Многие дачники мечтают о горячей воде, которая лилась бы из
крана в любое время, словно в городской квартире. Популярные в последнее время
электрические водонагреватели проблему решают, но высокой ценой. Оплата
электроэнергии за дачный сезон может достигать десятков тысяч рублей. В то же
время, в мире давно используют иные подходы к нагреву воды. Например, при
помощи солнечного тепла. Крыши отелей на морских побережьях Европы усеяны
солнечными коллекторами, в Израиле нельзя сдать в эксплуатацию малоэтажный дом
без солнечной водонагревательной установки.
Климат большей части России не слишком благоприятствует
внедрению подобных устройств. «Сочувствую вам: у вас относительно мало солнца и
очень дешевое топливо», – это слова крупного европейского светила гелиотехники,
с которым встречался в середине 80-х Семен Фрид из лаборатории
возобновляемых источников энергии Объединенного института
высоких температур (ОИВТ) РАН. Мнение светила, впрочем, не помешало студенту
кафедры инженерной теплофизики МЭИ Фриду заняться гелиотехникой. Работа
началась под началом Олега Попеля, тогда молодого научного сотрудника, а
теперь – заведующего лабораторией, председателя Научного совета Отделения
энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН по
нетрадиционным возобновляемым источникам энергии и доктора наук.
В конце 1970-х, когда тема альтернативной энергетики стала
модной на западе из-за энергетического кризиса, ОИВТ поручили разработку
эскизного проекта индивидуального жилого дома с солнечным водоснабжением и
отоплением. В результате построили два дома: в дагестанском Гунибе и под
Ереваном в поселке Мерцаван. Дагестанский дом обогревался трехконтурной установкой,
в «солнечном» контуре циркулировал токсичный тосол. В армянском доме
использовали только воду, сливавшуюся из контура при выключении насоса. Потом
был полигон под Махачкалой (ныне – Дагестанский филиал ОИВТ РАН), на котором
стояло несколько солнечных домов. Экспериментов провели много, но массовым
солнечное теплоснабжение так и не стало, потому что решить задачу сочетания
эффективности и стоимости не удавалось. Даже гораздо менее мощные и более
дешевые, обеспечивающие только горячую воду, солнечные водонагреватели широкого
распространения в России не получили. Водонагреватель - только с виду просто
бак и коллектор. Чтобы довести его до ума и до потребителя, необходимо решить
множество научных, инженерных и технологических задач. «Я уж и не могу сказать,
где здесь кончается наука и начинается технология. Все переплелось», – пытается
объяснить сложность работы Семен Ефимович.
Эффективность разных типов установок
Существует два типа солнечных водонагревателей:
интегрированные и раздельные. Самый простой вариант интегрированной установки –
это душ в виде металлической бочки с водой, которая греется на солнце. Днем солнечное
излучение поглощается поверхностью бочки, нагревает воду, а ночью вода, увы,
остывает. Такую конструкцию еще называют аккумуляционной. В конце XIX – начале
XX века американцы запатентовали и серийно производили водонагреватели в виде
металлических баков в сосновых остекленных ящиках. Чуть позже бак и нагревающий
воду солнечный коллектор разделили, и такая раздельная конструкция стала
классической. Она более технологична и, как кажется, более эффективно
преобразует энергию солнечного излучения в тепло, потому что нагретая вода
хранится в отдельном теплоизолированном баке.
В мире сейчас настоящий бум - около 6000 компаний выпускают
солнечные водонагреватели. Лидирует по суммарной тепловой мощности Китай.
Европейцы, чей рынок переполнен и собственными установками, и китайской
продукцией, ищут пути резко снизить стоимость. Один из вариантов – заменить
металл пластиком. Установка классической конструкции из пластика получается
дешевле.
В ОИВТ
разработали такую конструкцию и начали экспериментировать с пластмассовыми
солнечными коллекторами. Нужно было подобрать материал, форму солнечного
коллектора, тип соединения деталей, гидравлику, размеры установки. Попробовали
сотовый поликарбонат. Сотрудник лаборатории Александр Мордынский два года
занимался только тем, что варил, паял, клеил поликарбонат, выбирая наиболее
надежное соединение. Варить в конце концов получилось, но к этому моменту
выяснилось, что поликарбонат для работы с горячей водой не подходит. И вообще,
раздельная установка из пластмассы получалась плохо. Все-таки, разные материалы
требуют разных конструкторских решений. Решили узнать, что будет, если сделать
из пластмассы установку аккумуляционной типа, насколько менее эффективной она
окажется. Посчитали эффективность обоих типов установок для климата России.
В это время у
ОИВТ появился партнер, инжиниринговая фирма «Политермо»,
создающая технологические решения и выпускающая из пластмасс и композитов
множество вещей – от душевых кабин до лопаток компрессоров турбореактивных
двигателей. Специалисты «Политермо» предложили конструкцию из стеклопластика,
разработали технологию его склейки. Сменили и форму установки. Остекление и
поглощающую панель, которые накрывают бак с водой и принимают на себя солнечное
излучение, для прочности сделали волнистыми, корпус – секционированным. Так,
появились проект «Разработка эффективной для применения в климатических
условиях Российской Федерации солнечной водонагревательной установки
аккумуляционного типа с применением современных полимерных материалов» и его
продолжение «Разработка высокоэффективной и технологичной в массовом
производстве солнечной водонагревательной установки аккумуляционного типа из
полимерных и композитных материалов», которые получили поддержку Минобрнауки
России (гос. контракты № 16.516.11.6104 и 14.516.11.0001).
