«Ritter Gruppe» — найбільший європейський виробник сонячних вакуумних колекторів.
У 2010 році в Європі продано 136 000 кв.м колекторів Ritter. Значний досвід відіграє компанія Paradigma.
Порівняння плоских колекторів з технологією вакуумного колектора і води в якості теплоносія
«Ritter Gruppe» (Німеччина) — найбільший європейський виробник сонячних вакуумних колекторів. В 2010 році, в Європі продано 136 000 кв. м колекторів Ritter. Майже 20-річні дослідження та практичні спостереження, більш ніж 50 000 вже реалізованих проектів AquaSystem, значний досвід Paradigma в проектуванні сонячних систем доводять, що: вакуумні колектори, з водою в якості теплоносія, є єдиним шляхом для створення надпотужних геліотермічних установок. Принциповими перевагами CPC-вакуумних колекторів від Paradigma є не тільки отримання високих температур протягом всього року, а також спрощення схеми сонячної установки, зменшення витрат на планування системи, монтажні та пуско-налагоджувальні роботи.
Унікальні проекти від Paradigma
Починаючи з 2004 року Концерн Ritter виготовив понад 150 надпотужних сонячних аквасистем, площею понад 30 м² та загальною площею біля 20 000 м2. Сюди належать деякі з найбільших у світі установок на основі вакуумних колекторів: завод Festo, м. Есслінген/ Німеччина: — 1 330 м² та торговий центр Metro, Стамбул/ Туреччина: — 1 031 м2. На дахах павільйонів Міжнародного Виставкового Центру в м. Вельс/ Австрія розміщена на даний момент найбільша у світі сонячна установка централізованого теплопостачання на основі вакуумно-трубчастих колекторів. Загальна площа колекторів цієї установки складає — 3 373 м2. Геліо установка на Коні-Айленд/ Нью-Йорк (замовник: New York Power Authority), встановлена для обслуговування системи мийки поїздів метрополітену вирізняється, зокрема, тим, що колектори Ritter повинні витримувати велике вітрове навантаження (швидкістю вітру сягає 200 км/год). Водночас це є найбільш потужна сонячна установка у місті Нью-Йорк! Ще одним унікальним проектом від Paradigma є геліосистема для готелю «Dresdner Hütte», що знаходиться в Штубайських льодовиках Альп/ Австрія та експлуатується з 2009 року. Сонячні колектори встановлені на висоті 2308 м над рівнем моря та постійно працюють при мінусових температурах (взимку температура опускається до -30 грд.)
мал. 1 — Геліоустановка заводу Festo, в м. Есслінген/ Німеччина
| Площа колекторів | 1,330 | m2 |
| Акумулююча ємкість | 17 | m3 |
| Пікова потужність | 1,2 | MW |
| Максимальна потужність | 0,63 | MW |
| Річна продуктивність | 5,85 | MWh |
мал. 2 — Принципова схема сонячної установки заводу Festa
За даними практичних вимірювань, це перша велика сонячна теплова установка, яка продукує значно більше сонячної енергії, ніж було заявлено користувачеві з самого початку. Сонячна енергія в даному проекті використовується для кондиціонування повітря влітку та теплопостачання протягом року.
мал. 3 — В сонячний день, взимку, 24 лютого 2008 року, до накопичувача надійшло 4,3 МВ/год, тобто 3,2 кВ/год на квадратний метр площі колектора. З плоскими колекторами такий результат був би не можливий навіть влітку!
В інших надпотужних геліотермічних установках Paradigma повністю відмовилася від накопичувачів. Такий варіант є найкращим, коли наявна установка може поглинути денну сонячну температуру. На великих фабриках і в тепломережах це часто застосовується. В ролі прототипу було обладнано великий СПА-центр з власною опалювальною системою та сонячною установкою, яка слугувала як додатковий котел.
- Робоча температура на протязі року: 65°C
- Площа колектора: 98 м²
- Буферна ємкість: відсутня
- Отримання енергії: 50 МВт/год в рік
- Споживання електроенергії: 380 кВт/год в рік
Десять різних саун, одинадцять басейнів, до 200 тисяч відвідувачів на рік забезпечуються теплом та гарячою водою завдяки введеній в дію, в 2008 році, сонячній установці на основі вакуумних колекторів Paradigma.
Система ефективно працює навіть в хмарну погоду, що дозволяє отримати середньорічний показник видобутку сонячної енергії на рівні — 550 КВт — год/кв.м.
