Для солнечной энергетики важнейшее значение имеет достоверная информация о солнечной радиации. С 1964 года в Геленджикской базовой лаборатории Краснодарского филиала Всесоюзного института источников тока (ВНИИТ) велись измерения прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации. В 1989 году в работе [1] были предоставлены результаты обработки этих измерений, а также аналогичных данных метеостанций города Краснодара. Полученные результаты позволили избежать ошибки в 18% при использовании климатологического справочника [2].

В 1994 году институт «Ленгидропроект» (Санкт-Петербург) выполнил обработку результатов измерений 40 метеостанций Краснодарского края [3] с учётом климатологического справочника [4]. Расчётные данные работы [3] в 2003 году были дополнены результатами обработки 15-летних измерений солнечной радиации городов Краснодара и Геленджика [5]. На рис. 1 представлена графическая интерпретация суммарной годовой солнечной радиации на территории региона в кВт·ч/м².

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 1

В 2000-х годах в работе [6] было выполнено сопоставление характеристик солнечной радиации на основе измерений метеостанций и американской компьютерной базы данных The NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE) [7].

Установлено, что для проектирования гелиоустановок в условиях Краснодарского края использование данных [7] приводит к отклонениям до 55%. В тоже время их применение рекомендовано для предварительной оценки сроков окупаемости гелиоустановок (ГУ).

Развитие солнечного теплоснабжения в советское время осуществлялось в плановом порядке. В Совете Министров СССР (бюро по топливно-энергетическому комплексу) П. П. Безруких координировал работу по производству солнечных коллекторов (СК), разработке нормативных документов [8]. В Краснодарском крае под контролем крайкома КПСС действовала региональная программа развития ВИЭ, в том числе гелиоустановок. Инициатором её реализации в крае был главный инженер Управления жилищнокоммунального хозяйства крайисполкома В. Г. Кириллов. По его инициативе в 1986 году институтом ЦНИИ ЭПИО (Москва) был разработан проект солнечно-теплонасосной установки ГВС гостиничного комплекса «Приветливый берег» в городе Геленджике. Площадь ГУ с СК Братского завода равнялась 690 м², тепловая мощность тепловых насосов, повышающий температурный градиент теплоносителя ГУ, составила 700 кВт. Выполнение функции заказчика этой ГУ было поручено В. А. Бутузову. По ряду причин этот проект не был реализован.

Практическое сооружение гелиоустановок на Кубани было начато в 1985 году заместителем главного инженера производственного объединения «Кубаньтеплокоммунэнерго» В. А. Бутузовым при поддержке генерального директора этого объединения П. С. Сургучева. Первая гелиоустановка была построена в 1987 году в городе Анапе на котельной городской больницы (адрес: ул. Крымская, д. 34) при поддержке и помощи директора предприятия «Тепловые сети» этого города П. И. Ачкинадзе (1944 г.р.). Установленная мощность этой ГУ составляла 320 кВт, площадь СК — 400 м² (рис. 2).

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 2

Первоначально на этой гелиоустановке были установлены солнечные коллекторы Братского завода со стальными абсорберами на навесе и Киевского завода с алюминиевыми абсорберами на кровле котельной. Теплоносителем был специальный состав (АСОЛ-У). Практически ГУ работала на химически очищенной воде (одноступенчатое Na-катионирование).

Ориентация СК южная, угол наклона 45° к горизонту. Гелиоконтур включал СК, кожухотрубный теплообменник, насосы. Догрев воды после ГУ производился в теплообменнике котельной. После первых лет эксплуатации обнаружились массовые повреждения СК Братского завода: трещины стёкол, полимеризация герметизирующей стекло мастики Guerlain («Герлен»), проникновение дождевой влаги в СК, смещение теплоизоляции и коррозия абсорбера при её намокании, повреждения и коррозия лакокрасочного покрытия корпусов СК в условиях морского климата. Через пять лет, в 1992 году, солнечные коллекторы Братского и Киевского заводов были заменены на продукцию Тбилисского завода, более надёжную в эксплуатации при сохранении той же мощности [9].

Вторая гелиоустановка была построена в 1988 году на кровле трёхэтажного административного здания объединения «Кубаньтеплокоммунэнерго» в Краснодаре (адрес: ул. Захарова, д. 35/1). 360 СК, произведённые предприятием «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) общей площадью 216 м² обеспечивали предварительный нагрев воды на ГВС рядом расположенной котельной. Ориентация СК южная, угол наклона 45° к горизонту. Схема ГУ — одноконтурная.

