного излучения и испытаний в на­турных условиях.

С учетом изложенного можно сделать следующие ВЫВО­ДЫ [42]:

— для объективной оценки конструкций солнечного коллектора необходимо иметь его достоверную энергетиче­скую характеристику, полученную стандартным методом испытаний. Российские производители солнечных кол­лекторов в настоящее время, в основном, таких данных не имеют;

— требуется доработка российского стандарта ГОСТ Р 51596-2000 в части методики испытания солнечных кол­лекторов, сооружение сертификационного центра для про­ведения испытаний как с имитаторами солнечного излуче­ния, так и в натурных условиях;

— до реализации рекомендаций предыдущего пункта из­готовителю солнечных коллекторов целесообразно руко­водствоваться нормами Евросоюза EN 12975, а испытания производить в одном из европейских сертификационных центров;

— установлено, что для анализа тепловой эффективности конструкции солнечного коллектора недостаточно только энергетической характеристики. Необходимо располагать показателем, соотносящим теплотехническое качество коллектора с его стоимостью.

19.1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Солнечные коллекторы — это устройства для поглощения солнечного излучения и преобразования в тепловую энер­гию [23]. По конструкции различают коллекторы плоские, трубчатые вакуумированные, коллекторы-аккумуляторы; по типу теплоносителя — жидкостные и воздушные. В системах теплоснабжения России наиболее перспектив­но применение гелиоустановок с плоскими солнечными коллекторами.

Плоский солнечный коллектор состоит из четырех основных элементов: поглощающей панели с каналами для теплоносителя, на поверхность которой нанесено спе­циальное покрытие, поглощающее солнечное излучение; прозрачной изоляции, состоящей, как правило, из стекла; тепловой изоляции тыльной и боковых сторон коллекто­ра; корпуса, в котором установлены поглощающая панель, прозрачная и тепловая изоляция.

На рис. 3.15 представлены типовые конструкции погло­щающих панелей солнечных коллекторов.

В табл. 3.18 приведены основные характеристики сол­нечных коллекторов, выпускавшихся ранее в СССР [25], в табл. 3.19 — солнечных коллекторов, производимых в 2002 г. заводами России, Украины и Армении, в табл. 3.20 — основные характеристики солнечных коллекторов,

б

е

а — панельный отопительный радиатор; б — панель из гофрированного и пло­ского оцинкованного листов; в — прокатно-сварная панель; г, д — трубчатые регистры с различным креплением металлического листа; е, ж — трубчатые регистры с металлическими панелями производимых в 2005 г. отдельными партиями под заказ заводами России и Украины. Стоимость коллекторов, вы­пускавшихся в СССР, представлена в сопоставимых ценах 2001 г. при курсе 1 дол. — 30 руб. Стоимость солнечных коллекторов, производимых в 2002-2005 гг., определена по курсу 1 дол. — 28 руб., 1 евро — 1,3 дол.

Разработкой конструкций солнечных коллекторов в СССР занимались Энергетический институт им. Кржи­жановского (ЭНИН, Москва), Институт высоких темпе­ратур АН СССР (ИВТАН, Москва), Киевский зональный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования (КиевЗНИИЭП), объединение «Спецге­лиотепломонтаж» (Тбилиси), НПО «Солнце» (Ашхабад), Физико-технический институт АН Узбекистана (Ташкент), Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС, Москва).

Испытательные стенды с имитаторами солнечного излу­чения имелись в ЭНИН, в КиевЗНИИЭП. Полигонами для натурных испытаний солнечных коллекторов располагали махачкалинский филиал ИВТАН и объединение «Спецге­
лиотепломонтаж». Апробация научных разработок, обоб­щение опыта эксплуатации гелиоустановок осуществля­лась на страницах журнала «Гелиотехника», издаваемого АН Узбекистана в Ташкенте.

В СССР по данным Б. В.Тарнижевского [25] в 1992 г. эксплуатировались гелиоустановки общей площадью сол­нечных коллекторов 150 тыс. м2. По данным П. П.Безруких [26] в 1990 г. в СССР ежегодно выпускалось до 91 тыс. м2 солнечных коллекторов. Основными производителями были завод «Сибтепломаш» (Братск), Бакинский завод по обработке сплавов цветных металлов, объединение «Спец­гелиотепломонтаж» (Тбилиси). Основой конструкции их коллекторов являлись штампосварные теплопоглощаю­щие панели.

В СССР более 30 % солнечных коллекторов производи­лись в г. Братск. Теплопоглощающие панели изготавлива-

лись из листовой холоднокатаной стали толщиной 1,5 мм по технологии, применяемой для производства отопитель­ных конвекторов, разработанной в Германии. Покрытие наружной поверхности панели — селективное лакокра­сочное или гальваническое «черный хром». Панель имела четыре патрубка Ду 20 мм с наружной резьбой. Прозрач­ная изоляция — стекло оконное толщиной 5 мм, уплотне­ние — специальная мастика (герлен). Теплоизоляция — ми­неральная вата толщиной 60 мм. Корпус штампованный из

стали толщиной 1,5 мм с лакокрасочным покрытием. По паспортным данным максимальная мощность коллекто­ра 440 Вт достигалась при солнечной радиации 800 Вт/м2, температуре окружающего воздуха +20 °С и скорости ветра 2-3 м/с. Срок службы — 15 лет.

