Дорогой коллектор для бесплатной энергии

19.07.12 08:15

Разберемся с конструкцией

Солнечный коллектор – устройство, поглощающее энергию солнечного света и преобразующее ее в тепловую энергию нагретого теплоносителя (вода, воздух или антифриз). Обычно СК применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений. Теплоноситель нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду. СК и бак-аккумулятор совместно образуют гелиоустановку. По мере необходимости потребитель расходует воду, накапливающуюся в баке.

В простом варианте гелиоустановки циркуляция воды происходит естественным образом благодаря разности температур в СК и баке-аккумуляторе. В этом случае бак-аккумулятор располагается выше СК.

В более сложном варианте СК имеет свой контур, заполненный водой или антифризом, от него тепловая энергия передается через теплообменник в бак-аккумулятор. В контур включается насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя, поэтому в этом случае СК и бак-аккумулятор можно размещать относительно друг друга произвольным образом. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания. Естественно, в любом случае он должен иметь хорошую теплоизоляцию.

Как правило, в бак-аккумулятор дополнительно вмонтирован электрический нагревательный элемент, поддерживающий температуру воды на нужном для потребителя уровне в тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно. В ряде случаев дополнительный нагреватель-доводчик устанавливают за баком-аккумулятором, и вода догревается до требуемой температуры перед ее непосредственным использованием. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки (СВУ) аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае СВУ представляет собой близкий к прямоугольной форме бак, обращенная к солнцу часть которого имеет прозрачное покрытие, а остальные стороны теплоизолированы.

 

Вакуумный коллектор (фото «Солнечные технологии Дальнего Востока»)

 

Сами СК конструктивно могут быть двух типов – плоские и вакуумные трубчатые. 

В плоских коллекторах основное звено – плоская панель (абсорбер), поглощающая энергию солнечного света. Как правило, ее делают из цветных металлов (медь, алюминий и др.), обладающих высокой теплопроводностью и долговечностью в контакте с водой. С лицевой стороны панели с некоторым воздушным зазором размещают остекление, прозрачное для солнечного излучения и выполняющее функцию теплового экрана для инфракрасного излучения нагретой панели. Панель может покрываться селективным покрытием, обеспечивающим эффективное поглощение солнечного излучения и уменьшение обратного теплового излучения панели. С целью минимизации тепловых потерь тыльную (заднюю) поверхность панели защищают теплоизолирующим материалом, к примеру, слоем базальтового волокна.

Принцип устройства вакуумного трубчатого коллектора отчасти напоминает термос. Такой СК состоит из нескольких рядом размещенных стеклянных трубок, в каждую из которых помещается металлическая трубка-абсорбер, через которую прокачивается теплоноситель. Вакуум, создаваемый в стеклянном сосуде, обеспечивает кардинальное снижение конвективных тепловых потерь. В этом случае остается только радиационный теплообмен трубчатого металлического абсорбера с окружающей средой, он также может быть уменьшен за счет оптически селективных покрытий. В результате, вакуумный СК может нагревать теплоноситель до более высокой температуры, чем плоский СК, или при одинаковой температуре теплоносителя обеспечить большую эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепло.

«В реальности процессы преобразования энергии в плоском и трубчатом вакуумированном солнечных коллекторах сложнее, чем описано выше, - поясняет Олег Попель, д.т.н., председатель Научного совета РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии, зав. лабораторией ВИЭ и энергосбережения Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН). - КПД солнечного коллектора, представляющий собой отношение полученной в СК тепловой энергии к поступившей на габаритную площадь устройства солнечной энергии, существенно зависит от оптических характеристик устройства. Так, в вакуумированном солнечном коллекторе имеются значительные оптические потери, связанные с тем, что трубки, как правило, размещаются друг относительно друга с некоторым зазором. В результате значительная доля падающего на габаритную площадь СК солнечного излучения не достигает поверхности трубчатого абсорбера и фактически теряется.

К снижению КПД ведет и цилиндрическая форма стеклянных трубок вследствие большего отражения солнечного излучения. Таким образом, обладая существенным преимуществом перед плоскими СК в части более низких конвективных тепловых потерь, вакуумированные трубчатые СК имеют и существенный недостаток, связанный с большими, чем у плоских, оптическими потерями. Конкуренция этих двух факторов ведет к тому, что использование вакуумированных СК оказывается более эффективным с энергетической точки зрения только при относительно большом нагреве теплоносителя выше температуры окружающей среды. При требуемом подогреве бытовой воды до температуры 40-60ºС при положительной температуре наружного воздуха в неотопительный период года энергетические преимущества в использовании вакуумированных солнечных коллекторов оказываются не столь очевидными, а стоимость их, как правило, существенно выше, чем у плоских СК».

