CC BY
9Статья поступила в редакцию 06.02.10. Ред. рег. № 714
The article has entered in publishing office 06.02.10. Ed. reg. No. 714
УДК 620.9:621.472
ВАКУУМНЫЕ ТРУБЧАТЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ. МИРОВЫЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА В РОССИИ
В.А. Бутузов1, Е.В. Брянцева2, В. В. Бутузов2, И. С. Гнатюк2
1ОАО «Южгеотепло», г. Краснодар, ул. Рашпилевская, д. 315/1
Тел. (861) 2254183; e-mail: [email protected] 2ООО «Теплопроектстрой», г. Краснодар, ул. Садовая, д. 223 e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 26.02.10 Заключение совета экспертов: 08.03.10 Принято к публикации: 15.03.10
Мировое производство вакуумных трубчатых солнечных коллекторов (ВТСК) и вакуумных труб (ВТ) в 2008 г. составило 15,14 млн м2, ожидаемое в 2009 г. - 16 млн м2. Приведены годовые программы ведущих мировых производителей ВТСК и ВТ. Лидерами являются китайские компании с годовым объемом производства более 1 млн м2. Их продукция в 60 раз превышает выпуск ВТСК европейскими производителями. Представлены основные технические характеристики ВТСК 20 ведущих мировых производителей. Опыт применения ВТСК в климатических условиях Европы неоднозначен. Для рекомендаций по применению ВТСК в российских условиях требуются дополнительные исследования.
Ключевые слова: гелиоустановки, вакуумные трубы, вакуумные трубчатые солнечные коллекторы, мировое производство, ведущие производители, годовые программы, структура производителей, конструкции, технические характеристики, опыт эксплуатации.
VACUUM TUBE SOLAR COLLECTORS. WORLD MANUFACTURERS AND PROSPECTS OF PRODUCTION IN RUSSIA
V.A. Butuzov1, E.V. Bryantseva2, V.V. Butuzov2,1.S. Gnatyuk2
'"Yuzhgeoteplo", 315/1, Rashpilevskaya str., Krasnodar, Russia Tel. (861) 2254183; e-mail: [email protected] 2"Teploproektstroy", 223 Sadovaya str., Krasnodar, Russia e-mail: [email protected]
Referred: 26.02.10 Expertise: 08.03.10 Accepted: 15.03.10
World production of vacuum tube solar collectors (VTSC) and vacuum tubes (VT) in 2008 are amounted to 15.14 million m2, and are expected in 2009 - 16 million m2. We present an annual program of the world's leading manufacturers of VTSC & VT. The leaders are Chinese companies with an annual production volume of more than 1 million m2. Their products are 60 times greater than production VTSC of European manufacturers. The main technical VTSC characteristics of 20 leading manufacturers are presented. Experience with VTSC in climatic conditions of Europe is ambiguous. For recommendations on the application of VTSC in Russian conditions further investigations are required.
Keywords: solar thermal plants, vacuum tube, vacuum tube solar collectors, leading manufacturers, the annual program, the structure of manufacturers, design, technical specifications, operating experience.
На мировом рынке для сооружения гелиоустановок в основном применяются две конструкции солнечных коллекторов (СК): плоские и вакуумные трубчатые. Если в Европе преобладают плоские СК, то в Китае - вакуумные трубчатые солнечные коллекторы (ВТСК). В России строительство гелиоустановок ведется как с применением плоских СК (Краснодарский край, Бурятия), так и с ВТСК (Дальний Восток) [1]. В статье [2] выполнен анализ перспектив производства плоских СК в нашей стране. Освоение широкомасштабного выпуска СК при этом должно базироваться на лучших образцах мировых произво-
дителей. В статье [3] представлены характеристики 74 конструкций плоских СК и основные тенденции их совершенствования.
