Предмет и методы исследования

Главной отличительной особенностью коллектора является использование тонколистовой коррозионно-стойкой стали толщиной 0,3–0,5 мм для изготовления штампосварной теплоприёмной панели коллектора. Новая высокоэффективная технология изготовления теплоприёмной панели путём получения каналов методом локального деформирования на специальном оборудовании — станах локальной формовки, защищённых патентами РФ [1–11]. Данная технология позволяет получать каналы практически любой формы глубиной от 3 до 20 мм в зависимости от толщины исходного металла и ширины канала с высокой производительностью до 2 м²/мин. При этом используются тонколистовые материалы толщиной до 0,3 мм, что позволяет снизить массу панели на 30–45 % по сравнению с аналогичными штампованными японскими панелями. На рис. 1 представлен один из вариантов солнечного коллектора с панелью новой конструкции.

Солнечные коллекторы плоского типа с абсорбером из тонколистовой коррозионно-стойкой стали. 6/2017. Фото 1Другой отличительной особенностью нового коллектора является использование специально разработанного селективного покрытия. В качестве базы для этого покрытия была принята технология, используемая в космических станциях «Алмаз», разработанная в НПО «Машиностроение». Селективное покрытие наносится методом вакуумного магнетронного распыления.

В качестве несущего слоя служит алюминий, на который во второй вакуумной камере после процесса ионно-плазменной очистки панели из газовой среды методом плазменного осаждения наносится трёхслойное селективное покрытие: первым слоем осаждается кремний из кремнийсодержащих сред для создания хорошей адгезии последующих слоёв; вторым слоем осаждается углерод из углеродсодержащей среды, который обеспечивает высокую способность поглощения; третий слой — просветляющий, предназначенный для уменьшения коэффициента отражения от поверхности. Такое покрытие обеспечило высокий коэффициент поглощения при малом коэффициенте собственного излучения.

Испытания данного покрытия по специальной программе на воздействие эксплуатационных факторов, включающей испытания на влажность, тепло и холод, циклическое изменение температуры, а также на ударное воздействие температуры, проведённые в специальной лаборатории Лётно-исследовательского института (ЛИИ им. М. М. Громова), показали его высокие эксплуатационные характеристики с гарантированным сроком эксплуатации более 10 лет.

Солнечные коллекторы плоского типа с абсорбером из тонколистовой коррозионно-стойкой стали. 6/2017. Фото 2

Испытания различных модификаций солнечных коллекторов проводились в натурных условиях (опыт 20-летней эксплуатации в условиях полигона в Московской области) и в различных независимых специализированных лабораториях: в лаборатории испытания солнечных коллекторов Института физики высоких температур (город Махачкала); в лаборатории Высшей школы (город Ульма, Германия); в лаборатории Центрального аэрогидродинамического института ЦАГИ (город Жуковский).

Натурные испытания проводились на установках следующих типов: 1 — один коллектор (тип А) + бак на 70 л без теплообменника; 2 — два коллектора (тип Б) + бак на 110 л с теплообменником; 3 — два коллектора (тип А) + бак на 110 л без теплообменника; 4 — четыре коллектора (тип Б) + бак на 200 л с теплообменником; 5 — четыре коллектора (тип Б) + бак на 300 л с теплообменником. В процессе испытаний замерялся расход теплоносителя, температура теплоносителя на входе и выходе из коллектора, температура воды в баке на трёх уровнях, температура окружающей среды, скорость ветра. На рис. 2 представлены результаты испытаний установки третьего типа с двумя коллекторами и баком-аккумулятором на 110 л воды, полученные в середине 15 апреля 2010 года и 30 июня 2010 года при ясной погоде и скорости ветра около 3,5 м/с.