- Розрахункова окупність проекту — 4,8 років.
- В першій рік експлуатації було зекономлено — 5834 євро.
- Експлуатаційні витрати — 117 євро на рік.
- Викиди CO2 знижені на 15 тонн на рік.
Історія
Наприкінці 90-х років традиційні технології видобутку сонячної теплової енергії зайшли в глухий кут. Було встановлено, що традиційні колектори не можуть тривалий час працювати в високому температурному режимі та забезпечувати функціонування багатьох опалювальних систем та виробничих потреб. З практики виявилось, що поєднання гліколевих сумішей і високих температур є невиправданим з техніко-економічної точки зору, а деколи і неможливим в принципі. Компанія Paradigma з 1988 року розробляє сонячні системи та запровадила велику кількість інноваційних рішень для відновлювальних установок теплозабезпечення, в тому числі і з використання плоских колекторів. З 1997 року група компаній Ritter займається розробкою технології вакуумних колекторів, покращенням будови та характеристик вакуумних труб та їх поєднанням з дзеркальними параболічними концентраторами (CPC). Завдяки нововведенням було досягнуто мінімальних втрат тепла.
Вода як теплоносій. З 2003 року компанія Paradigma використовує тільки воду в якості теплоносія, яка і захищає сонячну установку від замерзання, використовуючи для цього воду з баку-накопичувача або подаючої лінії системи теплопостачання. Завдяки надзвичайно низьким втратам тепла вакуумним CPC колектором, кількість енергії потрібної для роботи системи антизамерзання є мінімальною — лише 2-4% від отриманого сонячного тепла та й навіть ця незначна кількість енергії неодноразово компенсується перевагами води, як теплоносія та високими робочими температурами. Вода надає наступні переваги сонячній установці:
- дозволяє на пряму під'єднуватись до існуючих систем теплопостачання;
- не потребує використання бівалентних бойлерів, розповітрювачів та потужних насосів;
- дозволяє використовувати економічні та малі за об'ємом звичайні бойлери;
- істотно зменшує вартість установки та введення її в експлуатацію;
- забезпечує довгий період роботи при майже стабільній продуктивності;
- зменшує витрати на технічне обслуговування та кошти пов'язані з антифризами;
- зменшує всі ризики пов'язані із стагнацією системи (кипіння води в колекторі).
Вакуумні колектори СPC в поєднанні з аквасистемами і використанням води в якості теплоносія гарантують високу продуктивність на протязі всього року та не потребують сервісного обслуговування. Залишається незрозумілим чому параметри продуктивності геліотермічних установок за DIN EN 12975 вираховуються під час теоретичного тестування в умовах використання води в ролі теплоносія, в той час коли насправді майже всі колектори наповнюються антифризами. Пропіленгліколь має при температури 40°C, на противагу воді, лише 88% теплоємності, 62% теплопровідності, чверть від числа Рейнольда (через що сонячні установки, які наповнені гліколем, працюють переважно в ламінарному потоці), 75% тепловіддачі та в 3,85 разів більші втрати тиску, що змушує комплектувати системи біль потужними насосами. І зі зміною температури ці параметри для гліколю тільки погіршуються. Як наслідок цього зростає споживання електроенергії. В результаті чого виникає логічне запитання, наскіль безкоштовна теплова енергія сонця при високому споживанні енергії насосами.
Для передачі тієї ж самої кількості теплової енергії (NTU, Number of Thermal Units) при використанні гліколю потрібно збільшити площу теплообмінника в три рази. Майже всі комп'ютерні симуляційні програми це ігнорують. В фаховій літературі хоч і вказується, що гліколеві сонячні установки забезпечують не ту продуктивність, яка була спланована в моделюючій програмі, але не було вказано, що це проблема в неправильному теплоносії, і що при використанні гліколю, експлуатаційні температури значно нижчі, ніж заявляють виробники. Звичайні сонячні установки мають, поряд з багатьма іншими, ще й такий суттєвий недолік — ніхто не помічає, коли вони погано працюють чи взагалі не функціонують і не можливо встановити, коли виникають перші неполадки. Вважається, що в Німеччині принаймні ¼ всіх сонячних гліколевих установок практично не працюють або спричиняють більші втрати тепла, а ніж його накопичення.
Продуктивність колектоpa
ККД можна вирахувати для будь-якого колектору в будь-якій робочій точці за допомогою стандартних параметрів, наприклад Solar-Keymark-Test. Чим більшою є втрата температури колектора, тим швидше знижується ККД. Звісно, за малого випромінювання ККД зменшується швидше, ніж за великого. Через це продавці колекторів намагаються представити ККД при якомога більшому випромінюванні, напр. при 700 В/м², 800 В/м² або іноді навіть при 1000 В/м². але в центральній Європі це є нереальним. Кількість сонячної енергії в 800 В/м² буває лише 11% в рік, і понад 13% менше ніж 200 В/м². При середньорічному випромінюванні від 397 В/м² частина нижче 100 В/м² майже не вловлюється плоскими колекторами. Середньо річне випромінювання до 600 В/м² можливе в Середземномор’ї, до 650 В/м² в Каліфорнії, до 700 В/м² в Австралії та Індії і навіть до 750 В/м² на Близькому Сході.
Висока температура підвищує ККД геліотермічної установки тільки якщо температура солярного процесу постійно є вищою за потрібну температуру. Без традиційного опалення можна ефективно і тривало обходитися. Оскільки в не опалювальний період ККД котла набагато нижчий ніж при його постійному навантажені — при кожному заощадженому вмиканні котла за рахунок сонячної установки економиться велика кількість енергії, яка потім надходить до накопичувача. Коли наприклад котел з паливно-технічним ККД від 90% та внутрішнім об'ємом води від 60 л повинен нагріти воду з 20°C до 70°C, то до того як він зможе нагріти 150 л води в накопичувачі на 5 К, лише 16% енергії згорання використовуватиметься для нагріву води. Якщо сонячна установка нагріла накопичувач достатньо, що котлу не потрібно вмикатися, то на одну сонячну кіловат-годину економиться 6,25 кВ/год енергії згоряння палива.
Високі температури забезпечують продуктивне, щорічне використання сонячної енергії
В інтересах кожного проектувальника і користувача досягнути ефективного використання сонячних установок цілий рік. Продуктивність низькотемпературних колекторів падає з низькою зовнішньою температурою так інтенсивно, що взимку або коли неоптимальна погода вони не можуть забезпечити більше ніж попередній підігрів. Якщо теплом потрібно одночасно забезпечити різні потреби споживання, наприклад для опалення та гарячого водопостачання, найефективнішим способом є збереження найвищої температури в буферній ємкості. В низькотемпературних плоских колекторах, що працюють з гліколем — це є неможливим, що призводить до підвищених витрат на проектування та ускладнення гідравлічних систем. Промахи в прогнозованих величинах продуктивності більшості проектів великих установок з низькотемпературними колекторами можна обґрунтувати тим, що отримані температури є нижчими, ніж планувались. Причина полягає не в самій температурі подаючого трубопроводу сонячної установки, а залежить від типу колекторів і теплоносія, оскільки вони дуже суттєво втрачають продуктивність за реальних умов експлуатації.
В 2010 році було проведено практичне дослідження ефективності роботи вакуумних сонячних колекторів. На об'єкті було встановлено дві однакові по площі геліосистеми — одна була змонтована на основі колекторів CPC Paradigma, що працюють на воді, інша з плоских колекторів, заповнених гліколем. Щоденні заміри отриманої потужності показали, що вакуумні аква-колектори до 80% ефективніші за плоскі панелі. В зимові місяці різниця в ефективності між вакуумними акваколекторами та плоскими панелями сягала — 282%! Вакуумні колектори СРС Paradigma працюють ефективно круглий рік.
Висновок
Вакуумні колектори загалом та CPC-колектори зокрема, в поєднанні з водою в якості теплоносія, мають такий великий потенціал для спрощення та покращення геліоустановок (і це доведено на практиці протягом 10 років), що системи з плоскими колекторами та гліколем можуть бути названі технічно та морально застарілими.
У наступних випадках практично немає альтернативи для вакуумних CPC колекторів, що працюють з водою:
- цілорічне виробництво температури гарячої води понад 60°C;
- виключення можливості пошкодження установки через стагнацію системи;
- «гарячий старт» сонячної установки в стані стагнації для експлуатації колекторів в якості додаткового резервуару для високих температур;
- відмова від антифризів.
Основне правило полягає в тому, що сонячна енергія може отримуватися на стільки дешевше, простіше, більш універсально та професійно, наскільки вищою є температура колектору протягом року.