РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА ГЕЛИОСИСТЕМ С МЕТАЛЛО-ПОЛИМЕРНЫМИ И ПОЛИМЕРНЫМИ КОЛЛЕКТОРАМИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
2.1. Разработка нового поколения солнечных коллекторов с использованием полимерных материалов
Основная масса выпускаемых в мире плоских СК, как показал проведенный обзор работ в указанной области за последние годы, производится из цветных металлов, в качестве прозрачного покрытия используется стекло - тяжелый и хрупкий материал. Использование ударопрочных стекол значительно удорожает производство СК. Поэтому системы с такими коллекторами достаточно дороги (200 - 700 у.е./м2).
Основные задачи в этой части работы:
1. Усовершенствовать традиционный ранее выпускавшийся фирмой "Новые технологии" алюминиевый СК-А с трубным регистром и корпусом из алюминиевого сплава, в котором в качестве прозрачного покрытия используется оконное стекло (в частности, оптимизировать основные геометрические параметры с целью минимизации потерь тепла и сокращения габаритов и веса.
2. Создать металло-полимерный, переходной тип СК-М, с медным трубным регистром и полимерной плитой в качестве прозрачного покрытия. Основное назначение такого типа СК - применение в ГС с естественной и вынужденной циркуляцией теплоносителя.
3. Создать полимерный тип СК-П, на основе полимерных материалов из плит сотовой структуры, используемых как в качестве абсорбера, так и в качестве прозрачной изоляции. Основное назначение таких СК - использование в ГС с естественной циркуляцией теплоносителя.
В соответствии с указанными задачами следует решить ряд научных и технологических задач:
1. выполнить моделирование рабочих процессов в ГС и ее основных элементов с учетом новых особенностей движения потоков энергии и теплоносителя в разрабатываемых конструктивных решениях и с целью минимизации веса, габаритов и потерь энергии;
2. провести анализ полимерных материалов, устойчивых к ультрафиолетовому излучению и к воздействию прямого солнечного излучения, и обеспечивающих требуемую эффективность процессов усвоения солнечной энергии, надежность и долговечность изделий.
2.1.1. Обзор и выбор материалов для металло-полимерных и полимерных солнечных коллекторов.
Основной идеей настоящего раздела является изучение возможности применение в конструкции СК полимерных материалов (ПМ), что позволит обеспечить:
* снижение веса СК - расхода цветного металла;
* снижение стоимости СК и гелиосистемы в целом;
* снижение вредных экологических последствий в полном цикле "жизни" СК;
* высокую технологичность СК (возможность использования в условиях частных домов и коммунального жилья; использование в качестве покрытия для крыш и др).
Вопрос о возможности использования полимерных материалов в конструкции СК давно изучается рядом мировых исследовательских центров и фирм-производителей.
В работе [15] рассматривается "слоевой" солнечный коллектор, собранный в виде сэндвича из нескольких прозрачных коробок из ПМ. Перегородки организуют движение теплоносителя по этим коробкам, как по змеевику.
В Норвегии разработаны солнечные системы для централизованного и внутреннего горячего водоснабжения, основанные на новом типе СК из конструкционных пластмасс. Их эксплуатация, как в частных домах, так и в больших зданиях, показала выполнимость и экономичность концепции. Верхний слой коллектора толщиной 6 мм представляет собой двойной лист из поликарбоната (LEXAN (r) Thermoclear), который может быть заменен на прочное стекло. Между верхней изоляцией и абсорбером - воздушный зазор толщиной 12 мм. Листы закреплены на алюминиевом каркасе со всех сторон. Коллектор поставлен на слой минеральной ваты и прикреплен винтами к деревянным планкам.
В Голдене, Фениксе и Майами в течение года на открытых площадках изучались материалы для остекления гелиоприемников. В Национальной лаборатории ВИЭ США были проведены в течение 300 дней их ускоренные испытания. Хорошие результаты получены для поликарбонатных листов толщиной 3,35 мм с акриловым покрытием. Для труб теплообменников рекомендуются высокотемпературный нейлон, полипропилен и сетчатый полиэтилен; для структурных компонентов (например, гидравлических коллекторов) - высокотемпературный нейлон, армированный стекловолокном, полифталамид, поливинилсульфид и полипропилен.
В работе [18] рассматривается устройство, состоящее из гибкого пластичного материала, составляющего единое целое со змеевиком из пластмассовой трубы ("гибкий солнечный мат"). С помощью крепежных отверстий по периферии пластины его можно монтировать на внешних стенах зданий. Холодная вода из нижней части домового накопителя воды подается снизу в змеевик солнечной установки, нагретая вода после прохождения змеевика подается через пластмассовые трубы в верхнюю часть накопителя. Разделительная арматура позволяет демонтировать устройство на зиму: мат сматывается и убирается.
Фирмой НПФ "Новые технологии" в течение последнего десятилетия успешно выпускается СК из алюминиевого сплава СК-А. Недостатки его конструкции: дороговизна (160 у.е./м2), высокий вес (21 кг/м2), использование аргонной сварки при производстве, высокое экологическое влияние в следствие применения цветных металлов в его конструкции.
Первым шагом по созданию нового коллектора явилась разработка металло-полимерного СК (СК-М), где в качестве абсорбера, был использован традиционный регистр медных труб, а вместо стекла, в качестве прозрачного покрытия - плита сотового поликарбоната. Следующим шагом было создание полностью полимерного СК (СК-П): в качестве прозрачного покрытия в нем использована плита сотового поликарбоната толщиной 4 мм, в качестве абсорбера - плита сотового поликарбоната толщиной 8 мм.
Был проведен анализ ПМ, которые могут быть использованы в конструкции СК. Существует большое количество полимеров, которые потенциально могут быть использованы в конструкции плоского СК - полипропилен, полиметилметакрилат, поликарбонат, полисульфон, полиэстерсульфон, полиамид, аморфный полиамид