4.3. Научно-технические проблемы разработки и создания плоских солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс

Одним из перспективных направлений существенного снижения стоимости и материалоемкости солнечных коллекторов с сохранением высоких энергетических характеристик, по мнению авторов, является переход от традиционных конструкционных материалов (металл, стекло) на новые более дешевые, легкие и технологичные материалы, среди которых наибольший интерес представляют современные теплостойкие и стойкие к ультрафиолету пластики.

В данном разделе приведены результаты исследований, направленных на изучение и обоснование возможности использования полимерных материалов, прежде всего, поликарбоната, в конструкциях СК. Излагаются научные основы, лежащие в основе предложений по использованию сотового поликарбоната как в качестве прозрачного ограждения, так и тепловоспринимающей панели солнечного коллектора.

Ключевыми проблемами при разработке и создании солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс и вопросами, требующими обоснованных ответов являются:

- Какие из существующих пластиков могли бы быть использованы в качестве прозрачного ограждения для замены стекла, стоимость которого неуклонно возрастает, прежде всего, в связи с высокой энергоемкостью его производства. Существенным недостатком стекла является также его высокий удельный вес и низкая ударная прочность. Альтернативный пластик должен удовлетворять широкому спектру физико-технических и экономических требований. Среди принципиальных физических требований важнейшими являются высокая (равноценная стеклу) оптическая прозрачность в спектральном диапазоне солнечного излучения и непрозрачность в инфракрасном диапазоне излучения, необходимая для создания так называемого парникового эффекта, являющегося для солнечных коллекторов принципиальным для обеспечения высоких теплотехнических характеристик. Альтернативный пластик должен также удовлетворять требованиям долговечности, стойкости и механической прочности в атмосферных условиях, прежде всего, стойкости к критичному для многих пластиков воздействию ультрафиолетового излучения. Важнейшим требованием является невысокая стоимость (желательно не более 10 $/м²). Выполненный на ранних стадиях исследований сравнительный анализ свойств различных полимерных материалов показал, что наиболее интересным для применения в качестве прозрачного ограждения в солнечных коллекторах является поликарбонат, обладающий хорошими оптическими и механическими свойствами. Широкое применение поликарбоната в строительстве в последние годы в качестве наружных и внутренних прозрачных ограждений зданий подтверждает целесообразность рассмотрения этого материала как весьма привлекательного. Следует, вместе с тем, отметить, что ряд важных для эффективного использования в солнечных коллекторах свойств этого материала до настоящего времени исследован не был. Прежде всего, это относится к спектральным оптическим характеристикам, надежным измерениям прозрачности в спектре солнечного излучения и в инфракрасном диапазоне.

Какие из существующих полимерных материалов могли бы быть использованы в качестве теплопоглощающей панели солнечного коллектора. Замена металла пластиком представляется крайне перспективной как с точки зрения возможного снижения удельных весовых характеристик, так и стоимости солнечного коллектора. То, что в имеющихся на рынке солнечных коллекторах (за исключением простейших конструкций, предназначенных для нагрева воды в плавательных бассейнах) панели из полимерных материалов не применяются, обусловлено опасениями разработчиков относительно теплостойкости (в аварийных режимах тепловоспринимающая панель СК нагревается до 150…200 ^оС), низкой теплопроводностью полимерных материалов по сравнению с металлом (что требует отказа от традиционной листотрубной конструкции панели), недостаточной отработанностью технологий создания герметичных гидравлических конструкций (сварка, склеивание и т.п.). Как показывает анализ, во многом отказ от использования современных пластмасс для изготовления панелей СК связан со сложившимися стереотипами, отсутствием необходимых целенаправленных научных исследований в фирмах-производителях СК, большинство которых являются предприятиями малого и среднего бизнеса и не имеют соответствующих научных кадров для постановки и проведения таких исследований. Следует однако отметить, что в последние годы в рамках Международного энергетического агентства создана специальная рабочая группа, поставившая цель разработки полностью пластмассовых солнечных коллекторов.

Предварительные исследования показали, что в качестве материалов для изготовления теплопоглощающих панелей плоских солнечных коллекторов на первом этапе могут рассматриваться полипропилен и поликарбонат, являющиеся достаточно теплостойкими, дешевыми и технологичными полимерными материалами. Вместе с тем, при разработке конструкции панелей и солнечных водонагревательных установок в целом требуется использование специальных решений, предотвращающих перегрев панелей в аварийных режимах эксплуатации и обеспечивающих сохранение высоких теплотехнических характеристик солнечного коллектора, несмотря на низкую теплопроводность материалов.

- Как показали предварительные оценки, применение пластмасс в конструкции солнечного коллектора вместо стекла и металла позволяет в несколько раз снизить его удельные весовые характеристики (с 25…30 кг/м2 до 5…7 кг/м²). ⁴²В связи с этим возникает принципиальная возможность существенного упрощения и снижения материалоемкости корпуса коллектора, отказа от использования жестких металлоконструкций. Одним из перспективных направлений разработок является создание корпуса из вспененных полимерных материалов, выполняющих не только функцию теплоизоляции, но и обеспечивающих механическую прочность конструкции.