29 дек. 2009 г.

Холодильники и кондиционеры на солнечной энергии

От автора сайта: Этим постом мы завершаем первую серию публикаций статей Татаурова Олега Леонидовича - инженера-разработчика и изготовителя принципиально новых установок, работающих с использованием альтернативных источников энергии. Надеюсь, что наше сотрудничество оказалось взаимовыгодным, и в будущем читатели еще не раз познакомятся с наработками Олега Леонидовича.


Ранее опубликованные статьи из этой серии:

1. О целесообразности использования индивидуальных установок альтернативной энергии (АЭ)
2. Солнечные опреснители и оросительные системы
3. Альтернативная энергетика для малых предприятий

Холодильники и кондиционеры на солнечной энергии

На широтах менее 45 град. огромное количество электроэнергии затрачивается на производство холода. На тех же широтах энергия Солнца выдаёт за день до 6 кВт/час энергии на 1 м. кв. Для сравнения типовой домашний холодильник потребляет порядка 1 кВт/часа электроэнергии в сутки, а стандартный комнатный кондиционер за сутки потребляет порядка 8 кВт/часа. В общем то есть смысл подумать, как использовать бесплатную Солнечную энергию для получения холода и тем самым сократить свои расходы на электроэнергию.


Идея использовать солнечные батареи для работы холодильника, является заведомо убыточной. Низкий КПД, регулярная смена аккумуляторов, естественное старение кремния и высокая стоимость, любой холодильник сделают убыточным. Что касается солнечных холодильных абсорбционных установок на бромиде лития, то они достаточно неплохо себя зарекомендовали, в том числе и в качестве кондиционеров. Производство таких установок
может быть освоено достаточно небольшим производственным предприятием с небольшими финансовыми затратами. Температура Т = 85...90 град. необходимая для работы бромисто-литиевых установок может быть получена обычным вакуумным плоским солнечным коллектором. Водоаммиачные абсорбционные холодильные установки, гораздо более эффективные, однако для их работы нужна температура порядка Т = 180...200 град.

Разумеется, что такая температура может быть достигнута только лишь с применением солнечного концентратора энергии. Если речь идёт о солнечном рефлекторе, то необходимо решить вопрос и системе слежения за солнцем. В стандартном варианте, система слежения и рефлектор являются достаточно дорогостоящими изделиями, однако на самом деле это не так.

На рис.1 приведён пример того, как индийские изобретатели сооружают из сподручных материалов форму близкую к параболе. Затем поливают эту форму жидкой глиной и доводят её до параболической формы при помощи шаблона. После высыхания глины, поверхность оклеивают пищевой фольгой и бесплатный солнечный концентратор готов! Помещённая в фокус закопчённая медная трубка позволяет нагревать теплоноситель до 300 град.

Рис. 1

Очень неплохие солнечные концентраторы можно делать и из телевизионных «тарелок» (рис.2) и из обычных небольших зеркал наклеенных на поверхность параболической формы. Так что с концентраторами проблем нет. Кстати, если в фокус полутораметровой «тарелки» поместить литровый чайник, то вода в нём закипает за 8 минут. Создание солнечной кухни это тоже очень перспективное направление, однако, это уже совсем другая тема.

Рис. 2

Система слежения за солнцем может быть также очень дешевой, если она будет пассивной. То есть рефлектор будет поворачиваться по времени за Солнцем с той же угловой скоростью, что в условиях сегодняшней электроники реализуется элементарно просто и очень дёшево.

В любом случае надо стремиться к созданию холодильных установок с участием солнечных концентраторов ибо, чем больше будет разница температур, тем выше КПД, тем более экономичной будет установка в целом. Подвод тепловой солнечной энергии может осуществляться при помощи тепловых трубок или теплоносителя. Впрочем, некоторые изобретатели для подвода солнечной энергии используют световоды. Идея эта сверх перспективная, однако, она над ней нужно ещё основательно поработать.

Простейшие холодильники на солнечной энергии можно изготавливать из стандартных абсорбционных холодильников путём замены электронагревателя на солнечную подводку.
Если холод нужен постоянно, а Солнце постоянно не светит, то нагреватель следует дополнить и другими альтернативными источниками энергии. Это может быть ветер, река или морская волна. Как резерв можно использовать и каталитические обогреватели, работающие на газе или бензине. В каталитических обогревателях происходит беспламенное горение топлива. Абсорбционный холодильник объёмом в 40 литров при каталитическом обогревателе будет потреблять 8-10 грамм бензина в час. Такие холодильники могли бы найти спрос у автомобилистов и поставщиков продуктов питания. Существующие «сумки-холодильники» на элементах Пельтье, работают от автомобильного аккумулятора, а фактически потребляют тот же бензин, только в гораздо большем количестве.

Следует заметить, что абсорбционные водоаммиачные холодильники, выпущенные 50 лет назад, продолжают работать и по сей день и ломаться не собираются, что говорит об их сверхвысокой надёжности. Стало быть, если нужно иметь постоянно охлаждаемое помещение, то такую установку можно один раз изготовить и надолго про неё забыть.

