21 апреля 2018г.
Аннотация: Обсуждается разработка конструкционных решений по созданию действующего образца модульного гелиоколлектора, который в отличие от аналогов, будет использоваться не в качестве альтернативного источника энергии, а как устройство для снижения теплопотерь в жилых и производственных помещениях, обогреваемых традиционными способами.
Ключевые слова: солнечная энергия, модульный гелиоколлектор, теплопотери, теплосбережение.
Одним из критериев общего уровня технического прогресса страны является степень развития теплоэнергетических систем. Экономический кризис в России привел к тому, что затраты на выработку единицы электроэнергии в полтора раза больше, а на отопление 1 м² жилья – вдвое больше, чем в странах с аналогичными климатическими факторами [1].
В суровом климате Сибири обеспечение комфортных условий жизнедеятельности человека начинается с теплообеспечения жилых и производственных помещений [6]. При этом высокую актуальность приобретает не только внедрение новых энергосберегающих технологий, но и переход к автономным системам теплоснабжения, а также связанные с этим процессом проблемы их реконструкции и повышения надежности [5].
Известно, что недостатками традиционной теплофикации больших и малых населённых пунктов являются низкие показатели экономичности, надёжности и экологичности [1]. Поэтому одной из важнейших проблем социальной экологии является повышение энергоэффективности систем обогрева и расширение ресурсной базы источников тепла [2].
Общедоступным и неисчерпаемым источником энергии в планетарном масштабе является энергия Солнца. Энергия солнечной радиации более чем в полторы тысячи раз превышает мощность всех энергетических источников, используемых человечеством, а поверхность Земли ежегодно получает объём инсоляции, в 30 тысяч раз превышающий суммарное годовое потребление энергии электричества совокупным населением планеты [4]. Сама идея использования солнечной энергии не нова, её используют длительное время во многих странах, в том числе в России [3]. При этом существующие в настоящее время гелиоколлекторы предназначены для использования в качестве основного или дополнительного источника тепла с помощью повышения температуры теплоносителя для обогрева помещения или воды для бытовых нужд.
В то же время известно, что себестоимость «солнечного ватта» достаточно высока. Поэтому в России, особенно в холодных регионах, широкого распространения эта идея не получила. Тем не менее идеи экологически чистой энергии себя не исчерпали и научно-технологический поиск в данном направлении не прекращается. Зарубежная практика, а главным образом отечественный опыт показали, что наилучшие перспективы в теплоэнергетике имеет не количество подводимого тепла, а минимизация его потерь. В данной статье обсуждается одно из направлений поисковой деятельности технической лаборатории при лицее №3 г. Красноярска. Это направление связано с разработкой устройства для абсорбции солнечной энергии и её транзита в фонд теплообеспечения помещения. Разработка концептуальной основы, создание макета и опытных образцов ведётся творческим коллективом технической лаборатории, в которой под руководством преподавателя учащиеся старших классов разрабатывают технические решения.
Концептуальным отличием разрабатываемого устройства от имеющихся аналогов является то, что оно предназначено не для отопления, а для снижения теплопотерь в жилых и производственных помещениях, обогреваемых традиционными способами (электроэнергия, водяное или печное отопление).
Конструкция данного устройства должна иметь модульную структуру, удобную для транспортировки, сборки и размещения на внешних поверхностях (крыша, стены) жилых и производственных объектов. Принцип действия основан на высокой теплоёмкости алюминия, используемого в качестве теплоабсорбера. Способ размещения технологически несложен и заключается в креплении модулей на крыше или стене здания любого размера, разной степени сложности и различного предназначения (частный или капитальный жилой дом, гараж, павильон, склад, торговое предприятие и т.д.). Таким образом, возможны вариации конструкции для повышения эффективности использования тепла как на локальном уровне – отдельное помещение или строение, например жилой дом, школа, гараж, киоск, теплица и т.д., так и в масштабах большого города с панельной многоэтажной застройкой.
Приближённый расчёт показывает [7], что в зависимости от времени года с 1 м2 коллектора поступает 500-1000 ватт тепловой энергии. Один кВт тепловой энергии обогревает 10 м2 площади при высоте потолков до трёх метров. При длине крыши дома 50 м и ширине 6 м получим 300 м2 поверхности модульного геликоллектора, способного к отдаче до 150-300 кВт энергии.
