О возможности использования солнечных коллекторов для получения тепловой энергии в климатических условиях Таджикистана



Статья посвящена возможности использования солнечной энергии как источника получения тепла в климатических условиях Таджикистана. Приводятся сведения о валовом, техническом и экономическом потенциале тепловой энергии солнца в Республике Таджикистан, разновидностях солнечных коллекторов, преимуществах и недостатках солнечных коллекторов, факторах? которые стоит учитывать при выборе солнечного коллектора

Ключевые слова: солнечная энергия, климат Душанбе. потенциал тепловой энергии солнца, альтернативный источник, солнечный коллектор.

Энергия солнца является одним из важных доступных возобновляемых источников на Земле. Использование солнечной энергии не влияет на состояние окружающей среды, поскольку для её получения не требуется бурить скважины, шахты, использовать и сжигать традиционное топливо. К тому же, этот вид энергии возобновляемый и не стоит ничего, требуются затраты только на покупку и монтаж оборудования.

В последнее десятилетие солнечная энергия, как альтернативный источник энергии используется все чаще для отопления и обеспечения зданий горячей водой. Основная причина — стремление заменить традиционное топливо доступными, экологически чистыми и возобновляемыми энергоресурсами. Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит в гелиосистемах — конструкция и принцип действия модуля определяет специфику его применения.

Географическая широта и климат — главные факторы, определяющие возможности использования солнечной энергии.

Таджикистан расположен между 36°40' и 41°05' северной широты, в зоне так называемого «золотого пояса» солнечного сияния. Континентальный климат характеризуется значительными суточными и сезонными колебаниями воздуха, малым количеством осадков, сухостью воздуха, малой облачностью и продолжительностью солнечного сияния 2100–3166 часов за год, а количество солнечных дней в году колеблется от 260 до 300. [1]

В таб.1. представлен климат Душанбе.

Таблица 1

Климат Душанбе

Показатель	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI.	XII	Год
Абсолютный максимум, °C	21,6	23,1	29,6	33,8	38,8	42,8	49,0	42,8	38,9	36,8	29,7	24,3	49,0
Средний максимум, °C	9,4	10,6	15,6	20,6	26,1	32,8	35,6	34,4	30,0	23,3	15,6	10,6	22,1
Средняя температура, °C	1,7	4,0	8,8	15,1	19,7	24,8	27,4	25,4	20,3	14,2	8,6	4,0	14,5
Средний минимум, °C	−0,6	1,7	5,6	9,4	13,3	17,8	19,4	17,2	12,8	7,8	3,3	0,6	9,0
Абсолютный минимум, °C	−26,6	−17,3	−13,4	−7,8	1,2	8,4	10,9	8,1	3,0	−4,4	−13,5	−19,5	−26,6
Норма осадков, мм	66	75	108	105	66	6	3	1	3	31	45	60	568

Источник: По данным гидрометеостанции г. Душанбе

В большинстве районов республики интенсивность солнечной радиации достигает 1000 Вт/м², а годовые суммы радиации достигают 2000 кВт/м². Эффективное использование только солнечной энергии даст возможность получать горячую воду с температурой свыше +70°С, как минимум, 7 месяцев в году — с апреля по октябрь с вероятностью 65 %, в марте и ноябре температура воды, полученной от солнечных коллекторов, составит порядка +50°С.

В коллекторе даже в декабре — феврале температура воды в солнечные дни может составить примерно +40°С, в пасмурные, не морозные дни температура горячей воды, полученной благодаря одноконтурной гелиосистеме, составляет +25…+30°С, что позволяет экономить до 60 % электроэнергии при подогреве воды до необходимой температуры.

Потенциал солнечного тепла в Таджикистане оценен следующими величинами:

‒ Валовой потенциал — 13733.5 млн. Гкал/год;

‒ Технический потенциал — 11.3 млн. Гкал/год;

‒ Экономически целесообразный потенциал — 4.1 млн. Гкал/год. [2]

В настоящее время в мире работает более 2 млн. гелиоустановок горячего водоснабжения. Площадь солнечных (тепловых) коллекторов в США составляет 10, а в Японии — 8 млн. м². В США и в Японии работают более 5 млн. тепловых насосов. В большинстве стран приняты законы, создающие льготные условия, как для производителей, так и для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим фактором успешного внедрения. [3]

В Таджикистане с целью продемонстрировать возможности применения солнечных коллекторов, несколько коллекторных систем были установлены на рынках, в мечетях и других общественных местах городов Душанбе и Курган-Тюбе (рис.1).

