Эксплуатация российских гелиоустановок

В. А. Бутузов, доктор техн. наук, Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина (Краснодар)

Анализ развития солнечного теплоснабжения в нашей стране с двадцатых годов XX века по настоящее время представлен в [1], а российский опыт изготовления солнечных коллекторов (СК)² и монтажа гелиоустановок описаны в [2]. В 2018–2019 годах в России были построены гелиоустановки общей площадью 1 000 м², в том числе с плоскими СК – 630 м² (63 %), в основном российского производства, и с вакуумными трубчатыми СК – 370 м² (37 %). Примеры внедрения российских гелиоустановок, построенных в 2018–2019 годах, приведены в [3].

Для создания надежных и экономичных гелиоустановок необходимо проанализировать результаты многолетней эксплуатации солнечных коллекторов³. В этом ключе проведем мониторинг результатов работы СК, установленных не менее 10 лет назад на объектах в Астраханской области и в Краснодарском крае, а также выполним оценку их эксплуатационной надежности.

Солнечные коллекторы

В 2020 году солнечные коллекторы в России производили две организации. ООО «Новый полюс» (Москва, www.newpolus.ru) предлагает СК типа «Яsolar» следующих видов: плоские жидкостные, воздушные, воздушно-жидкостные и трубчатые вакуумные жидкостные. Конструкция жидкостного плоского СК выполнена в четырех модификациях: три с размерами 2073×1070×103 мм и одна с размерами 1073×1073×105 мм. Абсорбер листотрубный медный. Лист абсорбера с селективным покрытием TiNOX соединяется с медной трубкой диаметром 9 мм пайкой с бессвинцовым припоем. Уплотнение стекла выполнено температурно-стойкой резиной. Конструкция корпуса – рамная из алюминиевого профиля, теплоизоляция толщиной 60 мм, тыльная сторона – из листового алюминия. Трубчатые вакуумные СК выпускаются с количеством трубок 10, 20 и 30 с площадью соответственно 0,83; 1,728 и 2,592 м² с U-образными медными трубками. Воздушный и воздушно-жидкостный СК при площади 2 м² производятся с прозрачной изоляцией из стекла и поликарбоната.

Второй российских производитель – АО «ВПК «НПО Машиностроение» (www.sololnpo.ru) – имеет 20-летний опыт разработки и выпуска СК [2]. В 2020 году он производил СК типа «СОКОЛ-ЭФФЕКТ» двух модификаций с листотрубными медными и алюминиевыми абсорберами чешского производства с селективным покрытием. Стекло гелиотехническое с антибликовым покрытием, толщиной 3,2 мм. Уплотнение стекла в корпусе выполнено ЕРДМ-резиной. Конструкция корпуса – рамная из алюминиевого профиля. Теплоизоляция имеет толщину 50 мм. Для монтажа предлагаются межколлекторные сильфонные компенсаторы и опорные конструкции.

Гелиоустановка в Астраханской области

В России самая мощная солнечно-топливная котельная (СТК), обеспечивающая горячее водоснабжение (ГВС) жилых зданий, была построена в 2011 году в г. Нариманов (рис. 1, табл. 1)⁴.  Данная гелиоустановка имеет 2 200 солнечных коллекторов типа CKN 2,0 (табл. 2) немецкой фирмы Buderus типа Logosol CKN 2,0 с листотрубными медными абсорберами с регистровой гидравлической схемой и лакокрасочным покрытием. СК соединяются между собой четырьмя резинотканевыми патрубками и хомутами. Стекло – просветленное градостойкое толщиной 3,2 мм. Корпус рамный из алюминиевых профилей. Теплоизоляция – минеральная вата толщиной 25 мм. Тыльная сторона – стальной оцинкованный лист. Габариты СК 1032×2026×67 мм. Апертурная (облучаемая) площадь СК составляет 1,94 м². СК скомпонованы в три гелиополя с числом коллекторов 540, 560 и 1 100 шт (схема. 1). Ориентация южная, угол наклона к горизонту 45°. Расположение однорядное. Блоки скомпонованы в основном по 10 шт. и подключены по противоточной схеме. Схема гелиоустановки двухконтурная. Теп­лоноситель СК – химочищенная вода. Максимальная расчетная температура – 120 °С, температура стагнации – 200 °С.

