Солнечные мобильные модульные установки горячего водоснабжения

Аннотация

Солнечные мобильные модульные установки горячего водоснабжения. Семенов И. Е., Рыженко С. Н. – С. 12. Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения является наиболее простым в технологическом и наиболее прогрессивным в практическом плане направлением. Предложены новые конструкции плоских солнечных коллекторов и баков-аккумуляторов для установок солнечного горячего водоснабжения. Разработана и изготовлена высокоэффективная мобильная модульная установка солнечного горячего водоснабжения.

Ключевые слова:

бак-аккумулятор , мобильная установка , модуль коллекторный , солнечное излучение , солнечный коллектор

Скачать статью в журнальной верстке PDF

В настоящее время в связи с резким ухудшением экологической обстановки мировое сообщество предпринимает кардинальные меры, направленные на снижение вредных выбросов в атмосферу. Доля практически неисчерпаемых экологически чистых возобновляемых источников энергии в мировой энергетике постоянно увеличивается. Это обусловлено, с одной стороны, ограниченностью запасов органического топлива, его удорожанием и необходимостью решения экологических проблем, связанных с его применением, с другой стороны, непрерывным совершенствованием технологий и соответствующим снижением стоимости установок и систем, разрабатываемых для преобразования возобновляемых источников энергии [1–3].

Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения – наиболее простое в технологическом отношении и наиболее прогрессивное в практическом плане направление. Суммарная площадь солнечных водонагревательных установок, действующих в мире, сегодня оценивается в 50–60 млн. м², что соответствует производству тепловой энергии, эквивалентной 5–6 млн. т/год по условному топливу [1; 3].

В России установки солнечного нагрева воды пока не получили широкого применения, что связано с относительно низкими (по сравнению с другими странами) ценами на энергоносители и с недостаточным спросом потребителей. В последние годы с ростом тарифов на энергию и стремлением потребителей к повышению надежности теплоснабжения за счет создания собственных источников энергии интерес к использованию солнечных водонагревательных установок резко возрос. Это касается не только южных регионов страны (включая Краснодарский край и Ростовскую область), где ежегодно вводится в эксплуатацию несколько тысяч квадратных метров солнечных коллекторов, но и Средней полосы России и даже ее северных регионов, где проблемы теплоснабжения автономных потребителей стоят особенно остро [2; 3].

Невысокий спрос на солнечные установки во многом связан с недостаточной информированностью потенциальных потребителей об эффективности работы систем в различных климатических условиях. Это, в свою очередь, обусловлено отсутствием научно обоснованных методик оценки эффективности, позволяющих потребителям и производителям солнечных установок прогнозировать их технико-экономические показатели в зависимости от климатических условий региона, где они будут применяться.

Солнечный коллектор – это устройство для приема и преобразования падающего солнечного излучения в тепло жидкости и перемещения этой нагретой жидкости к месту использования. Если поверхность поглощения имеет площадь, приблизительно равную площади проекции солнечного излучения, то это коллектор плоского типа. Поверхности поглощения солнечных лучей в большинстве таких коллекторов – плоские. Основные элементы плоского солнечного коллектора: поглотитель (абсорбер) с каналами для теплопроводящей жидкости; изолирующий слой под абсорбером; неглубокий корпус и, как правило, один или два слоя прозрачного покрытия. Поглотитель представляет собой металлическую пластину или несколько металлических листов или пластин, образующих практически непрерывную поверхность, покрытую слоем поглощающего вещества, например черной краской, черной фарфоровой эмалью или черным металлическим оксидом. Каналы, расположенные внутри или прикрепленные к поглощающей пластине, обеспечивают контакт теплопроводящей жидкости с нагретой поглощающей пластиной, а затем переносят нагретую жидкость к месту использования. Прозрачное покрытие – обычно закаленное оконное стекло, которое уменьшает потери тепла в атмосферу за счет обеспечения одного или двух слоев стоячего воздуха, предотвращающего конвективные потери. Изоляция под поглотителем и каналами для жидкости уменьшает тепловые потери внизу, а корпус является жесткой защитной конструкцией для всей сборки коллектора. КПД солнечных коллекторов составляет до 60% (для плоских коллекторов) [1], что позволяет считать их в настоящее время самым эффективным преобразователем солнечной энергии.

