Исследователи из Университета Республики в Уругвае совместно с коллегами из аргентинского Института исследований нетрадиционной энергетики разработали пилотную солнечную установку, в которой тепло для промышленных предприятий предлагается накапливать в бетонном аккумуляторе. Система рассчитана на получение тепла при температуре 100-150 °C и номинальную тепловую мощность около 10 кВт. Накопитель объемом 2,73 м³ должен запасать энергию, полученную от солнца, и отдавать ее в периоды, когда солнечного излучения недостаточно.
Промышленным предприятиям требуется не только электричество, но и большое количество тепла, например, для нагрева сырья, воды и производства пара. В пищевой, химической промышленности и других отраслях многие процессы проходят при температурах 100-200 °C, а необходимое для них тепло по-прежнему часто получают за счет сжигания ископаемого топлива. Солнечные тепловые установки позволяют частично заменить его, однако возникает та же проблема, что и в солнечной электроэнергетике: производство энергии зависит от погоды и времени суток.
Для получения тепла разработчики выбрали составные параболические концентраторы CPC. Они состоят из вакуумных трубок и изогнутых металлических отражателей, которые направляют на трубки дополнительное солнечное излучение. В отличие от более сложных солнечных концентраторов, CPC не требуют системы постоянного слежения за движением солнца. Внутри установки циркулирует смесь воды и 30% пропиленгликоля: при прохождении через коллекторы она должна нагреваться примерно с 135 до 160 °C. Полное поле будет состоять из шести модулей общей площадью около 24 м².
Полученное тепло можно сразу направлять потребителю либо запасать в бетонном аккумуляторе. Он представляет собой массивный бетонный блок, внутри которого проложены стальные трубы. Во время зарядки по ним проходит горячий теплоноситель и нагревает окружающий бетон. Когда солнечной энергии недостаточно, более холодная жидкость вновь пропускается через трубы, забирает накопленное бетоном тепло и переносит его к потребителю. Таким образом, бетон выполняет роль тепловой батареи, позволяя разделить во времени получение солнечной энергии и ее использование.
В разработанной конструкции используется 2,73 м³ бетона, внутри которого расположены две параллельные стальные трубы длиной по 107,6 метров. Накопитель разделен на пять секций, между которыми находится 50-миллиметровый слой теплоизоляции. Такое устройство помогает сохранить температурное расслоение: одна часть накопителя может оставаться горячей, пока другая еще нагревается. Снаружи предусмотрено 300 мм теплоизоляции. По расчетам исследователей, полностью нагретый накопитель сможет сохранять температуру выше 135 °C примерно в течение недели даже в зимних условиях.
Моделирование показало, что за три часа зарядки накопитель достигает 66,6% своей максимальной емкости. В начале процесса бетон принимает тепло с мощностью около 10 кВт, однако по мере его нагрева скорость передачи энергии снижается и через три часа составляет около 6 кВт. Средняя мощность зарядки за этот период достигла 8,37 кВт. Это происходит потому, что по мере прогрева бетона уменьшается разница температур между ним и циркулирующей по трубам жидкостью.
Отдельно ученые подбирали состав бетона, способный лучше проводить тепло. Максимальная измеренная теплопроводность достигла 2,65 Вт/(м·К). При этом добавление металлических волокон, которое первоначально должно было улучшить передачу тепла, ожидаемого эффекта не дало и, вероятно, увеличило пористость материала. Авторы подчеркивают, что эти измерения пока предварительные и требуют дополнительной проверки.
Первый солнечный коллектор площадью 3,9 м² уже изготовили и испытали. Его пиковая эффективность составила 33,5% вместо ожидаемых 48-50%. При этом тепловые потери оказались близки к расчетным, поэтому исследователи связывают основную часть расхождения с отражателями, точностью их установки и особенностями сборки коллектора. Сейчас команда создает второй прототип, в котором эти недостатки планируется устранить.
В дальнейшем исследователи намерены собрать полную установку с солнечным полем площадью около 24 м² и бетонным накопителем и проверить ее в реальных условиях. После этого предстоит оценить стоимость получаемого тепла и экономическую целесообразность технологии. Если испытания подтвердят расчеты, подобные системы позволят предприятиям стабильнее использовать солнечное тепло для производственных процессов и сократить потребление ископаемого топлива.