В том же 1988 году в городе Усть-Лабинске на кровле котельной по ул. Коллективной были смонтированы 180 «грузинских» СК общей площадью 108 м². Гелиоустановка обеспечивала горячее водоснабжение детского сада, расположенного в 500 м от котельной. Гелиоконтур включал в себя СК, насос, тепловые сети и теплообменник, установленный в здании детского сада.

Особенностью гелиоустановки издательства «Советская Кубань» по ул. Шаумяна в Краснодаре, построенной в 1989 году (рис. 3), площадью 260 м² (432 «грузинских» СК), являлось применение самодренируемой схемы. Баки-аккумуляторы и насосы были установлены на 10 м ниже коллекторов и при остановке насосов вода из СК сливалась в баки. При выполнении работ по гидравлической увязке блоков СК удалось повысить КПД гелиоустановки на 10%.

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 3

В 1989 году в городе Тимашевске на котельной по ул. Чапаева была смонтирована ГУ площадью 326 м² с солнечными коллекторами Братского завода, абсорберы которых имели гальваническое покрытие «чёрный хром». В том же году был завершён монтаж гелиоустановки котельной в посёлке Верхнебаканском города Новороссийска, площадью 250 м² (417 «грузинских» СК).

С учётом изложенного, в 1987–1989 годах были построены шесть гелиоустановок общей площадью 1560 м² с солнечными коллекторами основных российских производителей: Братского завода и объединения «Спецгелиотепломонтаж». Применялись открытые и закрытые схемы с использованием специального теплоносителя, самодренируемая схема, гидравлическая увязка блоков СК.

Второй этап развития гелиотехники на Кубани был после защиты В. А. Бутузовым в 1987 году кандидатской диссертации и организации Краснодарской базовой лаборатории Академии коммунального хозяйства. Помимо работ по исследованию характеристик солнечной радиации региона, проводились испытания и наладочные работы ранее построенных ГУ, обобщение опыта их эксплуатации, разработка норм их проектирования. На кровле здания лаборатории в Краснодаре (адрес: ул. Захарова, д. 35/1) был построен испытательный стенд, на котором проводились натурные испытания со сравнением характеристик стандартных (серийно производимых) и разработанных лабораторией СК с листотрубными абсорберами (медь-медь, алюминий-алюминий, регистровые и змеевиковые конструкции), со стеклом толщиной 4 мм, корпус рамный из алюминиевого профиля, теплоизоляция — пенопласт, тыльное покрытие — гетинакс. Всего были разработаны, изготовлены и испытаны четыре основные конструкции солнечных коллекторов.

Третий этап развития гелиоустановок, с 1993 года, был основан на долголетнем сотрудничестве с Ковровским механическим заводом (КМЗ). Главный конструктор завода А. А. Лычагин (1933–2012) по собственной инициативе разработал конструкцию СК с абсорбером из латунной трубки, на каждую из которых были наплавлены алюминиевые ребра. Габариты СК составляли 940×940×100 мм. А. А. Лычагина отличали высокий интеллект, широкий кругозор, культура. Создав поколение ракет «земля-воздух», в 1990-е годы специалист искренне увлёкся гелиотехникой. Совместно с В. А. Бутузовым были созданы, с учётом опыта эксплуатации, несколько новых конструкций солнечных коллекторов. Была разработана, испытана, защищена авторскими свидетельствами конструкция СК с оптимальным соотношением цены и энергетической эффективности. Вместо наплавленных алюминиевых рёбер на трубки абсорбера контактной сваркой крепились ребра из листовой стали. Упрощённая и надёжная конструкция, герметизации стёкол, удешевлённая теплоизоляции корпуса, новое лакокрасочное покрытие отличали этот солнечный коллектор. На заводе был создан испытательный стенд для солнечных коллекторов, разработаны новые методики испытания. Всего КМЗ произвёл более 3000 СК, установленных в основном в Краснодарском крае.

На этом этапе развития были достигнуты максимальные объёмы сооружения гелиоустановок. Эти результаты были получены совместно с организацией в 1994 году д.т.н. В. А. Бутузовым и к.т.н. Л. А. Репиным (1944–2014) акционерного общества «Южно-Русская энергетическая компания» («ЮРЭК»), одним из учредителем которого было учреждение «Госэнергонадзор» объединения «Кубаньэнерго»: директор Д. Н. Севастиди, главный инженер А. Е. Янаки, руководитель инспекции «Энергонадзора» Н. И. Нечитайло. С их помощью было организовано массовое внедрение гелиоустановок, в первую очередь для замещения электронагрева. Десятки сооружаемых гелиоустановок отличались разнообразными техническими решениями.