На рис. 1 представлена схема двухконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения [3]. Число коллекторов определяется расходом горячей воды и объемом бака. Как правило, на 100 л воды в баке требуется не менее 2 м² солнечных коллекторов. Используя данную схему как базовую и учитывая особенности мобильных установок, специалисты МГТУ им. Н. Э. Баумана создали конструкцию установки, представленную на рис. 2, которая содержит два модуля солнечных коллекторов (по два в модуле), бак-аккумулятор, основание, позволяющее осуществлять регулировку угла наклона коллекторного модуля по отношению к горизонту, соединительную арматуру, расширительный бачок и комплект крепежно-монтажных изделий.

Главными элементами этой конструкции являются солнечные коллекторы, на долю которых приходится до 80% всей стоимости установки. На рис. 3 показаны детали конструкции солнечного коллектора, разработанного в МГТУ им. Н. Э. Баумана совместно с ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского в 1998–2008 годах.

Солнечный коллектор представлен модифицированным вариантом, предназначенным для мобильных систем. Данная конструкция коллектора отличается от базовой наличием специальных патрубков под шланг с внутренним диаметром 1 дюйм для быстрого крепления при помощи автомобильных хомутов.

Созданный коллектор является результатом проведенных работ, направленных в первую очередь на создание высокоэффективной поглощающей панели, от которой в основном и зависит КПД коллектора. Панель относится к типу штампосварных (в отличие от трубных). Для ее изготовления применяются две пластины из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с выполненными (хотя бы в одной из них) полуканалами заданной конфигурации (рис. 3). Эти пластины накладываются друг на друга, образуя замкнутые каналы для теплоносителя полного профиля. Соединение пластин между собой производится шовной и точечной контактной электросваркой. Предложено два варианта исполнения. В первой конструкции панели продольные каналы глубиной 3–3,5 мм выполняются только на одной пластине (толщиной 0,3 мм), а поперечные полуканалы – как на этой пластине, так и на ответной (толщиной до 0,5 мм). Использование листов разной толщины связано с необходимостью обеспечения прочности при рабочем давлении теплоносителя в панели. Во второй конструкции каналы выполняются на обеих пластинах.

Традиционной технологией изготовления таких пластин является листовая штамповка. Оптимальная площадь коллектора, определенная на основании технико-экономического обоснования, составляет 1–2 м², поэтому для изготовления панелей такой площади необходимо использовать прессы с большим размером рабочего стола и сложной дорогостоящей штамповой оснасткой. Кроме того, процесс штамповки на таком прессе весьма энергоемок, а листы толщиной 0,3 мм поддаются штамповке плохо или не штампуются вообще (при формовке каналов в процессе штамповки металл рвется). По этим причинам поглощающие панели такого типа не получили широкого распространения, несмотря на их сравнительно высокую тепловую эффективность. Применение более толстых листов приводит к неоправданному перерасходу дорогостоящего материала – нержавеющей стали.

Разработанная технология листовой локальной формовки первоначально применялась для изготовления рельефов малой глубины на мягких листовых материалах, в частности на алюминии. Основой технологии является формирование рельефа в листе с помощью горизонтального вала, облицованного полиуретаном, причем заготовка накладывается на простую плоскую плиту-матрицу с отфрезерованным на ее поверхности рисунком каналов (что несравнимо проще штамповой оснастки). Горизонтальный привод рабочего стола с матрицей, движущейся относительно установленного над ним вала с полиуретановой облицовкой, осуществляется с помощью ходового винта с приводом от маломощного электродвигателя, который работает только в процессе рабочего хода (40–60 с), что во много раз снижает энергозатраты по сравнению с традиционной штамповкой.

При переходе к изготовлению пластин поглощающих панелей солнечных коллекторов из нержавеющей стали потребовалось проведение нового цикла опытно-технологических испытаний, поскольку значительно изменились как свойства материала, так и требуемая глубина формовки каналов. Было освоено опытно-серийное производство пластин размером 1770x565 мм, имеющих 33 канала глубиной 3,5 мм, что позволило получить панель с высокой тепловой эффективностью, выпускаемую на том же станочном оборудовании. (Поперечные каналы вдоль коротких сторон заготовок штампуются традиционным способом на небольшом прессе).

Второй оригинальной технологией, разработанной специалистами МГТУ им. Н. Э. Баумана, является способ получения селективного покрытия для рабочей поверхности поглощающей панели. Селективное покрытие резко снижает тепловые потери панели в окружающую среду. В структуре этого многослойного покрытия обязательно присутствует зеркальный слой, сверху которого расположен черный слой очень малой толщины (менее 1 мкм) с высоким коэффициентом поглощения в области видимого спектра солнечного излучения. При поглощении солнечного излучения черным слоем происходит нагрев панели и соответственно рост ее радиационных потерь в окружающую среду. Но это тепловое излучение панели лежит уже в инфракрасной области спектра, т. е. имеет большую длину волны. Поэтому длинноволновое излучение «не чувствует» верхнего тонкого черного слоя покрытия, и поверхность панели излучает как зеркальная. Коэффициент излучения панели в 8–10 раз меньше, чем у окрашенной обычной краской черной поверхности, реальные радиационные тепловые потери панели резко снижаются, а ее рабочая температура возрастает.

