Солнечный коллектор, энергоаккумулятор — «ThermoD»

Презентация изобретения — солнечный коллектор с аккумулирующим слоем.

Интеллектуальным собственником изобретения, которым является солнечный коллектор с аккумулирующим слоем, работающий на ранее неиспользовавшихся принципах действия, является эстонская компания K.A. Thermo Engineering OÜ. Компания сформировалась в 2000 году как объединение инженеров-изобретателей, работающих в сфере разработки инновационных технологий в альтернативной энергетике.

Почти за двадцать лет плодотворного труда компании удалось воплотить в жизнь несколько уникальных проектов. Пожалуй одним из самых высокоэффективных считается проект, в основе которого лежит метод экологически чистой переработки отходов, образующихся у предприятий при производстве изделий из резины и пластмасс, а также переработки изношенных автомобильных покрышек и прочих полимеров, подлежащих утилизации, в тепловую энергию с использованием технологии пиролиза. На основе этой технологии совместно с финской компанией Ecomake Finland OY (Ltd) YTJ (Kuopio) в 2004 году были спроектированы и построены в Эстонии и Финляндии высокопроизводительные, универсальные и полностью автоматизированные промышленные котельные с парогенерирующими и когенерирующими установками.

Однако, наиболее значимым по оценке компании является изобретение солнечного коллектора — «Солнечная энергоаккумулирующая система – ThermoD», работающего на ранее неиспользовавшихся принципах действия. Основой технологии этой системы является использование инновационного, полимерного теплоаккумулирующего материала – ISOPOP-TSM, разработанного компанией в 2006 году. По способу применения этот полимер относится к теплоизолирующим материалам (ТМА) с самонесущими свойствами или бесконтейнерным ТМА. Для коллектора компания разработала теплоприёмник (абсорбер), имеющий специальный профиль. Это позволило увеличить площадь абсорбера более чем в 2 раза при неизменных общих габаритах корпуса солнечного коллектора. К тому же абсорбер является основным силовым каркасом в коллекторе, что позволяет использовать солнечный коллектор, как надёжный составной элемент ограждающих конструкций крыш, стен здания. В свою очередь, теплоаккумулирующий материал коллектора значительно увеличивает теплоизоляционные свойства этих конструкций. Немаловажным значением для теплотехников является то, что солнечный коллектор способен в собственном аккумулирующем слое дополнительно накапливать большой объём тепловой энергии, которая может быть использована для нагрева теплоносителя днём в период пониженной солнечной активности или, в вечернее и ночное время.

Впервые солнечный коллектор — «Солнечная энергоаккумулирующая система – ThermoD» был успешно применён в 2008 — 2011 годах при строительстве домов в экспериментальном жилом районе VIIKKI (Helsinki, Finland) в системах горячего водоснабжения. Универсальность солнечной энергоаккумулирующей системы ThermoD позволило архитекторам и проектировщикам создавать различные формы коллектора и встраивать их в ограждающие конструкции зданий.

• 

• 

С самого начала своей деятельности, при разработке и внедрении инновационных технологий, компания уделяет большое внимание внедрению эффективных средств автоматизации управления и контроля за этими технологиями. В основе такой работы лежит постоянное использование новейшего электронного оборудования, программного обеспечения, использование оборудования беспроводных сетей от известных мировых производителей. Каждый технологический продукт компании имеет высокоопционную поддержку в сервисе. Компания своим клиентам всегда может предложить разнообразные решения надёжного, дистанционного мониторинга и диспетчеризации работы купленного у неё оборудования.

Солнечный коллектор — «Солнечная энергоаккумулирующая система – ThermoD».

Фазовые переходы – переходы вещества из одной фазы в другую при изменении параметров состояния, характеризующих термодинамическое равновесие. Ландау Л. Д. (Россия)

При разработке солнечного коллектора – «Солнечная энергоаккумулирующая система – ThermoD» (читать далее по тексту — коллектор), компанией K.A. Thermo Engineering OÜ применялись инженерные, химико-технологические решения и инновации, защищенные патентами и имеющие высокую инвестиционную привлекательность.

