Аннотация результатов, полученных в 2017 году
За прошедший год были получены следующие теоретические результаты: 1) разработана теория кипения наножидкости под действием внешнего солнечного облучения. Были получены формулы, с помощью которых можно оценить расход и температуру "солнечного" пара в зависимости от концентрации и размера наночастиц, угла падения солнечного света и геометрии солнечного коллектора. 2) для увеличения точности теории парообразования была разработана численная модель, которая учитывает выбег парового пузыря из облученного "горячего" слоя наножидкости. Модельно определен оптимальный размер наночастиц углерода с точки зрения максимальной эффективности процесса фото-термического кипения - 5 мкм. 3) впервые разработана модель процесса поглощения теплового облучения наножидкости в трехмерном солнечном коллекторе. По результатам трехмерного моделирования, выполненного методом многофазной вычислительной гидродинамики (CFD), были определены: - оптимальный угол падения солнечного света. При противоположной направленности векторов облучения и силы тяжести достигается максимальный КПД процесса; - влияние интенсивности естественной конвекции на эффективность поглощения теплового излучения. Увеличение интенсивности конвекции приводит к увеличению КПД процесса до полутора раз; - эффект внешнего магнитного поля, которое дополняет естественную конвекцию термомагнитной в случае использования ферромагнитных наночастиц (марганец-цинковый феррит). КПД процесса растет на 20% при 300 мГс/м относительно случая без магнитного поля. Численные модели и теория кипения были поверены экспериментально. 4) на основе численного моделирования фото-термического кипения (п.2) и анализа размерностей процесса предложена критериальная зависимость для безразмерной частоты формирования пузырей пара в зоне кипения. В сотрудничестве с норвежской научной группой проведено систематическое экспериментальное исследование процесса кипения наножидкости под действием внешнего теплового облучения. Получены следующие результаты: 1) синтезированы наножидкости на водной основе посредством ультразвукового диспергирования в воде наночастиц углерода (51 нм) и оксида железа (184 нм); 2) экспериментально определена оптимальная концентрация наночастиц с точки зрения эффективности процесса. Она варьируется в интервале 1,3-1,9% (по объему), что в 3-4 раза выше оптимумов, определенных ранее экспериментально для процессов естественной конвекции наножидкости и поглощения теплового облучения в наножидкости без парообразования. Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ, додецилсульфат натрия) увеличивает эффективность процесса на 5%. Видео процесса кипения доступно по ссылке: https://solar-nano.com/experiments/ 3) определен уровень чистоты полученного пара. Гидрофобные наночастицы углерода не были обнаружены в паровом конденсате, гидрофильные наночастицы и гидрофобные наночастицы с ПАВ загрязняют конденсат. 4) проведены натурные испытания углеродной наножидкости на водной основе без ПАВ с использованием малого солнечного коллектора на 76% солнечной постоянной. Полученный пар был нагрет до 125 градусов, что превышает табличное значение, соответствующее полученному тепловому потоку. КПД процесса фото-термического кипения составил 73%. Подобные эксперименты с использованием наножидкости были впервые проведены так далеко на севере - на широте Выборга. Видео натурного эксперимента доступно по ссылке: https://solar-nano.com/industrial-prototype/ Осуществлен вариативный расчет прототипа солнечного коллектора-генератора с кипящей наножидкостью, выбрана рабочая точка. Планируется использование наножидкости на водной основе при избыточном давлении 2 атм. Определены основные позиции элементной базы коллектора: параболический солнечный концентратор и паровой двигатель, оба устройства от отечественных поставщиков.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчетный период были получены следующие экспериментальные результаты: 1) разработаны прототипы солнечных электрогенераторов: маломасштабный лабораторный контур с использованием искусственного освещения (галогенные лампы) и полномасштабный потоковый контур на базе гелиоконцентратора (5 кв.м.) с системой ориентации по солнцу. 2) синтезированы водные наножидкости на базе наночастиц графита (от 500 нм) и оксида железа (100 нм) от отечественных производителей. 3) проведены испытания малой лабораторной установки с использованием полученных наножидкостей. Определена наиболее оптимальная объемная концентрация наночастиц, которая составила 1% для наножидкости каждого типа. Выполнен пуск модельной турбины от полученного пара. Впервые обеспечено стабильное замыкание паротурбинного цикла в фототермической системе с наножидкостью. 4) проведено экспериментальное сравнение паропроизводительности прозрачной фототермической системы на основе наножидкости со стандартным парогенератором, в котором кипение происходит на нагретой поверхности. Облученная наножидкость производит на 70% больше пара. 5) введен в эксплуатацию полномасштабный прототип солнечного генератора. Первоначальные тесты показали трехкратное увеличение паропроизводительности относительно по сравнению с лабораторным прототипом. Теоретические результаты включают: 1) полномасштабную, трехмерную и трехфазную численную модель фототермического кипения в парогенераторе установки; подобная модель разработана впервые. 2) по результатам моделирования, выполненного методом многофазной вычислительной гидродинамики (CFD), были определены: - оптимальная ориентация устройства в поле силы тяжести; - геометрия процесса: форма и размеры парогенератора, а также опускного участка для возврата конденсата в систему. Проведенная оптимизация позволяет улучшить эффективность парогенератора в среднем на 30%. 3) результаты численного моделирования поверены экспериментально с использованием данных из научной литературы а также измерений, выполненных на стендах собственной разработки.