Расчет эффективности использования теплового гибридного солнечного коллектора на юге Сибири и возможность его использования в водородной энергетике

Задачей работы являлось определить максимально возможную эффективность тепловых гибридных солнечных коллекторов при использовании их на юге Сибири. Для этого рассчитаны узловые точки и КПД органического цикла Ренкина при температурах фотоэлектрической панели, равных 25 °С, 50 °С, 75 °С и 100 °С, построены графики зависимости КПД фотоэлектрической панели, КПД органического цикла Ренкина и КПД теплового гибридного солнечного коллектора от температуры фотоэлектрической панели. КПД органического цикла Ренкина при температурах фотоэлектрической панели, равных 25 °С, 50 °С, 75 °С и 100 °С, равен 5,3%, 11,5%, 16,8% и 21,3% соответственно. КПД фотоэлектрической панели при ее температурах, равных 25 °С, 50 °С, 75 °С и 100 °С, составляет 17%, 14,9%, 12,8% и 10,6% соответственно. КПД теплового гибридного солнечного коллектора при температурах фотоэлектрической панели, равных 25 °С, 50 °С, 75 °С и 100 °С, равен 22,3%, 26,4%, 29,6% и 31,9% соответственно. В статье обоснован выбор аммиака (R717) в качестве низкокипящего рабочего тела в органическом цикле Ренкина. Показано, что максимально возможный КПД теплового гибридного солнечного коллектора, равный 31,9% достигается при температуре фотоэлектрической панели, равной 100 °С. По результатам работы пришли к выводу, что максимально возможное количество энергии, которое можно получить за год в Новосибирске от 1 м² следящего за солнцем теплового гибридного солнечного коллектора, составляет 856,5 кВт·ч; максимально возможное количество энергии, которое можно получить за год в Новосибирске от 1 м² стационарного теплового гибридного солнечного коллектора, составляет 585,4 кВт·ч.

1. . Sarbu L. Solar heating and cooling systems. Ch.2. Solar Radiation / L. Sarbu, C. Sebarchievic // TNQ Books and Journals. – 2017. – 441 p.

2. . Дунников Д. О. Водородные энергетические технологии / Материалы семинара лаборатории ВЭТ ОИВТ РАН Выпуск 1. – С. 5-17.

3. . Romero M. Terrestrial solar thermal power plants: on the verge of commercialization / M. Romero, D. Martınez, E. Zarza // 4th international conference on solar power from space. – 2004.

4. . Karabarin D. The Use of Low-Potential Energy Sources Based on Organic Rankine Cycle / D. Karabarin, S. Mihailenko // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. – 2018. Vol. 11, № 7. – Pp. 867-876.

5. . Алмогрен С., Везироглу Т. Н. Солнечноводородная энергетическая система для Саудовской Аравии // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). № 7-9 (255-257). – 2018. С. 30-42.

6. . Tchanche F. B. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles / F. B. Tchanche, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis // Renewable and sustainable energy reviews. – 2011. Vol 15, № 8. Pp. 3963-3979.

7. . Гашникова А. О. Водородная энергетика и ее влияние на экологию. Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения // Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Новокузнецк, 2022. – С. 80-84

8. . Возобновляемая энергетика в России: критическая перспектива. Наумов И. И., Моторин Д. Е., Тарасюк М. А. // Дневник науки. – 2021. – № 4 (52).

9. . Янчошек Л. Органический цикл Ренкина: использование в когенерации / Л. Яншочек, П. Кунц. // Турбины и дизели. – 2012, март-апрель. – P. 50-53.

10. . Nowotny Ja., Veziroglu T. N. Impact of hydrogen on the environment // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – № 1-3 (285-287). – С. 16-24.

11. . Алмогрен С., Везироглу Т. Н. Солнечноводородная энергетическая система для Саудовской Аравии // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2018. – № 7-9 (255-257). – С. 30-42.

12. . Ивлев В. И. Оценка технических показателей перспективных спиральных пневмомоторов / В. И. Ивлев, В. М. Бозров, В. А. Воронов // Компрессорная техника и пневматика. – 2014, №. 1. – C. 26.

13. . Новотны Я., Бак Т., Чу Д., Фихтер С., Мюрх Г., Везироглу Т. Н. Устойчивые практики: солнечное водородное топливо и образовательная программа по устойчивым энергосистемам // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2017. – № 22-24 (234-236). – С. 14-24.

