Введение
Для создания надёжных и экономичных гелиоустановок необходимо учитывать опыт их многолетней эксплуатации. Для СК советских производителей такие материалы представлены в книге [3], для германских производителей 20-летний опыт описан в книге [4]. На основании анализа десятилетней эксплуатации гелиоустановок с СК германских производителей в городе Нариманов Астраханской области и в городе Усть-Лабинск Краснодарского края, а также десятилетней эксплуатации СК НПО «Машиностроение» в городе Сочи и 20-летней эксплуатации СК Ковровского механического завода в городе Анапе, характеристики которых приведены в табл. 1, выполнена оценка их эксплуатационной надёжности.
Отечественные солнечные коллекторы
В 2020 году солнечные коллекторы в РФ производят две компании. ООО «Новый Полюс» (Москва) выпускает с 2010 года СК типа «ЯSolar» следующих видов: плоские жидкостные, воздушные, воздушно-жидкостные и трубчатые вакуумные жидкостные.
Конструкция жидкостного плоского солнечного коллектора выполнена в четырёх модификациях: три с размерами (д×ш×г) 2073×1070×67 мм и одна с размерами 1070×1070×103 мм. Абсорбер — листотрубный медный. Лист абсорбера с селективным покрытием TINOX соединяется с медной трубкой диаметром 9 мм пайкой с бессвинцовым припоем. Уплотнение стекла выполнено EPDM-резиной. Конструкция корпуса — рамная из алюминиевого профиля, фольгированная теплоизоляция толщиной 60 мм, тыльная сторона — из листового алюминия. Трубчатые вакуумные СК выпускаются с 10-ю, 20-ю и 30-ю трубками с площадью 0,83; 1,728 и 2,592 м², с U-образными медными трубками. Воздушный и воздушно-жидкостной СК при площади 1 м² или 2 м² производятся с прозрачной изоляцией из стекла (специальное призматическое стекло 3,2 мм с антибликовым покрытием) или поликарбоната.
Второй российский производитель — АО «ВПК «НПО Машиностроение» имеет 20-летний опыт разработки и выпуска СК [2]. В 2020 году он производит СК типа «Сокол-Эффект» двух модификаций с листотрубными медными и алюминиевыми абсорберами с селективным покрытием чешского производства. Стекло — гелиотехническое с антибликовым покрытием, толщиной 3,2 мм. Уплотнение стекла в корпусе выполнено EPDM-резиной. Конструкция корпуса — рамная из алюминиевого профиля. Теплоизоляция имеет толщину 50 мм. Для монтажа предлагаются межколлекторные сильфонные компенсаторы и опорные конструкции.
Рис. 1. Общий вид гелиоустановки в городе Нариманове
Гелиоустановка котельной в Нариманове
Самая мощная солнечно-топливная котельная (СТК) в России была построена в 2011 году в городе Нариманов Астраханской области для горячего водоснабжения (ГВС) жилых зданий. На рис. 1 представлен общий вид гелиоустановки с 2200 шт. СК германской фирмы Buderus типа Logosol CKN 2,0 с листотрубными медными абсорберами с регистровой гидравлической схемой и лакокрасочным покрытием. Соединение СК между собой обеспечено четырьмя резинотканевыми патрубками и хомутами. Стекло — просветлённое градостойкое толщиной 3,2 мм. Корпус — рамный из алюминиевых профилей. Теплоизоляция — минеральная вата толщиной 25 мм. Тыльная сторона — стальной оцинкованный лист. Габариты (д×ш×г) — 2026×1032×67 мм, апертурная (облучаемая) площадь СК — 1,94 м². На рис. 2 представлена тепловая схема гелиоустановки. СК скомпонованы в три гелиополя с числом коллекторов 540, 560 и 1100 шт. Ориентация — южная, угол наклона 45° к горизонту. Расположение — однорядное. Блоки скомпонованы в основном по десять штук и подключены по противоточной схеме. Схема гелиоустановки — двухконтурная. Теплоноситель — вода химочищенная. Максимальная расчётная температура — 120°C, температура стагнации — 200°C.