а) б)

Рис. 1. Примеры солнечных коллекторов, установленных в Таджикистане: а) Солнечная водонагревательная установка производства фирмы «Ezinc» (Турция). Установлена в школе интернате № 2 г. Душанбе. б) Солнечная водонагревательная установка производства фирмы «Ezinc» (Турция). Установлена в Центральной клинической больнице г. Курган-Тюбе (Юг Таджикистана)

Солнечный коллектор — это конструкция или устройство для поглощения радиации от Солнца и преобразования ее в тепловую энергию, используемую далее для нагрева воды.

Солнечные коллекторы бывают разных видов. Особенно популярными в настоящее время и наиболее доступными являются плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Плоский солнечный коллектор состоит из абсорбера (элемента, который эффективно поглощает солнечное излучение), прозрачного покрытия и теплоизолирующего слоя. В принципе работы плоских солнечных коллекторов заложен парниковый эффект. Он заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхность гелиоколлектора, практически полностью пропускается стеклом. Таким образом, происходит накопление тепловой энергии внутри солнечного коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется с помощью конструктивных элементов, как правило, выполненных из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляется теплоносителем — водой или незамерзающей жидкостью.

а) б)

Рис. 2. Виды солнечных коллекторов: а) Плоский солнечный коллектор [4]. б) Вакуумный солнечный коллектор [5]

Вакуумный солнечный коллектор напоминает термос — узкие трубки с теплоносителем размещены в колбах большего диаметра. Между сосудами образуется вакуумная прослойка, отвечающая за теплоизоляцию (сохранность тепла — до 95 %). Трубчатая форма наиболее оптимальна для удержания вакуума и «оккупации» солнечных лучей.

Области применения солнечных коллекторов:

‒ Горячее водоснабжение и отопление частных домов и дач.

‒ Горячее водоснабжение многоэтажных домов.

‒ Солнечные коллекторы для системы горячего водоснабжения в гостиницах, ресторанах, кафе и барах.

‒ Солнечные системы подогрева бассейнов.

‒ Горячее водоснабжение и отопление промышленных объектов.

‒ Горячее водоснабжение и отопление для учреждений здравоохранения: больницы, поликлиники, санатории, профилактории, центры здоровья.

Монтаж солнечных коллекторных установок позволяет покрыть до 60 % потребностей индивидуальных потребителей в тепле, что позволит сэкономить на электроэнергии или на топливе. В целом, солнечные установки могут обеспечить следующие показатели, приведенные на 1 м² солнечного коллектора:

‒ Выработка тепловой энергии: средняя 600–800 кВт*ч/м² в год; максимальная до 1050 кВт*ч/м² в год.

‒ Экономия органического топлива: около 100 кг у. т./м² или около 260 кг/м² угля; установка с площадью солнечных коллекторов 30 м² в целом экономит около 3-х тонн у. т. или около 7,8 тонн угля.

‒ Снижение выбросов: 0,6–0,7 кг СО² на 1 кВт*ч выработанной тепловой энергии; 1 м² солнечного коллектора предотвращает выброс 350–730 кг углекислого газа в год. [6]

В холодную погоду внешние части системы солнечных коллекторов соприкасаются с дождем или снегом, и теряют на этом некую часть тепла. Работая зимой, плоские коллекторы очень сильно лишаются своей эффективности, а вакуумные коллекторы работают практически так же эффективно, как и летом, благодаря отличной теплоизоляции.

Следовательно, для отопления можно использовать оба типа солнечных коллекторов, но для здания определенной площади эффективнее эксплуатировать вакуумные коллекторы, ведь если использовать плоские коллекторы, то понадобится в несколько раз больше самих коллекторов для поддержания той же мощности. Этот факт понижает экономическую целесообразность использования плоских солнечных коллекторов в системе отопления, в холодное время года.

Также стоит отметить, что эффективно использовать вакуумные коллекторы для обеспечения горячим водоснабжением как в облачную, так и в пасмурную погоду, за счет минимального теплообмена с окружающей средой, они дают достаточно тепла для нагрева воды, в то время, как плоские коллекторы могут гораздо хуже справляться с данной задачей, перекладывая ее на резервную систему подогрева воды.