От ОКР до
производства
Сотрудничество
между ОИВТ РАН и «Политермо» организовано таким образом: «Политермо» делают
образцы солнечных установок, на стенде ОИВТ их испытывают и проводят расчеты.
Все внебюджетные расходы по проектам в «Политермо» взяли на себя, потому что
считают это направление перспективным. Сейчас конструкцию установки сделали
несколько проще и технологичнее, ориентируясь на очень перспективную технологию
горячего прессования. Такая технология интересна для «Политермо», фирма готова
вложиться в покупку пресса.
Оптимальный
размер водонагревателя аккумуляционной конструкции из стеклопластика составляет
порядка 1,5 квадратных метров, но сначала придется делать установки меньшего
размера, иначе пресс для изготовления корпуса установки окажется слишком
дорогим (30-40 миллионов рублей). Чтобы окупить производство, в год нужно
выпускать не менее 10 000 установок.
Разработчики
намерены обеспечить стоимость одного водонагревателя в пределах 7,5-8 тысяч
рублей. Это будет полутораметровый пластмассовый контейнер с двумя патрубками,
который помещается в легковую машину. В нормальный солнечный день такая установка
сможет выдавать 100 литров воды с температурой 40-45 градусов. Прослужит она
лет десять и многократно за этот срок окупится. Такой товар дачники купят.
«Нам бы большой
проект с ОКР. - Говорит Семен Фрид. – Но научных и инженерных задач хватает.
Надо отработать технологию создания корпусов для новой конструкции установки,
разработать типовые решения для гидравлики. А дальше нужно строить дилерскую
сеть и сервис».
Дилераская сеть
и сервис нашлись в Краснодарском крае, у фирмы «Южгеотепло». Она занимается проектированием
и созданием солнечных котельных – больших по площади солнечных водонагревателей
для теплоснабжения больниц, санаториев и других объектов. Узнав, что в ОИВТ
создают технологию производства небольших дешевых аккумуляционных
водонагревателей для индивидуального пользователя, заинтересовались: это можно
продавать.
В мире уже
больше ста лет выпускают солнечные водонагреватели раздельной конструкции, а
аккумуляционные установки, с которых собственно началась гелиотехника, почти
забыты из-за их якобы неэффективности и нетехнологичности. Ученые из ОИВТ и
«Политермо» решили обе эти проблемы. Бак и солнечный коллектор «в одном
флаконе» вполне справляются с задачей нагрева воды до 45 градусов и ввиду
низкой стоимости составят конкуренцию импортным товарам. Их можно выпускать
большими сериями. Если прикладная стадия проекта получит поддержку, через два
года в России появится первое массовое серийное производство солнечных
водонагревателей.
Татьяна
Пичугина
Фото: Татьяна
Пичугина, Андрей Арсатов.
Этапы проекта
2008-2009
годы: Работы по
проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований в области
возобновляемых источников энергии (Гос. контракт № 02.516.11.6169)
- 3 млн рублей.
2011-2012
годы: Проект
«Разработка эффективной для применения в климатических условиях Российской
Федерации солнечной водонагревательной установки аккумуляционного типа с
применением современных полимерных материалов» (госконтракт № 16.516.11.6104)
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» - 14 млн рублей.
2012 год: Проект «Разработка высокоэффективной и
технологичной в массовом производстве солнечной водонагревательной установки
аккумуляционного типа из полимерных и композитных материалов» (госконтракт
№ 14.516.11.0001)
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» - 8 млн рублей.
Библиография
Попель О.С.,
Фрид С.Е., Мордынский А.В., Арсатов А.В., Ощепков М.Ю., Мартовский С.В.
Солнечный водонагреватель // Патент на полезную модель №124953 от 27.04.2012
«Эффективность
и перспективы использования различных систем солнечного нагрева воды в
климатических условиях Российской Федерации» Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г.,
Сушникова Е.В., Ямудер В.Ф. Теплоэнергетика, 2011 №11. С. 26-31.
Фрид С.Е.,
Мордынский А.В., Арсатов А.В. «Солнечные водонагреватели аккумуляционного
типа». Теплоэнергетика, 2012, № 11, с. 69–76
«Сравнительная
эффективность использования солнечных водонагревателей различных типов в
климатических условиях Российской Федерации» О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г.
Коломиец, Е.В. Сушникова. Альтернативная энергетика и экология. Номер: 12 Год:
2011 Страницы: 33-38
Попель О.С.,
Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. «Атлас ресурсов
солнечной энергии на территории России». – М.: ОИВТ РАН, 2010. 84 С.
С.Е. Фрид
«Математическое моделирование как эффективный путь оценки характеристик
установок возобновляемой энергетики». Лекция на VIII Всероссийской научной
молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» 21 ноября 2012
Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова http://youtu.be/2uEra2yeHvg (видео)
Блог О.С.
Попеля http://olegpopel.blogspot.ru/
Оригинал статьи
на сайте http://xpir.fcntp.ru
Комментариев нет:
Отправить комментарий