 

Солнца хватит на всех

Эксперты убеждены, что Россия – страна, где рынок солнечных водонагревательных установок (СВУ) может и должен развиваться. Исследования ОИВТ РАН показали, что в теплый период (с марта-апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (Для сравнения: на юге Испании – 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии – до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно.

Причем, если говорить о летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются примерно одинаковыми высокими значениями среднедневной радиации. «Даже в условиях г. Салехарда, расположенного на полярном круге, в летнее время установки могут обеспечить теплой водой более 60% дней», - приводит красноречивый пример О. Попель.

В зимнее же время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы. Это не означает, что зимой в климатических условиях России (за исключением районов с полярной ночью) СК абсолютно бесполезны. Просто для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура (так как необходимо применять антифриз), дополнительные теплообменники.

В случае круглогодичного использования с энергетической точки зрения более эффективным может оказаться применение вакуумированных солнечных коллекторов (большая разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом в зимнее время). Вместе с тем такая конструкция солнечных установок оказывается более дорогой, и экономическая привлекательность их использования снижается. Впрочем, всесезонные гелиоустановки могут представлять практический интерес для использования в южных районах страны. По среднегодовому поступлению солнечной радиации на территории России лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части РФ (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

 

Чем проще, тем лучше

Появление на рынке разнообразных конструкций вакуумированных солнечных коллекторов, в основном китайских производителей, и активная рекламная кампания привели к распространению мнения, что вакуумный коллектор более эффективен, чем плоский. С учетом ранее сказанного, казалось бы логичным предположить, что для умеренных и северных широт с более низкими температурами воздуха такой коллектор предпочтительнее, чем плоский СК. Но исследования показали, что не все так однозначно.

В частности Виталий Бутузов, д.т.н., генеральный директор ОАО «Южгеотепло» (г. Краснодар), и коллектив авторов в своей работе «Гелиоустановки. Региональный опыт проектирования и строительства» пишут: «На основании анализа известных конструкций ведущих мировых производителей СК: плоских, вакуумных трубчатых, пластиковых – сделан вывод о перспективности производства плоских СК». За разъяснениями мы обратились к самому автору.

«Для России с разнообразными климатическими условиями (солнечная радиация, температура наружного воздуха) применение плоских или трубчатых вакуумных коллекторов дифференцировано по регионам, — поясняет В. Бутузов. — В основе решения о применении того или иного коллектора лежат расчеты экономической целесообразности с учетом реальной производительности. Так, сравнительные испытания коллекторов в Баварии (Германия) в условиях, близких к Краснодарскому краю, показали, что в зимнее время в результате инея и снега фактическая производительность вакуумных коллекторов меньше, чем плоских при существенно большей цене. В то же время в Сочи, где практически снег отсутствует и расчетная температура воздуха зимой -3ºС, применение вакуумных коллекторов предпочтительней.

К сожалению, в России пока не достаточно масштабных исследований целесообразности применения тех или иных конструкций коллекторов. Наши расчеты показали, что при российских ценах на энергоресурсы срок окупаемости менее 7 лет имеют только самые простые плоские коллекторы».

Семен Фрид, к.т.н., ведущий научный сотрудник ОИВТ РАН, с помощью метода математического моделирования сравнил эффективность различных типов водонагревательных установок с емкостью бака-аккумулятора 100 л и габаритной площадью СК 2 м². Выяснилось, что в летний период доля покрытия нагрузки горячего водоснабжения потребителя за счет солнечной энергии на большей территории страны для плоских коллекторов несколько выше, чем для вакуумированных. Однако наилучшие результаты показала, на первый взгляд, более примитивная аккумуляционная СВУ.