14. . Леонов, В. П. Цикл Ренкина с низкопотенциальным источником теплоты / В. П. Леонов, В. А. Воронов, К. А. Апсит, А. В. Ципун // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2015. – № 2. – URL: http://engjournal.ru/articles/595/595.pdf

15. . Yılmaz S., Metin Ö., Acar E. G., Yanalak G., Aslan E., Kılıç M., Hatay Patır İ. Enhanced hydrogen evolution by using ternary nanocomposites of mesoporous carbon nitride/black phosphorous/transition metal nanoparticles as photocatalysts under visible light: a comparative experimental and theoretical study // Applied Surface Science. – 2022. – Vol. 593. – P. 153398.

16. . Redding K. E., Appel J., Boehm M., Gutekunst K., Schuhmann W., Nowaczyk M. M., Yacoby I. Advances and challenges in photosynthetic hydrogen production // Trends in Biotechnology. – 2022.

17. . Daiko Yu., Iwamoto Yu. Hydrogen adsorption and electronic structural calculation of a polymer-derived sich membrane with a unique affinity for molecular hydrogen // Journal of Sol-Gel Science and Technology. – 2022. – Vol. 104. – № 3. – Pp. 449-455.

18. . Тихонов С. И. Автономные энергетические установки малой мощности с использованием низкопотенциального тепла / С. И. Тихонов, А. В. Ильин, Ю. Н. Лукьянов, А. Л. Перминов, А. И. Хитров // Environmental Science. – 2013. – С. 199-204.

19. . Wang S., Li Y., Wang X., Zi G., Zhou C., Liu B., Huang W., Wang L., Liu G. One-step supramolecular preorganization constructed crinkly graphitic carbon nitride nanosheets with enhanced photocatalytic activity // Journal of Materials Science and Technology. – 2022. – Vol. 104. – Pp. 155-162.

20. . Mani S.S., Rajendran S., Mathew T., Nalajala N., Gopinath C.S. Electronically integrated mesoporous Ag–TiO2 nanocomposite thin films for efficient solar hydrogen production in direct sunlight // Energy Technology. – 2022. – Vol. 10. – № 1. – Pp. 2100356.

21. . Pérez A., Orfila M., Linares M., Botas J.A., Sanz R., Marugán J., Molina R. Hydrogen production by thermochemical water splitting with La0.8Al0.2MeO3-δ perovskites prepared under controlled PH // Catalysis Today. – 2021.

22. . Lawrence D. J., Smith B. L., Collard C. D., Elliott K. A., Fakhoury K. L., Mangold J. D., Soyka A. N. Monolithically-integrated bivo4/p+-n gaas1-xpx tandem photoanodes capable of unassisted solar water splitting // International Journal of Hydrogen Energy (IJHE). – 2021. – Vol. 46. – № 2. – Pp. 1642-1655.

23. . Румянцев М. Ю. Высокоскоростные турбогенераторы для автономных энергетических установок малой мощности с использованием низкопотенциального тепла / М. Ю. Румянцев, Н. Е. Захарова, А. В. Поликарпов, Л. Н. Понамарева, Т. М. Розеноер // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надёжности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». 2010, 1-3 июня 2010 г., Москва. В двух томах. Том 1. Издательский дом МЭИ. – 2010. – С. 240-243.

24. . Quoilin S. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems / M. Van Den Broek, S. Declaye, P. Dewallef, V. Lemort // Renewable a Sustainable Energy Rewiews. – 2013. – Vol. 22. – Pp. 168-186.

25. . Kim J., Lee J. S., Jang Y. J., Baek W., Hyeon T., Lee A. R., Kim J. -Y. Highly efficient photoelectrochemical hydrogen production using nontoxic cuin1.5se3quantum dots with zns/sio2double overlayers // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2021.

26. . Chot C. Y., Yaw C. S., Chong M. N., Serron A. C., Ocon J. D., Soh A. K. Understanding the synergistic role of pt-mediated moo3 photoanode with self-photorechargeability during illuminated and non-illuminated conditions: a combined experimental and density functional theory study // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. – 2021. – Vol. 120. – Pp. 381-390.

27. . Наумов И. И., Моторин Д. Е., Тарасюк М. А. Возобновляемая энергетика в России: критическая перспектива // Дневник науки. – 2021. – № 4 (52).

