Практичното Слънце

Автор: Владислава Георгиева

Вероятно всеки един от нас може бързо и без замисляне да посочи поне 10 начина за използване на слънчева енергия. От обичайното приложение в бита – за сушене и естествено осветление, до по-модерните варианти –  производство на енергия.

Ако погледнем на Слънцето като източник на енергия, практически то е неизчерпаемо или поне няма научна причина да се смята, че неговите свойства ще намалеят или ще се променят. Слънцето е високо потенциален източник на енергия и като казваме „високо потенциален източник“ се има предвид, от една страна  – многофункционалност по отношение приложимост, а от друга страна –  значителен енергиен запас.

Слънчевата енергия е лъчиста енергия, произведена в Слънцето като резултат от реакцията на ядрен синтез. Слънчевото лъчение, което достига земната орбита е от порядъка на 1380W/m² (т.н. постоянна слънчева константа). Част от слънчевото лъчение се губи при преминаването му през земната атмосфера, като в ясен и слънчев ден на земната повърхност попадат 1000W/m^2[1]. Това прави Слънцето най-големият енергиен източник, чиято енергия се ползва от незапомнени времена и на него дължим живота на планетата ни. Годишно планетата ни получава около 10¹⁵ kWh енергия, което е в пъти повече от енергията, съдържаща се в цялото количество органични горива (въглища, нефт и природен газ)  в недрата й.

Слънцето и получената от него енергия се асоциират с топлина, а след бумът на фотоволтаичните системи, през последните години, и с електрическа енергия.

Използването на слънчева енергия за охлаждане е по-непопулярно приложение, което се развива и макар и бавно намира своят пазарен дял. Докато до преди няколко години производството на енергия за охлаждане чрез използване на слънчева енергия стоеше под заглавия за научни разработки, проекти и тестово изпитване, то в момента тези съоръжения вече са се развили, като се предлагат различни технологични решения, осигуряващи необходимия капацитет за климатизиране на частни домове и обществени сгради. Разработените технологии позволяват използването, както на слънчева енергия, така и на геотермална и отпадна топлина.

Производството на енергия за охлаждане чрез използването на преобразуващи съоръжения се основава на принципа на сорбцията – абсорбция и адсорбция.

Повечето от нас са виждали хладилник „Мраз“, но едва ли са се замисляли какъв е принципът на работа на малкия и безшумен производител на студ. Малкият абсорбционен хладилник използва двукомпонентна смес вода и амоняк в определено съотношение. Тези смеси имат свойството да се разделят при загряване в т.н. генератор. Лесно летливата компонента – амоняка, се изпарява от сместа, след което кондензира в кондензатора, където се отнема отделена топлина или с други думи се охлажда. Оттук нататък процесът с почти нищо не се различава от компресорната хладилна машина.

Преобладаващ дял от термично осъществяваните процеси за производство на студова енергия се основава на принципите на абсорбцията. Този тип системи са значително по-добре развити и анализирани и са намерили своето приложение за промишлени и сградни системи.

Значително по-нови и с по-малко практика са предлаганите технически решения използващи принципите на адсорбцията.

Преди да навлезем в практиката, вероятно би било добре да си припомним, кои процеси описва сорбцията и каква се случва при абсорбция и адсорбция.

Наименованието на тези процеси произлиза от латинската дума sorbeo – поглъщам. Към сорбционните процеси спадат процесите на поглъщане на газове, пари или разтворени вещества от течности и твърди тела. Тъй като се извършва поглъщане само на някои вещества от газови смеси, казваме, че сорбционните процеси са избирателни. Ако сорбираният газ не взаимодейства химически с течната или твърда фаза, която го поглъща, процесът се нарича физична сорбция. В противен случай се говори за химична сорбция (хемисорбция). Използват се за пречистване на газови смеси, въздух, разтвори и др. Обратният процес на отделяне на погълнатото вещество се нарича десорбция. От сорбционните процеси най-широко приложение имат абсорбционните, адсорбционните и йонообменът.

Какво е абсорбция?

Процесът абсорбция представлява поглъщане на газ или пари от течност и зависи от различната разтворимост на отделните газове в течности. Ако през вода се прекара смес от въздух и амоняк, амонякът ще се разтвори, а въздухът почти няма да се разтвори и по този начин газовата смес ще може да се раздели.