В 1989 г. на заводе «Сибтепломаш» было произведено 42,3 тыс. м2 солнечных коллекторов [26]. Технические ха­рактеристики данных коллекторов приведены в табл. 3.18 [27].

Солнечные коллекторы объединения « Спецгел иотеп ло — монтаж» были также разработаны институтом «КиевЗНИ — ИЭП» и имели теплопоглощающую панель, аналогичную коллекторам завода «Сибтепломаш», но с двумя патрубка­ми Ду 20 мм с резьбой или без нее. Покрытие наружной по­верхности панели — селективная краска с расчетным сроком службы 2 года. Прозрачная изоляция — стекло оконное 4 мм, уплотнение — П-образная резина. Теплоизоляция — ли — стовый пенопласт толщиной 60 мм. Обечайка корпуса вы­полнялась из алюминиевого профиля, тыльная сторона коллектора — из фанеры толщиной 4 мм или из оцинко­ванной стали толщиной 0,55 мм. Производство не было промышленным, в 1990 г. оно составило 20 тыс. м2 [28]. Технические характеристики тбилисских коллекторов приведены в табл. 3.18 [28]. Аналогичные солнечные кол­лекторы выпускал Бухарский завод гелиоаппаратуры [6]. Габариты коллектора 1099x650x111 мм, площадь 0,62 м2, масса 36 кг. Теплопоглощающая панель — штампосварная стальная, теплоизоляция — опилки.

Солнечные коллекторы, производимые небольши­ми партиями по отдельным заказам опытным заводом института «КиевЗНИИЭП», отличались листотрубной конструкцией теплопоглощающей панели змеевиково­го типа. В основе такой панели — плавниковый профиль с внутренним диаметром трубок 10 мм, шириной плавников 120 мм. Панели имели два патрубка Ду 10 мм с наружной резьбой. Прозрачная изоляция — стекло по выбору заказ­чика. Уплотнение стекла — П-образная резина. Обечайка корпуса выполнялась из алюминиевого профиля. Тепло­изоляция — пенопласт толщиной 60 мм. Тыльная сторона коллектора — из алюминиевого листа. Технические харак­теристики этих коллекторов приведены в табл. 3.18 [28]. Стоимость коллектора определена по аналогичной кон­струкции, производившейся в 2000 г. ОАО «Южстальмон — таж» в Симферополе.

Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС, Москва) разработал и выпускал небольшими партиями солнечные коллекторы на своем заводе, а с 1991 г. и на Бакинском за­воде по обработке сплавов цветных металлов. Коллекторы имели штампосварную теплопоглощающую панель из ли­стового алюминия и теплоизоляцию из пенополиуретана. Выпускались две модели коллектора: площадью 0,63 м2 (1440x490x98 мм) и 0,82 м2 (1660x590x98 мм); их произ­водство в 1990 г. составило 20 тыс. м2 [26].

В работе [29] выполнен анализ характеристик восьми конструкций солнечных коллекторов, в числе которых по­мимо вышеописанных вошел ряд перспективных в то вре­мя разработок. Данные коллекторы различались, в основ­ном, конструкцией теплопоглощающей панели:

№ 1 — типа «лист-труба», материал — алюминий, раз­работчик — ЭНИН;

№ 2 — с трубчатой панелью с песчаной засыпкой, разра­ботчик — АН Азербайджанской ССР;

№ 3 — типа «лист-труба», штампосварная, разработ­чик — институт «КиевЗНИИЭП», выпускал завод в Братске;

№ 4 — типа «лист», штампосварная, материал — сталь, разработчик — институт «КиевЗНИИЭП»;

№ 5 — типа «подушка», емкостной, разработчик — НПО «Солнце» АН Туркменской ССР;

№ 6 — типа «лист», разработчик — НПО «Солнце» АН Туркменской ССР;

№ 7 — типа «лист-труба», разработчик — Физико­технический институт АН Узбекской ССР;

№ 8 — с тепловым фазовым аккумулятором, разработ­чик — НПО «Квант».

При испытаниях установлены высокие теплотехниче­ские характеристики солнечных коллекторов № 3 (Брат­ского завода) и № 1 (алюминиевые, ЭНИН). При этом на последних через полгода обнаружены следы питинговой коррозии.

