С каждым годом всё больше и больше усилий прикладывается для сбережения солнечной энергии и совершенствования технологий по ее улавливанию.
Прозрачный изоляционный материал (TIM) является усовершенствованным материалом, который может эффективно сохранять энергию солнечного тепла, сводя к минимуму его потери. Это повышает изоляционную способность за счет уменьшения потока тепловой энергии в небольших воздушных зазорах или в вакуумных отверстиях в материалах с низкой теплопроводностью. Способность TIM уменьшать тепловые потери и при этом обеспечивать пропускание солнечного света варьируется в зависимости от рабочей температуры, геометрической структуры и типов материалов.
Таким образом, для разных применений, важны такие характеристики: коэффициент теплопередачи (значение U) и коэффициент пропускания солнечного света (значение g) и они являются двумя основными параметрами.
Широко используются ТИМ с такими характеристиками, как пропускание солнечного излучения более 50% и коэффициент теплопередачи ниже 1 Вт/(м2К).
Классификация, материалы и тепло.
Система ТИ - это структурная система, которая включает в себя TIM. TIM может быть классифицирован по процессу производства, типу материала или геометрической структуры, а также по толщине.
В зависимости от геометрии TIM можно классифицировать на четыре общих типа:
В абсорбционно-параллельной структуре листовые плиты перекрываются параллельно абсорберу. Тепловые потери в целом обусловлены конвекцией и радиационной теплопередачей. Увеличение числа параллельных листов может еще больше уменьшить эти потери, но это приведет к уменьшению проводимости солнечной энергии.
Абсорбционно-перпендикулярные структуры имеют минимальные потери отраженного света, соответственно уменьшенные потери тепла. Такие материалы состоят из сот, капилляров или лучей, расположенных перпендикулярно абсорбенту, и обеспечивают прямое отражение входящего излучения. В этом типе структуры потери тепла за счет конвекции могут быть эффективно уменьшены. Поэтому они очень часто используются, особенно в солнечной коллекторной структуре.
Полупрозрачная пена и листы многоканального воздуховода являются примерами полостных структур. Эти конструкции могут эффективно подавлять конвективное тепло, но высокие отражающие потери приводят к уменьшению трансмиссий, аналогично многослойному пленочному покрытию
В квазиоднородной структуре тепловые потери от излучения и проводимости через воздух очень малы, но теплопроводность через твердое тело также очень мала.
Следует отметить, что существуют также переходные материалы, которые не могут быть классифицированы, например, гофрированные пленки, наклонные сотовые структуры и пр.
Стандартное значение U - 6 Вт/(м2К) в абсорбирующей параллельной конфигурации с одним стеклом и поглотителем. Когда число стеклования увеличивается до трех - значение уменьшается до 2 Вт/(м2К). Если используется сотовая структура (перпендикулярная конфигурация поглотителя), значение U может быть уменьшено до 0,90 Вт/(м2К). Наименьшее значение U, равное 0,20 Вт/(м2К), может быть достигнуто при использовании аэрогеля квазиоднородной структуры.
Любая из конфигураций может иметь некоторые ограничения, которые делают ее подходящей только для конкретных применений. Но для всех этих конфигураций перпендикулярная структура поглотителя с использованием сотовых решеток является наиболее изученной и используемой.
Последние проекты и будущие разработки
Наноизоляты - проект, финансируемый EC-CORDIS, для разработки непрозрачных и прозрачных вакуумных изоляционных панелей (VIP), содержащих основанные на нанотехнологиях материалы для построения энергоэффективных зданий. Эти системы были разработаны путем изготовления VIP-оболочки на основе нанотехнологий, таких как нанопены и аэрогелевые композиты. Наномонолитный композит аэрогелей неорганического диоксида кремния был разработан путем включения полимера в аэрогель диоксида кремния. Композиция из аэрогеля и кремнезема - это одна из наиболее эффективных композитных конфигураций. Эти композиты обеспечивают более высокую прозрачность, чем аэрогель и они в 4 раза более энергоэффективные, чем обычные изоляционные панели, а также обладают превосходными механическими свойствами и увеличенным сроком службы.
