Введение
По данным аналитического центра REN21 (ren21.net), работающего под эгидой Программы ООН по окружающей среде, в мире на начало 2019 года общая установленная мощность солнечного теплоснабжения составляла 480 ГВт (600 млн м²). В России, по экспертным данным, она равна 68 МВт (85 тыс. м²) [1]. Советская система развития солнечного теплоснабжения включала пять основных научных школ, четыре специализированных научно-исследовательских и проектных института, семь заводов по производству солнечных коллекторов (СК) и специализированную организацию «Спецгелиотепломонтаж» (город Тбилиси), которая занималась исследованиями, проектированием, изготовлением СК и монтажом гелиоустановок (ГУ) [2].
Теоретические основы создания в СССР солнечных коллекторов и гелиоустановок были заложены в 1924 году д.т.н. Б. П. Вейнбергом (1871–1942). Оптимизацией конструкции СК и массовым сооружением ГУ в 1930-е годы занимался к.т.н. Б. В. Петухов. Главным гелиотехническим теоретиком СССР в 1970-е годы был д.т.н. Б. В. Тарнижевский (1930–2008), который разработал и испытал большинство советских конструкций СК. Лидер ташкентской гелиотехнической школы д.т.н. Р. Р. Авезов разработал методы эксергетического анализа и новые конструкции СК. Ведущими проектными институтами по ГУ были Киевский (д.т.н. М. Д. Рабинович, к.т.н. А. Р. Ферт) и Ташкентский (к.т.н. Ю. К. Рашидов) зональные научно-исследовательские и проектные институты (НИПИ) экспериментального проектирования.
В СССР основными производителями солнечных коллекторов были Братский завод отопительного оборудования (до 100 тыс. м² в год) и «Спецгелиотепломонтаж» в Тбилиси (до 40 тыс. м² в год). В 1990-е годы СК с оптимальным соотношением цены и энергетической эффективности производил Ковровский механический завод под руководством А. А. Лычагина (1933–2012). На их основе в Краснодарском крае д.т.н. В. А. Бутузовым были построены более 100 ГУ общей площадью 10 тыс. м². В 2000-х годах Г. П. Касаткиным в городе Улан-Удэ были разработаны и изготовлены несколько конструкций СК и десятки ГУ общей площадью 4000 м².
В современной России научной школой солнечного теплоснабжения является Объединённый институт высоких температур (ОИВТ) РАН под руководством д.т.н. О. С. Попеля [3]. В «Атласе солнечной радиации России» [4] и компьютерной базе данных ГИС «ВИЭ России» (gisre.ru) представлены необходимые материалы для проектирования гелиоустановок. В книге [5] приведены данные о солнечной радиации городов Краснодарского края, полученные сопоставлением многолетних метеонаблюдений и компьютерной базы данных NASA Power. В работе [6] приведены результаты исследований д.т.н. В. В. Харченко о расчётных данных солнечной радиации российских регионов. В статье С. Е. Фрида и Н. В. Лисицкой [7] представлен анализ типичных параметров и конструкций современных солнечных коллекторов, на основании которого сделан вывод о достижении пределов совершенствования плоских СК. Зарубежный и отечественный опыт сертификации российских СК и гелиоустановок представлен в статье М. Ж. Сулейманова [8].
В работе С. Е. Фрида и А. Б. Тарасенко [9], на основании сопоставления стоимостных показателей тепловых и фотоэлектрических гелиоустановок, сделан вывод о достижении технического предела совершенствования тепловых гелиоустановок и о тенденции замены их фотоэлектрическими ГУ.
Проектированием гелиоустановок в настоящий момент занимаются ООО «Новый Полюс» (Москва), ООО «Энерготехнологии-Сервис» (город Краснодар) [10], ЗАО «Ростовтеплоэлектропроект» [11]. Экономическое обоснование проектирования ГУ исследуют в МГУ им. М. В. Ломоносова (Москва) — к.т.н. К. С. Дегтярёв [12] и к.э.н. А. Е. Копылов [13].
Солнечные коллекторы
В 2018 году в России, по экспертным данным, общая площадь смонтированных солнечных коллекторов составила 1000 м² (100%), в том числе вакуумных трубчатых — 370 м² (37%), из них российского производства 40 м², плоских остеклённых — 630 м² (63%), из них российского производства 500 м².
Солнечные коллекторы в России производят две организации. ООО «Новый Полюс» предлагает СК собственного изготовления серии «Яsolar» следующих видов: плоские жидкостные, воздушные, воздушно-жидкостные, трубчатые вакуумные жидкостные.
Конструкция жидкостного плоского солнечного коллектора серии «Яsolar» предлагается в четырёх модификациях: три с размерами 2070×1070×103 мм и одна — 1073×1070×103 мм. Адсорбер — листотрубный медный. Лист с селективным покрытием TiNOX штампуется с углублением под медную трубку диаметром 9 мм.
