Российские и китайские ученые создали новый солнечный воздушный коллектор, способный стабильно отапливать помещения ночью

Статья о научно-исследовательской и конструкторской работе опубликована в журнале Applied Energy. Новизна коллектора заключается в том, что он разработан на основе композитного аккумулятора тепла, который изготавливается сплавлением материала с фазовым переходом и медной пены.

«У нового коллектора, по сравнению с коллектором без использования медной пены, теплопроводность увеличилась более чем в два раза. Он на полчаса быстрее перешел в режим накопления тепла, период накопления оказался короче, объем накопленного тепла — значительно больше, температура нагрева — выше. Другими словами, улучшилась теплоаккумулирующая способность устройства. Это позволило ему выделять большее количество тепловой энергии в ночное время, то есть повысилась эффективность теплоотдачи. При этом время тепловыделения сократилось на 20 процентов, а снижение температуры воздуха на выходе из коллектора составило до 10 процентов», — комментирует Владимир Алехин, заведующий кафедрой систем автоматизированного проектирования объектов строительства Института строительства и архитектуры УрФУ, руководитель исследований с российской стороны, соавтор статьи.

Благодаря улучшениям распространение тепла в помещении стало равномернее, уменьшился диапазон колебаний температуры в помещении, находиться в нем стало комфортнее. А запас тепла, сохраняющегося в коллекторе, увеличился, поэтому его остывание происходило медленнее. Таким образом, новый коллектор экономичнее своих предшественников.

Новый солнечный воздушный коллектор успешно прошел испытания на территории Китая, при температурах от -15 до +5 градусов. Испытания показали: если предыдущие мировые исследования были сосредоточены на одном-двух факторах эффективности солнечных воздушных коллекторов, то группе российских и китайских ученых удалось улучшить целый комплекс параметров.

Конструкция «классических» солнечных воздушных коллекторов, которые устанавливаются на внешних стенах зданий, включает прозрачные стеклянные крышки, солнечные теплопоглощающие панели, изоляционные слои и металлические оболочки. Солнечные поглотители являются основными компонентами, которые преобразуют световую энергию в тепловую, а затем используют воздушную среду для передачи тепла в помещение.

«Из-за прерывистости солнечной энергии традиционные солнечные воздушные коллекторы не могут обеспечить отопление в ночное время. Наука решает эту проблему, разрабатывая модели солнечных воздушных коллекторов с использованием материалов фазового перехода. Они обеспечивают повышенную скорость и плотность накопления энергии, ее сохранение внутри коллектора и, таким образом, способствуют уменьшению колебаний температуры и повышению теплового комфорта в помещении», — поясняет Владимир Алехин.

Однако у солнечных коллекторов из материалов с фазовым переходом есть свои недостатки: низкая теплопроводность таких материалов снижает эффективность хранения тепла в коллекторе. Это влияет на тепловые характеристики коллекторов и повышает требования к комплексному отоплению для пользователей зданий. Чтобы улучшить теплопроводность, исследователи разных стран сочетают материалы с фазовым переходом и пенометаллы, в частности, пористую и легкую медную пену, которая известна своей высокой теплопроводностью.

Сельская местность отличается низкой плотностью населения и рассредоточенностью жилых строений, поэтому зачастую она непригодна для установки систем центрального отопления. По этой причине сельские жители до сих пор пользуются печами и каминами, древесным углем. Эти традиционные методы обогрева жилья малоэффективны и вызывают серьезное загрязнение окружающей среды. По прогнозам ООН, к 2030 году выбросы углекислого газа из таких зданий достигнут примерно 30 процентов от общемировых.

Поэтому чрезвычайно важны дальнейшие разработки солнечных воздушных коллекторов, которые используют экологически чистую энергию. Основные достоинства таких коллекторов — простота устройства, эксплуатации, высокая эффективность, морозостойкость и надежность. 

УрФУ

81 статей

Уральский федеральный университет (УрФУ) расположен в Екатеринбурге, выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ). В УрФУ обучается более 36 000 студентов по 334 образовательным программам. Основан 19 октября 1920 года.

Показать больше