Рис. 1. Конструкции мобильной модульной установки горячего водоснабжения
Рис. 2. Модифицированный вариант солнечного коллектора
Рис. 3. Схема теплоприемной панели коллектора
Табл. 1. Технические данные и характеристики солнечного коллектора
В последнее время в связи с резким ухудшением экологической обстановки, связанной с потеплением климата и с загрязнением атмосферы вредными выбросами, мировое сообщество предпринимает кардинальные меры, которые направлены на уменьшение вредных выбросов в атмосферу. Всемирные конференции по изменениям в атмосфере (города Торонто, Киото) предложили странам сократить к 2015–2020 годам выбросы CO2 примерно на 20–25 % от уровня 2000-го года.
Реализация намеченного было бы невозможна без широкого использования в качестве альтернативных источников нетрадиционных источников энергии, к которым относятся: солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная и др. В связи с этим в развитых странах мирового сообщества ведется большая работа по созданию устройств, использующих нетрадиционные виды энергии.
Прогнозные исследования развития мировой энергетики однозначно указывают на неизбежное увеличение доли использования практически неисчерпаемых экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ), что обусловлено как ограниченностью запасов органического топлива, его удорожанием и необходимостью решения экологических проблем, так и непрерывным совершенствованием технологий и соответствующим снижением стоимости установок и систем, разрабатываемых для преобразования энергии ВИЭ [1, 2]. Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения является наиболее простым в технологическом и наиболее продвинутым в практическом плане направлением широкого внедрения результатов исследований и разработок в области эффективного использования ВИЭ во многих странах мира.
Только в европейских странах к концу 2000 года действовало более 12 млн м2 солнечных коллекторов [1, 2]. 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 недостаточной подготовленностью рынка.
Из-за роста тарифов на энергию и стремлением потребителей к повышению надежности теплоснабжения за счет создания собственных источников энергии, интерес к использованию солнечных водонагревательных установок резко возрос как в южных регионах страны, включая Краснодарский край, Ростовскую область, где ежегодно вводится в эксплуатацию на разных объектах несколько тысяч квадратных метров солнечных коллекторов, так и в средней полосе России и даже в ее северных регионах, где проблемы теплоснабжения автономных потребителей стоят особенно остро. Неподготовленность рынка солнечных установок во многом связана с недостаточной информированностью потенциальных потребителей о возможностях и эффективности использования установок в различных климатических условиях.
Это, в свою очередь, обусловлено отсутствием надежных научно обоснованных методик оценки эффективности, позволяющих потребителям и производителям солнечных установок в удобном и доступном для них виде прогнозировать технико-экономические показатели коллекторов в зависимости от климатических условий места их применения.
Солнечный коллектор — это устройство для приема и преобразования падающего солнечного излучения в тепло жидкости и перемещения этой нагретой жидкости к месту использования. Число коллекторов определяется расходом горячей воды и согласуется с объемом бака. На 100 л воды в баке требуется не менее 2 м2 солнечных коллекторов.
Используя данную схему как базовую и учитывая особенности мобильных установок, была создана конструкция мобильной установки горячего водоснабжения, эскиз которой представлен на рис. 1. Ее конструкция содержит два модуля солнечных коллекторов — по две штуки в модуле, бак-аккумулятор, основание, позволяющее осуществлять регулировку угла наклона коллекторного модуля по отношению к горизонту, соединительную арматуру, расширительный бачок и комплект крепежно-монтажных элементов. Главными элементами этой конструкции следует считать солнечные коллекторы, на долю которых приходится до 80 % от всей стоимости установки.
На рис. 2 представлен эскиз солнечного коллектора, разработанного автором совместно со специалистами ЦАГИ имени Н. Е. Жуковского в 1998–2008 годах. Солнечный коллектор представлен в модифицированном варианте, предназначенном для мобильных систем. Данная конструкция коллектора отличается от базовой наличием специальных патрубков под шланг с внутренним диаметром 1? для быстрого крепления при помощи автомобильных хомутов. Создание коллектора стало результатом проведенных автором в 1998–2008 годах работ, которые в первую очередь были направлены на создание высокоэффективной поглощающей панели, от которой и зависит в основном КПД коллектора [3–8].