Лист и трубки соединены методом пайки бессвинцовым припоем. Производитель предлагает СК со стеклом толщиной 3,2 мм или поликарбонатом 6 мм по цене от 17500 до 29800 руб. за СК (на 2019 год). Уплотнение стекла специальной резиной, конструкция корпуса — рамная из алюминиевого профиля, теплоизоляция толщиной 60 мм, тыльная сторона — из листового алюминия.
Воздушный солнечный коллектор при площади 2 м² предлагается по цене 27300 руб. со стеклом (26500 руб. с поликарбонатом), воздушно-жидкостный при той же площади со стеклом — 29800 руб. (28500 руб. с поликарбонатом). Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы предлагаются с 10-ю, 20-ю и 30-ю трубками с площадью 0,83; 1,728 и 2,592 м², с U-образными медными трубками стоимостью от 23300 до 55800 руб.
Второй российский производитель жидкостных солнечных коллекторов — АО «НПО «Машиностроение» производит солнечные коллекторы «Сокол-Эффект» размерами 2008×1093×76,7 мм с двумя видами листотрубных адсорберов — медными и алюминиевыми, имеющими селективное поглощающее покрытие чешского производства. Применяется специальное закалённое узорчатое антибликовое стекло толщиной 3,2 мм с низким содержанием железа, с прозрачностью не менее 93,5%. Уплотнение стекла — резиной EPDM. Конструкция корпуса — рамная из алюминиевого профиля. Теплоизоляция толщиной 50 мм. Для монтажа солнечных коллекторов предлагаются специальные конструкции и межколлекторные сильфонные компенсаторы.
Цена СК с медными адсорберами составляет 31692 руб., с алюминиевыми — 29590 руб. (на 2019 год).
Гелиоустановки
В России монтажом гелиоустановок в основном занимаются две компании: ООО «Атмосфера», ООО «Новый Полюс». В 2018 году ими было установлено 900 м² (100%) ГУ, в том числе 590 м² (59%) смонтировало ООО «Атмосфера» и 310 м² (31%) — ООО «Новый Полюс».
Для анализа современных российских ГУ отобраны установки, построенные в 2018–2019 годах с солнечными коллекторами и баками-аккумуляторами отечественных производителей. Следует отметить, что в связи с резким снижением курса рубля по отношению к мировым валютам в 2015 году (почти вдвое) соответственно увеличились цены на зарубежные СК и оборудование ГУ. Если в 2014 году импорт СК достигал 12 тыс. м², то в последующие годы качественное гелиотехническое оборудование для потребителя в России стало практически недоступно. В настоящее время в наибольших масштабах ГУ эксплуатируются в Краснодарском и Ставропольском краях, Бурятии, Астраханской и Волгоградской областях, Хабаровском и Приморском краях. Самая большая российская ГУ работает в городе Нариманов Астраханской области (4400 м²), она показана на фото 1 [10].
Компания ООО «Новая энергия» из города Горячий Ключ Краснодарского края смонтировала гелиоустановку базы отдыха АО «НПО «Машиностроение» в посёлке Архипо-Осиповка Краснодарского края с 50 СК типа «Сокол-Эффект-М» собственного производства, общей площадью 100 м² (фото 2). СК размещены на кровле столовой, ориентация южная, угол наклона — 45° к горизонту.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 1.
Солнечные коллекторы скомпонованы в пять блоков по десять штук. Схема обвязки блоков СК — противоточная с балансировочными клапанами. Четыре бака-аккумулятора вместимостью по 2 м³ установлены в подвале здания. Гелиоконтур включает в себя СК, змеевики баков-аккумуляторов, насосную станцию, установку аварийного расхолаживания, пластинчатый теплообменник дежурного отопления зданий. Баки-аккумуляторы из нержавеющей стали произведены в Республике Беларусь. Теплоноситель гелиоконтура — производства ООО «Сила солнца», контроллер гелиоустановки — фирмы Resol (Германия).
Сметная стоимость составляет 6,6 млн руб. (100%), в том числе стоимость солнечных коллекторов, оборудования и материалов — 80,3%.
Компания ООО «Атмосфера» в 2019 году смонтировала гелиоустановки общей площадью 370 м², в том числе с плоскими СК — 120 м², с трубчатыми вакуумными — 250 м². В 2019 году фирма завершила монтаж гелиоустановки систем отопления и ГВС санатория «Меллас» (Mellas Health Resort) в посёлке Санаторный города Ялты (Республика Крым) общей площадью 72 м² (фото 3).
Ориентация гелиоустановки юго-восточная (азимутальный угол — 35°). Угол наклона СК — 45° к горизонту. Принципиальная схема ГУ представлена на рис. 2.36 СК производства АО «НПО «Машиностроение» установлены на плоской кровле здания в трёхрядном исполнении.
В каждом ряду по два блока из шести СК. Два бака-аккумулятора вместимостью по 2 м³ имеют по два встроенных греющих змеевика. Гелиоконтур включает в себя СК, змеевики баков-аккумуляторов, насосную станцию и пластинчатый теплообменник для дежурного отопления зданий. Проектом предусмотрены три режима работы установки. Летом при максимальном расходе воды ГВС в работе два стальных эмалированных бака вместимостью по 2 м³ и дальнейший догрев воды в котельной. При уменьшении расхода воды на ГВС контроллер SR1568 (Китай) производит последовательный нагрев воды в одном, затем во втором баке.
