Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Как и у простых трубчатых коллекторов, преобразователями тепла являются прозрачные трубки, но только с вакуумом, который необходим для теплоизоляции внутренней черной трубки, в которой есть вода. Чаще всего эта трубка расположена коаксиально внешней трубке из стекла, которая является ее оболочкой. (См. также: Солнечный водонагреватель своими руками)

Трубчатый вакуумный солнечный коллектор

Солнечные коллекторы (СК) преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло (Рис. 22). Существует множество различных вариантов реализации этих устройств. Все многообразие солнечных коллекторов можно подразделить на солнечные поглотители, плоские СК, вакуумированные трубчатые коллекторы и СК на основе концентратора с линейным фокусом.

Рис. 22. Солнечный коллектор

Коэффициент полезного действия СК определяется двумя основными показателями: оптическим КПД – долей падающего на плоскость коллектора солнечного излучения, поглощенного тепловоспринимающей панелью, и обобщенным коэффициентом тепловых потерь, измеряемый в Вт/(м²×К). Номинальный КПД у плоского коллектора составляет примерно 72-75 %, у вакуумного с тепловыми трубками - 60-65%, у пластикового - 50-60% , но у некоторых типов значение КПД доходит и до 80%.

С помощью солнечных коллекторов при характерном потоке солнечного излучения 1 кВт/м² можно нагреть теплоноситель до нескольких сотен градусов выше температуры окружающей среды. Наиболее «высокотемпературными», до 300 ^оС, являются трубчатые вакуумированные СК, в которых коэффициент тепловых потерь за счет вакуумной теплоизоляции может быть снижен до 1,2 - 2 Вт/(м²×К). Наиболее широкое практическое применение нашли плоские солнечные коллекторы, обеспечивающие по сравнению с другими типами коллекторов более эффективный нагрев теплоносителя на 10-50 ^оС выше температуры окружающей среды. Согласно проведенным исследованиям, в умеренных климатических условиях плоские водонагреватели эффективней использовать с конца апреля до начала октября. Зимой их продуктивность очень снижается. Вакуумные коллекторы можно использовать круглый год при любой погоде, благодаря особенностям конструкции – многослойному селективному покрытию. Абсорбер вакуумного коллектора улавливает не только прямое и рассеянное излучение, но и инфракрасный спектр.

Плоские СК занимают подавляющую часть современного рынка теплоиспользующих солнечных установок, хотя в последнее время туда активно прорываются вакуумированные трубчатые СК в основном китайского производства. Несмотря на незначительные отличительные особенности конструкций плоских солнечных коллекторов, выпускаемых сотнями различных производителей в разных странах мира, типичный представитель этих устройств состоит из: металлической тепловоспримающей панели с каналами для теплоносителя, имеющей наружное оптически селективное поглощающее покрытие, прозрачного фронтального ограждения, изготовленного из упрочненного или закаленного стекла с низким содержанием железа, и теплоизоляционного корпуса.

Одним из перспективных направлений существенного снижения стоимости и материалоемкости солнечных коллекторов с сохранением высоких энергетических характеристик, является переход от традиционных конструкционных материалов, металла и стекла, на новые более дешевые, легкие и технологичные материалы. Среди таких материалов наибольший интерес представляют современные теплостойкие и стойкие к ультрафиолету пластики. Применение пластмасс в конструкции СК позволяет снизить его удельные весовые характеристики (с 25 - 30 кг/м² до 5-7 кг/м²), что существенно облегчает его транспортировку и монтаж.

Российский рынок в основном представлен установками на базе плоских солнечных коллекторов с металлическими теплопоглощающими панелями и однослойным прозрачным ограждением. Следует подчеркнуть, что практически все СК указанной конструкции имеют близкие показатели - приведенный оптический КПД 78 – 80 %, коэффициент тепловых потерь в расчете на 1 м² поверхности – 5,5–7,0 Вт/(м²•К).

В зависимости от климатических условий 1 м² солнечного коллектора способен нагревать более 10 л воды в час до температуры 60-70⁰С или 60-70 л за полный день. Известно, что человеку для комфортного проживания требуется около 50 л теплой воды в сутки. Таким образом, один стандартный СК площадью 2 м² способен нагреть 120-150 л воды, что обеспечивает потребность семьи из 3-х человек. При использовании солнечной установки для обогрева жилища или полов исходят из того, что для обогрева 10 м² площади требуется 1 м² площади солнечного коллектора, а для обогрева квартиры 100 м² требуется зимой 300 л горячей воды в сутки и площадь коллекторов 10 м².