 

Доля покрытия нагрузки за период с июня по август при температуре воды на выходе 45°С для плоского, вакуумированного СК и аккумуляционной СВУ. (Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Сушникова Е.В., Ямудер В.Ф. Эффективность и перспективы использования различных систем солнечного нагрева воды в климатических условиях Российской Федерации // Теплоэнергетика. 2011. №11)

 

В случае же круглогодичного применения совмещенная гелиоустановка демонстрирует более низкую производительность в сравнении с установками, где СК и бак-аккумулятор разделены. А вот производительность СВУ с плоскими и вакуумными коллекторами примерно одинакова, хотя в ряде северных районов вакуумированные СК более энергетически эффективны, чем плоские. Интересно, что и стоимость рассмотренных образцов этих двух типов солнечных установок оказалась вполне сопоставимой. При этом С. Фрид отмечает, что технология производства плоских коллекторов уже отработана, а вакуумных – только развивается, а значит, вакуумные коллекторы будут совершенствоваться и дешеветь, что, возможно, позволит им в будущем выйти в лидеры по соотношению цена – эффективность. 

Но пока для нашей страны актуальнее задача освоить сезонное применение СК. «На наш взгляд, СВУ аккумуляционного типа для начального этапа развития российского рынка СК наиболее привлекательны как по эффективности, так и по стоимости, - комментирует полученные результаты глава лаборатории О. Попель. - Сейчас мы совместно с ООО «Политермо» пытаемся освоить их производство с применением современных полимерных и композиционных материалов (без металла и стекла). Это, на наш взгляд, позволит существенно упростить конструкцию солнечной установки, а главное, снизить ее стоимость, что даже при некоторой потере в эффективности (из-за сложности применения селективных оптических покрытий) создаст условия для большей экономической привлекательности». 

 

Сварка абсорбера СК «Сокол» (Фото ОАО «ВПК «НПО машиностроения»)

 

Пока без импорта не обойтись

В современной России был положительный опыт массового производства и внедрения СК. Так ОАО «Ковровский механический завод» (Владимирская обл.) в инициативном порядке разработал и выпустил с 1995 по 2005 гг. 3000 СК, имевших оптимальное соотношение цены и энергетических показателей. Только в Краснодарском крае было установлено 2500 СК Ковровского завода, которые до настоящего времени продолжают надежно работать. Со сменой собственника в 2006 г. Ковровский завод прекратил производство СК.

«На сегодняшний день в нашей стране единственный производитель солнечных коллекторов европейского качества - ОАО «Военно-промышленная корпорация «НПО машиностроения» (г. Реутов Московской обл.), - рассказывает Виталий Бутузов. - Несколько российских предприятий выпустило малые пробные партии коллекторов, к примеру, Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов (Свердловская обл.)».

Почему рынок практически не освоен российскими производителями, пояснил Николай Дударев, главный конструктор СК «Сокол» (ВПК «НПО машиностроения»):

«Коллектор - сложное техническое устройство, которое должно соответствовать российским и европейским требованиям (нормам). В частности выдерживать тепловые удары, которые могут возникнуть в нештатных ситуациях (при отсутствии теплосъема). И главное, СК должен обладать высокой эффективностью преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию, иметь высокий КПД, то есть быть конкурентоспособным по отношению к зарубежной продукции. Разработка и организация производства такого СК требует конструкторского и технологического потенциала, серьезных материальных затрат, что в свою очередь сказывается на стоимости устройства. Неудивительно, что многим предприятиям в таких условиях не удалось удержаться на рынке».

ВПК «НПО машиностроения» приступила к разработке солнечной техники гражданского назначения еще в 90-е годы, с тех пор было выпущено несколько моделей СК. В настоящее время предприятие производит плоский СК «Сокол» с селективным покрытием – тончайшей пленкой, по толщине соизмеримой с длиной волны света и обладающей хорошими селективными свойствами. 

Подавляющее же большинство СК в Россию завозится из-за рубежа. В Приморье основной поставщик установок – Китай, в других регионах представлена и продукция европейских производителей, однако по цене она остается не слишком конкурентоспособной в российских условиях. На мировом рынке по объемам производства плоских СК на первом месте – Германия, Китай лидирует в выпуске вакуумных коллекторов. В частности, по данным В. Бутузова, на один вакуумный трубчатый СК, сделанный в Европе, приходится шестьдесят китайских.

В то же время О. Попель отмечает, что ориентация на импорт солнечных водонагревательных установок не обеспечит приемлемые для российских условий технико-экономические показатели. Так что для развития рынка СК в нашей стране, так или иначе, необходимо и развитие собственного производства.

