 |
4.2 Технические и стоимостные показатели солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок зарубежных производителей
|
|
|
|
4. 2 Технические и стоимостные показатели солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок зарубежных производителей
Площадь большинства выпускаемых солнечных коллекторов составляет 2-3 м2. Их удельная стоимость варьируется в зависимости от конструкции: для плоских СК – от 6000 до 13000 руб/м2 (250…550 $/м2), для вакуумированных – от 10000 до 26000 руб/м2 (400…1000 $/м2). [40]
В Европейском сертификационном центре – Институте солнечных технологий (Institut fur Solartechnik, SPF), Швейцария – имеется обширная база данных результатов теплотехнических испытаний солнечных коллекторов различных зарубежных производителей.
По данным на начало 2006 г. в SPF было испытано 203 солнечных коллектора, из них плоских СК с остеклением (а именно они обычно используются в солнечных водонагревательных установках) – 174. Вместе с тем, за прошедшее десятилетие наметилась тенденция освоения производства солнечных коллекторов большей единичной площади: абсолютное большинство СК сегодня имеют габаритную площадь 2 и более квадратных метра.
Начато производство СК с единичной площадью 6 и даже 8 м2. Такие крупногабаритные СК предназначены для монтажа на кровле и могут также применяться как строительные элементы, интегрируемые в конструкции зданий (крыш истен). Максимум гистограммы удельной массы коллекторов за последние годы сдвинулся влево, что соответствует снижению удельной массы примерно на 5 кг/м2. Сегодня лучшие СК с металлическими тепловоспринмающими панелями и стеклянным прозрачным ограждением имеют удельную массу 15…20 кг/м2. Снижение удельной массы очевидно и способствовало увеличению единичной площади СК. Так, солнечный коллектор площадью 6 м2 весит, как правило, 100…150 кг, что не создает серьезных трудностей при выполнении монтажных работ с помощью несложных вспомогательных средств. [41]
|
|
|
Сравнение с результатами 10-летней давности показывает, что как оптические свойства, так и типичные теплопотери солнечных коллекторов за последние годы практически не изменились. Этот факт говорит о выходе на предельные показатели и достаточной отработанности конструкций и технологий производства СК с металлическими тепловоспринимающими панелями и стеклянным прозрачным ограждением с точки зрения оптического и теплотехнического совершенства.
Оптические кпд солнечных коллекторов КМЗ и «Сокол» в целом соответствуют большинству лучших зарубежных СК. Несколько завышенный приведенный коэффициент потерь солнечного коллектора КМЗ объясняется, по-видимому, неселективностью его поглощающей панели, поскольку практически все выпускаемые в настоящее время солнечные коллекторы за рубежом имеют поглощающую панель с селективным оптическим покрытием.
Коллектор «Альтен-1» имеет низкий коэффициент тепловых потерь, но одновременно и довольно низкий оптический кпд, что объясняется применением толстого (8 мм) сотового поликарбоната в качестве прозрачного ограждения вместо стекла. Этим же объясняется и относительно низкое значение удельной массы коллектора.
Удельная масса СК КМЗ и «Сокол» заметно больше массы большинства зарубежных солнечных коллекторов, что свидетельствует о потенциальных возможностях совершенствования конструкции. Солнечные коллекторы с единичной площадью около 1 м2 за рубежом сегодня уже практически не выпускаются. При минимальной суточной потребности в нагретой воде 100 л в климатических условиях России необходимо использовать СК с площадью около 2 м2. Таким образом, серьезных причин для выпуска солнечных коллекторов с меньшей единичной площадью авторы не находят (уменьшение единичной площади СК приводит лишь к дополнительным затратам материалов и средств на корпусные изделия, на гидравлические соединения и т. п. ).
|
|
|
На основе изложенного выше можно сделать следующие выводы:
– Технологии изготовления солнечных коллекторов с использованием металлических теплоприемных панелей и стекла в качестве прозрачного ограждения как за рубежом, так и в России являются достаточно отработанными и вышли на параметры, близкие к предельным.
– Вряд ли можно ожидать существенного снижения стоимости солнечных установок, освоенных в производстве по традиционным технологиям. Резервы снижения стоимости СК, изготавливаемых по традиционным технологиям, практически исчерпаны, и в будущем стоимость солнечных коллекторов, по-видимому, будет только возрастать с учетом инфляционных процессов, ростом стоимости рабочей силы и исходных материалов.
– Актуальным является поиск новых технических решений и технологий изготовления солнечных установок, позволяющих кардинально снизить их стоимость при сохранении высоких эксплуатационных показателей.
4. 3. Научно-технические проблемы разработки и создания плоских солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс
Одним из перспективных направлений существенного снижения стоимости и материалоемкости солнечных коллекторов с сохранением высоких энергетических характеристик, по мнению авторов, является переход от традиционных конструкционных материалов (металл, стекло) на новые более дешевые, легкие и технологичные материалы, среди которых наибольший интерес представляют современные теплостойкие и стойкие к ультрафиолету пластики.