Солнечные коллекторы плоского типа с абсорбером из тонколистовой коррозионно-стойкой стали. 6/2017. Фото 3В Махачкале (ИФТАН АН) и Жуковском (ЦАГИ) на стендах с искусственным солнцем по методике, разработанной Институтом физики высоких температур АН РФ, проведены следующие испытания: контроль герметичности; влагонепроницаемость; тепловые испытания (постоянная времени и кривая КПД); гидравлические испытания (определение гидравлического сопротивления); на предельный нагрев; на внутренний тепловой удар; на внешний тепловой удар; на внутреннее давление. Все модификации коллекторов успешно прошли все этапы испытаний. Последние отработанные модели имеют хорошие показатели по всем параметрам и не уступают лучшим японским коллекторам такого класса.

На рис. 3 представлена экспериментальная всесезонная установка горячего водоснабжения, установленная в Центральном аэрогидродинамическом институте и успешно эксплуатирующаяся с 1994 года.

Солнечные коллекторы плоского типа с абсорбером из тонколистовой коррозионно-стойкой стали. 6/2017. Фото 4Особенно следует отметить довольно низкую себестоимость коллектора «Радуга», которая позволяет продавать их на условии FOB города Санкт-Петербурга по цене не более $ 120 за 1 м². Эти цены существенно ниже мировых цен на солнечные коллекторы такого типа. Например, в Великобритании стоимость плоских коллекторов фирмы Hitachi составляет более $ 300 за 1 м². В Германии цены колеблются в зависимости от модели и фирмы в диапазоне от $ 200 до $ 300 за 1 м² коллектора. Для российских потребителей такие цены очень высоки, так как цена энергоносителей пока низка и потребителю выгоднее использовать традиционные виды нагревателей. Учитывая эту особенность российского рынка, мы разработали новую конструкцию плоского разборного солнечного коллектора с площадью теплоприёмной панели 2 м², имеющего более низкую себестоимость. Себестоимость снижается вследствие экономии материалов и сокращения трудоёмкости изготовления.

На рис. 4 приведена фотография данного коллектора.

Ha рис. 5 показана тепловая характеристика солнечного коллектора «Радуга-2». Основные технические характеристики данного коллектора «Радуга-2» приведены в табл. 1.

Солнечные коллекторы плоского типа с абсорбером из тонколистовой коррозионно-стойкой стали. 6/2017. Фото 5

Солнечные коллекторы плоского типа с абсорбером из тонколистовой коррозионно-стойкой стали. 6/2017. Фото 6

Следует отметить, что на сегодняшний день интерес потребителей к плоским солнечным коллекторам несколько уменьшился в связи с появлением на рынках, в том числе и российском, довольно дешёвых китайских вакуумных коллекторов, которые раньше покупались достаточно редко в связи с их высокой стоимостью. Однако постепенно китайские производители путём удешевления технологи производства добились вполне конкурентной цены на вакуумные коллекторы. На рынке их самые дешёвые модели лишь на 15–20 % превышают стоимость плоских коллекторов, что при лучшей производительности у вакуумных коллекторов делает их более привлекательными для потребителей. Однако детальное исследование условий работы плоских и вакуумных коллекторов в условиях снежных зим позволяет рекомендовать покупать плоские коллекторы, в первую очередь из-за способности их самоочищения от снега за счёт излучения тепла от поверхности теплоприёмной панели. А в случае налипания мокрого снега на вакуумные трубки такого самоочищения не происходит, и они могут быть очищены только при повышении температуры воздуха более 0 °C. Поэтому эффективная работа вакуумных коллекторов в зимнее время находится под большим вопросом.

 

Выводы

Большие перспективы открываются в связи с низкой стоимостью коллектора «Радуга-2» в области применения плоских коллекторов в устройствах охлаждения и дистилляции, где требуются большие площади коллекторных панелей. Создан и успешно прошёл испытания лабораторный образец солнечного холодильника адсорбционного типа с твёрдым сорбентом (активированным углем) и хладагентом (спиртом), который работает в периодическом режиме: адсорбция ночью и десорбция днём. Испытания гелиохолодильника показали его работоспособность при температуре теплоносителя ниже 80 °C. Также ведутся работы по созданию установки дистилляции и создан опытный образец, успешно прошедший лабораторные и натурные испытания.

Создание, производство и широкое применение этих установок позволит существенным образом улучшить экологическую обстановку за счёт уменьшения вредных выбросов в атмосферу Земли.