Описание продукта

Изготавливаемый компанией K.A. Thermo Engineering OÜ солнечный коллектор — ThermoD, отличается от коллекторов других производителей прежде всего по принципу работы. Помимо традиционной функции – нагрева теплоносителя в трубах абсорбера, коллектор способен накапливать (аккумулировать) в своей конструкции большое количество солнечной энергии. Коллектор выполнен по безкорпусной технологии, в виде неразборного полимерного моноблока. Его наружный слой (толщина от 30 до 50мм) представляет из себя самонесущий корпус (позиция 2 рисунка) и выполняет функцию надёжной теплозащиты абсорбера. Внутренний монолитный слой коллектора (в зависимости от района эксплуатации его толщина может составлять от 100 до 200мм) является основным аккумулятором (позиция 1 рисунка) и склеен с абсорбером (позиция 4 рисунка). В свою очередь к абсорберу прикреплены трубопроводы (позиция 3 рисунка). Единственным сменным и обслуживаемым элементом солнечного коллектора является наружный защитный, теплосберегающий элемент (позиция 5 рисунка), который крепится непосредственно к самонесущему корпусу коллектора.

Внутренний монолитный слой коллектора изготавливается из высоко теплопроводящего композитного материала — ТSМ-композита (формула изобретения – ТSМ-composit – thermoheat-sink composite material), разработанного компанией с помощью метода математического моделирования фазового равновесия, основанного на использовании термодинамического подхода. Этот композитный материал состоит из смеси высокомолекулярных и низкомолекулярных полимеров, различных связующих, теплопроводящих наполнителей и используется в аккумуляторе в качестве плавящегося фазопереходного вещества. В готовом изделии композитный материал заключён в своеобразный каркас, представляющий собой специальную металлополимерную, ячеистую матрицу. Применение такого низкокомолекулярного композитного полимера в качестве теплоаккумулирующего материала позволяет повысить температуру стабилизации коллектора до + 220°С и получить высокую удельную теплоту плавления аккумулирующего вещества. В одном квадратном метре такого материала, при толщине его слоя – 0,2 м., может накапливаться до 74000 кДж (20.8kWt) тепловой энергии. В ТSМ-композите присутствуют специальные добавки, которые предотвращают его расслаивание, предотвращают выпотевание низкомолекулярного плавящегося вещества из металлополимерной матрицы, а также делают его высокотеплопроводным. Устойчивость ТSМ-композита к воздействию холода определяется температурной границей – до минус 85 °С, а для внешних высоких температур определяется температурной границей – до плюс 240 °С.

После внесения в ТSM-композит специальных изоляционных наполнителей, он становится теплоизоляционным материалом – ISOPOP-TSM (формула изобретения компании – ISOPOP-TSM-composit & Porous polymers) и относится уже к классу пористых полимеров, с расчётным коэффициентом теплопроводности λ = 0,025÷0,038 W/(m*K). По способу применения ISOPOP-TSM-composit относится к классу безоболочных теплоизолирующих Bi-pm материалов (Bi-polymers materials), с самонесущими свойствами.

• 

• 

Как работает солнечный коллектор?

Во время основной работы ThermoD — коллектора происходит накопление тепла в его собственном аккумулирующем слое за счет процесса плавления композитного материала. Также происходит нагрев теплоносителя в коллекторных трубах и энергия направляется в системы отопления или горячего водоснабжения, избытки такой энергии могут направлены в дополнительный аккумуляционный бак. Энергия из аккумулирующего слоя ThermoD — коллектора и аккумуляционного бака в основном используется в вечернее и ночное время или днём, в период понижения солнечной активности.

Конструкция абсорбера

С помощью математического моделирования компания разработала синусоидального вида профиль теплоприёмника (абсорбера). Благодаря этому удалось увеличить площадь абсорбера почти в два раза относительно габаритов ThermoD — коллектора. Абсорбер размещён в корпусе коллектора так, что при любом положении солнца над уровнем горизонта, поверхность абсорбера освещена его лучами максимально. То есть, отпадает необходимость применения дорогих автоматических систем позиционирования коллектора. Удалось также увеличить скорость теплоотдачи аккумулятора за счёт увеличения площади соприкосновения поверхности абсорбера к поверхности коллекторных труб до 65%. За счёт наличия эффекта угасающего оптического отражения, а также отражения солнечной энергии от нижней плоскости ограждающей конструкции, значительно увеличилась степень освещённости всей плоскости абсорбера. Благодаря применению такой формы абсорбера удаётся увеличить производительность ThermoD — коллектора почти в два раза по сравнению с моделями солнечных коллекторов, имеющих обычный плоский абсорбер. При производстве абсорбера используется дешёвая листовая сталь, имеющая минимальную толщину в — 0.55 мм. Чёрный, активный, поглощающий слой покрытия абсорбера выполнен по дешёвой технологии, методом магнетронного распыления химических производных металлов и имеет высокую экологическую безопасность, как технологического процесса нанесения слоя, так и самого продукта. Материал поглощающего слоя абсорбера не чувствителен к воздействию UV — облучению. При изготовлении абсорбера коллектора предусмотрена автоматизация процесса запрессовки в него труб коллектора.