В данном разделе приведены результаты исследований, направленных на изучение и обоснование возможности использования полимерных материалов, прежде всего, поликарбоната, в конструкциях СК. Излагаются научные основы, лежащие в основе предложений по использованию сотового поликарбоната как в качестве прозрачного ограждения, так и тепловоспринимающей панели солнечного коллектора.
Ключевыми проблемами при разработке и создании солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс и вопросами, требующими обоснованных ответов являются:
|
|
|
- Какие из существующих пластиков могли бы быть использованы в качестве прозрачного ограждения для замены стекла, стоимость которого неуклонно возрастает, прежде всего, в связи с высокой энергоемкостью его производства. Существенным недостатком стекла является также его высокий удельный вес и низкая ударная прочность. Альтернативный пластик должен удовлетворять широкому спектру физико-технических и экономических требований. Среди принципиальных физических требований важнейшими являются высокая (равноценная стеклу) оптическая прозрачность в спектральном диапазоне солнечного излучения и непрозрачность в инфракрасном диапазоне излучения, необходимая для создания так называемого парникового эффекта, являющегося для солнечных коллекторов принципиальным для обеспечения высоких теплотехнических характеристик. Альтернативный пластик должен также удовлетворять требованиям долговечности, стойкости и механической прочности в атмосферных условиях, прежде всего, стойкости к критичному для многих пластиков воздействию ультрафиолетового излучения. Важнейшим требованием является невысокая стоимость (желательно не более 10 $/м2). Выполненный на ранних стадиях исследований сравнительный анализ свойств различных полимерных материалов показал, что наиболее интересным для применения в качестве прозрачного ограждения в солнечных коллекторах является поликарбонат, обладающий хорошими оптическими и механическими свойствами. Широкое применение поликарбоната в строительстве в последние годы в качестве наружных и внутренних прозрачных ограждений зданий подтверждает целесообразность рассмотрения этого материала как весьма привлекательного. Следует, вместе с тем, отметить, что ряд важных для эффективного использования в солнечных коллекторах свойств этого материала до настоящего времени исследован не был. Прежде всего, это относится к спектральным оптическим характеристикам, надежным измерениям прозрачности в спектре солнечного излучения и в инфракрасном диапазоне.
|
|
|
Какие из существующих полимерных материалов могли бы быть использованы в качестве теплопоглощающей панели солнечного коллектора. Замена металла пластиком представляется крайне перспективной как с точки зрения возможного снижения удельных весовых характеристик, так и стоимости солнечного коллектора. То, что в имеющихся на рынке солнечных коллекторах (за исключением простейших конструкций, предназначенных для нагрева воды в плавательных бассейнах) панели из полимерных материалов не применяются, обусловлено опасениями разработчиков относительно теплостойкости (в аварийных режимах тепловоспринимающая панель СК нагревается до 150…200 оС), низкой теплопроводностью полимерных материалов по сравнению с металлом (что требует отказа от традиционной листотрубной конструкции панели), недостаточной отработанностью технологий создания герметичных гидравлических конструкций (сварка, склеивание и т. п. ). Как показывает анализ, во многом отказ от использования современных пластмасс для изготовления панелей СК связан со сложившимися стереотипами, отсутствием необходимых целенаправленных научных исследований в фирмах-производителях СК, большинство которых являются предприятиями малого и среднего бизнеса и не имеют соответствующих научных кадров для постановки и проведения таких исследований. Следует однако отметить, что в последние годы в рамках Международного энергетического агентства создана специальная рабочая группа, поставившая цель разработки полностью пластмассовых солнечных коллекторов.
Предварительные исследования показали, что в качестве материалов для изготовления теплопоглощающих панелей плоских солнечных коллекторов на первом этапе могут рассматриваться полипропилен и поликарбонат, являющиеся достаточно теплостойкими, дешевыми и технологичными полимерными материалами. Вместе с тем, при разработке конструкции панелей и солнечных водонагревательных установок в целом требуется использование специальных решений, предотвращающих перегрев панелей в аварийных режимах эксплуатации и обеспечивающих сохранение высоких теплотехнических характеристик солнечного коллектора, несмотря на низкую теплопроводность материалов.
- Как показали предварительные оценки, применение пластмасс в конструкции солнечного коллектора вместо стекла и металла позволяет в несколько раз снизить его удельные весовые характеристики (с 25…30 кг/м2 до 5…7 кг/м2). [42]В связи с этим возникает принципиальная возможность существенного упрощения и снижения материалоемкости корпуса коллектора, отказа от использования жестких металлоконструкций. Одним из перспективных направлений разработок является создание корпуса из вспененных полимерных материалов, выполняющих не только функцию теплоизоляции, но и обеспечивающих механическую прочность конструкции.
|
|
|
