Аккумулятор TROJAN L16P-AC
Индийские учёные создали прототип солнечного теплового гейзера на основе нихромового нагревательного стержня и гибкого трубчатого теплообменника с алюминиевыми рёбрами. Система предназначена для нагрева воды для бытовых нужд и, как сообщается, может обеспечить себестоимость электроэнергии на уровне 0,051 доллара за киловатт-час.
Группа исследователей из Национального технологического института Индии и Национального института солнечной энергии разработала термический солнечный гейзер (TSG) на солнечных батареях, который позволяет в дневное время заряжать термальное масло, преобразуя электроэнергию в тепло с помощью нагревательного элемента из нихромовой проволоки.
«Наш TSF обеспечивает стабильную работу и надёжную подачу горячей воды даже в периоды низкой солнечной активности благодаря своей способности накапливать тепло и интеграции с солнечными фотоэлектрическими элементами, — рассказал ведущий автор исследования Динеш Кумар Саини журналу pv magazine. — Он также обеспечивает долгий срок службы, требует меньше обслуживания и позволяет эффективно сохранять тепло и надёжно подавать горячую воду в периоды низкой солнечной активности и в ночное время.»
Система TSG оснащена нагревательным элементом из нихромовой проволоки с алюминиевыми рёбрами, прикреплёнными к радиальному теплообменнику, и круглым теплообменником, изготовленным из гибких труб из нержавеющей стали и алюминиевых рёбер. В качестве теплоносителя используется 450 л термомасла Therminol VP, которое отличается высокой температурной стабильностью и эффективностью при использовании солнечной энергии.
В предлагаемой конфигурации системы кольцевой теплообменник способствует эффективной передаче тепла от теплоносителя к поступающей холодной воде, обеспечивая подачу горячей воды на выходе. Цилиндрический нагревательный стержень состоит из керамической пластины, нихромовой проволоки, алюминиевых рёбер и мелкого песка. Нихромовая проволока представляет собой нагревательный элемент из никель-хромового сплава.
Экспериментальная установка включала в себя шесть поликристаллических солнечных панелей мощностью 300 Вт от индийского производителя PV Power Tech, нагревательный стержень, ребро, трубчатый теплообменник, TSG, пиранометр, термопары, регистратор данных и анализатор мощности.
«Проволока намотана на керамическую пластину по спирали и расположена по центру стержня, — объяснили учёные. — Мелкий песок заполняет стержень, эффективно предотвращая прямой контакт между нихромовой проволокой и термомаслом, тем самым исключая риск испарения масла. Нихромовая проволока преобразует электрическую энергию от фотоэлектрических панелей в тепловую энергию, которая накапливается и передаётся мелким песком в Therminol VP1 через алюминиевые рёбра, прикреплённые к поверхности нагревательного стержня».
Ученые оценили производительность при ежедневном потреблении 240 л горячей воды в течение двух дней подряд при постоянном расходе 1 литр в минуту (л/мин) при трех реалистичных сценариях бытового использования: 80 л (трижды в день), 120 л (дважды в день) и 240 л (один раз в день).
Анализ показал, что поведение системы при зарядке может значительно меняться в зависимости от интенсивности солнечного излучения, при этом при высоком уровне излучения увеличивается потребление тепловой энергии. Напротив, при низком уровне излучения нагрев происходит медленнее, а продолжительность зарядки увеличивается. Также было показано, что в течение четырёх дней зарядки средняя температура термомасла повысилась с 32,67 °C до 101,83 °C, а средняя эффективность зарядки фотоэлектрических панелей, TSG и всей системы составила 12,32 %, 89,69 % и 11,05 % соответственно.
«В течение 12-часовой работы при расходе 1 л/мин температура термомасла снизилась с 103,63 °C до 48,39 °C, что позволило успешно нагреть 720 л воды со средним повышением температуры на 16,4 °C между входом и выходом», — объяснил Кумар Саини, отметив, что система также смогла нагревать 240 л воды ежедневно в течение двух дней подряд, обеспечивая надёжную подачу горячей воды для бытовых нужд. «Он также продемонстрировал эффективное сохранение тепла в течение ночи при различных условиях эксплуатации, при этом эффективность сохранения тепла составила 94,15 %, 93,84 % и 86,68 % при расходе 80 л, 120 л и 240 л горячей воды соответственно».
Дальнейший технико-экономический анализ показал, что система является рентабельной при первоначальных капитальных затратах в размере 1373,39 долларов США, ожидаемом сроке службы 25 лет и расчётной удельной стоимости электроэнергии (LCOE) в размере 0,051 доллара США за кВт·ч. «Предполагаемый срок окупаемости составляет 5,24 года, что подтверждает его экономическую эффективность при использовании для нагрева горячей воды в быту», — заявил Кумар Саини. «За время эксплуатации система TSG сокращает выбросы CO₂ на 104 тонны, а чистые выбросы сокращаются на 77,92 тонны, что подчёркивает её экологическую пользу и вклад в сокращение выбросов углерода».
Система была описана в исследовании «Разработка и оценка эффективности фотоэлектрического солнечного водонагревателя для нагрева воды в быту», опубликованном в журнале «Прогресс в области тепловых наук и инженерии».