Созданная авторами теплоприемная панель коллектора, схема которой представлена на рис. 3, относится (в отличие от трубчатых) к типу штампосварных. Для ее изготовления применяются две пластины из коррозионностойкой 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 выполняются глубиной 3–3,5 мм и только на одной пластине толщиной 0,3 мм (рис. 3), а поперечные полуканалы — как на этой пластине, так и на ответной, толщина которой 0,5 мм. Использование листов разной толщины связано с необходимостью обеспечения прочности при рабочем давлении теплоносителя в панели.
Во второй конструкции продольные каналы выполняются на обеих пластинах. Традиционной технологией изготовления таких пластин является листовая штамповка. Оптимальная площадь коллектора, определенная на основании технико-экономического анализа, составляет 1–2 м2, поэтому для изготовления панелей такой площади необходимо использовать прессы с большим размером рабочего стола и сложной дорогостоящей штамповой оснасткой. Разработанная нами технология листовой локальной формовки первоначально применялась для изготовления рельефов малой глубины на мягких листовых материалах, в частности, на алюминии.
Основой этой технологии является формирования рельефа в листе с помощью горизонтального вала, облицованного полиуретаном, причем заготовка наложена на простую плоскую плиту-матрицу с отфрезерованным на ее поверхности рисунком каналов (что несравнимо проще штамповой оснастки) [3–8]. 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 секунд), что во много раз снижает энергозатраты по сравнению с традиционной штамповкой [3, 4].
Итогом данной работы явилось создание новой высокоэффективной конструкции солнечного коллектора с площадью поглощающей панели 1 м2. Испытания созданного коллектора проводились независимо друг от друга в ЦАГИ, Институте высоких температур РАН и Научноисследовательском энергетическом институте имени Г. М. Кржижановского (ЭНИН).
Эти испытания отвечали требованиям ГОСТ 28310–89 «Солнечные коллекторы. Общие технические условия» и показали соответствие изделия как требованиям этого стандарта, так и требованиям стандартов основных зарубежных стран-производителей коллекторов. Авторами разработано и изготовлена установка мобильная модульная «Радуга М» (схема представлена на рис. 1), предназначенная для подогрева воды в полевых условиях для хозяйственных нужд (горячее водоснабжение) с использованием в качестве основного источника тепла энергии солнца и, в качестве дополнительного источника тепла, электронагревателя. Конструкция устройства предусматривает возможность его монтажа с помощью несущей арматуры на открытых площадках за 30 минут.
В состав устройства «Радуга» входят: модули солнечных коллекторов в сборе; аккумулятор тепла (бак для воды) в сборе; соединительная трубопроводная арматура; несущая арматура; стандартные крепежные изделия. Разработано три различных варианта исполнения баков-аккумуляторов на 200 и 300 л.
На фото 1 представлены фотографии мобильной модульной установки с баком-аккумулятором на 200 л и двух коллекторных модулей (по 2 м2 каждый), разработанной и изготовленной в лаборатории кафедры МТ-10 МГТУ имени Н. Э. Баумана. Мобильная модульная установка монтируется за 30 минут и запускается (вместе с монтажом) за час. Минимальная комплектация модульных мобильных установки для нагрева воды содержит один коллекторный модуль с баком на 150 л, а максимально возможная состоит из бака на 300 л и трех коллекторных модулей (по 2 м2 каждый).
В процессе выполнения этой работы были получены следующие результаты:
- Разработана оптимальная конструкция солнечного коллектора типа «Радуга М» с эффективной площадью поверхности абсорбера 1 м2.
- Разработаны оптимальные конструкций баков-аккумуляторов с плоским теплообменником, ТЭНом и регулятором температуры.
- Спроектирована и изготовлена быстроразборная конструкция модульной мобильной установки для нагревания воды, проведены пускомонтажные работы и получены следующие результаты: масса установки (сухая) составила 147 кг на установку с двумя коллекторными модулями; время сборки и монтажа установки составило 30 минут; время запуска установки составило 30 минут, а суммарное время сборки и запуска — один час, что подтверждает ее высокую мобильность.
