Солнечные коллекторы для нужд отопления и горячего водоснабжения в России

В течение последних 30 лет во всем мире проводятся работы по разработке и практическому освоению возобновляемых источников энергии. Основными причинами интереса к этой области нетрадиционной энергетики являются изменение климата, которое связывается в первую очередь с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере, осознание конечности запасов ископаемых топлив на Земле и зависимость многих стран от импорта ископаемого топлива.

Необходимость поиска альтернативы традиционным источникам энергии

В статистическом обзоре мировых энергетических ресурсов за 2010 год, подготовленном компанией ВР [1], приводятся данные по доказанным запасам и объемам добычи нефти, газа и угля в различных странах. Так, доказанные запасы нефти в России составляют 10,2 млрд тонн, а годовая добыча — 494,2 млн тонн. Это значит, что при неизменных объемах добычи доказанных запасов нефти в России хватит примерно на 20 лет. Будучи на первом месте в мире по добыче нефти, Россия стоит на шестом месте в мире по ее доказанным запасам после Саудовской Аравии, Венесуэлы, Ирана, Ирака, Кувейта и ОАЭ — в каждой из этих стран разведанных запасов нефти при современных объемах добычи хватит примерно на 100 лет.

Общая статистика по всем странам мира показывает, что мировых доказанных запасов нефти при современном уровне добычи (запасы — 189,7•10 ⁹ тонн, добыча — 3,82•10 ⁹ тонн) хватит менее чем на 50 лет.

Разумеется, в перспективе будут обнаружены и новые месторождения нефти, запасы которых перейдут в разряд доказанных. Тем не менее, по оценкам экспертов, удельный вес нефти как энергоносителя к концу века значительно снизится, и человечеству нужно готовиться к ее замене на другие источники энергии.

По доказанным запасам газа (44,38•10 ¹² кубических метров) и по объемам его добычи (0,5275•10 ¹² м ^{3^/год) Россия стоит на первом месте в мире, при этом простое деление показывает, что при неизменных объемах добычи этих запасов хватит примерно на 80 лет. Общемировые доказанные запасы газа составляют 187,49•10 ^12} м ³ при уровне добычи 2,987•10 ¹² м ^3^/год. Отсюда видно, что доказанные мировые запасы газа будут исчерпаны в течение ближайших шестидесяти лет. К концу текущего столетия газ, по-видимому, перестанет быть таким же доступным энергоносителем, как в настоящее время.

Шанс продлить время использования традиционного топлива дает атомная энергетика, но не все страны по разным причинам готовы к тому, чтобы этот шанс использовать. В частности, Германия к 2030 году планирует вывести из эксплуатации все атомные электростанции, заместив их различными видами возобновляемых источников энергии.

Перспективы солнечной энергетики

Снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО ₂ позволяет использование солнечной энергии для производства низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд. В настоящее время более 40 % первичной энергии, расходуемой человечеством, приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе использование солнечной энергии наиболее экономически и технологически приемлемо. Для многих стран использование солнечных систем теплоснабжения — это еще и способ уменьшить зависимость экономики от импорта ископаемого топлива. Такая задача особенно актуальна для стран Европейского союза, экономика которого уже сейчас на 50 % зависит от импорта ископаемых энергоресурсов, а до 2020 года эта зависимость может возрасти до 70 %, что является угрозой экономической безопасности.

О масштабах использования солнечных систем теплоснабжения за рубежом можно судить на примере Германии, имеющей сходные климатические условия со многими районами России. В 2010 году в этой стране общая площадь установленных солнечных коллекторов равнялась 14 000 000 м ², к концу 2010 года с их помощью было выработано 5 200 000 000 кВт•ч тепловой энергии. За это же время в стране было установлено 1150000 м ² новых солнечных коллекторов [2]. И это несмотря на кризисные явления в экономике европейских стран.

Климатические условия в России не менее благоприятны для использования солнечных систем теплоснабжения, чем в Германии, что иллюстрируют данные, собранные в табл. 1.

Таблица 1. Поступление солнечной радиации

Краснодар (45°) – 3,54 кВт•ч/м²•день	Фрайбург (48°) – 3,33кВт•ч/м²•день
Волгоград (48,7°) – 3,51 кВт•ч/м²•день	Мюнхен (48,2°) – 3,15 кВт•ч/м²•день
Улан-Удэ (51,8°) – 3,37 кВт•ч/м²•день	Кассель (51,5°) – 2,7 кВт•ч/м²•день
Иркутск (52,3°) – 3,32 кВт•ч/м²•день	Гамбург (53,5°) – 2,65 кВт•ч/м²•день
Москва (55,8°) – 2,86 кВт•ч/м²•день	Гамбург (53,5°) – 2,65 кВт•ч/м²•день

В Якутске (62°), расположенном значительно севернее Германии, приход солнечной радиации (2,97 кВт•ч/м ² •день) выше, чем в Гамбурге и Касселе. В Сочи и Владивостоке приход солнечной радиации (соответственно 4,00 кВт•ч/м ² •день и 3,77 кВт•ч/м ² •день) выше, чем в любой точке Германии

Солнечные коллекторы АЛЬТЭН

Коллектор АЛЬТЭН-1 на сертификационных испытаниях в Германии

Рис. 1. Коллектор АЛЬТЭН-1 на сертификационных испытаниях в Германии

Научно-производственная фирма АЛЬТЭН (НПФ АЛЬТЭН) ставит перед собой задачу использования потенциала солнечной энергии в России и создания серийного производства солнечных коллекторов для систем бытового и промышленного теплоснабжения, соответствующих мировым стандартам.