На рис.3 изображён 40-литровый бытовой абсорбционный холодильник, переделанный на альтернативные источники энергии. Холодильник будет работать, если будет оставаться хоть один источник энергии. Для хозяйства, такого объёма явно маловато, но в качестве демонстрационного или лабораторного образца, этого объёма вполне достаточно.

 
Рис. 3

Компрессионные холодильные установки по сравнению с абсорбционными, являются более экономичными и более эффективными. В простейшем варианте для перевода холодильного компрессора на альтернативную энергию может быть использован пневмо или гидродвигатель, который в свою очередь будет работать от суммарной энергии Солнца, ветра, реки и т. п.

На рис 4, 5, 6 изображены соответственно: низкооборотный холодильный компрессор, автомобильный компрессор и пневмо (гидродвигатель) из которых достаточно несложно изготовить холодильную установку.

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Для того чтобы изготовить, например, кондиционер на альтернативной энергии, можно применить готовый автомобильный кондиционер (рис.7). В качестве привода используется тот же гидро или пневмодвигатель (рис.6).

Рис. 7

Холодильник для рыбной продукции, с низкооборотным холодильным компрессором (рис.4) лучше изготавливать на плавучей морской платформе (рис.8). Здесь ветер, Солнце и морская зыбь, являются дополнительными источниками энергии, которые также используются для создания холода.

Рис. 8

Общим недостатком всех приведённых компрессионных схем является то, что сначала мы альтернативную энергию преобразуем во вращение, а в компрессоре вращение преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня (рис.9). На этом слишком много теряется энергии. Еще одним недостатком является то, что при нарушении уплотнения вала вращения компрессора, теряется его герметичность, а следовательно и его работоспособность.

Рис. 9

Альтернативную энергию значительно проще преобразовывать в возвратно-поступательное движение при помощи мембранного привода. Мембраны PTFE (рис.10), изготовленные на основе NEOPREN или EPDM, работают в широком диапазоне температур и могут быть использованы как в мембранном пневмоприводе, так и во фреоновом контуре холодильного компрессора. Мембраны могут совершать миллионы циклов, так что на наш век хватит.

Рис. 10

Главное преимущество мембранного привода заключается в том, что у него нет утечек, у него нет уплотнения и ему не нужна смазка. Он работает по принципу «Сделал и забыл».
Корпус мембранного устройства при серийном производстве делается методом штамповки с невысокой степенью точности. Так что штампованный корпус получится не намного дороже консервной банки. Он может быть также изготовлен и из полимерных материалов, которые не боятся коррозии.

Все вышеизложенные разработки, являются установками с гарантированной работоспособностью, поскольку они изготавливаются на базе отработанных серийных агрегатов. Однако это лишь очень малая часть холодильных установок, которые могут быть предложены к производству. Для изобретателей и инженеров, холодильная техника на альтернативных источниках энергии, это богатейшее поле для творчества. Холодильная компрессионная машина преобразует механическую энергию в разность температур/

Холодильная машина, сделанная «наоборот» позволяет разность температур преобразовать в механическую энергию, то есть на её базе можно изготавливать низкопотенциальные тепловые двигатели, которые в свою очередь могут быть использованы для утилизации избыточного тепла или для работы от геотермальных источников энергии. Помимо абсорбционных и компрессионных способов охлаждения есть и другие очень интересные направления. Так что для изобретателей и инженеров, это неисчерпаемый объём работы.

В заключение приведу несколько общих рекомендаций, позволяющих делать установки альтернативной энергии рентабельными и конкурентоспособными.

1. Индивидуальные установки альтернативной энергии, работающие на производство электроэнергии, в подавляющем большинстве случаев является убыточными, поэтому
альтернативная энергия должна быть направлена не на производство электроэнергии, а на сокращение её потребления.

2. Установки альтернативной энергии должны работать на производство конкретного продукта: тепло, холод, пресная вода, водород, продукты питания и. т. д.

3. Установки нужно стараться изготавливать из стандартных узлов и деталей машиностроительного производства, что позволит их сделать максимально дешёвыми и доступными для самых широких слоёв населения.

4. Наиболее перспективными являются гибридные установки, в которых различные источники альтернативной энергии сначала суммируются, а затем направляются на общую нагрузку.

* Все установки, описанные в данной статье, являются действующими.
* Статья ориентирована на читателей, заинтересованных в налаживании производства данных установок на своём предприятии.


Март 2009 год. Москва.

Про автора: Татауров Олег Леонидович 1953 г. р. Окончил МВТУ им. Баумана в 1977 г. Инженер-механик. В Советское время работал в оборонных отраслях, в том числе около 10 лет отработал на полигоне Сары-Шаган в Казахстане (ракетная техника). В совершенстве владет вопросами конструирования сложной техники, а также вопросами по её производству и проведению испытаний. Контактный адрес электронной почты: alamaton@mail.ru

Комментариев нет: