ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

19.1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Солнечные коллекторы - это устройства для поглощения солнечного излучения и преобразования в тепловую энер­гию [23]. По конструкции различают коллекторы плоские, трубчатые вакуумированные, коллекторы-аккумуляторы; по типу теплоносителя - жидкостные и воздушные. В системах теплоснабжения России наиболее перспектив­но применение гелиоустановок с плоскими солнечными коллекторами.

Плоский солнечный коллектор состоит из четырех основных элементов: поглощающей панели с каналами для теплоносителя, на поверхность которой нанесено спе­циальное покрытие, поглощающее солнечное излучение; прозрачной изоляции, состоящей, как правило, из стекла; тепловой изоляции тыльной и боковых сторон коллекто­ра; корпуса, в котором установлены поглощающая панель, прозрачная и тепловая изоляция.

На рис. 3.15 представлены типовые конструкции погло­щающих панелей солнечных коллекторов.

В табл. 3.18 приведены основные характеристики сол­нечных коллекторов, выпускавшихся ранее в СССР [25], в табл. 3.19 - солнечных коллекторов, производимых в 2002 г. заводами России, Украины и Армении, в табл. 3.20 - основные характеристики солнечных коллекторов,

б

е

а — панельный отопительный радиатор; б — панель из гофрированного и пло­ского оцинкованного листов; в - прокатно-сварная панель; г, д - трубчатые регистры с различным креплением металлического листа; е, ж — трубчатые регистры с металлическими панелями производимых в 2005 г. отдельными партиями под заказ заводами России и Украины. Стоимость коллекторов, вы­пускавшихся в СССР, представлена в сопоставимых ценах 2001 г. при курсе 1 дол. - 30 руб. Стоимость солнечных коллекторов, производимых в 2002-2005 гг., определена по курсу 1 дол. - 28 руб., 1 евро - 1,3 дол.

Разработкой конструкций солнечных коллекторов в СССР занимались Энергетический институт им. Кржи­жановского (ЭНИН, Москва), Институт высоких темпе­ратур АН СССР (ИВТАН, Москва), Киевский зональный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования (КиевЗНИИЭП), объединение «Спецге­лиотепломонтаж» (Тбилиси), НПО «Солнце» (Ашхабад), Физико-технический институт АН Узбекистана (Ташкент), Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС, Москва).

Испытательные стенды с имитаторами солнечного излу­чения имелись в ЭНИН, в КиевЗНИИЭП. Полигонами для натурных испытаний солнечных коллекторов располагали махачкалинский филиал ИВТАН и объединение «Спецге­
лиотепломонтаж». Апробация научных разработок, обоб­щение опыта эксплуатации гелиоустановок осуществля­лась на страницах журнала «Гелиотехника», издаваемого АН Узбекистана в Ташкенте.

В СССР по данным Б. В.Тарнижевского [25] в 1992 г. эксплуатировались гелиоустановки общей площадью сол­нечных коллекторов 150 тыс. м2. По данным П. П.Безруких [26] в 1990 г. в СССР ежегодно выпускалось до 91 тыс. м2 солнечных коллекторов. Основными производителями были завод «Сибтепломаш» (Братск), Бакинский завод по обработке сплавов цветных металлов, объединение «Спец­гелиотепломонтаж» (Тбилиси). Основой конструкции их коллекторов являлись штампосварные теплопоглощаю­щие панели.

В СССР более 30 % солнечных коллекторов производи­лись в г. Братск. Теплопоглощающие панели изготавлива-

лись из листовой холоднокатаной стали толщиной 1,5 мм по технологии, применяемой для производства отопитель­ных конвекторов, разработанной в Германии. Покрытие наружной поверхности панели - селективное лакокра­сочное или гальваническое «черный хром». Панель имела четыре патрубка Ду 20 мм с наружной резьбой. Прозрач­ная изоляция - стекло оконное толщиной 5 мм, уплотне­ние - специальная мастика (герлен). Теплоизоляция - ми­неральная вата толщиной 60 мм. Корпус штампованный из

стали толщиной 1,5 мм с лакокрасочным покрытием. По паспортным данным максимальная мощность коллекто­ра 440 Вт достигалась при солнечной радиации 800 Вт/м2, температуре окружающего воздуха +20 °С и скорости ветра 2-3 м/с. Срок службы - 15 лет.

В 1989 г. на заводе «Сибтепломаш» было произведено 42,3 тыс. м2 солнечных коллекторов [26]. Технические ха­рактеристики данных коллекторов приведены в табл. 3.18 [27].

Солнечные коллекторы объединения « Спецгел иотеп ло - монтаж» были также разработаны институтом «КиевЗНИ - ИЭП» и имели теплопоглощающую панель, аналогичную коллекторам завода «Сибтепломаш», но с двумя патрубка­ми Ду 20 мм с резьбой или без нее. Покрытие наружной по­верхности панели - селективная краска с расчетным сроком службы 2 года. Прозрачная изоляция - стекло оконное 4 мм, уплотнение - П-образная резина. Теплоизоляция - ли - стовый пенопласт толщиной 60 мм. Обечайка корпуса вы­полнялась из алюминиевого профиля, тыльная сторона коллектора - из фанеры толщиной 4 мм или из оцинко­ванной стали толщиной 0,55 мм. Производство не было промышленным, в 1990 г. оно составило 20 тыс. м2 [28]. Технические характеристики тбилисских коллекторов приведены в табл. 3.18 [28]. Аналогичные солнечные кол­лекторы выпускал Бухарский завод гелиоаппаратуры [6]. Габариты коллектора 1099x650x111 мм, площадь 0,62 м2, масса 36 кг. Теплопоглощающая панель - штампосварная стальная, теплоизоляция - опилки.

Солнечные коллекторы, производимые небольши­ми партиями по отдельным заказам опытным заводом института «КиевЗНИИЭП», отличались листотрубной конструкцией теплопоглощающей панели змеевиково­го типа. В основе такой панели - плавниковый профиль с внутренним диаметром трубок 10 мм, шириной плавников 120 мм. Панели имели два патрубка Ду 10 мм с наружной резьбой. Прозрачная изоляция - стекло по выбору заказ­чика. Уплотнение стекла - П-образная резина. Обечайка корпуса выполнялась из алюминиевого профиля. Тепло­изоляция - пенопласт толщиной 60 мм. Тыльная сторона коллектора - из алюминиевого листа. Технические харак­теристики этих коллекторов приведены в табл. 3.18 [28]. Стоимость коллектора определена по аналогичной кон­струкции, производившейся в 2000 г. ОАО «Южстальмон - таж» в Симферополе.

Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС, Москва) разработал и выпускал небольшими партиями солнечные коллекторы на своем заводе, а с 1991 г. и на Бакинском за­воде по обработке сплавов цветных металлов. Коллекторы имели штампосварную теплопоглощающую панель из ли­стового алюминия и теплоизоляцию из пенополиуретана. Выпускались две модели коллектора: площадью 0,63 м2 (1440x490x98 мм) и 0,82 м2 (1660x590x98 мм); их произ­водство в 1990 г. составило 20 тыс. м2 [26].

В работе [29] выполнен анализ характеристик восьми конструкций солнечных коллекторов, в числе которых по­мимо вышеописанных вошел ряд перспективных в то вре­мя разработок. Данные коллекторы различались, в основ­ном, конструкцией теплопоглощающей панели:

№ 1 - типа «лист-труба», материал - алюминий, раз­работчик - ЭНИН;

№ 2 - с трубчатой панелью с песчаной засыпкой, разра­ботчик - АН Азербайджанской ССР;

№ 3 - типа «лист-труба», штампосварная, разработ­чик - институт «КиевЗНИИЭП», выпускал завод в Братске;

№ 4 - типа «лист», штампосварная, материал - сталь, разработчик - институт «КиевЗНИИЭП»;

№ 5 - типа «подушка», емкостной, разработчик - НПО «Солнце» АН Туркменской ССР;

№ 6 - типа «лист», разработчик - НПО «Солнце» АН Туркменской ССР;

№ 7 - типа «лист-труба», разработчик - Физико­технический институт АН Узбекской ССР;

№ 8 - с тепловым фазовым аккумулятором, разработ­чик - НПО «Квант».

При испытаниях установлены высокие теплотехниче­ские характеристики солнечных коллекторов № 3 (Брат­ского завода) и № 1 (алюминиевые, ЭНИН). При этом на последних через полгода обнаружены следы питинговой коррозии.