В качестве основы селективного покрытия была принята технология, разработанная в НПО «Энергия» и НПО «Машиностроение» для космической станции «Алмаз». Для наземных условий, тем более в солнечных коллекторах, где влажность внутри корпуса длительное время может достигать 100% при высоких температурах, это покрытие было совершенно непригодно. Направлением технологической проработки было выбрано повышение адгезии покрытия к поверхности панели в условиях высокой влажности и температуры при сохранении его оптических свойств на весь срок службы коллектора (10–20 лет) без заметного ухудшения оптических характеристик (коэффициентов поглощения и излучения). В результате было получено селективное покрытие с коэффициентами поглощения 0,92–0,94 и излучения (степенью черноты) 0,11–0,14, которое выдержало два цикла испытаний в климатической камере, что соответствует 14 годам эксплуатации, без снижения оптических характеристик. Испытания проводились в Летно-исследовательском институте им. М. М. Громова.

Технология основана на комбинированном магнетронном и плазмохимическом нанесении покрытия, осуществляемом последовательно в двух вакуумных камерах, при полной экологической чистоте процесса. Итогом работ явилось создание новой высокоэффективной конструкции солнечного коллектора с площадью поглощающей панели 1 м². Испытания коллектора проводились в ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского, Институте высоких температур РАН и Научно-исследовательском энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского. Испытания отвечали требованиям не только ГОСТ 28310-89 «Солнечные коллекторы. Общие технические условия», но и стандартов основных зарубежных стран – производителей коллекторов. В МГТУ им. Н. Э. Баумана разработана и изготовлена мобильная модульная установка «Радуга М» (рис. 2), предназначенная для подогрева воды в полевых условиях для хозяйственных нужд (горячее водоснабжение) с использованием энергии солнца в качестве основного источника тепла и электронагревателя – в качестве дополнительного источника.

Конструкция устройства «Радуга» предусматривает возможность его монтажа с помощью несущей арматуры на открытых площадках за 30 мин. В состав устройства входят: модули солнечных коллекторов в сборе; аккумулятор тепла (бак для воды) в сборе; соединительная трубопроводная арматура; несущая арматура; стандартные крепежные изделия. Разработаны три различных варианта исполнения баков-аккумуляторов, технические характеристики которых приведены в таблице. На рис. 4 представлен вариант исполнения одного бака-аккумулятора с полезным объемом 200 л.

На рис. 5 показана мобильная модульная установка с баком-аккумулятором на 200 л и двухколлекторными модулями (по 2 м² каждый). Установка, разработанная и изготовленная в лаборатории кафедры МТ-10 МГТУ им. Н. Э. Баумана, монтируется за 30 мин и запускается (вместе с монтажом) за 60 мин.

Модульные мобильные установки для нагревания воды могут поставляться предприятием-изготовителем в следующей комплектации: один коллекторный модуль с баком на 150 л (минимальная комплектация); бак на 300 л и три коллекторных модуля по 2 м² каждый (максимальная комплектация).

Выводы

Разработаны оптимальные конструкции солнечного коллектора «Радуга М» с эффективной площадью поверхности абсорбера 1 м², а также бака-аккумулятора с плоским теплообменником, теплоэнергонагревателем и регулятором температуры. Спроектирована и изготовлена быстроразборная конструкция модульной мобильной установки для нагревания воды, проведены пусконаладочные работы. Масса установки (сухая) с двумя коллекторными модулями составила 147 кг. Время сборки и монтажа установки – 30 мин, время запуска установки – 30 мин, что подтверждает ее высокую мобильность.

Работа выполнена в МГТУ им. Н. Э. Баумана при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию Министерства науки и образования РФ в рамках госбюджетной темы № тп-НИЧ 1.17.10.

Список цитируемой литературы

Weiss W. Come in from the cold? The solar thermal market in Europe // Renewable Energy World. 2002. V. 5. № 4.
Duffie J. A., Beckman W. A. Solar engineering of thermal processes. – New York Wiley, 1980.
Лоф Дж. О. Дж. Плоские и неконцентрирующие коллекторы. – Денвер, Университет штата Колорадо, Форт Коллинс и корпорация «Solaron», 1990.

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения