Какие теплоносители используются в солнечных тепловых системах Demax?

Основные варианты теплоносителей для солнечных тепловых систем Demax

Вода: оптимальный выбор для низкотемпературных, работающих под давлением установок Demax

Для солнечных тепловых систем, работающих при температурах ниже 100 °C, вода остаётся одним из наиболее экономичных и эффективных доступных теплоносителей. Преимущественные свойства воды обусловлены её относительно высокой удельной теплоёмкостью (примерно 4,18 кДж на кг·К), а также низкими требованиями к мощности насоса. При охлаждении с использованием герметичной системы Demax вода является идеальным выбором, поскольку она не закипает, безопасна и экологически безвредна. Однако вода замерзает при 0 °C, поэтому такие системы могут эксплуатироваться только в районах, свободных от заморозков. В случае риска замерзания из-за зимних условий технический персонал обязан полностью слить воду, чтобы предотвратить повреждение оборудования. Данные по эффективности, полученные в континентальных средиземноморских домах, показали, что в 2023 году Европейская федерация солнечной тепловой промышленности (ESTIF) подтвердила сезонный КПД установок на водяной основе на уровне около 60 %.

Решения, ориентированные на безопасность и защиту от замерзания

Что касается защиты от замерзания, смеси пропиленгликоля и воды демонстрируют высокий потенциал. Они сохраняют работоспособность при температурах до минус 30 градусов Цельсия и представляют меньшую опасность по сравнению с другими доступными вариантами, в которых используется этиленгликоль и которые могут быть опасны при утечке. Эти смеси также предотвращают коррозию, если системы спроектированы и собраны в соответствии с надлежащими рекомендациями — например, с применением нержавеющей стали и некоторых других видов пластика. С другой стороны, смеси пропиленгликоля и воды могут быть на 30–50 % более вязкими, чем вода, при температуре 20 °C, поэтому насосам приходится выполнять значительно большую работу. Однако благодаря отличной работе при низких температурах такие смеси являются основным теплоносителем в большинстве регионов Северной Америки и Северной Европы. В последнее время производителям удалось добиться улучшения за счёт добавления в жидкости специальных запатентованных химических компонентов, снижающих скорость деградации жидкости. При испытании жидкостей в замкнутых системах Demax в соответствии с установленными отраслевыми стандартами ожидаемый срок службы жидкостей составляет 5–7 лет.

Термически стабильные силиконовые жидкости и воздух: специализированные применения в солнечных тепловых системах без давления и при повышенных температурах

Силиконовые жидкости для теплообмена — единственные жидкости, которые сохраняют работоспособность в течение длительного времени в незамкнутых (открытых) солнечных тепловых системах концентрированного типа без создания избыточного давления, функционирующих при повышенных температурах в диапазоне от 200 до 400 °C. Силиконовые жидкости также обладают необходимой способностью к теплообмену для применения в высокотемпературном диапазоне в концентрированных солнечных тепловых системах. Однако теплоносители не используются в системах, где рабочей средой является воздух. В сочетании с незамкнутыми (открытыми) системами воздух обеспечивает надёжность эксплуатации и удобство технического обслуживания в солнечных тепловых системах без создания избыточного давления. Доля таких специализированных жидкостей, даже при оптимизации их применения, составляет менее 15 процентов от общего мирового объёма солнечных тепловых установок.

Это число взято из самого свежего анализа рынка, проведённого Международным энергетическим агентством в рамках инициативы SolarPACES 2024 года.

Ключевые критерии отбора теплоносителей для солнечных термальных систем

Термическая стабильность и устойчивость к деградации

При использовании теплоносителей (ТН) в солнечных тепловых системах от них требуется химическая стабильность на протяжении длительного времени, поскольку в некоторых случаях им приходится находиться при температуре около 200 °C в течение продолжительных периодов (даже лет). При химической нестабильности теплоносителей возникают негативные последствия для всей системы, включая снижение её тепловой эффективности. В ряде задокументированных случаев за пятилетний период наблюдалось снижение тепловой эффективности теплоносителей на 22 %. Это часто обусловлено повышением вязкости вследствие окисления жидкости и последующего образования шлама. Такие условия также приводят к увеличению затрат на техническое обслуживание и снижению эффективности теплообменников. Хотя ингибиторы окисления могут частично устранить вышеупомянутые проблемы, необходимо уделять значительно больше внимания совместимости теплоносителя с материалами системы в долгосрочной перспективе. Материалы системы — такие как медь и алюминий, а также резина в уплотнениях некоторых клапанов — со временем могут вступать в различные химические реакции с теплоносителем. В частности, в герметичных системах Demax скорость коррозии, по оценкам, примерно на 30 % выше при использовании стабильных теплоносителей по сравнению с нестабильными.

Этот тип износа не просто сокращает срок службы оборудования. Он также существенно увеличивает бюджеты на техническое обслуживание в долгосрочной перспективе.

Выбор теплоносителя в зависимости от климатических зон на рынке солнечных тепловых систем в Северной Америке и Европе

Выбор теплоносителя должен строго соответствовать климатическим экстремумам в регионе установки.

