Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для производства электроэнергии и тепла получило в последние 10–15 лет интенсивное развитие во многих странах мира. К ВИЭ относятся солнечная, ветровая, геотермальная энергии, энергия, содержащаяся в биомассе растительного и животного происхождения, в действии морских волн и приливов, рассеянная теплота окружающей среды. Солнечная энергия по своим масштабам значительно превосходит другие виды ВИЭ и является их источником, за исключением геотермальной энергии и энергии приливов.
Заметим также, что солнечное излучение, поступающее на Землю, является абсолютно экологически чистым. Солнечная энергия может быть преобразована в электрическую энергию и тепло. Оба этих направления находят в мире практическое применение. Преобразование солнечной радиации в тепло осуществляется с помощью достаточно простых технических средств, поэтому оно получило наибольшее распространение. В настоящей статье предметом рассмотрения является именно это направление.
Использование солнечной энергии для нагрева воды в бытовых и промышленных целях, отопления зданий и сооружений, сушки продуктов и материалов и т.п. объединяется понятием «солнечное теплоснабжение». Наибольшее применение нашел нагрев воды посредством энергии солнца.
Виды солнечных коллекторов. Солнечные коллекторы подразделяются на плоские и фокусирующие. Плоские жидкостные коллекторы используются для нагрева воды до 50–80 °C. Плоские воздушные коллекторы применяются с целью нагрева воздуха для систем воздушного отопления или сушки различных продуктов и материалов.
Для нагрева воды или органического теплоносителя до более высоких температур (200–300 °C) используются фокусирующие солнечные коллекторы, в которых приемник облучается концентрированным солнечным излучением, что позволяет существенно повысить температуру нагреваемого теплоносителя. Однако воздушные коллекторы не получили в отечественной практике достаточного распространения, а фокусирующие значительно более дороги, чем плоские, т.к. требуют применения оптических концентрирующих устройств — зеркал или линз, постоянно ориентируемых на солнце. Поэтому мы ограничимся рассмотрением солнечных установок на основе плоских жидкостных коллекторов.
Конструкция и принцип действия солнечной водонагревательной установки. Основным элементом установки солнечного горячего водоснабжения является плоский солнечный коллектор, содержащий четыре основных конструктивных элемента: зачерненную металлическую панель с каналами для теплоносителя, наружное остекление, тыльную теплоизоляцию и корпус, который по периметру объединяет указанные элементы.
Солнечные установки используются для сезонного и круглогодичного горячего водоснабжения и выполняются по однои двухконтурной схеме соответственно. Одноконтурная солнечная одонагревательная установка. Установки сезонного горячего водоснабжения выполняются по одноконтурной схеме. Простейшая схема такой водонагревательной установки для индивидуального потребителя с естественной циркуляцией теплоносителя (воды) показана на рис. 2.
Вода, нагретая в солнечных коллекторах 1, в силу меньшей плотности поднимается по циркуляционному трубопроводу 2 и поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора 3. Из его нижней части холодная вода перемещается в солнечные коллекторы. Система работает тогда, когда весь циркуляционный контур, в т.ч. и бак-аккумулятор, заполнен водой, что обеспечивается регулятором уровня 7, например, простейшего поплавкового типа. Распределение горячей воды по трубопроводу 4 производится из верхней части бака-аккумулятора, где скапливается наиболее горячая вода.
Расход горячей воды компенсируется поступлением холодной воды из водопровода через регулятор уровня 7 и трубопровод 8, подсоединенный к нижней части бака-аккумулятора. Бак-аккумулятор с воздушной трубкой 9 и регулятор уровня являются сообщающимися сосудами, в которых сохраняется одинаковый уровень воды. Воздушная трубка 9 используется также для удаления воздуха из системы. Вентиль 5 служит для дренажа системы, а вентиль 6 — для отключения ее от водопровода.
Естественная циркуляция воды в системе характерна для установок с площадью солнечных коллекторов не более 40–50 м2. В установках большей площади требуется наличие циркуляционного насоса в контуре. Рекомендуемый удельный расход воды в коллекторном контуре составляет до 50 л/(м2⋅ч). Одноконтурные солнечные водонагревательные установки являются сезонными, поскольку не могут работать в холодное время года из-за опасности замерзания воды и разрушения системы.
На зиму они должны быть опорожнены и законсервированы. Двухконтурная солнечная водонагревательная установка. Установки солнечного горячего водоснабжения круглогодичного действия выполняются по двухконтурной схеме. В этом случае в первом (коллекторном) контуре используется какой-либо нетоксичный незамерзающий теплоноситель.
На рис. 3 представлен один из возможных вариантов двухконтурной схемы солнечной водонагревательной установки с емкостным теплообменником, встроенным в бак-аккумулятор и образующим вместе с солнечными коллекторами и циркуляционными трубопроводами первый контур, заполняемый незамерзающей жидкостью. Кроме теплообменника, дополнительными элементами установки являются расширительный бачок 11, вентиль 12, служащий для дренажа бака-аккумулятора, и дублер 13, работающий на каком-либо традиционном энергоносителе.
Приведенные на рис. 2 и 3 схемы являются примерными и могут быть выполнены в различных вариантах. Так, более крупные двухконтурные солнечные установки имеют, как правило, не емкостной, а выносной скоростной теплообменник. При этом в контуре бакаккумулятор-теплообменник устанавливается циркуляционный насос. Наиболее сложными являются схемы солнечных установок, участвующих в покрытии как нагрузки горячего водоснабжения, так и отопления.
Необходимым условием в данном случае является разделение отопительного контура и контура горячего водоснабжения. При любой используемой схеме солнечной установки необходима теплоизоляция бака-аккумулятора и циркуляционных трубопроводов во избежание бесполезных тепловых потерь.
Технические характеристики. Основными характеристиками солнечных водонагревательных установок являются коэффициент замещения нагрузки (доля солнечной энергии в покрытии нагрузки) и удельная (в расчете на 1 м2 коллектора) годовая или сезонная теплопроизводительность. Первая из них определяет значимость установки для потребителя, вторая — экономический эффект от применения установки.
Расчеты показывают, что в климатических условиях России солнечные установки горячего водоснабжения круглогодичного действия имеют удельную годовую теплопроизводительность от 0,35 до 0,8 Гкал/м2 при коэффициенте замещения нагрузки от 0,25 до 0,5. Для установок сезонного действия эти характеристики составляют от 0,2 до 0,5 Гкал/м2 и от 0,5 до 0,7, соответственно. КПД солнечного коллектора зависит от ряда факторов: внешних (плотность потока солнечной радиации, температура наружного воздуха), режимных (расход воды через коллектор), конструктивных.
При эксплуатации солнечных коллекторов в составе водонагревательной установки внешние факторы изменчивы вследствие природы используемого источника энергии, могут меняться и режимные факторы. Поэтому коллекторы также являются «величиной переменной». Это создает трудности, например, при сравнительной оценке различных конструкций коллекторов, поскольку такое сравнение требует равенства внешних факторов и расхода теплоносителя, что в реальных условиях далеко не всегда возможно.
Вот почему совершенство конструкции коллектора оценивается не по величине КПД вследствие его изменчивости, а по способности коллектора эффективно поглощать солнечную радиацию, а также по величине удельных тепловых потерь, которые являются постоянными. Для ориентировки отметим, что при температуре воздуха более 20 °C и плотности потока солнечной радиации в плоскости коллектора не менее 600 Вт/м2 КПД современных коллекторов составляет 0,5–0,6.
Область применения. Установки солнечного горячего водоснабжения применяются в основном для обеспечения горячей водой конкретного объекта — жилого дома, больницы, гостиницы и т.д., хотя в мировой практике известны крупные установки для централизованного горячего водоснабжения населенных пунктов с несколькими тысячами жителей.
В подавляющем большинстве случаев, когда требуется гарантированное обеспечение потребителя, солнечная установка должна иметь дублера, т.е. источник тепла на какомлибо традиционном теплоносителе — газовый котел, электрический нагреватель и пр. Таким дублером может быть и теплосеть. Однако в данной ситуации необходимо обеспечить возможность как регулирования поступления тепла из сети, так и, в особенности, его учет с оплатой по фактическому потреблению, иначе теплоснабжающая организация будет выставлять счета на оплату по своим нормативам независимо от наличия у потребителя солнечной установки, и ее применение потеряет смысл.
Перспективным направлением применения солнечных установок для нагрева воды является создание солнечно-топливных котельных, в которых солнечная установка является своеобразной приставкой к существующей или вновь создаваемой котельной. Использование солнечных установок горячего водоснабжения достаточно эффективно в европейской части России южнее Воронежа, Самары, в южной части Западной и Восточной Сибири, в Приморском крае.
Сезонные установки горячего водоснабжения эффективны при длительном межотопительном периоде. Что касается применения солнечных установок на основе плоских жидкостных коллекторов для отопления в климатических условиях России, то в целом это технически и экономически нецелесообразно. Объясняется это следующим — чтобы вклад солнечной энергии в отопительную нагрузку был достаточно ощутимым, площадь солнечных коллекторов в установке должна составлять не менее 0,4 отапливаемой площади здания.
Весной существенно увеличивается приток солнечной радиации, и теплопроизводительность установки значительно превосходит нагрузку горячего водоснабжения, в результате чего тепловая мощность установки не может быть использована полностью и среднегодовая удельная теплопроизводительность оказывается в разы меньше, чем для установок, предназначенных только для солнечного горячего водоснабжения. Поэтому их целесообразно применять в некоторых районах Забайкалья и Дальнего Востока в силу особенностей климата — ясные, солнечные зимы позволяют эффективно использовать эти системы.
Условия размещения солнечной установки. В любом месте размещения солнечной установки необходимо соблюдать условия ее незатенения в течение дня соседними строениями, растительностью и другими помехами (рис. 4). Удобно располагать солнечные коллекторы на крыше обеспечиваемого объекта, если ее площадь достаточна для размещения требуемого количества коллекторов и конструкция кровли позволяет это сделать.
Технико-экономический эффект. Использование солнечных водонагревательных установок приводит к экономии топлива и соответственно к снижению вредных выбросов, связанных с его сжиганием, а также к улучшению бытовых условий для населения, особенно в сельской местности, где горячее водоснабжение практически отсутствует. Однако экологические и социальные выгоды не имеют в современных российских условиях никакого экономического эквивалента.
Поэтому расходы на создание солнечной установки могут окупиться только за счет экономии расхода традиционных теплоносителей. Величина удельных (в расчете на 1 м2 коллектора) затрат на создание солнечных водонагревательных установок по данным ЮРЭК составляет $125–180. Значения удельной годовой теплопроизводительности приведены выше. Из этих данных следует, что приемлемый срок окупаемости солнечных установок горячего водоснабжения (пятьшесть лет) может быть достигнут при стоимости замещаемого тепла 1000–1200 руб/Гкал.
В настоящее время тарифы на тепло, поставляемое централизованными системами теплоснабжения, составляют для различных регионов страны от 250 до 900 руб/Гкал. Для сферы децентрализованного теплоснабжения достоверная статистика о стоимости отпускаемого тепла отсутствует. Очевидно, что она в целом выше, чем при централизованном теплоснабжении. Поэтому областью применения солнечных установок являются в первую очередь зоны децентрализованного теплоснабжения.
При замещении электроэнергии ситуация для солнечных установок более благоприятна. Приемлемые сроки окупаемости достигаются в большинстве регионов. Следует отметить, что действующие в стране тарифы на электроэнергию и тепло являются также инструментом социальной политики государства, что находит свое выражение, в частности, в так называемом перекрестном субсидировании, когда, например, тарифы для населения существенно ниже, чем для других групп потребителей (промышленность, бюджетные потребители и др.).
Тем не менее постоянное из года в год повышение тарифов на тепло и электроэнергию хотя и является негативным фактором для потребителей, расширяет сферу экономически выгодного применения солнечных установок. В любом случае решение об использовании солнечной установки в определенном пункте для конкретного потребителя должно приниматься на основе технико-экономического анализа с учетом расчетной теплопроизводительности установки, требуемых затрат на ее создание, местных тарифов на тепло и электроэнергию или цен на топливо.
Зарубежный опыт использования ВИЭ — причины, сдерживающие развитие солнечного теплоснабжения в России. Небезынтересно сравнить ситуацию с использованием солнечной энергии для теплоснабжения в нашей стране и за рубежом. Во многих зарубежных странах использование различных видов возобновляемых источников энергии, в т.ч. солнечной, является приоритетной задачей государственной технической политики в области энергетики.
Инструментом реализации этой политики служит принятое в этих странах законодательство, определяющее правовые, организационные и экономические основы использования ВИЭ. Последние состоят в установлении мер экономического стимулирования (благоприятные тарифы на производимую энергию, налоговые и кредитные льготы, прямые дотации) для становления и адаптации ВИЭ на энергетическом рынке.
В результате указанных мер ВИЭ широко применяются во многих странах. Так, площадь используемых в мире солнечных коллекторов превысила в настоящее время 70 млн м2. Лидерами в этом области являются США, Китай, Япония, Германия и Израиль. В Израиле принят закон, по которому жилые дома до пяти этажей в обязательном административном порядке должны быть оборудованы системами солнечного горячего водоснабжения, за исключением некоторых случаев, препятствующих эффективному использованию таких систем (затенение, неблагоприятная ориентация, например, установка системы на северном скате крыши и т.д.).
Вследствие этого в Израиле на каждого человека приходится 1 м2 солнечного коллектора. В бывшем СССР солнечное горячее водоснабжение имело некоторое распространение (общая площадь солнечных коллекторов составляла около 150 тыс. м2). Однако коллекторы использовались главным образом в южных районах, ныне находящихся вне России. С сожалением можно констатировать, что в настоящее время в России использование ВИЭ не является приоритетной задачей и солнечное горячее водоснабжение развито слабо.
Соответственно отсутствует законодательство в данной сфере, в т.ч. какие-либо меры экономического стимулирования этого направления. Развитие солнечного теплоснабжения сдерживается также ограниченной платежеспособностью потенциальных индивидуальных и коллективных потребителей солнечных водонагревательных установок. Тем не менее определенного успеха по созданию установок солнечного горячего водоснабжения на Северном Кавказе с суммарной площадью солнечных коллекторов более 4000 м2 добилась Южно-русская энергетическая компания (ЮРЭК, г. Краснодар).
Несколько организаций осуществляют изготовление солнечных коллекторов. Наиболее крупным производителем этой продукции является Ковровский механический завод (КМЗ) в городе Коврове Владимирской области. Объективные условия, состоящие в постоянном повышении тарифов на электроэнергию и тепло, позволяют рассчитывать на развитие в этой сфере. Несмотря на сложные климатические условия во многих регионах России солнечное теплоснабжение, по крайней мере с технической точки зрения, достаточно эффективно.