В СССР и в России наиболее масштабные исследова­ния конструкций солнечных коллекторов выполнены под руководством Б. В.Тарнижевского [30-33]. В последние годы существования СССР в составе научно-технической программы «Экологически чистая энергетика» был разра­ботан и утвержден проект «Разработать материалы и кон­струкции и осуществить серийное производство солнечных коллекторов нового поколения». Проект предусматривал создание и освоение производства восьми конструкций солнечных коллекторов, в том числе одной конструкции на основе панели из коррозионностойкой стали, двух — на основе панели из алюминиевых сплавов, трех — на основе полимерных материалов, двух конструкций воздушных коллекторов [34]. Для производства этих конструкций разрабатывались технологии выращивания листотрубного алюминиевого профиля из расплава по методу Степанова, технология упрочненного стекла, модификации пластмасс, нанесения селективного покрытия (гальванического, плаз­менного напыления, вакуумного осаждения алюминия при его окислении на фольге). Проектом было предусмо­трено создание испытательного стенда для всесторонних исследований новых конструкций солнечных коллекторов перед постановкой их на производство и контроль качества серийной продукции, а также сертификация изделий по европейскому стандарту. К работам по проекту было при­влечено более 20 различных научно-исследовательских, конструкторских, технологических, проектных и про­изводственных организаций. Головной организацией по НИОКР являлся ЭНИН (Б. В.Тарнижевский). К 1992 г. были разработаны, изготовлены и испытаны опытные об­разцы пяти основных конструкций солнечных коллекто­ров, завершена разработка новых и модифицированных материалов, технологий их изготовления, в том числе кор­розионностойкой стали и модифицированных пластмасс, освоен выпуск упрочненного стекла, разработана техноло­гия нанесения селективного покрытия «черный никель» по методу электрохимического осаждения. По известным причинам с распадом СССР данная широкомасштабная ра­бота в последующие годы была фактически свернута.

В настоящее время солнечные коллекторы в России се­рийно не выпускаются. В табл. 3.19 приведены характери­стики коллекторов, производимых основными заводами небольшими партиями под заказ. Данные коллекторы со­ответствуют новым российским стандартам [34, 35].

Ковровский механический завод (КМЗ) в 1994 г. освоил выпуск собственной конструкции солнечных коллекторов. Во всех модификациях коллекторов КМЗ теплопоглощаю­щая панель выполнена из латунной трубки: распредели­тельные (Ду 10 мм), сборные (Ду 18 мм). Способ соедине­ния трубок — пайка. Первые конструкции коллекторов имели алюминиевые теплопоглощающие ребра толщиной 3 мм, наплавленные на распределительные трубки.

С 1998 г. выпускаются коллекторы новой модифи­кации, разработанной с участием автора, со стальными ребрами толщиной 0,8 мм, соединяемые с латунными трубками обжимом и последующей контактной сваркой. Панели имеют четыре патрубка Ду 18 мм. В качестве про­зрачной изоляции применяется оконное стекло толщиной 3 мм. Уплотнение стекла П-образный резиновый профиль. Корпус из листовой стали окрашен в черный цвет, имеет четыре проушины для крепления к опорным конструкци­ям. В качестве теплоизоляции применялись следующие материалы: пенополиуретан в полиэтиленовой пленке, по­лости из пергамина. Покрытие наружной стороны тепло­изоляции выполнялось из листового алюминия, листов обычной стали толщиной 0,55 мм, листов ДВП с покры­тием пергамином, окрашенных листов ДВП. С 2001 г. На КМЗ выпускалась следующая конструкция коллектора: стекло толщиной 3 мм, теплоизоляция — полости пергами­на с покрытием наружной стороны окрашенным листом ДВП. Солнечный коллектор КМЗ соответствует требовани­ям стандартов СССР [24] и России [34, 35]. Гарантийный срок эксплуатации коллектора — 10 лет. КМЗ работает над совершенствованием конструкции коллектора, имеет ис­пытательный стенд и соответствующее оборудование. За­вод имеет возможность выпускать 20 тыс. солнечных кол­лекторов в год. Ведущий конструктор завода по данному направлению А. А. Лычагин.

Научно-производственное предприятие (НПП) «Конку­рент» (с 2000 г.- НПП «Радуга-Ц») (г. Жуковский, Мо­сковской обл.) с 1992 г. выпускало солнечные коллек­торы «Радуга». Теплопоглощающая панель солнечного коллектора штампосварная из листовой нержавеющей стали 12Х18Н10Т или ее зарубежных аналогов толщиной 0,3-0,5 мм. Размеры продольных каналов для теплоноси­теля обеспечивают устойчивую работу при незамерзающем теплоносителе. Панель имеет четыре патрубка Ду 20 мм с наружной резьбой или без нее для соединения резинотка­невыми муфтами. В качестве прозрачной изоляции исполь­зуется однослойное закаленное или упрочненное стекло толщиной 3 или 4 мм, с малым содержанием железа и ко­эффициентом светопропускания не менее 0,9. Для уплот­нения стекла применяется П-образный профиль из рези­ны. Нижняя теплоизоляция коллектора двухслойная: мат из базальтового волокна толщиной 20 мм, облицованный алюминиевой фольгой, и плита из жесткого пенополиуре-

тана толщиной 30 мм, также облицованная фольгой. Боко­вая теплоизоляция — облицованный фольгой пенополиуре­тан толщиной 15 мм. Корпус коллектора из прессованных алюминиевых профилей покрытых атмосферостойкими порошковыми эмалями. Корпус имеет крепления для уста­новки на монтажные опоры. Солнечный коллектор «Раду­га» соответствует требованиям стандартов России [34, 35] и основным требованиям стандартов зарубежных стран.