По данным журнала «Sun, Wind Energy» [4], в 2008 г. в 13 странах ведущими мировыми производителями (44 фирмы) поставлено потребителям 15,14 млн м2 ВТСК и вакуумных труб (ВТ). В 2009 г. ожидалось увеличение их производства до 16 млн м2. В табл. 1 представлены годовые программы основных мировых производителей (2008 и 2009 г.), на рис. 1 - структура в Европе, на рис. 2 - в Китае.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (85) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Таблица 1
Годовые программы ведущих мировых производителей
Table 1
Annual programs of world's leading manufacturers
№ Страна Фирма-производитель ВТСК, ВТ Годовая программа, тыс. м2
п/п 2008 2009 (прогноз)
Ев ропа
1 Великобритания King Span Renewables ВТСК+ВТ 180,0 135,0
Akotec ВТСК+ВТ 8,0 15,0
Philippine -"- 2,5 5,0
2 Германия Narva ВТ 12,0 55,0
Ritter Solar ВТСК+ВТ 211,264 140,0
Consolar -"- 10,0 10,0
3 Швейцария AMK 26,5 32,0
4 Австрия Greenotec -"- 50,0 -
5 Венгрия Spring Solar ВТ 0,5 1,0
Bachus -"- 0,6 -
Projprzen-Eko ВТСК+ВТ 4,0 4,0
6 Польша Sunex 1,0 5,0
Watt 23,0 20,0
Hewalex 1,0 0,5
7 Чехия Requlus -"- 3,6 4,5
Vermos ВТ 2,2 2,6
8 Италия Thermies ВТСК+ВТ 4,0 -
Kloben -"- 38,0 40,0
9 Македония Solar Tubes ВТСК+ВТ 3,0 5,0
10 Греция Calpak 30,0 45,0
Юго-Восточная Азия
NRG ВТ 0,25 1,0
Hiramrut ВТСК+ВТ 7,672 13,0
11 Индия Borosil Glas Works -"- 2,0 8,0
Ariston ВТ 4,0 8,0
Anu Solar -"- 12,0 50,0
Tata BP Solar -"- 20,0 60,0
12 Таиланд Ravotek ВТСК+ВТ 4,5 1,5
Sunda ВТСК+ВТ 140,0 130,0
Tsinghua -"- 1390,0 1760,0
Himin 2000,0 2000,0
Tiafe 240,0 300,0
Linuo New Material 2810,0 3760,0
Sangle ВТСК 1700,0 -
Linuo Paradigma -"- 929,0 1285,0
Sunpower ВТСК+ВТ 350,0 450,0
13 Китай Apricus 34,753 38,0
Shana Group (Comon) 60,0 130,0
Sunrain 1445,0 2245,0
Huayang 1410,0 1692,0
Westech -"- 150,0 470,0
Ariston ВТ 16,0 18,0
Sunshore ВТСК+ВТ 755,0 -
Shentai ВТСК 50,0 100,0
Baoqung (Linuo Group) ВТ 1000,0 1200,0
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (85) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
76500»'
4%
Рис. 1. Структура европейских производителей ВТСК Fig. 1. Structure of European manufacturers of VTSC
I unua new Material /rt мл M m1
0,7% Sunrain
' I'.'i M, •. Mj КИП.
Рис. 2. Структура китайских производителей ВТСК Fig. 2. Structure of the Chinese manufacturers of VTSC
Как следует из табл. 1, производство ВТСК и ВТ осуществляется в основном в Китае. Соотношение китайского производства к европейскому составляет 60:1. В 2007 г. в Китае было установлено 22 млн м2 ВТСК, а в Европе - только 0,377 млн м2. На рис. 3 представлены данные производства ВТСК ведущими мировыми производителями в 2008 г. и прогноз на 2009 г. Ведущими производителями мира являются китайские компании в годовым объемом производства более 1 млн м2: Himin, Sangle, Sunrain, Huayang, Linuo Paradigma. На рис. 4 приведены данные производства ВТ ведущими мировыми производителями за тот же период. Лидируют такие китайские фирмы, как Linuo New Material, Himin, Sangle, Huayang, Tsinghua. При этом каждая компания имеет разные структуры производства ВТСК. На рис. 5 представлены такие структуры для мировых лидеров - китайских фирм Sunrain Water Heator Manufacture (1,45 млн м2), Huayang Solar Energy (1,412 млн м2), Tsinqhua Solar Systems (0,37 млн м2). У фирмы Sunrain преобладают ВТСК с одинарным стеклом вакуумных труб с различными металлическими абсорберами. У всех трех фирм доля безнапорных водяных трубчатых систем составляет до 80%.