В СССР и в России наиболее масштабные исследова­ния конструкций солнечных коллекторов выполнены под руководством Б. В.Тарнижевского [30-33]. В последние годы существования СССР в составе научно-технической программы «Экологически чистая энергетика» был разра­ботан и утвержден проект «Разработать материалы и кон­струкции и осуществить серийное производство солнечных коллекторов нового поколения». Проект предусматривал создание и освоение производства восьми конструкций солнечных коллекторов, в том числе одной конструкции на основе панели из коррозионностойкой стали, двух - на основе панели из алюминиевых сплавов, трех - на основе полимерных материалов, двух конструкций воздушных коллекторов [34]. Для производства этих конструкций разрабатывались технологии выращивания листотрубного алюминиевого профиля из расплава по методу Степанова, технология упрочненного стекла, модификации пластмасс, нанесения селективного покрытия (гальванического, плаз­менного напыления, вакуумного осаждения алюминия при его окислении на фольге). Проектом было предусмо­трено создание испытательного стенда для всесторонних исследований новых конструкций солнечных коллекторов перед постановкой их на производство и контроль качества серийной продукции, а также сертификация изделий по европейскому стандарту. К работам по проекту было при­влечено более 20 различных научно-исследовательских, конструкторских, технологических, проектных и про­изводственных организаций. Головной организацией по НИОКР являлся ЭНИН (Б. В.Тарнижевский). К 1992 г. были разработаны, изготовлены и испытаны опытные об­разцы пяти основных конструкций солнечных коллекто­ров, завершена разработка новых и модифицированных материалов, технологий их изготовления, в том числе кор­розионностойкой стали и модифицированных пластмасс, освоен выпуск упрочненного стекла, разработана техноло­гия нанесения селективного покрытия «черный никель» по методу электрохимического осаждения. По известным причинам с распадом СССР данная широкомасштабная ра­бота в последующие годы была фактически свернута.

В настоящее время солнечные коллекторы в России се­рийно не выпускаются. В табл. 3.19 приведены характери­стики коллекторов, производимых основными заводами небольшими партиями под заказ. Данные коллекторы со­ответствуют новым российским стандартам [34, 35].

Ковровский механический завод (КМЗ) в 1994 г. освоил выпуск собственной конструкции солнечных коллекторов. Во всех модификациях коллекторов КМЗ теплопоглощаю­щая панель выполнена из латунной трубки: распредели­тельные (Ду 10 мм), сборные (Ду 18 мм). Способ соедине­ния трубок - пайка. Первые конструкции коллекторов имели алюминиевые теплопоглощающие ребра толщиной 3 мм, наплавленные на распределительные трубки.

С 1998 г. выпускаются коллекторы новой модифи­кации, разработанной с участием автора, со стальными ребрами толщиной 0,8 мм, соединяемые с латунными трубками обжимом и последующей контактной сваркой. Панели имеют четыре патрубка Ду 18 мм. В качестве про­зрачной изоляции применяется оконное стекло толщиной 3 мм. Уплотнение стекла П-образный резиновый профиль. Корпус из листовой стали окрашен в черный цвет, имеет четыре проушины для крепления к опорным конструкци­ям. В качестве теплоизоляции применялись следующие материалы: пенополиуретан в полиэтиленовой пленке, по­лости из пергамина. Покрытие наружной стороны тепло­изоляции выполнялось из листового алюминия, листов обычной стали толщиной 0,55 мм, листов ДВП с покры­тием пергамином, окрашенных листов ДВП. С 2001 г. На КМЗ выпускалась следующая конструкция коллектора: стекло толщиной 3 мм, теплоизоляция - полости пергами­на с покрытием наружной стороны окрашенным листом ДВП. Солнечный коллектор КМЗ соответствует требовани­ям стандартов СССР [24] и России [34, 35]. Гарантийный срок эксплуатации коллектора - 10 лет. КМЗ работает над совершенствованием конструкции коллектора, имеет ис­пытательный стенд и соответствующее оборудование. За­вод имеет возможность выпускать 20 тыс. солнечных кол­лекторов в год. Ведущий конструктор завода по данному направлению А. А. Лычагин.

Научно-производственное предприятие (НПП) «Конку­рент» (с 2000 г.- НПП «Радуга-Ц») (г. Жуковский, Мо­сковской обл.) с 1992 г. выпускало солнечные коллек­торы «Радуга». Теплопоглощающая панель солнечного коллектора штампосварная из листовой нержавеющей стали 12Х18Н10Т или ее зарубежных аналогов толщиной 0,3-0,5 мм. Размеры продольных каналов для теплоноси­теля обеспечивают устойчивую работу при незамерзающем теплоносителе. Панель имеет четыре патрубка Ду 20 мм с наружной резьбой или без нее для соединения резинотка­невыми муфтами. В качестве прозрачной изоляции исполь­зуется однослойное закаленное или упрочненное стекло толщиной 3 или 4 мм, с малым содержанием железа и ко­эффициентом светопропускания не менее 0,9. Для уплот­нения стекла применяется П-образный профиль из рези­ны. Нижняя теплоизоляция коллектора двухслойная: мат из базальтового волокна толщиной 20 мм, облицованный алюминиевой фольгой, и плита из жесткого пенополиуре-

тана толщиной 30 мм, также облицованная фольгой. Боко­вая теплоизоляция - облицованный фольгой пенополиуре­тан толщиной 15 мм. Корпус коллектора из прессованных алюминиевых профилей покрытых атмосферостойкими порошковыми эмалями. Корпус имеет крепления для уста­новки на монтажные опоры. Солнечный коллектор «Раду­га» соответствует требованиям стандартов России [34, 35] и основным требованиям стандартов зарубежных стран.

