Введение
Достоверная информация по гелиоустановкам всего мира в целом и отдельных стран публикуется по инициативе Мирового энергетического агентства (International Energy Agency, IEA) в отчётах института AEE — Institut für Nachhaltige Techno-logien (AEE INTEC, город Глайсдорф, Австрия) с 2005 года. На первое января 2023 года (по итогам 2022-го) AEE INTEC оценил суммарную мировую установленную мощность солнечной теплогенерации (СТ) в 542 ГВт при площади 774 млн м² (100%) с выработкой тепловой энергии 442 ГВт·ч в год. В России общая площадь гелиоустановок по этому отчёту составляла 27265 м² [1].
Анализ российских данных показал, что их следует дополнить статистикой поставок солнечных коллекторов (СК) и комплектных гелиоустановок (ГУ) для односемейных домов [2]. В Российской Федерации имеется определённый опыт сооружения установок солнечной теплогенерации [3]. В отличие от других стран, в России отсутствует государственная поддержка развития солнечной теплогенерации, и у нас ежегодно вводится в эксплуатацию всего 2000 м² ГУ. Производством СК в РФ занимаются два предприятия, одно из них — ООО «Новый Полюс» — выполняет также разработку проектов и монтаж гелиоустановок.
Обзор мировой статистики
Из суммарной площади мировой СТ (774 млн м²) по назначению можно выделить три многочисленные группы и одну малочисленную (рис. 1). Наиболее массовыми являются ГУ для систем ГВС одноквартирных домов (Domestic Hot Water Heating in Single-Family Houses, DHW-SFH), занимающие 391,5 млн м², и ГУ ГВС многоквартирных домов (Domestic Hot Water Heating in Multi-Family Houses, DHW-MFH) — 293,2 млн м². Комбинированные ГУ (отопление и ГВС, Combi System DHW-MFH) занимают 16,9 млн м².
Для малочисленных видов ГУ общей площадью 7,23 млн м² их распределение представлено на рис. 2: мегаваттные (Large Scale Heat, LSH), воздушные, термофотоэлектрические (PVT) и промышленные (Solar Heat for Industrial Processes, SHIP). Площадь мегаваттных ГУ составляла 3,1 млн м² (2181 МВт), а самая мощная в мире установка была построена в городе Силькеборг в Дании (157 тыс. м², 110 МВт).
Воздушные гелиоустановки в 2022 году занимали площадь 1,44 млн м² (985 МВт), причём их наибольшее число работало в Канаде (0,474 млн м², 334 МВт), ГУ с PVT-коллекторами имели площадь 1,5 млн м² (751 МВт тепловых, 254 МВт электрических). По данным агентства Solrico (ФРГ), в число промышленных ГУ мира (суммарная площадь 1,19 млн м², 856 МВт) входит самая мощная ГУ Miraan (теплоноситель — пар) на нефтяном месторождении Амаль-Уэст в Омане с площадью солнечных концентраторов 622 тыс. м² и установленной мощностью 330 МВт.
По виду теплоносителя в мире преобладали жидкостные ГУ, составившие 613,4 млн м² (86%), а по типу конструкции СК: вакуумные (Evacuated Tube Collector, ETC) — 492,2 млн м² (63,6%), плоские (Flat-Plate Collector, FPC) составили 222 млн м² (28,7%), прочие — 92,3 млн м² (7,7%).
По данным АЕЕ INTEC, в Российской Федерации в 2021 году общая площадь ГУ составляла 28965,78 м² (100%), рис. 3. По назначению преобладало солнечное централизованное теплоснабжение — 18802,8 м² (64,91%). Общая площадь жидкостных СК составила 28872 м² (100%) в том числе плоских 24925 м² (86,3%) и 3946 м² (13,7%) вакуумных. Воздушных СК было установлено 94 м², PVT — 3,4 м².