В практиката процесът абсорбция може да се представи така. Нека вземем газова смес, състояща се от компонентите А,В, и С и е необходимо да се отдели компонентът А. Трябва да се намери такава течност, която да разтваря силно само А, а в същото време В и С да не се разтварят. И накрая да се намери подходящ апарат, в който да се проведе процесът. В този случай А представлява поглъщаното (абсорбираното) вещество, а неабсорбираните компонентите В и С, тъй като не участват активно в процеса, се наричат инертни носители (газ-носители). Течността, която поглъща компонент А и го разтваря, се нарича абсорбент.

Абсорбцията е масообменен процес, тъй като веществото се пренася между две фази: от газова в течна фаза. Равновесието между фазите зависи от налягането, температурата и състава на фазите.

Какво е адсорбция?

Най-общо процесът адсорбция представлява задържане на частици на едно вещество върху повърхността на друго вещество.

Адсорбцията е процес на избирателно поглъщане от повърхността на твърди тела на един или няколко компонента на газова или течна фаза. Този процес се използва за разделяне на газови смеси или за извличане на разтворени вещества от техните разтвори. Практическото приложение на тези процеси е разнообразно – извличане на влагата от въздуха и други газове, както и от бензин, отделяне на вредни или, напротив ценни компоненти на газови смеси, очистване на газове, разделяне на фракции на газови смеси от въглеводороди или течни смеси от ароматни или парафинови въглеводороди, обезцветяване на петролни продукти и др.

Адсорбцията се основава на взаимодействието между частиците на поглъщаното вещество и повърхността на твърдото тяло, което се нарича адсорбент. Силите, които предизвикват това взаимодействие, са твърде различни.

Като масообменен процес адсорбцията е равновесен, т.е. обратим процес. Обратният процес, както и при абсорбцията, се нарича десорбция и се прилага за получаване на веществото в чист вид, а също и за регенериране на адсорбента. Десорбцията се провежда при повишена температура или понижаване на налягането.

Адсорбционните процеси са избирателни, т.е. всеки адсорбент има свойството да поглъща само определени вещества и да не поглъща други компоненти на сместа. При еднакви други условия първи се адсорбират газове и пари, които по-лесно се втечняват, а от разтвори в по-голяма степен се поглъщат по-слабо разтворимите вещества. Тъй като адсорбционният процес е екзотермичен, количеството адсорбирано вещество се увеличава с понижаване на температурата и повишаване на налягането.

Адсорбцията е незаменим процес за бързо и пълно поглъщане на ценни вещества, за сушене на газове, за очистване на продукти. Този процес е икономически по-изгоден от абсорбцията, когато целевият компонент в газовата фаза е с много ниска концентрация или трябва напълно да се улови. Недостатъците на адсорбционните методи са сравнително ниската ефективност на инсталациите, значителните разходи за регенериране и за запазване активността на адсорбента в хода на експлоатацията му, както и техническите и конструктивни трудности при осъществяване на непрекъснат процес.

Системи за подготовка на студена вода

При сорбционните хладилни машини за осъществяване на процеса в системата се подвежда топлина, а не механична енергия /получена от работата на компресора с  електрическа енергия/. Функционирането на абсорбционните хладилни машини се основава на физически процес, описани по-горе, с прилагането на бинарна система или два химически компонента. Единият функционира като работно тяло, наричано хладилен агент, а другият като сорбент. Най-често в практиката се прилага вода – като хладилен агент, а сорбентът е воден разтвор на литиев бромид /LiBr/. Принципът на действие на абсорбционните хладилни машини се основава на способността на абсорбента да поглъща водни пари с по-ниска температура от температурата на разтвора.