Рис. 2. Тепловая схема гелиоустановки в городе Нариманове [1 — фотоэлектрические модули (1080 шт.); 2 — солнечные коллекторы Lokosol 1,0-s (2200 шт.); 3 — бак-аккумулятор 250 м3 (2 шт.); 4 — насос ГВС Wilo: 70 м3/ч, 15 м водн. ст. (2 шт.); 5 — пластинчатый теплообменник «Ридан»: 3,2 МВт (2 шт.); 6 — мембранный бак 800 л (3 шт.); 7 — насосы теплоносителя Wilo: 60 м3/ч, 15 м водн. ст. (2 шт.); 8 — баки запаса теплоносителя; 9 — насосы теплоносителя; 10 — насос теплоносителя аварийного сброса DAB: 0,03 м3/ч, 15 м водн. ст. (3 шт.); 11, 12 — баки аварийного сброса]
Гелиоустановка в 2014 году была дополнена 1040 шт. фотоэлектрических модулей (ФЭМ), скомпонованных в два гелиополя по 640 и 400 шт. В настоящее время ФЭМ не эксплуатируются. Тепловая схема гелиоустановки предусматривает работу СК по закрытой схеме с подогревом теплоносителя ГВС котельной в пластинчатых теплообменниках. Для заполнения химически очищенной водой гелиоконтура и аварийного сброса при перегреве установлены три группы баков и насосов. При проектировании гелиоустановки предусматривалась работа котельной по закрытой четырёхтрубной схеме с нагревом воды в двух баках вместимостью по 250 м³ для ГВС.
В настоящее время гелиоустановка работает не в расчётном проектном режиме, так как котельная переведена на работу по открытой двухтрубной схеме. Статистика повреждений солнечных коллекторов гелиоустановки представлена в табл. 1.
Предварительный анализ работы данной гелиоустановки показал, что имеется возможность увеличения её производительности на 30%. Десятилетняя эксплуатация СК фирмы Buderus в самом дешёвом исполнении (лакокрасочное покрытие абсорберов, резинотканевые соединительные патрубки) показала их высокую надёжность. Повреждения СК отсутствуют. На абсорберах имеется налёт песка.
Гелиоустановка в Усть-Лабинске
Гелиоустановка для круглогодичного горячего водоснабжения центральной районной больницы (ЦРБ) в городе Усть-Лабинске (рис. 3) площадью 600 м² была построена в 2011 году [3].
Рис. 3. Гелиоустановка в Усть-Лабинске
Солнечные коллекторы производства германской компании WOLF типа CFK-1 состоят из листотрубных медных абсорберов с регистровой гидравлической схемой с селективным PVD-покрытием.
Корпус СК — алюминиевый цельноштампованный («ванна»). Стекло — гелиотехническое толщиной 3,2 мм, запрессованное в корпусе. СК имеют по четыре патрубка с резьбовыми соединениями. Теплоизоляция — базальтовое волокно толщиной 60 мм. Габариты (д×ш×г) — 2090×1090×110 мм, апертурная площадь СК — 2 м². СК в количестве 300 шт. скомпонованы в 15 сдвоенных блоков по десяти штук в каждом. Ориентация — южная, угол наклона 45° к горизонту. Расположение — однорядное. Гелиополе находится на расстоянии 150 м от насосного модуля.
Рис. 4. Принципиальная схема гелиоустановки в городе Усть-Лабинске (1 — солнечные коллекторы; 2 — насосы; 3 — теплообменник; 4 — мембранный бак; 5 — буферный бак)
Принципиальная схема ГУ представлена на рис. 4. Гелиоконтур включает в себя солнечные коллекторы, пластинчатый теплообменник, насосы. Второй контур включает бак-аккумулятор вместимостью 10 м³ и насосы. Третий контур имеет пластинчатый теплообменник для подогрева воды на ГВС. Для автоматизации работы гелиоустановки применён специализированный контроллер германской фирмы Resol с датчиком солнечной радиации.
В табл. 2 представлены данные по результатам десятилетней эксплуатации СК данной гелиоустановки. Следствием неквалифицированной эксплуатации явился выход из строя 40 солнечных коллекторов. Они были разморожены при работе на обычной воде, деформированы при перегреве солнечных коллекторов и неисправности сильфонных компенсаторов.
Гелиоустановка санатория им. М. В. Фрунзе в Сочи
Рис. 5. Гелиоустановка санатория им. М.В. Фрунзе
На рис. 5 представлены гелиоустановки санатория им. М. В. Фрунзе для сезонного ГВС. Три из них, площадью соответственно 252, 160 и 96 м², были смонтированы на кровле столовой и пристройки к ней в 1985 году объединением «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) [3]. По истечении срока службы солнечные коллекторы с штампосварными стальными абсорберами в 1985 году были заменены на СК НПО «Машиностроение» (Москва) типа «Сокол» при сохранении основных схемных и компоновочных решений (табл. 1). Ориентация СК — южная, угол наклона 45° к горизонту. Всего на трёх гелиоустановках было установлено 254 СК с габаритными размерами каждого коллектора (д×ш×г) 2007×1007×100 мм.