НПО машиностроения (Реутово, Московская об л.) за­нимается выпуском солнечных коллекторов с 1995 г. До 1999 г. в основе конструкции коллектора была тепло­поглощающая штампосварная панель из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм с двумя патрубками. Селектив­ное покрытие панели выполнялось напылением в ваку­умной камере плазменно-химическим методом. Стек­ло упрочненное, с низким содержанием железа. Корпус и тыльная сторона из нержавеющей стали. Теплоизоля­ция из стекловолокна и пенополиуретана. Выпускались коллекторы площадью 0,9 м2 (1350x700x85 мм) и 1,2 м2 (1610x800x85 мм). В 1999 г. данный производитель осво­ил выпуск новой конструкции коллектора с теплопогло­щающей панелью из коррозионностойкого алюминиевого сплава. Площадь коллектора 2,03 м2 (2010x1010x95 мм), теплоизоляция — минеральное волокно толщиной 50 мм.

ЗАО «Альтэн» (г. Москва) выпустило 100 шт. солнеч­ных коллекторов типа «Альтэн-1». Поглощающая панель выполнена из листотрубных алюминиевых профилей, в каналы которого установлены медные трубки Ду 11 мм. Схема соединения трубок — решетчатая. Солнечный кол­лектор имеет четыре медных патрубка с наружной резьбой 3/4". Покрытие поглощающей панели — селективное (на­пыление в вакууме). Прозрачное покрытие — сотовый по­ликарбонат толщиной 8 мм в виде прямого эллиптического цилиндра. Теплоизоляция — минеральная вата толщиной 100 мм с алюминиевым экраном. Корпус из окрашенной оцинкованной стали. Энергетическая характеристика по­лучена во Фраунгоферовском испытательном центре (г. Фрайбург, Германия).

Промышленно-коммерческая компания «СИН — ТЕК» (Запорожье, Украина) за последний год произвела 400 м2 солнечных коллекторов двух видов: SINTSOLAR CS с высокоселективным покрытием поглощающей панели и SINTSOLAR СВ с лакокрасочным покрытием поглощаю­щей панели. Поглощающая панель выполнена из медных трубок и медной ленты толщиной 0,2 мм, способ соедине­ния — пайка. Прозрачная изоляция — ударопрочное стек­ло толщиной 4 мм или обычное оконное 4 мм, уплотнение силиконовой резиной. Теплоизоляция — базальтовое во­локно толщиной 60 мм. Корпус выполнен из анодирован­ного алюминия. Солнечный коллектор соответствует ГОСТ 28310-89 [24]. Энергетическая и гидравлическая характе­ристики отсутствуют. Предназначен для работы только в двухконтурных системах.

ООО «Крымская тепловая компания» (Севастополь, Украина) изготовила 1 тыс. м2 солнечных коллекторов. Поглощающая панель выполнена из листотрубных алюми­ниевых профилей, в каналы которого установлены медные трубки Ду 8 мм. Схема соединения трубок — решетчатая. Изготавливается 28 различных видов солнечных коллек­торов площадью от 1,5 до 15,2 м2. Покрытие теплопогло­щающей панели лакокрасочное. Прозрачная изоляция — стекло толщиной 4 мм. Теплоизоляция — базальтовая вата. Корпус деревянный с покрытием из оцинкованной стали. Солнечный коллектор имеет международный и немецкий сертификат, соответствует ГОСТ 28310-89.

Анализ конструкций солнечных коллекторов, произво­димых в России и Украине, их технические характеристи­ки приведены в статье [36]. Солнечных коллекторов наКМЗ выпущено около 3000 штук. Коллекторы НПП «Радуга-Ц» выпускались в небольшом количестве. Их применение ограничено высокой стоимостью. НПО машиностроения выпустило пока опытную партию новых коллекторов.

С учетом изложенного анализа отечественных кон­струкций солнечных коллекторов можно сделать следую­щие выводы:

— в СССР существовала система разработки, испытания и производства солнечных коллекторов в массовом коли­честве. Основными производителями были братский завод «Сибтепломаш» и тбилисское объединение «Спецгелиоте­пломонтаж». В Краснодарском крае солнечные коллекто­ры данных заводов эксплуатируются более 10 лет;

— в России, Украине и Армении солнечные коллекторы выпускаются отдельными партиями. Солнечные коллек­торы российских производителей не имеют международ­ной сертификации;

— для российского рынка необходимо разработать кон­струкцию и освоить серийный выпуск солнечных коллек­торов, имеющих оптимальное соотношение цена — качество.