В зимнее время баки-аккумуляторы отключаются, и теплоноситель ГУ нагревает сетевую воду дежурного отопления здания. Сметная стоимость гелиоустановки — 3,5 млн руб., в том числе одна треть — приобретение солнечных коллекторов. Проектная мощность гелиустановка — 48 кВт, дневная выработка тепловой энергии — 240 кВт·ч. ГУ оборудована узлом учёта тепловой энергии.
В 2019 году ООО «Новый Полюс» завершено строительство гелиоустановки горячего водоснабжения детского оздоровительного лагеря «Зелёный огонёк» в посёлке Дедеркой (город Туапсе Краснодарского края), фото 4. На кровле столовой смонтированы 120 СК блоками по пять единиц. Основные технические характеристики СК: площадь — 240 м², адсорбер — медный листотрубный, паяный, собственного производства.
Принципиальная схема гелиоустановки представлена на рис. 3.
Схема гелиоустановки — двухконтурная. Вспомогательное оборудование ГУ размещено в отдельном модуле размерами 8×3×4 м. Применены четыре бакааккумулятора белорусского производителя с греющими змеевиками. Аварийное расхолаживание обеспечивается четырьмя тепловентиляторами, управляемыми контроллером ТРМ (ООО «Овен», Москва). Циркуляция теплоносителя (ЕСО «Сила солнца») — принудительная. Работой гелиоустановки управляет контроллер ТРМ. Ведётся дистанционный мониторинг работы ГУ через модем.
Экономическая окупаемость
Для анализа перспектив российского рынка ГУ практически неприменима международная методика определения выравненных затрат на единицу производимой энергии за жизненный цикл (Levelized Cost of Energy, LCoE). Резкое изменение в 2015 году курса национальной валюты, нестабильность налоговой политики и отсутствие государственной поддержки при оценке экономической целесообразности сооружения ГУ делает актуальным упрощённый подход с использованием формулы:
где Т — срок экономической окупаемости; К — удельные инвестиционные затраты (сметная стоимость), руб/м²; k — коэффициент удельных эксплуатационных затрат; Σ(Jсолн) — суммарная солнечная радиация в плоскости СК, кВт·ч/м²; Кэ — коэффициент использования солнечной радиации; η — коэффициент преобразования солнечной радиации; Ст — удельная стоимость замещаемой тепловой энергии, руб/ кВт·ч; Кп — коэффициент прогнозного роста стоимости замещаемой тепловой энергии.
Эксплуатационные затраты на ГУ складываются из стоимости приобретения ремонтных комплектов СК и оборудования, работ по обслуживанию, замены теплоносителя, электроснабжения, поверки и ремонта приборов и оцениваются в 3–5% стоимости инвестиционных затрат. Суммарная интенсивность солнечной радиации в плоскости СК определяется по известным методикам [10] на основе компьютерных баз данных. Поправочный коэффициент Кэ учитывает фактическую работу ГУ в утренние и вечерние часы по команде контроллера и оценивается в 0,85–0,9. Коэффициент преобразования солнечной радиации определяется конструкцией СК и режимами работы ГУ и составляет 0,4–0,5. Коэффициент прогнозного роста стоимости замещаемой тепловой энергии определяется государственной политикой и на ближайшие годы оценивается в 1,03.
Срок окупаемости гелиоустановки в посёлке Архипо-Осиповка по приведённой формуле при стоимости замещаемой электроэнергии 6 руб/ кВт·ч и круглогодичном режиме работы превышает 20 лет (срок службы СК). Срок окупаемости ГУ в Крыму с аналогичными СК при стоимости замещаемой тепловой энергии 8 руб/ кВт·ч (котельная на дизельном топливе) и круглогодичном режиме работы составит 17 лет. Стоимость ГУ в посёлке Дедеркой (Туапсе) значительно ниже, чем двух предыдущих, так как её монтаж выполнен изготовителем СК. При стоимости СК, оборудования и материалов 5,1 млн руб. и стоимости работ 2,8 млн руб., при сезонном режиме работы и стоимости замещаемой тепловой энергии 8 руб/ кВт·ч срок окупаемости ГУ составит 4,5 года.
Заключение
С учётом изложенного, можно сделать следующие выводы:
1. Современные российские научные разработки, технические и проектные решения обеспечивают возможность производства солнечных коллекторов мирового уровня теплотехнического совершенства и гелиоустановок на их основе.
2. Для современного этапа сооружения гелиоустановок в России характерно их применение в основном для горячего водоснабжения с насосной циркуляцией со сроком окупаемости от 4,5 года, что делает их конкурентоспособными для дальнейшего тиражирования.
3. Формирование в России рынка солнечного теплоснабжения будет возможно при государственной поддержке их строительства на региональном и федеральном уровнях.
