Применение воздушных гелиосистем

С интенсивным развитием современной энергетики возникают две основные проблемы – ограниченность запасов традиционных энергоресурсов и охрана окружающей среды от растущих объемов выбросов при сжигании различных видов топлива. Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) солнца, ветра, земли, геотермальных вод, приливов и отливов и т.п., помогают частично решать эти проблемы.

Солнечная энергия

Среди НВИЭ наибольшего внимания заслуживает солнечная энергия (СЭ). Она имеет три основных преимущества –

• ресурсы ее настолько велики, что способны удовлетворить растущие энергопотребности человечества на довольно отдаленную перспективу,
• ее использование не имеет масштабных ограничений, связанных с опасностью нарушения теплового баланса планеты с последующими изменениями климата
• и она экологически безопасна.

Солнечная энергия может быть использована в различных сферах деятельности человека. Одним из направлений ее использования является теплоснабжение зданий и сооружений.

Требования к конструкции коллектора солнечной энергии

На базе анализа условий эксплуатации гелиосистем воздушного теплоснабжения (ГСВТ) был разработан набор требований к конструкции коллектора солнечной энергии (КСЭ).

• Во-первых, из-за невысокой тепловой эффективности данных систем, стоимость таких коллекторов должна быть как можно ниже для удовлетворительной рентабельности.
• Во-вторых, гелиоприемники должны быть достаточно эффективными с тем, чтобы собранное из них гелиополе не занимало большой площади.
• В-третьих, установка коллекторов должна сопровождаться минимальными изменениями в существующей номенклатуре строительных конструкций, используемых при проектировании новых зданий и тем более при реконструкции систем отопления и вентиляции уже существующих и эксплуатируемых сооружений.
• И наконец, они должны характеризоваться достаточной надежностью, высокой ремонтопригодностью и простотой в эксплуатации.

Типы коллекторов солнечной системы

Современные воздушные КСЭ, выпускаемые серийно, делятся три типа принципиально различных конструкций.

• Первый – это конструкция гелиоприемника типа «Стены Тромба» для пассивной системы теплоснабжения с естественным или вынужденным движением воздуха. Такая конструкция наиболее присуща в странах Северной Америки, особенно в южной ее части, где КСЭ такого типа используются для отопления складов, ангаров, больших супермаркетов и тому подобное. Основные производители на 2013 год подобного оборудования – это «Conserval Engineering» (США) – 35500 м2/год; «Your Solar Home» (США) – 15600 м2/год; «Captasol» (Мексика) – 16000 м2/год. Основным недостатком такого решения является интеграция этих коллекторов в строительные конструкции и необходимость планирования размещения самих зданий на довольно открытых территориях.
• Второй тип – это аналог классической конструкции плоского жидкостного гелиоколлектора, где вместо трубок для теплоносителя оснащены каналы для прохождения воздуха в контакте с поглотителем солнечного излучения (абсорбера). Такие КСЭ используются, как правило, в активных системах теплоснабжения, сооружая гелиополя из коллекторов, размещаемых на крышах или специальных площадках возле зданий, которые обслуживаются. Производство плоских воздушных КСЭ сосредоточено в Европе, где ГСВТ используются для отопления домов, хозяйственных помещений и небольших офисов, и индустриальных странах Азии, использование ГСВТ в которых сосредоточено для сушки сельскохозяйственной продукции (фрукты, травы, зерновые культуры и т.д.). Лидирующими производителями за 2013 год КСЭ второго типа является «Grammer Solar» (Германия) – 10000 м2/год; «Cona» (Австрия) – 2000 м2/год; «Kraftwork» (Индия) – 2600 м2/год; «XNE Group» (Китай) – 10000 м2/год; «OM Solar» (Япония) – 10000 м2/год. Недостатком таких КСЭ является их стоимость (до 325 € за м2 поглощающей поверхности) и значительная масса (до 34 кг на м2 поглощающей поверхности), что обусловлено конструкцией коллекторов: металлический абсорбер, как правило, алюминиевый или медный в металлическом корпусе, покрытый закаленным стеклом.
• Третий тип – это комбинированные воздушные КСЭ с электрическими солнечными панелями. Приборы такого типа имеют очень узкие области применения: на передвижных лабораториях, удаленных от цивилизации сооружениях и экспериментальных автономных домах. Основным производителем подобных приборов является датская компания «SolarVenti» – 4500 м2 за 2013 год, а также в Российской Федерации компания «New Polus», которая кроме обычных жидкостных гелиоприемников, выпускает небольшое количество комбинированных воздушных КСЭ – около 100 м2/год. Рассматривать преимущества или недостатки таких КСЭ является нецелесообразно из-за очень ограниченных применений.

Развитие воздушных гелиосистем

Из описанного выше следует вывод, что для внедрения воздушных гелиосистем в существующие здания и хозяйства мировая промышленность не выпускает КСЭ, соответствующие набору требований сложенном выше. Это заставило авторов обратиться к патентным исследованиям. После анализа результатов патентных изысканий выделено три направления развития конструкций плоских воздушных КСЭ:

• 1) оптимизация светопропускающего покрытия;
• 2) интенсификация работы абсорбера;
• 3) использование дополнительных технических элементов.

Сверхпропускающее покрытие

1) Развитие светопропускающего покрытия сводится к более эффективному сбору солнечного излучения без суточных изменений углов установки КСЭ. Например, светопропускное покрытие которого, кроме обычного плоского стекла, представляет собой набор фокусирующих стеклянных призм, которые увеличивают количество принятого излучения. Недостатком такого решения является усложненная технология производства стеклянных призм, что ведет к увеличению стоимости коллектора. Кроме того, масса растет, надежность уменьшается.

