Системи сонячного теплопостачання. Сонячні теплові колектори. Що можуть запропонувати сучасні технології

2018-08-15

У СРСР існувало кілька наукових та інженерних шкіл сонячного теплопостачання: Москва (ЕНІН, ІВТАН, МЕІ та ін.), Київ (КиївЗНДІЕПІО, Київський інженерно-будівельний інститут, Інститут технічної теплофізики та ін.), Ташкент (Фізико-технічний інститут АН УзРСР, ТашЗНДІЕП), Ашхабад (Інститут сонячної енергіїАН ТССР), Тбілісі («Спецгеліотепломонтаж»). У 1990-х роках до цих робіт підключилися фахівці з Краснодара, оборонного комплексу (міста Реутів Московської області та Килимів), Інституту морських технологій (Владивосток), «Ростовтеплоелектропроекту». Оригінальну школу геліоустановок створив в Улан-Уді Г.П. Касаткін.

Сонячне теплопостачання є однією з найрозвиненіших у світі технологій перетворення сонячної енергії для опалення, гарячого водопостачання та охолодження. У 2016 році загальна потужність систем сонячного теплопостачання у світі склала 435,9 ГВт (622,7 млн. м²). У Росії сонячне теплопостачання поки що не набуло широкого практичного використання, що пов'язано насамперед із відносно низькими тарифами на теплову та електричну енергію. У тому ж році в нашій країні, за експертними даними, експлуатувалося лише близько 25 тис. м² геліоустановок. На рис. 1 представлена ​​фотографія найбільшої в Росії геліоустановки в місті Наріманів Астраханської області площею 4400 кв.

З урахуванням світових трендів розвитку відновлюваної енергетики, розвиток сонячного теплопостачання Росії вимагає осмислення вітчизняного досвіду. Цікаво відзначити, що питання практичного використання сонячної енергії в СРСР на державному рівні обговорювалися в 1949 на Першій Всесоюзній нараді з геліотехніки в Москві. Особливу увагу було приділено активним та пасивним системам сонячного опаленнябудівель.

Проект активної системи був розроблений та реалізований у 1920 році фізиком В. А. Міхельсоном. У 1930-х роках системи пасивного сонячного опалення розвивав один із ініціаторів геліотехніки — інженер-архітектор Борис Костянтинович Бодашко (місто Ленінград). У ці роки д.т.н., професор Борис Петрович Вейнберг (Ленінград) проводив дослідження ресурсів сонячної енергії біля СРСР і розробку теоретичних засадспоруди геліоустановок.

У 1930-1932 роках К. Г. Трофімов (місто Ташкент) розробив та випробував геліоповітронагрівач з температурою нагріву до 225 °C. Одним із лідерів розвитку сонячних колекторів та геліоустановок гарячого водопостачання (ГВП) був к.т.н. Борис Валентинович Пєтухов. В опублікованій ним у 1949 році книзі «Сонячні водонагрівачі трубчастого типу» він обґрунтував доцільність розробки та основні конструктивні рішенняплоскі сонячні колектори (СК). На підставі десятирічного досвіду (1938-1949 роки) спорудження геліоустановок для систем гарячого водопостачання він розробив методологію їх проектування, будівництва та експлуатації. Таким чином, вже в першій половині минулого століття в нашій країні були виконані дослідження з усіх видів систем сонячного теплопостачання, у тому числі за потенціалом та методиками розрахунку сонячної радіації, рідинним та повітряним сонячним колекторам, геліоустановкам для систем ГВП, активним та пасивним системам сонячного опалення. .

Здебільшого радянські дослідження та розробки в галузі сонячного теплопостачання займали лідируючі позиції у світі. Разом з тим практичного широкого застосування воно в СРСР не набуло і розвивалося в ініціативному порядку. Так, к.т.н. Б. В. Пєтухов розробив і побудував десятки геліоустановок із СК власної конструкції на прикордонних заставах СРСР.

У 1980-ті роки слідом за закордонними розробками, ініційованими так званою «світовою енергетичною кризою», вітчизняні розробки в області сонячної енергетикизначно активізувалися. Ініціатором нових розробок став Енергетичний інститут ім. Г. М. Кржижановського в Москві (ЕНІН), який накопичив досвід у цій галузі з 1949 року.

Голова Державного комітету з науки та техніки академік В. А. Кирилін відвідав низку європейських наукових центрів, які розпочали широкі дослідження та розробки в галузі відновлюваної енергетики, і в 1975 році відповідно до його доручення до робіт у цьому напрямку було підключено Інститут високих температур Академії наук СРСР у Москві (нині Об'єднаний інститут високих температур, ОІВТ РАН).

Дослідженнями в галузі сонячного теплопостачання в 1980-і роки в УРСР стали займатися також Московський енергетичний інститут (МЕІ), Московський інженерно-будівельний інститут (МІСІ) та Всесоюзний інститут легких сплавів (ВІЛС, місто Москва).

Розробку експериментальних проектів геліоустановок великої потужності виконував Центральний науково-дослідний та проектний інститут експериментального проектування (ЦНДІ ЕПІО, місто Москва).

Другим за значимістю науковим та інженерним центром розвитку сонячного теплопостачання був Київ (Україна). Головною організацією у Радянському Союзі з проектування геліоустановок для житлово-комунального господарства Держгромадянбудом СРСР було визначено Київський зональний науково-дослідний та проектний інститут (КиївЗНДІЕП). Дослідження у цьому напрямку виконували Київський інженерно-будівельний інститут, Інститут технічної теплофізики Академії наук України, Інститут проблем матеріалознавства АН УРСР та Київський інститут електродинаміки.

Третім центром у СРСР було місто Ташкент, де дослідженням займалися Фізико-технічний інститут Академії наук Узбецької РСР та Каршинський держпедінститут. Розробку проектів геліоустановок виконував Ташкентський зональний науково-дослідний та проектний інститут ТашЗНДІЕП. У радянські часи сонячним теплопостачанням займався Інститут сонячної енергії Академії наук Туркменської РСР у місті Ашхабаді. У Грузії дослідження сонячних колекторів та геліоустановок проводили об'єднання «Спецгеліотепломонтаж» (місто Тбілісі) та Грузинський НДІ енергетики та гідротехнічних споруд.

У 1990-ті роки в Російської Федераціїдо досліджень та проектування геліоустановок підключилися фахівці з міста Краснодара, оборонного комплексу (АТ «ВПК «НВО «Машинобудування», Коврівський механічний завод), Інституту морських технологій (місто Владивосток), «Ростовтеплоелектропроекту», а також Сочинського інституту курортології. Короткий огляднаукових концепцій та інженерних розробок представлений у роботі.

У СРСР головний науковою організацієюпо сонячному теплопостачанню був Енергетичний інститут (ЕНІН*, Москва) ( прим. автора: Діяльність ЕНІН в галузі сонячного теплопостачання з вичерпною повнотою описана д.т.н., професором Борисом Володимировичем Тарнижевським (1930-2008) у статті «Сонячний круг» зі збірки «ЕНІН. Спогади найстаріших співробітників» (2000).), який організував у 1930 році та очолював до 1950-х років лідер радянської енергетики, особистий друг В. І. Леніна - Гліб Максиміліанович Кржижановський (1872-1959).

В ЕНІН з ініціативи Г. М. Кржижановського в 1940-і роки було створено лабораторію геліотехніки, якою керував спочатку д.т.н., професор Ф. Ф. Молеро, а потім довгі роки (до 1964 року) д.т.н. ., професор Валентин Олексійович Баум (1904-1985), який поєднував обов'язки завідувача лабораторії з роботою заступника директора ЕНІН.

В. А. Баум моментально схоплював суть справи та давав важливі для аспірантів поради щодо продовження чи завершення роботи. Його учні із вдячністю згадували семінари лабораторії. Вони проходили дуже цікаво і справді хорошому рівні. В. А. Баум був дуже широко ерудованим вченим, людиною високої культури, великої чуйності та такту. Всі ці якості він зберіг до глибокої старості, користуючись любов'ю та повагою до своїх учнів. Високий професіоналізм, науковий підхіді порядність відрізняла цю непересічну людину. Під його керівництвом було підготовлено понад 100 кандидатських та докторських дисертацій.

З 1956 Б. В. Тарніжевський (1930-2008) - аспірант В. А. Баума і гідний продовжувач його ідей. Високий професіоналізм, науковий підхід і порядність відрізняли цю непересiчну людину. Серед десятків його учнів та автор цієї статті. В ЕНІН Б. В. Тарніжевський пропрацював до останніх днів життя 39 років. У 1962 році він переходив на роботу у ВНДІ джерел струму, розташований у Москві, а потім через 13 років знову повернувся до ЕНІНу.

В 1964 після обрання В. А. Баума дійсним членом Академії наук Туркменської РСР він виїхав в Ашхабад, де очолив Фізико-технічний інститут. Його наступником на посаді завідувача лабораторії геліотехніки став Юрій Миколайович Малевський (1932-1980). Він у 1970-ті роки висунув ідею створення в Радянському Союзі експериментальної сонячної електростанції потужністю 5 МВт баштового типу з термодинамічний цикл перетворення (СЕС-5, розташовувалася в Криму) і очолив масштабну команду з 15 організацій з її розробки та будівництва.

Інша ідея Ю. Н. Малевського полягала у створенні на південному березі Криму комплексної експериментальної бази з сонячного тепла та холодопостачання, яка одночасно була б досить великим демонстраційним об'єктом та центром досліджень у даному напрямку. Для вирішення цього завдання Б. В. Тарніжевський повертається 1976 року в ЕНІН. У цей час лабораторія геліотехніки мала 70 людей. В 1980 після смерті Ю. Н. Малевського лабораторія геліотехніки була розділена на лабораторію сонячних електростанцій (її очолив син В. А. Баума - д.т.н. Ігор Валентинович Баум, 1946 р.н.) і лабораторію сонячного теплопостачання під керівництвом Б. В. Тарнижевського, яка займалася створенням Кримської бази теплої холодопостачання. І. В. Баум до вступу працювати в ЕНІН завідував лабораторією в НВО «Сонце» Академії наук Туркменської РСР (1973-1983) в Ашхабаді.

В ЕНІН І. В. Баум завідував лабораторією СЕС. У період з 1983 по 1987 роки багато зробив для створення першої в СРСР термодинамічної сонячної електростанції. У 1980-х роках роботи з використання ВДЕ і, в першу чергу, сонячної енергії досягли в інституті найбільшого розвороту. 1987 року було завершено будівництво Кримської експериментальної бази в районі Алушти. Для її експлуатації дома було створено спеціальну лабораторію.

У 1980-ті роки лабораторія сонячного теплопостачання брала участь у роботах із впровадження у масове промислове виробництво сонячних колекторів, створення установок сонячного та гарячого водопостачання, у тому числі великих — з площею СК понад 1000 м² та інших масштабних проектів.

Як згадував Б.В. методик для проектування установок сонячного теплопостачання С. І. Смирнов був дуже помітною та популярною в інституті особистістю.

Потужний інтелект у поєднанні з добротою та деякою імпульсивністю характеру створював неповторну чарівність цієї людини. Разом з ним у його групі працювали Ю. Л. Мишко, Б. М. Левинський та інші співробітники. Групою з розробки селективних покриттів, яку очолювала Галина Олександрівна Гухман, розроблено технологію хімічного нанесення селективних поглинаючих покриттів на абсорбери сонячних колекторів, а також технологію нанесення термостійкого селективного покриття на трубчасті приймачі концентрованого сонячного випромінювання.

На початку 1990-х років лабораторія сонячного теплопостачання здійснювала наукове та організаційне керівництво проектом із сонячних колекторів нового покоління, що входило до програми «Екологічно безпечна енергетика». До 1993-1994 років в результаті проведених науково-дослідних робіт та дослідно-конструкторських робіт вдалося створити конструкції та організувати виробництво сонячних колекторів, які не поступаються закордонним аналогам за теплотехнічними та експлуатаційними характеристиками.

Під керівництвом Б. В. Тарнижевського розроблено проект ГОСТ 28310-89 «Коллектори сонячні. Загальні технічні умови. Для оптимізації конструкцій плоских сонячних колекторів (ПСК) Борисом Володимировичем було запропоновано узагальнений критерій: приватне від розподілу вартості колектора на кількість теплової енергії, виробленої ним за розрахунковий термін служби.

В останні роки СРСР під керівництвом д.т.н., професора Б. В. Тарніжевського були розроблені конструкції та технології восьми сонячних колекторів: один з панельним абсорбером нержавіючої сталі, два з абсорберами з алюмінієвих сплавів, три з абсорберами та прозорою ізоляцією з полімерних матеріалів, дві конструкції повітряних колекторів. Розроблялися технології вирощування листотрубного алюмінієвого профілю із розплаву, технологія виготовлення зміцненого скла, нанесення селективного покриття.

Конструкція сонячного колектора, Розроблена ЕНІН, серійно випускалася Братським заводом опалювального обладнання. Абсорбер — сталева штампосварная панель з селективним гальванічним покриттям «чорний хром». Корпус штампований (корито) - сталевий, скло - шибка, ущільнення скла - спецмастика (герлен). Щорічно (за даними 1989 року) заводом вироблялося 42,3 тис. м ² колекторів.

Б. В. Тарніжевським було розроблено методи розрахунку активних та пасивних систем теплопостачання будівель. На стенді ЕНІНу з 1990 по 2000 роки було випробувано 26 різних сонячних колекторів, у тому числі всі, вироблені в СРСР і в Росії.

У 1975 році до робіт у галузі відновлюваної енергетики підключився Інститут високих температур Академії наук (ІВТАН) під керівництвом члена кореспондента РАН, д.т.н., професора Евальда Емільєвича Шпільрайна (1926-2009). Робота ІВТАНА з відновлюваної енергетики детально описана д.т.н. О.С. Попелем у статті «ОІВТ РАН. Підсумки та перспективи» з ювілейної збірки статей інституту у 2010 році. У стислі терміни разом із проектними організаціями розробили й обгрунтовані концептуальні проекти «сонячних» будинків для півдня країни, розвинені методи математичного моделювання систем сонячного теплопостачання, розпочато проектування першого Росії наукового полігону «Сонце» біля берега Каспійського моря поблизу міста Махачкала.

В ІВТ РАН була створена спочатку наукова група, а потім лабораторія під керівництвом Олега Сергійовича Попеля, в яких спільно зі співробітниками Особливого конструкторського бюро ІВТ РАН поряд із забезпеченням координації та розрахунково-теоретичного обґрунтування проектів, що розробляються, було розпочато дослідження в галузі створення електрохімічних оптичних селективних колекторів, розробки так званих «сонячних ставків», систем сонячного теплопостачання у комбінації з тепловими насосами, сонячних сушильних установок, велися роботи та в інших напрямках.

Одним із перших практичних результатів колективу ІВТ РАН стало будівництво «сонячного будинку» у селищі Мердзаван Ечміадзинського району Вірменії. Цей будинок став першим експериментальним енергоефективним «сонячним будинком» в СРСР, оснащеним необхідним експериментальним діагностичним обладнанням, на якому головним конструктором проекту М. С. Калашяном з Інституту «Армгіпросільгосп» за участю співробітників ІВТ РАН було проведено шестирічний цикл цілорічних експериментальних досліджень, що показали можливість 100% забезпечення будинку гарячою водою та покриття навантаження опалення на рівні понад 50%.

Іншим важливим практичним результатом стало впровадження на Братському заводі опалювального обладнання розробленої в ІВТ РАН М. Д. Фрідбергом (спільно зі спеціалістами Московського вечірнього металургійного інституту) технології нанесення електрохімічних селективних покриттів «чорний хром» на сталеві панелі плоских сонячних колекторів, виробництво яких було цьому заводі.

У середині 1980-х років у Дагестані було введено в експлуатацію полігон ІВТ РАН «Сонце». Розташований на площі близько 12 га полігон включав, поряд з лабораторними корпусами, групу «сонячних будинків» різних типів, оснащених сонячними колекторами та тепловими насосами. На полігоні відбувся запуск одного із найбільших у світі (на той момент) імітаторів сонячного випромінювання. Джерелом випромінювання була потужна ксенонова лампа потужністю 70 кВт, оснащена спеціальними оптичними фільтрами, що дозволяють регулювати спектр випромінювання від заатмосферного (АМ0) до наземного (АМ1,5). Створення імітатора забезпечило можливість проведення прискорених випробувань стійкості різних матеріалів та фарб до впливу сонячного випромінювання, а також випробування великорозмірних сонячних колекторів та фотоелектричних модулів.

На жаль, у 1990-ті роки у зв'язку з різким скороченням бюджетного фінансування досліджень та розробок більшість розпочатих ІВТ РАН проектів у Російській Федерації довелося заморозити. Для збереження напряму робіт у галузі відновлюваної енергетики дослідження та розробки лабораторії було переорієнтовано на наукову співпрацю з провідними зарубіжними центрами. Виконувалися проекти з програм INTAS та TASIS, Європейської рамкової програми в галузі енергозбереження, теплових насосів та сонячних адсорбційних холодильних установок, що, з іншого боку, дозволило розвинути наукові компетенції у суміжних галузях науки і техніки, освоїти та використовувати в різних енергетичних додатках сучасні методи моделювання енергоустановок (к.т.н. С. Є. Фрід)

З ініціативи та під керівництвом О. С. Попеля спільно з МДУ (к.ф.-м.н. С. В. Кисельова) було розроблено «Атлас ресурсів сонячної енергії на території Російської Федерації», створено Геоінформаційну систему «Відновлювані джерела енергії Росії »(Gisre.ru). Спільно з інститутом «Ростовтеплоелектропроект» (к.т.н. А. А. Чернявський) розроблено, побудовано та випробувано геліоустановки із сонячними колекторами Коврівського механічного заводу для систем опалення та ГВП об'єктів спеціальної астрофізичної обсерваторії РАН у Карачаєво-Черкесії. В ОІВТ РАН створено єдиний у Росії спеціалізований теплогідравлічний стенд для натурних теплових випробувань сонячних колекторів та геліоустановок відповідно до російських та зарубіжних стандартів, розроблено рекомендації для застосування геліоустановок у різних регіонах РФ. Докладніше з деякими результатами досліджень та розробок ОІВТ РАН у галузі ВДЕ можна ознайомитись у книзі О. С. Попеля та В. Є. Фортова «Відновлювана енергетика в сучасному світі».

У Московському енергетичному інституті (МЕІ) питаннями сонячного теплопостачання займалися д.т.н. В. І. Віссаріонов, д.т.н. Б. І. Казанджан та к.т.н. М. І. Валов.

В. І. Віссаріонов (1939-2014) завідував кафедрою «Нетрадиційні поновлювані джерела енергії (у 1988-2004 роках). Під його керівництвом проводилися роботи з розрахунку ресурсів сонячної енергії, розвитку сонячного теплопостачання. М. І. Валовим разом із співробітниками МЕІ в 1983-1987 роках було опубліковано низку статей з вивчення геліоустановок. Однією з найзмістовніших книг є робота М. І. Валова та Б. І. Казанджана «Системи сонячного теплопостачання», в якій досліджувалися питання низькопотенційних сонячних установок (принципові схеми, кліматичні дані, характеристики СК, конструкції плоских СК), розрахунок енергетичних характеристик, економічна ефективність використання систем сонячного теплопостачання Д.т.н. Б. І. Казанджаном розроблено конструкцію та освоєно виробництво плоского сонячного колектора «Альтен». Особливістю цього колектора є те, що абсорбер виконаний з алюмінієвого плавникового профілю, всередині якого запресована мідна трубка, а як прозора ізоляція застосований стільниковий полікарбонат.

Співробітником Московського інженерно-будівельного інституту (МІСД) к.т.н. Булкіним були розроблені термонейтральні сонячні колектори (абсорбери без прозорої ізоляції та теплоізоляції корпусу). Особливістю роботи була подача в них теплоносія на 3-5 °C нижче температури навколишнього повітря та можливість використання прихованої теплоти конденсації вологи та інеутворення атмосферного повітря (геліоабсорбційні панелі). Теплоносій нагрітий у цих панелях догрівався тепловим насосом («повітря-вода»). У МИСИ було споруджено випробувальний стенд із термонейтральними сонячними колекторами та кілька геліоустановок у Молдові.

Всесоюзний інститут легких сплавів (ВІЛС) розробив та випускав СК зі штампосварним алюмінієвим абсорбером, заливною пінополіуретановою теплоізоляцією корпусу. З 1991 року виробництво СК було передано на Бакинський завод із обробки сплавів кольорових металів. У ВІЛС у 1981 році було розроблено Методичні вказівки щодо проектування енергоактивних будівель. Вони вперше в СРСР абсорбер був інтегрований у конструкцію будівлі, що покращувало економіку використання сонячної енергії. Лідерами цього напряму були к.т.н. Н. П. Селіванов та к.т.н. В. Н. Смирнов.

Центральним науково-дослідним інститутом інженерного обладнання (ЦНДІ ЕПІО) у Москві був розроблений проект, за яким в Ашхабаді побудовано сонячно-паливну котельню потужністю 3,7 МВт, розроблено проект сонячно-теплонасосної установки готелю «Привітний берег» у місті Геленджику з площею СК 690 м2. Як теплові насоси застосовані три холодильні машини МКТ 220-2-0, що працюють в режимі теплових насосів з використанням тепла морської води.

Провідною організацією СРСР з проектування геліоустановок був інститут КиївЗНДІЕП, в якому розроблено 20 типових і повторно застосовуваних проектів: установки сонячного гарячого водопостачання з природною циркуляцією для індивідуального житлового будинку; уніфікованої установки сонячного гарячого водопостачання громадських будівель продуктивністю 5, 7, 15, 25, 30, 70 м³/добу; вузлів, деталей та обладнання житлових та громадських будівель масового будівництва; встановлення сонячного гарячого водопостачання сезонної дії продуктивністю 2,5; 10; 30; 40; 50 м³/добу; технічні рішення та методичні рекомендації щодо переобладнання опалювальних котелень на геліопаливні установки.

Даним інститутом було розроблено десятки експериментальних проектів, у тому числі системи сонячного гарячого водопостачання плавальних басейнів, сонячно-теплонасосна установка гарячого водопостачання. За проектом КиївЗНДІЕП було збудовано найбільшу в СРСР геліоустановку пансіонату «Кастрополь» (село Берегове, ПБК) у Криму площею 1600 м². На дослідному заводі інституту КиївЗНДІЕП вироблялися сонячні колектори, абсорбери яких виконані із плавникових змійовиків. алюмінієвих труб власного виготовлення.

Теоретиками геліотехніки в Україні були д.т.н. Михайло Давидович Рабінович (1948 р.н.), к.т.н. Олексій Рувимович Ферт, к.т.н. Віктор Федорович Гершкович (1934–2013). Вони були основними розробниками Норм проектування установок сонячного гарячого водопостачання та Рекомендацій щодо їх проектування. М. Д. Рабінович займався дослідженням сонячної радіації, гідравлічними характеристиками СК, геліоустановок із природною циркуляцією, сонячними системами теплопостачання, сонячно-паливними котельнями, геліоустановками великої потужності, геліотехнічними системами. А. Р. Ферт розробляв конструкцію стенда-імітатора та проводив випробування СК, досліджував регулювання гідравлічних геліоустановок, підвищення ефективності геліоустановок. У Київському інженерно-будівельному інституті багатосторонніми дослідженнями геліоустановок займався к.т.н. Микола Васильович Харченко. Він сформулював системний підхід до розробки геліотеплонасосних систем теплопостачання, запропонував критерії оцінки їхньої енергетичної ефективності, досліджував питання оптимізації геліопаливної системи теплопостачання, порівняв різні методи розрахунку геліосистем. Одна з його найбільш повних книг з малих (індивідуальних) сонячних геліоустановок відрізняється доступністю та інформаційністю. У Київському Інституті електродинаміки над питаннями математичного моделювання режимів роботи геліоустановок, СК, експериментального дослідженняенергетичних характеристик сонячних колекторів працювали к.т.н. А. Н. Стронський та к.т.н. А. В. Супрун. Над математичним моделюваннямгеліоустановок у Києві працював також к.т.н. В. А. Никифоров.

Лідером наукової інженерної школи геліотехніки Узбекистану (Ташкент) є д.т.н. професор Раббанакул Рахманович Авезов (1942 р.н.). У 1966-1967 роках він працював в Ашхабадському Фізико-технічному інституті Туркменістану під керівництвом д.т.н., професора В. А. Баума. Р. Р. Авезов розвиває ідеї вчителя у Фізико-технічному інституті Узбекистану, який перетворився на міжнародний дослідницький центр.

Наукові напрями досліджень Р. Р. Авезов сформулював у докторській дисертації (1990 рік, ЕНІН, Москва), а її результати узагальнено в монографії «Сонячні системи опалення та гарячого водопостачання». Він розвиває зокрема методи ексергетичного аналізу плоских сонячних колекторів, створення активних і пасивних систем сонячного опалення. Д.т.н. Р. Р. Авезов забезпечив великий авторитет та міжнародне визнання єдиному в СРСР та країнах СНД спеціалізованому журналу Applied Solar Energy («Геліотехніка»), який видається англійською мовою. Його дочка Нілуфар Раббакумовна Авезова (1972 р.н.) - д.т.н., генеральний директор НВО "Фізика-Сонця" АН Узбекистану.

Розробкою проектів геліоустановок у Ташкентському зональному НДІ експериментального проектування житлових та громадських будівель (ТашЗНДІЕП) займався к.т.н. Юсуф Каримович Рашидов (1954 р.н.). Інститутом «ТашЗНДІЕП» було розроблено десять типових проектів житлових будинків, геліодушових, проект сонячно-паливної котельні, у тому числі геліоустановки продуктивністю 500 і 100 л/добу, геліодушові на дві та чотири кабіни. З 1984 до 1986 року було реалізовано 1200 типових проектів геліоустановок.

У Ташкентській області (селище Іллічівськ) було збудовано двоквартирний сонячний будинок з опаленням та гарячим водопостачанням з геліоустановкою площею 56 м². У Каршинському держпедінституті О.Т. Теймурханов, А.Б. Вардіяшвілі та ін займалися дослідженнями плоских сонячних колекторів.

Туркменську наукову школусонячного теплопостачання створив д.т.н. В. А. Баум, обраний 1964 року академіком республіки. В Ашхабадському фізико-технічному інституті він організував відділ сонячної енергетики та до 1980 року керував усім інститутом. 1979 року на базі відділу сонячної енергетики було створено Інститут сонячної енергії Туркменістану, який очолив учень В. А. Баума — д.т.н. Реджеп Байрамович Байрамов (1933-2017). У передмісті Ашхабада (селище Бікрова) було збудовано науковий полігон інституту у складі лабораторій, випробувальних стендів, конструкторського бюро, майстерень із чисельністю працівників 70 осіб. В. А. Баум остаточно життя (1985) працював у цьому інституті. Р. Б. Байрамов разом із д.т.н. Ушаковою Альдою Данилівною досліджував плоскі сонячні колектори, сонячні системи опалення та сонячні опріснювачі. Примітно, що у 2014 році в Ашгабаді було відтворено Інститут сонячної енергії Туркменістану – НВО «ГУН».

У проектно-виробничому об'єднанні «Спецгеліотепломонтаж» (Тбілісі) та Грузинському НДІ енергетики та гідротехнічних споруд під керівництвом д.т.н. Нугзара Варламовича Меладзе (1937 р.н.) було розроблено конструкції та освоєно серійний випуск сонячних колекторів, індивідуальних геліоустановок гарячого водопостачання, геліоустановок та сонячно-теплонасосних систем. Було визначено умови окупності споруди геліоустановок у різних регіонах Грузії, на випробувальному стенді в натурних умовах випробовувалися різні конструкціїсонячних колекторів.

Сонячні колектори «Спецгеліотепломонтажу» мали оптимальну для свого часу конструкцію: абсорбер сталевий штампосварний з лакофарбовим покриттям, корпус — з алюмінієвих профілів та оцинкованої сталі, скло віконне, теплоізоляція — з пінопласту та фольгоруберойду.

За даними М. В. Меладзе, тільки в регіоні Кавказу до 1990 року було встановлено 46,9 тис. м² сонячних колекторів, у тому числі в санаторіях та готелях – 42,7 %, на промислових геліоустановках – 39,2 %, сільськогосподарських об'єктах - 13,8%, спортивних об'єктах - 3,6%, індивідуальних установках - 0,7%.

За даними автора, в Краснодарському країу 1988-1992 роках було встановлено 4620 м² сонячних колекторів «Спецгеліомонтажу». Робота СДТМ здійснювалася у співпраці з вченими з Грузинського НДІ енергетики та гідротехнічних споруд (ГруНДІЕГС).

Інститутом «ТбілЗНДІЕП» було розроблено п'ять типових проектів геліоустановок (ГУ), а також проект сонячно-теплонасосної установки. СГТМ мала у своєму складі лабораторію, в якій досліджувалися сонячні колектори, теплові насоси. Були розроблені сталеві, алюмінієві, пластикові рідинні абсорбери, повітряні СК зі склом і без нього, СК з концентраторами, різні конструкції індивідуальних термосифонних ГУ. Станом на перше січня 1989 року «Спецгеліомонтажем» було збудовано 261 ГУ загальною площею 46 тис. м² та 85 індивідуальних геліоустановок для систем ГВП площею 339 м².

На рис. 2 представлена ​​геліоустановка по вулиці Рашпілівській у Краснодарі, яка успішно працювала 15 років з колекторами «Спецгеліотепломонтажу» (320 шт. загальною площею 260 м²).

Розвитком сонячного теплопостачання в СРСР та Росії з боку владних структур займався д.т.н. Павло Павлович Безруких (1936 р.н.). У 1986-1992 році він на посаді головного спеціаліста Бюро Ради Міністрів СРСР з паливноенергетичного комплексу займався серійним виробництвом сонячних колекторів на братському заводі опалювального обладнання, в Тбілісі в об'єднанні «Спецгеліотепломонтаж» на Бакинському заводі з обробки кольорових сплавів. За його ініціативою та за безпосередньою участю було розроблено першу в СРСР програму розвитку відновлюваної енергетики на 1987-1990 роки.

П. П. Безруких з 1990 року брав найактивнішу участь у розробці та реалізації розділу «Нетрадиційна енергетика» Державної науково-технічної програми «Екологічно безпечна енергетика». Він зазначає головну рольнаукового керівника програми д.т.н. Е. Е. Шпільрайна із залучення до роботи провідних вчених та фахівців СРСР з ВІЕ. З 1992 по 2004 роки П. П. Безруких, працюючи в Міністерстві палива та енергетики Росії та очолюючи відділ, а потім і управління науково-технічного прогресу, керував організацією виробництва сонячних колекторів на Коврівському механічному заводі, НВО «Машинобудування» (місто Реутов, Московська область) , комплексом науково-технічних розробок із сонячного теплопостачання, реалізацією Концепції розробки та використання можливостей малої та нетрадиційної енергетики Росії. Брав участь у розробці першого російського стандарту ГОСТ Р 51595-2000 Колектори сонячні. Загальні технічні умови» та розв'язання розбіжностей автора проекту ГОСТ Р д.т.н. Б. В. Тарнижевського та головного конструктора виробника колекторів (Киврівського механічного заводу) А. А. Личагіна.

У 2004-2013 роках в Інституті енергетичної стратегії (Москва), а потім на посаді завідувача відділення енергозбереження та відновлюваних джерел ЕНІН П. П. Безруких продовжує розробки, у тому числі з сонячного теплопостачання.

У Краснодарському краї роботи з проектування та будівництва геліоустановок розпочато інженером-теплоенергетиком В. А. Бутузовим (1949 р.н.), який очолив перспективний розвитоктеплопостачання виробничого об'єднання «Кубаньтеплокомуненерго». З 1980 по 1986 роки було розроблено проекти та побудовано шість сонячно-паливних котелень загальною площею 1532 м². За ці роки було налагоджено конструктивні відносини з виробниками СК: Братським заводом, «Спецгеліотепломонтажем», КиївЗНДІЕПом. У зв'язку з відсутністю в 1986 році в радянських кліматологічних довідниках даних із сонячної радіації, з 1977 по 1986 роки з метеостанцій Краснодара та Геленджика було отримано достовірні результати для проектування геліоустановок.

Після захисту кандидатської дисертації у 1990 році роботи з розвитку геліотехніки були продовжені організованою В. А. Бутузовим Краснодарською лабораторією енергозбереження та нетрадиційних джерел енергії Академії комунального господарства (Москва). Було розроблено та вдосконалено кілька конструкцій плоских СК, стенд для їх натурних випробувань. В результаті узагальнення досвіду проектування та будівництва геліоустановок було розроблено « Загальні вимогидо проектування геліоустановок та ЦТП у комунально-побутовому господарстві».

На підставі аналізу результатів обробки значень сумарної сонячної радіації для умов Краснодара за 14 років, а Геленджика – за 15 років у 2004 році запропоновано новий спосіб надання місячних значень сумарної сонячної радіації з визначенням їх максимальних та мінімальних величин, ймовірності їхнього спостереження. Визначено розрахункові місячні та річні значення сумарної, прямої та розсіяної сонячної радіації для 54 міст та адміністративних центрів Краснодарського краю. Встановлено, що для об'єктивного зіставлення СК різних виробників крім порівняння їх вартості та енергетичних характеристик, отриманих за стандартною методикою на сертифікованих випробувальних стендах, необхідно враховувати витрати енергії на їх виготовлення та експлуатацію. Оптимальна вартість конструкції СК визначається в загальному випадкуспіввідношенням вартості виробленої теплової енергії та витратами на виготовлення, експлуатацію за розрахунковий термін служби. Спільно з Ковровським механічним заводом розроблено і серійно випускалася конструкція СК, що мала оптимальні для російського ринку співвідношення вартості та енергетичних витрат. Розроблено проекти та здійснено будівництво типових геліоустановок гарячого водопостачання добовою продуктивністю від 200 л до 10 м³. З 1994 року роботи з геліоустановок було продовжено в АТ «Південно-Російська енергетична компанія». З 1987 по 2003 роки виконано розробку та будівництво 42 геліоустановок, а також завершено проектування 20 геліоустановок. Результати роботи В.А. Бутузова було узагальнено в докторській дисертації, захищеної в ЕНІН (Москва).

З 2006 по 2010 роки ТОВ «Теплопроектбуд» розробляв та будував геліоустановки котелень малої потужності, при встановленні в яких СК у літній час скорочується експлуатаційний персонал, що знижує термін окупності геліоустановок. У ці роки розроблялися та будувалися самодреновані геліоустановки, при зупинці насосів у яких вода зливається зі СК у баки, запобігаючи перегріву теплоносія. У 2011 році створено конструкцію, виготовлено досвідчені екземпляри плоских СК, розроблено випробувальний стенд для організації виробництва СК в Ульяновську. З 2009 по 2013 рік у АТ «Южгеотепло» (Краснодар) розробило проект і збудувало найбільшу геліоустановку в Краснодарському краї площею 600 м² у місті Усть-Лабінськ (рис. 3). При цьому були виконані дослідження оптимізації компонування СК з урахуванням затінення, автоматизації роботи, схемні рішення. Розроблено та побудовано геотермальну сонячну систему теплопостачання площею 144 м² у селищі Розовому Краснодарського краю. У 2014 році розроблено методику оцінки економічної окупності геліоустановок залежно від інтенсивності сонячної радіації, ККД геліоустановки, питомої вартості теплової енергії, що заміщується.

Багаторічне творче співробітництво В. А. Бутузова з д.т.н., професором Кубанського державного аграрного університету Робертом Олександровичем Амерхановим (1948 р.н.) реалізовано у розробці теоретичних основ створення геліоустановок великої потужності та комбінованих геотермально- сонячних системтеплопостачання. Під його керівництвом підготовлено десятки кандидатів технічних наук, у тому числі в галузі сонячного теплопостачання. У численних монографіях Р. А. Амерханова розглянуто питання проектування геліоустановок сільськогосподарського призначення.

Найдосвідченішим спеціалістом з проектування геліоустановок є головний інженер проектів інституту «Ростовтеплоелектропроект» к.т.н. Адольф Олександрович Чернявський (1936 р.н.). Цим напрямом він в ініціативному порядку займався понад 30 років. Їм розроблено десятки проектів, багато з яких реалізовано в Росії та інших країнах. Унікальні системи сонячного опалення та ГВП описані в розділі інституту ОІВТ РАН. Проекти А. А. Чернявського відрізняються опрацюванням усіх розділів, включаючи детальне економічне обґрунтування. На основі сонячних колекторів Коврівського механічного заводу розроблено «Рекомендації щодо проектування сонячних станцій теплопостачання».

Під керівництвом А. А. Чернявського створено унікальні проекти фотоелектричних станцій з тепловими колекторами у місті Кисловодську (6,2 МВт електричних, 7 МВт теплових), а також станція у Калмикії загальною встановленою потужністю 150 МВт. Виконано унікальні проекти термодинамічних сонячних електростанцій встановленою електричною потужністю 30 МВт в Узбекистані, 5 МВт – у Ростовській області; реалізовано проекти геліоустановок пансіонатів на узбережжі Чорного моря площею 40-50 м² для систем сонячного опалення та ГВП об'єктів спеціальної астрофізичної обсерваторії у Карачаєво-Черкесії. Для інституту "Ростовтеплоелектропроект" характерний масштаб розробок - сонячні станції теплопостачання житлових селищ, міст. Основні результати розробок цього інституту, які проводяться спільно з ОІВТ РАН, опубліковано у книзі «Автономні системи енергопостачання».

Розвитком геліоустановок у Сочинському державному університеті (Інститут курортної справи та туризму) керував д.т.н., професор Садилов Павло Васильович, завідувач кафедри інженерної екології. Ініціатор відновлюваної енергетики, він розробив та побудував кілька геліоустановок, у тому числі у 1997 році у селищі Лазаревському (місто Сочі) площею 400 м², геліоустановку Інституту курортології, кілька теплонасосних установок.

В Інституті морських технологій Далекосхідного відділення РАН (місто Владивосток) завідувачем лабораторії нетрадиційної енергетики к.т.н. Олександром Васильовичем Волковим, який трагічно загинув у 2014 році, були розроблені та побудовані десятки геліоустановок загальною площею 2000 м², стенд для натурних порівняльних випробувань сонячних колекторів, нові конструкції плоских СК, перевірено ефективність вакуумних СК китайських виробників.

Видатний конструктор і людина Адольф Олександрович Личагін (1933-2012) був автором кількох типів унікальних зенітних керованих ракет, зокрема «Стріла-10М». У 1980-х роках він на посаді головного конструктора (в ініціативному порядку) на військовому Килимському механічному заводі (КМЗ) розробив сонячні колектори, які відрізняла висока надійність, оптимальне співвідношення ціни та енергетичної ефективності. Він зміг переконати керівництво заводу освоїти серійне виробництво сонячних колекторів та створити заводську лабораторію з випробування СК. З 1991 до 2011 року КМЗ виробив близько 3000 шт. сонячних колекторів, кожна з трьох модифікацій яких вирізнялася новими експлуатаційними якостями. Керуючись «потужною ціною» колектора, за якої вартість різних конструкційСК порівнюються при однаковій сонячній радіації, А. А. Личагін створив колектор з абсорбером з латунних трубчастих ґрат зі сталевими поглинаючими ребрами. Були розроблені та виготовлені повітряні сонячні колектори. Висока інженерна кваліфікація та інтуїція поєднувалися в Адольфі Олександровичу з патріотизмом, прагненням розвивати екологічно безпечні технології, принциповістю, високим художнім смаком. Перенісши два інфаркти, він зміг спеціально за тисячу кілометрів приїхати до Мадрида, щоб у музеї Прадо два дні вивчати чудові полотна.

АТ ВПК «НВО Машинобудування» (місто Реутов, Московська область) займається виробництвом сонячних колекторів з 1993 року. Розробка конструкцій колекторів та сонячних водонагрівальних установок на підприємстві виконується конструкторським підрозділом ЦКЛ машинобудування. Керівник проекту – к.т.н. Микола Володимирович Дударєв. У перших конструкціях сонячних колекторів корпусу та штампозварювальні абсорбери виготовлялися з нержавіючої сталі. На основі колектора 1,2 м ² на підприємстві були розроблені та виготовлялися сонячні термосифонні водонагрівальні установки з баками місткістю 80 і 120 л. У 1994 році була розроблена і впроваджена у виробництво технологія отримання селективного покриття поглинання методом вакуумного електродугового напилення, в 1999 році доповнилася магнетронним способом вакуумного напилення. На основі цієї технології було розпочато виробництво сонячних колекторів типу «Сокіл». Абсорбер та корпус колектора виготовлялися з алюмінієвих профілів. Наразі НУО виробляє сонячні колектори «Сокіл-Ефект» з листотрубними мідними та алюмінієвими абсорберами. Єдиний російський сонячний колектор сертифікований за європейськими нормами інститутом SPF з Рапперсвілл у Швейцарії (Institut für Solartechnik Hochschule für Technik Rappelswill).

Науково-виробниче підприємство «Конкурент» (з 2000 року — «Райдуга-Ц», місто Жуковський, Московська область) з 1992 року випускало сонячні колектори «Райдуга». Головний конструктор - В'ячеслав Олексійович Шершнєв.

Штампосварний абсорбер виготовлявся з листової нержавіючої сталі. Покриття абсорбера – селективне PVD або чорною матовою термостійкою фарбою. Річна програма НВП до 4000 шт. Енергетичні характеристики колектора отримані під час випробування в ЕНІН. Вироблялася також термосифонна геліоустановка «Райдуга-2М» у складі двох СК по 1 м² та бака місткістю 200 л. У баку були плоска панель, що гріла, в яку надходив теплоносій від СК, а також дублюючий електронагрівник потужністю 1,6 кВт.

ТОВ «Новий Полюс» (Москва) - другий російський виробник, який розробив власні конструкції і в даний час виробляє плоскі рідинні, плоскі повітряні, плоскі повітряно-рідинні, трубчасті вакуумні сонячні колектори, виконує проекти та монтаж геліоустановок. Генеральний директор- Олексій Вікторович Скоробатюк.

Пропонуються чотири моделі плоских рідинних колекторів типу «Я Solar». Всі рідинні абсорбери даного виробника виконані з мідного листа з селективним покриттям Tinox і мідних трубок. З'єднання трубок з паяним листом з обвальцюванням. ТОВ «Новий Полюс» пропонує також три типи трубчастих вакуумних СК власного виготовлення з мідними абсорберами з U-подібними трубками.

Видатний фахівець, енергійна та високоінтелектуальна людина Геннадій Павлович Касаткін (1941 р.н.) — гірничий інженер та проектувальник з багаторічним стажем — почав займатися геліотехнікою 1999 року в місті Улан-Уді (Бурятія). В організованому ним Центрі енергоефективних технологій (ЦЕФТ) було розроблено кілька конструкцій рідинних та повітряних колекторів, збудовано близько 100 геліоустановок різних типів загальною площею 4200 м². На основі виконаних ним розрахунків виготовлялися дослідні зразки, які після випробувань у натурних умовах тиражувалися на геліоустановках Республіки Бурятія.

Інженером Г. П. Касаткіним розроблено кілька нових технологій: зварювання пластикових абсорберів, виготовлення корпусів колекторів.

Єдиний у Росії, він розробив та побудував кілька повітряних геліоустановок з колекторами власної конструкції. Хронологічно його розробки сонячних колекторів розпочалися з 1990 року зі зварених листотрубних сталевих абсорберів. Потім з'явилися варіанти мідних та пластикових колекторівзі звареними та об'ємом, що з'єднуються, абсорберами і, нарешті, сучасні конструкціїз європейськими мідними селективними листами та трубками. Г. П. Касаткін, розвиваючи концепцію енергоактивних будівель, збудував геліоустановку, колектори якої інтегровані в покрівлю будівлі. В останні роки інженер передав керівні функції в ЦЕФТ своєму синові І. Г. Касаткіну, який успішно продовжує традиції фірми ТОВ «ЦЕФТ».

На рис. 4 представлена ​​геліоустановка готелю «Байкал» у місті Улан-Уде площею 150 м ².

Висновки

1. Розрахункові дані сонячної радіації для проектування геліоустановок у СРСР ґрунтувалися на різноманітних методиках обробки масивів вимірювань метеостанцій. У ці методики доповнені матеріалами міжнародних супутникових комп'ютерних баз даних.

2. Провідною школою з проектування геліоустановок у Радянському союзі був інститут КиївЗНДІЕП, яким було розроблено керівні документи та десятки проектів. В даний час актуальні російські норми та рекомендації відсутні. Проекти геліоустановок на сучасному рівні виконуються в російському інституті«Ростовтеплоелектропроект» (к.т.н. А.А. Чернявський) та в компанії ТОВ «ЕнерготехнологіїСервіс» (к.т.н. В.В. Бутузов, Краснодар).

3. Техніко-економічними дослідженнями геліоустановок в СРСР займалися ЕНІН (Москва), КиївЗНДІЕП, ЦНДІЕПІО (Москва). В даний час ці роботи ведуться в інституті "Ростовтеплоелектропроект" та в компанії ТОВ "Енерготехнології-Сервіс".

4. Провідною науковою організацією СРСР із дослідження сонячних колекторів був Енергетичний інститут імені Р. М. Кржижановського (Москва). Найкращу для свого часу конструкцію колекторів робив «Спецгеліотепомонтаж» (Тбілісі). З російських виробників Коврівський механічний завод випускав сонячні колектори з оптимальним співвідношенням ціни та енергоефективності. Сучасні російські виробники збирають колектори із зарубіжних комплектуючих.

5. У СРСР проектування, виготовлення сонячних колекторів, монтаж та налагодження виконувала фірма «Спецгеліотепломонтаж». До 2010 року за такою схемою працювала фірма ТОВ «ЦЕФТ» (Улан-Уде).

6. Аналіз вітчизняного та закордонного досвідусонячного теплопостачання показав безперечні перспективи його розвитку в Росії, а також необхідність державної підтримки. Серед першочергових заходів: створення російського аналога комп'ютерної бази даних сонячної радіації; розробка нових конструкцій сонячних колекторів з оптимальним співвідношенням ціни та енергоефективності, нових енергоефективних проектних рішеньз адаптацією до російських умов.

1. Сесії, з'їзди, конференції, перша Всесоюзна нарада з геліотехніки. [Електр. текст]. Режим доступу: fs.nashaucheba.ru. Дата звернення. 15.05.2018.
2. Пєтухов В.В. Сонячні водонагрівачі трубчастого типу. - М.-Л.: Держенерговидав, 1949. 78 с.
3. Бутузов В.А. Підвищення ефективності систем теплопостачання на основі використання поновлюваних джерел енергії: Дис. докт. техн. наук з спец. 05.14.08. - Краснодар: ЕНІН, 2004. 297 с.
4. Тарніжевський Б.В. Сонячне коло. Енергетичний інститут ім. Г.М. Кржижановського: Спогади найстаріших співробітників/Аладьєв І.Т. та ін// РАТ «ЄЕС Росії». - М: ЕНІН ім. Г.М. Кржижанівського, 2000. 205 с.
5. Тарніжевський Б.В., Мишко Ю.Л., Мойсеєнко В.В. Узагальнений критерій оптимізації конструкцій плоских сонячних колекторів// Геліотехніка, 1992. №4. С. 7-12.
6. Попіль О.С. Нетрадиційні відновлювані джерела енергії – новий сектор сучасної енергетики та результати роботи: ОІВТ РАН. Підсумки та перспективи. Зб. статей, присв. 50-річчю ОІВТ РАН. - М: Вид-во ОІВТ РАН, 2010. С. 416-443.
7. Попель О.С., Фортов В.Є. Відновлювана енергетика у світі. - М: Вид-во МЕІ, 2015. 450 с.
8. Валов М.І., Казанджан Б.І. Системи сонячного теплопостачання. - М: Вид-во МЕІ, 1991. 140 с.
9. Практика проектування та експлуатації систем сонячного тепла та холодопостачання. - Л.: Вища школа, 1987. 243 с.
10. ВСН 52-86. Установка сонячного гарячого водопостачання. - М.: Держгромадбуд СРСР, 1987. 17 с.
11. Рекомендації щодо проектування установок сонячного гарячого водопостачання для житлових та громадських будівель. - Київ: КиївЗНДІЕП, 1987. 118 с.
12. Рабінович М.Д. Науково-технічні засади використання сонячної енергії у системах теплопостачання: Дис. докт. техн. наук з спец. 05.14.01. – Київ, 2001. 287 с.
13. Харченко Н.В. Індивідуальні сонячні установки. - М: Енергоатоміздат, 1991. 208 с.
14. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Сонячні системи опалення та гарячого водопостачання. - Ташкент: ФАН, 1988. 284 с.
15. Байрамов Р.Б., Ушакова А.Д. Системи сонячного теплопостачання у енергетичному балансі південних регіонів країни. - Ашхабад: Ылим, 1987. 315 з.
16. Системи сонячного та холодопостачання / За ред. Е.В. Сарнацького та С.А. Чистовіна. - М.: Будвидав, 1990. 308 с.
17. Бутузов В.А., Бутузов В.В. Використання сонячної енергії для виробництва теплової енергії. – К.: Теплоенергетик, 2015. 304 с.
18. Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Гаркава К.А. Питання теорії та інноваційних рішеньпід час використання геліоенергетичних систем. - М: Енергоатоміздат, 2009. 502 с.
19. Зайченко В.М., Чернявський О.О. Автономні системи енергопостачання – К.: Надра, 2015. 285 с.
20. Садилов П.В., Петренко В.М., Логінов С.А., Ільїн І.К. Досвід використання ВДЕ у регіоні Сочі // Промислова енергетика, 2009. №5. С. 50-53.
21. Ковальов О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Сонячні водонагрівальні установки у Приморському краї // Журнал С.О.К., 2006. №10. С. 88-90.
22. Личагін А.А. Сонячне повітряне теплопостачання у регіонах Сибіру та Примор'я // Промислова енергетика, 2009. №1. С. 17-19.

Підготували студенти Групи Б3ТПЕН31

Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їх характерною відмінністювід інших систем низькотемпературного опалення є застосування спеціального елемента – геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.

За способом використання сонячної радіації системи сонячного низькотемпературного опалення поділяють на пасивні та активні.

Пасивні

Пасивними називаються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її в теплоту, служать сама будівля або її окремі огородження (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор і т.п.

Пасивна низькотемпературна система сонячного опалення “стіна-колектор”: 1 – сонячне проміння; 2 – променепрозорий екран; 3 – повітряна заслінка; 4 – нагріте повітря; 5 – охолоджене повітря із приміщення; 6 – власне довгохвильове теплове випромінювання масиву стіни; 7 – чорна променевосприймаюча поверхня стіни; 8 – жалюзі.

Активні

Активними називаються системи сонячного низькотемпературного опалення, де геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не належить до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:

за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи з метою теплохолодопостачання);

по виду теплоносія, що використовується (рідинні - вода, антифриз і повітряні);

за тривалістю роботи (цілорічні, сезонні);

з технічного рішення схем (одно-, дво-, багатоконтурні).

Класифікація систем сонячного теплопостачання

можуть бути класифіковані за різними критеріями:

за призначенням:

1. системи гарячого водопостачання (ГВП);

2. системи опалення;

3. комбіновані системи;

По виду теплоносія, що використовується:

1. рідинні;

2. повітряні;

За тривалістю роботи:

1. цілорічні;

2. сезонні;

За технічним рішенням схеми:

1. одноконтурні;

2. двоконтурні;

3. багатоконтурні.

Повітря є широко поширеним теплоносієм, що незамерзає у всьому діапазоні робочих параметрів. При застосуванні його в якості теплоносія можливе поєднання систем опалення із системою вентиляції. Однак повітря – малотепломісткий теплоносій, що веде до збільшення витрати металу на влаштування систем повітряного опалення порівняно з водяними системами.

Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0°С до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що значною мірою сприяє ширшому їх застосуванню.

Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання зазвичай одноконтурні та функціонують у літні та перехідні місяці, у періоди з позитивною температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело теплоти або обходитися без нього в залежності від призначення об'єкта, що обслуговується, і умов експлуатації.

Геліосистеми опалення будинків зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, у геліоконтурі – водні розчини рідин, що незамерзають, у проміжних контурах – вода, а в контурі споживача – повітря).

Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти.

Принципова схема системи сонячного теплопостачання наведено на рис.4.1.2. Вона включає три контури циркуляції:

перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного насоса 8 та рідинного теплообмінника 3;

другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 теплообмінника 3;

третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.

Принципова схема системи сонячного теплопостачання: 1 – сонячний колектор; 2 – бак-акумулятор; 3 – теплообмінник; 4 – будинок; 5 – калорифер; 6 – дублер системи опалення; 7 – дублер системи гарячого водопостачання; 8 – циркуляційний насос; 9 – вентилятор.

Функціонування

Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб. Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу передається воді, що циркулює міжтрубному просторі теплообмінника 3 під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта вода надходить у бак-акумулятор 2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8, при необхідності доводиться до необхідної температури в дублері 7 і надходить в систему гарячого водопостачання будівлі. Підживлення бака акумулятора здійснюється з водопроводу.

Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6.

Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.

Принципова схема одноконтурної термосифонної системи сонячного гарячого водопостачання

Особливістю систем є те, що у випадку термосифонної системи нижня точка бака-акумулятора повинна розташовуватися вище за верхню точку колектора і не далі 3-4 м від колекторів, а при насосній циркуляції теплоносія розташування бака-акумулятора може бути довільним.

Сонячне теплопостачання – спосіб опалення житлового будинку, який з кожним днем ​​стає все більш популярним у багатьох, переважно розвинених, державах світу. Найбільшими успіхами в галузі сонячної теплової енергетики на сьогоднішній день можуть похвалитися у країнах західної та центральної Європи. На території Євросоюзу протягом останнього десятиліття спостерігається щорічне зростання галузі поновлюваної енергетики на 10–12%. Такий рівень розвитку – це дуже суттєвий показник.

Сонячний колектор

Одна з найбільш очевидних сфер застосування сонячної енергетики – це її використання з метою підігріву води та повітря (як теплоносіїв). У кліматичних областях, де переважає холодна погода, для комфортного проживання людей обов'язковим є розрахунок та організація систем опалення кожного житлового будинку. У них повинно бути гаряче водопостачання для різних потреб, до того ж будинку необхідно опалювати. Звісно, найкращим варіантомтут буде застосування схеми, де працюють автоматизовані системи теплопостачання.

Великих обсягів щоденного надходження гарячої води у процесі виробництва вимагають промислові підприємства. Як приклад можна навести Австралію, де на підігрів рідкого теплоносія до температури, що не перевищує 100 o C, витрачається практично 20 відсотків всієї енергії, що витрачається. З цієї причини в частині розвинених країн заходу, а більшою мірою в Ізраїлі, Північній Америці, Японії та, звичайно, в Австралії, дуже швидко відбувається розширення виробництва сонячних систем опалення.

У найближчому майбутньому розвиток енергетики, безперечно, буде спрямований на користь використання сонячного випромінювання. Щільність сонячної радіації на земній поверхні становить у середньому 250 Вт на квадратний метр. І це при тому, що для забезпечення господарських потреб людини у найменш індустріальних районах достатньо двох Ват на квадратний метр.

Вигідна відмінність сонячної енергії від інших галузей енергетики, що використовують процеси спалювання копалин, це екологічність одержуваної енергії. Робота сонячного обладнання не спричиняє виділення шкідливих викидів в атмосферу.

Вибір схеми застосування обладнання, пасивні та активні системи

Існує дві схеми використання сонячного випромінювання як система опалення для будинку. Це активні та пасивні системи. Пасивні системи опалення на сонячній радіації - ті, в яких елементом, що безпосередньо абсорбує сонячну радіацію і утворює з неї теплоту, служить сама конструкція будинку або його окремі частини. Цими елементами можуть бути паркан, покрівля, окремі частини будівлі, побудовані на основі певної схеми. У пасивних системах не використовуються механічні частини, що рухаються.

Активні системи працюють на основі протилежної схеми опалення будинку, в них активно використовуються механічні пристрої (насоси, двигуни, при їх використанні також роблять розрахунок необхідної потужності).

Найбільш простими за своєю конструкцією та менш витратними у фінансовому плані при монтажі схеми є системи пасивної дії. Такі схеми опалення не потребують встановлення додаткових пристроївдля абсорбції та подальшого розподілу сонячного випромінювання у системі опалення будинку. Робота таких систем заснована на принципі прямого обігріву житлового приміщення прямо через стіни, що пропускають світло, розташовані на південній стороні. Додаткову функціюобігрів здійснюють зовнішні поверхні елементів огорожі будинку, які обладнуються шаром прозорих екранів.

Для запуску процесу перетворення сонячної радіації на теплову енергію застосовують систему конструкцій, засновану на використанні геліоприймачів з прозорою поверхнею, де основну функцію відіграє «парниковий ефект», використовуються можливості скла утримувати теплове випромінювання, завдяки чому і підвищують температуру всередині приміщення.

Варто відзначити, що застосування лише одного з видів систем може бути не зовсім виправданим. Найчастіше ретельний розрахунок показує, що досягти значного зниження втрат тепла та зменшення потреб будівлі в енергії можна шляхом застосування інтегрованих систем. Загальна робота і активної та пасивної системи шляхом поєднання позитивних якостей дасть максимальний ефект.

Розрахунок ефективності, що зазвичай проводиться, показує, що пасивне використання випромінювання сонця забезпечить потреби вашого будинку в опаленні приблизно на 14–16 відсотків. Така система буде важливою складовою процесу одержання тепла.

Однак, незважаючи на певні позитивні якості пасивних систем, основні можливості для повного забезпечення потреб будівлі в теплі таки потрібне застосування активного опалювального обладнання. Системи, функцією яких є безпосередньо поглинання, акумуляція та розподіл сонячної радіації.

Планування та розрахунок

Розрахувати можливість монтажу активних опалювальних систем, що використовують сонячну енергію (кристалічні сонячні фотоелементи, сонячні колектори), бажано на стадії проектування будівлі. Але все ж таки цей момент не носить обов'язкового характеру, установка такої системи можлива і на вже існуюче завдання незалежно від року його будівництва (основа для успіху – правильний розрахунок усієї схеми).

Монтаж обладнання здійснюють на південний бік будинку. Таке розташування створює умови для максимального поглинання сонячної радіації, що надходить, взимку. Фотоелементи, що перетворюють енергію сонця та встановлені на нерухому конструкцію, найбільш ефективні при їх монтажі щодо поверхні землі під кутом рівним географічній локації опалювальної будівлі. Кут нахилу даху, градус повороту будинку на південь – це значні моменти, які обов'язково треба враховувати, розраховуючи всю схему опалення.

Сонячні фотоелементи та колектори на сонячному випромінюванні необхідно встановлювати максимально близько до місця енергоспоживання. Пам'ятайте, що чим ближче ви збудуєте ванну та кухню, тим менше будуть втрати тепла (у такому варіанті можна обійтися і одним сонячним колектором, який обігріватиме обидва приміщення). Основним критерієм оцінки при доборі необхідного вам обладнання є коефіцієнт корисної дії.

Опалювальні сонячні системи активної дії діляться на такі групи за такими критеріями:

1. Застосування дублюючого контуру;
2. Сезонність роботи (протягом усього року або у певний сезон);
3. Функціонального призначення – опалювальні, постачання гарячої води та комбіновані системи;
4. Теплоносій, що застосовується - рідина або повітря;
5. Застосовується технічне рішення кількості контурів (1, 2 або більше).

Загальні економічні дані будуть основним чинником вибору на користь одного з типів обладнання. Правильно визначитися вам допоможе грамотний тепловий розрахунок усієї системи. Розрахунок необхідно виконувати, враховуючи показники кожного конкретного приміщення, де намічено організацію сонячного опалення та (або) гарячого водопостачання. Варто враховувати місце розташування будови, кліматичні природні умови, розмір вартості енергетичного ресурсу, що витісняється. Правильний розрахунок та вдалий вибірсхеми організації теплопостачання – запорука економічної доцільності застосування сонячної енергетики.

Сонячна система теплопостачання

Найпоширенішою із використовуваних схем опалення є встановлення сонячних колекторів, в яких передбачено функцію накопичення абсорбованої енергії у спеціальній ємності – акумуляторі.

На сьогоднішній день найбільшого поширення набули двоконтурні схеми опалення житлових приміщень, в яких встановлено примусова системациркуляції теплоносія у колекторі. Принцип його наступний. Подача гарячої води здійснюється з верхньої точки накопичувального бака, процес відбувається автоматично згідно із законами фізики. Холодна проточна вода натиском подається в нижню частину бака, ця вода витісняє нагріту, що збирається у верхній частині бака, яка далі надходить в систему гарячого водопостачання будинку для задоволення його господарських потреб і потреб опалення.

Для односімейного будинку зазвичай встановлюють бак накопичувач місткістю від 400 до 800 літрів. Для розігріву теплового носія таких обсягів, залежно від природних умов, потрібно правильно розрахувати площу поверхні сонячного колектора. Також необхідно обґрунтувати використання обладнання економічно.

Стандартний набір обладнання для монтажу опалювальної системина сонячному випромінюванні наступний:

• Безпосередньо сам сонячний колектор;
• Кріпильна система (опори, балки, утримувачі);
• Накопичувальний бак;
• Бак компенсують надмірне розширення теплового носія;
• Влаштування контролю роботи насоса;
• Насос (комплект клапанів);
• Температурні датчики;
• Теплообмінні пристрої (застосовують у схемах з більшими обсягами);
• Теплоізольовані труби;
• Запобіжна та регулююча арматура;
• фітинги.

Система на основі теплопоглинаючих панелей. Такі панелі зазвичай застосовують на етапі нового будівництва. Для їх монтажу необхідно побудувати спеціальну конструкцію, яка називається гарячим дахом. Це означає, що панелі необхідно вмонтувати безпосередньо в конструкцію даху, при цьому використовуючи елементи покрівлі як складові елементи корпусу обладнання. Така установка знизить ваші витрати на створення системи опалення, проте вимагатиме високоякісної роботи з гідроізоляції стиків пристроїв та покрівлі. Такий спосіб встановлення обладнання вимагатиме від вас ретельного проектування та планування всіх етапів роботи. Потрібно вирішити багато завдань з розведення труб, розміщення накопичувального бака, встановлення насоса, регулювання ухилів. Досить багато проблем при монтажі доведеться вирішити у випадку, якщо будівля не вдало повернута на південь.

Загалом проект сонячних систем опалення буде відмінним від інших тією чи іншою мірою. Незмінними залишаться тільки базові принциписистеми. Тому навести точний список необхідних деталейдля повного монтажу всієї системи неможливо, тому що в процесі встановлення може виникнути необхідність застосування додаткових елементівта матеріалів.

Рідинні системи опалення

У системах, що працюють на основі рідкого теплоносія, як акумулюючу речовину застосовують звичайну воду. Абсорбція енергії відбувається у сонячних колекторах плоскої конструкції. Енергія акумулюється в баку накопичувача і витрачається у міру виникнення потреби.

Для передачі енергії від накопичувача в будинок застосовують водо-водяний або водоповітряний теплообмінник. Система гарячого водозабезпечення обладнана додатковим баком, який називають баком попереднього нагріву. Вода нагрівається в ньому за рахунок сонячного випромінювання і далі надходить у звичайний водонагрівач.

Повітряна опалювальна система

Така система як носій тепла використовує повітря. Розігрівання теплоносія здійснюється в плоскому сонячному колекторі, а далі нагріте повітря потрапляє в опалювальне приміщення або в спеціальний накопичувальний прилад, де абсорбована енергія накопичується в спеціальній насадці, яка обігрівається гарячим повітрям. Завдяки цій особливості система продовжує постачати будинок теплом навіть уночі, коли сонячне випромінювання не доступне.

Системи з примусовою та природною циркуляцією

Основа роботи систем із природною циркуляцією полягає у самостійному русі теплоносія. Під впливом температури, що підвищується, він втрачає щільність і тому прагнути у верхню частину пристрою. Різниця, що виникає в величині тисків і змушує функціонувати обладнання.

Навіщо використовуються теплові сонячні колектори? Де можна їх використовувати – сфери застосування, варіанти застосування, плюси та мінуси колекторів, технічні характеристики, ефективність. Чи можна зробити самому і як це виправдано. Схеми застосування та перспективи.

Призначення

Колектор і сонячні батареї два різних пристроїв. Батарея використовує перетворення сонячної енергії на електричну, що накопичується в акумуляторах і застосовується для побутових потреб. Сонячні колектори, як і тепловий насос, призначені для збирання та накопичення екологічно чистої енергії Сонця, перетворення якої використовується для нагрівання води або опалення. У промислових масштабах стали широко використовуватися сонячні теплові електростанції, що перетворює тепло на електроенергію.

Пристрій

Колектори складаються із трьох основних частин:

• панелі;
• аванкамера;
• накопичувальний бак.

Панелі представлені у вигляді трубчастого радіатора, поміщеного в короб із зовнішньою стінкою зі скла. Їх необхідно розташовувати на будь-якому добре освітленому місці. В радіатор панелі надходить рідина, яка потім нагрівається і пересувається в аванкамеру, де холодна вода замінюється гарячою, що створює постійний динамічний тиск у системі. При цьому холодна рідина надходить у радіатор, а гаряча у накопичувальний бак.

Стандартні панелі легко пристосувати до будь-яких умов. За допомогою спеціальних монтажних профілів їх можна встановлювати паралельно один одному в ряд у необмеженій кількості. В алюмінієвих монтажних профілях просвердлюють отвори та кріплять до панелей знизу на болти або заклепки. Після завершення роботи панелі сонячних абсорберів разом з монтажними профілями є єдиною жорсткою конструкцією.

Система сонячного теплопостачання ділиться на дві групи: з повітряним та рідинним теплоносієм. Колектори вловлюють і поглинають випромінювання, і, роблячи перетворення їх у теплову енергію, передають накопичувальний елемент, з якої тепло розподіляється по приміщенню. Будь-яка із систем може доповнюватись допоміжним обладнанням (циркуляційний насос, датчики тиску, запобіжні клапани).

Принцип роботи

У денний частеплове випромінювання передається теплоносія (вода або антифриз), що циркулює через колектор. Нагрітий теплоносій передає енергію в бак водонагрівача, розташованого вище за нього і збирає воду для гарячого водопостачання. У простій версії циркуляція води здійснюється природним чином завдяки різниці щільності гарячої та холодної водиу контурі, а для того, щоб циркуляція не припинялася, використовується спеціальний насос. Циркуляційний насос призначений для активного прокачування рідини по конструкції.


В ускладненому варіанті колектор включений в окремий контур, наповнений водою чи антифризом. Насос допомагає їм почати циркулювати, передаючи при цьому збережену сонячну енергію теплоізольований бак-акумулятор, який дозволяє запасати тепло і брати його в разі потреби. Якщо енергії недостатньо, передбачений у конструкції бака електричний або газовий нагрівач, автоматично вмикається та підтримує необхідну температуру.

Види

Тим, хто хоче, щоб у його будинку була система сонячного теплопостачання, спочатку слід визначитися з найбільш відповідним типомколектора.

Колектор плоского типу

Представлений у вигляді коробки, закритої загартованим склом, і має особливий шар, що поглинає сонячне тепло. Цей шар з'єднаний з трубками, якими ведеться циркуляція теплоносія. Чим більше енергії він отримуватиме, тим вища його ефективність. Зменшення теплових втрат у самій панелі та забезпечення найбільшого поглинання тепла на пластинах абсорбера дозволяє забезпечити максимальний збір енергії. За відсутності застою плоскі колектори здатні нагріти воду до 200 °C. Вони призначені для підігріву води в басейнах, побутових потреб та опалення будинку.

Колектор вакуумного типу

Є скляними батареями (ряд порожніх трубок). Зовнішня батарея має прозору поверхню, а внутрішня батарея покрита спеціальним шаром, який уловлює випромінювання. Вакуумний прошарок між внутрішніми і зовнішніми батареями допомагає зберегти близько 90% енергії, що поглинається. Провідниками тепла є спеціальні трубки. При нагріванні панелі відбувається перетворення рідини, що знаходиться в нижній частині батареї в пар, який піднімаючись, зраджує тепло колектор. Цей тип системи має більший ККД у порівнянні з колекторами плоского типу, тому що його можна використовувати за низьких температур і в умовах поганого освітлення. Вакуумна сонячна батарея дозволяє нагріти температуру теплоносія до 300 °C, при використанні багатошарового скляного покриття та створення колекторів вакууму.

Тепловий насос

Системи сонячного теплопостачання найбільше ефективно працюють з таким пристроєм, як тепловий насос. Призначений для збирання енергії з навколишнього середовища незалежно від погодних умов та може встановлюватись усередині будинку. Як джерело енергії тут можуть виступати вода, повітря або ґрунт. Тепловий насос може працювати, використовуючи лише сонячні колектори, якщо достатньо сонячної електроенергії. При використанні комбінованої системи «тепловий насос та сонячний колектор», не має значення тип колектора, проте найбільш підходящим варіантом буде сонячна вакуумна батарея.

Що краще

Система сонячного теплопостачання може встановлюватись на дахах будь-якого виду. Більш міцними та надійними вважаються плоскі колектори, на відміну від вакуумних, конструкція яких більш тендітна. Однак при пошкодженні плоского колектора доведеться замінити всю абсорбуючу систему, тоді як у вакуумному заміні підлягає лише пошкоджена батарея.


Ефективність вакуумного колектора набагато вища, ніж плоского. Їх можна використовувати в зимовий час і вони виробляють більше енергії у похмуру погоду. Досить велике поширення набув тепловий насос, незважаючи на свою високу вартість. Показник виробітку енергії у вакуумних колекторів залежить від величини трубок. У нормі розміри трубок повинні становити діаметрі 58 мм при довжині від 1,2-2,1 метра. Досить складно встановити колектор своїми руками. Однак володіння певними знаннями, а також дотримання докладних інструкцій з монтажу та вибору місця системи, вказаних при покупці обладнання, спростить завдання і допоможе принести в будинок сонячне теплопостачання.

Екологія споживання.Садиба: Більшу частину року ми змушені витрачати гроші на опалення своїх будинків. У такій ситуації будь-яка допомога буде не зайвою. Енергія сонця підходить для цих цілей якнайкраще: абсолютно екологічно чиста і безкоштовна.

Більшість року ми змушені витрачати гроші на опалення своїх будинків. У такій ситуації будь-яка допомога буде не зайвою. Енергія сонця підходить для цих цілей якнайкраще: абсолютно екологічно чиста і безкоштовна. Сучасні технології дозволяють здійснювати сонячне опалення приватного будинку не лише у південних районах, а й за умов середньої смуги.

Що можуть запропонувати сучасні технології

У середньому 1 м2 поверхні землі отримує 161 Вт сонячної енергії за годину. Зрозуміло, на екваторі цей показник буде набагато вище ніж у Заполяр'ї. Крім того, щільність сонячного випромінювання залежить від пори року. У Московській області інтенсивність сонячного випромінювання у грудні-січні відрізняється від травня-липня більш ніж у п'ять разів. Проте сучасні системи настільки ефективні, що здатні працювати практично всюди землі.

Завдання використання енергії сонячної радіації з максимальним ККД вирішується двома шляхами: пряме нагрівання в теплових колекторах та сонячні фотоелектричні батареї.

Сонячні батареї спочатку перетворюють енергію сонячних променів на електрику, потім передають через спеціальну систему споживачам, наприклад електрокотлу.

Теплові колектори, нагріваючись під дією сонячних променів, нагрівають теплоносій систем опалення та гарячого водопостачання.

Теплові колектори бувають декількох видів, серед яких відкриті та закриті системи, плоскі та сферичні конструкції, напівсферичні колектори концентратори та багато інших варіантів.

Теплова енергія, отримана з сонячних колекторів, використовується для нагрівання гарячої води або теплоносія системи опалення.

Незважаючи на явний прогрес у розробці рішень щодо збирання, акумулювання та використання сонячної енергії, існують переваги та недоліки.

Ефективність сонячного опалення у наших широтах досить низька, що пояснюється недостатньою кількістю сонячних днівдля регулярної роботи системи

Плюси та мінуси від використання енергії сонця

Найочевиднішим плюсом використання енергії сонця є її загальнодоступність. Насправді навіть у саму похмуру та хмарну погоду сонячна енергія може бути зібрана та використана.

Другий плюс – це нульові викиди. По суті, це екологічно чистий і природний вид енергії. Сонячні батареї та колектори не роблять шуму. Найчастіше встановлюються на дахах будинків, не займаючи корисну площу заміської ділянки.

Недоліки, пов'язані з використанням енергії сонця, полягають у мінливості освітленості. У темний час доби нема чого збирати, ситуація посилюється тим, що пік опалювального сезону припадає на найкоротші світлові дні на рік.

Істотний недолік опалення, що базується на застосуванні сонячних колекторів, полягає у відсутності можливості накопичувати теплову енергію. У схему включено лише розширювальний бак

Необхідно стежити за оптичною чистотою панелей, незначне забруднення різко знижує ККД.

Крім того, не можна сказати, що експлуатація системи на сонячній енергії обходиться повністю безкоштовно, існують постійні витрати на амортизацію обладнання, роботу циркуляційного насоса та електроніки, що управляє.

Відкриті сонячні колектори

Відкритий сонячний колектор є незахищеною від зовнішніх впливів системою трубок, за якими циркулює теплоносій, що нагрівається безпосередньо сонцем. Як теплоносій застосовується вода, газ, повітря, антифриз. Трубки або закріплюються на панелі, що несе, у вигляді змійовика, або приєднуються паралельними рядами до вихідного патрубка.

Сонячні колектори відкритого типуне здатні впоратися із опаленням приватного будинку. Через відсутність ізоляції теплоносій швидко остигає. Їх використовують у літню пору в основному для нагрівання води в душових або басейнах.

У відкритих колекторів зазвичай немає ніякої ізоляції. Конструкція дуже проста, тому має невисоку вартість та часто виготовляється самостійно.

Зважаючи на відсутність ізоляції практично не зберігають отриману від сонця енергію, відрізняються низьким ККД. Застосовуються їх переважно у літній період для підігріву води у басейнах чи літніх душових. Встановлюються в сонячних і теплих регіонах, при невеликих перепадах температури навколишнього повітря та води, що підігрівається. Добре працюють тільки в сонячну, безвітряну погоду.

Найпростіший сонячний колектор з теплоприймачем, зробленим з бухти полімерних труб, забезпечить постачання підігрітої води на дачі для поливу та побутових потреб

Трубчасті сонячні колектори

Трубчасті сонячні колектори збираються з окремих трубок, якими курсує вода, газ або пара. Це один з різновидів геліосистем відкритого типу. Проте теплоносій набагато краще захищений від зовнішнього негативу. Особливо у вакуумних установках, влаштованих за принципом термосів.

Кожна трубка підключається до системи окремо, паралельно одна одній. При виході з експлуатації однієї трубки її легко поміняти на нову. Вся конструкція може збиратися безпосередньо на покрівлі будівлі, що значно полегшує монтаж.

Трубчастий колектор має модульну структуру. Основним елементом є вакуумна трубка, кількість трубок варіюється від 18 до 30, що дозволяє точно підібрати потужність системи

Важкий плюс трубчастих сонячних колекторів полягає в циліндричній формі основних елементів, завдяки яким сонячне випромінювання вловлюється круглий світловий день без застосування дорогих систем стеження за пересуванням світила.

Спеціальне багатошарове покриття створює своєрідну оптичну пастку для сонячних променів. На схемі частково показано зовнішню стінку вакуумної колби, що відображає промені на стінки внутрішньої колби.

За конструкцією трубок розрізняють пір'яні та коаксіальні сонячні колектори.

Коаксіальна трубка є судиною Дьяюра або всім знайомий термос. Виготовлені з двох колб між якими відкачано повітря. На внутрішню поверхню внутрішньої колби нанесено високоселективне покриття, що ефективно поглинає сонячну енергію.

Теплова енергія від внутрішнього селективного шару передається тепловій трубці або внутрішньому теплообміннику алюмінієвих пластин. На цьому етапі відбуваються небажані втрати.

Пір'яна трубка є скляним циліндром з вставленим всередину перовим абсорбером.

Для гарної теплоізоляції з трубки відкачано повітря. Передача тепла від абсорбера відбувається без втрат, тому ККД пір'яних трубок вище.

За способом передачі тепла є дві системи: прямоточні та з термотрубкою (heat pipe).

Термотрубка являє собою запаяну ємність з рідиною, що легко випаровується.

Усередині термотрубки знаходиться рідина, що легко випаровується, яка сприймає тепло від внутрішньої стінки колби або від перового абсорбера. Під дією температури рідина закипає і у вигляді пари піднімається нагору. Після того як тепло віддано теплоносія опалення або гарячого водопостачання, пара конденсується в рідину і стікає вниз.

В якості рідини, що легко випаровується, часто застосовується вода при низькому тиску.

У прямоточній системі використовується U-подібна трубка, якою циркулює вода або теплоносій системи опалення.

Одна половина U-подібної трубки варта холодного теплоносія, друга відводить нагрітий. При нагріванні теплоносій розширюється та надходить у накопичувальний бак, забезпечуючи природну циркуляцію. Як і у випадку систем із термотрубкою, мінімальний кутнахилу має становити не менше 20⁰.

Прямоточні системи ефективніші оскільки відразу нагрівають теплоносій.

Якщо системи сонячних колекторів заплановані до використання цілий рік, то в них закачуються спеціальні антифризи.

Плюси та недоліки трубчастих колекторів

Застосування трубчастих сонячних колекторів має низку переваг і недоліків. Конструкція трубчастого сонячного колектора складається з однакових елементів, які легко замінити.

Переваги:

• низькі тепловтрати;
• здатність працювати при температурі до -30?
• ефективна продуктивність протягом усього світлового дня;
• гарна працездатність в областях з помірним та холодним кліматом;
• низька парусність, обгрунтована здатністю трубчастих систем пропускати крізь себе повітряні маси;
• можливість виробництва високої температури теплоносія.

Конструктивно трубчаста конструкція має обмежену апертурну поверхню. Має такі недоліки:

• не здатна до самоочищення від снігу, льоду, інею;
• Висока вартість.

Незважаючи на спочатку високу вартість, трубчасті колектори швидше окупаються. Мають великий термін експлуатації.

Плоскі закриті сонячні колектори

Плоский колектор складається з алюмінієвого каркасу, спеціального шару, що поглинає – абсорбера, прозорого покриття, трубопроводу та утеплювача.

Як абсорбер застосовують зачорнену листову мідь, що відрізняється ідеальною для створення геліосистем теплопровідністю. При поглинанні сонячної енергії абсорбером відбувається передача отриманої ним сонячної енергії теплоносія, що циркулює по системі трубок, що примикає до абсорберу.

Ззовні закрита панель захищена прозорим покриттям. Воно виготовлене із протиударного загартованого скла, що має смугу пропускання 0,4-1,8мкм. Такий діапазон припадає максимум сонячного випромінювання. Протиударне скло служить гарним захистом від граду. З тильного боку вся панель надійно утеплена.

Плоскі сонячні колектори відрізняються максимальною продуктивністю та простою конструкцією. ККД їх збільшено за рахунок застосування абсорбера. Вони здатні вловлювати розсіяне та пряме сонячне випромінювання

У переліку переваг закритих плоских панелей є:

• простота конструкції;
• гарна продуктивність у регіонах із теплим кліматом;
• можливість встановлення під будь-яким кутом за наявності пристроїв для зміни кута нахилу;
• здатність самоочищатися від снігу та інею;
• найнижча ціна.

Плоскі сонячні колектори особливо вигідні, якщо їхнє застосування заплановано ще на стадії проектування. Термін служби якісних виробів становить 50 років.

До недоліків можна віднести:

• високі тепловтрати;
• велика вага;
• висока парусність при розташуванні панелей під кутом до горизонту;
• обмеження у продуктивності при перепадах температури понад 40°С.

Сфера застосування закритих колекторів значно ширша, ніж геліоустановок відкритого типу. Влітку вони здатні повністю задовольнити потребу у гарячій воді. У прохолодні дні, не включені комунальниками в опалювальний період, вони можуть працювати замість газових та електрообігрівачів.

Порівняння характеристик сонячних колекторів

Найголовнішим показником сонячного колектора є ККД. Корисна продуктивність різних за конструкцією сонячних колекторів залежить від різниці температур. При цьому плоскі колектори значно дешевші за трубчасті.

Значення ККД залежить від якості виготовлення сонячного колектора. Мета графіка показати ефективність застосування різних систем залежно від різниці температури

При виборі сонячного колектора варто звернути увагу на ряд параметрів, що показують ефективність і потужність приладу.

Для сонячних колекторів є кілька важливих характеристик:

• коефіцієнт адсорбції - показує відношення поглиненої енергії до загальної;
• коефіцієнт емісії – показує ставлення переданої енергії до поглиненої;
• загальна та апертурна площа;
• ККД.

Апертурна площа – це робоча площа сонячного колектора. У плоского колектора апертурна площа максимальна. Апертурну площу дорівнює площі абсорбера.

Способи підключення до системи опалення

Оскільки пристрої на сонячній енергії не можуть забезпечити стабільне та цілодобове постачання енергії, необхідна система стійка до цих недоліків.

Для середньої смуги Росії сонячні пристроїне можуть гарантувати стабільний приплив енергії, тому використовуються як додаткова система. Інтегрування в існуючу системуопалення та гарячого водопостачання відрізняється для сонячного колектора та сонячної батареї.

Схема підключення теплового колектора

Залежно від цілей використання теплового колектора застосовуються різні системипідключення. Варіантів може бути кілька:

1. Літній варіант для гарячого водопостачання
2. Зимовий варіант для опалення та гарячого водопостачання

Літній варіант найпростіший і може обходитись навіть без циркуляційного насоса, використовуючи природну циркуляцію води.

Вода нагрівається в сонячному колекторі та за рахунок теплового розширення надходить у бак-акумулятор або бойлер. При цьому відбувається природна циркуляція: місце гарячої води з бака засмоктується холодна.

Взимку при негативних температурах пряме нагрівання води не можливе. За закритим контуром циркулює спеціальний антифриз, забезпечуючи перенесення тепла від колектора до теплообмінника в баку.

Як будь-яка система заснована на природної циркуляціїпрацює не дуже ефективно, вимагаючи дотримання необхідних ухилів. Крім того, акумулюючий бак повинен бути вищим ніж сонячний колектор.

Щоб вода залишалася якнайдовше гарячий бакнеобхідно ретельно утеплити.

Якщо Ви хочете дійсно досягти максимально ефективної роботи сонячного колектора, схема підключення ускладниться.

За системою сонячного колектора циркулює теплоносій, що незамерзає. Примусову циркуляцію забезпечує насос під керуванням контролера.

Контролер управляє роботою циркуляційного насоса ґрунтуючись на показаннях як мінімум двох температурних датчиків. Перший датчик вимірює температуру в накопичувальному баку, другий – на трубі подачі гарячого теплоносія сонячного колектора. Як тільки температура в баку перевищить температуру теплоносія, в колекторі контролер відключає циркуляційний насос, припиняючи циркуляцію теплоносія за системою.

У свою чергу, при зниженні температури в накопичувальному баку нижче заданої включається опалювальний котел.

Схема підключення сонячної батареї

Було б привабливо застосувати подібну схему підключення сонячної батареї до електромережі, як це реалізовано у випадку сонячного колектора, накопичуючи енергію, що надійшла за день. На жаль, для системи електропостачання приватного будинку створити блок акумуляторів достатньої ємності дуже дорого. Тому схема підключення виглядає так.

При зниженні потужності електричного струму від сонячної батареї блок АВР (автоматичне включення резерву) забезпечує підключення споживачів до загальної електромережі.

З сонячних панелейзаряд надходить на контролер заряду, який виконує кілька функцій: забезпечує постійну підзарядку акумуляторів та стабілізує напругу. Далі електричний струмнадходить на інвертор, де відбувається перетворення постійного струму 12В або 24В змінний однофазний струм 220В.

На жаль, наші електромережі не пристосовані для отримання енергії, можуть працювати лише в одному напрямку від джерела споживача. З цієї причини ви не зможете продавати видобуту електроенергію або хоча б змусити лічильник крутитися у зворотний бік.

Використання сонячних батарей вигідно тим, що вони надають універсальніший вид енергії, але при цьому не можуть зрівнятися за ефективністю із сонячними колекторами. Однак останні не мають можливості накопичувати енергію на відміну від сонячних фотоелектричних батарей.

Як порахувати необхідну потужність колектора

При розрахунку необхідної потужності сонячного колектора дуже часто помилково проводять обчислення, виходячи з сонячної енергії, що надходить, в найхолодніші місяці року.

Справа в тому, що в інші місяці року вся система постійно перегріватиметься. Температура теплоносія влітку на виході з сонячного колектора може досягати 200°З нагрівання пари або газу, 120°С антифризу, 150°С води. Якщо теплоносій закипить, він частково випарується. В результаті його доведеться замінити.

• забезпечення гарячого водопостачання трохи більше 70%;
• забезпечення опалювальної системи трохи більше 30%.

Решту необхідного тепло має виробляти стандартне опалювальне обладнання. Проте за таких показників на рік економиться в середньому близько 40% на опаленні та гарячому водопостачанні.

Потужність вироблюваної однією трубкою вакуумної системи залежить від географічного розташування. Показник сонячної енергії, що падає на рік на 1 м2 землі, називається інсоляцією. Знаючи довжину та діаметр трубки, можна вирахувати апертуру – ефективну площу поглинання. Залишається застосувати коефіцієнти абсорбції та емісії для обчислення потужності однієї трубки на рік.

Приклад розрахунку:

Стандартна довжина трубки складає 1800 мм, ефективна – 1600 мм. Діаметр 58 мм. Апертура - затінена ділянка створювана трубкою. Таким чином площа прямокутника тіні становитиме:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 м2

ККД середньої трубки становить 80%, сонячна інсоляція для Москви становить близько 1170 кВт * год / м2 на рік. Таким чином одна трубка виробить на рік:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 кВт*ч

Це дуже приблизний розрахунок. Кількість енергії, що виробляється, залежить від орієнтування установки, кута, середньорічної температури і т.д. опубліковано