При обработке ежемесячных и годовых значений ин­тенсивности суммарной солнечной радиации 40-ка ме­теорологических станций использованы известные корреляционные связи между суммарной радиацией, про­должительностью солнечного сияния и облачностью [13]. Результаты расчетов, выполненные для всех городов и ад­
министративных центров Краснодарского края и республи­ки Адыгея [17,18], приведены в табл. 3.15. Полученные дан­ные могут быть использованы для технико-экономических расчетов целесообразности сооружения гелиоустановок, а также для их проектирования.

В справочниках и компьютерных базах данных для ряда населенных пунктов приведены только значения интенсивности суммарной солнечной радиации без выде­ления ее составляющих: прямой и рассеянной, значения которых необходимы для проектирования гелиоустановок. Среднемесячный приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность южной ориентации определя­ется по формуле [20]:

НТ=ЁН’

где Н — среднемесячный дневной приход суммарной сол­нечной радиации на горизонтальную поверхность; R — от­ношение среднемесячных дневных приходов суммарной солнечной радиации на наклонную и горизонтальную поверхности.

= Hd 1 + cosS 1-cosS

Rh +^=————— — i-p————

H 2 2 где Hd — среднемесячный дневной приход рассеянной ра­диации на горизонтальную поверхность; Rb — отношение среднемесячных приходов прямой радиации на наклонную и горизонтальную поверхности; р — отражательная способ­ность земли; S — угол наклона коллектора к горизонту.

Отношение рассеянной радиации к суммарной солнеч­ной Hd/H определяется показателем облачности

где Н0- среднемесячный дневной приход солнечной ра­диации на горизонтальную поверхность за пределами атмосферы.

С. Клейн предложил следующее уравнение [20]:

^- = 1,390-4,027^г +5,531^ -3,108^ для 0,3<.йГг <0,77.

В результате обработки данных 34-х метеостанций, с учетом солнечной постоянной ло=1367 Вт/м2, авторами статьи [22] предложено выражение:

^- = 1,191-1,783^ +0,862Ц -0,324Щ. (3.1)

для 0,15 <КТ <0,80 .

Для широт менее 50° рекомендуется формула

^- = 0,958-0,982Хг, для 0,3^г^0,6. (3.2)

Н

При обработке результатов наблюдений солнечной ра­диации в 1977-1990 гг. в г. Краснодар были выполнены ис­следования составляющих солнечной радиации.

Для условий Краснодара Кт равно:

При определении Hd/H по формуле (3.2) получены сле­дующие значения:

Соотношение между диффузной и суммарной солнеч­ной радиацией согласно [24] определено из соотношений:

Hd/H =0,791- 0,635 (n/N), (3.3)

Hd/H = 0,992 — 1,602 (n/N) — 0,778 (n/Nf, (3.4)

где N — максимально возможное среднемесячное количе­ство часов солнечного сияния (среднемесячная продолжи­тельность светового дня), ч ;п — среднемесячное количество часов солнечного сияния за день, ч.

Для сопоставления результатов расчетов с данными на­блюдений использована оценка среднего арифметического отклонения:

где Хрі, Хні — соответственно расчетное значение и результат наблюдения искомой величины X в і-м меся­це; т — количество наблюдений.

При сопоставлении результатов со статистическими данными наблюдений в г. Геленджик получены следую­щие значения отклонения:

Таким образом, для оценки составляющих солнечной радиации предпочтительно пользоваться формулой (3.3), которая дает наименьшее среднее арифметическое откло­нение при сопоставлении со статистическими данными. С учетом полученных результатов для 54 городов и насе­ленных пунктов Краснодарского края и республики Ады­гея были рассчитаны значения интенсивности прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность (табл. 3.17), которые необходимы для проектирования гелиоустановок.

Анализ значений интенсивности суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации (см. табл. 3.15, 3.17) го­родов и населенных пунктов региона площадью 83,3 тыс. км2 позволил выделить на данной территории две зоны, в пределах каждой из которых значения солнечной радиа­ции различаются не более, чем на 10 %, что сопоставимо с погрешностями измерений (рис. 3.14).

Рис. 3.14.

Районирование территории Краснодарского края по значениям годовой интенсивности суммарной радиации на горизонтальной поверхности

Для первой зоны, включающей побережье Черного и Азовского морей и равнинную часть края, пунктом — пред ставите л ем определен г. Геленджик, для которого обработан материал 15-летних наблюдений солнечной радиации. Для второй зоны, охватывающей предгорье, горы края и Адыгеи пунктом-представителем является
г. Краснодар, для которого имеются результаты 14-летних измерений солнечной радиации.

18.5.1. Методы и способы обработки результатов исследований характеристик солнечной радиации

Основной характеристикой солнечной радиации являет­ся ее суммарная интенсивность на горизонтальной поверх­ности. В справочниках по климату СССР [5,6] представлены средние арифметические значения этого параметра. Однако данные по солнечной радиации приведены только для тех населенных пунктов, где имеются метеостанции.