Современная солнечная теплогенерация в России
Приведённые выше данные института АЕЕ INTEC получены экспертным путём, в том числе с участием автора, и не учитывают значительное число ГУ, сооружаемых владельцами одноквартирных домов. В книге [2] было показано, что, по отчётам налоговых и таможенных органов РФ, максимальное число СК было поставлено зарубежными производителями в 2010–2015 годах с общей площадью 58480 м² (данные агентства «Литвинчук Маркетинг»), в том числе отдельных СК — 30220 м², а в составе комплектных ГУ с баками — 28200 м². Ежегодные поставки в 2016–2022 годах зарубежных и отечественных производителей СК не превышали 1000 единиц. С учётом изложенного на рис. 4 предложено распределение ГУ в РФ по назначению в 2022 году. Существенным отличием от статистики АЕЕ INTEC явилось преобладание в России ГУ для систем ГВС одноквартирных домов — 63014,64 м² (72,06%), а доля ГВС ГУ централизованного теплоснабжения сократилась до 21,52% (1880,2 м²).
Состояние и перспективы развития в России солнечной теплогенерации определяются политическими и экономическими факторами. В 2022 году в стране отсутствовал закон об использовании ВИЭ и концепция развития возобновляемой энергетики. Правительством РФ утверждена программа развития солнечной, ветровой и малой гидравлической сетевой электрогенерации с установленной мощностью 12 ГВт до 2035 года (план «ДПМ ВИЭ 2.0″). По другим направлениям электрогенерации (ГеоЭС, БиоЭС) концептуальные решения в 2022 году отсутствовали.
По теплогенерации на основе возобновляемых источников энергии государственной программы в РФ также нет. Три основных её направления (биотеплогенерация, солнечное и геотермальное теплоснабжение) развиваются в основном на региональном уровне. Существующие ГОСТы на конструкции СК и рекомендации по проектированию ГУ устарели и требуют доработки. Научные исследования по СТ выполняют д.т.н. О. С. Попель (ОИВТ РАН) и д.т.н. В. А. Бутузов (КубГАУ), д.т.н. С. Е. Щеклеин (УрФУ, солнечные опреснители). За последние пять лет в российских журналах было опубликовано всего 30 статей по гелиоустановкам.
Производство СК и сооружение ГУ в России имеют многолетний опыт [3]. По ряду причин в XXI веке темпы развития солнечной теплогенерации кратно сократились и не превышают 1000 м² СК в год. В 2022 году заказчикам в РФ была доступна продукция только двух предприятий: АО «ВПК «НПО Машиностроение» и ООО «Новый полюс». Оба производителя имеют общую конструкторскую школу и базовую конструкцию с листотрубными абсорберами. «НПО Машиностроение» предлагала потребителям СК с медными и алюминиевыми абсорберами, гелиотехническим стеклом и рамным корпусом из алюминиевых профилей. Данные СК не были испытаны и сертифицированы должным образом.
На фото 1 представлена ГУ для системы ГВС базы отдыха «НПО Машиностроение» в посёлке Архипо-Осиповка Краснодарского края площадью 120 м² с аварийным расхолаживанием СК [4].
ООО «Новый полюс» в 2022 году являлось единственным в России предприятием, которое изготавливало СК, выполняло проектные и монтажные работы, обслуживало ГУ. Заказчикам предлагались жидкостные (плоские и вакуумные), воздушные и комбинированные (PVT) коллекторы. Плоские СК «ЯSolar» размерами 2070×1070×103 и 1073×1070×103 мм имели медные листотрубные абсорберы. Их существенным отличием от СК «НПО Машиностроение» является соединение труб и листов пайкой. СК выполнялись с прозрачным покрытием как гелиотехническим стеклом, так и поликарбонатом. Вакуумные СК производились на основе китайских комплектующих и имели число труб от десяти до 30 с единичной площадью коллекторов до 2,6 м². СК «Нового полюса» не испытаны и не сертифицированы должным образом.
По данным производителя, с 2021 по 2022 годы было произведено 800 СК общей площадью 1557,7 м² (100%). На рис. 5 представлено их распределение по конструкциям. В большинстве своём это плоские СК — 1260 м² (80,89%).
В табл. 1 приведены основные технические характеристики шести ГУ общей площадью 1456 м², построенных ООО «Новый полюс» в 2020–2023 годах. Большинство этих ГУ — сезонные для ГВС. Одна установка обеспечивает также подогрев бассейнов, а ещё одна в городе Альметьевске (Республика Татарстан) производит догрев теплоносителя для кондиционера. Две гелиоустановки обеспечивают круглогодичную работу системы ГВС с поддержкой отопления. При сооружении данных ГУ использовались СК собственного производства. Опорные конструкции коллекторов разработаны в нескольких вариантах: на горизонтальной поверхности, в том числе для установки на вечномёрзлых грунтах, а также для наклонных скатов кровель. Автоматика ГУ обеспечивает в том числе аварийное расхолаживание СК.
На фото 2 представлена гелиоустановка этого производителя, установленная в детском саду №126 в городе Севастополе (Республика Крым) с 150 СК общей площадью 300 м².
ООО «Вист Энерджи» (город Ростов-на-Дону) специализируется на поставках в РФ плоских СК китайской фирмы Linuo Ritter International Co. с единичной площадью СК 2 и 3 м². Имеется сертификат соответствия Solar Reymark TÜV Rheinland №011–75Z964K от 10 ноября 2020 года. Абсорбер СК — листотрубный (алюминий/медь), медная трубная панель выполнена по регистровой схеме. Стекло — гелиотехническое, корпус и тыльная сторона выполнены из алюминиевых сплавов. В 2021–2022 годах в Краснодарский и Хабаровский края было поставлено 340 м² СК, в том числе для четырёх ГУ с числом СК более десяти единиц — 164 м².
На фото 3 показаны гелиоустановки отеля «Усадьба Парфенова» в посёлке Каменномостском в Республике Адыгея. ГУ на кровле основного здания отеля состоит из 24 СК Vist Energy общей площадью 72 м², а ГУ — на кровле спа-комплекса выполнена на основе 24 СК «НПО Машиностроение» общей площадью 48 м². Гелиоустановки обеспечивают ГВС и подогрев плавательного бассейна.
Выводы
1. Мировая солнечная теплогенерация с установленной мощностью 542,3 ГВт (774 млн м², 100%) и годовой выработкой 442 ГВт·ч, по данным института АЕЕ INTEC (Австрия), занимала в 2022 году второе место после биотеплогенерации.
По назначению лидировали гелиоустановки для систем ГВС односемейных домов (DHW-SFH) — 391,5 млн м² или 50,6%, а также установки для многоквартирных домов (DHW-МFH) — 293 млн м² или 37,86%). Наибольшее распространение получили жидкостные вакуумные коллекторы (ETC) общей площадью 492,2 млн м² (80%).
2. По данным автора уточнена статистика института АЕЕ INTEC по российским гелиоустановкам с общей площадью в 2022 году — 85600 м² (100%). В Российской Федерации по назначению лидировали ГУ для систем ГВС односемейных домов — 63014,64 м² (72,06%), а по применяемым конструкциям — плоские солнечные коллекторы (FPC).
3. Основным производителем плоских, вакуумных, воздушных и комбинированных СК в 2022 году в России являлось ООО «Новый полюс» (город Москва). За последние два года оно изготовило 800 СК общей площадью 1557,7 м², в том числе плоских — 1260 м² (80,89%), вакуумных — 220 м² (12,8%). Преобладали поставки для ГУ с числом СК более десяти единиц, всего 920 м². Из 15 ГУ, построенных за последние годы, доминировали сезонные установки для систем ГВС при максимальной площади до 300 м².