 

На Кипре эксплуатируется около 800 м² СК на 1000 чел. (фото автора)

 

Жить под солнцем

Опыт применения гелиоустановок в большинстве регионов России пока минимальный, тем не менее, он есть. По оценкам экспертов, на сегодняшний день в нашей стране эксплуатируется всего от 15 до 30 тыс. м² солнечных коллекторов. В пересчете на численность населения России это 0,2 м²/1000 чел. - капля в море. Для сравнения, на Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., в Германии 140 м²/1000 чел.

Что же на практике предлагают своим клиентам компании, производящие проектирование, поставку и монтаж гелиоустановок?

«Мы поставляем различные типы коллекторов китайского производства, - делится Олег Ван, зам директора ОАО «Н-Соллар» (г. Находка). - Выбор люди часто делают на основании своей платежеспособности. Достаточно дешевый вариант – одноконтурный трубчатый коллектор. В целом существенной разницы между разными типами СК я не вижу - даже если КПД коллектора отличается на 10-20%, не думаю, что потребитель это как-то ощутит на себе. Главное, правильно рассчитать теплотехнический проект, тогда в любом случае требуемый эффект будет получен. Считаю, что есть смысл применять СК и в зимний период, но, естественно, дополнительный котел для отопления должен быть. Надо понимать, что ночью солнца нет, а температуру в помещении поддерживать надо».

На трубчатых коллекторах предлагает остановиться и Александр Мерзликин, директор ООО «Солнечные технологии Дальнего востока» (г. Хабаровск). Борис Медведев, директор ООО «ЭСТО» (г. Екатеринбург) для круглогодичного применения также рекомендует вакуумные коллекторы китайского производства, а для дачников – плоские СК. «Чтобы получить устойчивый приток тепла в систему отопления зимой, когда солнца мало, требуется значительно большее количество теплосъёмных вакуумных трубок, что значительно удорожает систему в целом, зато сулит очень низкие эксплуатационные расходы на отопление дома, - говорит он. - Применение ВСК для нужд отопления возможно и рекомендовано, но только с неполным замещением систем традиционного нагрева».

 

СК на многоквартирном доме в п. Снеговая падь, г. Владивосток

(Фото ООО «ЭСТО»)

 

Советов по выбору и монтажу СК на просторах Интернета встречается множество, и все же надо помнить, что, как и любой инженерный объект, гелиоустановка в каждом конкретном случае требует проекта и расчетов, а не общих рекомендаций рекламного характера. К примеру, если вы, невзирая на стоимость, решили обзавестись всесезонным коллектором, стоит задуматься о том, куда будет расходоваться его избыточная мощность в теплое время года. 

Одним словом, консенсуса по технической стороне проблемы в нашей стране пока нет. Скорее всего, все обсуждаемые решения по использованию солнечной энергии для теплоснабжения имеют право на жизнь, и только практика и конкурентное соревнование различных подходов может показать, кто прав. 

 

Коллектор для бизнеса

Мировая практика демонстрирует разнообразные примеры применения гелиоустановок не только для бытовых нужд, но и для ГВС и систем отопления коммерческой недвижимости. Плавательные бассейны, фермы, рыбные хозяйства, отдаленно стоящие магазины и АЗС, любые помещения, где требуется дежурное отопление и т.д. Исходя из российских климатических условий, эксперты видят большие перспективы для объектов, нуждающихся в горячей воде сезонно – пансионаты, базы отдыха, летние кафе, загородные лагеря.

Наши эксперты привели и другие примеры применения СК. Так, коллекторы работают на Ангарском нефтеперерабатывающем заводе (Иркутская обл.). Активно СК используются на объектах, возводимых на острове Русский в рамках подготовки к саммиту АТЭС - установлены на здании Института проблем морских технологий (оба - г. Владивосток). Различные виды СК испытывает Уральский федеральный университет им. Ельцина (г. Екатеринбург).

 

В гелиоустановке локомотивного депо г .Тихорецка, использовано 120 СК Ковровского завода. Установка окупилась за 6 месяцев и заменила паровоз с КПД 16 %, работающий на мазуте. (Фото ОАО «Южгеотепло»)

 

На территории Краснодарского края примеры уже не единичны. Так согласно данным Виталия Бутузова, основная площадь СК в этом регионе приходится на пансионаты, на втором месте – котельные, на третьем – промышленные предприятия. Один из крупных круглогодичных объектов – больница в Усть-Лабинске.