Для получения достоверных значений солнечной ради­ации для г. Краснодар были выполнены исследования ре­зультатов 10-летних наблюдений за период 1977-1986 гг. [15,16]. При этом был применен метод расчета интеграль­ной повторяемости отдельных градаций с построением гистограмм, являющихся эмпирическим аналогом диффе­ренциальной функции вероятности.

При анализе интегральной повторяемости F значе­ний суммарной интенсивности солнечной радиации Jp за указанный период установлено, что обеспеченность сред­неарифметических значений составила 48 %, а с учетом интегральной повторяемости — 60 % (рис. 3.9). Характер­ными годами за данный период наблюдений являлись: 1978,1980,1981, 1984.

Сравнение полученных значений интенсивности сол­нечной радиации с аналогичными, приведенными в спра­вочнике [5], показало, что применение указанного метода повысило достоверность данных на 18 %.

В 1987-1990 гг. обработка результатов наблюдений ин­тенсивности солнечной радиации г. Краснодар была про­должена [17, 18]. Анализ гистограмм интегральной по­вторяемости суммарной солнечной радиации показал, что за 14-летний период наблюдений обеспеченность среднего арифметического значения суммарной солнечной радиа­ции составляет 56 %, ас учетом интегральной повторяе­мости — 51 % (рис. 3.10). Из анализа данных табл. 3.10 следует, что с увеличением продолжительности наблюде­ний расчетные значения интенсивности как среднеариф­метические, так и средние с учетом функции вероятности, уменьшаются.

Рис. 3.10.

Интегральная повторяемость суммарной солнечной радиации в г. Краснодар в 1977-1990 гг.

В табл. 3.11 приведены результаты сопоставления зна­чений интенсивности суммарной солнечной радиации, по­лученные при обработке данных измерений в1977-1990гг., с аналогичными данными справочной литературы [6, 19]. Как упоминалось выше, в справочной литературе представ­лены средние арифметические значения интенсивности суммарной солнечной радиации. Отклонение расчетных средних арифметических значений по результатам наблю­дений от справочных данных составило 1,4 %, а средних с учетом функции вероятности — 4,4 %. Существенно рас­хождение значений в августе: среднее арифметическое — 1,7 %, а среднее с учетом функции вероятности — 7,9 %.

На рис. 3.11 приведены графики изменения суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в г.

Краснодар в течение года; средняя кривая — справочные данные [6]. Верхние и нижние кривые соответствуют мак­симальным и минимальным значениям в течение 14-лет­него периода наблюдений. Наибольшая разность между максимальным и минимальным значениями зафиксиро­вана в сентябре, минимальная — в декабре и феврале. По­лученные кривые позволяют принять с определенным значением обеспеченности решение по величине дополни­тельной площади солнечных коллекторов при отсутствии теплового дублера. В табл. 3.12 приведены значения от­клонения расчетных величин от справочных данных как при минимальном уровне солнечной радиации, так и при максимальном.

Условия применения справочных значений суммар­ной солнечной радиации ограничены. Так, в соответ­ствии со справочником [5] они могут быть использованы в радиусе 60 км от пункта наблюдения при незначитель­ном различии геодезических отметок относительно уров­ня моря.

Исследования солнечной радиации были выполне­ны для г. Геленджик на основании результатов измере­ний на метеостанции этого города в 1975-1990 гг. (табл. 3.13). Геленджик находится на расстоянии 100 км от Краснодара, геодезические отметки его метеостанции незначительно отличаются от краснодарских. При об­работке результатов измерений также применен метод построения гистограмм, в соответствии с которым рассчи­таны величины повторяемости месячных значений сум­марной солнечной радиации на горизонтальную поверх­ность. Кривая интегральной повторяемости суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в г. Геленджик приведена на рис. 3.12.

В табл. 3.14 представлены значения отклонений мак­симальных и минимальных величин интенсивности суммарной солнечной радиации в Геленджике от рас­четных (см. табл. 3.13). На рис. 3.13 по значениям из табл. 3.14 построены соответствующие графики. Наи­большая разность между максимальным и минимальным значениями 77,8 % имеет место в июле, минимальная 37,2 % — в мае.

Таким образом, с применением дифференциальной функции распределения вероятности на основе анали­за результатов обработки значений суммарной солнеч­ной радиации в Краснодаре за 14 лет и Геленджике за 15 лет, получены расчетные значения для проектирования гелиоустановок.

Выяснено также, что для определения расчетных зна­чений со степенью достоверности более 50 % необходимы 10-летние и более продолжительные сроки наблюдения. Предложен новый способ представления месячных зна-

чений интенсивности суммарной солнечной радиации с определением их максимальных и минимальных величин, вероятности их наблюдения.