Способов аккумулирования и передачи солнечной энергии известно достаточно много, требуется лишь выбрать наиболее подходящий. Наибольшие трудности связаны с обеспечением компактности, малой массы, технической простоты, а также экономичности за счёт использования дешёвых отечественных комплектующих компонентов.
Программа разработки конструкционных решений по созданию действующего образца модульного гелиоколлектора включает ряд этапов, среди которых основными являются следующие. На первом этапе предполагается провести скрининг и сделать обоснованный выбор наиболее эффективного абсорбента солнечной энергии, либо составить их эффективную комбинацию. Параллельно будет осуществляться скрининг и подбор наиболее эффективного теплоизолятора из наиболее экономичных отечественных материалов. Оценку экономичности и эффективности системы отвода тепла от гелиоколлектора предполагается провести в экспериментальных условиях.
На втором этапе будет осуществлена разработка эффективной конструкции модулей и проведены тестовые замеры теплоотдачи с необходимым числом повторностей для получения репрезентативных данных о воспроизводимости эффекта. На основе результатов испытаний будет завершена сборка комплекса и тестирование модульных стендов в полевых условиях для фиксации эффективности работы гелиоколлектора в контрастных сезонных условиях окружающей среды для комплексной оценки эффективности модели.
В ближайшей перспективе запланирован пакет работ, связанный с созданием интернет-ресурса для мониторинга всего процесса разработки и апробации устройства с отражением результатов каждого этапа в графической и табличной форме. Участие школьников в этой работе позволит им разрабатывать и апробировать собственные креативные идеи, повышая не только качество своих знаний в различных областях современного знания (физика, термодинамика, экология, техническое творчество), но и самооценку вследствие осознания причастности к интересной, полезной и перспективной работе.
В дальнейшем предполагается продолжить экологизацию модели солнечного коллектора за счёт использования в конструкции не алюминиевых модулей, а лома алюминиевых банок в рамках концепции рециклизации цветных металлов и повышения экономичности и эффективности установки. Экологический аспект проблемы заключается в создании действующей модели аккумулятора возобновляемой энергии (гелиоколлектора), экономичность и конструкционная доступность которого откроет перспективы для массового производства и использования устройства в целях повышения комфортности городской среды. Проблема имеет также духовно-нравственное и образовательно-воспитательное измерение, поскольку участие в её решении развивает интеллектуальный потенциал школьников и направляет их энергию в русло созидательной социально одобряемой деятельности. Конечный результат ориентирован на такие целевые социальные группы, как жители микрорайонов города, социальные предприниматели, участники социально ориентированных НКО, а также дети и подростки, объединяемые конструктивной общественной полезной деятельностью в рамках школы, авторитет которой при этом возрастает как с точки зрения общественности, так и в глазах учеников.
Список литературы
1. Андрющенко А.И. Современные проблемы теплоснабжения городов и рациональные пути их решения // Вестник СГТУ. 2005. №3(8). С. 110–115.
2. Гришков А.В., Логинов А.А. Эффективность использования топлива при работе малых ТЭЦ // Вестник МГСУ. – 2011. – №7. – С. 402–405.
3. Касимова Н.С., Степанова О.А., Ермоленко М.В. Перспективы солнечной энергетики // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3-1.; URL:http://eduherald.ru/ru/article/view?id=14696 (дата обращения: 22.03.2018).
4. Нуретдинова А.Х. перспективы развития солнечной энергетики и их изучение в вузе // Инновационная наука. 2016. – №4. – С. 178–180.
5. Теличенко В.И., Большеротов А.Л. Классификация уровней безопасности и качественного состояния экосистем. Ч. 1. Естественные экосистемы // Промышленное и гражданское строительство. – 2010. – № 12. – С. 52–54.
6. Хаванов П.А. Развитие, перспективы и состояние децентрализованных систем теплоснабжения в РФ // Вестник МГСУ. – 2012. – № 11. – С. 219–226.
7. Шаламов С.Г. Упрощённый тепловой расчет солнечного коллектора. М-лы сайта arsolar.ru.
[Электронный ресурс] / http://arsolar.ru/uproshyonnyj-teplovoj-raschet-solnechnogo-kollektora (дата обращения: 22.03.2018).
