07 марта 2016г.
Статья посвящена методам испытаний воздушных солнечных надувных коллекторов, изготовленных из полимерных материалов. Также рассмотрена нормативная база, устанавливающая технические условия на солнечные коллекторы и методы их испытаний перед промышленным изготовлением. На основе аналитических исследований были определены методы климатических и механических испытаний для солнечных воздушных надувных коллекторов.
Ключевые слова: солнечный надувной коллектор, возобновляемые источники энергии, полимерные материалы, методы испытаний, технические характеристики, нормативные документы.
Разработка новой конструкции солнечных коллекторов сопряжена с обязательными атмосферными и климатическими испытаниями с целью повышения качества и технико-экономических показателей, а также для определения долговечности, надежности и безопасности. Испытание — опытное определение количественных и (или) качественных свойств предмета испытаний как результата воздействий на него, при его функционировании, при моделировании предмета и (или) воздействий.
На данный момент ассортиментный ряд солнечных коллекторов представлен изделиями, отличающимися по виду теплоносителя, типу передачи теплоносителя абсорберу, виду конструкции и другим признакам, представленным на Рисунке 1 [1]. При этом большинство существующих гелиосистем обладают высокой себестоимостью за счет технологических особенностей производства применяемых материалов и комплектующих. Относительно низкую себестоимость позволяют реализовать надувные гелиоустановки, изготовленные из полимерных материалов. Основные конструктивно-технические характеристики последних отмечены серым цветом на Рисунке 1.
Вопрос о возможности использования полимерных материалов в
конструкции солнечных коллекторв изучается многими
исследовательскими центрами различных
стран. Норвежские ученые [2] исследовали применение энергии Солнца на примере солнечного коллектора из пластмасс; английские и южноафриканские (University of Cambridge and Stellenbosch University) исследователи совместно изучали новую конструкцию коллектора
из полимерных материалов на основе полимерных микрокапиллярных структур MCF [3]; у украинских специалистов работы посвящены разработке и испытанию
солнечного коллектора, основанного на использовании многоканальных многослойных полимерных структур [4].
Отечественные исследователи начиная
с 80-годов также занимались разработкой надувных коллекторов, о чем свидетельствуют патенты на изобретения, хранящиеся в Государственном коммитете
СССР по делам изобретений и открытий [5-7]. Все представленные патенты имеют большие конструктивные различия,
но объединяет их применение прозрачных и отражающих пленочных элементов полимерных материалов.
Также следует заметить,
что существенным недостатком в то время явлилась
несовершеная система нормативных документов, устанавливающая правила и методы
испытаний подобных конструкций перед вводом в эксплуатацию. ГОСТы того времени
распространялись в основном
на солнечные коллекторы с жидкостным теплоносителем. Поэтому многие запатентованные надувные коллекторы, изобретенные в то время,
не были внедрены
в производство, так как не прошли «законных» испытаний.
При проведении испытаний солнечных коллекторов необходимо руководствоваться нормативными документами,
государственными стандартами Российской Федерации в сфере солнечной энергетики (Рисунок 2). Эти документы
распространяются на различные по конструкции солнечные коллекторы и информационно разделяются на общие
положения, технические требованиями и методы испытаний.
Согласно данным
Рисунка 2, два года назад впервые появились нормативные документы, регламентирующие требования
и методы испытания воздушных гелиосистем на устойчивость к деградирующим агентам и факторам, таким как: внутреннее давление, жаростойкость, испытание на воздействие атмосферных условий, внешний
тепловой удар, внутренний тепловой удар, проникновение дождя,
механическая нагрузка
и теплопроизводительность [8].
Известны следующие приоритетные методы контроля соответствия солнечных коллекторов, которые однозначно следует отнести
к стандартным характеристикам надувных
коллекторов:
-
проверка на влагопроницаемость: проводят в течение 2 мин под душем при установке
коллектора под углом 30°, с интенсивностью дождя по ГОСТ 15150.
Выдержавшим испытание
считают коллектор, под прозрачной изоляцией которого
через 10 мин после выдержки под душем не обнаружено капель воды.