В справочниках по климату [5, 6] отдельные регионы представлены весьма ограничено. Так, для Краснодарско­го края они имеются только для городов Краснодар и Сочи,

Примечание: S — суммарная солнечная радиация, D — рассеянная солнечная радиация, Т — тем­пература воздуха, Р — атмосферное давление, V— скорость ветра, W — влажность воздуха, тп — средне­месячные значения, Л — среднечасовые значения, hh — получасовые значения

что недостаточно с учетом ограничений применимости справочных материалов.

Сотрудниками Государственной геофизической обсер­ватории имениА. И. Воейкова (ГГО) с участием автора была выполнена оценка гелиоэнергетических ресурсов Красно­дарского края [13] на основе данных многолетних измере­ний характеристик солнечной радиации 40-ка метеороло­гических станций. На рис. 3.5 приведена карта станций, в табл. 3.3 — их перечень и период наблюдений. В табл. 3.4 представлены значения продолжительности солнечного сияния, в табл. 3.5 — соотношение наблюдавшейся продол­жительности солнечного сияния и возможной.

В результате расчетов по формуле Ангстрема получены значения суммарной интенсивности солнечной радиации на горизонтальной поверхности (табл. 3.6 и рис. 3.6). По­грешность расчета месячных сумм радиации определя­лась при сравнении вычисленных и фактически получен­ных на актинометрических станциях значений радиации. Средняя величина погрешности составляла 1-6 % в летнее время и 3-13 % в зимнее.

При анализе полученных расчетным путем месячных значений суммарной радиации в данные были введены со­ответствующие поправки. Использованная методика рас­чета была применена в ГГО при оценке средних по площади пятиградусных квадратов территории России. Погреш­ность определения месячной суммарной радиации состав­ляла около 4 %.

Наибольшим солнечным потенциалом обладают при­брежные районы Азовского моря и северная часть Черно­морского побережья. Здесь годовой приход суммарной радиации достигает 1380-1400 кВт-ч/м2. В центральной и северной равнинной части Краснодарского края годо­вой приход радиации составляет, в среднем, 1270-1325 кВт-ч/м2. На юге, в районе Кавказского заповедника — наи­меньшая в крае суммарная радиация 1180-1200 кВт-ч/м2.

Черное

море

Рис. 3.5.

Схема метеорологических станций

05

00

Рис. 3.6.

Суммарная солнечная ра­диация за год на горизон­тальной поверхности

Для точного расчета количества солнечной радиации, поступающей на наклонные поверхности, необходимо иметь значения прямой, рассеянной и отраженной ра­диации. Во многих случаях встает необходимость оцен­ки суммарной радиации на наклонные поверхности в пунктах, где ее измерения не производились вообще или отсутствует непрерывная регистрация, а производят­ся лишь конкретные измерения. В связи с этим в ГГО на основании изучения соотношения суммарной радиации, поступающей на горизонтальную Qrop и наклонную 9накл поверхности был разработан способ пересчета суммарной радиации горизонтальной поверхности на наклонные, а также на вертикальные [14]. Материалом для этого послу­жили многолетние данные актиометрической сети СССР (200 станций) за 25-30 лет. Установление четкой зависи­мости QHaKJI/Qrop от широты местности позволяет исполь­зовать это соотношение как переводной коэффициент для пересчета суммарной радиации с горизонтальной поверх­ности на наклонную.

При помощи указанной методики с использованием мо­дели Дж. Хея были рассчитаны значения суммарной ин­тенсивности солнечной радиации на поверхности, располо­

женной под углом к горизонту, равным широте местности (табл. 3.7, рис. 3.7).

В результате анализа приведенных выше данных уста­новлено, что в течение года максимальные суммы солнеч­ной радиации отмечаются в июле (Q = 180+200 кВт ч/м2). При Q >180 кВт-ч/м2 обеспечивается средний суточный приход суммарной радиации > 6 кВт ч/м2.

В зависимости от облачности меняется доля прямой ра­диации в суммарном приходе. Наиболее значителен вклад прямой радиации в суммарную с мая по сентябрь — 50-60 %, на Черноморском побережье — 60-67 %. Зимой доля прямой радиации уменьшается до 30-45 %. В целом за год на территории Краснодарского края доля прямой радиа­ции в суммарном приходе составляет 52-53 %, на Черно­морском побережье — 58-59 %.

Как показывает распределение почасовых значений суммарной радиации, в течение дня в Краснодарском крае облачность существенно изменяет форму суточного хода — она асимметрична относительно полудня (табл. 3.8). Так, в июле в равнинной части края и в предгорьях сум­мы радиации в дополуденные часы больше, чем в после­полуденные. Ассиметрия в суточном ходе радиации свя­занна с развитием конвективной облачности к полудню и уменьшением прозрачности атмосферы в послеполуденные часы. На побережье Черного моря облачность уменьшается во второй половине дня и дополуденные суммы радиации меньше послеполуденных. Ассиметрия в отдельные часы до и после полудня может достигать 25 %.

В работе [13] на территории Краснодарского края выде­лено пять климатических зон (рис. 3.8, табл. 3.9).