Абсорберы

2) Разрабатывая абсорберы изобретатели, в основном, не отходят от обычного типа – металлического абсорбера, тем или иным методом развивая его поверхность путем увеличения шероховатости и площади поверхности обеспечит более высокую поглощающую способность, турбулизацию воздушного потока и большую плоскость контакта воздуха с абсорбером. Так, конструкция, в которой абсорбер выполнен из черной металлической пластины, изогнутая подобно плиссированной ткани. Он расположен горизонтально по диагонали от нижнего угла под входными патрубками к верхнему углу корпуса над исходными патрубками (рис. 4). В местах перегибов абсорбер оснащен отверстиями для прохода воздуха. В этом решении используется увеличенная площадь поверхности абсорбера, причем при проходе воздуха через отверстия в местах перегибов пластины абсорбера он турбулизируется. Вес и металлоемкость абсорбера увеличивается, а необходимость селективных покрытий не исчезает.

Есть абсорбер, который выполнен в виде черной пластины рабочая поверхность которой представляет собой капиллярную структуру (рис. 5). Выполнение поверхности абсорбера в виде капиллярной структуры преследует цель увеличить степень его черноты и тем самым усилить поглощение излучения и в какой-то степени турбулизировать поток омывающей абсорбер воздуха за счет увеличенной шероховатости поверхности абсорбера. Анализируя это решение можно сказать, что затраты на изготовление развитой капиллярной структуры гораздо больше, чем полученная выгода от увеличения эффективности КСЭ.

Дополнительные технические элементы

3) Увеличивая эффективность КСЭ также прибегают к использованию дополнительных технических элементов. Так, предложен гелиоприемник с концентратором, в фокусе которого расположен испаритель термосифона, который служит абсорбером. Конденсатор этого термосифона, выполнен в виде плоского ребра служит для нагрева воздуха (рис. 6). Корпус покрыт слоем теплоизоляции. К очевидным недостаткам (с точки зрения сложившихся выше требований) этого решения следует отнести наличие концентратора, что удорожает и усложняет конструкцию. Термосифон работает по прямому термодинамическому циклу, на выполнение которого тратится определенное количество полученной от солнца теплоты. Кроме того, в условиях нестабильности и неравномерности в силу стохастичности климатических факторов поступления солнечной энергии, эффективность термосифона также будет различна по времени, что делает работу всей системы плохо прогнозируемой и неустойчивой.

Довольно эффективным с теплотехнической точки зрения выглядит решение, в котором абсорбер, выполненный в виде черных шариков, размещенных внутри сетчатой оболочки. Сама оболочка закреплена во внутреннем пространстве корпуса так, что впускной патрубок нагнетает воздух под сетчатую оболочку с шариками, затем воздух проходит сквозь нее между шариками и выходит через выпускной патрубок, размещенный под оболочкой (рис. 7). Воздух, проходя через оболочку, создает внутри нее «кипящий слой» из шариков. Известно, что теплообмен в «кипящем слое» достаточно интенсивный, но к сожалению, он характеризуется большим аэродинамическим сопротивлением, ставит под вопрос возможность широкого использования таких гелиоприемников.

Вывод из обзора применения воздушных гелиосистем

Приведен краткий обзор известных конструкций показывает, что ни одна из них не соответствует сформулированным требованиям для использования в действующих системах воздушного отопления, через те или иные виды. Для конструкций характерна один общий недостаток – большой вес и большая стоимость, из-за использования металлических элементов в конструкциях КСЭ.

Итак, несомненно перспективным направлением развития воздушных гелиосистем является поиск новых материалов для изготовления коллекторов. Несмотря на проблемы в теплоэнергетике страны просто необходимо искать все возможные пути использования солнечной энергии, в частности, современный технологический спурт в производстве неметаллических материалов дает новые возможности в гелиотехнике для ее удешевления и большей приспособленности к сегодняшним реалиям. Воздушные же гелиосистемы могут стать хорошим началом в глобальном внедрении солнечных систем через свою надежность, неприхотливость, стоимость, простоту эксплуатации и долговечность.

• Рис.1.Общий вид современной системы теплоснабжения на основе «Стены Тромба» производства компании «ATAS» (США)
• Рис.2.Общий вид современного воздушного солнечного коллектора на примере коллектора Grammer JumboSolar
• Рис.3.Фокусирующей коллектор:
  • 1 – корпус;
  • 2 – первичное светопрозрачное покрытие;
  • 3 – тепловая изоляция;
  • 4 – абсорбер;
  • 5,6 – грани стеклянных призм
• Рис.4.Коллектор с ленточным абсорбером
• Рис.5.Коллектор с капиллярным абсорбером:
  • 1 – корпус;
  • 2 – светопрозрачное покрытие;
  • 3 – капиллярная структура;
  • 4 – свободное пространство;
  • 5 – поверхность абсорбера;
  • 7,8 – входной и выходной патрубок
• Рис.6.Коллектор с термосифоном:
  • 1 – корпус,
  • 2 – концентратор,
  • 3 – поглотитель,
  • 4 – радиатор-конденсатор,
  • 5 – светопрозрачное покрытие,
  • 8 – трубопроводы
• Рис.7.Коллектор с «кипящим слоем»:
  • 1 – корпус,
  • 2,7 – ограничивающая сетка,
  • 3 – шариковая засыпка,
  • 4 – свободное пространство,
  • 5,6 – входной и выходной патрубок,
  • 12 – стеклянное покрытие