Рис. 3. Данные производства ВТСК ведущими мировыми фирмами в 2008-2009 гг. Fig. 3. Data of VTSC production by world's leading firms in 2008-2009
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (85) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Рис. 4. Данные производства ВТ ведущими мировыми фирмами в 2008-2009 гг. Fig. 4. Data of VT production by world's leading companies in 2008-2009
Рис. 5. Структура производства ВТСК мировых лидеров Fig. 5. Structure of VTSC production by world's leaders
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (85) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Рис. 6. Вакуумный трубчатый солнечный коллектор: 1 - вакуумные трубы; 2 - селективное покрытие; 3 - теплопередающая поверхность; 4 - U-образная трубка абсорбера; 5 - теплоизоляция; 6 - узлы соединения труб со сборным коллектором; 7 - рефлектор Fig. 6. Vacuum tube solar collector: 1 - vacuum tube; 2 - selective coating; 3 - heat transfer surface; 4 - U-shaped tube of absorber; 5 - heat insulation; 6 - sites connections with collector; 7 - reflector
На рис. 6 представлен общий вид ВТСК. При всем многообразии конструкций ВТСК все они имеют стеклянные вакуумные трубы 1, абсорберы 3 с селективным покрытием 2, трубки для теплоносителя 4, соединение 6 отдельных ВТ к сборному коллектору, теплоизоляцию 5, рефлектор 7.
Рис. 7. Схема вакуумной трубы: 1 - стеклянная труба; 2 - вакуум; 3 - селективное покрытие абсорбера; 4 - теплопередающее покрытие абсорбера; 5 - U-образная трубка; 6 - рефлектор Fig. 7. Scheme of vacuum tube: 1 - glass tube; 2 - vacuum; 3 - selective coating of absorber; 4 - heat transfer coating of absorber; 5 - U-shaped tube; 6 - reflector
Схема преобразования солнечных лучей в ВТ приведена на рис. 7. Солнечное излучение, преломляясь в солнечном концентраторе (рефлекторе) 6 через стеклянную колбу 1 и вакуумное пространство 2, поглощается селективным покрытием абсорбера 3, тепло-передающая поверхность которого 4 контактирует с трубами 5, заполненными теплоносителем.
Рис. 8. Узел присоединения вакуумных труб к сборному коллектору с конструкцией абсорбера «труба в трубе» Fig. 8. The node joining the vacuum tube to the prefabricated manifold with the design of absorber "pipe in pipe"
В зависимости от вида абсорберов ВТСК применяют различные конструкции соединения по теплоносителю ВТ со сборным коллектором. На рис. 8 представлен ВТСК с гидравлической схемой абсор-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (85) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
бера «труба в трубе». Холодный теплоноситель поступает по внутренней трубе, нагретый отводится между внутренней и наружной трубами.
На рис. 9 - ВТСК с абсорбером, работающим по принципу тепловой трубы. Во внутреннем герметичном объеме такого абсорбера - легкокипящая специальная жидкость, переносящая тепловую энергию от поглощающей поверхности к верхней части в сборном коллекторе, где она нагревает теплоноситель.
По данным журнала «Sun, Wind Energy» [6], в табл. 2 представлены технические характеристики ВТСК ведущих мировых производителей. Как следует из табл. 2, наиболее широкую номенклатуру предлагают крупнейшие китайские фирмы Erijen Solar, Himin Solar, Sunda, Sunpower solar. Они производят по 3-4 различных конструкций ВТ: стеклянная колба прямая с нагревом теплоносителя непосредственно в ней; стеклянная колба с металлическим абсорбером, работающим по принципу тепловой трубы; стеклянная колба с металлическим абсорбером с нагревом теплоносителя в U-образных трубках; стеклянная колба с металлическим абсорбером с нагревом теплоносителя в коаксиальных трубках.
