Гелиоколлекторы и гелиоконцентраторы в системах энергоснабжения

Сравнительный анализ традиционных гелиоколлекторных систем и гелиоконцентрационных устройств будет весьма полезен для организации производства солнечных установок, которые являлись бы привлекательными для потенциального потребителя.

В настоящее время все больше внимания уделяется использованию нетрадиционных источников энергии, к которым относятся гелиосистемы. Но, несмотря на то, что использование солнечных нагревательных устройств различных конструкций в значительной мере позволяет снизить потребление тепловой энергии, получаемой за счет сжигания органического топлива, внедрение таких устройств идет медленными темпами. Это объясняется довольно высокой стоимостью, которая объективно не может быть низкой из-за значительной материалоемкости и стоимости используемых для солнечных устройств материалов (цветные металлы, сталь, стекло).

В последнее время наиболее распространенным является вариант использования солнечных устройств на основе гелиоколлекторов. При этом акцент сделан на создание энергетических комплексов, включающих как традиционное котельное оборудование, так и гелиоколлекторы.

Как правило, степень нагрева в гелиоколлекторах (в наиболее совершенных конструкциях при хороших метеоусловиях) не превышает 70-80 °С. При снижении уровня инсоляции наблюдается снижение эффективности нагрева теплоносителя, что приводит к необходимости ввода в эксплуатацию котельного оборудования.

Но, температура теплоносителя может быть увеличена путем концентрации солнечной энергии. Однако системы концентрации на современном этапе не получили широкого распространения из-за необходимости оснащения этих систем специальными отражательными элементами и устройствами, обеспечивающими непрерывный процесс ориентации относительно Солнца. Это, на первый взгляд, кажется сложной задачей, решение которой требует привлечения значительных ресурсов.

Таким образом, анализ традиционных гелиоколлекторных систем и гелиоконцентрационных устройств полезен для реализации концепции создания таких солнечных установок, которые являлись бы привлекательными для потенциального потребителя. Это возможно в том случае, когда затраты на выработку тепловой энергии с помощью этих установок будут существенно ниже уровня суммарных затрат на получение тепловой энергии традиционными способами (в частности, в котельных установках). При этом срок окупаемости солнечных установок должен быть соизмерим с гарантийным сроком их эксплуатации. Для выполнения поставленных условий представляется целесообразным разработка таких конструкций солнечных установок, которые позволяли бы минимизировать затраты на их изготовление, монтаж и обслуживание. Это может достигаться, в том числе, и за счет использования недорогих отечественных материалов, выпуск которых гарантирован в достаточных объемах на протяжении длительного срока.

Устройство гелиоколлекторов и гелиоконцентраторов

Гелиоколлектор представляет собой плоскую лучевоспринимающую панель с каналами для циркуляции теплоносителя, изготовленную из металла и размещенную в корпусе. Корпус имеет теплоизолирующий слой с теневой стороны и лучепропускающее покрытие с фронтальной стороны.

Гелиоконцентраторы – это устройства, в которых отраженные от криволинейных поверхностей солнечные лучи собираются в фокусе, что приводит к усилению уровня лучистой энергии. Гелиоконцентраторы можно условно разделить на две группы – точечные и линейные. К точечным относятся те устройства, в которых отраженные лучи собираются в одну условную фокальную точку – пятно. В линейных концентраторах при помощи параболоцилиндрического отражателя лучистая энергия концентрируется в фокальной линии, по оси которой размещается труба для движения теплоносителя. Температура теплоносителя в них может достигать 300-400 °С.

Неотъемлемой частью гелиоконцентраторов является система ориентации, которая позволяет непрерывно отслеживать положение Солнца и в соответствии с ним осуществлять перемещение концентраторов для устойчивого положения фокуса относительно отражательных элементов.

Сравнительный анализ тепловых потерь гелиоколлектора и гелиоконцентратора продемонстрировал, что их тепловая эффективность находится практически на одном уровне.

Изготовление гелиоколлекторов и гелиоконцентраторов

Рассматривая вопросы связанные с изготовлением гелиоколлекторов необходимо отметить, что затраты на изготовление лучевоспринимающей панели составляют значительную долю (до 80%) от общей суммы затрат на гелиоколлектор. Кроме того, он, как правило, неподвижно укрепляется на специальных опорных элементах или раме с определенным углом установки и ориентацией в южном направлении. Опорные конструкции могут существенно влиять на конечную стоимость гелиосистемы особенно в том случае, когда идет речь о крупных гелиополях.

Конструкция гелиоконцентратора может быть менее затратной вследствие меньшей материалоемкости. Как известно, в качестве отражательных поверхностей с высоким коэффициентом отражения параболоцилиндрических концентраторов используют полированные алюминиевые листы, что делает конструкцию достаточно дорогой. Стоимость отражательных поверхностей можно значительно понизить за счет использования металлизированных полимерных пленок или алюминиевой фольги, которые могут быть наклеены на более дешевый материал (например, оцинкованную сталь). Кроме того, при разумном снижении коэффициента отражения возможны и другие варианты изготовления отражателей. Один из таких вариантов – нанесение лаковых покрытий с металлическим наполнением. Опыт показывает, что такие покрытия могут эксплуатироваться при атмосферных условиях без деградации в течение 5 лет.

Для ориентации крупных установок гелиоконцентраторов с площадью лучевосприятия несколько десятков или сотен кв.м используются автоматизированные системы с электроприводами. Электропривод представляет собой комбинацию быстроходного электродвигателя и механического редуктора, который служит для понижения оборотов и повышения вращающего момента. В данном случае редуктор является элементом, уменьшающим надежность системы, снижающим точность процесса регулирования и, следовательно, причиной значительных эксплуатационных затрат. Этих недостатков практически лишены высокомоментные низкооборотные двигатели на основе двигателей с катящимся ротором (ДКР). В НТУ «ХПИ» разработаны конструкции управляемых ДКР, в которых регулирование основных рабочих характеристик осуществляется на программном уровне с использованием микропроцессорных устройств. Такие конструкции могут комплектоваться оптическими датчиками положения. При необходимости может быть организовано серийное производство управляемых ДКР, с помощью которых процесс ориентации гелиоконцентраторов в значительной степени упрощается. Стоимость серийно изготавливаемых ДКР практически эквивалентна традиционному варианту.

В связи с вышеизложенным, можно говорить о практической целесообразности изготовления и эксплуатации гелиоконцентраторов. Это утверждение базируется с одной стороны на реальной возможности получения качественного в температурном плане теплоносителя, а с другой – на относительной простоте производства и малой материалоемкости конструкции.

Таким образом, гелиоконцентрационные устройства способны войти наряду с гелиоколлекторами в перечень альтернативных источников энергии, внедрение которых диктуется объективными условиями нарастающего энергетического кризиса.

В.М. Воробьев, к.т.н., НТУ «ХПИ»
О.А. Климонтова, магистр НТУ «ХПИ»