28. . Wang Z., Wang L., Hisatomi T., Domen K., Li R., Li C., Sayama K., Liu G. Joule. Efficiency accreditation and testing protocols for particulate photocatalysts toward solar fuel production. – 2021. – Vol. 5. –№ 2. – Pp. 344-359

29. . Brasz L. J. Ranking of Working Fluids for Organic Rankine Cycle Applications / L. J. Brasz, W. M. Bilbow // International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue. – July 12-15, 2004. – URL: http:// docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1721&context=iracc.

30. . Артеменко С. В. Фторированный эфир – рабочие тела для низкотемпературного цикла Ренкина на органических веществах / С. В. Артеменко // Problemele energeticii regionale. – 2014. – № 3. – С. 22-30.

31. . Konstandopoulos A. G., Syrigou M., Pagkoura C., Sakellariou K., Lorentzou S., Dimitrakis D. A. Solar fuels and industrial solar chemistry // Concentrating Solar Power Technology: Principles, Developments, and Applications. – 2020. – Pp. 677-724.

32. . Segovia-Guzmán M. O., Zaragoza-Galán G., Ramos-Sánchez V.H., Román-Aguirre M., Collins-Martínez V. H., Verde-Gomez J. Y. Green Cu2O/TiO2 heterojunction for glycerol photoreforming // Catalysis Today. – 2020. – Vol. 349. – Pp. 88-97.

33. . Genc E., Coskun H., Yanalak G., Aslan E., Patir I.H., Ozel F. Dye-sensitized photocatalytic hydrogen evolution by using copper-based ternary refractory metal chalcogenides // International Journal of Hydrogen Energy (IJHE). – 2020. – Vol. 45. –№ 32. – Pp. 15915-15923

34. . Карабарин Д. И. Использование низкопотенциальных источников энергии на основе органического цикла Ренкина / Д. И. Карабарин, С. А. Михайленко // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. – 2018. – Vol. 11, № 7. – Рp. 867-876.

35. . Гринман М. И. Перспективы применения энергетических установок малой мощности с низкокипящими рабочими телами / М. И. Гринман, В. А. Фомин // Энергомашиностроение. – 2006. № 1. – С. 63-69.

36. . Книга о солнце. Руководство по проектированию систем солнечного теплоснабжения // Viessmann. – 2010. – 194 c.

37. . Боруш О. В. Общая энергетика. Энергетические установки: учеб. пособие / О. В. Боруш, О. К. Григорьева // Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. – 96 с. – ISBN 978-5-7782-3430-7.

38. . Компьютерная программа CoolPack версия 1.46.

39. . Mohan P. S., Chang C. -T., Purkait M. K. Experimental evaluation of PT/TiO2/RgO as an efficient her catalyst via artificial photosynthesis under UVB & visible irradiation // International Journal of Hydrogen Energy (IJHE). – 2020. – Vol. 45. – № 35. – Pp. 17174-17190.

40. . Kurenkova A. Y., Markovskaya D. V., Gerasimov E. Y., Prosvirin I. P., Cherepanova S. V., Kozlova E. A. New insights into the mechanism of photocatalytic hydrogen evolution from aqueous solutions of saccharides over CdS-based photocatalysts under visible light // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45. – № 55. – Pp. 30165-30177.

41. . Brahmachari U., Pokkuluri P. R., Tiede D. M., Niklas J., Poluektov O. G., Mulfort K. L., Utschig L. M. Interprotein electron transfer biohybrid system for photocatalytic H2 production. Photosynthesis Research. – 2020. – Vol. 143. – № 2. – Pp. 183-192.

42. . Huang Ch., Liao Ch., Wu J.Ch. Photocatalytic water splitting using hygroscopic MgO modified TiO2/WO3 dual-layer photocatalysts // Korean Journal of Chemical Engineering. – 2020. – Vol. 37. – № 8. – Pp. 1352-1359.

43. . Würfel P. The Physics of Solar Cells / P. Würfel // Weinheim: Wiley-VCH. – 2005. – 289 p.

44. . Green M. Third generation photovoltaics. Advanced solar energy conversion / M. Green // Springer. – 2003. – 160 p.

45. . Khoreva V. A. Exergy analysis of the potential of solar irradiation / V. A. Khoreva, S. L. Elistratov // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. doi:10.1088/1742-6596/1677/1/012108.

46. . Аристов Г. А. Солнце / Г. А. Арестов // Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы. – 1950. – 52 с.