Гелиоустановка локомотивного депо в Тихорецке площадью 96 м² с СК КМЗ (рис. 4) была выполнена по самодренируемой схеме. Она имела самый малый срок окупаемости (шесть месяцев), так как заменила паровоз на мазуте, работавшего с КПД 20% на горячее водоснабжение.

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 4

Для баз отдыха на побережьях Чёрного и Азовского морей сооружались гелиоустановки с естественной циркуляцией (рис. 5). Баки-аккумуляторы из чёрного металла имели внутренне коррозионно-устойчивое лакокрасочное покрытие. В ЮРЭК был организован полный технологический цикл: проектирование, совместное с КМЗ производство СК, комплектация и монтаж ГУ. Ежегодно монтировались до 17 гелиоустановок. В 2000 году в составе ЮРЭК было создано специализированное предприятие по ГУ — ООО «Теплопроектстрой».

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 5

В 1990-е годы в Краснодарском крае велись наиболее масштабные в Российской Федерации работы по наземной фотоэнергетике. Объединение «Сатурн», основанное на базе Всесоюзного института источников тока (ВНИИТ, ныне АО «НПП Квант») в 1964 году, являлось вторым по объёмам производителем фотоэнергетики космических аппаратов и основным по наземной фотоэнергетики. В 1980-е в посёлке Черноморском Краснодарского края был построен первый в СССР «Солнечный дом». Над кровлей двухэтажного коттеджа были смонтированы фотоэлектрические панели, произведённые объединением «Сатурн» (рис. 6).

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 6

Развитием наземной фотоэнергетики на «Сатурне» руководил к.т.н. М. Б. Закс (1944 г.р.). Основанная им фирма «Кварк» разработала и построила, помимо фотоэлектрических установок, около десятка гелиоустановок для горячего водоснабжения. Этими работами руководил Е. П. Масягин. Им была разработана дешёвая и надёжная листотрубная конструкция абсорбера из чёрного листового металла и полудюймовой стальной трубы. На рис. 7 представлена ГУ на кровле котельной базы отдыха Кубанского аграрного университета в посёлке Криница, площадью 130 м² (1997 год).

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 7

С 2005 года разработка и монтаж гелиоустановок переместились в АО «Южгеотепло», под руководством В. А. Бутузова после защиты им в 2004 году докторской диссертации. Центр энергосбережения и новых технологий (директор д.э.н. В. Х. Шетов), руководитель департамента по вопросам топливно-энергетического комплекса Краснодарского края В. В. Чепель и главный инженер П. П. Алёшин оказали большую поддержку в развитии гелиоустановок. В 2005 году была построена гелиоустановка угольной котельной в посёлке Солоники (Лазаревский район, город Сочи), площадью 258 м², которая позволила в летнее время заменить сжигание угля. Для нескольких котельных в Славянском и Кореновском районах Краснодарского края были сооружены ГУ, которые в летнее время высвободили операторов и обеспечили работу котельных в автоматическом режиме.

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 8

Новым этапом развития гелиотехники на Кубани было применение самых современных для того времени солнечных коллекторов немецкого производителя фирмы WOLF, с использованием которых в 2011 году в Усть-Лабинске для горячего водоснабжения центральной районной больницы была построена самая большая в Краснодарском крае гелиоустановка площадью 600 м² (рис. 8). С такими же коллекторами в 2012 году в посёлке Розовом Лабинского района была построена геотермально-солнечная установка площадью 144 м² (рис. 9).

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 9

Развитием гелиоустановок в Сочинском государственном университете (Институт курортного дела и туризма) руководил д.т.н., профессор П. В. Садилов, заведующий кафедрой инженерной экологии. Инициатор возобновляемой энергетики, мастер парашютного спорта, он разработал и построил несколько гелиоустановок, в том числе в 1995 году в посёлке Лазаревском (Сочи) ГУ площадью 400 м², комбинированную гелиоустановку с тепловыми (48 м²) и фотоэлектрическими солнечными коллекторами Сочинского института курортологии, а также несколько теплонасосных установок. С 2010 года стали строиться гелиоустановки с солнечными коллекторами фирмы Ariston (Италия). Самая большая гелиоустановка с этими коллекторами была построена в 2014 году для госпиталя Министерства обороны РФ в Анапе по Пионерскому проспекту — 325 м². С 2011 года в Краснодарском крае по инициативе М. Б. Закса стали монтироваться гелиоустановки с солнечными коллекторами израильской фирмы Amcor. Гелиоустановки с такими же коллекторами сооружались также ООО «Консул-Юг» под руководством А. Ю. Калинского.