Теплосберегающая защита коллектора

На фоне значительного снижения себестоимости, приходящейся на производство расчётных 1000 кДж тепла, в ThermoD — коллекторе стало возможным применить, в качестве внешнего теплозащитного – ограждающего элемента абсорбера, теплосберегающий однокамерный пакет толщиной 16 (или 24 мм), заполненный инертным газом. Атмосферным воздействиям противостоят четырёх-миллиметровые листы, или из прозрачного монолитного поликарбоната, или из закалённого стекла, типа I -стекло (Double Low — E). Применение таких защитных элементов позволяет эффективно эксплуатировать ThermoD-коллектор в течение всего года, даже в в северных широтах, где коллектор уже начинает производительно работать с температурными параметрами окружающей среды до минус -15°С, при низком солнцестоянии. Для таких условий эксплуатации солнечный коллектор может дополнительно изготавливаться с комбинированным защитным элементом, котрый имеет низкоразряженную воздушную камеру перед абсорбером. Конструкция крепления защитного элемента позволяет обеспечить его быструю замену, без демонтажа других элементов солнечного коллектора.

Применение

Во время производства солнечного коллектора теплоаккумулирующий материал (ТSМ-composite) склеивается с абсорбером и трубным коллектором в прочную монолитную панель. Такая профилированная металлополимерная панель является основным силовым каркасом солнечного коллектора. Это позволяет проектировщикам и архитекторам использовать коллектор, как встраиваемый, самонесущий элемент в межстропильное пространство конструкции крыши, от конька до свеса или, как встроенный элемент в стены здания или, как устойчивую к атмосферным воздействиям малую архитектурную форму на участке застройки. Конструкция коллектора может уверенно противостоять снеговым и ветровым нагрузкам и может также являться дополнительным, эффективным декоративным и теплоизолирующим конструктивным элементом здания.

• 

• 

Теплоноситель, проходящий по трубным каналам теплопоглощающей аккумулирующей панели, нагревается солнечной энергией, а затем подается по трубопроводам в системы отопления и горячего водоснабжения с естественной или принудительной циркуляцией. Трубная часть коллектора оборудована четырьмя выходами-входами различных диаметров, от 25 мм до 40 мм. в любых сочетаниях, поэтому система является полностью унифицированной и может работать с гелиостанциями, коллекторами других производителей, с тепловыми насосами. Медные трубы коллектора, имеющие идеально гладкую внутреннюю поверхность, обеспечивает работу системы с минимальными потерями давления.

Солнечный коллектор оборудован автоматической системой управления и контроля на базе программируемого ThermoD-контроллера. При разработке контроллеров, наша компания использует высокопроизводительную, аппаратную, вычислительную платформу — Arduino, основным компонентом которой является простая плата ввода/вывода.

• 

• 

Платы Arduino позволяют использовать наибольшую часть I/O выводов микроконтроллера во внешних схемах, т.е. подключать большее количество сенсоров, чем на других платформах. Этот контроллер своевременно перераспределяет потоки энергии, предохраняет солнечный коллектор от перегрева или от переохлаждения, контролирует системы принудительной очистки и оттайки защитного элемента поверхности коллектора. Работать эта система может как в автономном режиме, так и под управлением централизованной программы при диспетчеризации, может управляться и контролироваться через удалённый доступ.

Совместимость

ThermoD — коллектор полностью совместим со всеми существующими системами теплоснабжения и водоснабжения, а также с бивалентными тепловыми насосами.

• 

• 

Технические характеристики солнечного коллектора — ThermoD (комплектация Standard).