Эффективно оказалось использование солнечных водонагревательных установок для горячего водоснабжения ряда объектов высокогорной Специальной астрофизической обсерватории РАН в горах Западного Кавказа (вблизи пос. Н. Архыз).

Главное ограничение для распространения СК в коммерческом секторе – длительный срок окупаемости установок. Далеко не каждый предприниматель готов пойти на вложение средств, которое начнет приносить прибыль только спустя несколько лет.

 

А есть ли рынок?

Пожалуй, лучше всего на этот вопрос могут ответить те, кто сегодня этот рынок пытается создать.

«В нашей стране недостаточно условий для внедрения СК, - говорит Николай Дударев. - Государственная политика должна быть более конкретной. Интерес к гелиосистемам есть, но для многих потенциальных потребителей они остаются дорогими и недоступными. При наших тарифах на энергоносители окупаемость СК наступает не ранее, чем через 5 лет. К примеру, в Турции, где стоимость 1кВт•ч существенно выше, окупаемость СК наступает куда быстрее, и там они распространены повсеместно».

«За последние пять лет вакуумные СК уже подешевели втрое, - делится информацией Олег Ван. - Однако в Приморском крае все равно не так много клиентов, готовых приобрести установку. Считаю, что это направление перспективно для Москвы и вообще западной части России. Там и плотность населения выше, и его платежеспособность».

«Использование местных источников генерации тепла значительно влияет на экономию денежных средств. Несмотря на это, рынок РФ не насыщен энергосберегающими технологиями. Это происходит из-за недостаточного финансирования со стороны государства, несовершенства законодательной базы, и вынужденной конкуренции нетрадиционных способов получения энергии с традиционными», - отмечает Илья Гладиков, менеджер по продажам энергетического оборудования Межрегиональной энергетической компании «Энергия» (г. Екатеринбург).

 

Проект схемы управления развитием российской гелиотехники (Автор - В. Бутузов)

 

«Рынок СК очень перспективен, - делает оптимистичный прогноз Борис Медведев. - При относительно невысоких первичных затратах можно получить очень низкие эксплуатационные расходы на отопление и ГВС – самые энергозатратные составляющие в наших широтах».

«В России рынок солнечных водонагревателей находится на начальном этапе своего развития, и наиболее конкурентоспособный его сектор - сезонное горячее водоснабжение, - отмечает Олег Попель. – Сейчас важно освоить промышленное производство простых, надежных, достаточно энергетически эффективных и, главное, с приемлемой для потребителя стоимостью СВУ в нашей стране.

При этом создавать крупный завод нецелесообразно, поскольку возить громоздкие установки по огромной территории России очень накладно. В каждом перспективном регионе должна быть создана своя инфраструктура с относительно небольшим производством, торговыми, монтажными и сервисными службами.

В этой связи ключевое значение для развития рынка имеет позиция и поддержка региональных властей, которые ответственны за развитие малого и среднего бизнеса и продвижение энергоэффективных технологий в своем регионе. Но они нуждаются в объективной информации о преимуществах и конкурентоспособности новых энергетических технологий. В целом задача непростая, и ее решение зависит от наличия грамотных и инициативных специалистов, которых в нашей стране не так уж много.

 

СВУ аккумуляционного типа из полимерных и композиционных материалов (разработка ОИВТ РАН и ООО «Политермо»)

 

Торговля же дорогой зарубежной продукцией, не всегда высокого качества, которой сегодня пытаются заниматься довольно много компаний в нашей стране, не может рассматриваться как магистральный путь развития гелиоэнергетики в России. Часто она даже дискредитирует перспективную технологию. Только организация собственного производства, конечно, с учетом зарубежного опыта и оригинальных отечественных разработок, может ускорить формирование рынка в нашей стране».

«В России сегодня рынок солнечных коллекторов фактически отсутствует и появится через 1,5-2 года при запланированном повышении цен на природный газ (на 35-50 %), - считает Виталий Бутузов. - Тогда возникнет спрос на недорогие плоские (они в 2 раза дешевле вакуумных) коллекторы». 

Возможно, именно рост тарифов на газ и электричество поможет сломать стереотип о том, что гелиоустановки не пригодны для российского климата, и потенциальные потребители поверят в то, что энергия солнца может согреть их дом.

 

Екатерина Зубкова

На первой фото - плоский СК «Сокол» (ОАО «ВПК «НПО машиностроения»)

 

Читайте также: