Введение
По оценке Международного энергетического агентства (МЭА), мировое производство тепла на базе ВИЭ будет устойчиво расти и в 2025 году превысит выработку возобновляемого тепла в 2019-м на 20% [1]. Рост в строительном секторе составит по оценкам 24%, в промышленности — 15%, некоторый рост ожидается и в сельском хозяйстве. Ожидается, что к 2025 году доля возобновляемого тепла составит 12% от общей выработки тепла в мире, а внедрение «зелёных» технологий в теплоснабжение приведёт к снижению углеродного следа в отрасли на 2%.
Технический потенциал использования древесного топлива по оценкам составляет примерно 48,4 млн тонн условного топлива и сосредоточен главным образом в Северо-Западном, Приволжском и Сибирском федеральных округах [2]. Кроме того, для выработки тепла, в том числе совместно с производством электроэнергии, может использоваться биогаз, технический потенциал выработки которого в России составляет до 90 млрд м³ в год, что примерно эквивалентно 60 млрд м³ природного газа. Сюда же необходимо отнести и использование свалочного газа. Технический потенциал использования солнечной энергии для выработки тепла в России составляет 8,75 млрд т.у.т. (в развитии данных технологий существенным ограничением является экономический фактор), использования энергии грунтов и водоёмов — 13,2 млн т.у.т.
Функционирование теплоэнергетических предприятий с высокой долей солнечной энергии как источника тепла может быть особенно эффективным в регионах с высоким уровнем солнечной радиации в зимний период. Примеры — юг Приморского края, Северо-Кавказский федеральный округ, Алтайский край, юг Иркутской области, южные регионы Сибири, а в летний период — весь Южный федеральный округ и регионы Поволжья.
Далее в статье основное внимание будет уделено проектам солнечной теплоэнергетики.
Солнечные коллекторы
Солнечные нагреватели, в зависимости от типа и конструкции, могут решать различные задачи в области теплоснабжения (табл. 1). Так, плоские, гибридные или вакуумные солнечные коллекторы могут использоваться для нагрева горячей воды, бассейнов и выступать дополнительным источником энергии в системах отопления. Воздушные солнечные коллекторы нагревают только воздух для системы отопления или кондиционирования. Гелиоколлекторы подключаются к системе теплоснабжения зданий и сооружений и обеспечивают автономно или в комбинации с другими источниками тепла, например, тепловыми насосами и твердотельными котлами, приготовление горячей воды, нагрев бассейнов, отопление помещений. Например, пять плоских солнечных коллекторов в летний период способны нагреть 1000 л горячей воды до 65°C или обеспечить комфортную температуру в бассейне объёмом 20–30 м³. С учётом подбора оптимальной площади солнечных коллекторов за сезон обеспечивается нагрев до 80% горячей воды и экономится до 30% на отоплении.
Солнечные коллекторы-концентраторы устроены по принципу фокусировки солнечного излучения на трубке с теплоносителем. Для оптимального функционирования они требуют сложной системы управления ориентацией и прямого солнечного излучения. Работа в температурных режимах 60–200°C позволяет использовать тепловую энергию также для выработки электричества.
В зависимости от места установки и солнечной инсоляции процентное соотношение замещения тепловой энергии может меняться. Также на выработку влияет ориентация относительно юга и угол наклона установки. Для круглодонного использования угол наклона принимается равным углу широте местности. Однако в зависимости от выполняемых задач он меняется. Так, для обеспечения нагрева бассейна и ГВС в летний период необходимо устанавливать меньший угол для эффективного улавливания энергии в утренние и вечерние часы. Для задач отопления угол, наоборот, требуется более крутой, вплоть до вертикального. Это связано с невысоким углом подъёма Солнца в зимние месяцы, предотвращением задержки снега на солнечном коллекторе и полезным отражением солнечного света от снежного покрова. Коллекторы могут устанавливаться на крышах зданий, на стенах или специальных креплениях на земле.
В городе Марсталь на острове Эрё (Дания) установлена крупнейшая в мире (площадь 33 тыс. м²) система отопления на базе солнечных коллекторов (фото 1). Данная система центрального отопления была запущена в эксплуатацию в 2013 году, её установленная мощность составляет 26,4 МВт. Использование солнечных коллекторов позволяет в летнее время обеспечить горячее водоснабжение для жителей города населением 2000 человек и вместе с другими технологиями проекта Sunstore 4 (включающей использование биотопливо, тепловые насосы и хранение тепла) добиться существенного снижения углеродных выбросов [3].
Крупнейшим проектом в Российской Федерации является работающая на солнечных коллекторах котельная в городе Нариманов в Астраханской области (фото 2). Тепловая мощность котельной составляет 3 МВт, котельная состоит из 2200 солнечных коллекторов и обслуживает 11,6 тыс. человек. В зимний период горячее водоснабжение частично закрывается природным газом.
В результате работы котельной экономия по природному газу составляет 8,4 млн м³ в год, что позволяет говорить о снижении углеродного следа в 15,5 тыс. тонн эквивалента углекислого газа [4].
География проектов по солнечным коллекторам достаточно широка, в том числе и за Полярным кругом. Одним из примеров применения солнечных коллекторов в Заполярье является реализованный для АО «Алроса» компанией «Новый Полюс» проект солнечной водонагревательной системы в вахтовом посёлке Накын в Якутии (Республика Саха). Площадь поля солнечных коллекторов составляет 300 м², мощность — 225 кВт (фото 3а). В летнее время система обеспечивает горячей водой вахтовый посёлок, что позволяет значительно сократить потребление привозного топлива. В 2016 году были поставлены две солнечных водонагревательных установки для ОАО «Сургутнефтегаз» также в Якутии на базе производственного обслуживания (БПО) в посёлке Витим (фото 3б).
Установки позволили улучшить социально-бытовые условия сотрудников за счёт существенного увеличения запаса горячей воды, при этом экономический эффект от внедрения составил более 350 тыс. руб. за период с мая по сентябрь за счёт снижения затрат на электроэнергию.
В настоящий момент в России системы солнечного теплоснабжения наиболее распространены в Южном федеральном округе, Республике Крым и на Дальнем Востоке. Главная выполняемая ими задача — горячее водоснабжение. В качестве примера можно привести гелиоустановку в городе Туапсе для детского лагеря ОАО «РЖД» (фото 4а). Также солнечные коллекторы обеспечивают нагрев бассейнов и помощь системе отопления, как в одном из частных отелей в Анапе (фото 4б).
Эффективность улавливания солнечной энергии для систем солнечного теплоснабжения в три раза выше по сравнению с использованием для тех же целей вырабатываемой электроэнергии от солнечных фотоэлектрических модулей. Также перспективно использование современных гелиоустановок для задач отопления объектов в регионах с высокой солнечной инсоляцией в зимний период. Ежегодно в России, по оценкам авторов, вводятся в эксплуатацию порядка 9000 м² солнечных коллекторов с суммарной мощностью 10 МВт [5].
Гибридные фотоэлектрические панели
Одним из решений по совместной выработке тепла и электроэнергии в летнее время может выступать гибридная солнечная теплои электростанция на базе охлаждаемых фотоэлектрических панелей. Суммарная эффективность такого решения по-прежнему остаётся в три раза выше, чем у обычной фотоэлектрической панели, но распределяется между теплом и электроэнергией. Проведённые испытания показали, что одна панель вырабатывает 0,46 кВт электрической энергии и обладает тепловой мощностью 1,2 кВт. Гибридный модуль PVT (PhotoVoltaic Thermal) в условиях Московского региона способен выдавать низкопотенциальное тепло с температурой до 60°C. В условиях жаркого климата также увеличивается выработка электроэнергии на 10–15% за счёт уменьшения воздействия температурного коэффициента.
При повышении температуры в любом фотоэлектрическом модуле создаётся внутреннее сопротивление, что снижает его эффективность. По оценкам авторов такие панели, с точки зрения выработки тепла, могут быть интересным сезонным решением по теплу и электроэнергии даже в условиях северных широт (по аналогии с рассмотренными ранее проектами с солнечными коллекторами за Полярным кругом). В условиях снежной зимы данные комбинированные PVT-панели позволяют производить таяние снега при помощи обратной подачи горячего теплоносителя на несколько минут.
Летом 2023 года сотрудниками компании «Новый Полюс» была спроектирована и введена в эксплуатацию первая и крупнейшая в России система нагрева бассейна с PVT-модулями (фото 5). Солнечные гибридные модули совместно с плоскими коллекторами и воздушным тепловым насосом обеспечивают нагрев бассейна и приготовление горячей воды в физкультурно-оздоровительном комплексе на юге Саратовской области в период отключения центрального теплоснабжения.
В настоящий момент авторы разрабатывают пилотную установку из трёх охлаждаемых и трёх обычных фотоэлектрических панелей с одинаковыми электрическими характеристиками. Эти две группы будут подключены к двум сетевым инверторам, что позволит исследовать влияние системы охлаждения фотоэлектрических панелей на их производительность (КПД панели) в долгосрочном периоде. С помощью установленного теплосчётчика будет измеряться параметры получаемого отводимого тепла.