Brightwall - был проектом, финансируемым ЕС, в ходе которого был успешно разработан прототип полупрозрачной теплоизоляционной бетонной панели для замены традиционных кирпичных стен фасадов и несущих стен. Эта панель была разработана путем изготовления высокопрочного бетонного материала с содержащимся в нем оптическим волокном. Встроенное оптическое волокно позволяет дневному свету проходить через панели, в то время как бетон обеспечивает тепловую изоляцию. Эта концепция позволяет снизить тепловые потери и сохранить повышенные требования к прочности. Такие панели могут использоваться в новых проектах или для модернизации зданий в соответствии с архитектурными и эстетическими требованиями. Полнофункциональный прототип был установлен в энергетическом отделении Датского технологического института.
ARPA – E, US Department of energy - это организация Министерства энергетики США, которая объявила о нескольких новых проектах в области энергетических технологий. Существует множество новых текущих проектов в рамках программы SHIELD, которая включает в себя разработку новых покрытий и стеклопакетов. Некоторые из прозрачных изоляционных систем, описаны ниже:
AEROGEL insulated pane. Этот проект выполняется компанией Aspen Aerogels Inc. и ее партнерами с целью разработки экономически выгодного окна из аэрогеля с силикагелем. Предлагаемая конструкция состоит из стеклопакетов с листом аэрогеля между ними для обеспечения высокого коэффициента пропускания света, но низкой мутности и теплопроводности. Этот проект поможет снизить энергопотребление зданий за счет предоставления значительных экономических и экологических преимуществ.
CROSSLINK aerogels. Предприятие направлено на разработку недорогих и прочных стеклопакетов для аэрогеля, предназначенных для установки новых окон. Кремнийорганические вещества обладают превосходными изоляционными свойствами, но являются хрупкими и их производство затратно. Недавно разработанные поперечно связанные аэрогели будут использоваться для улучшения механической прочности. Предлагается альтернативный метод сушки - сублимационная сушка, при которой стоимость производства может быть снижена на 40%.
Окна «Термобарьер». Palo Alto Research Center и партнеры работают над созданием рентабельного прозрачного теплового барьера с использованием аэрогеля для повышения уровня изоляции окон с одним стеклом. Предлагаемая конструкция состоит из аэрогеля, стекла и низкоэмиссионного покрытия. В этом проекте процесс производства прозрачного полимерного аэрогеля будет оптимизирован и аэрогель будет интегрирован в оконную панель. Эта предлагаемая оконная панель с термическим барьером будет иметь прочную, легкую конструкцию и низкую теплопроводность.
Прозрачный нанопенополимер. Аргонская национальная лаборатория и партнеры стремятся разработать нанопенополимер, который может быть встроен в пленочное покрытие для одиночных оконных стекол, чтобы улучшить их тепло- и звукоизоляционные свойства. Этот проект предоставляет собой изящную оконную пленку или конструкцию для покрытия окна, что позволит снизить расходы на электроэнергию
Многофункциональная система остекления. Triton Systems, Inc. и ее партнеры разрабатывают высокоэффективную систему оконных стекол. Предлагаемая конструкция объединяет наночастицы полимерный композит из пленки с пористым материалом для лучшей теплоизоляции. Эта конструкция будет энергоэффективной заменой прямого остекления для модернизации однопанельных окон
DYNAMIC IR Window film. Dynamic IR и партнеры работают над технологией наноматериалов с низкими затратами для лучшей теплоизоляции. Предложенная конструкция будет включать экономичные нанолисты для улучшения теплоизоляции и наноматериал для контроля теплотворной способности.
Системы, используемые для обеспечения дневного света, могут снизить потребление электроэнергии, необходимое для освещения. На освещение приходится 15% потребления электроэнергии в ЕС. Девяносто процентов офисов и предприятий в ЕС все еще включают искусственное освещение в дневное время. ЕС поставил цель сократить потребление электроэнергии на 9% к концу 2017 г. В эффективных системах дневного освещения, таких как TI-фасады, эти энергозатраты могут быть уменьшены за счет обеспечения усиления света и уменьшения тепловых потерь.
Обсуждение проектов показывает постоянные усилия в разработке TIM, которые демонстрируют, что системы TI являются перспективными технологиями для изоляции и дневного освещения.