В таб.2 представлены преимущества и недостатки плоских и вакуумных солнечных коллекторов.

Таблица 2

Преимущества и недостатки вакуумных и плоских коллекторов*

Вакуумный коллектор	Плоские коллектор
Преимущества	Преимущества
Отличное соотношение цена / производительность для умеренных широт ихолодного климата	Отличное соотношение цена / производительность для южных широт итёплого климата
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до –35 С	Высокая производительность летом
Способность обеззараживать воду.	Меньшая начальная стоимость
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа и транспортировки
Высокая надёжность. Низкая парусность.
Недостатки	Недостатки
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие теплопотери
Относительно высокая начальная стоимость коллектора	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность транспортировки
	Сложность монтажа
	Высокая парусность
	Сложность ремонта

*Источник: http://solar-kollektor.ru/solnechnye_kollektor/sravnenie.htm

В таб.3 представлены характеристики плоских и вакуумных солнечных коллекторов.

Таблица 3

Характеристики различных типов солнечных коллекторов**

Тип коллектора	КПД,%	Коэффициент превращения	Фактор терми­ческих потерь	Температурная зона
Плоский коллектор	30–50	0,66–0,83	2,9–5,3	20–80
Вакуумный трубчатый коллектор	40–60	0,62–0,84	0,7–2,0	50–120

**Источник: http://www.ppu21.ru/article/631.html

При выборе солнечного коллектора любой конструкции необходимо учитывать мощность, коэффициент полезного действия; производительность, область применения и климатические данные.

Расчет вырабатываемой энергии солнечным коллектором

Энергия, вырабатываемая солнечным коллектором за год, определяется географической точкой установки коллектора и статистическими данными по годовой солнечной инсоляции в этом регионе. Так, для Душанбе показатель солнечной инсоляции за год составляет 1541,6 кВт*час/м². Используя полученное значение эффективной площади поглощения коллектора можно рассчитать вырабатываемую им за год энергию. Так коллектор модели SCH-30 может выработать в Душанбе 2,77 м² * 1541,6 кВт*ч/м² = 3251,15 кВт*ч, но с учетом кпд=80 % только примерно 2600,0 кВт*ч.

По такому же методу легко произвести расчет производимой вакуумным солнечным коллектором энергии с любым другим количеством трубок. Например, вакуумный коллектор модели SCH-20 (20 вакуумных трубок) выработает за год 1173,7 кВт*ч/м² * 1,86 м² * 0,8 =1746,0 кВт*ч.

Выводы

Системы, состоящие из солнечных коллекторов весьма эффективны, и их следует внедрять повсеместно, несмотря на высокую стоимость капиталовложений. В процессе эксплуатации система себя окупит, и позволит экономить деньги и традиционные источники энергии. Установка таких систем позволить снизить пагубное влияние на экологию. Солнечные коллекторы экологически чистые и абсолютно безопасны для окружающей среды. Солнечные коллекторы — эффективный, экологически безопасный, альтернативный источник энергии, за ними зелёное будущее всей нашей планеты!

Развитие солнечной тепловой энергетики может, обеспечит население Республики Таджикистан горячей водой и отоплением.

Литература:

1. Ахмедов Х.М, Каримов Х. С.. Возобновляемые источники энергии в Таджикистане и возможности их использования. Душанбе, Дониш, 2005, 35 с.
2. Н. Петров, Х. М. Ахмедов, К. Кабутов, Х. С. Каримов общая оценка ситуации в энергетике в мире и таджикистане. Известия АН РТ отделение физико-математических, химических, геологических и технических наук. 2009 г. № 2 (135), с. 107–108.
3. Эргашев С. М., Тухтамуродов И. Б., Эшмирзоев А. Б., Юлдашев З. Ш. Обзор и оценка потенциала возобновляемых источников энергии Республики Таджикистан. VIII Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум» — 2016.
4. [Электронный ресурс]. http://atmosfera.ks.ua/solar-flat-collector-SPK-F4M
5. [Электронный ресурс]. https://e-solarpower.ru/solar-kollektors/solnechnye-kollektory/solnechnyy-kollektor-sunrain-etz58–1800–10-r1/
6. Слесаренко И. В. Возможности устойчивого социально-экономического развития территории на основе солнечной энергетики. Оценка технико-экономических показателей солнечных водонагревательных установок. Фундаментальные исследования. — 2015. — № 12 (часть 4) — С. 829.