В первую зону входят северная часть Черноморского побережья (район Анапа — Тамань) и побережье Азовско­го моря, во вторую — побережье Черного моря от Анапы до Адлера, в третью — равнинное побережье края (Кубано — Приазовская низменность), в четвертую — предгорные рай-

оны до горы Фишт, в пятую — горные районы в верховьях реки Мзымта до горы Фишт.

Значения параметров второй и третьей зон мало от­личаются друг от друга, а некоторые из них, относящие­ся к третьей зоне, даже превышают показатели второй зоны. Практически мало уступает им четвертая зона. В пятой зоне отмечается существенное снижение показате­лей солнечного излучения, увеличение облачности.

На основании анализа характеристик гелиоресурсов Краснодарского края сделаны следующие выводы [13]:

Рис. 3.8.

Районирование территории Краснодарского края по природным гелиоресурсам

5. Неподвижный гелиоприемник с углом наклона, равным широте местности, получает 1350-1500 кВт ч/м2 суммарной радиации.

В России расчетные значения суммарной, прямой и рас­сеянной солнечной радиации принимаются из справочни­ков по климату [5, 6]. Нормы проектирования гелиоуста­новок [3] предписывают использование справочника по климату [5] 1966 года издания для определения расчетных значений солнечной радиации. Известна также редакция данного справочника 1990 года издания [6].

Указанные справочники содержат информацию по ча­совым, месячным, годовым значениям прямой, рассеян­ной и суммарной солнечной радиации, продолжительно­сти солнечного сияния для всех регионов России за период наблюдения от 5 до 30 лет. Недостатками данных справоч­ников являются сложность использования (ограниченный тираж, табличная форма представления информации), не­обходимость дополнения данными за период после 1990 г., малое число пунктов наблюдения в отдельных регионах страны, отсутствие ряда характеристик, необходимых для проектирования гелиоустановок.

Компьютерные базы данных, разработанные европейски­ми и американскими специалистами, имеют более удобную

для пользователя форму представления информации. Они разнятся источниками получения информации: наземные и спутниковые наблюдения; сроками обработки данных: от 1 до 30 лет; представлением характеристик солнечной радиа­ции: получасовые, часовые, месячные, годовые значения; возможностями пространственной интерполяции.

Одна из первых баз данных со значениями среднемесяч­ной суммарной и рассеянной радиации, начиная с 1966 г., для 340 пунктов наблюдения в Европе и Северной Афри­ке приведена в Европейском атласе солнечной радиации (E. S.R. A.).

Новое издание Европейского атласа (2000 г.) помимо книжной формы представлено также компакт-диском, в котором увеличено количество пунктов (до 586) и период наблюдения, дополнительно приведены значения темпера­тур и давлений атмосферного воздуха.

Самой современной базой данных в Европе и Северной Африке является S@tel-Li. ht, основанная на спутниковых измерениях в 1996-2000 гг. В ней приводятся получасо­вые значения суммарной и рассеянной солнечной радиа­ции, имеется возможность пространственной интерполя­ции данных 250 тыс. пунктов наблюдения. Достоинством этой базы является возможность получения необходимой информации по электронной почте. Однако, в статье [9] от­мечаются значительные отклонения параметров для неко­торых пунктов от данных наземных станций.

Среди всемирных баз данных солнечной радиации клас­сической является продукт на компакт-диске швейцар­ской организации Meteonorm (METEONORM 4,0), который основан на данных более 2400 пунктов наблюдения, что малопредставительно для столь масштабной программы. В тоже время она является наиболее полной по произво­димым измерениям (суммарная, прямая и рассеянная сол­нечная радиация, температура, давление, скорость ветра, влажность атмосферного воздуха). Она позволяет произ­водить пространственную интерполяцию представленных данных.

Характеристики основных мировых компьютерных баз данных по солнечной радиации представлены в табл. 3.2 [9].

Недостатками указанных компьютерных баз для ис­пользования в России являются отсутствие исчерпывающих комментариев по их применению, малое число российских пунктов наблюдений, недостоверность значений интенсив­ности солнечной радиации за малый период наблюдений.

В базах данных представлены результаты наблюдений за период от 4 до 30 лет. В справочнике по климату [5] для городов России приведены данные суммарной солнечной радиации как за 5-7 лет, так и за 30 лет.

Среди специалистов по климатологии нет единого мне­ния о необходимой продолжительности наблюдений для получения результатов с достаточной степенью достовер­ности. Так, 3. И. Пивоварова [10] считает, что увеличение этого срока приводит к повышению степени достоверности. В то же время М. В. Заварина в монографии [11] указывает, что увеличение периода наблюдений не всегда приводит к уточнению полученных данных.

Для многих населенных пунктов данные солнечной ра­диации в справочниках отсутствуют, возникает необходи­мость интерполировать их значения. Изменения значений солнечной радиации и обработка их производится по спе­циальным методикам, например [10-12].