Астраханская область является одним из перспективных регионов России по использованию энергии солнечной радиации для получения тепла и холода. Здесь теплый и сухой климат и большое количество солнечных дней в году, поэтому разработкой гелиоэнергетических установок в Астрахани занимаются давно. Составлена база данных солнечного радиационного излучения с учетом воздействия неблагоприятных метеофакторов в Нижневолжском регионе на основе замеров Астраханского метеорологического центра и разработана программа в математическом пакете «MathCAD 6+» для расчета гелиоприемных устройств, которая позволяет обрабатывать полученные результаты в виде графиков и диаграмм.

В настоящее время в Астраханском государственном техническом университете разработаны гелиоустановки на базе использования типовых модулей, площадью солцевоспринимающей поверхности 1x1 м², преобразующих энергию солнечной радиации в тепловую высокого потенциала. Такие типовые модули можно использовать в солнечных отопительных системах для обогрева и кондиционирования жилых помещений в жилых домах и коттеджах; получения горячей воды для коммунальных, бытовых нужд, в бассейнах, душевых, столовых; в холодильных автономных установках абсорбционного и адсорбционного типов периодического и непрерывного действия для замораживания и охлаждения скоропортящихся продуктов; технологического кондиционирования воздуха; получения пищевого льда; в тепловых насосах химического действия для обогрева помещений; в аккумуляторах холода и тепла.

Типовые модули имеют отличительные особенности от аналогичных аппаратов такого класса: зеркальные устройства, концентрирующие солнечную энергию на адаптирующие поверхности; поглощающие поверхности имеют специальные конверсионные селективные покрытия, инсолирующие до 98,6% падающей солнечной энергии; новые эффективные изоляционные материалы, значительно облегчающие весовые характеристики элементов. Модули могут работать при вакууме - до 4 мм рт. ст. и высоких давлениях - до 2,5 МПа.

Солнечные концентраторы значительно увеличивают эффективность нагрева адаптирующих поверхностей в гелиоприемных устройствах типа «горячий ящик». Проведен теоретический анализ концентрирующей способности плоских зеркальных отражающих поверхностей на трубки различных конфигураций при одно-, двух- и многократном отражении солнечного луча. Исследованы трубки круглого, треугольного, квадратного и других видов сечений. Разработаны конструкции различных концентраторов энергии эффективно воспринимающих и преобразующих энергию солнечной радиации в инсолирующее тепло.

Получены аналитические выражения, связывающие геометрические параметры плоских концентраторов энергии с характерными параметрами адаптирующих поверхностей. Уравнения отражают физические параметры движения солнца с ориентацией концентраторов относительно поверхности Земли. Для оценки эффективности подобных концентраторов использованы оптические и оптико-энергетические коэффициенты. Под оптическим коэффициентом принималось отношение прямой и отраженной от зеркал солнечной радиации, падающей на адаптирующую поверхность при наличии концентраторов, к радиации, падающей на ту же поверхность без использования концентраторов. Расчеты по этим коэффициентам различных конструкций плоских концентраторов дают возможность оптимизировать и совершенствовать разработанные конструкции.

Плоские концентраторы уступают по энергетическим характеристикам известным параболическим, эллипсоидным и гиперболическим конструкциям, однако по стоимости и сложности технологии изготовления они в несколько раз дешевле и проще вышеназванных, поэтому могут найти применение в гелиоэнергетических установках.

Экспериментальные исследования, проведенные на типовых модулях показали увеличение КПД по сравнению с конструкциями без концентраторов на 15%.

Разработано новое солнцепоглощающее покрытие (патент РФ №2137861), которое наносится на адаптирующие поверхности методом хроматирования. Сравненительный анализ энергозатрат на черное хромирование и цинкование стали с последующим хроматированием, показал, что черное хромовое покрытие значительно менее экономично, чем хроматирование по цинку. Расход энергии в первом случае на порядок выше, чем для хроматированного покрытия. Исследована толщина, прочность сцепления с основой, пористость, теплоотдача и оптические свойства покрытий. Особое внимание отводилось испытаниям полученных покрытий на коррозионную стойкость и поглощающую способность солнечной энергии. Испытания контрольного и экспериментальных образцов на поглощательную способность от солнечной радиации проводились как в естественных условиях на открытом полигоне в специальных контейнерах типа "горячий ящик", так и на лабораторной установке типа "искусственное солнце" (Руденко, 2002).

В разрабатываемых конструкциях водо-нагреваемых и охлаждающих установках сорбционного действия типовой модуль позволяет увеличить температуру адаптирующей поверхности на 40-f 55°С, повысить инсолируемую мощность на 4-7-6%, сократить потребление электрической энергии с одного квадратного метра гелиоприемной поверхности на производство тепла до 400 Вт и на производство холода до 50 Вт. При этом коэффициент преобразования солнечной энергии составляет около 53%, коэффициент концентрации солнечной энергии на адаптирующую поверхность - 3,6.

Для климатических условий Астраханского региона можно рекомендовать внедрение охлаждающих камер объемом 100 л для хранения продукции с температурой (-5-и-5)°С (патент №2137991), кондиционеров с аккумуляцией холода в виде льда. Установки автономные и могут работать без потребления электроэнергии вообще.

Холодильные камеры по принципу работы относятся к установкам циклического действия, но процессы солнечного обогрева днем и получения холода ночью протекают настолько медленно, что их можно считать работающими в автоколебательном режиме.

В качестве рабочих веществ в гелиохолодильных установках используются сорбенты: хлористый кальций (СаСl2), хлористый стронций (SrCl2), хлористый литий (LiCl), селикагель, цеолит, активированный уголь, а в качестве хладагента - аммиак, спирты и вода.

Разработаны экспериментальные стенды и проведены исследования, подтверждающие работоспособность установок и получение необходимых эффектов. Полученные экспериментальные данные обработаны в математических программах (Turbo Pascal, Mathcard, Exel). Предлагаются обобщенные уравнения для расчета технических параметров и энергетических характеристик гелиохолодильных установок.

Мощность солнечных установок напрямую зависит от площади гелиоприемных устройств, поэтому для создания охлаждающих установок большой мощности требуются сильно развитые, ориентированные на юг солнцеприемные поверхности, состоящие из десятков типовых модулей.

В настоящее время ведутся дальнейшие работы по совершенствованию разработанных установок с целью внедрения их в производство (Руденко, 2002).