Таблица 2 Table 2
Рис. 9. Узел присоединения вакуумных труб к сборному коллектору с конструкцией абсорбера с тепловой трубой Fig. 9. The node joining the vacuum tube to the prefabricated manifold with the design of absorber with a heat tube
Технические характеристики ВТСК ведущих мировых производителей Specifications of VTSC by world's leading manufacturers
№ Производитель, страна ОЕМ производитель Тип труб Поставщик труб Диаметр труб, мм Длина труб, мм Толщина стекла, мм Тип стекла Покрытие абсорбера Материал абсорбера Теплопроводное метал. покрытие абсорбера Материал рефлектора Материалы корпуса Материал установочной рамы Предельная температура, °С Сертификация
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1б 17
1 Augusta Solar, Германия да стекло-метал. тепл. труба; стекло-метал. с жидк. Китай 100 2000 2,8 Боро- силикат Al-N алюм. - - алюм. н/ж сталь 180 -
2 АМК-Collectra, Швейцария да колба-термос и-обр. АМК, Китай 47/58 1900 1,б/ 2,0 -"- - стекло алюм. нет реф-лек. алюм. алюм. - Solar Keymark
3 Erjin Solar, Китай -"- колба-термос прямая; колба-термос с тепл. трубой; колба-термос и-обр.; стекло-металл с жидк. Linuo, Китай 47/58 1500/ 1800 1,82,0 Al-N, Sunse-lect/blue tec/ Tinox/ чер. хром - алюм./ н/ж сталь н/ж сталь/ сталь с пласт. покр. н/ж сталь/ сталь с пласт. покр. - Solar Keymark
4 Calpak, Греция - колба-термос и-обр. Китай 47 1500 1,8 Al-N алюм. алюм. алюм. - 227 -
5 Consolar, Германия да -"- -"- 1800 1,7 SC н/ж сталь алюм. / н/ж сталь 250 Solar Keymark
б ЕSЕ, Бельгия -"- -"- -"- 1500 - селект. алюм. н/ж сталь - -"-
7 Elco/MTC Group, Италия нет стекло-металл с жидк. 70 1790 - алюм. - - алюм. сталь с гальв. покр. 20б
8 Himin Solar, Китай да колба-термос откр.; колба-термос с тепл. трубой; колба-термос и-обр.; стекло-металл с жидк. 47/58 1800/ 1900/ 2100 1,8 стекло - нет рефл. - - -
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (85) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Kloben бо-
9 (Turco Group SRL), Италия да колба-термос и-обр. CIB Solar, Китай 58 1500 1,6 ро-си- ли-кат Cermet стекло - алюм. алюм. сталь с гальв. покр. 249 -"-
10 Solar Research Design, Малайзия нет колба-термос с коаксиал. трубой Китай 47/58 1800/ 2000 1,65/ 1,95 -"- Al-N/ тройное целевое -"- - - н/ж сталь 250 SABS
11 Philippine, Германия да стекло-металл с жидк. Narva, Германия 56 2000 1,8 _ Tinox медь - - ППУ/ алюм. - 296 Solar Keymark
бо-
12 Regulus, Чехия - колба-термос и-обр. Китай - - 1,8 ро-си- ли-кат Al-N стекло - алюм. алюм. алюм. 208 EN 12975
13 SC Sieger Solar, Германия да колба-термос с тепл. труб., стекло-метал. тепл. труба, стекло-метал. с жидк. - 58/ 65/ 100/ 120 1980/ 2170/ 2950 1,5/ 2,0/ 2,8 -"- Timox, Al-N медь/ стекло - -"- -"- - 210290 -
14 Solvis, Германия нет колба-термос и-обр. Китай 58 1800 1,8 Сталь-медь, алюм.-нитрид стекло алюм. алюм. пласт./ алюм. алюм./ н/ж сталь 222 Solar Keymark
колба-термос
15 Sunda, да и-обр.стекло-метал. тепл. труба, стекло-метал. с жидк. 70/ 2000/ 1,8/ Al-N-Al медь/ н/ж 220-
Китай 100 1800 2,5 алюм. сталь 250
колба-термос алюм.,
16 Sunpower Solar, Китай - прямая, колба-термос и-обр. типа, колба-термос с тепл. труб. 47/ 58/ 70 1500/ 1700/ 1800 1,6/ 2,0 Al-N стекло алюм. алюм. сталь с гальв. покр. / н/ж сталь н/ж сталь / сталь с гальв. покр. 260
алюм./
17 Ritter Solar, Германия да колба-термос и-обр. 47 1500/ 1800/ 1920 1,6 -"- -"- алюм. н/ж сталь/ сталь с гальв. покр. 272
бо-
18 Universal Energy, Китай да колба-термос прямой Китай 58 1500 1,6 ро-си- ли-кат Al-Na-Al стекло - нет рефл. алюм./н/ ж сталь алюм./ н/ж сталь 200230 GB/T 170492005
19 Vermos, Чехия -"- колба-термос и-обр. 47/56 1500/ 1800 1,6 -"- -"- медь н/ж сталь алюм. 285 CTUT Prag, SZU Brno
20 Watt, Польша колба-термос и-обр. 47 1800 1,6 селект. - алюм. алюм. 281 Solar Keymark
Диаметр вакуумных труб мировых производителей от 47 до 120 мм, длина от 1500 до 2950 мм. Толщина стенки боросиликатного стекла от 1,5 до 2,8 мм. Селективные покрытия абсорберов: алюминий-никель, Sunselect, Bluetec, Tinox, Cermet. В качестве материалов абсорберов используют медь, алюминий, стекло. Для изготовления рефлекторов применяют алюминий и нержавеющую сталь. Корпуса ВТСК изготавливают из алюминия, нержавеющей стали, стали с пластиковым и гальваническим покрытием, пластика. Монтажные (установочные) комплекты выполняются из нержавеющей стали, алюминия, стали с пластиковым и гальваническим покрытием. Предельная расчетная температура теплоносителя в
ВТСК от 180 °С (фирма Augusta Solar, Германия) до 290 °С (фирма Philippine, Германия). Большинство коллекторов соответствует европейскому стандарту «Solar Keymark».