Абсорберы выполнены из плавниковых прессованных алюминиевых трубок из сплава АД-31. Гидравлическая схема абсорбера — регистровая. Селективное покрытие абсорбера — вакуумное нанесение PVD-покрытия по технологии НПО «Машиностроение». Корпус — рамный из алюминиевых профилей. Стекло — закалённое, толщиной 4 мм. Теплоизоляция — базальтовое волокно Rockwool толщиной 50 мм. Тыльная сторона выполнена из листового алюминия. Алюминиевые патрубки абсорбера имеют муфтовые резьбовые соединения.
Самая большая гелиоустановка санатория площадью 252 м² с СК на кровле столовой имеет бак-аккумулятор вместимостью 5 м³ установленный на высоте 8 м с двухметровым превышением над СК. При замене в 2000 году СК в гелиоконтур дополнительно были установлены циркуляционные насосы. Подпитка бака выполнена через промежуточный бачок с поплавковым регулятором. Работа гелиоустановки на химически очищенной водопроводной воде при отсутствии её контакта с воздухом обусловили 35-летнюю эксплуатацию баков и трубопроводов.
Гелиоустановка №2 с СК на кровле пристройки столовой площадью 160 м² выполнена по аналогичной гидравлической и компоновочной схемам. Особенностью гелиоустановки №3 площадью 96 м² с СК на кровле центрального теплового пункта (ЦТП) является размещение бака аккумулятора и насоса в здании ЦТП.
Основным недостатком десятилетней эксплуатации данных гелиоустановок с алюминиевыми СК является повреждение 30 коллекторов (табл. 2) в результате электрохимической коррозии резьбовых соединений (соединительные муфты из стали 3 и бронзы).
Солнечные коллекторы установлены на расстоянии 15 м от берега моря, однако за десять лет эксплуатации следов коррозии на абсорберах и корпусах коллекторов не выявлено.
Гелиоустановка в станице Благовещенская в Анапе
Рис. 6. Гелиоустановка базы отдыха «Рассвет» (2000 год)
Гелиоустановка базы отдыха «Рассвет» в станице Благовещенской в городе Анапа была построена в 2000 году для ГВС (рис. 6). В табл. 1 представлены основные её характеристики. На навесе были установлены 48 СК КМЗ площадью 40 м². Бак-аккумулятор вместимостью 4 м³ для термосифонной циркуляции воды был установлен с превышением отметки на 0,5 м над СК. Солнечные коллекторы имеют абсорберы из латунной трубки со стальными плавниками с чёрным лакокрасочным покрытием, стекло — оконное, толщиной 3 мм, корпуса — стальные (сталь 3) с лакокрасочным покрытием. Габариты (д×ш×г) — 960×900×106 мм. Теплоизоляция — полости из пергамина, тыльные стороны — окрашенный лист ДВП. Бак-аккумулятор выполнен из стали 3 и имеет внутреннее разрешённое для ГВС лакокрасочное покрытие. Теплоизоляция — стекловата толщиной 60 мм с покрытием из оцинкованной стали.
В 2020 году данная гелиоустановка сохранила работоспособность (рис. 7). Фактически в работе из 48 СК осталось 40 (восемь штук демонтировано). Из 40 коллекторов относительно целыми с частично повреждением лакокрасочного покрытия было 30 шт., десять коллекторов не имели стёкол или имели их повреждения.
Рис. 7. Гелиоустановка базы отдыха «Рассвет» в станице Благовещенская (2020 год)
Результаты обследования приведены в табл. 2. Тыльная сторона у десяти СК отсутствовала, у десяти СК была целой. Большинство резинотканевых патрубков с хомутами сохранились. СК без стёкол имеют коррозионные повреждения стальных рёбер абсорберов. Обвязка СК металлопластиковой трубой в результате воздействия ультрафиолета солнечного излучения имеет массовые повреждения. Бак-аккумулятор находится в исправном техническом состоянии. Внутри бака следов коррозии не обнаружено. Теплоизоляция не нарушена.
Выводы
С учётом изложенного следует, что при разработке проектов гелиоустановок необходимо учитывать опыт многолетней эксплуатации. Солнечные коллекторы разных производителей отличаются по конструкции, стоимости и имеют различные технические характеристики.
Практический 20-летний опыт их эксплуатации показал, что при качественном лакокрасочном покрытии и резинотканевых соединительных патрубках они обеспечивают надёжную работу гелиоустановок. При проектировании технически сложных автоматизированных гелиоустановок следует учитывать ежегодные эксплуатационные затраты и их выполнение специализированными организациями. В противном случае гелиоустановки могут выйти из строя после двух-трёх лет эксплуатации.