1. Северные страны и Центральная Европа: защита должна обеспечиваться до –30 °C. Для этой цели смесь пропиленгликоля и воды в соотношении 50:50 является де-факто стандартом для развертывания систем Demax в холодном климате, поскольку она сохраняет более 85 % эффективности теплопередачи воды.

2. Средиземноморский регион и юго-западные штаты США: температуры застоя регулярно превышают 300 °C. Следовательно, при таких температурах застоя требуется высокая термостойкость в сочетании с низким давлением паров. В этом отношении силиконы превосходят гликоли, поскольку их давление паров на пиковых рабочих температурах на 40 % ниже, чем у гликолей, что снижает частоту срабатывания предохранительных клапанов и, как следствие, потери жидкости.

3. Северо-восточные штаты США как пример гибридного климата: необходима конструкция с двойной защитой. Современные гидроуглеродные пены способны сохранять текучесть при температурах ниже –25 °C и выдерживать термическое разложение при температурах до 290 °C. Это обеспечивает безопасность эксплуатации в течение всего года без потери эффективности.

Хотя их применение повышает вязкость на 12–15 %, что приводит к увеличению усилия, необходимого для перекачки, и требует увеличения диаметра рабочего цилиндра насоса, наблюдается тенденция к использованию более термостойких жидкостей, несмотря на дополнительные ограничения в плане безопасности, которые они накладывают.

Сравнение показателей эффективности, безопасности и совместимости с системой в солнечных тепловых приложениях

Термофизические компромиссы, связанные с удельной теплоёмкостью, вязкостью и затратами энергии на перекачку при течении жидкости в контексте солнечного теплового выхода

Общая тепловая эффективность каждой жидкости анализировалась в отношении трёх её физико-химических характеристик: способности жидкости аккумулировать тепловую энергию (удельная теплоёмкость), толщины жидкости (вязкость) и термического разложения жидкости (тепловая стабильность). Вода является превосходным поглотителем тепловой энергии (удельная теплоёмкость составляет приблизительно 4,18 кДж на кг на градус К). Однако при использовании воды в таких системах возникают проблемы, поскольку температуры могут опускаться ниже точки замерзания. В этих случаях необходимо применять смеси гликоля, хотя такие жидкости на 30–50 % более вязки, чем вода. Это дополнительное вязкостное сопротивление требует от насосов совершать большую работу, что обычно приводит к увеличению потребления энергии на 15–30 % в крупных промышленных системах и снижению чистого количества собранной солнечной энергии. Хотя кремнийорганические жидкости становятся менее вязкими при нагреве, их удельная теплоёмкость ограничена диапазоном 1,5–1,8 кДж. Следовательно, оператору, использующему кремнийорганические жидкости, придётся обеспечивать расход жидкости в два раза больший по сравнению с расходом, необходимым при использовании воды. Такое управление потоком жидкости увеличивает потребность в более мощных насосах, повышает расходы на электроэнергию и усиливает нагрузку на техническое обслуживание.

Было подтверждено в ходе реальных испытаний на солнечных электростанциях с параболическими желобами, что несоответствие теплоносителей и насосов со временем может снизить тепловую отдачу на 12–18 процентов. Существенно, что низкокачественные теплоносители быстрее разрушаются и уже через 5 лет могут увеличить свою вязкость на 50–80 процентов, что негативно сказывается на расходе. Следовательно, инженеры должны тщательно оценивать любой новый теплоноситель совместно со всеми компонентами системы, с которыми он будет контактировать, включая расширительные баки, клапаны и, в особенности, паяные пластинчатые теплообменники.

Часто задаваемые вопросы

Какова основная польза использования воды в качестве теплоносителя в системах Demax?

Вода эффективнее переносит тепло, поскольку её удельная теплоёмкость выше, чем у других жидкостей. Её применение при низких температурах в районах, свободных от заморозков, а также низкие потери энергии на перекачку делают её чрезвычайно предпочтительным теплоносителем.

Каковы преимущества использования смесей пропиленгликоля и воды в холодном климате?

Эти смеси более вязкие, чем вода, и безопаснее вариантов на основе этиленгликоля. Они являются предпочтительным выбором в холодных регионах благодаря своей устойчивости к низким температурам и повышенной вязкости, особенно в Северной Америке и Северной Европе.

Какие характеристики силиконовых жидкостей позволяют использовать их в высокотемпературных применениях?

Силиконовые жидкости обладают выдающейся термостойкостью, что позволяет применять их в высокотемпературных системах, например, в концентрированных солнечных тепловых установках. Кроме того, силиконовые жидкости имеют низкое давление паров, что минимизирует вероятность срабатывания предохранительных клапанов при пиковых температурах.

Какие последствия оказывают критерии отбора на климат региона при выборе теплоносителя?

Для обеспечения максимальной надёжности и эффективности системы в холодных регионах следует использовать теплоносители с защитой от замерзания, а в жарких регионах — теплоносители с высокой термостойкостью.