В 2014 году гелиоустановка была дополнена фотоэлектрическими модулями (ФЭМ) в количестве 1 040 шт., скомпонованными 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 химочищенной водой гелиоконтура и аварийного сброса при перегреве установлены три группы баков и насосов. При проектировании гелиоустановки предусматривалась работа котельной по закрытой четырехтрубной схеме с нагревом воды в двух баках вместимостью по 250 см³ для ГВС.

Поскольку котельная переведена на работу по открытой двухтрубной схеме, то в настоящее время гелиоустановка эксплуатируется не в расчетном проектном режиме. Предварительный анализ работы данной гелиоустановки показал, что имеется возможность 30-процентного увеличения ее производительности. Десятилетняя эксплуатация установленных СК в самом дешевом исполнении (лакокрасочное покрытие абсорберов, резинотканевые соединительные патрубки) показала их высокую надежность: повреждения СК отсутствуют (табл. 2). На абсорберах имеется налет песка.

Гелиоустановки в Краснодарском крае

В Усть-Лабинске гелиоустановка для круглогодичного горячего водоснабжения центральной районной больницы (рис. 2, табл. 1) площадью 600 м² была построена в 2011 году [3]. Информация о солнечных коллекторах типа CFK-1 в табл. 2. СК немецкой фирмы Wolf состоят из листотрубных медных абсорберов с регистровой гидравлической схемой с PVD-селективным покрытием. Корпус СК алюминиевый штампованный («корыто»). Стекло гелиотехническое толщиной 3,2 мм, запрессованное в корпусе. СК имеют по четыре патрубка с резьбовыми соединениями. Теплоизоляция – базальтовое волокно толщиной 60 мм. Габариты: 1090×2090×110 мм. Апертурная площадь СК – 2 м². СК в количестве 300 шт. скомпонованы в 15 сдвоенных блоков по 10 шт. в каждом. Ориентация южная, угол наклона 45° к горизонту. Расположение однорядное. Гелиополе находится на расстоянии 150 м от насосного модуля.

Гелиоконтур⁵ включает в себя солнечные коллекторы, пластинчатый теплообменник, насосы (схема. 2). Второй контур включает бак-аккумулятор вместимостью 10 м³ и насосы. Третий контур имеет пластинчатый теплообменник для подогрева воды на ГВС. Для автоматизации работы гелиоустановки применен специализированный контроллер немецкой фирмы Resol с датчиком солнечной радиации.

Вследствие неквалифицированной эксплуатации вышли из строя 40 СК (табл. 2). Они были разморожены при работе на обычной воде, деформированы при перегреве солнечных коллекторов, а также обнаружены неисправности сильфонных компенсаторов.

В Сочи три гелиоустановки в летний сезон обеспечивают горячей водой санаторий им. Фрунзе (рис. 3). Они были смонтированы объединением «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) в 1985 году на кровле столовой и пристройке к ней и имеют площади 252, 160, 96 м² [3]. По истечении срока службы в 2010 году СК с штампосварочными стальными абсорберами были заменены на солнечные коллекторы типа «СОКОЛ» (табл. 2) с сохранением основных схемных и компоновочных решений (табл. 1).

Ориентация СК южная, угол наклона к горизонту 45°. Суммарно на трех гелиоустановках установлено 254 СК с габаритными размерами каждого коллектора 1007×2007×100 мм. Абсорберы выполнены из плавниковых прессованных алюминиевых трубок из сплава АД-31. Гидравлическая схема абсорбера – регистровая. Селективное покрытие абсорбера – вакуумное нанесение PVD по технологии НПО «Машиностроение». Корпус рамный из алюминиевых профилей. Стекло закаленное, толщиной 3,2 мм. Теплоизоляция – базальтовое волокно Rockwool толщиной 60 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 2-метровым превышением над СК. При замене в 2010 году СК в гелиоконтур дополнительно были установлены циркуляционные насосы. Подпитка бака выполнена через промежуточный бачок с поплавковым регулятором. Работа гелиоустановки на химочищенной водопроводной воде при отсутствии ее контакта с воздухом обусловила 35-летнюю эксплуатацию баков и трубопроводов.