Коллекторы-концентраторы позволяют нагревать до значительно более высоких температур, чем предыдущие виды, однако могут концентрировать лишь прямое излучение. В туманную и облачную погоду работа концентраторов затруднена. Коллектор для концентрации солнечной энергии использует зеркальную поверхность, которая фокусирует свет с большой поверхности на меньшей поверхности абсорбера. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура. В некоторых случаях излучение может концентрироваться в фокусной точке, в других случаях — вдоль тонкой фокальной линии. Для работы с концентраторами используются специальные следящие устройства, которые поворачивают его солнечному свету. Концентраторы наиболее эффективны в пустынных регионах и близко к экватору и используются в основном в промышленности, вследствие их дороговизны.

Развитие солнечной энергетики и ее стоимостные показатели.С 1990 г. производство солнечных преобразователей увеличилось более чем в 500 раз. Мировой оборот в этой индустрии составил в 2010 г. 82 млрд. долл. В свою очередь, непрерывно растут инвестиции в солнечные технологии — с 40 млрд. евро в 2010 г. и по прогнозу более чем 70 млрд. евро в 2015 г.

Рис. 21. Производство солнечных батарей по регионам и годам (ГВт/год)

По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии (EPIA), в 2011 г. в мире было подключено 27,7 ГВт новых солнечных станций. В результате суммарная установленная мощность всех этих станций в мире достигла 67,4 ГВт, и по этому показателю фотовольтаика вышла на третье место среди ВИЭ (после гидро- и ветроэнергетики).

География потребления солнечной энергии не соответствует географии производства солнечных элементов и модулей. Если в использовании солнечных батарей первенствуют Испания и Германия, то лидерство в их производстве смещается в сторону Азии – здесь тон задают Китай, Корея, Япония. В каждом государстве своя среда для развития солнечной энергетики. Так, Испания не производит солнечные элементы, но по объему их потребления на душу населения лидирует в мире. В стране проводилась стимулирующая политика, заключающаяся в дотациях и льготах домохозяйствам и предприятиям, которые используют солнечные фотопреобразователи. Подобные государственные преференции учреждены и в Германии (в последние годы подобные преференции как в Испании, так и в Германии резко сокращены в связи с экономическим кризисом). Однако опыт Германии показал, что в умеренном климате солнечная энергетика тоже может успешно развиваться.

По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии (EPIA) в 2011 году в мире было подключено 27,7 ГВт новых солнечных станций. В результате суммарная установленная мощность всех этих станций в мире достигла 67,4 ГВт, и по этому показателю фотовольтаика вышла на третье место среди ВИЭ.

Сегодня от кристаллического кремния производители переходят к тонкопленочным элементам на основе аморфного кремния, теллурида кадмия и медь-индий-галлий-диселенида. Электроэнергия, которая получается благодаря тонким пленкам, в 3 раза дешевле той, что дают кристаллические кремниевые батареи. Стоимость солнечных батарей и производимой ими электроэнергии постепенно снижается, а новые солнечные элементы постоянно отвоевывают растущий рынок сбыта – прежде всего, в Европе, США, Японии. Инвесторы идут на краткосрочные вложения в кремний и долгосрочные – в тонкие пленки.

Следует отметить, что экономический кризис и демпинг китайских производителей могут обрушить рынок. В этих условиях очень трудно говорить о преимуществах тех или иных типов солнечных батарей.

В России сегодня производством всего комплекса оборудования для солнечных электростанций занимаются Краснодарский «Солнечный ветер» и Зеленоградский завод солнечных батарей ООО «СоларИннТех». Остальные, в том числе и рязанский завод солнечных батарей, пока изготавливают и продают только солнечные модули. В портфеле ОАО «РОСНАНО» есть несколько проектов по солнечной энергетике: тонкопленочные солнечные элементы (на основе технологий компании Oerlikon, Швейцария), поликристаллический кремний для классических солнечных батарей, а также наногетероструктурные фотопреобразователи (на основе технологий ФТИ им. А.Ф. Иоффе). Если о последнем проекте судить рано, он начался полгода назад, а производство обещают запустить еще через полгода, то второй проект из вышеперечисленных сильно отстает по графику (на сайте РОСНАНО сообщается, что пуск должен был состояться еще в 2010 году, но этого так до сих пор и не случилось). С проектом по тонкопленочным солнечным элементам ясности тоже нет: запуск производства перенесен со II квартала 2012 года на IV квартал. Кроме всего прочего, еще два «солнечных» проекта РОСНАНО были свернуты, еще и не успев начаться. Производство солнечных элементов для космических аппаратов совместно с НПП «Квант» отказался поддерживать новый собственник «Кванта», а проект по производству солнечных модулей «на основе монокремния с двусторонней чувствительностью» остановился.

Компания Инком-Групп активно сотрудничает с Российской Академией Наук, отделом экспортного контроля, различными научными и производственными предприятиями, химическими лабораториями, коммерческими организациями и государственными учреждениями, осуществляя продажу кремния и современного оборудования. Компания выпускает серию солнечных и ветро-солнечных электростанций для различных областей применения. Линейка моделей является альтернативными источниками энергии использующими восполнимые природные ресурсы ветра и солнца и являются полностью энергонезависимыми и экологически чистыми источниками электроэнергии не требующими ГСМ для своей работы с минимумом затрат на обслуживание (осмотр раз в год).