47. . Fresno F., Fernández-Saavedra R., Belén Gómez-Mancebo M., Vidal A., Sánchez M., Isabel Rucandio M., Quejido A. J., Romero M. Solar hydrogen production by two-step thermochemical cycles: evaluation of the activity of commercial ferrites // International Journal of Hydrogen Energy (IJHE). – 2009. – Vol. 34. – № 7. – Pp. 2918-2924.

48. . Вахромеев Б. А. Японский опыт изучения и применения энергии водорода в рамках мирового процесса декарбонизации. Переломные моменты истории: люди, события, исследования // Материалы международной научной конференции, посвященной 350-летию со дня рождения Петра Великого: в 3 т. Санкт-Петербург, 2022. – С. 275-279.

49. . Салес А. Д., Оливейра С. Д., Везироглу Т. Н. Ветро-солнечная водородная энергетическая система для штата Сеара, Бразилия. До Сакраменто // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – № 7-9 (291-293). – С. 32-42.

50. . Копылов С. А., Тенитилова К. С., Беляева В. Г., Абаева С. М. К ВОПРОСУ О РАЗВИТИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. В сборнике: Современные тенденции в науке, технике, образовании // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Орёл, 2023. – С. 111-118.

51. . Виссарионов В. И. Солнечная энергетика / В. И. Виссарионов, Г. В. Дерюгина, В. А. Кузнецова, Н. К. Малинин // Москва: Издательский дом МЭИ. – 2008. – 317 с.

52. . Khoreva V. A. Mathematical simulation of the flux of the solar radiation coming to the collector / V. Khoreva, S. Elistratov, N. Vorogushina, I. Sadkin // Lecture Notes in Mechanical Engineering. – 2022. – Pр. 207-2015. doi.org/10.1007/978-981-16-9376-2.

53. . Чухин И. М. Производство и использование водорода на АЭС. Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии (ХХII Бенардосовские чтения) // Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию теплоэнергетического факультета. – Иваново, 2023. – С. 125-127.

54. . Айдаров М. А. Гибридный энергокомплекс для комбинированного производства электрической, тепловой энергии и водорода. XXVI Всероссийский аспирантско-магистерский научный семинар, посвященный дню энергетика // Материалы докладов: в 3 т. – Казань, 2023. – С. 127-130.

55. . Красивов Я. Ю. Перспективы внедрения водородных технологий в энергетике по Республике Татарстан. Тинчуринские чтения – 2023 «Энергетика и цифровая трансформация» // Материалы Международной молодежной научной конференции. В 3-х томах. Под общей редакцией Э. Ю. Абдуллазянова. Казань, 2023. С. 682-684.

56. . Gusev A. L., Jabbarov T. G., Mamedov Sh. G., Malikov R. Kh., Hajibalaev N. M., Abdullaeva S. D., Abbasov N. M. Production of hydrogen and carbon in the petrochemical industry by cracking of hydrocarbons in the process of heat utilization in steel production // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2023. – № 1 (406). – С. 36-50.

57. . Краев В. М., Тихонов А. И. Перспективы применения водородной энергетики в странах Европы // СТИН. – 2023. – № 4. – С. 39-42.

58. . Линник Ю. Н., Фаляхова Е. Д. Водородная энергетика и перспективы ее развития // Вестник университета. – 2023. – № 4. – С. 33-39

59. . Настенко А. А., Филатов В. В., Безпалов В. В., Горин Д. С. Государственные программы и проекты стимулирования ведущих компаний ЕС по использованию возобновляемых источников энергии, водорода и рециклингу твердых бытовых отходов // Микроэкономика. – 2023. – № 1. – С. 52-60.

60. . Егоров А. Н., Байрамов А. Н. Электролиз воды и обратимые топливные элементы – перспективные «зеленые» технологии для водородной энергетики // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2023. – № 3. – С. 23-32.

61. . Хитрых Д. П., Краснова А. А. Водородная энергетика России: текущее состояние и перспективы. Управление качеством. – 2023. – № 9. – С. 6-14.

62. . Шаповалов А.Б. Водородная энергетика как следствие декарбонизации экономических систем. // Вестник Московского университета им. С. Ю. Витте. Серия 1: Экономика и управление. – 2023. – № 2 (45). – С. 59-66.

63. . Савостьянов А. П., Яковенко Р. Е., Комиссарова М. А. Перспективы развития рынка водородных технологий // Друкеровский вестник. – 2023. – № 3 (53). – С. 108-119.