ГУ № 2 с СК на кровле пристройки столовой площадью 160 м² выполнена по аналогичным гидравлической и компоновочной схемам. Особенностью ГУ № 3 площадью 96 м² с СК на кровле центрального теплового пункта (ЦТП) является размещение бака аккумулятора и насоса в здании ЦТП.

Основным недостатком 10-летней 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 10 лет эксплуатации следов коррозии на абсорберах и корпусах коллекторов не выявлено.

В Анапе гелиоустановка была построена в 2000 году для ГВС базы отдыха «Рассвет» в станице Благовещенской (рис. 4, табл. 1). На навесе смонтированы 48 СК Ковровского механического завода общей площадью 38,4 м² (табл. 2). Бак-аккумулятор вместимостью 4 м³ для термосифонной циркуляции воды установлен над СК с превышением отметки на 0,5 м. Солнечные коллекторы имеют абсорберы из латунной трубки со стальными плавниками с черным лакокрасочным покрытием, стекло оконное, толщиной 2 мм, корпуса стальные (сталь 3) с лакокрасочным покрытием. Теплоизоляция – полости из пергамина, тыльные стороны – окрашенный лист ДВП. Бак-аккумулятор выполнен из стали 3 и имеет внутреннее разрешенное для ГВС лакокрасочное покрытие. Теплоизоляция – стекловата толщиной 60 мм с покрытием из оцинкованной стали.

В 2020 году данная гелиоустановка продолжает работать, однако фактически действуют 40 из 48 СК (8 шт. демонтировано). Из 40 работающих солнечных коллекторов имеют частичные сколы лакокрасочного покрытия 30 шт., а у 10 СК либо совсем отсутствовали, либо были повреждены стекла (табл. 2). СК без стекол имеют коррозионные повреждения стальных ребер абсорберов. У 10 СК отсутствовала тыльная сторона. Большинство резинотканевых патрубков с хомутами сохранились. Обвязка СК металлопластиковой трубой в результате воздействия ультрафиолета солнечного излучения имеет массовые повреждения. Бак-аккумулятор находится в исправном техническом состоянии, и внутри него следов коррозии не обнаружено. Теплоизоляция не нарушена.

Выводы и рекомендации

При разработке проектов гелиоустановок необходимо учитывать опыт многолетней эксплуатации. Солнечные коллекторы разных производителей отличаются по конструкции и стоимости и техническим характеристикам. Длительный опыт их эксплуатации показал, что при качественном лакокрасочном покрытии и резинотканевых соединительных патрубках они обеспечивают надежную 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 2–3 лет эксплуатации.

Литература

1. Бутузов В. А. Столетний опыт работы российских научных школ солнечного теплоснабжения // Энергия: экономика, техника, экология. № 2. 2019. С. 16–29.

2. Бутузов В. А., Бутузов В. В., Брянцева Е. В., Гнатюк И. С. Гелиоустановки в России: анализ результатов сооружения в 2018–2019 годах // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2020. № 2. С. 89–93.

3. Бутузов В. А. Российские установки солнечного теплоснабжения. Практика внедрения и оценка экономической целесообразности // Энергосбережение. № 8. 2019. С. 54–58.

4. Бутузов В. А., Бутузов В. В.Использование солнечной энергии для производства тепловой энергии. М.: Интехэнерго-Издат, Теплоэнергетик, 2015. 314 с.

5. Felix Dr. Peuzer A., Remmers K.-H., Schanaus M., Langzeiterfahrungen Solarthermie. Solarpraxis. Berlin.2001.

¹ Источник: www.ren21.net.

³ Информация о многолетней эксплуатации солнечных коллекторов советских производителей представлена в [4], а немецких производителей – в [5].

⁵ Принципиальную схему гелиоустановки в Усть-Лабинске см. в полной версии статьи https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=7711 или в журнале «Энергосбережение » № 3–2012, с. 69–73.