С 2011 года и по настоящее время изготовлением плоских солнечных коллекторов собственной конструкции, а также монтажом гелиосистем с их применением в энергоэффективных зданиях занимается ООО «АльтЭнергия» под руководством А. В. Темерова.

В связи с отсутствием государственной поддержки, низкими ценами на органическое топливо и снижением курса рубля в 2015 году почти вдвое, в настоящее время в России серийное производство солнечных коллекторов отсутствует. В 2019 году в России СК производят по отдельным заказам две организации.

Компания ООО «Новый Полюс» предлагает солнечные коллекторы собственного изготовления типа «Яsolar» следующих видов: жидкостные, плоские, воздушные, воздушно-жидкостные, трубчатые вакуумные жидкостные. Конструкция жидкостного плоского солнечного коллектора предлагается в четырёх модификациях: три размерами 2070×1070×103 мм и одна 1073×1070×103 мм. Абсорбер — листотрубный медный. Лист с селективным покрытием Tinox штампуется с углублением под медную трубку диаметром 9 мм. Способ соединения листа и трубки — пайка безсвинцовым припоем. Солнечные коллекторы производства «Новый Полюс» не испытаны и не сертифицированы должным образом. 

В 2019 году ООО «Новый Полюс» завершила строительство гелиоустановки для системы ГВС детского оздоровительного лагеря «Зелёный огонек» в посёлке Дедеркой (город Туапсе, Краснодарский край, рис. 10). На кровле столовой смонтированы 120 солнечных коллекторов типа «Яsolar» блоками по пять штук. Основные технические характеристики СК: площадь 2 м², абсорбер — медный листотрубный, паяный, собственного производства.

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 10

Принципиальная схема гелиоустановки представлена на рис. 11. Схема ГУ — двухконтурная. Вспомогательное оборудование гелиоустановки размещено в отдельном модуле с размерами 8×3×4 м. Применены четыре бака-аккумулятора белорусского производителя с греющими змеевиками. Аварийное расхолаживание обеспечивается четырьмя тепловентиляторами, управляемыми контроллером ТРМ (ООО «Овен», Москва). Циркуляция теплоносителя (ЕСО «Сила солнца») — насосная. Работой ГУ управляет контроллер ТРМ. Ведётся дистанционный мониторинг работы ГУ через модем. Срок окупаемости составляет 4,5 года. 

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 11

Второй российский производитель жидкостных солнечных коллекторов — АО «Военно-промышленная корпорация «Научно-производственное объединение машиностроения» — производит СК размерами 2008×1093×76,7 мм с двумя видами листотрубных абсорберов: медными и алюминиевыми. Стекло закалённое, узорчатое с антибликовым покрытием толщиной 3,2 мм, уплотнение стекла резиной EPDM. Конструкция корпуса — рамная из алюминиевого профиля. Теплоизоляция — толщиной 50 мм. СК данного производителя должным образом не испытаны и не сертифицированы.

ООО «Новая энергия» из города Горячий Ключ Краснодарского края смонтировало ГУ базы отдыха АО «ВПК «НПО Машиностроение» в селе Архипо-Осиповка Краснодарского края с 50 СК типа «Сокол-Эффект-М» собственного производства общей площадью 100 м² (рис. 12). СК размещены на кровле столовой, ориентация южная, угол наклона 45° к горизонту.

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 12

Принципиальная схема представлена на рис. 13. СК 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 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 ГУ — фирмы Resol (Германия).

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 13

Общая сметная стоимость составила 6,6 млн руб. (100%), в том числе стоимость СК, оборудования и материалов, — 80,3%. При данной сметной стоимости ГУ в селе Архипо-Осиповке затраты на СК, оборудование, арматуру и материалы составили 5,3 млн руб. (80,3%), монтаж металлоконструкций — 250 тыс. (3,78%), электромонтажные работы — 314 тыс. (4,76%), пусконаладочные — 140 тыс. (2,16%), проектные — 400 тыс. (6%) и прочие работы — 200 тыс. руб. (3%). На рис. 14 представлена структура затрат на сооружение данной ГУ.

Солнечное теплоснабжение в Краснодарском крае. 10/2019. Фото 14

С учётом изложенного следует, что Краснодарский край является лидером России по сооружению гелиоустановок. За 30 лет накоплен значительный опыт по сооружению гелиоустановок различной мощности. Показано, что в современных экономических условиях возможно строительство ГУ со сроком окупаемости до пяти лет.