-
проверка поглощающего слоя на прочность и герметичность: проводят
погружением в воду и воздействием давления 1,05 МПа (10 кгс/см2) на специальном стенде, оборудованном рабочим
и контрольным манометрами класса
точности не ниже 2,5 в течение 40с.
Выдержавшими испытания считают
элементы, у которых не будет
выявлено появление
пузырьков воздуха в воде. При
обнаружении дефектов
допускается подварка
или подпайка швов с повторным
испытанием.
-
проверка применяемых материалов при входном
контроле: проводят
по сертификатам, а при их отсутствии - лабораторным анализом.
-
надежность упаковки: после испытания при осмотре не должно
быть обнаружено механических повреждений, разрушения прозрачной изоляции
и ослабления креплений.
- проверка удельной
массы: проводят на весах для статического взвешивания по ГОСТ Р 53228-2008.
-
проверка требований к степени черноты
поглощающего материала, произведения оптического КПД коллектора на коэффициент эффективности поглощающего материала, произведения общего коэффициента тепловых потерь
коллектора на коэффициент эффективности поглощающего материала проводят
по методике, приведенной в ГОСТ Р 28310-89.
Таким образом,
представленные методы климатических и механических испытаний являются достаточными для определения показателей качества и технико-экономических характеристик при разработке новых конструктивных решений для надувных
коллекторов в промышленном масштабе.
Список литературы
1. Возобновляемые
источники энергии.
Физико-технические основы:
учебное пособие/
А. да Роза; пер. с англ. под редакцией
С.П. Малышенко, О.С. Попеля. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект»; М.: Издательский дом МЭИ; 2010 – 481 с.
2.
Sandnes B., Rekstad
J.A Photovoltaic/Thermal (PV/T) collector
with a polymer absorber plate.
Experimental study and analytical model. Solar Energy. 72, №1 (2002)
p. 63-73
3.
Ghoneim A.A., Performance optimization of solar collector
equipped with different arrangements of square-celled honeycomb. Int. J. of Thermal
Science. 44 (2005) p. 95-105.
4. Костенюк В.В. Математическая модель
полимерного солнечного коллектора/ В.В. Костенюк, А.В. Дорошенко, М.А. Глауберман // Холодильна техніка та технологія. - 2010. - №8. - С. 34-40.
5. Патент № SU 1580125 F 24 J 2/36. СССР. Надувной солнечный коллектор [Текст]/ Н.А. Надиров,
Н.А. Громашин, В.П. Муругов;
заявитель Всесоюзный научно-исследовательский институт
механизации сельского
хозяйства; № 4476606/24-06; заявл.
15.08.88; опубл. 23.07.90. Бюл. 27 [Электронный ресурс]/База патентов СССР.
– URL:http://patents.su/3-1580125-naduvnojj-solnechnyjj-kollektor.html
6. Патент № SU 1746152 F 24 J2/14/2/36.СССР. Надувной концентратор солнечной
энергии [Текст]/ В. В. Алексеев, В.Ю. Лобунец,
К. В. Чекарев; заявитель МГУ им. М. В. Ломоносова; № 4850690/06; заявл. 16.07.90; опуб. 07.07.92.
Бюл. 25 / [Электронный ресурс] /База патентов
СССР. – URL: http://patents.su/3- 1746152-naduvnojj-koncentrator-solnechnojj-ehnergii.html
7. Патент № SU 1366810 F 24 J2-36. СССР. Надувной
солнечный коллектор [Текст]
/ М.М. Севернев, В.В. Чугаев; заявитель центральный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства
Нечерноземной зоны СССР; № 4067786/24-06; заявл. 08.04.86; опуб. 15.01.88.
Бюл. 2 [Электронный ресурс]
/ База патентов СССР. – URL: http://patents.su/3-1366810-naduvnojj-solnechnyjj- kollektor.html
8. ГОСТ Р 55617.2-2013 ГОСТ Р 55617.2-2013 Возобновляемая энергетика. Установки солнечные термические и их компоненты. Солнечные коллекторы. Часть 2. Методы испытаний. Ведён 2015-07-01 – М.: - ФГУП «Стандартинформ», 2015. - 94 с.