Охладителният ефект при абсорбционните хладилни машини се основава на изпарение на хладилния агент (вода) в изпарителя при много ниско налягане. Парите постъпват в абсорбера, където се абсорбират от наситения LiBr разтвор. Този процес е съпроводен с отделяне на топлина, която трябва да се отведе. Топлината на абсорбция се отвежда чрез охлаждащ агент – въздух или вода. От абсорбера разтворът принудително /чрез  помпа/ се подава и постъпва в генератора, където част от хладилния агент се изпарява и обеднява разтвора. За да има изпарение, процесът протича при по-високо налягане и с подвеждане на топлина (топла вода). Парите на хладилния агент напускат генератора и попадат в кондензатора, отново при високо налягане, където кондензират и отдават топлина. След кондензатора хладилният агент попада отново в изпарителя и процесът стартира отново. Функцията на „компресор“ се изпълнява от абсорбера и генератора, които често са наричани „топлинен компресор“.  Процесът е добре анализиран и обхванат в редица научни и учебни материали, което обуславя и неговото по –често приложение. Принципна схема е представена на Фиг.1.

 

Студоносителят за вътрешната инсталация се охлажда в ИЗПАРИТЕЛЯ, като отдава топлината си, чрез която, при ниско налягане, се изпарява хладилният агент – вода. Парите на хладилния агент постъпват в АБСОРБЕРА поради разликата в налягането. Концентрираният разтвор на LiBr абсорбира водата, като температурата нараства постепенно от отделената топлина при абсорбцията. Тази топлина се отвежда чрез охлаждащата вода. Ненаситеният/разреден LiBr разтвор се загрява предварително в топлообменик, като тази стъпка не е задължителна, след което се принудително, чрез помпата на разтвора, се подава в ГЕНЕРАТОРА, където се изпарява при високо налягане (~1atm). Парите на хладилния агент постъпват в КОНДЕНЗАТОРА при ниско налягане. Отделената при кондензацията топлина се предава на втори кръг чрез охлаждащата вода. Този втори кръг може да се използва за подготовка на топла вода за битови нужди. Налягането се намалява в дроселиращия вентил, след което хладилният агент в течна фаза навлиза в изпарителя.

 

Хладилният капацитет на тези съоръжения варира, като достига до няколко хиляди киловата инсталирана хладилна мощност. Основно намират приложение в системи с използване на отпадна топлина или в схеми с ко-генерационни модули. Необходим е източник с потенциал около 85^оС, типичният коефициент на трансформация варира от 0,6-0,8. Предвид относително високата необходима работна температура за осигуряване на процеса, този тип охлаждащи съоръжения намират приложения при използване на слънчева енергия на места с висок потенциал на директната слънчева радиация.

Фигура2: Пример за малки абсорбционни охладители с капацитет 4,5kW, работещи чрез топла вода от слънчеви колектори /производство Rotartica/

 

 

 

 

Фигура3: Абсорбционни охладители с капацитет 15-80kW/производство EAW/

Дълги години, холандската компания De Beijer RTB, работи в сферата на химическото съхранение на енергия. Поради тази причина технологията за адсорбционно съхранение на енергия въз основа на силикагел е добре анализирана и развита до ниво, позволяващо нейното развитие и приложение в други сфери.

Използването на твърд сорбент за производство на енергия за охлаждане е относително нова технология, която намира своето развитие през последните десетилетия. Съоръжения с малък и среден капацитет вече са в серийно производство и се прилагат успешно в съответствието с изискванията за сгради с близко до нулевото потребление и сгради със завишени енергоефективни показатели.

Принципът за производство на енергия за охлаждане е идентичен като този при абсорбционните машини, като се редуват цикли на адсорбция и десорбция, осигурени от твърд сорбент – силикагел (пазарно приложен) или зеолит (експериментално).  Адбсорцията е процес на обогатяване повърхността на веществата, чрез проникване на молекули от съседната, заобикаляща ги фаза. Върху твърди вещества като зеолит, активен въглен, силикагел и други, може да протича адсорбция, както от течна, така и газова фаза. Ако разгледаме процесът от гледна точка на съхранение на енергия и акумулиране на топлина, същият може да се опише с адсорбцията на водни пари от твърдо вещество. Процесът е съпроводен с освобождаване на топлина (екзотермичен процес) и обратно при изсушаване на твърдото  вещество – ендотермичен, т.е. поглъщане на топлина. Този принцип е заложени при производство на енергия за охлаждане в  адсорбционните хладилни машини.

Принципна схема за работата на адсорбционна хладилна машина с инсталация със слънчеви колектори е представена на Фигура 4.

