Използване на соларна топлинна енергия в индустрията

Технологиите за отопление, охлаждане или процесна топлина чрез слънчева енергия могат да се постигнат температури до 400°C и да отговорят на до 50% от топлинната нужда в промишления сектор. Някои промишлени процеси се провеждат при изключително високи температури, като обикновено първата асоциация е металургията, но в повечето случаи предприятията работят с ниски или средни температури на отопление.

Соларните топлинни системи са най-подходящи за генериране на ниски температури до 150°C, а те се постигат дори от комерсиални слънчеви колектори. При промишлени процеси като измиване или боядисване на текстилни изделия се използват ниски температури. В млечния сектор процесната топлина се прилага при процесите на измиване и пастьоризация. В минната индустрия се използва за извличане на разтворими компоненти от твърда смес. Като цяло нискотемпературното отопление има разнообразни приложения, но най-голям потенциал се наблюдава в хранително-вкусовата промишленост, металургията и минната индустрия.

Соларните топлинни системи са разпространени също и в пивоварните, селското стопанство (за изсушаване на култури) и в текстилния сектор. Въпреки това повечето приложения на тези системи не са много мащабни и все още до голяма степен имат експериментален характер.

Технология и принцип на работа
Една система, която осигурява соларна топлинна енергия за промишлени процеси, включва голямо или много голямо колекторно поле, през което циркулира работна течност. Това може да е вода, комбинация от вода и гликол или друго. Системата се счита за много голяма, когато е с мощност над 350 кВт. С помощта на топлообменник топлината се прехвърля от първична верига до топлинната верига под формата на гореща вода, въздушен поток или пара – в зависимост от изискванията на индустриалния процес.

В самата система може да има и резервоар за съхранение на топлина. Това устройство може да се използва, за да компенсира спада на топлинна енергия при колебания на соларния ресурс, а също така и да приравни непостоянната нужда от топлинна енергия при серийно производство. Изключително важно е правилното управление на системата, за да се предвидят потенциалните аварии и загуба на производителност.

Технологиите за снабдяване с процесна топлина чрез слънчева енергия могат да бъдат разделени на две широкообхватни области. Големите соларни сушилни се прилагат основно в хранително-вкусовата промишленост и използват оборудване за естествена циркулация или изкуствена (принудителна) конвекция, за да улавят слънчевите лъчения за целите на процеса. Другото често приложение е за осигуряване на топла вода и отопление на помещенията в различни индустриални сектори.
Обикновено разходите на системите за соларна топлинна енергия в индустрията зависят от необходимата температура за процесите, от това дали е необходимо постоянно захранване, от размера на проекта, както и от нивото на слънчевата радиация на обекта.

Соларни топлинни системи за ниски температури (<150^oC)
Стандартните плоски слънчеви колектори (FPC) и вакуумно-тръбните слънчеви колектори (ETC) осигуряват температурни нива до 120°C. Плоските колектори имат медни тръби с топлопреносна течност, която преминава през изолирана, устойчива на атмосферните влияния кутия от тъмен абсорбиращ материал и топлоизолация на задната страна. Те могат да генерират температури до 100°C.

ETC колекторите се състоят от вакуумни-стъклени тръби, топлинна тръба, абсорбер и колектор. Конструктивно абсорберът е оформен като двустранно оребрена тръба, през която преминава загряваният топлоносител. Топлинните тръби обикновено представляват медна тръба, в която циркулира летлива кипяща течност. Вакуумните тръби, от които се изгражда колекторът, са от висококачествено стъкло. В тях се подържат условия на дълбок вакуум, който осигурява изключително добра изолация на абсорбера и защита от корозия.

Стандартните ETC колектори могат да осигурят температури до 120°C и са по-подходящи за използване в студени климати. За някои нискотемпературни приложения като пречистването на отпадъчни води в студен климат могат да се използват и колектори без стъклено покритие (unglazed).
FPC и EPC колекторите са зряла технология, която има огромен потенциал за нискотемпературни промишлени отоплителни системи, особено в развиващи се региони като Индия и Китай.

Соларни топлинни системи за средни температури (150-400^oC)
В индустриалните процеси, където е необходима процесна топлина със средни температури, някои модерни FPC модели с изключително дълбок вакуум могат да достигнат до 200°C. Обаче най-често използваната технология при такива изисквания са слънчевите концентратори. В най-простия случай, зад вакуумните тръби на ETC колекторите се инсталират вид слънчеви концентратори, проектирани в параболична форма – CPC (compound parabolic concentrators). Те отразяват както директната, така и дифузната слънчева светлина върху абсорбера. Подобни концентратори могат да се използват и при плоските колектори.

Други слънчеви концентратори за процесна топлина са подобни на системите, с които се произвежда концентрирана соларна енергия, само че в повечето случаи имат по-малък размер (от 10 kW до 2 MW). Но вместо топлината да се използва за производство на енергия, тя се оползотворява директно в промишлените процеси. Сред примерите за слънчеви концентратори са и рефлекторните чинии, параболично-цилиндричните коцентратори и линейните френелови рефлектори.

Соларни системи за охлаждане
Освен за отоплителни приложения, соларните системи могат да изпълняват изискванията и за охлаждане и климатизация. Този тип соларни системи могат да заместят електрическите или газови абсорбционни/адсорбционни чилъри, както и електрическите климатични системи.
Абсорбционните и адсорбционните чилъри използват течни или твърди хладилни агенти за охлаждане на помещения. Абсорбционните чилъри, които са най-популярни, оползотворяват слънчевата енергия за регенериране на абсорбционната течност, която съдържа охладителя след изпаряването му.

Две често срещани системи са: затворени абсорбционни чилъри с амоняк и вода (NH3/H20) или вода и литиев бромид (H20/LiBr) за охлаждащи/абсорбиращи течности. 
Изсушителите на въздух се използват за климатизация. Изсушаващият материал абсорбира или адсорбира топлата вода от въздуха и прехвърля охладен въздух обратно в сградата. При тях слънчевата енергия се използва за регенериране на изсушаващия материал.

Интегриране на соларна-та топлинна енергия в промишлени процеси
За изпълнение на много промишлени процеси е необходимо едновременното загряване на даден флуид (например поток от горещ въздух, гореща вода) и на резервоар (например пещи и котли). Съществуващите отоплителни системи за индустриална процесна топлина работят на пара или топла вода от котел, който пък използва изкопаеми горива като нефт, газ и въглища или електроенергия, генерирана от различни източници.

Системите за процесна топлина от соларна енергия от своя страна могат да осигурят до 20% от потреблението на топлинна енергия в дадено предприятие (т. нар. соларна фракция). Съществува обаче лимит на соларната мощност, която може да се инсталира – заради параметрите на покривното пространство.
Интегрирането на соларни топлинни системи за промишлени процеси може да се извърши по три начина:

• като източник на топлина за директно загряване на циркулиращия флуид (например захранваща вода, предварително загряване на въздуха и др.); 
• в процеси с ниски температурни изисквания; 
• като допълнителен източник за предварително загряване на захранващата вода за парни котли или директна интеграция на соларни отоплителни мощности към индустриални парни котли, работещи с изкопаеми горива.

В първия случай съхранението на топлинна енергия е важен компонент, който гарантира достъпност през целия ден. Вторият и третият вариант могат да се използват, когато потреблението на топлинна енергия е по-голямо от това, което може да бъде осигурено чрез отопление със слънчева енергия, или ако температурните нужди са твърде високи за соларната топлинна система.