НПО машиностроения (Реутово, Московская об л.) за­нимается выпуском солнечных коллекторов с 1995 г. До 1999 г. в основе конструкции коллектора была тепло­поглощающая штампосварная панель из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм с двумя патрубками. Селектив­ное покрытие панели выполнялось напылением в ваку­умной камере плазменно-химическим методом. Стек­ло упрочненное, с низким содержанием железа. Корпус и тыльная сторона из нержавеющей стали. Теплоизоля­ция из стекловолокна и пенополиуретана. Выпускались коллекторы площадью 0,9 м2 (1350x700x85 мм) и 1,2 м2 (1610x800x85 мм). В 1999 г. данный производитель осво­ил выпуск новой конструкции коллектора с теплопогло­щающей панелью из коррозионностойкого алюминиевого сплава. Площадь коллектора 2,03 м2 (2010x1010x95 мм), теплоизоляция - минеральное волокно толщиной 50 мм.

ЗАО «Альтэн» (г. Москва) выпустило 100 шт. солнеч­ных коллекторов типа «Альтэн-1». Поглощающая панель выполнена из листотрубных алюминиевых профилей, в каналы которого установлены медные трубки Ду 11 мм. Схема соединения трубок - решетчатая. Солнечный кол­лектор имеет четыре медных патрубка с наружной резьбой 3/4". Покрытие поглощающей панели - селективное (на­пыление в вакууме). Прозрачное покрытие - сотовый по­ликарбонат толщиной 8 мм в виде прямого эллиптического цилиндра. Теплоизоляция - минеральная вата толщиной 100 мм с алюминиевым экраном. Корпус из окрашенной оцинкованной стали. Энергетическая характеристика по­лучена во Фраунгоферовском испытательном центре (г. Фрайбург, Германия).

Промышленно-коммерческая компания «СИН - ТЕК» (Запорожье, Украина) за последний год произвела 400 м2 солнечных коллекторов двух видов: SINTSOLAR CS с высокоселективным покрытием поглощающей панели и SINTSOLAR СВ с лакокрасочным покрытием поглощаю­щей панели. Поглощающая панель выполнена из медных трубок и медной ленты толщиной 0,2 мм, способ соедине­ния - пайка. Прозрачная изоляция - ударопрочное стек­ло толщиной 4 мм или обычное оконное 4 мм, уплотнение силиконовой резиной. Теплоизоляция - базальтовое во­локно толщиной 60 мм. Корпус выполнен из анодирован­ного алюминия. Солнечный коллектор соответствует ГОСТ 28310-89 [24]. Энергетическая и гидравлическая характе­ристики отсутствуют. Предназначен для работы только в двухконтурных системах.

ООО «Крымская тепловая компания» (Севастополь, Украина) изготовила 1 тыс. м2 солнечных коллекторов. Поглощающая панель выполнена из листотрубных алюми­ниевых профилей, в каналы которого установлены медные трубки Ду 8 мм. Схема соединения трубок - решетчатая. Изготавливается 28 различных видов солнечных коллек­торов площадью от 1,5 до 15,2 м2. Покрытие теплопогло­щающей панели лакокрасочное. Прозрачная изоляция - стекло толщиной 4 мм. Теплоизоляция - базальтовая вата. Корпус деревянный с покрытием из оцинкованной стали. Солнечный коллектор имеет международный и немецкий сертификат, соответствует ГОСТ 28310-89.

Анализ конструкций солнечных коллекторов, произво­димых в России и Украине, их технические характеристи­ки приведены в статье [36]. Солнечных коллекторов наКМЗ выпущено около 3000 штук. Коллекторы НПП «Радуга-Ц» выпускались в небольшом количестве. Их применение ограничено высокой стоимостью. НПО машиностроения выпустило пока опытную партию новых коллекторов.

С учетом изложенного анализа отечественных кон­струкций солнечных коллекторов можно сделать следую­щие выводы:

- в СССР существовала система разработки, испытания и производства солнечных коллекторов в массовом коли­честве. Основными производителями были братский завод «Сибтепломаш» и тбилисское объединение «Спецгелиоте­пломонтаж». В Краснодарском крае солнечные коллекто­ры данных заводов эксплуатируются более 10 лет;

- в России, Украине и Армении солнечные коллекторы выпускаются отдельными партиями. Солнечные коллек­торы российских производителей не имеют международ­ной сертификации;

- для российского рынка необходимо разработать кон­струкцию и освоить серийный выпуск солнечных коллек­торов, имеющих оптимальное соотношение цена - качество.