Принципната схема на адсорбционна хладилна машина, демонстрира добре балансирана система, която може да осигури, както енергията за охлаждане, така и да задоволи нуждите от топла вода за битови нужди. За осигуряване на непрекъснатост на процеса, технически съоръжението е конструира с два сорбционни контейнера – 1 и 2, кондензатор и изпарител. Докато сорбентът в първият компонент десорбира (отделянето на влагата) използвайки топла вода от външен източник на топлинна енергия, примерно слънчеви колектори, сорбентът във вторият контейнер адсорбира хладилния  агент постъпващ от изпарителя. Този контейнер трябва да бъде охладен, за да се повиши ефективността на процеса. Хладилният агент кондензира в охладеният кондензатор и се пренася към изпарителя, където се изпарява при ниско налягане. По този начин се произвежда енергията за охлаждане, която се отвежда от хладилният агент на вторичния кръг за вътрешната инсталация.  Периодично контейнерите се превключват в изпълнение на техните функции – от адсорбер към десорбер. Това обикновено се случва чрез многопътен вентил, предвиден извън системата. Разбира се, качествата на сорбента не с времето и експлоатацията се променят, като работните цикли са предварително определени и следва да се подменя периодично за осигуряване на работните характеристики на съоръжението. Отведената топлина от кондензатора може да се използва за подготовка на топла вода за битови нужди.

Хладилните мощности на този тип съоръжения варират от 4-7kW за фамилни къщи и апартаменти и такива с мощности над 30kW за офис сгради, болници и по-големи потребители. Ефективността на тези съоръжения е относително висока, като се осигурява коефициент на трансформация 0,5-0,6, а основно преимущество на технологията е ниската работна температура от около 60оС, липсата на необходимост от помпи и ниските нива на шум при работа на съоръженията.

Повишаването на стандарта на живот води след себе си и повишаване на изискванията за комфорт в сградите за обществено обслужване и домовете ни. Поради тази причина, климатичните инсталации за поддържане параметрите на микроклимата ще станат задължителен елемент или стандартно изискване. От друга страна, климатичните инсталации следва да се впишат в изискванията и поставените цели за енергийна ефективност.

В търсене на практично, ефективно и екологосъобразно решение на приемлива и конкурентна цена, през 2013год. холандската компания SOLABCOOL започва да предлага на пазара иновативният си продукт  SOLABCHILLER. Единичните съоръжения са с максимална хладилна мощност от 5kW (номинална 4kW) и коефициент на трансформация 0,6. При каскадно изпълнение може да бъде постигнат и коефициент на трансформация около 1, това от своя страна означава, че на всеки 1kWh топлинна енергия може да бъде произведен 0,6 -1kWh енергия за охлаждане. Системите се предвиждат да работят със топлинна енергия произведена от слънчеви колектори и/или отпадна топлина от други процеси. Този тип системи намаляват използването на електрическа енергия с до 75%, в сравнение с конвенционалните климатични инсталации.

При комбиниране на системата със активни слънчеви елементи, с цел ценова конкурентост, се предвижда използването на тип плоски слънчеви колектори или интернирани в конструкцията на сградата слънчеви елементи за подготовка на топла вода. Ефективността на системата е значително по-висока при използването на вакуумнотръбни слънчеви колектори.

От казаното до тук е ясно, че предимствата на този тип системи за производство на енергия за охлаждане, особено в контекста все по-стриктните изисквания за устойчиво развитие и повишаване на енергийната ефективност, поставят този тип съоръжения в редицата на бъдещите тенденции за развитие и повишаване на пазарното търсене. От друга страна, като всяко друго прохождащо производство и при тези съоръжения могат да бъдат намерени недостатъци. При комбинираното им прилагане със слънчева енергия, като недостатък може да се открои периодичността им на работа в зависимост от слънцегреенето. Все пак, независимо от технологичното развитие, процесът не може напълно да покрие перманентната работа на компресора и е т.н. „пулсационен“. От гледна точка на хладилните характеристики на съоръженията, те са с по- ниска ефективност и хладилен коефициент от конвенционалните системи.

[1] Измерена перпендикулярно на слънчевите лъчи.