В России реализовано несколько небольших проектов с использованием СЭС небольшой мощности. Реализация более значимых проектов заморожена. Например, пилотные проекты компании «Хевел» по строительству солнечных парков в Ставропольском крае (мощностью 12 МВт) и Республике Дагестан (10 МВт), оба проекта находятся сейчас в стадии предварительной проработки, так как ожидают введения пилотного механизма стимулирования объектов ВИЭ.

Сегодня конечная стоимость «под ключ» 1 Вт в крупной солнечной станции составляет 2,5-2,8 евро/Вт, к 2020 г. ожидается её снижение до 0,9-1,5 евро/Вт, а к 2030 г. – до 0,7 евро/Вт. При этом стоимость вырабатываемой такой станцией электроэнергии сегодня составляет 0,15 — 0,29 евро/кВт-час, к 2020 г. может снизиться до 0,07 – 0,17 евро/кВт-час, к 2030 году – до 0,04 евро/кВт-час.

2011 год принёс революционные изменения в стоимости солнечной энергетики. Установившиеся к концу этого года цены на 1 Вт в модуле в диапазоне 1-1,1 долл. демонстрируют практически 40-процентное снижение цен по сравнению с уровнем в 1,8 долл., характерным для первого квартала 2011 г. А это означает, что реальная динамика снижения стоимости солнечной энергии превзойдёт приведённые прогнозы. И уже в 2012 году стоимость «солнечного» и «традиционного» киловатта электроэнергии в некоторых районах мира сравняются.

Различными сценариями предполагается, что к 2020 г. в мире будет установлено 350-600 ГВт «солнечных» мощностей, которые будут вырабатывать 100-400 миллиардов кВт-час электроэнергии, а к 2030 г. – 1080 – 1800 ГВт, которые будут вырабатывать 200-1400 млрд кВт-час электроэнергии. Таким образом, доля «солнечного» электричества в общемировой выработке электроэнергии уже к 2020 г. составит 4-7%, а в Европе 12 %.

Все эти прогнозы основываются на технологиях, которые сегодня реально существуют. Это освоенные в промышленности солнечные элементы на базе кремния, CdTe, GaAs/Ge, существующие аккумуляторы, инверторы и прочее. Безусловно, технический прогресс будет так же стремительно продолжаться, но нет необходимости ждать появления новых технических решений.

Экономические расчеты, проведенные в 2012 году для автономных и гибридных систем энергоснабжения[18] ориентировались на технические, стоимостные, финансовые и макроэкономические параметры создания систем энергообеспечения на солнечных фотоэлементах в Российской Федерации. Рассматривались системы на тонкопленочных модулях с коэффициентом полезного действия равным 10%, с инверторами, имеющими КПД=90%, и сроком службы – 25 лет. Было сделано допущение, что стоимость солнечного модуля составляла 1 ?/вт (около 40 руб./Вт), стоимость солнечной установки – 2 ?/вт (около 80 руб./Вт) и обслуживание 20 ?/кВт/год (около 800 руб./кВт/год). Соотношение между собственными и заемными средствами при финансировании создания системы принято равным 50% на 50% при плате за пользование кредитом – 8%. При таких допущениях оценена себестоимость производства 1 кВт×час электроэнергии для пяти диапазонов уровня инсоляции. Полученные результаты оценки вполне согласуются с представленными выше результатами расчетами себестоимости. Это дало основание пересчитать значения себестоимости электроэнергии, полученные для автономных систем, в себестоимость для гибридных систем при тех же диапазонах интенсивности солнечной радиации. Для пересчета использовался коэффициент 2,4, рассчитанный как отношение среднего коэффициента производительности 0,6 для гибридных систем, к соответствующему коэффиценту 0,25 для автономных систем. Автономные системы отличаются более низкой эффективностью, так как работают они при почти постоянной нагрузке круглый год, а размер их фотоэлектрических модулей рассчитывается так, чтобы они давали достаточно энергии зимой, хотя это и означает ее перепроизводство летом. Оценены также значения сроков окупаемости капитальных вложений в фотоэлектрические системы при заменене на них дизельных энергоустановок с себестоимостью производства электроэнергии 20 кВт×час и 30 кВт×час, что характерно для районов России с децентрализованным энергообеспечением. Оценка проводилась для фотоэлектрической установки стоимостью 80 тысяч рублей мощностью 1 кВт при использовании ее 1000 часов в год.

Ориентировочные величины себестоимости производства электроэнергии и сроков окупаемости капитальных затрат при разных уровнях инсоляции представлены в таблице 10.