Анализ европейских публикаций [8, 9] не дает однозначного ответа на вопрос о перспективности массового применения ВТСК в климатических условиях, близких к российским. При более высокой, чем у плоских СК, эффективности ВТСК существенно дороже. Вакуумные коллекторы позволяют нагревать теплоноситель до 150 °С, что востребовано солнечными системами отопления. В то же время европейский опыт применения ВТСК свидетельствует о том, что в зимнее время при работе на отопление
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (85) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
малый уровень солнечной радиации и короткая продолжительность дня сводит к минимуму их преимущества. В летнее время при эксплуатации гелиоустановок с ВТСК возникает проблема с перегревом до 250 °С, разложением теплоносителя на основе гликоля и разрушением насосов. Так, для гелиоустановки олимпийской деревни в Пекине площадью 7,5 тыс. м2 с ВТСК были установлены специальные чил-леры аварийного расхолаживания [11].
В России ВТСК исследованы специалистами под руководством д-ра техн. наук О. С. Попеля. Установлено, что применение ВТСК в солнечных водонагре-вательных установках с температурой нагрева до 60 °С не обеспечивает каких-либо преимуществ перед плоскими СК. Энергетические преимущества использования ВТСК начинают проявляться при температурах нагрева теплоносителя более 80 °С. Широкое практическое применение ВТСК китайского производства получили на Дальнем Востоке [2]. При этом отмечается нестабильное качество ВТСК и существенное отличие по эффективности разных партий поставки.
С учетом изложенного требуются дополнительные исследования и испытания по определению перспектив применения ВТСК в России.
Список литературы
1. Бутузов В.А. Перспективы производства солнечных коллекторов в России // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2008. № 11. С. 63-66.
2. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2009. № 7. С. 48-51.
3. Бутузов В.А., Шетов В.Х., Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. Солнечные коллекторы. Тенденции совершенствования конструкций // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2009. № 10. С. 41-51.
4. Bärbel Epp. Vacuum tube industry on an upward trend // Sun, Wind Energy. 2009. № 12. P. 70-77.
5. Bärbel Epp. World map of solar thermal industry: Global solar economy // Sun, Wind Energy. 2008. № 6. P. 66-76.
6. Meyer J.-P. Evacuated tubes take center stage // Sun, Wind Energy. 2008. № 4. P. 58-67.
7. Sven Tetziaff. China catches up on technology // Sun, Wind Energy. 2007. № 3. Р. 51-61.
8. Berner J. Tubes - hot or not? // Sun, Wind Energy. 2009. № 7. P.42-45.
9. Bärbel Epp. Tubes - hot or not? Statements! // Sun, Wind Energy. 2009. № 7. P. 46-50.
10. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Сравнение эффективности использования плоских и вакуумных солнечных коллекторов для нагрева воды // Материалы пятой Всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии», 25-26 октября 2006 г. Москва. С. 38-42.
11. Бутузов В. А., Шетов В.Х. Солнечное теплоснабжение олимпийских объектов // Промышленная энергетика. 2008. № 12. С. 51-53.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (85) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