К настоящему времени коллективом НПФ АЛЬТЭН накоплены большой научный задел и производственный опыт, необходимые для решения задач, связанных с созданием серийного производства солнечных коллекторов. Сертификация первой модели коллектора АЛЬТЭН-1 в Германии и США, получение 12 золотых медалей на международных выставках в Москве, Женеве, Париже, Брюсселе, Куала-Лумпуре и других городах, показали, что эта модель соответствует мировым стандартам качества. В 2008 году был получен Российский патент на новую, улучшенную модель коллектора АЛЬТЭН-2, адаптированную к серийному производству. Этот патент прошел международную экспертизу по системе РСТ и в настоящее время находится на оформлении в Бюро патентов и товарных знаков США. В 2009 г. коллектор АЛЬТЭН-2 был отмечен золотой медалью на Всемирной выставке инноваций, исследований и новых технологий в Брюсселе. В 2009 и 2010 годах получены новые патенты, расширяющие возможности использования коллекторов серии АЛЬТЭН. Эти разработки могут быть с успехом использованы для систем солнечного теплоснабжения в различных регионах России.

В процессе достижения поставленной цели будут решены следующие задачи:

создание высокотехнологичного серийного производства новых солнечных коллекторов, соответствующих по своим характеристикам требованиям мировых стандартов;
сертификация предлагаемых солнечных коллекторов по стандартам ЕС и США;
выход на российский и международный рынки;
формирование в России инфраструктуры, необходимой для широкого использования солнечных систем теплоснабжения;
проведение НИОКР в интересах дальнейшего совершенствования характеристик выпускаемой продукции;
создание в России и в зарубежных странах региональных дочерних фирм, выпускающих коллекторы серии АЛЬТЭН.

Ниже приведены краткие сведения о коллекторах серии АЛЬТЭН, планируемых к серийному производству.

Таблица 2. Характеристики коллектора АЛЬТЭН-1

Температура абсорбера, °С	КПД, %	Коэффициент потерь, Вт/м ² •К
60	54,2	3,04
70	49,3	3,21
80	44,1	3,39
90	38,2	3,56

Солнечные коллекторы для нужд отопления и горячего водоснабжения в России

Первая модель серии, коллектор АЛЬТЭН-1, выпускалась малыми партиями на производственной базе ЗАО «АЛЬТЭН». Этот коллектор был использован для проверки технологичности изготовления подобных устройств в условиях промышленного производства, а также для проведения сертификационных испытаний в Германии (рис. 1) и США. Фрагменты производственного процесса при изготовлении модели АЛЬТЭН-1 показаны на рис. 2.

Коллектор АЛЬТЭН-2 [3] — следующая модель серии (рис. 3). Он состоит из наружного прозрачного ограждения из двухслойного ячеистого поликарбоната, охватывающего со всех сторон находящийся внутри абсорбер с трубками для протока теплоносителя, и тепловой изоляции с тыльной стороны. С торцевых сторон внутренняя часть коллектора закрыта стеклопластиковыми крышками, сквозь которые выходят наружу штуцеры для подвода и отвода теплоносителя. В двухслойном ячеистом поликарбонате наружная и внутренняя стенки разделены поперечными ребрами, образующими замкнутые каналы, препятствующие конвективному движению воздуха.


Рис. 2. Производственны участки изготовления коллектора АЛЬТЭН-1

Рис. 3. Коллектор АЛЬТЭН-2 с одноходовым и двухходовым протоком теплоносителя	Рис. 4. Система теплоснабжения с принудительной циркуляцией теплоносителя

Термосифонная система теплоснабжения с коллекторами АЛЬТЭН

Рис. 5 Термосифонная система теплоснабжения с коллекторами АЛЬТЭН

Неподвижный воздух — хороший теплоизолятор, обеспечивающий малые тепловые потери через прозрачное ограждение с лицевой стороны коллектора. Благодаря тому, что прозрачное ограждение выполнено в виде замкнутой оболочки, а абсорбер имеет выпуклую форму, солнечные лучи попадают на него с рассвета и до заката. На поверхности абсорбера находится селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения солнечной энергии (95 %) и малым коэффициентом излучения в длинноволновой области спектра (5 %), что наряду с высоким термическим сопротивлением оболочки обеспечивает малые потери в окружающую среду. Этот фактор оказывается особенно важным для районов, где низкая температура окружающей среды сочетается с большими приходами солнечной радиации, как, например, в Якутии, горных районах Кавказа или в северной части Казахстана.

Коллекторы АЛЬТЭН могут использоваться как в схемах с принудительной циркуляцией теплоносителя (рис. 4), так и в термосифонных системах (рис. 5).

В 2009 г. получены патент на новую конструкцию коллектора с поликарбонатной оболочкой [4], а также два патента на комбинированные жидкостный и воздушный коллекторы [5, 6]

Литература

BP Statistical Review of World Energy June 2010, 1–45p
Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety «Renewable energy sources 2010». March 2012.
Казанджан Б. И. Патент на изобретение № 2329437 «Солнечный коллектор (варианты) и способ изготовления оболочки солнечного коллектора».
Казанджан Б. И. Патент на изобретение № 2407957 «Солнечный коллектор».
Патент на изобретение № 2387931 «Многофункциональный солнечный коллектор».
Патент на изобретение № 2388974 «Солнечный коллектор»

Автор

Казанджан Б.И.

Доктор технических наук, президент НПФ АЛЬТЭН, профессор Московского энергетического института, академик Международной академии наук высшей школы, Российской академии наук высшей школы, Нью-Йоркской академии наук, член Международного общества солнечной энергии, Американской ассоциации солнечной энергии

Правила использования статей