Теплоноситель – вода питьевая, вода дистиллированная, вода для хозяйственно-питьевого обеспечения судов или низкозамерзающие жидкости (например, иготовленные в РФ — ОЖ-65 или ОЖ-40), с содержанием взвешенных веществ не более 5 мг/л.
Избыточное рабочее давление теплоносителя – не более 2.5 МПа (25 кгс/кв. см). Рабочее давление, – 0,6 МПа
Произведение общего коэффициента тепловых потерь СК и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра – не более – 2,2 Вт (кв. м. Х град. С).
Степень черноты поверхности поглощающей панели с селективным покрытием (e) – не более – 0,035.
Поглощающая способность панели относительно солнечного излучения (as) – не менее – 0,98.
Габаритные размеры корпуса Thermod-коллектора – 2007 х 1130 х 300 мм.
ThermoD– коллектор выпускается в нескольких вариантах прозрачной изоляции :

• комбинированный пакет №1: закалённое I – стекло (Double Low -E) 4мм – 16мм Arg – 4mm стекло с плёночным покрытием из SnO2;
• комбинированный пакет №2: монолитный поликарбонат 4 мм – 4mm стекло – 16мм Arg – 4mm стекло с плёночным покрытием из SnO2;

По классу безопасности прозрачная изоляция соответствует требованиям ТСО03.

Виды исполнения:

• встраиваемый под любым углом в крышу или в стену здания;
• навесной элемент над плоскостью крыши или декоративный, ограждающий элемент фасада (лоджии, балконы);
• отдельно стоящая архитектурная форма на земельном участке или ограждающий элемент забора

Имеется возможность изготовления и сборки солнечных коллекторов и аккумуляторов по индивидуальному проекту, прямо на строительной площадке заказчика! Возможно изготовление греющих, теплоаккумулирующих стеновых панелей, внутриквартирных перегородок, полов, междуэтажных панелей.

• укомплектовываться автоматической системой очистки и прогрева поверхности защитного элемента;
• иметь в наличии вакуумную камеру между защитным элементом и абсорбером или однокамерный стеклопакет с низкоразреженной камерой.

Во всех моделях, трубопроводы коллектора изготавливаются из высококачественной медной трубы марки КМЕ (Германия). Расчётный срок эксплуатации коллектора – не менее 40 лет, гарантированное количество циклов «заряд – разряд» аккумулятора – не менее 73000.

Удельная тепловая производительность ThermoD-коллектора в год (q) рассчитывается следующим образом, q=1,75*Н кВт-час/кв.м, где Н– годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, (как примеры: – для города Сочи (Россия) – q=1,75*1365 =2388 кВт-час/кв.м; – для места п. Коктебель (Крым, Россия) – q=1,75*1426 =2495 кВт-час/кв.м; – для Ленинградской области – q=1,75*924 =1617 кВт-час/кв.м. Информация взята из Пособия 2.91 к СП 60.13330.2012 ).

Отличительные особенности эксплуатации

При эксплуатации ThermoD – коллектора в его аккумулирующем слое дополнительно может накапливаться большое количество тепловой энергии. Эта энергия эффективно расходуется при снижении освещённости абсорбера коллектора или в ночное время. Особенно эффективно система ThermoD — коллектор работает в связке с тепловыми насосами, со скоростными водоподогревателями и теплообменниками. Всё это в целом позволяет создавать более мягкие условия эксплуатации систем горячего водоснабжения и отопления в зданиях и сооружениях. Отпадает необходимость использования громоздких и менее производительных водяных тепловых аккумуляторов в технических помещениях. У архитекторов появляется реальная возможность увеличить полезную площадь помещений в заданном объёме при проектировании зданий или сооружений.

Предназначение и конкурентноспособность

Солнечный коллектор – «Солнечная энергоаккумулирующая система – ThermoD» является универсальным, как на стадии проектирования, так и изготовления. Разработанная компанией технология сборки коллектора позволяет смонтировать теплоаккумулирующую систему из комплектующих материалов непосредственно на строительной площадке, даже по индивидуальному проекту. Также имеется возможность изготовления только полимерных тепловых аккумуляторов (без абсорбера и стеклопакета) любой формы. Например, проектировщик может встроить такие аккумуляторы в междуэтажное перекрытие, в наружные ограждающие конструкции и даже в малые архитектурные формы, расположенные на земельном участке. Полимерные тепловые аккумуляторы работают эффективно с любыми источниками тепла, особенно с бивалентными тепловыми насосами.

ThermoD – солнечный коллектор, со своими новыми конструктивными и эксплуатационными возможностями, образует новый класс высокопроизводительных, солнечных энергитических установок – «Теплоаккумулирующие солнечные системы с активным абсорбером» и имеют короткий срок окупаемости — от трёх до пяти лет. Все материалы, используемые при изготовлении тепловых аккумуляторов, дёшевы и легкодоступны в Российской федерации и в странах ЕАЭС.